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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Biobewuchs von verschiedenen
Systemen, die wässrige Lösungen enthalten,
und betrifft spezieller Überwachungsvorrichtungen
zum Erfassen oder Aufzeichnen von Biobewuchs sowie Verfahren zur Überwachung
oder Erfassung von Biobewuchs.
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Biologischer
Bewuchs auf Flächen
ist ein ernsthaftes wirtschaftliches Problem in vielen kommerziellen
und industriellen Wassertechnik- und Wasserbehandlungssystemen.
Der Bewuchs wird durch Biomasse, die der Aufbau von Mikroorganismen
und/oder extrazellulären
Substanzen ist, und durch Schmutz oder Verunreinigungen, die in
der Biomasse eingeschlossen werden können, verursacht. Bakterien,
Pilze, Hefen, Kieselalgen und Einzeller sind nur einige der Organismen,
die den Aufbau einer Biomasse verursachen. Wenn der durch diese
Organismen verursachte Biobewuchs nicht kontrolliert wird, kann
er Prozessvorgänge
stören,
die Wirksamkeit von Prozessen vermindern, Energie vergeuden und
Produktqualität
reduzieren.
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Die
in Energieerzeugungsanlagen, Raffinerien, chemischen Anlagen, Klimaanlagen
und anderen kommerziellen und industriellen Arbeitsvorgängen genutzten
Kühlwassersysteme
bringen häufig
Biofilmprobleme mit sich. Biofilm ist der Aufbau von Schichten aus
Organismen. Kühlwassersysteme sind
gewöhnlich
mit in der Luft befindlichen Organismen, die durch Luft-/Wasserkontakt
in Kühltürmen mitgerissen
werden sowie auf dem Wasser schwimmenden Organismen von den Systemen
der Zusatzwasserversorgung kontaminiert. Das Wasser in solchen Systemen
ist im Allgemeinen ein ausgezeichnetes Wachstumsmedium für diese
Organismen. Wenn der Biobewuchs aus Biofilm, der sich aus einem
solchen Wachstum ergibt, nicht kontrolliert wird, kann er Säulen verstopfen,
Pipelines blockieren und Wärmeübertragungsflächen mit
Schlammschichten überziehen
und dadurch den ordnungsgemäßen Betrieb
verhindern und die Wirksamkeit der Ausrüstung verringern.
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Für Probleme
mit Biobewuchs anfällige,
industrielle Prozesse schließen
die ein, die zur Herstellung von Zellstoff, Papier, Karton und Textilien
insbesondere in Wasser gelegte Vliesstoffe verwendet werden. Zum
Beispiel bearbeiten Papiermaschinen sehr große Wasservolumen in Umlaufsystemen,
die "Rückwassersysteme" genannt werden.
Das Rückwasser
enthält
eine Dispergierung aus Zellstoff. Der Eintrag in eine Papiermaschine
enthält
typischerweise nur etwa 0,5% faseriger und nichtfaseriger, Papier herstellender
Feststoffe, was bedeutet, dass für
jede Tonne Papier fast 200 Tonnen Wasser durch die Papiermaschine
bewegt werden müssen,
von denen das Meiste in dem Rückwassersystem
umgesetzt wird.
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Diese
Wassersysteme stellen ein ausgezeichnetes Wachstumsmedium für Mikroorganismen bereit,
das zur Bildung von mikrobiellem Schlamm in Stoffauflaufkästen, Wasserleitungen
und der Ausrüstung
zur Papierherstellung führen
kann. Solche Schlammmassen können
nicht nur auf Wasser- und Papierrohstoffströme störend einwirken, sondern können, wenn
sie ausbrechen, Flecken oder Löcher im
Papier sowie Bahnabrisse verursachen, die kostspielige Unterbrechungen
der Arbeitsvorgänge
der Papiermaschine verursachen.
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Die
Steuerung von mikrobieller Aktivität ist traditionell das Gebiet
toxischer Chemikalien gewesen. Die US-Patente Nr. 3 959 328, 4 054
542 und 4 285 765 stellen die Verfahren dar, die auf das Töten der
störenden
Mikroorganismen mit toxischen Chemikalien angewiesen sind. Solche
Verfahren erhielten den meisten Forschungsaufwand wegen der Logik
der Ausschaltung des Problems, indem der störende Organismus ausgeschaltet
wird und wegen einer großen
Anzahl von verfügbaren
organischen und anorganischen Chemikalien, die Mikroorganismen töten werden.
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Mehrere
Versuche zur Steuerung der negativen Auswirkungen von biologischer
Aktivität
verhindern entweder die Verwendung toxischer Chemikalien oder schwächen ihre
Verwendung oder Auswirkung auf die Umgebung ab. Zum Beispiel betreffen US-Patente
Nr. 3 773 623 und 3 824184, die beide Hatcher et al. erteilt wurden,
die Verwendung der Enzym-Lävan-Hydrolase,
um die Bildung von bakteriellern Schlamm in industriellen Wassersystemen
zu steuern.
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Während ständig Bemühungen unternommen
wurden, um Biobewuchs zu steuern oder zu verhindern, müssen die
Wassersysteme und speziell die industriellen Wassersysteme zum Reinigen
oder zur Beseitigung des Biobewuchses, der sich aufgebaut hat und
durch die Einleitung von Verbindungen zur Steuerung von Biobewuchs
nicht verhindert wurde, noch außer
Betrieb gesetzt werden. Obwohl die Einleitung von mikrobiellen oder
den Bewuchs verhindernden Verbindungen die Anzahl der notwendigen Abschaltungen
des Systems zum Reinigen reduziert, wäre es nützlich, ein Überwachungssystem
für Biobewuchs
zu haben, das den Nutzern die Bestimmung ermöglicht, wann Biobewuchs Größen erreicht
hat, die das Abschalten und Reinigen erforderlich machen. Andererseits
kann, wenn Nutzer der Wassersysteme den Aufbau von Biobewuchs nicht
erkennen, dieser Biobewuchs zu Produkten, die mit schlechter Qualität hergestellt
werden, wie zum Beispiel Papier mit Flecken oder Löchern führen, oder könnte sogar
schädlicher
sein wie zum Beispiel das Verstopfen verschiedener Leitungen, die
verwendet werden, um dem Wassersystem Einsatzmaterial zuzuführen. Folglich
ist es am besten, ein Frühwarnsystem
zu haben, das die Nutzer der Wassersysteme über eine in der Anlage vorhandene
Situation von Biobewuchs, die eine Korrektur entweder durch die Einleitung
mehrerer Chemikalien oder eine Abschaltung erfordert, informiert.
Wenn die Nutzer der Wassersysteme vorher wissen, dass eine Abschaltung nötig ist,
dann kann im Voraus geplant werden, um zum Beispiel einen Papierlauf
zu beenden oder die Menge von Chemikalien in dem Wassersystem zu
erhöhen,
um Produkte mit schlechter Qualität oder eine Beschädigung an
der Ausrüstung
in den Wassersystemen zu vermeiden.
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Die
US-Patente Nr. 4176 544, 4 686 853 und 5190 728 beschreiben Überwachungsvorrichtungen für Bewuchs
und Verfahren, um die Tendenz einer Flüssigkeit zum Bewuchs vorherzusagen.
Die US-Patente Nr. 4176 544 und 4 686 853 betreffen die kontinuierliche Überwachung
der Druckänderung quer
durch einen Prüfabschnitt
von Flüssigkeit über einen
Zeitraum und deren Zuordnung zum Grad des auftretenden Bewuchses.
Das US-Patent Nr. 5190 728 veranschaulicht ein Verfahren zur Vorhersage der
Wahrscheinlichkeit von Bewuchs, indem zwischen chemischem und biologischem
Bewuchs eines Fluidsystems unterschieden wird, das die Zuführung von
zu hohem, gelösten
Sauerstoff und mikrobiologischem Nährstoff in das System umfasst.
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ABRISS DER
ERFINDUNG
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Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
und Verfahren zum Erfassen oder Überwachen
von Biobewuchs.
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Ein
weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Biobewuchs-Überwachungssystems,
das Biobewuchs frühzeitig
erfassen oder überwachen
wird, damit Korrekturmaßnahmen
ergriffen werden.
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Zusätzliche
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden teilweise
in der folgenden Beschreibung erläutert oder werden teilweise aus
der Beschreibung deutlich oder können
durch Übung
der vorliegenden Erfindung erlernt werden. Ziele und andere Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden durch die Offenbarung, die insbesondere
in der schriftlichen Beschreibung und den anhängigen Ansprüchen dargestellt
sind, realisiert und erhalten.
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Um
diese und andere Vorteile sowie in Übereinstimmung mit den Zwecken
der vorliegenden Erfindung, wie sie hier dargestellt und weitgehend
beschrieben ist, zu erzielen, betrifft die vorliegende Erfindung
eine Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung, die
eine Säule
mit einem Einlass und einem Auslass aufweist. Die Überwachungsvorrichtung
hat auch eine Mikroorganismus-Nährstoffzuführleitung,
die sich stromauf von dem Einlass befindet, und außerdem einen
ersten Drucksensor, der sich stromauf von dem Einlass befindet,
um Strömungsdruck
zu messen, sowie einen zweiten Drucksensor, der sich stromab von
dem Auslass befindet, um Strömungsdruck
zu messen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung,
die die oben erwähnten
Teile, nämlich
Säule,
Mikroorganismus-Nährstoffzuleitung
und Drucksensoren sowie ein mit dem Einlass verbundenes Umlaufsystem
aufweist. Dieser Umlauf befindet sich stromab von der Zuleitung
und ist ebenfalls mit dem Auslass verbunden, um eine Druckspeisung
durch die Säule
aufrecht zu erhalten. In dieser Ausführung weist die Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
außerdem
ein reaktionsträges
Dichtungsmaterial auf, das sich in der Säule befindet. Die Menge des
reaktionsträgen Dichtungsmaterials
in der Säule
ist in einer Größe vorhanden,
die den Durchfluss von flüssigkeitshaltigem
Material durch die Säule
immer noch erlaubt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Überwachen
oder frühzeitigen
Erfassen von Biobewuchs in einer wässrigen Lösung. Das Verfahren umfasst
das Durchleiten mindestens eines Teils der wässrigen Lösung durch eine Säule mit
einem Einlass und einem Auslass. Die wässrige Lösung wird normalerweise ununterbrochen
durch die Säule
geführt.
In einen Teil der wässrigen
Lösung wird
an einem Punkt vor dem Einlass ein Mikroorganismus-Nährstoff
eingeleitet. Die Strömungsdrücke des
Teils der wässrigen
Lösung,
die sich durch die Säule
bewegt, werden an einem ersten Punkt vor dem Einlass und an einem
zweiten Punkt nach dem Einlass ununterbrochen oder nicht stetig
gemessen, und es wird die diesen Messungen zugrunde gelegte Druckdifferenz
bestimmt. Aus diesen Messungen der Druckdifferenz kann die Größe von auftretendem
Biobewuchs überwacht
und aufgezeichnet werden, und es kann eine Bestimmung vorgenommen
werden, ob Biobewuchs auftritt oder irgendein vorhandener Biobewuchs
in dem Wassersystem zunimmt. Die Mikroorganismus-Nährstoffe,
die in die Lösung
vor dem Einlass zugeführt
wurden, dienen als Möglichkeit
zum Beschleunigen des Biobewuchses des Wassersystems und somit als
ein Frühwarnungsmechanismus,
da dieses Beschleunigen des Biobewuchses als Vorhersage des Biobewuchses,
der in dem gesamten Wassersystem auftreten wird, dient.
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Es
soll verständlich
werden, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als
auch die folgende ausführliche
Beschreibung nur beispielhaft und erläuternd sind und eine weitere
Erläuterung der
vorliegenden Erfindung, wie sie beansprucht wird, zur Verfügung stellen
sollen.
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Die
begleitenden Zeichnungen, die in diese Anmeldung einbezogen sind
und einen Teil davon bilden, veranschaulichen mehrere Ausführungen
der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung
dazu, die Prinzipien einiger Ausführungen der vorliegenden Erfindung
zu erläutern.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Zeichnung einer Ausführung der Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung nach
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine schematische Zeichnung einer weiteren Ausführung der Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung nach
der vorliegenden Erfindung;
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3 bis 6 sind
grafische Darstellungen, die die Aufzeichnung des Druckes gegenüber der
Zeit von dem Beispiel veranschaulichen, das einen Biobewuchs-Aufbau
zeigt, was als frühzeitige Vorhersage
für Biobewuchs,
der überall
im gesamten Wassersystem auftreten wird, dient;
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7 ist
eine Fotografie von einer Ausführung
einer in sich abgeschlossenen Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung nach
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung und
ein Verfahren zum Erfassen oder Überwachen
von Biobewuchs in einem wässrigen
System wie zum Beispiel ein Wassersystem. Für Zwecke der vorliegenden Anmeldung kann
das wässrige
System oder Wassersystem irgendein solches System einschließlich industrieller Wassersysteme
sein. Beispiele von Wassersystemen oder wässrigen Systemen schließen Wassersysteme
ein, die mit Papierherstellungsprozessen, Kühltürmen und Fluiden zur Metallbearbeitung
genutzt werden, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese verschiedenen Systeme
weisen meistens Oberflächen
wie zum Beispiel Wärmeübertragungsflächen, Rohrleitungen,
Stoffauflaufkästen
und Ausrüstung zur
Papierherstellung sowie Flüssigkeitsvorratstanks und
Redaktionsgefäße auf,
die für
Biobewuchs empfindlich sind.
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Für Zwecke
der vorliegenden Erfindung bezieht sich Biobewuchs auf einen Bewuchs,
der durch Biomasse, was der Aufbau von Mikroorganismen und/oder
extrazellulären
Substanzen ist, sowie durch Schmutz oder Verunreinigungen, die in
der Biomasse ein gefangen werden können, verursacht wird. Bakterien,
Pilze, Hefen, Kieselalgen, Einzeller, Kombinationen davon und andere
Mikroorganismen sind nur einige der Organismen, die den Aufbau einer
Biomasse verursachen können.
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Bezüglich der
Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung hat die Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
zumindest eine Säule
mit einem Einlass und einem Auslass. Die Überwachungsvorrichtung weist
auch eine Mikroorganismus-Nährstoff-Zuleitung
auf, die stromauf von dem Einlass der Säule angeordnet ist. Die Biobewuchs-Übewachungsvorrichtung
hat außerdem
einen ersten Drucksensor zum Messen eines ersten Strömungsdrucks,
der vor dem Einlass angeordnet ist, und einen zweiten Drucksensor
zum Messen eines zweiten Strömungsdrucks,
der nach dem Auslass der Säule
angeordnet ist.
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Die
Säule mit
einem Einlass und einem Auslass kann ein beliebiger Typ einer Säule sein,
die hohl ist und den Durchfluss eines wässrigen Materials durch das
Innere der Säule
zulässt.
Die Säule
kann eine beliebige Form und Größe aufweisen.
Zum Beispiel kann die Säule
kreisförmig,
quadratisch, rechteckig, dreieckig sein oder eine beliebige andere
geometrische Form aufweisen, solange diese hohl ist und den Durchfluss
von wässrigem
Material erlaubt. Vorzugsweise ist die Säule kreisförmig. Außerdem kann die Länge der
Säule beliebig
lang sein. Zum Beispiel kann die Säule von etwa 2 cm bis etwa
200 cm sein. Vorzugsweise ist die Länge der Säule von etwa 5 cm bis etwa
100 cm, besser von etwa 5 cm bis etwa 30 cm und am besten von etwa
15 cm bis etwa 25 cm. Die Säule
kann außerdem
einen beliebigen Innendurchmesser oder eine beliebige innere Querschnittsfläche aufweisen.
Vorzugsweise beträgt
dieser Durchmesser oder diese innere Querschnittsfläche von
etwa 0,1 bis etwa 100 cm2 oder besser von etwa
0,2 bis etwa 20 cm2 und am besten von etwa
1 bis etwa 3 cm2. Idealerweise ist die Länge und
der Durchmesser oder die Querschnittsfläche so, dass eine kleine Pumpe
einen Druck durch die Säule
aufrechterhält,
weshalb größere Durchmesser
oder Querschnittsflächen
und größere Längen der
Säulen höhere Volumendurchsätze erforderlich
machen wurden, die nicht vorzuziehen sind, falls eine in sich abgeschlossene
bewegliche Überwachungseinheit
bevorzugt oder benötigt
wird.
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Die
Säule kann
aus einem beliebigen, nicht korrodierenden Material wie Kunststoff,
Glas, keramisches Material wie Perien aus Borsilikatglas oder ein Metall
sein, das nicht korrodiert, wie rostfreier Stahl. Natürlich können andere
nicht korrodierende Materialien verwendet werden. Im Allgemeinen
sollte die Wanddicke der Säule,
die durch die Häffte
der Differenz zwischen dem Außendurchmesser
und dem Innendurchmesser gemessen wird, ausreichend sein, um Rissbildung
in Bezug auf den Druck der sich durch die Säule bewegenden Flüssigkeit
zu vermeiden. Vorzugsweise sollte diese Dicke von etwa 0,1 bis etwa
1 cm und besser von etwa 0,2 bis etwa 0,5 cm sein.
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Obwohl
es nicht notwendig ist, wird allgemein bevorzugt, dass die Säule den
gleichen Innendurchmesser oder die gleiche Querschnittsfläche über die
gesamte Säule
aufweist. Des Weiteren sind Innendurchmesser oder Querschnittsfläche des
Einlasses und des Auslasses vorzugsweise gleich, um eine gleichmäßige Durchflussrate
durch die gesamte Säule
aufrechtzuerhalten.
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Mit
Bezug auf die Mikroorganismus-Nährstoff-Zuleitung,
die sich stromauf von dem Einlass der Säule befindet, kann jeder das
Wachstum von Mikroorganismen unterstützende Nährstoff verwendet werden. Zum
Beispiel kann die Mikroorganismus-Nährstoffzufuhr ein Glucose-Ausgangsgemisch sein,
das Wasser und Glucose enthält.
Vorzugsweise ist die Zufuhr von Glucose oder einem anderen Nährstoff
mit einer Konzentration von etwa 0,5 bis etwa 1000 ppm, besser von
etwa 5 bis etwa 500 ppm und am besten von etwa 10 bis etwa 200 ppm
vorhanden. Natürlich
können
in Abhängigkeit
von dem speziellen System, das verwendet wird, andere Eintragmengen pro
Zeiteinheit verwendet werden. Im Allgemeinen ist die Mikroorganismus-Nährstoffzufuhr
in einem Speicherbehälter
vorhanden, bei dem diese Nährstoffzufuhr
durch eine Pumpe der Leitung zugeführt wird, welche die in den
Einlass der Säule
einzuführende
wässrige
Lösung
enthält.
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Die
Größe der Mikroorganismus-Nährstoffzufuhr,
die in das Überwachungssystem
eingeleitet wird, ist im Allgemeinen eine Menge, die ausreichend ist,
um das Wachstum von mindestens einem Mikroorganismus in oder auf
den Oberflächen
der Säule
zu unterstützen
oder ein beliebiges reaktionsträges
Material, das sich in der Säule
befinden kann. Zweck der Mikroorganismus-Nährstoffzufuhr ist es, eine
optimale Umgebung zum Wachstum von Mikroorganismen auf beschleunigter
Basis zu schaffen. Dadurch, dass ein solches beschleunigtes Wachstum
gefördert
wird, wird Biobewuchs in der Säule
im Vergleich zu der gesamten Biobewuchsgeschwindigkeit im gesamten Wassersystem
mit einer schnelleren Geschwindigkeit stattfinden. Durch Überwachung
dieses beschleunig ten Wachstums von Mikroorganismen und daher beschleunigten
Mikrobewuchses kann eine Vorhersage bezüglich des Biobewuchses gemacht werden,
der in dem Biobewuchs ausgesetzten, gesamten wässrigen System oder Wassersystem
auftreten wird. Folglich kann das Biobewuchs-Überwachungssystem nach der
vorliegenden Erfindung so eingerichtet werden, dass ein Frühwarnsystem
bewirkt wird, das den Biobewuchs, der im gesamten Wassersystem oder
wässrigen
System auftreten sollte, genau vorhersagen kann. Wenn große Mengen von
Mikroorganismus-Nährstoff
in das Überwachungssystem
eingeleitet werden, dann wird im Überwachungssystem Biobewuchs
viel schneller auftreten als in dem gesamten wässrigen System, das überwacht
wird. Wenn in das Überwachungssystem
kleine Mengen von Mikroorganismus-Nährstoff eingeführt weiden,
dann wird eine geringere Frühwarmung
erreicht, da der Aufbau von Mikrobewuchs nur etwas schneller als
der gesamte Biobewuchs-Aufbau im Wassersystem sein wird. Für Zwecke
der vorliegenden Erfindung wird jedes zu beobachtende, wässrige System
oder Wassersystem einen Orientierungszeitraum aufweisen, um die
Art der gewünschten
Frühwarnung
zu bestimmen, und es wird außerdem
eine Bestimmung bezüglich
der Zuordnung des Biobewuchs-Aufbaus in der Säule vorgenommen werden müssen, wobei
der tatsächliche Biobewuchs
in dem wässrigen
System auftritt. Folglich wird empfohlen, wenn die Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
in einem wässrigen
System zum ersten Mal eingesetzt wird, dass das wässrige System
gereinigt oder zur Entfernung von Biobewuchs abgestellt wird, und
die Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
dann, wenn das wässrige
System erneut gestartet wird, einen genauen Messwert des im wässrigen
System auftretenden Biobewuchses gegenüber dem Aufbau von Biobewuchs
in dem Überwachungssystem
erzielen kann. Sobald die Zuordnung zwischen dem tatsächlichen
Biobewuchs, der im wässrigen
System auftritt, und dem fortgeschrittenen Biobewuchs, der in der
Säule auftritt,
bestimmt ist, kann der Nutzer des Überwachungssystems anschließend die
Art von Frühwarnung,
die durch das Überwachungssystem
bereitgestellt wird, richtig einschätzen und es kann eine Entscheidung
vorgenommen werden, ob die Frühwarnung
basierend auf der Menge des in die Säule einzuführenden Mikroorganismus-Nährstoffs
zu erhöhen
oder zu verringern ist. Andere Faktoren, die das Ausmaß von in
der Säule auftretendem
Biobewuchs steuern können,
sind die Größe und Form
des Dichtungsmaterials, die Umwälzmenge
durch die Säule
und die Menge wässriger Lösung aus
dem Wassersystem, die aus dem Aufnahmeventil eintritt. Mit anderen
Worten, wird ein Umlaufsystem verwendet, dann ist die Reaktion auf den
Aufbau von Biobewuchs schneller, je feiner das Dichtungsmaterial
ist oder je mehr Umlauf der vorhan denen wässrigen Lösung im Überwachungssystem stattfindet
oder je mehr wässrige
Lösung
aus dem wässrigen
System eingeleitet wird.
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Bezüglich der
Drucksensoren sind in dem Überwachungssystem
mindestens zwei Drucksensoren angeordnet. Der erste Drucksensor
befindet sich am Einlass der Säule,
um den Druck der in die Säule eintretenden
wässrigen
Lösung
zu überwachen,
und ein zweiter Drucksensor befindet sich am Auslass oder in der
Nähe des
Auslasses der Säule,
um den Druck der die Säule
verlassenden wässrigen
Lösung zu überwachen.
Diese beiden Druckmesswerte können
anschließend
verglichen werden, um jeden auftretenden Druckabfall zu überwachen.
Durch Überwachen
der Druckdifferenz zwischen den beiden Sensoren und Aufzeichnen
dieser Messungen wird ein Muster veränderlicher Druckdifferenzen
ersichtlich, das den Aufbau von Biobewuchs darstellt. Mit anderen
Worten, wenn die Druckdifferenz zunimmt, nimmt der Aufbau von Biobewuchs
in der Säule
zu, da der Biobewuchs-Aufbau den Widerstand gegenüber dem
Durchfluss der wässrigen
Lösung
durch die Säule
erhöht
und somit den Druck am Einlass in die Säule im Verhältnis zum Auslass der Säule erhöht. Dadurch,
dass die auf diesen Messwerten des Drucksensors basierende Druckdifferenz überwacht
wird, wird ein deutliches Verständnis
des Biobewuchs-Aufbaus in dem gesamten wässrigen System ersichtlich. Die
Drucksensoren, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können,
können
beliebige Drucksensoren wie z.B. elektromechanische Wandler sein,
die in der Lage sind, Strömungsdrücke von Wasser
aufzuzeichnen.
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Bezeichnenderweise
kann der Druck der in den Einlass der Säule eintretenden wässrigen
Lösung
ein beliebiger Druck sein, der durch Verwendung von mindestens einer
Pumpe im Überwachungssystem
einstellbar sein kann. Bezeichnenderweise wird der Druck, wenn kein
Umlaufsystem verwendet wird, von etwa 0,1 bis etwa 1000 mbar und besser
von etwa 1 bis etwa 100 mbar sein. In Abhängigkeit vom spezfischen wässrigen
System, das überwacht
wird, können
natürlich
andere Druckverhältnisse
genutzt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
nach der vorliegenden Erfindung wird ein Umlaufsystem verwendet.
Das Umlaufsystem führt
die sich durch die Säule
bewegende wässrige
Lösung
in den Kreislauf zurück.
Dieses Umlaufsystem verfolgt mindestens zwei Zwecke. Erstens erlaubt
das Umlaufsystem einen erhöhten
und anhaltenden höheren
Druck der wässrigen
Lösung
durch die Säule,
der abhängig
von der Notwendigkeit des spezifischen Überwachungssystems einstellbar
sein kann. Der zweite Zweck des wie oben erwähnten Umlaufsystems besteht
darin, die wässrige
Lösung
durch die Säule
in den Kreislauf zurückzuführen, wodurch
die Einleitung von großen Volumen
frischer wässriger
Lösung
aus dem gesamten Wassersystem vermieden wird, die andererseits benötigt würden, um
den notwendigen Druck zu halten. Die Einleitung von großen Volumen
frischer wässriger
Lösung
leitet schwebende Schadstoffe ein, die die Säule verstopfen und außerdem Mikroorganismen
aus der Säule
heraus spülen
können,
bevor sie sich vermehren und den Biobewuchs verursachen können. Bezeichnenderweise
wird das Umlaufsystem einen Eintrittspunkt vor dem Einlass der Säule und
stromauf von der Mikroorganismus-Nährstoff-Zuleitung und einen
Austrittspunkt nach dem Auslass der Säule aufweisen. Wie angegeben
ist, kann das Umlaufsystem jede Art von Wasserdruck über der
Säule wie
zum Beispiel von etwa 0,1 bis etwa 1000 mbar, besser von etwa 0,5
bis etwa 200 mbar und am besten von etwa 1 bis etwa 100 mbar erzeugen.
Es kann jede Pumpe, die einen solchen Druck halten kann, wie zum
Beispiel eine Schlauchpumpe, eingesetzt werden. Des Weiteren erlaubt
das gesamte Überwachungssystem,
selbst wenn ein Umlaufsystem verwendet wird, dass doch zumindest
ein Teil der wässrigen
Lösung,
die den Auslass der Säule verlässt, austritt.
Dieses Austreten von mindestens einem Teil der wässrigen Lösung wird die Einleitung von
frischer wässriger
Lösung
aus dem gesamten Wassersystem erlauben, um eine genaue Darstellung
des durch das gesamte Wassersystem fließenden Wassers aufrecht zu
erhalten, damit eine genauere Anzeige von Biobewuchs bereitgestellt
wird. Die Menge der wässrigen
Lösung,
die aus dem gesamten Überwachungssystem
in einen Speicherbehälter oder
stromab von dem Einlasspunkt austritt, liegt bei etwa 0,1 bis etwa
2000 ml/min. Folglich tritt die Einleitung von frischer wässriger
Lösung
in das Überwachungssystem
bei Verwendung einer Zusatzleitung auf, die zusätzliche wässrige Lösung an einem Punkt vor oder
nach dem Umlaufeintrittspunkt in das Überwachungssystem pumpt. Die
Menge der frischen wässrigen
Lösung,
die in das Überwachungssystem mit
einem Umlaufsystem eingetreten ist, kann eine beliebige Größe wie zum
Beispiel von etwa 0,1 bis etwa 2000 ml/min, besser vorzugsweise
von etwa 0,5 bis etwa 10 ml/min und am besten von etwa 1 bis etwa
3 ml/min sein.
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Eine
weitere Möglichkeit
nach der vorliegenden Erfindung, die bevorzugt wird, besteht im
Einbeziehen eines reaktionsträgen
Dichtungsmaterials in die Säule.
Die Menge von diesem reaktionsträgen Dichtungsmaterial
sollte einen Wert nicht überschreiten,
der den Durchlauf eines beliebigen flüssigkeitshaltigen Materials
durch die Säule
verhindern wird. Während
jedes beliebige reaktionsträge
Dichtungsmaterial verwendet werden kann, schließen Beispiele Gestein, Glas,
nicht korrodierendes Metall, keramisches Material oder eine Kombination
davon ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Ein bevorzugtes reaktionsträges Dichtungsmaterial
ist zumindest eine Kugel aus rostfreiem Stahl. Die Größe des reaktionsträgen Dichtungsmaterials
hängt von
der Größe des Innenraums
der Säule
sowie von der Größe der Oberfläche ab,
die der Nutzer wünscht,
um eine Umgebung zum Aufbau von Biobewuchs zu erzeugen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung von einer Ausführung nach der vorliegenden
Erfindung. In dieser Abbildung befindet sich eine Bewuchssäule 51 zwischen
einem Drucksensor 53 am Einlass und einem Drucksensor 54 am
Auslass. Eine Umwälzpumpe 52 ist
so angeordnet, dass eine Mikroorganismus-Nährstoffe enthaltende wässrige Lösung durch
die Säule 51 in
den Kreislauf zurückgeführt wird.
Eine Auffüllpumpe 55 pumpt
frische wässrige
Lösung
aus dem Wassersystem (über
den Einlass 60) ein, um mit der in den Kreislauf zurückgeführten wässrigen
Lösung
eingeleitet zu werden wie es in 1 dargestellt
ist. Eine Nährstoffpumpe 56 pumpt
Mikroorganismus-Nährstoffe
aus dem Nährstoffbehälter 57,
wobei dieser Nährstoff
in die Säule eintritt
wie es in 1 dargestellt ist. Eine Menge
der verwendeten wässrigen
Lösung,
die Nährstoffe
enthält,
verlässt
das Säulensystem
am Punkt A und tritt an einem Punkt stromab von dem Einlass über den Auslasssstrom 59 erneut
in das Wassersystem ein. Ein Vierwegehahn 58 kann gemäß 1 eingesetzt werden,
um ein weiteres Umleitungsnetz zu ermöglichen, sollte eines benötigt werden.
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Eine
weitere Ausführung
nach der vorliegenden Erfindung bezieht ein zweites Biobewuchs-Überwachungssystem
ein, das parallel zum ersten Überwachungssystem
laufen kann. Somit kann eine zweite Säule, die einen Einlass und
einen Auslass aufweist, mit einer wahlweisen Mikroorganismus-Nährstoff-Zuleitung,
die stromauf vom Einlass der zweiten Säule angeordnet ist, verwendet
werden. Diese zweite Säule
wird, wie die oben beschriebene erste Säule ebenfalls mindestens zwei
Drucksensoren und wahlweise ein zweites Umlaufsystem aufweisen.
Im Inneren der Säule
kann ebenfalls reaktionsträges
Dichtungsmaterial enthalten sein. Dieses zweite Biobewuchs-Überwachungssystem
kann vielfältigen
Zwecken dienen. Erstens kann das Biobewuchs-Überwachungssystem einfach eine
Kontrolle sein, welches lediglich wässrige Lösung aus dem Wassersystem durch
die Säule
leitet, ohne dass irgendein Mikronährstoff zugeführt wird.
Alternativ dazu kann das zweite Überwachungssystem
als Prüfung
hinsichtlich des ersten Überwachungssystems
eingesetzt werden, um einen genauen Mittelwert des fortgeschrittenen
Biobewuchses zu erhalten, der auftritt, sollten Nährstoffzuleitungen
in beiden Überwachungssystemen
genutzt werden.
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2 zeigt
die Ausführung
eines Zweisäulen-Systems.
Die erste Säule
und ihr Zusammenbau ist der gleiche wie der mit Bezug auf 1 beschriebene,
und die Zahlen zeigen die gleichen Teile und ihre Lage an. Zusätzlich zu
diesem Zusammenbau befindet sich, wie in 2 dargestellt,
eine zweite Säule 63 zwischen
einem Drucksensor 62 am Einlass und einem Drucksensor 61 am
Auslass. Eine zweite Umwälzpumpe 64 ist
gemäß 2 angeordnet,
um wässrige
Lösung,
die wahlweise Nährstoffe enthalten
kann, in den Kreislauf zurückzuführen, oder
einfach die gleiche Menge wässriger
Lösung wie
die Umwälzpumpe 52 in
den Kreislauf zurückführen kann,
um eine genaue Kontrolle aufrechtzuerhalten. Eine Auffüllpumpe 65 ist
angeordnet, um frische wässrige
Lösung
einzuleiten. A und A' stellen
die Punkte dar, an denen die wässrige
Lösung
das Säulensystem
verlässt,
um erneut in das wie oben beschriebene Wassersystem eingeleitet
zu werden.
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Im
Hinblick auf das oben Erwähnte
betrifft die vorliegende Erfindung des Weiteren ein Verfahren zum Überwachen
oder frühzeitigen
Erfassen von Biobewuchs in einem Wassersystem. Dieses Verfahren beinhaltet
die Verwendung eines oder mehrerer Bewuchs-Überwachungssysteme
wie sie oben beschrieben sind. Ausführlicher beinhaltet das Verfahren
zum Überwachen
oder frühzeitigen
Erfassen von Biobewuchs das ununterbrochene Leiten mindestens eines
Teils der wässrigen
Lösung
durch eine Säule mit
einem Einlass und einem Auslass. Das Verfahren umfasst des Weiteren
das Einleiten eines Mikroorganismus-Nährstoffes in die durch die
Säule zu
leitende wässrige
Lösung
an einem Punkt vor dem Einlass der Säule. Das Verfahren schließt außerdem das ständige oder
nicht-kontinuierliche Messen von Strömungsdrücken durch die Säule am Einlass
und Auslass ein. Die diesen Messungen zugrunde gelegte Druckdifferenz
kann dann bestimmt und eine Zuordnung vorgenommen werden, um den
Biobewuchs, der in dem gesamten wässrigen System auftreten wird,
frühzeitig
zu bestimmen.
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Um
außerdem
eine Umgebung bereitzustellen, die den Aufbau von Biobewuchs in
der Säule
optimiert, können
Heizeinheiten verwendet werden, um eine Temperatur der sich durch
die Säule
bewegenden wässrigen
Lösung
zu halten, die ausreichend ist, um das Wachstum von Mikroorganismen
zu unterstützen.
Bezeichnenderweise liegt die Temperatur der sich durch die Säule bewegenden
wässrigen
Lösung
vorzugsweise von etwa 27° C
bis etwa 60° C (etwa
80° F bis
etwa 140° F)
und besser von etwa 32° C
bis etwa 38° C
(etwa 90° F
bis etwa 100° F).
Die verwendeten Heizeinheiten können
eine beliebige Heizeinheit sein, die in der Lage ist, eine gewünschte Temperatur
von wässrigen
Lösungen
zu halten. Solche Einheiten enthalten Heizbänder oder Heizhauben, sind
aber nicht darauf beschränkt.
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Für Zwecke
nach der vorliegenden Erfindung können die verschiedenen Teile
der Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung durch jede Art von Rohrleitungsnetz
wie zum Beispiel Rohre aus Weich-PVC und Hart-PVC oder andere herkömmliche
Rohrleitungen miteinander verbunden werden. Die Art und Weise des
Zusammenbaus der verschiedenen Teile nach der vorliegenden Erfindung
mit dem Rohrleitungsnetz ist die gleiche wie der beliebige Zusammenbau eines
Rohrleitungsnetzes.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung eine
in sich geschlossene Einheit sein kann, die äußerst beweglich ist und folglich
zu verschiedenen Standorten gebracht werden kann, um den Aufbau von
Biobewuchs zu überwachen. 7 zeigt
die Darstellung einer solchen in sich geschlossenen Überwachungseinheit,
die in dieser Ausführung
eine Größe von Breite·Tiefe·Höhe von 22·18·30 Zoll
(56 cm·46
cm·76
cm) besitzt und etwa 100 Pfund (45 kg) wiegt. Gemäß 7 ist
eine in sich abgeschlossene Biobewuchs-Überwachungseinheit 75 dargestellt. Die
Einheit 75 umfasst Datenerfassungsgeräte 66, einen Nährstoffbehälter 67,
eine Nährstoff-Zuführpumpe 68,
eine oder zwei Bewuchssäulen 69 (es sind
zwei dargestellt, obwohl eine allein eingesetzt werden könnte), ein
Temperaturkontrollfeld 70 zur Steuerung der Temperatur
der die Säule(n)
durchlaufenden wässrigen
Lösung,
Pumpendrehzahlregler 71, Druckmesser 72, Auffüllpumpe 73 und
eine Umwälzpumpe 74.
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Hinsichtlich
der Verwendung und der Vorteile der Einleitung von mindestens einem
Mikroorganismus-Nährstoff
in ein Biobewuchs-Überwachungssystem
wird auf ein Verfahren zum frühzeitigen
Erfassen von Biobewuchs oder auf beschleunigter Basis Bezug genommen.
Das Verfahren umfasst zumindest den Schritt des Einleitens von mindestens
einem wie oben beschriebenen Mikroorganismus-Nährstoff in zumindest einen
Teil einer wässrigen
Lösung,
die durch das Biobewuchs-Überwachungssystem
geleitet wird. Bezeichnenderweise wird der Mikroorganismus-Nährstoff
vor einem Punkt eingeleitet werden, an dem irgendeine Überwachung
eines beliebigen Biobewuchses auftritt. Vorzugsweise wird die wässrige Lösung, in
die mindestens ein Mikroorganismus-Nährstoff eingeleitet werden
soll, auch eine für das
Wachstum von Mikroorganismen ausreichende Umgebung aufweisen, um
Biobewuchs zu unterstützen.
Das Biobewuchs-Überwachungssystem,
das für diese
Ausführung
gut verwendbar ist, kann ein beliebiges Überwachungssystem für Biobewuchs
sein.
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Es
wird außerdem
auf ein Verfahren zum Beschleunigen der in einem Biobewuchs-Überwachungssystem auftretenden
Biobewuchsrate Bezug genommen, welches das Einleiten von mindestens einem
wie oben beschriebenen Mikroorganismus-Nährstoff in eine Versuchsprobe
umfasst. Die Versuchsprobe ist bezeichnenderweise eine Probe der
wässrigen
Lösung
oder eine wässrige
Probe, die in örtlichen,
kommerziellen oder industriellen Wassertechnik- und Wasserbehandlungssystemen
verwendet wird. Die Menge von eingeleitetem Mikroorganismus-Nährstoff
kann eine beliebige Menge sein und ist vorzugsweise eine Größe, die
beschleunigtes Wachstum von Mikroorganismen im Vergleich zu dem
wässrigen
System oder Wassersystem, die getestet werden, unterstützt. Die
Mengen von Mikroorganismus-Nährstoff
können
auf der Basis des speziellen wässrigen
Systems oder Wassersystems, das wegen Biobewuchses überwacht
wird, bestimmt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele, die für die vorliegende
Erfindung nur beispielhaft sein sollen, weiter verdeutlicht.
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BEISPIELE
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Ein
Durchfluss durch poröse
Medien erzeugt auf Grund von viskoser Wechselwirkung zwischen dem
sich bewegenden Fluid und der Oberfläche des Mediums eine Druckdifferenz.
Wenn der Flächenbereich
für die
viskose Wechselwirkung zunimmt, erhöhen sich Reibungswiderstand
und Druckdifferenz. Die Größe der Druckdifferenz
wird durch die Dichte des Fluids, Viskosität, Durchflussgeschwindigkeit, Porosität und Rauhigkeit
der Oberfläche
(Cm) der Medien nach dem Darcy'schen Filtergesetz
beeinflusst: Druck
= Cm × [Viskosität / (Dichte
+ Porosität)] × Durchfluss (Gl. 1)
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Oberflächenablagerungen,
wie zum Beispiel mikrobiologische Zellen und die damit verbundenen Verschmutzungen,
die man in Biofilmen vorfindet, können die Rauhigkeit der Medien
erhöhen,
was zu einer Druckzunahme führt.
Der Druck erhöht
sich weiter, wenn die Ablagerungen beginnen, den Durchflussweg erheblich
zu verstopfen, was eine Abnahme der Porosität verursacht. Diesen Wirkungen
begegnet man gewöhnlich
bei der Filtration poröser
Medien, wenn Biobewuchs die Leistungsfähigkeit der Filter bedeutend
verschlechtern kann, wobei jedoch hier die gleichen Prinzipien die
Grundlage für
einen empfindlichen Detektor zum Überwachen von Biobewuchs bilden.
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In
diesem Beispiel wurde eine Differenzdruck-Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
hergestellt, in der eine Füllkörpersäule aus
Metallperlen einen großen
Oberflächenbereich
für Bewuchs
bewirkt, um ein empfindliches zuverlässiges Instrument zu erzeugen.
Das Instrument hat die Notwendigkeit von hohen Durchflussgeschwindigkeiten
zur Erzielung eines messbaren Signals beseitigt.
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Eine
Herausforderung bei Nutzung der Technologie einer Füllkörpersäule zum Überwachen
von Biobewuchs ist die Tendenz des nicht biologischen Materials
und von Schmutzstoffen, zu verstopfen und auf das biologische Signal
störend
einzuwirken. Dies trifft insbesondere für Rücklaufwasserkreisläufe in Papiermühlen zu,
bei denen große
Mengen von suspendierten Stoffen vorhanden sind. Die Erfindung nutzt
Konstruktionsmerkmale, um dieses Problem zu vermeiden und bezieht
Technik ein, um biologischen von nicht biologischem Bewuchs zu unterscheiden.
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Die
Fähigkeit
der Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung,
hohe Niveaus suspendierter Stoffe zu behandeln, wird durch Verwendung
einer Umwälzpumpe
erreicht, damit durch die Säule
ein schneller Durchfluss erzeugt wird, während eine getrennte Auffüllpumpe
eingesetzt wird, um frisches Prozesswasser mit einer geringeren
Geschwindigkeit in das System einzuleiten. Diese Lösungsmöglichkeit hält eine
ständige
Versorgung mit Pro zesswasser ohne Notwendigkeit aufrecht, große Volumen
frischer Lösung
mit verbundenen Feststoffen durch das System zu pumpen. Das kleine
Volumen von Prozesswasser kann ohne weiteres vor der Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
gefiltert werden, was es erlaubt, große Feststoffquellen wie zum
Beispiel Rücklaufwasser
von kurzen Kreisläufen
zu verwenden. Die Rückhaltezeit
von Fluid in dem System kann eingestellt werden, indem die Auffüllpumpe
eingesetzt wird, wodurch eine von mehreren Einrichtungen bereitgestellt
wird, um die Empfindlichkeit des Instruments einzustellen.
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Die
Empfindlichkeit des Instruments ist von entscheidender Bedeutung
beim Zuordnen der Reaktion einer Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung mit
der Leistungsfähigkeit
des zu überwachenden
industriellen Prozesses. In nahezu allen Fällen besteht der Zweck des
Monitors darin, Schlammablagerungen zu erfassen, bevor sie eine
Höhe erreichen,
die die Produktqualität
verschlechtert. Indem so verfahren wird, sollte die Überwachungsvorrichtung
ein messbares Signal vor einem schädlichen Aufbau erzeugen. Die
gegenwärtige
Vorrichtung bezieht mehrere Einrichtungen ein, um die Geschwindigkeit
von Biobewuchs in dem Instrument zu steuern, was es ermöglicht,
das Ansprechen des Instruments ohne weiteres der Prozessqualität zuzuordnen.
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Die
Vorrichtung macht es möglich,
die Geschwindigkeit der Zufuhr von Prozesswasser einzustellen, um
die Versorgung der Überwachungsvorrichtung
mit frischer Lösung
zu erhöhen
oder zu verringern. Dies wiederum beeinflusst die Geschwindigkeit
des bakteriellen Wachstums dadurch, dass die Zufuhr von für das Wachstum
verfügbaren
Nährstoffen
erhöht
oder gesenkt wird. Ein zweites Mittel zur Steuerung der Empfindlichkeit
des Instruments erfolgt durch Einstellen der Umwälzgeschwindigkeit. Höhere Durchflüsse verstärken die
durch Veränderungen
der Medienrauhigkeit, des Fliessvermögens, der Dichte und Porosität gemäß Gleichung
1 verursachten Druckänderungen.
Größe und Form
des zum Füllen
der Säulen
eingesetzten Materials können
auch verwendet werden, um die Empfindlichkeit einzustellen. Als
ein Beispiel werden mit Perlen kleinen Durchmessers gefüllte Säulen schnell
auf Biobewuchs reagieren, da wenig Ablagerung erforderlich ist,
um die Hohlräume
zwischen den Perlen zu verschließen (d.h. die Porosität nimmt
schnell ab, wenn sich Bewuchs entwickelt).
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Alle
oben erwähnten
Einstellungen können genutzt
werden, um die Empfindlichkeit der Überwachungsvorrichtung zu modifizieren,
wobei die Erfahrung jedoch gezeigt hat, dass langen Perioden schlammfreien
Betriebes der Papiermaschine oft plötzliche Zunahmen der Bewuchsbildung
folgten, die in einigen wenigen Tagen beginnen, die Papierqualität zu verschlechtern.
Es ist höchst
wünschenswert,
die frühzeitige
Warnung einer solchen Schlammbildung zu haben, die es der Bedienperson erlauben
würde,
eine mikrobizide Dosierung zu erhöhen oder eine zeitliche Abschaltung
zur gründlichen Reinigung
einzurichten. In diesem Beispiel schließt die vorliegende Vorrichtung
zwei Kanäle
ein, von denen einer eine Hilfspumpe zur Nährstoffzufuhr nutzt, um Nährstoffe
einzuleiten, die mikrobielles Wachstum in diesem Kanal beschleunigen.
Unter Nutzung dieser Verfahrensweise bewirkt der mit Nährstoff
angereicherte Kanal im Vergleich zu dem Kanal, der nur mit Nutzwasser
versorgt ist, die Anzeige von Biobewuchs mehrere Tage im Voraus.
Ein Vorteil der Konstruktion ist, dass eine Beschleunigung des Bewuchssignals
durch Nährstoffzugabe
bestätigt,
dass der Bewuchs zumindest teilweise biologischer Natur ist, da
ein abiotischer Bewuchs keine Reaktion auf die Zugabe von Mikroorganismus-Nährstoffen zeigen würde.
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GERÄTEAUSSTATTUNG
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Die
Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung war
in diesem Beispiel ein selbstständiges
System, das ausgelegt ist, um Schlamm und Ablagerungen im Kreislauf
einer Papiermaschine und in anderen industriellen Wasserkreisläufen zu überwachen.
Das System umfasste mehrere Pumpen, Druckwandler, Temperaturregler
und Datenerfassungsgeräte,
die in einem Metallgehäuse
von 46 cm·56
cm·76
cm (18 Zoll Tiefe·22
Zoll Breite·30
Zoll Höhe)
aufgenommen sind. Eine im Gehäuse
der Überwachungsvorrichtung
befindliche Schlauchpumpe zum Ansaugen (Modell E-07553-80 von Cole-Parmer
Instrument Company) lieferte Wasser aus dem großtechnischen Verfahren mit
2 bis 3 ml/min in doppelte Säulen
aus durchsichtigem PVC von 1,5 cm Innendurchmesser und 20 cm Länge, die
mit als Substrat zur Anhaftung von Biofilm dienenden 302 Perlen
aus rostfreiem Stahl von 1,5 mm Durchmesser gefüllt waren. Eine getrennte Schlauchpumpe
wälzte
Wasser mit 250 ml/min durch die Säulen um, damit ein Basisdruckabfall
zwischen 20 und 30 mbar erzeugt wird. Aus einem 11-Behälter wurde
durch eine separate Pumpe (Modell E-7710-30 von Cole Parmer) Glucose
(30 000 ppm) mit ungefähr
50 μl/min
in den zweiten der beiden Kanäle
(Kanal 2) zugeführt,
das eine Beimischung von ungefähr
600 ppm Glucose zur Stimulierung von biologischem Wachstum erzeugt.
Die Perlensäulen
wurden zum schnellen Austausch an Schnellverbindungen aus PVC festgemacht,
wobei der gesamte Flüssigkeitsleitweg
der Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
Zubehör
aus PVC und rostfreiem Stahl sowie chemisch beständige Rohrleitungen aus Norpren
und Tygon besteht, damit Reinigungslösung durch das System zur gründlichen Reinigung
gepumpt werden kann. Die Perlensäulen wurden
mit elektrischen Heizhauben (Modell E-03125-20 von Cole-Parmer)
unter Verwendung von Temperaturreglern vom Typ Omega CN 76000 beheizt,
um eine gewünschte
Temperatur wie zum Beispiel 38° C
(100° F)
zur Stimulierung von biologischem Wachstum zu halten. Regler vom
Typ Omega CN375 für
thermische Höchstlast überwachten
die Oberflächentemperatur
zwischen der Heizhaube und den Perlensäulen aus durchsichtigem PVC,
um zu verhindern, dass das PVC schmilzt. Differenzdruckmesser (Modell
E-07354-05 von Cole Parmer) mit Ausgangssignalen von 4 bis 20 mA
wurden mit einer wassergefüllten
Rohrleitung aus Tygon, Innendurchmesser 0,32 cm (1/8 Zoll) und Außendurchmesser 0,64
cm (1/4 Zoll) an T-Muffen aus PVC, die an jedem Ende der Säulen angeordnet
sind, angeschlossen. Die Druckmesser haben Differenzdrücke über den mit
Perlen gefüllten
Säulen
gemessen und die Daten auf an der Vorderwand des Gehäuses angeordneten digitalen
Messinstrumenten und welchen mit Balkengrafik (Modell E-94712-00
von Cole Parmer) angezeigt. Das Ausgangssignal von 4 bis 20 mA von
den Druckmessern wurde durch einen Widerstand von 100 Ohm geleitet,
um ein druckproportionales Gleichspannungssignal von 0,4 bis 2 V
zu erzeugen, das von einem im Gehäuse angeordneten Datenerfassungsgerät Onset
Computer HOBO 8 in Abständen
von 10 Minuten gelesen wurde. Die gesamte Biobewuchs-Einheit war
in sich abgeschlossen und erforderte für den Betrieb nur eine einphasige
Wechselspannung von 120 V und eine ständige Quelle von Prozesswasser.
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Um
einen Überwachungszeitraum
einzuleiten, wurden die Reinigungssäulen in die Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
eingebaut, und mit der Auffüllpumpe
wurde Prozesswasser in das System gepumpt, die Umwälzpumpe
und die Nährstoff-Speisepumpe
wurden gestartet, sowie die Datenerfassungsgeräte in Gang gebracht. In vielen
Anwendungen wird darauf eine Basisperiode folgen, während dieser
der Druck konstant bleiben wird, der sich eine schnelle, bezeichnenderweise
exponentielle Druckerhöhung
anschließt.
Die Basisperiode und die exponentielle Periode bezeichneten jeweils
die Auslösephase
und die Wachstumsphase.
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Die
Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung wurde
versuchsweise an einer Kraft Mühle
für Papierbrei
aus alkalihaltigem, holzfreiem Papier eingesetzt, um die Leistungsfähigkeit
der Instrumente zu bewerten und die Wirkung von zusätzlichen
Nährstoffen
auf die Bewuchsreaktion zu prüfen.
Die gewählte
Mühle erzeugte
auf einer einzigen Maschine 600 bis 1000 Tonnen beschichtetes, holzfreies
Papier pro Tag, indem eine Mischung von Hartholz, Kiefernholz und
Ausschusspapier aus einer unabhängig von
der Anlage arbeitenden Beschichtungsanlage verwendet wurde. Die
Schlammbildung an der Mühle wurde
gut beherrscht, indem eine Kombination von Halogenbioziden und organischen
Brombioziden verwendet wurde, wobei jedoch der Druck zur Verringerung
einer Bioziddosierung die Mühle
zu einem ausgezeichneten Standort für den Überwachungsversuch machte.
Während
der hier beschriebenen anfänglichen
Versuche wurde eine Basisbewuchsreaktion festgestellt, gegen die
zukünftige
Anstrengungen zur Verringerung von Bioziden verglichen werden können.
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Aus
geklärtem
Rücklaufwasser,
das eine Albany-Siebvorrichtung durchlaufen hatte, wurde eine Lösung für die Biobewuchsversuche
abgezogen. Das Wasser wurde zusätzlich
durch einen kleinen Klärapparat
und ein 20 μm-Filter
geleitet, um Schwebstoffe vor dem Eintritt in die Biobewuchs-Überwachungsvorrichtung
weiter zu reduzieren. Diese Schritte vermiderten den Bewuchs von Schwebstoffen,
um die Reaktion gegenüber
Biobewuchs bewerten zu können.
Bei normalem Betrieb sicherte eine schnelle Umsetzung der Lösung im
Klärapparat,
dass stagnierende Wachstumsbedingungen vermieden wurden. Die Auffüllung in
die Biobewuchseinheit war mit 2 bis 3 ml/min kontinuierlich, was
eine Verweilzeit innerhalb des Umwälzkreises von ungefähr zwei
Stunden bewirkt hat. Die Temperatur der einfließenden Lösung betrug 49° C bis 54° C (120 bis 130° F). Dem
zweiten der beiden Biobewuchskanale wurde zusätzliche Glucose zugeführt, um
eine endgültige
Lösungskonzentration
von 600 ppm zu erzeugen.
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Die
mit Säulen
zum Reinigen von Bewuchs ausgestattete Überwachungsvorrichtung wurde gleichlaufend,
mit dem Anfahren der Papiermaschine bei Beendigung des Auskochens
einer Nasspartie direkt gekoppelt angeordnet. Diese zeitliche Steuerung ermöglichte
es, die Bewuchsreaktion auf den sauberen Zustand einer Maschine
zu beziehen. Nach 31 Tagen wurden die Bewuchssäulen für beide Kanäle ersetzt und nach 44 Tagen
die Säule
für Kanal
2 erneut ersetzt. Die Nasspartie der Papiermaschine wurde am 38.
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Tag
während
eines geplanten Instandhaltungsbetriebs ausgekocht. 3 und 4 zeigen die
Datenaufzeichnung für
einen Einsatz von 51 Tagen.
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Die
am 31. Tag entnommenen, mit Bewuchs versehenen Säulen wurden visuell durch Entfernen der
Perlen aus rostfreiem Stahl und Prüfen der Perlenoberfläche mit
einer Handlinse bei 10× auf
das Vorhandensein von Schlamm geprüft. Die Perlen wurden auch
auf mikrobiologische Aktivität
analysiert, indem die Ablagerungen mit einer oberflächenaktiven
Substanz herausgezogen wurden und der Auszug mittels eines handelsüblichen
ATP-Analysenmessgerats analysiert wurde. Getrennte Proben der Ablagerungen
wurden durch Ultraschallbehandlung entfernt und mittels energie-dispersiver
Röntgen-Fluoreszenzanalyse
auf Elementgehalt geprüft.
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Ergebnisse
-
Die
Datenaufzeichnung zeigte einen anfänglichen 14-tägigen Zeitraum,
während
dem die Signale für
beide Kanäle
mit 10 bis 20 mbar stabil blieben. Zwischen dem 14. Tag und dem
20. Tag trat für
beide Kanäle
eine Abweichung auf 30 bis 40 mbar und eine anschließende Rückkehr zur
Grundlinie auf. Am 21. Tag begann das Signal für den Glucosekanal (Kanal 2)
exponentiell auf einen Grenzwert von 80 mbar anzusteigen, was dem
maximalen Signal für
die Druckwandler entspricht. Zwei bis drei Tage später zeigte das
Signal für
Kanal 1 eine ähnliche
exponentielle Zunahme. Saubere, neue Bewuchssäulen wurden am 31. Tag installiert,
was eine Rückkehr
der Signale auf ein niedriges Niveau der Grundlinie bewirkt hat.
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Das
nächste
Bewuchsereignis für
Kanal 2 trat drei bis vier Tage, nachdem die neuen Säulen installiert
waren, auf, dem wiederum ungefähr
drei Tage später
das folgte, was als Beginn einer exponentiellen Verschiebung für Kanal
1 erscheint. Die spätere
Zunahme wurde abgebrochen, als die Papiermaschine am 38. Tag ausgekocht
wurde, trat dann nach sechs bis sieben Tagen wieder auf, indem am
46. Tag ein Grenzwert erreicht wurde. Wenige Tage später fiel
das Signal für
Kanal 1 auf ungefähr 50
mbar ab. Eine am Kanal 2 am 44. Tag installierte neue Bewuchssäule führte zu
einer Reaktion, die dem Verhalten an den Tagen 32 bis 36 sehr ähnlich war.
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Eine
visuelle Prüfung
von Ablagerungen auf den Perlen aus rostfreiem Stahl wurde am 31.
Tag vor dem Einbau neuer Säulen
vorgenommen. Durch das Auge waren in den Säulen hellgelbe bis bernsteinfarbene
Leuchtfäden
sichtbar, und eine Prüfung der
Ablagerungen bei 10× zeigte
die bandähnliche Matrix
eines die Hohlräume
zwischen Perlen überspannenden
Biofilms. Die ATP-Analyse zeigte das Vorhandensein einer heftigen
mikrobiologischen Aktivität
in dem aus der Perlenoberfläche
herausgezogenen Material. Eine Elementanalyse der Ablagerungen zeigte
Spitzenwerte für
Aluminium, Siliciumoxid und Kalzium, die anzeigen, dass im Material
ebenfalls Feinstgut aus Ton und Kalkstein vorhanden waren.
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Das
Auftreten eines Basisbereichs hinsichtlich des Einbaus neuer Säulen entsprach
dem Zeitraum einer langsamen, anfänglichen mikrobiologischen
Anhaftung (die Induktionszeit), die bei Biobewuchs oft beobachtet
wird. Die ähnlichen
Basisdaten für
die beiden angegebenen Kanäle
reagierten beide gleichmdßig
auf kleine Schwankungen im Signal, die durch Veränderungen in Schwebstoffen
und Feinstgut, die in das System eindringen, verursacht worden sein
können.
Ein solches Material wird die Viskosität und Dichte der Lösung verändern und
durch das Darcy'sche
Filtergesetz einen Druckabfall über
den Bewuchssäulen
bewirken. Die aufgezeichneten Daten zeigten, dass sich diese Schwankungen
ganz leicht von wahren Bewuchsereignissen unterschieden.
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Die
am 14. Tag beginnende Druckabweichung ist nicht deutlich erklärt, jedoch
fiel das Ereignis mit der Bildung einer verstopften Leitung zusammen,
was den Durchfluss zum Klärapparat
unterbrochen hat. Am 22. Tag nahm das Signal für Kanal 2 und am 25. Tag für Kanal
1 zu und stellte die durch den Glucosekanal gegebene Warnung zwei
bis drei Tage im Voraus dar. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit
der Zunahme der Induktionszeit, die für die höhere Nährstoffkonzentration erwartet
wird. Ein Vergleich der Signale für die Kanäle 1 und 2 nach dem Einbau
neuer Säulen
(31. Tag) zeigte wiederum, dass der Glucosekanal eine Warnung vor
Biobewuchs von zwei bis drei Tagen im Voraus bewirkt (hier ist die
Reaktion für
Kanal 1 durch das Auskochen der Papiermaschine verkürt).
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Der
Einbau von neuen Bewuchssäulen
im Kanal 2 (32. und 44. Tag) führte
zu einer exponentiellen Zunahme ähnlich
der oben beschriebenen, die jedoch viel früher begann. In beiden Fällen begann
die schnellere Zunahme 3 bis 4 Tage, nachdem die Säulen eingebaut
waren und kann unterstützt
worden sein durch ein Inoculum von Mikroorganismen innerhalb der Überwachungsvorrichtung,
die nicht gereinigt war, als die Bewuchssäulen ersetzt wurden. Die Signalabnahme
für Kanal
1 am 38. Tag fällt
mit dem Auskochen der Nasspartie zusammen und veranschaulicht außerdem die
Reaktion von Instrumenten auf Faktoren, die das mikrobiologische
Wachstum beeinflussen. Der Signalabfall für Kanal 1 am 47. Tag kann das
Ereignis eines Schmutzlochs sein, in dem Druckänderungen als Teil der Schlammschicht
innerhalb der Bewuchssäule
abnehmen oder sich verschieben.
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Die
exponentielle Form des Bewuchssignals am 22. Tag und am 25. Tag
steht im Einklang mit biologischem Bewuchs und veranschaulicht außerdem die
Beeinflussung der Zugabe von Glucose auf die Reaktion der Instrumente. 5 stellt
eine den Daten in diesen Bereichen angepasste exponentielle Kurve
dar, und 6 zeigt eine grafische Darstellung vom
Logarithmus des Drucks gegenüber
der Zeit. Der Abfall der letzteren Kurven ergibt ein spezielles Bewuchsverhältnis von
1,03 pro Tag und 1,27 pro Tag jeweils für die Kanäle 1 und 2. Diese Werte entsprechen
16 bzw. 13 Stunden als die zur Verdopplung des Bewuchssignals erforderliche
Zeit. Eine Analyse der Bewuchssignale am 36. Tag (Kanal 2) und am
45. Tag (Kanal 1) zeigt ebenfalls eine höhere spezifische Bewuchsrate
für den
Glucosekanal.
-
Die
Papiermühlen-Auswertung
zeigt, dass mikrobiologische Aktivität und Schlammbildung im Rücklaufwasser
einer Papiermühle
unter Verwendung der direkt gekoppelten Überwachungsvorrichtung gemessen
werden kann. ATP und Elementanalyse zeigen an, dass die Bewuchsablagerungen
sowohl mikrobiologische als auch anorganische Materialien aufweisen,
wie es für
Schlamm und eingeschlossene Schmutzstoffe, die in Ablagerungen einer Papiermaschine
gefunden werden, typisch ist. Die chemische Zusammensetzung der
Nasspartie von Papier, die durch die Überwachungsvorrichtung während der
Bewertung erzeugt wird, zeigte keine Schlamm bezogenen Probleme,
was anzeigt, dass die Überwachungsvorrichtung
in der Lage ist, eine mikrobiologische Aktivität zu erkennen, bevor sie beginnt,
die Papierqualität
zu verschlechtern. Die Reaktion auf eine mikrobiologische Aktivität wird durch
Zugabe eines zusätzlichen
Nährstoffs
beschleunigt, was eine frühzeitige
Warnung vor Biobewuchs bewirkt. Bei normalem Betrieb kann das Signal
an dem mit Nährstoff
verstärkten
Kanal verwendet werden, um vorherzusagen, dass in einer Zeit von
wenigen Tagen Bewuchs auftreten wird, was den Be dienpersonen einer
Papiermühle
die Gelegenheit geben wird, die Zugabe von Biozid zu ergänzen, um
zum Beispiel die Produktion durch eine entscheidende Produktführung zu
erweitern oder ein zeitliches Abschalten zur präventiven gründlichen Reinigung einzurichten.
-
Aus
der Betrachtung der vorliegenden Anmeldung und praktischen Anwendung
der hier offenbarten, vorliegenden Erfindung erschließen sich
dem Fachmann andere Ausführungen.
Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und Beispiele nur beispielhaft zu
betrachten sind, wobei der wahre Umfang der Erfindung durch die
folgenden Ansprüche
angegeben wird.