СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ В ВОДЯНОЙ СИСТЕМЕ
METHOD TO DETERMINE FORMATION OF DEPOSITS IN AQUEOUS SYSTEM

Данное изобретение относится к процессу определения и контроля неорганических и/или органических отложений в водяной системе, предпочтительно, в системе циркуляции бумагоделательной и/или картоноделательной машины.
В технологии в общем, и в гидротехнике в частности, явление образования отложений в техническом оборудовании, которые либо уменьшают производительность оборудования, либо снижают качество продукта, известно как засорение отложениями. Засорение отложениями может различаться по происхождению или природе осажденных веществ.
Чисто неорганические отложения известны как накипь, например, известковый налет или котельная накипь в теплообменниках, стояках водяного охлаждения, установках обратного осмоса и т.д.
Если данные отложения имеют главным образом биологичеcкую природу, т.е. помимо прочих, преимущественно органических веществ, таких как продукты метаболизма или внеклеточные полимерные вещества (для краткости именуемые в дальнейшем ВПВ), они содержат также жизнеспособные организмы (преимущественно как микроорганизмы, так и моллюсков и другие высшие формы жизни), то используется термин "биообрастание".
Бланко (Blanco) с соавторами также разделили такие отложения по их происхождению на небиологические (волоконца, смола и известковый налет/котельная накипь) и биологические (слизь)
Для понимания механизма образования отложений в процессе изготовления бумаги, Канто Оквист  с соавторами использовал другую классификацию, которая проводит различие между органической (включая биологическую слизь) и неорганической природой
Термин "биоотложения" также связан с терминов "биопленка": биопленки представляют собой особую форму заселения микроорганизмами, которая может происходить на граничных поверхностях, т.е. фактически везде, так как в окружающей среде практически отсутствуют поверхности, которые не заселены или непригодны для заселения микроорганизмами. Также ни один из известных материалов не способен сопротивляться микробному заселению в течение длительного времени
Помимо этого, биопленки и организмы биопленок представляют собой старейшую из известных на настоящий момент форм жизни и входят в число наиболее способных к адаптации форм жизни. Они встречаются не только в природных водоемах, но также и в местах, которые обычно считаются непригодными для жизни.
В технических системах биопленки можно обнаружить, например, в бедном питательными веществами оборудовании для производства сверхчистой воды, также как и в системах трубопроводов в бумажной промышленности.
Как уже было отмечено, неорганические и/или органические отложения и, в частности, биопленки способны оказывать чрезвычайно разрушительное действие на техническое оборудование и, таким образом, приводить к огромным экономическим потерям. Помимо этого, было показано, что, в частности, биообрастание в техническом оборудовании вызывает в высшей степени разнообразные проблемы.
Высокое значение в данном контексте имеет, например, коррозия, вызванная микроорганизмами (КВМ), поскольку микробные пленки могут вызвать или усилить коррозию, в частности, на металлических поверхностях. В данном процессе организмы биопленок ускоряют электрохимические процессы, сопровождающие коррозию.
Вследствие особых вязкоэластичных свойств биопленок, заселенные поверхности демонстрируют существенно повышенное сопротивление трению, что в системах трубопроводов или теплообменниках может привести к пониженной скорости подачи, повышенной потере напора или ухудшению теплообмена. В наихудшем случае, это может закончиться блокировкой всей системы трубопровода и закупоркой теплообменников.
Другая основная проблема, например, представляет собой отрыв фрагментов биопленки. В бумажной промышленности это не только приводит к загрязнению бумаги, но также может вызвать остановку оборудования с вытекающими негативными экономическими последствиями.
Более того, что касается проблемы неорганических и/или органических отложений и, в частности, проблемы засорения отложениями или биообрастания, стоит отметить, что исключение таких отложений в техническом оборудовании во многих случаях либо невозможно, либо, с финансовой точки зрения, возможно лишь при неприемлемо высоких расходах. Это означает, что, например, нежелательное образование биопленок допустимо до определенного порогового значения и при превышении данного порогового значения предпринимаются необходимые меры для уменьшения данных неорганических и/или органических отложений или борьбы с ними.
Чтобы можно было оценить необходимость принятия таких контрмер и определить их эффективность, необходимы процессы или системы мониторинга, которые обеспечивают измерения параметров, позволяющих сделать достоверное заключение о текущем состоянии рассматриваемой системы.
Способы исследования в системах контроля или процессах мониторинга в основном делятся на две группы. Первая группа включает в себя способы, требующие удаления из системы части пораженной поверхности так, что изучаемое отложение может быть отделено от нее и исследовано. Такие способы, также известные как разрушающие методы, представляют собой классические химические или биохимические процессы, на которых основаны стандартные лабораторные измерительные процессы.
Разрушающие методы, известные из предыдущего уровня техники, используют, например, съемные поверхности для культивирования биопленок, которые отдельно устанавливают в оборудование и затем удаляют. С этой целью, поверхности для культивирования, или так называемые системы контрольных пластинок, подвергают воздействию в характерных положениях системы, так что их можно удалить по истечении желаемого времени и проанализировать при помощи автономных лабораторных измерительных процессов [см. US831H].
Другой классический способ мониторинга представляет собой, например, использование пластины для измерения слизи, который уже долгое время применяется в производстве бумаги
Однако недостаток таких лабораторных измерительных процессов заключается в том, что они требуют значительных затрат труда и времени с точки зрения рабочей силы, материалов и оборудования. Более того, данные способы требуют тщательной постоянной обработки тестовых поверхностей или контрольных пластинок при измерении роста или сокращения пленки и не зависящих от способа отклонений. Более того, контрольные точки не всегда оказываются легкодоступными или характеризующими всю систему, например, параметры потока, преобладающие в контрольной точке, могут отличаться от параметров потока, характерных для системы в целом, что оказывает прямой эффект на структурное развитие биопленки на поверхности для культивирования.
Вследствие вышеупомянутых недостатков разрушающих методов, на сегодняшний день предпринимается множество попыток определения степени биообрастания в режиме реального времени (онлайн), непосредственно в системе (в линейном режиме или в режиме обвода) и без разрушения, т.е. без активного вмешательства в процесс. Тем не менее, что касается разрушающих и автономных методов, известных из предыдущего уровня техники, стоит отметить, что множество указанных лабораторных способов предоставляют более точные результаты при регулярном наблюдении неорганических и органических отложений и, в частности, биопленок чем, например, некоторые линейные измерительные приборы, доступные на рынке в настоящее время. Следовательно, в тех случаях, когда требуются высокоточные результаты для рассматриваемой системы или необходимо проведение наблюдений в течение короткого промежутка времени, оптимальным является использование таких разрушающих методов.
Как уже было отмечено, такие отложения как микробная слизь ответственны за возникновение множества проблем в процессе изготовления бумаги. Они могут приводить к потере качества, понижению эксплуатационной готовности машины и увеличению издержек
Отложения в цепи машины и, в частности, в системе циркуляции бумагоделательной и/или картоноделательной машины, возникают под воздействием веществ, которые вводятся в систему с аэрозолями и сырьем, таким как пресная вода, древесина, наполнители и химические добавки. Следовательно, чтобы можно было разработать эффективные контрмеры, необходимо знание и понимание взаимодействий между этими веществами и микроорганизмами от их первого возникновения до массового образования отложений
Тем не менее, большинство предложений по контролю за отложениями до сих пор основывалось на измерениях в водной фазе, что не позволяет делать достоверные заключения о текущем состоянии интересующей системы.
Например, что касается отложения биопленок, было установлено, что не существует взаимосвязи между числом клеток, измеренным в водной фазе, и числом клеток в конгломерате, налипающем на поверхность. Следовательно, поскольку определение числа микроорганизмов в жидкой фазе не позволяет сделать достоверные выводы о вкладе в образование отложений, данный метод является непригодным, так как синтез ВПВ зависит не только от вида и числа бактерий, но также в значительной степени от их состояния питания
Что касается образования отложений, предполагается, что сначала образуется первоначальная пленка,
при помощи которой микроорганизмы могут легче прикрепляться к поверхности. В связи в этим стоит упомянуть исследования Колари с соавторами, который описал трудности, встречающиеся на пути бактерий при заселении очищенной стальной поверхности при использовании бактериальных штаммов, характерных для бумажной промышленности.
Поскольку до сих пор существует большая потребность в способе исследования, который позволяет делать достоверные заключения о текущем состоянии рассматриваемой водной системы, задачей данного изобретения, следовательно, является создание такого способа, в частности, для определения неорганических, микробных и/или органических отложений в водной системе, предпочтительно, в системе циркуляции бумагоделательной и/или картоноделательной машины. Более того, данный способ должен также предоставлять возможность объективного наблюдения и понимания образования отложений на поверхностях и взаимодействий между неорганическим, органическим и микробным материалом в водной системе так, чтобы можно было оценить различные программы обработки соответствующих водных систем, в частности, каждой системы циркуляции бумагоделательной и/или картоноделательной машины. Необходимо, чтобы способ использовался в реальных условиях так, чтобы охватить, если возможно, изменения всех параметров в системе, таких как pH, температура, наличие химических добавок, сырья, повторно используемых отходов, скорости потока; и/или способ должен представлять собой разрушающий метод для того, чтобы можно было получить очень точные результаты и, как следствие, сделать достоверные заключения о текущем состоянии интересующей водной системы.
Задача изобретения достигается за счет способа определения и контроля неорганических, микробных и/или органических отложений в водной системе, предпочтительно системе циркуляции бумагоделательной и/или картоноделательной машины, с одним или более образцами, вводимыми в водную систему, которые затем удаляют из системы по истечении заранее выбранного времени экспозиции и подготавливают для исследования поверхности, с определением отложений, образовавшихся на образцах, при помощи методов микроскопии и/или газовой хроматографии и/или масс-спектроскопии.
Как ни удивительно, при помощи способа по изобретению было обнаружено, что образование отложений, в частности, при изготовлении бумаги, не связано исключительно с микробной активностью, а, фактически, за это ответственны взаимодействия между неорганическим и органическим материалами и влияние микроорганизмов. На основе этого понимания, таким образом, можно разработать программы обработки, подобранные для конкретного случая, которые требуют меньшего количества токсичных средств (биоцидов) и, как правило, оказываются менее дорогими.
В соответствии с данным изобретением один или более образцов вводят в исследуемую водную систему, предпочтительно, в систему циркуляции бумагоделательной и/или картоноделательной машины. Число образцов, которое необходимо использовать в способе по изобретению, зависит от исследуемой водной системы. В частности, если способ по изобретению применяется в системе циркуляции бумагоделательной и/или картоноделательной машины, контрольные пластинки следует помещать именно в те места, в которых в прошлом наблюдались проблемы, и где необходимо изучить рост отложений. В этом случае необходимо следить за тем, чтобы способ использовался в реальных условиях так, чтобы охватить, если возможно, изменения всех параметров в системе, таких как pH, температура, наличие химических добавок, сырья, повторно используемых отходов, скорости потока и т.д. для того, чтобы можно было реалистично оценить состояние системы на поверхности роста образцов в изучаемом проблемном месте. Это оказывается невозможным в случае, если образцы находятся, например, в обводном канале водной системы. В качестве образцов предпочтительно используются стандартные системы контрольных пластинок, которые помещают, например, в определенные места в процессе производства бумаги, например, в резервуары, контейнеры для добавок, области разбрызгивания воды или просто во все сырые места или места с повышенной влажностью.
Не только с точки зрения множества различных компонентов и оборудования в водных системах, на которых могут возникнуть проблемы с пленкой, в распоряжении специалиста, как правило, находится огромное количество материалов, из которых можно изготовить образцы, например, нержавеющая сталь, углеродистая сталь, различные металлические сплавы, пластик, керамика, стекло и т.д. Во многих технических водных системах, таких как системы водяного охлаждения, подачи технической воды, технологического водоснабжения и подачи питьевой воды и множества промышленных установок (например, бумагоделательные и картоноделательные машины), нержавеющая сталь представляет собой типичный материал для образцов по изобретению, при изготовлении образцов, преимущественно, из кислотостойкой нержавеющей стали.
В особенно предпочтительном варианте осуществления образец представляет собой круглую контрольную пластинку из нержавеющей стали AISI 316 I толщиной 2 мм с отверстием в 1 мм, при помощи которого контрольная пластинка может прикрепляться или подвешиваться в подходящем месте исследуемой системы. Тем не менее, в соответствии с данным изобретением, контрольные пластины в качестве образцов могут также иметь другие формы и размеры.
Для прикрепления образцов можно, например, использовать проволоку из кислотостойкой нержавеющей стали и другие средства крепления, подходящие для данной цели.
Образец(цы) оставляют в течение заранее выбранного времени экспозиции в исследуемой водной системе. К концу выбранного периода, образец(цы) удаляют из системы и подготавливают для последующих исследований поверхности. Выбираемое время экспозиции зависит от исследуемой водной системы и, в частности, ее предрасположенности к отложениям и может быть определено при помощи простых предварительных испытаний. Выбираемое время экспозиции обычно составляет от одного часа до 100 дней, предпочтительно, от 1 дня до 50 дней, со временем экспозиции от нескольких часов до 15 дней, в частности, от 1, 2, 3 до 12 дней, что является особенно предпочтительным в соответствии с данным изобретением.
Образцы, удаленные из системы, затем подготавливают в виде свежих образцов непосредственно для исследований поверхности, специально зафиксированных и анализируемых на следующем шаге, или изначально зафиксированных в наблюдаемой водной системе, где последующий анализ может быть затем проведен в более поздний момент времени.
Отложения, образовавшиеся на образцах, определяют при помощи методов микроскопии, в частности, методов электронной микроскопии и/или электронной спектроскопии. Поверхности образцов, в частности, контрольных пластинок, предпочтительно исследуют после воздействия при помощи специальных методов микроскопии, например, сканирующей электронной микроскопии (SEM - scanning electron microscopy) с анализом энергетической дисперсии рентгеновского излучения (EDX - energy-dispersive X-ray) так же, как и, например, картированием по скоростям, или конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (CLSM - confocal laser scanning microscopy) и эпифлуоресцентной микроскопии (EP - epifluorescence microscopy).
В соответствии с данным изобретением органическая часть отложений может определяться предпочтительно при помощи методов газовой хроматографии и/или масс-спектроскопии. В соответствии с данным изобретением методы газовой хроматографии и/или масс-спектроскопии также могут использоваться совместно с другими методами анализа. Например, газовая хроматография (GS - gas chromatography) может использоваться совместно с инфракрасной спектроскопией (ИК-спектроскопия), в этом случае ИК- спектроскопия используется в качестве детекторов для GS. Другие GS детекторы включают пламенно-ионизационные детекторы (FID - flame-ionization detectors), детекторы тепловодности, фотоионизационные детекторы (PID - photoionization detectors), детектор захвата электронов (ECD - the electron-capture detector), термоионный детектор (TID - termoionic detector), пламенный фотометрический детектор (FPD - flame photometric detector), детектор Холла (HECD-HALL Electrolytic Conductivity Detector), анализатор тепловой энергии (TEN - thermal energy analyser) и т.д. Предпочтительные детекторы или сопряженные с GS устройства представляют собой инфракрасные Фурье-спектрометры (FT-IR: Fourier transtorm infrared spectrometers) и масс-спектрометры. Более того, инфракрасная микроскопия представляет собой один из предпочтительных способов исследования органических отложений.
Наиболее предпочтительно, определение проводится при помощи пиролитической газовой хроматографии с сопряженным масс-спектрометром (именуемой далее для краткости Py-Gc/MS).
Способ по изобретению особенно эффективен, так как он позволяет исследовать образование отложений на поверхностях для широкого спектра водных систем, например, в системах бумагоделательной машины. Цель исследования представляет собой анализ фактической структуры отложений в наблюдаемой системе машины, от начального отложения до образования конечного объема. На основе полученных результатов можно затем разработать эффективную программу обработки для предотвращения формирования отложений, губительных для машин. Средства, которые необходимо использовать в таких программах обработки, представляют собой, например, антинакипины, диспергирующие агенты, биоциды, фиксирующие агенты и т.д. Выбор одного или более из вышеупомянутых средств для программы обработки, подобранной для исследуемой системы, зависит от результатов, полученных при использовании способа по изобретению.
Способ по изобретению выгодно отличается от других способов, известных из предшествующего уровня техники, за счет детального анализа механизма отложения на поверхностях системы и, в частности, в нем не анализируется то, что циркулирует в системе.
Способ по данному изобретению объясняется более подробно при помощи следующих примеров и приложенных чертежей.
Фиг.1: Изображение SEM поверхности стальной контрольной пластинки. Контрольная пластина находилась в канале оборотной воды картоноделательной машины при использовании 100% вторичного волокна в течение 6 дней.
Фиг.2a: Изображение SEM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 1 дня в оборотной воде машины для производства газетной бумаги при использовании 100% термомеханической массы (TMP - thermo-mechanical pulp).
Фиг.2b: Изображение SEM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 6 дней в оборотной воде машины для производства газетной бумаги при использовании 100% ТМP.
Фиг.2с: Изображение SEM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 1 дня в выпускном отверстии напорного ящика для разбавления. Производство высокосортной бумаги из беленой твердой древесины/мягкой древесины.
Фиг.2d: Изображение SEM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 6 дней в выпускном отверстии напорного ящика для разбавления. Производство высокосортной бумаги из беленой твердой древесины/мягкой древесины.
Фиг.2e: Изображение SEM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 1 дня в выходном потоке картоноделательной машины при использовании 100% вторичного волокна.
Фиг.2f: Изображение SEM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 12 дней в выходном потоке машины для производства газетной бумаги при использовании 100% ТМP.
Фиг.3a: Изображение SEM стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 1 дня в оборотной воде картоноделательной машины. Использование 100% вторичного волокна.
Фиг.3b: EDX-анализ изображения на Фиг.3a.
Фиг.3c: Изображение SEM стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 1 дня в оборотной воде картоноделательной машины. Использование 100% вторичного волокна.
Фиг.3d: Результат EDX-картирования по скоростям изображения на Фиг.3c.
Фиг.3e: Изображение SEM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 1 дня в выпускном отверстии напорного ящика для разбавления. Производство высокосортной бумаги из беленой твердой древесины/мягкой древесины.
Фиг.3f: Py-GC/MS анализ отложения из того же места, что и на Фиг.3e.
Фиг.4: Изображение CLSM стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 9 дней в биологически очищенной от волокнистой массы воде картонной фабрики. Использование 100% вторичного волокна.
7
Фиг.5a: Изображение CLSM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 5 дней в проточной ячейке. Противослизевый агент отсутствует. Общее количество микроорганизмов = 10 КОЕ/мл (КОЕ = колониеобразующая единица).
Фиг.5b: Изображение CLSM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 5 дней в проточной ячейке. Обработка изотиазолиноном в количестве 200 м.д. Общее количество микроорганизмов = <1000 КОЕ/мл.
Фиг.5c: Изображение CLSM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 5 дней в проточной ячейке. Обработка DBNPA (дибромнитрилпропионамид) в количестве 40 м.д. Общее количество микроорганизмов = <1000 КОЕ/мл.
Фиг.5d: Изображение CLSM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 5 дней в проточной ячейке. Обработка надуксусной кислотой в количестве 60 м.д. Общее количество микроорганизмов = <1000 КОЕ/мл.
7
Фиг.5e: Изображение CLSM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 5 дней в проточной ячейке. Обработка многофункциональным агентом контроля отложений (коллоидный раствор гидрофобного вещества) в количестве 30 м.д. Общее количество микроорганизмов = 10 КОЕ/мл.
7
Фиг.5f: Изображение CLSM поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 5 дней в проточной ячейке. Обработка многофункциональным агентом контроля отложений (эмульсия растворителя) в количестве 50 м.д. Общее количество микроорганизмов = 10 КОЕ/мл.
Фиг.6a: Изображение SEМ поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 4 часов в проточной ячейке. Средство против засорения отложениями отсутствует.
Фиг.6b: Изображение SEМ поверхности стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 4 часов в проточной ячейке. Обработка многофункциональным агентом контроля отложений (MDCA - multifunctional deposit control agent).
Фиг.7: Изображения SEМ нескольких поверхностей стальной контрольной пластинки. Нахождение в течение 12 дней в оборотной воде машины для производства газетной бумаги. Использование 100% вторичного волокна. Контрольный препарат был обработан только биоцидом по сравнению со специализированной программой, состоящей из комбинации многофункционального агента контроля отложений (MDCA) и биоцидов.
I. Материалы и способы
Перед использованием контрольные пластинки полировали водостойкой наждачной бумагой FEPA P1000 (Struers) и затем очищали при помощи сначала моющего средства, а затем ацетона. Обработанные таким образом контрольные пластинки из нержавеющей стали AISI 316L толщиной 2 мм и диаметром 15 мм с высверленным отверстием помещали в различные места бумагоделательной или картоноделательной машин, как правило, в места с высокой влажностью, в которых наблюдалось образование отложений. Для погружения контрольных пластинок непосредственно в контейнеры или каналы, содержащие воду, использовали кислотостойкую стальную проволоку.
По истечении соответствующего времени экспозиции, например, после 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 или 12 дней, контрольные пластинки удаляли и подготавливали для исследований поверхности (SEM/EDX или CLSM).
Фиксация контрольных пластинок из кислотостойкой нержавеющей стали для исследований SEМ
Для исследований SEМ, поверхности могут быть зафиксированы так, как было описано, например, Ваясаненом  с соавторами, 1998
2
4
2
4
Согласно Колари (Kolari M.), Маттила (Mattila K.), Миккола (Mikkola R.), Салкиноя-Салонен (Salkinoja-Salonen M.S.) контрольную пластинку необходимо промыть в медленно текущей воде, в этом случае контрольную пластинку держат в вертикальном положении, например, при помощи пинцета. Затем контрольную пластинку помещают на 2 часа в свежеприготовленный 3% раствор глутарового альдегида, полученного при помощи буфера Соренсена (смесь KHPO и NaHPO). Глутаровый альдегид смывают путем погружения контрольной пластинки в три различных контейнера со свежеприготовленным буфером Соренсена. Важно, чтобы заселенная сторона контрольной пластинки оставалась покрытой на всех стадиях.
Для удаления воды из препарата контрольную пластинку помещают в растворы этанола с концентрацией 40%, 60%, 80% и 96% на 15 минут в каждом случае. По истечении 15 минут пребывания в 96% этаноле, избыток этанола удаляют и контрольную пластинку оставляют на некоторое время для просушки.
После фиксации посредством описанного здесь способа, контрольную пластинку анализируют при помощи SEМ с EDX анализом.
Фиксация контрольных пластинок из кислотостойкой нержавеющей стали для исследований CLSM и ED
Для анализа посредством эпифлуоресцентной микроскопии (EP) и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (CLSM) традиционно используют те же самые контрольные пластинки из кислотостойкой нержавеющей стали, как и в случае SEМ. Однако в отличие от контрольных пластинок для SEМ, контрольные пластинки оставляют в системе на периоды, отличные от заранее выбранных периодов экспозиции. Затем их анализируют либо в виде свежеприготовленных образцов, либо после фиксации на фабрике.
Время фиксации зависит от природы образца. В случае смеси формальдегида и глутарового альдегида этот период, как правило, составляет 1-2 часа при комнатной температуре. Поскольку фиксация формальдегидом при низких концентрациях (<4%) представляет собой равновесную реакцию, время промывания после фиксации должно быть коротким. Осмолярность можно регулировать при помощи сахарозы.
Фиксирующие агенты
Наиболее часто используемые фиксирующие агенты представляют собой альдегиды, либо в чистом виде, либо в смесях. Ключевым элементом в фиксирующих агентах является, как правило, параформальдегид при концентрации от 2 до 4%.
4% параформальдегид в буфере PBS (фосфатный буферный раствор)
4 г параформальдегида прибавляют к 60 мл PBS и раствор нагревают до 60°C. 1 н. раствор NaOH медленно прибавляют до достижения прозрачности раствора. Его оставляют охлаждаться до комнатной температуры. Доводят значение pH до 7,4 (например, при помощи 1 н. NaOH или 1 н. HCl). Затем к нему приливают PBS до достижения суммарного объема в 100 мл, разделяют на порции и хранят при -20°C. Для предотвращения образования осадка, его необходимо быстро плавить на водяной бане.
Как в случае эпифлуоресцентной микроскопии (EP), так и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, используются особые цвета для того, чтобы, например, окрашивать определенные активные группы или группы микроорганизмов, которые являются источником возникновения проблем, например, ВПВ-материал, живые/мертвые нити, нити ДНК/РНК и т.д. Эти цвета показывают количество и распределение микроорганизмов, слизи и другого возможного материала внутри пленки отложения.
CLSM производит 3-мерное изображение пленки отложения и, таким образом, является более информативной, чем эпифлуоресцентная микроскопия. Недостаток метода CLSM заключается, однако, в том, что он требует большего времени, чем эпифлуоресцентная микроскопия.
Контрольные пластинки для CLSM исследуют в соответствии со способом Колари с соавторами, 1998, при использовании которого можно отличить живые организмы от мертвых при помощи особого окрашивания (Molecular Probes Inc.)
Исследование органической части отложений проводилось посредством пиролитической газовой хроматографии с сопряженным масс-спектрометром (Py-GC/MS). Результаты получают в виде пирограммы, с зависимостью интенсивности продукта пиролиза от времени удержания (на детекторе полного ионного тока (TIC - the total ion current)). Для выявления структурных особенностей продуктов пиролиза в течение одной секунды регистрировались 2 масс-спектра. Поскольку многие полярные соединения, прежде всего кислоты, были недостаточно летучими, чтобы можно было использовать неполярные GC колонки, непосредственно в процессе пиролиза проводилось метилирование при помощи гидроксида тетраметиламмония.
Более того, для измерения общего числа микроорганизмов также проводились стандартные посевы на агар (Plate Count Agar от Merck, Darmstadt, Germany).
II. Использование стальных контрольных пластинок для исследования образования отложений в бумажной промышленности
С целью изучения формирования отложений и понимания его механизмов контрольные пластинки помещали в различные места различных бумагоделательных и картоноделательных машин. По истечении заданного времени экспозиции (между 1 и 14 днями) их удаляли и сразу же фиксировали для SEM анализа. Анализы проводили при помощи SEM-EDX.
На поверхности контрольных пластинок можно увидеть различные типы отложений. Пример отложения, характеризующегося взаимодействиями между неорганическим, органическим и микробным материалом, показан на Фиг.1.
Наиболее выигрышная особенность способа по изобретению заключается в том, что можно определить природу первоначальной пленки отложения.
По истечении времени экспозиции, равного неделе, обычно обнаруживаются сложные отложения, содержащие все три основных типа.
III. Типы отложений на различных граничных поверхностях в бумагоделательной машине
На Фиг.2a-f показаны примеры контрольных пластинок, помещенных в область различных граничных поверхностей бумагоделательной и картоноделательной машин. На них показаны различные структуры отложений в разных местах бумагоделательной машины. Непосредственно после удаления контрольные пластины фиксировали и исследовали при помощи SEM-EDX.
На поверхностях раздела газ-жидкость аэробных участков циклов первоначальную пленку иногда можно обнаружить только по истечении 1 часа экспозиции. На Фиг.2a первоначальная пленка состоит из органического материала. Трудно обнаружить что-либо, морфологически напоминающее бактерии или другие микроорганизмы. Структура отложения на том же месте по истечении 6 дней экспозиции демонстрирует сложный состав (см. Фиг.2b).
В области поверхностей раздела жидкость-твердое тело (Фиг.2c) не может быть установлено наличие микроорганизмов и в равной степени неорганического материала, которые могут быть обнаружены при помощи EDX. Пиролитическая GC/MS, с другой стороны, показывает высокое соотношение димеры алкилкетонов/ алкенилянтарный ангидрид (AKD/ASA - alkylketone dimers/alkenylsuccinic anhydride) в данном отложении. То же самое отложение после 6 дней экспозиции показано на Фиг.2d.
Границы раздела газ-твердое тело обнаруживаются в бумагоделательной машине в местах, не подвергаемых постоянному смачиванию. Типичные отложения в данных местах состоят из неорганических солей и микроорганизмов (Фиг.2e-f). Отложения такого типа обнаруживаются, например, на распылителях, в некоторых местах которых часто свисает слизь.
Следовательно, на различных граничных поверхностях в бумагоделательной машине состав отложений в значительной степени различается.
IV.
A. Анализ конкретных примеров 1, демонстрирующий почему разработка принципа контроля за отложениями требует глубокого понимания начала образования отложений.
Контрольные пластинки помещали в различные системы. Не позднее чем через 1 день их удаляли и сразу же фиксировали. Анализ проводили при помощи SEM-EDX.
В первом случае, для картоноделательной машины, использующей 100% вторичное волокно, можно видеть первоначальную пленку, содержащую алюминий и кислород (Фиг.3a-b). Очевидно, это гидроксид алюминия (соответствует pH 6,8 в оборотной воде).
В случае 2, также для картоноделательной машины, использующей 100% вторичное волокно, можно обнаружить популяцию бактерий на поверхности. Неорганический материал начал откладываться в ВПВ бактерий (Фиг.3c-d).
В случае 3, органическая пленка становится видимой по истечении 1 дня. Точная классификация затруднительна, даже если пиролитическая GC/MS препарата отложения из того же места обнаруживает высокую долю AKD/ASA. Неорганический материал не может быть обнаружен при помощи EDX анализа. Типичный морфологический рисунок микроорганизмов в данном случае также не очевиден (Фиг.3e-f).
На основе данных результатов можно сделать вывод о том, что состав первоначальной пленки на поверхности контрольной пластинки зависит в значительной степени от конкретной системы. Тем не менее, для принятия эффективных контрмер очень важно иметь представление о данной первоначальной пленке. Это тем более применимо, так как обычно образование отложений вызывается не бактериями, поскольку, как уже было объяснено, многие виды неспособны прикрепляться к чистой металлической поверхности
B. Анализ конкретных примеров 2, демонстрирующий недостаточность измерений общего числа микроорганизмов для разработки принципа контроля за отложениями
Посевы микроорганизмов проводились на стандартный агар. Одновременно исследовали контрольные пластинки, на которых микроорганизмы окрашивали при помощи селективного красителя для того, чтобы можно было отличить живые особи от мертвых. Данные поверхности анализировали при помощи конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (CLSM). В качестве исследуемых систем использовались оборотная вода и биологическая вода с одной и той же бумажной фабрики (100% вторичное волокно).
2
2
В биологической воде, возвращаемой в процесс, при посеве на агар было обнаружено <1000 КОЕ/мл. На поверхности контрольной пластинки (по истечении 9 дней) в одном и том же потоке воды было обнаружено около 30 нитчатых бактерий и приблизительно 300 бацилл на единицу поверхности (50 мкм × 50 мкм = 0.0025 мм, Фиг.4). Это соответствует 12000 нитчатых бактерий и приблизительно 120000 бацилл на мм. Было показано, что только некоторые виды из общего числа микроорганизмов могут хорошо высеваться. Это означает, что корреляция между образованием слизи и количеством колоний, определенным при помощи подсчета в случае аэробной культуры, отсутствует.
Особые проблемы в производстве бумаги вызывают нитчатые бактерии. Для этих видов хорошо известно, что они вследствие своей морфологии вызывают проблемы с качеством и так называемой способностью поддаваться обработке. К сожалению, именно данные нитчатые бактерии, в отсутствие специальной предварительной обработки, очень тяжело культивировать на агаре
Посевы микроорганизмов в случае аэробных бактерий, следовательно, не способствуют пониманию проблемы отложений и разработке подходящей программы обработки. Для того, чтобы действительно понять условия и разработать эффективный принцип контроля за отложениями, необходимо исследовать и понимать образование отложений на поверхностях.
Анализ конкретных примеров 3: Проверка эффективности противослизевых агентов при помощи технологии контрольных пластинок
2
Цель заключалась в нахождении корреляции между результатами стандартного скрининга биоцидов и фактическим образованием отложений слизи. Исследования проводили на оборотной воде машины для производства газетной бумаги при использовании 100% ТМP. Скрининг биоцидов позволил определить оптимальную концентрацию биоцидов для уменьшения общего числа микроорганизмов в 10 в течение 30 минут. Для того, чтобы проследить образование слизи при данной концентрации биоцидов использовали систему проточных ячеек с подвешенными контрольными пластинками.
Оборотную воду, которую также использовали для скрининга биоцидов, разлили в резервуары для хранения в данной системе и обогатили большим количеством сгустков слизи из канала оборотной воды. Исследования проводили при температуре системы (в данном случае 48°C). В течение периода испытаний, равного 5 дням, ежедневно добавляли порцию биоцидов. Сразу же после воздействия, контрольные пластины селективно окрасили для того, чтобы можно было отличить живые организмы от мертвых, и затем проанализировали при помощи CLSM. Образцы высевали на агарозную среду (аэробно) в одно и то же время.
4
Для различных испытаний были обнаружены значительные различия в уменьшении числа микроорганизмов (разница > 10 КОЕ/мл). Однако эти различия в микробной активности не отражают того, что было обнаружено на поверхностях, как показано на Фиг.5a-g.
Бактерии на поверхностях, окрашенные в зеленый цвет, активны (живые). Это показывает, что микроорганизмы, окруженные своей биопленкой, менее чувствительно реагируют на добавление биоцидов (Фиг.5b-d). Это также согласуется с данными, описанными в литературе
С другой стороны, также возможно уменьшение отложений на поверхностях без значительного изменения в числе микроорганизмов в водной фазе (см. Фиг.5e-f).
Стоит отметить, что исследование отложения и образования слизи необходимо для оценки эффективности противослизевой программы. Измерений (числа микроорганизмов) в водной фазе для этого недостаточно, и в определенных условиях они могут даже дезориентировать.
Анализ конкретных примеров 4: Способ, использующий контрольные пластинки, как средство для предсказания и решения проблем с отложениями
Дополнительные серии измерений проводили в установке, включающей проточные ячейки, как описано выше. Как и ранее, использовали настоящую оборотную воду и добавляли различные проклеивающие агенты. В некоторых испытаниях использовали определенные средства против засорения отложениями. Контрольные пластинки удаляли по истечении 4 часов и анализировали при помощи SEM.
В результате на стальной поверхности на Фиг.6a можно видеть типичное органическое отложение кальциевого мыла ASA. Поскольку отложения ASA очень легко обнаружить, эффективность различных средств против засорения отложениями можно относительно легко оценить при помощи данного способа. В одном случае использовали многофункциональный агент контроля отложений. Результат данного эксперимента на проточной ячейке приведен на Фиг.6b. Явно видно, что добавка эффективно защищает стальную поверхность от отложения ASA.
Следовательно, способ, использующий стальные контрольные пластинки, в сочетании с SEМ не только пригоден для исследования влияния и/или эффективности противослизевых агентов, но также исключительно пригоден для наблюдения за образованием отложений органической природы (засорением отложениями).
Анализ конкретных примеров 5: Способ, использующий контрольные пластинки, для развития принципов контроля за отложениями в реальной системе
Фактическое образование отложений в бумагоделательной машине различается и зависит от типа машины, сырья, качества необработанной воды, программ обработки, степени замкнутости контура и т.д. Понимание формирования отложений в контуре расширяет возможности для развития специализированной программы обработки, которая включает средства для обработки всех трех типов компонентов отложений (неорганических, микробных и органических), например, антинакипины, биоциды и агенты контроля отложений, в том числе и диспергирующие агенты.
Например, если начальный анализ показывает, что первая пленка отложений была органической, программа обработки, состоящая исключительно из биоцидов, не может быть эффективной. На Фиг.7 показано, как отложения выглядят по истечении 11-12 дней обработки. В качестве программ обработки применяли специализированную программу и контрольную программу. Специализированная программа представляла собой комбинацию MFDA и биоцидов, в то время как в контрольной программе использовались исключительно биоциды.
В заключение, о применении способа, использующего контрольные пластинки, для развития принципов контроля за отложениями в реальных системах можно постулировать следующее.
Способ, использующий контрольные пластинки, пригоден в качестве аналитического средства в большом числе различных ситуаций, имеющих отношение к бумагоделательной машине, например:
- для исследования происхождения первоначального слоя отложения;
- для предсказания и предотвращения изменений в предрасположенности к отложениям в случае перенастройки системы;
- для оценки и сравнения эффективности текущего и возможного принципов контроля за отложениями;
- для оценки склонности компонентов оборотной воды к образованию отложений.
На основе проведенных испытаний, в заключение можно постулировать следующее:
- с точки зрения происхождения и состава, первоначальная пленка отложения различается от бумагоделательной машины к бумагоделательной машине,
- определение количества микроорганизмов в водной фазе при помощи посева (подсчета) не эффективно для понимания образования отложения,
- оценка эффективности принципов контроля за отложениями предполагает исследование отложения и образования слизи. В связи с этим, измерения в водной фазе не являются целесообразными,
- стальные контрольные пластинки, поверхности которых анализируют при помощи SEM, представляют собой эффективное средство для исследования образования отложений органических и неорганических веществ и проблем со слизью.
Эффективность различных программ контроля за отложениями можно реалистично оценить и сравнить при использовании данного способа.