CN109906335B

CN109906335B - 用于在输送液体的导管中防止微生物生长的系统和方法

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Publication number: CN109906335B
Application number: CN201780068279.9A
Authority: CN
Inventors: T·安德森
Original assignee: EPFF ELECTRICAL PIPE FOR FLUID TRANSPORT AB
Current assignee: EPFF ELECTRICAL PIPE FOR FLUID TRANSPORT AB
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2021-03-19
Anticipated expiration: 2037-11-01
Also published as: US20190249815A1; PL3535511T3; EP3535511B1; US11454345B2; WO2018083127A1; EP3535511A1; ES2910927T3; EP3315841B1; JP7048626B2; EP3315841A1; JP2019535512A; DK3535511T3; CN109906335A

Abstract

所提出的技术涉及一种用于防止在输送液体的导管中的微生物生长的系统(8)。所述系统(8)包括构成所述导管且具有内层(12)的多层管(10)，并且所述内层(12)覆盖管(10)的整个内部(16)并且由导电聚合物材料形成。管(10)中的液体与内层(12)直接接触。该系统还具有从管(10)外部连接到内层(12)的第一电连接器(18)和第二电连接器(19)，其中第一电连接器(18)和第二电连接器(19)沿管(10)间隔开。该系统还具有电源(20)，该电源可操作地连接到第一电连接器(18)和第二电连接器(19)，并被配置成用于向内层(12)供应电流。

Description

用于在输送液体的导管中防止微生物生长的系统和方法

技术领域

本文中提出的技术一般性地涉及液体运输、分配和再循环领域。特别是，涉及减少管中的微生物生长。

背景技术

在输送液体的许多应用中，担心的是管内部微生物生长和生物膜形成。这样的液体的性质可能受微生物生长的影响，并使其不太适合其预期用途。管中的微生物生长还可以在装置中进一步的下游处增加微生物生长，而所述装置被常规地清洁以免发生这种生长。微生物生长也可能从管内部脱离并导致下游装置堵塞或损坏。还有一个已知的问题是，管的内部上的微生物生长会在输送的液体中引入有害的病原体。

已经确定了管中的微生物生长可能成为问题的三组应用，即液体运输、液体再循环和液体分配。

液体运输的一个例子是公用事业供水。管长时间使用，通常延续使用数十年。大量微生物材料可在管中积聚，从而降低了管的运输能力。运输也可在较短的距离内，例如在奶牛场的乳制品装置中。

其中微生物生长可能成问题的使用液体再循环的应用的例子很多。例如，其在如下情况中可能成问题：建筑物的集中式室内冷却，洗车场中的洗涤液体的再循环，金属加工中的切削液体的再循环，造纸厂中的液体的再循环以及建筑物中的循环低温加热系统。

液体分配应用的实例也有很多。微生物生长在饮料分配中可能成问题，特别是在从小桶分配啤酒、牙科装置和家用水系统(例如淋浴)中。后者是已知的军团杆菌来源，而军团杆菌可能对人体有害。

还有更复杂的系统，其不属于上述简单分类，或者是几种类型应用的组合，例如液体既被供应又被再循环的透析装置。

用于处理营养液体(例如啤酒)的管需要经常清洁，特别是如果运输的液体在室温下储存并且先在分配点冷却时更是如此。这可能导致在输送液体的管中微生物快速生长。已知的是，冷却这种管以减少微生物生长并防止所输送的液体劣化。然而，这种技术的安装和操作通常很昂贵。

管的清洁通常本身是昂贵的，而且由于应用操作的中断使得成本更高。还经常需要随后冲洗管，这在许多应用中是不实际的，例如在封闭循环系统和长距离水运输中。

需要这样的管，其中微生物生长和生物膜的形成减少。此外，需要在防止微生物生长方面具有低安装成本和操作成本的管。更换现有应用中的管可能是一项代价高昂的操作。因此，还需要防止微生物生长的管，其可对现有应用中的管进行改装。

在整个这些说明中，微生物生长被理解为包括生物膜的形成。例如，微生物生长可以是细菌的菌落。

发明内容

本文中提出的技术的一个目的是满足一个或多个上述需求。在第一方面，这通过用于防止输送液体的导管中的微生物生长和/或生物膜形成的系统来实现。该系统包括构成所述导管并具有内层和外层的多层管。内层覆盖管的整个内部并且由导电聚合物材料形成，其中管中的液体与内层直接接触。外层覆盖内层外部的至少一部分并且由电绝缘聚合物材料形成。该系统还包括从管外部连接至内层的第一电连接器和从管外部连接至内层的第二电连接器，其中第一电连接器和第二电连接器沿管间隔开。所述系统还包括电源，其可操作地连接到第一电连接器和第二电连接器，并且被配置成用于向内层供应电流，和/或用于在第一电连接器和第二电连接器上提供电势。多层管可以是刚性管或柔性软管。

在第二方面，提供了一种改装系统用于防止输送液体的现有导管中的微生物生长的方法。该方法包括：提供根据第一方面所述的系统，并且在现有导管的内部设置所述系统的管。

在第三方面，上述目的是通过用于防止根据第一方面的系统的管中的微生物生长的方法实现的，其中所述管输送液体。该方法包括：用电源向管的内层供应电流。

在第四方面，通过用于防止在输送液体的导管中的微生物生长和/或生物膜形成的系统满足一个或多个上述需求，其中所述系统包括构成所述导管且具有单层的单层柔性软管，其中所述单层由导电聚合物材料形成，并且其中软管中的液体与所述单层直接接触。该系统还包括从软管外部连接到所述单层的第一电连接器和从软管外部连接到所述单层的第二电连接器，其中所述第一电连接器和所述第二电连接器沿软管间隔开。此外，该系统包括电源，所述电源可操作地连接到所述第一电连接器和所述第二电连接器，并且被配置成用于向所述单层供应电流，和/或用于在所述第一电连接器和所述第二电连接器上提供电势。

在第五方面，提供改装系统用于防止输送液体的现有导管中的微生物生长的方法。该方法包括：提供根据第四方面的系统，并且在现有导管的内部设置所述系统的软管。

在第六方面，通过防止根据第四方面的系统的软管中的微生物生长的方法实现上述目的，其中软管输送液体。该方法包括：利用电源向管的单层提供电流。

在软管被电绝缘材料包围(例如在现有的塑料管内)的应用中，第四至第六方面的技术特别有用。

在第七方面，提供了一种饮料分配系统，其包括用于分配饮料的分接站(tappingstation)和用于将饮料从容纳饮料的容器输送到所述分接站的饮料导管。所述饮料分配系统还包括根据第一方面或第四方面的用于防止微生物生长的系统，其中管或软管形成饮料导管的一部分。饮料可以是啤酒并且容器可以是小桶。

这里，并且在整个这些说明中，液体与内层直接接触意味着在内层和液体之间没有其他材料。

已经发现，当向内层或单层供应电流时，微生物生长和生物膜的形成显著减少。对于为什么会发生这种情况，没有既定的理论，但下面提供了概念验证。此外，用于操作所提出的系统的所需电力较低，因而有助于降低操作成本。此外，管由基于聚合物的材料制成，此事实意味着制造成本通常较低，因此有助于降低安装成本。软管允许在现有管内进行改装，这也有助于降低安装成本。

液体可包含水和/或水溶性物质，例如糖、醇和盐。液体的主要成分可以是水。

本文所提出的技术的详细说明

下面介绍本文中提出的技术的不同方面的其他可选特征。

供应给内层或单层的电流可以是直流电。直流电可以低于10mA、低于1mA、介于0.1mA和1mA之间、或者介于0.3mA和0.7mA之间。电流可以在低于150V、低于120V、介于20V和100V之间、或者介于50V和70V之间的第一电连接器和第二电连接器之间的电压下产生。供电电源可以被配置为在第一电连接器和第二电连接器之间的本文列出的电压下将直流电供应给第一电连接器或第二电连接器。已经发现，本文描述的操作参数减少了微生物生长，特别是减少了在分配主干管中快速流动的淡水中的微生物生长。

电源可以被配置用于改变第一电连接器和第二电连接器之间的极性。极性的改变可以在时间上是随机的，或者遵循预定的时间表。极性可以每12小时至少改变一次，或者每小时至少改变一次。有迹象表明极性的改变会抑制微生物的生长。

可替选地，供应给内层或单层的电流可以是交流电。交流电可以低于10mA、低于1mA、介于0.1mA和1mA之间、或者介于0.4mA和0.8mA之间。交流电可以在低于80V、低于50V、介于10V和50V之间、介于20V和50V之间、或者介于30V和50V之间的第一电连接器和第二电连接器之间的电压下供应。供电电源可以被配置为在第一电连接器和第二电连接器之间的本文列出的电压下将交流电供应给第一电连接器或第二电连接器。交流电可以具有介于1kHz和5kHz之间或者介于1kHz和2kHz之间的频率。已经发现，本文描述的操作参数减少了微生物生长，特别是减少了在分配主干管中缓慢流动或静止的淡水中的微生物生长。

电源可以被进一步配置成用于供应电流作为脉冲电流，既用于直流电又用于交流电。脉冲可以在等于或小于周期长度的50％的一段时间内具有组合的脉冲长度。已经发现，对于脉冲电流，微生物生长也减少了。脉冲具有降低功耗的效果，这有助于降低操作成本。电源可以被进一步配置成用于在脉冲之间改变第一电连接器和第二电连接器之间的极性。有迹象表明这会抑制微生物的生长。

作为供应直流电和交流电的上述电压的替代方案，可以在1V至10V、2V至8V、或者3V至6V的范围内的第一电连接器和第二电连接器之间的电压下供应电流。预期这些电压将对微生物生长具有足够的影响。

可替选地，供应给内层或单层的电流可以是低于10mA、低于1mA、介于0.1mA和1mA之间、或者介于0.4mA和0.8mA之间的直流电或交流电。或者，电流可以在0.5kV至6kV、0.5kV至4kV、0.5kV至2kV、或者0.5kV至1kV的范围内的第一电连接器与第二电连接器之间的电压下供应。额外地或者可替代地，电流可以是脉冲的。此外，电流的脉冲可以具有在1ms至500ms、1ms至100ms、或者1ms至10ms的范围内的脉冲长度。预期这些参数将会对微生物生长产生显著影响。

电源可以被配置成用于随机地改变或根据预定值改变电流和/或电势。电流和/或电势的变化可以对应于0.01至100或者0.1至10的范围内的相对变化。另外，电源可以被配置成用于随时间随机地改变或根据预定的时间表改变电流和/或电势。改变可以导致电流和/或电势每12小时至少一次或者每小时至少一次改变。预期这些参数的变化将扰乱微生物生长。

系统可以被配置成用于在内层中产生电流并且在液体中产生电流，并且内层中的电流可以与液体中的电流具有相同的数量级，或者内层中的电流可以在液体中电流的0.02至50倍或者0.1至10倍的范围内。额外地或者可替代地，系统可以被配置成用于在内层和液体之间产生电流，该电流对应于管内部每单位面积中0.01mW至500mW，0.1mW至100mW，0.5mW至50mW或1mW至10mW的范围内的电功率。应当注意，这里确定的参数取决于内层和液体的性质，并且可以通过建模或实验来确定。

内层或单层的导电聚合物材料可以是填充有炭黑的聚合物。除了炭黑之外或作为替代性的方案，聚合物可以填充有纳米管、石墨烯和/或金属纤维或细丝以提供导电性。这些材料通常具有的优点是，与碳黑相比，需要更少量的材料以获得所期望的导电性。

在管的情况下，导电聚合物材料可以包含如下物质或者由如下物质构成：聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺或聚酯。电绝缘聚合物材料(即外层)的聚合物材料可以包含如下物质或者由如下物质构成：聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺或聚酯。在软管的情况下，导电聚合物材料可以包含如下物质或者由如下物质构成：聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺或聚酯。电绝缘聚合物材料(即外层)的聚合物材料可以包含如下物质或者由如下物质构成：聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺或聚酯。

这样的炭黑可能在没有电流的情况下有助于增加管或软管内部上的微生物生长。然而，这样的炭黑与内层或单层中的电流一起，已经表明净效果将是减少的微生物生长。

在内层的第一电连接器和第二电连接器之间的电阻乘以管的内径并除以第一电连接器和第二电连接器之间的长度可以在0.2kΩ至10kΩ、0.5kΩ至7kΩ、或者1kΩ至5kΩ的范围内。此处，电阻是在管中没有液体的情况下确定的。已经发现具有这些参数的管适用于干净至中等污水。

第一电连接器和第二电连接器可以通过在0.2m至50m、或者1m至10m范围内的距离间隔开。

附图说明

通过下面的附图详细描述，对本文中提出的技术以及本文中提出的技术的其他特征和优点的更全面的理解将变得明显，其中：

图1a至图1c示意性地示出了本文中提出的系统的一个实施方式的设置，

图2示意性地示出了在液体运输应用中本文中提出的系统的一个实施方式，

图3示意性地示出了在液体分配应用中本文中提出的系统的一个实施方式，

图4示意性地示出了在液体再循环应用中本文中提出的系统的一个实施方式，

图5示意性地示出了包括本文中提出的防止微生物生长的系统的饮料分配系统的一个实施方式，

图6示意性地示出了包括防止微生物生长的改装的系统的饮料分配系统的一个实施方式，以及

图7是说明本文中提出的技术的功能的研究结果的图表。

具体实施方式

用于减少导管中微生物生长的系统的一个实施方式的设置示意性地示于图1a至图1c中。提供具有内层12和外层14的多层管10。内层12由具有20重量％炭黑的填充有炭黑的聚乙烯组成。外层由聚乙烯构成。这意味着内层12是导电的，并且外层14是电绝缘的。内层12和外层14以这样的方式共挤出，使得内层12覆盖管10的整个内部16，并且外层14覆盖内层12的整个外部，如图1c中所示。在内层12和由管10输送的液体之间没有材料。

在一个替代实施方式中，内层12和外层14的聚合物是聚乙烯，这意味着管10在手动操作方面具有软管的特性。

在管10的端部处移除外层14，从而使得可从管10的外部接近内层12，如图1b所示。在替代实施方式中，在管10的其他部分处移除外层14，例如从管的端部进一步延伸，从而使内层12在管10的端部处被外层14覆盖。

第一电连接器18在管10的一端处连接到暴露的内层12，并且第二电连接器19在管10的另一端处连接到暴露的内层12。两个连接器均以类似于拧紧软管夹的方式围绕内层进行紧固，从而确保每个连接器和内层12之间的良好电连接。

提供电源20，其经由第一缆线22可操作地连接到第一电连接器18，并且经由第二缆线24连接到第二电连接器19。当安装在应用中并且液体穿过管10时，电源20被设定为通过采用第一电连接器18、第二电连接器19、第一缆线22和第二缆线24建立的电路在内层12中供应介于0.3mA和0.7mA之间的直流电。在一个替代性实施方式中，电源20也可以被设定为在第一电连接器18和第二电连接器19之间产生在50V至70V范围内的稳定电势。

在替代性实施方式中，电源20被设定为在内层12中供应介于0.4mA和0.8mA之间的交流电。额外地或者替代性地，电源20也可以被设定为在第一电连接器18和第二电连接器19之间产生在50V至70V范围内的稳定电势。

操作电源20以向内层12供应连续电流。在一个替代实施方式中，电流是脉冲式或间歇式操作的。在一个实施方式中，在一周电流供应和一周没有电流供应之间交替的循环中供应电流，从而在周期长度的50％的一段时间内有效地具有组合的脉冲长度。

图2中示出了本文中提出的系统8的一个实施方式。系统8安装在液体运输应用40中。其具有上文中结合图1a至图1c描述的系统8的所有特征。在一端，管10连接到液体供应26，例如公共主水管。在另一端，管10连接到液体接收器28，例如家用或工业建筑物的进水口，或公共主水管的另一部分。

图3示意性地示出了在液体分配应用中本文中提出的系统8的一个实施方式。系统8具有上文中结合图1a至图1c描述的所有特征。在一端，管10连接到液体供应30，例如家用建筑物中的热水管。在另一端，管10连接到液体分配器32，例如家用或公共建筑物中的淋浴器。

图4中示出了本文中提出的系统8的另一个实施方式。系统被安装在液体再循环应用44中。其具有上文中结合图1a至图1c描述的系统8的所有特征。在其两端，管10连接到液体接收器28，例如建筑物的低温加热系统的散热器、循环泵和热交换器。

图5中示意性地示出了饮料分配系统6的一个实施方式6。饮料分配系统6具有用于饮料的液体分配器32或分接站，其形式为连接到吧台34的啤酒龙头。其还具有用于从以啤酒小桶形式的包含饮料的液体供应30或容器输送饮料的饮料导管36。具有上文中结合图1a至图1c描述的实施方式的各个特征的用于防止微生物生长的系统8形成了饮料分配系统6的一部分。管10构成饮料导管36的一部分。在一端，管10经由饮料软管37连接到液体供应30。在其另一端，管10连接到液体分配器32。当如上文中结合图1a至图1c描述地操作电源20时，防止了管10中的微生物生长。

图6示意性地示出了饮料分配系统6的另一个实施方式。饮料分配系统6具有用于饮料的液体分配器或分接站，其形式为连接到吧台34的液体分配器32。具有上文中结合图1a至图1c描述的实施方式的各个特征的用于防止微生物生长的系统8形成了饮料分配系统6的一部分。然而，系统8的不同之处在于管10是软管。饮料分配系统6具有现有导管38，其形式为刚性管。通过将软管10插入现有导管38的接收端并通过连接软管到液体分配器32，已经在现有导管38中改装了软管10。在一端，软管10经由饮料软管37连接到液体供应30上。因此，软管10构成从液体供应30到液体分配器32的输送啤酒的饮料导管36的一部分。当如上文中结合图1a至图1c描述地操作电源20时，防止了软管10中的微生物生长。

概念验证

已经对本文中提出的技术进行了调查，包括三种不同的设置。使用三根相同长度和直径的管。长度为25米，内径为63毫米。在第一种设置中，管是单层聚乙烯管。在第二设置和第三设置中，管是相同的多层管，内层为填充有炭黑的聚乙烯。电连接器在管末端处连接到管的内层。来自公共水管的淡水被引入并流过管。在范围为60V至65V的电压下向第三装置的电连接器供应0.5mA的电流。

调查分为两个时期，第一时期为第1周至第10周，第二时期为第10周至第25周。

通过从管内壁取出生物膜样品，每周监测微生物生长。将样品培养48小时，然后在每个样品中计算细菌菌落数，细菌菌落数用于表示相应设置中的微生物生长。

在第一时期，允许微生物生长在内壁上沉降并允许其适应管内的环境。在第一时期没有取得任何结论性结果。然后在第二个调查期开始之前，将这三个设置移动并在另一个接点处连接到公共干管。

图7中示出了第二时期的结果。横坐标表示周数，纵坐标表示计数的细菌数。对于每周，左侧条表示来自第一设置的测量，即采用单层聚乙烯管；中间条表示来自第二设置的测量，即采用没有电流的内部导电层；右侧条表示来自第三设置的测量，即采用带电流的内导电层。应该注意的是，在没有任何条形的那些周中，没有进行采样。

从图7中可以清楚地看出，在第16周后，当微生物生长已经在道中建立时，第二设置中的微生物生长大于第三设置中的微生物生长，从而表明供应的电流减少了微生物生长。可以预期的是，第二设置和第三设置的高初始计数是对内层中具有炭黑的管内的环境的初始适应的结果。

项目列表

6 饮料分配系统

8 系统

10 管或软管

12 内层

14 外层

16 管的内部

18 第一电连接器

19 第二电连接器

20 电源

22 第一缆线

24 第二缆线

26 液体供应

28 液体接收器

30 液体供应

32 液体分配器

34 吧台

36 饮料导管

37 饮料软管

38 现有导管

40 液体运输应用

42 液体分配应用

44 液体再循环应用。

Claims

1.一种用于在输送液体的导管中防止微生物生长的系统(8)，其中，所述系统(8)包括：

-构成所述导管且具有内层(12)和外层(14)的多层管(10)，其中所述内层(12)覆盖所述管(10)的整个内部(16)，并且由导电聚合物材料形成，其中所述管(10)中的液体与所述内层(12)直接接触，其中所述外层(14)覆盖至少部分的所述内层(12)的外部，并且由电绝缘聚合物材料形成，

-第一电连接器(18)和第二电连接器(19)，所述第一电连接器(18)从所述管(10)的外部连接到所述内层(12)，所述第二电连接器(19)从所述管(10)的外部连接到所述内层(12)，其中所述第一电连接器(18)和第二电连接器(19)沿所述管(10)间隔开，以及

-电源(20)，其可操作地连接到所述第一电连接器(18)和所述第二电连接器(19)，并且被配置成用于向内层(12)供应电流。

2.根据权利要求1所述的系统(8)，其中，所述电流是直流电。

3.根据权利要求2所述的系统(8)，其中，所述电流低于10mA。

4.根据权利要求2所述的系统(8)，其中，所述电流低于1mA。

5.根据权利要求2所述的系统(8)，其中，所述电流介于0.1mA和1mA之间。

6.根据权利要求2所述的系统(8)，其中，所述电流介于0.3mA和0.7mA之间。

7.根据权利要求2所述的系统(8)，其中，所述电流在所述第一电连接器(18)和所述第二电连接器(19)之间以低于150V的电压供应。

8.根据权利要求2所述的系统(8)，其中，所述电流在所述第一电连接器(18)和所述第二电连接器(19)之间以低于120V的电压供应。

9.根据权利要求2所述的系统(8)，其中，所述电流在所述第一电连接器(18)和所述第二电连接器(19)之间以介于20V和100V之间的电压供应。

10.根据权利要求2所述的系统(8)，其中，所述电流在所述第一电连接器(18)和所述第二电连接器(19)之间以介于50V和70V之间的电压供应。

11.根据权利要求1所述的系统(8)，其中，所述电流是交流电。

12.根据权利要求11所述的系统(8)，其中，所述电流低于10mA。

13.根据权利要求11所述的系统(8)，其中，所述电流低于1mA。

14.根据权利要求11所述的系统(8)，其中，所述电流介于0.1mA和1mA之间。

15.根据权利要求11所述的系统(8)，其中，所述电流介于0.4mA和0.8mA之间。

16.根据权利要求11所述的系统(8)，其中，所述电流在所述第一电连接器(18)和所述第二电连接器(19)之间以低于80V的电压供应。

17.根据权利要求11所述的系统(8)，其中，所述电流在所述第一电连接器(18)和所述第二电连接器(19)之间以低于50V的电压供应。

18.根据权利要求11所述的系统(8)，其中，所述电流在所述第一电连接器(18)和所述第二电连接器(19)之间以介于10V和50V之间的电压供应。

19.根据权利要求11所述的系统(8)，其中，所述电流在所述第一电连接器(18)和所述第二电连接器(19)之间以介于20V和50V之间的电压供应。

20.根据权利要求11所述的系统(8)，其中，所述电流在所述第一电连接器(18)和所述第二电连接器(19)之间以介于30V和50V之间的电压供应。

21.根据权利要求11所述的系统(8)，其中，所述交流电具有介于1kHz和5kHz之间的频率。

22.根据权利要求1所述的系统(8)，其中，所述电源(20)被进一步配置成用于供应脉冲电流。

23.根据权利要求22所述的系统(8)，其中，所述脉冲在等于或小于周期长度的50％的时间内具有组合的脉冲长度。

24.根据权利要求1所述的系统(8)，其中，所述内层(12)的所述导电聚合物材料是填充有炭黑的聚乙烯。

25.根据权利要求1所述的系统(8)，其中，所述多层管(10)是柔性软管。

26.根据权利要求25所述的系统(8)，其中，所述内层(12)的所述导电聚合物材料是填充有炭黑的聚乙烯。

27.一种改装系统(8)用于防止输送液体的现有导管中的微生物生长的方法，所述方法包括：

-提供根据权利要求1至26中任一项所述的系统(8)，

-在所述现有导管的内部设置所述管(10)。

28.一种防止根据权利要求1至26中任一项所述的系统(8)的所述管(10)中的微生物生长的方法，其中，所述管(10)输送液体，所述方法包括：用所述电源(20)向所述管(10)的内层(12)供应电流。