用于监测生物膜和其它沉积物的生物传感器和沉积物传感器

技术领域

本发明涉及一种方法和设备，其用于测量生物材料的生长以及有机和无机沾染物在取样管上的沉积，并用于筛选对调节生物材料的生长以及有机和无机沾染物的沉积有用的试剂。更具体地说，本发明涉及一种用于测量生物材料的生长以及有机和无机沾染物在取样管上的沉积的方法和设备。

背景技术

水和/或其它液体材料被用于诸如制浆和造纸等很多工业生产的制造工序中。这些处理液体通常含有促进细菌生长的丰富的碳和营养物。例如在造纸厂中，细菌膜(生物膜)在制造过程中不如人意地快速形成在制造设备的钢表面上。这种生物膜通常伴随有保护性外多糖(exopolysaccharides)(“粘泥”)，并存在于设备表面和处理水流的交界面上。此外，诸如碳酸钙(“结垢”)等无机沾染物以及有机沾染物经常沉积在这些表面上。有机沾染物通常是树脂(例如来自木材中的树脂)和胶粘(例如胶、粘合剂、胶带和蜡颗粒)。

生物膜的生长以及无机和有机沾染物的沉积对设备的效率是有害的，造成产品质量下降，生产效率降低，并使系统内出现操作困难。有机沾染物在稠度调节器和其它设备探针上的沉积可能会导致这些元件失效，在筛网上的沉积可能减少产量并扰乱系统的运作。这种沉积物在系统内不仅出现在金属表面上，而且还出现在诸如设备导线、毡、薄箔、Uhle盒、压头箱等塑料和合成元件表面上。这些沉积物所带来的麻烦包括直接影响被玷污表面的效率，从而降低产量，同时产生孔、污物和其它板材缺陷，这些缺陷会降低纸张质量以及纸张在随后进行的诸如涂层、转印或印刷等操作中的作用。

因此，阻止和清除这些沉积物在制浆和造纸设备表面上的沉积有非常重要的工业意义。虽然可以关闭造纸机以便进行清洗，但这是不适宜的方法，因为它必然导致设备利用率的降低。此外，由于来自沉积物的沾染物分裂并混入产品板中，所以在清洁之前所生产的产品的质量经常低劣。同样，清除这些沉积物也必定导致在这些沉积物被清除之前所产生的产品质量低劣。因此最好的方法是阻止这些沾染物的沉积，因为解决了这个问题后，才能够持续、高效地生产出高质量的产品。

此外，粘泥和其它沾染物在金属表面上的沉积既加快了这些表面的腐蚀，又造成制浆和造纸系统的结垢或堵塞。通常这些沉积物夹带在所制造的纸张中并导致造纸机的损坏，结果造成生产中断并浪费生产时间。这些沉积物还导致在最终产品中出现难看的疵点，从而产品不合格并被废弃。

这种沾染物问题已经导致在制浆和造纸系统所使用的水中大量使用沾染物控制剂，例如生物杀灭剂。在这些领域中被广泛应用的试剂包括氯、有机汞、氯化苯酚、有机溴和其它各种有机硫化物，所有这些试剂作为生物杀灭剂是非常有用的，但是每一种都需要伴随不同的阻碍物。尤其是，已经发现使用包含聚乙烯醇和明胶的合成物，例如发明人为Nguyen的美国专利US5,536,363中所介绍的那些合成物非常适用于调节制浆和造纸系统中有机沾染物的沉积。此外，诸如温度、pH值以及有机和无机材料的存在等条件在各制造工序之间以及制造过程中变化很大，从而导致需要这样的试剂，即在不同条件下能够破坏或调节在制造设备上所形成的材料的生长。

监测处理水流中生物膜和其它沾染物材料的存在是公知技术，例如发明人为Thorne的美国专利US2,090,077、发明人为Sauer等人的美国专利US5,049,492、发明人都为Wetegrove等人的美国专利US5,155,555和US5,264,917、发明人为Zeiher等人的美国专利US6,017,459、发明人为Kraus等人的美国专利US6,053,032等都介绍了上述方法和设备，通过这些方法和设备，可以在制造过程中对水进行取样。

如上述这些专利所介绍的那样，用于确定在处理水流中存在沾染物的方法和设备包括用处理水流与本领域公知的作为取样管的基片接触一段时间，将所述基片从所述处理用水中取出，然后对取样管进行分析。这种分析通常包括着色和显微镜检查、目视或光传导。但是，这些方法和设备中的每一个均存在缺陷，例如需要将取样管从流体试样中取走，并且需要一个人专门进行分析。另外，诸如着色和显微镜检查等特定方法的定量特性使得当这些方法是实验设计的一部分时，难以再现所获得的结果。

因此需要一种方法和设备，其能够连续地和自动地测量生物膜和其它沾染物在处理用水流内的取样管上的沉积，并使得对试剂的实验有利于调节沾染物的沉积。

发明内容

在本发明的一个方法中，提供了一种用于测量有机和无机沾染物在取样管上沉积的方法。所述方法包括如下步骤：(i)将一取样管支撑在流体试样中；(ii)使所述取样管与所述流体试样分离；(iii)测量所述取样管的重量。当存在于所述流体试样中的沾染物在所述取样管上沉积时，所述取样管的重量增加。

本发明还包括在测量重量之前使所述取样管干燥一预定时间的步骤，以及在流体试样中支撑所述取样管之前测量所述取样管重量的步骤。以预定的时间间隔进行逐次的重量测量，并且这些逐次重量测量之间的差值被记录。此外，通过将流体试样从取样管中排干，可以使取样管与所述流体试样分开，所述流体试样可作为环绕所述取样管的液流。诸如生物杀灭剂的沾染物控制剂可以人工地或自动地添加到所述流体试样源中，以便控制诸如生物膜的沾染物在流体试样源中的存在。

在本发明的另一个方面，提供了一种用于测量取样管上诸如生物膜等沾染物的沉积的设备。所述设备包括一确定用于安置取样管的储存空腔的储存罐；一与所述储存空腔流体连通的流体进入装置；一与所述储存空腔流体相通的流体流出装置；一适于将取样管支撑在储存空腔内的取样管悬挂元件以及一与所述取样管悬挂元件相连的重量传感器。所述流体试样与被所述取样管悬挂元件所支撑的取样管相接触。

所述设备进一步包括被所述取样管悬挂装置所支撑的大致细长的平面取样管，还可以包括与所述重量传感器相连的计算机系统，所述计算机系统能够对来自重量传感器的数据进行计算，从而确定所述取样管的重量以及取样管上的任何沾染物沉积物的重量。所述储存罐还包括用于将所述流体试样从储存空腔中排出的阀。

此外，所述设备包括与所述储存罐流体相通的第一流体回路，所述第一流体回路允许所述流体试样进入所述储存罐内。此外，所述设备包括与所述储存罐流体相通的第二流体回路，所述第二流体回路允许所述流体试样排出所述储存罐。所述设备还包括泵，用于将所述流体试样从流体源中抽到所述储存罐内。

附图简介

图1示意性显示了本发明的设备和方法。

具体实施方式

本发明非常适合于监测处理水流中生物膜的生长以及有机和无机沾染物的沉积，在下文中，这种生长和沉积被称作沾染物，本发明还适合于选择沾染物控制剂，例如用于调节沾染物在设备表面上的沉积的生物杀灭剂。这些沾染物例如包括细菌、真菌、酵母、水藻、硅藻、原生动物、微藻(macroalgae)等，由于有机和无机材料存在于其中，所以这些沾染物在造纸处理用水中繁殖。

图1所显示的本发明的流体分析系统100用于一种封闭回路系统101中。利用诸如弹簧或固定臂的取样管悬挂元件104，将取样管102悬挂在重量传感器108上。取样管102具有这样的组成成分、尺寸和形状，即模拟在工业生产中所使用的设备的表面。例如，为了测量设备表面上沾染物的沉积，例如在制浆和造纸过程中所发现的那些沉积物，应用不锈钢取样管作为这种通常由钢制成的仪器的表面。取样管悬挂元件104将取样管102的重力传送给重量传感器108，传感器108将一相应于取样管102重量的信号输送到与重量传感器108相连的计算或显示设备(未示出)中。在放置于流体试样中之前，取样管102被称重，以提供一基准测量值。计算设备可对随后的重量测量值进行分析和显示。

系统100包括一储存罐106，其确定了用于安置取样管102的储存空腔107，处理用水112被填充在所述储存罐106内。所述储存罐106包括圆柱形壁106a和圆锥形壁1 06b。圆锥形壁106b适于安置作为定向流动阀的排泄阀118。重量传感器108可以是任何类型的能够测量取样管102重量的传感设备，并可以包括一种用于显示所接收到数据的装置。

取样管102被悬挂在用于容纳处理用水112的储存罐106内。由水源110提供所述处理用水112，所述水源可以是一种试样容器，或对于处理用水流来说，它是一种公用的容器。利用泵114抽取处理用水112，使所述处理用水流过与所述储存罐106流体相通的第一流体回路120。流入液体控制阀116调节处理用水112的流动。当排泄阀118关闭时，所流入的处理用水流导致处理用水112充满储存罐106并与悬挂在储存罐106内的取样管102接触。

控制储存罐106内的液面高度，使得流体与取样管102的整个表面接触，同时不从储存罐106中溢出。如图1所示，通过设置与储存罐106流体相通的第二流体回路122可以实现这个目的。第二流体回路122被用作流放口，用于使处理用水流溢出，以便防止储存罐106中水流过满，所述第二流体回路122按照希望的那样被设定在这样一种高度，在此高度，在系统操作期间，取样管102被浸没在处理用水112中。处理用水112流过第二流体回路122并返回水源110。随着处理用水112流过取样管102的表面，来自处理用水112的沾染物将沉积在取样管102上。

在预定时刻，开启排泄阀118，阻止处理用水112进入由圆柱形壁106a所确定的储存罐106的上部。当排泄阀118被打开时，储存罐106内的处理用水112从第三流体回路124中被排出。如图1所示，所述第三流体回路124可以与第二流体回路122相通，从而处理用水返回水源110或流到一预备的收集装置中。储存罐106可以被完全排空或者充分地暴露出取样管102。

然后使取样管102干燥一预定时间，使得存在于取样管102表面上的过量的处理用水蒸发。由于沉积在取样管102上的沾染物包含水，所以使取样管102干燥的预定时间应该足够长，以便允许取样管102表面上的所有残余处理用水被蒸发，但是控制干燥时间不要太长，以免作为取样管102上的天然生物沉积物一部分的水也被蒸发。藉此就可以精确地显示生物膜的形成和沾染物的沉积。

在预定的时刻，重量传感器108测量取样管102的重量，并将所获得的数据输入一与重量传感器108相连的计算设备(未示出)。从第一重量测量值中减去取样管102的基准重量值。由此获得的重量代表沉积在取样管102上的沾染物的重量。然后关闭排泄阀118，泵114再次迫使处理用水112通过第一流体回路120并进入储存罐106中。处理用水112再次流过取样管102的表面一定时间，随后储存罐106被排干，然后在用上述方式测量重量之前，对取样管102进行干燥。因此，进行一系列的重量测量，从而获得取样管102的逐次测量值之间的微弱差值，该差值代表在一定间隔时间内沉积在取样管102上的沾染物重量。

与重量传感器108相连的计算装置能够分析这些信息，以提供详细的输出结果。用此方式，对水源110中的处理用水112进行生物杀灭处理的效果可以被有效地确定。本发明可以在计算机系统控制下进行操作，完全自动地操纵排泄阀118、泵114和重量传感器108。因此本发明可以被应用于工业生产过程，从而当检测到不可接受的沾染物沉积时，生物试剂被自动地添加到水源110中的处理用水112中。此外，对取样管102上沉积物的连续增加所进行的测量能够确定各种生物杀灭处理的有效性，并优化所述生物处理。

对于本领域普通技术人员来说非常清楚的是，本发明非常适用于分析诸如在制浆和造纸等工业生产过程中出现的流体试样，也适用于试验分析技术。例如，当白水112的自然流动提供足够的力以便使所述白水112流过第一流体回路120并进入储存罐106时，可以不需要设置泵114。因此，虽然上文已经显示并描述了本发明，但是应当理解以上说明书和附图仅用于示例说明，但是并不限制本发明。本发明的范围由以下权利要求书限定。