DE69523748T2

DE69523748T2 - Vorrichtung mit einem biofilm zur beobachtung von mikrobiellen störungen in industriellem prozesswasser

Info

Publication number: DE69523748T2
Application number: DE69523748T
Authority: DE
Inventors: Pentti Vaeaetaenen
Original assignee: Kemira Chemicals Oy
Current assignee: Kemira Oyj
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2015-03-31
Also published as: WO1995027039A1; NO964150D0; EP0755436A1; FI95597B; NO964150L; FI941539A0; FI95597C; DE69523748D1; EP0755436B1

Description

Die Erfindung betrifft eine moderne sogenannte Biofilmvorrichtung zur mikrobiellen Überwachung von industriellen Prozesswässern. Die Vorrichtung dieser Erfindung ist besonders vorteilhaft bei der Überwachung von mikrobiellen Störungen in der Papierindustrie. Durch die Biofilmvorrichtung ist es nämlich möglich, durch Mikroben verursachte Betriebsfähigkeitsprobleme vorherzusagen. Sie kann auch zur Wahl von Kontrollmethoden in der Papiermühle selber verwendet werden.
Biofilm ist im Fachgebiet ein allgemein verwendeter Ausdruck für eine durch Mikroben gebildete Ablagerung auf Oberflächen.
Die schlimmsten mikrobiellen Probleme bei der Papier- und Kartonherstellung stellen die Betriebsfähigkeitsprobleme dar, die durch mikrobielle Ablagerungen verursacht werden, d.h. die Bildungen von Löchern und Flikken im Produkt, Gewebebrüchen als auch Entwässerungsstörungen, die durch die Blockierung von Papiermaschinenfilzen verursacht werden. Zur Überwachung dieser Probleme werden im Allgemeinen die Bakteriengehalte in Proben des Zirkulationswassers bestimmt.
Die frei schwebenden gewöhnlichen Bakterien der Zirkulationswässer liefern jedoch keine verlässlichen Hinweise auf die Betriebsfähigkeitsprobleme, da insbesondere die mikrobiellen Ablagerungen die Betriebsfähigkeitsprobleme verursachen - nicht einzelne Bakterien im Zirkulationswasser - und andererseits die Ablagerungen auf den Oberflächen und nicht in den Zirkulationswässern gebildet werden. Folglich sind Untersuchungen der Bakteriengehalte der Zirkulationswässer in Bezug auf die Vorhersage und Überwachung von Betriebsfähigkeitsproblemen von Papier- und Kartonmaschinen unnütz.
Es ist im Grunde genommen nützlicher als das bisher Gesagte, in Zirkulationswässern bestimmte Ablagerungen-verursachende Mikroben, wie filamentöse Bakterien, filamentöse Hefen und Schimmelpilze und schleimbildende Bakterien, zu bestimmen. Auf diese Art und Weise ist es möglich Biofilm-bildende Mikroben, die sich möglicherweise von Oberflächen in das Zirkulationswasser abgelöst haben, indirekt zu überwachen. Wenn es viele solcher Bakterien in den Zirkulationswässern gibt, könnte es schon zu spät sein, um die mikrobiellen Probleme zu kontrollieren und die Betriebsfähigkeit der Papiermaschine könnte schon in Mitleidenschaft gezogen worden sein.
Deshalb ist die Überwachung von problematischen Mikroben direkt in den Biofilmen, die auf den Oberflächen gebildet werden, die beste Art Betriebsfähigkeitsprobleme zu verhindern. Während der normalen Produktion der Papier- und Kartonmaschinen ist dies jedoch schwierig, weil die Proben der Ablagerungen nur am Anfang der Abstellphasen, kurz vor dem Waschen der Maschine, per Hand entnommen werden können.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen und eine Vorrichtung zu entwicklen, mit der es möglich ist, die durch Mikroben verursachten Betriebsfähigkeitsprobleme, besonders in Papier- und Kartonmühlen, vorherzusagen. Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung kann der mikrobielle Zustand auf den Oberflächen von Rohrleitungssystemen und Behältern auch während der normalen Herstellung festgestellt werden, ohne den Gang der Maschinen anzuhalten.
Die Hauptmerkmale der Erfindung sind in den angehängten Patentansprüchen gezeigt.
Die erfindungsgemässe Biofilmvorrichtung besteht aus einem zylindrischen Körper und Stahlplatten, die in Bezug auf einander und in Bezug auf den Fluss des Zirkulationswassers symmetrisch im Inneren des Körpers angeordnet sind, wobei sich auf deren Oberflächen sowohl die Mikroben als auch anderes Material, wie Fibrillen, Fasern, Harz und Pigmentteilchen aus den Seitenströmen des Zirkulationswassers oder einem Behälter, anlagern kann. Die symmetrische Anordnung der Stahlplatten ist eine unabdingbare Voraussetzung, um die Stahlplatten, die zu verschiedenen Zeitpunkten untersucht werden, vergleichbar zu machen.
Biofilmvorrichtungen wurden schon früher verwendet. Pedersen, Appl. and Environ. Microbiol., Band 43 (1) (1982), S. 6-13, hat eine Vorrichtung für die Wasserforschung entwickelt, bei der kleine und leicht zerbrechliche Deckgläser übereinander als "Regale" in einer Kiste angeordnet wurden. Dadurch befinden sich die Deckgläser in Bezug auf den Fluss nicht in einer symmetrischen Stellung und sind deshalb untereinander nicht gleichwertig. Ein anderer Nachteil der Vorrichtung ist die Zerbrechlichkeit der Deckgläser. Diese Art von Vorrichtung kann nicht für die Biofilm-Untersuchungen in der verarbeitenden Industrie eingesetzt werden.
Die Robbins-Vorrichtung (Ruseska I. et al., Oil & Gas Journal, Band 80 (1982), S. 253-264) erfüllt die Symmetrie-Voraussetzung nicht, weil entfernbare Probenplatten sich hintereinander entlang einer Röhre befinden. Die letze Platte befindet sich laut Theorie, im Vergleich zur ersten Platte bezüglich des Flusses, an der ungünstigsten Stelle. Die Grösse der Probenplatten der Robbins- Vorrichtung ist insgesamt zu klein, um mikrobiologische Analysen der Biofilme, die auf Platten abgeschieden werden, durchzuführen.
Conkey J., TAPPI Proceedings (1984), S. 115-120, hat eine Röhrenvorrichtung entwickelt, deren Funktionsprinzip komplett unterschiedlich zur erfindungsgemässen Biofilmvorrichtung ist. Der Zweck der Vorrichtung ist nämlich, die Menge des auf der Oberfläche des Rohres angelagerten Materials durch das Messen des Strömungswiderstandes indirekt zu überwachen. Die Conkey- Vorrichtung enthält keine herausnehmbaren Probenplatten für Laboruntersuchungen.
Die neue erfindungsgemässe Vorrichtung ist vorzugsweise aus einem säurebeständigen Stahl gefertigt, der in der Papierindustrie ein allgemein verwendetes Röhren- und Behältermaterial darstellt. Dies ist wichtig für eine Biofilmvorrichtung, weil sich Mikroben beispielsweise anders an Glas als an Stahl anlagern. Um die Zuverlässigkeit der Vorrichtung sicherzustellen, sollte das gleiche Material verwendet werden, wie in den zu untersuchenden Ausrüstungen. Beispielsweise tolerieren die erfindungsgemässe Vorrichtung und ihre Stahlplatten, im Gegensatz zu den dünnen Deckgläsern der oben erwähnten Pederson-Vorrichtung, ziemlich hohe Drücke und hohe Durchflüsse.
Zusammenfassend stellen die symmetrische Stellung der aus Stahl hergestellten Probenplatten in Bezug auf einander und auf den Durchfluss, eine passende Grösse der Probenplatten für verschiedene mikrobielle Analysen, die Festigkeit der Struktur und zusätzlich dazu die Eignung der Stahlplatten als solche für die Epifluoreszenzmikroskopie, die Vorteile der erfindungsgemässen Biofilmvorrichtung im Vergleich zu anderen Vorrichtungen dar.
Die erfindungsgemässe Biofilmvorrichtung ist auch geeignet, um die Wirksamkeit von Bioziden in dem Prozess der Mühle zu untersuchen. Bis jetzt fand das Testen und Auswählen von Bioziden in Labors statt, wo es schwierig ist, die dynamischen Bedingungen von Zirkulationswasser zu simulieren. Die Vorrichtung der Erfindung ist auch sowohl für das Testen von Bioziden als auch für das Testen von Dispersionsmitteln und Waschchemikalien geeignet. Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann mit jedem Nebenstrom des Zirkulationswassers oder Behälters einer Papier- oder Kartonmühle oder zum Beispiel mit einem Fluss, der von der Nasspartie entnommen wurde, verbunden werden. Der Durchfluss der Vorrichtung wird vorzugsweise auf den Bereich von 0,5 bis 100 Liter/Min. eingestellt. Die Probenplatten werden vorzugsweise für ungefähr 1 bis 90 Tagen in dem zu untersuchenden Fluss gehalten.
Im Folgenden wird die Erfindung, unter Bezugnahme auf eine Abbildung, die die erfindungsgemässe Biofilmvorrichtung in einem partiellen Längsschnitt und einem Querschnitt der Biofilmvorrichtung am Punkt A-A der Stahlplatten rechtwinklig zu der vertikalen Achse beschreibt, detaillierter beschrieben.
Die Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen Körper 1, der aus säurebeständigem Stahl hergestellt wurde, dessen Enden kegelförmig geformt worden sind. Die Probenplatten 2, die aus säurebeständigem Stahl hergestellt wurden, wurden so in das Innere des Körpers eingebaut, dass sie symmetrisch um die Mittelachse des Körpers 1, parallel zur Achse, liegen. Der Körper 1 und die Stahlplatten 2 können auch aus einem anderen beständigen Material gefertigt sein. Der Körper 1 der Vorrichtung ist in der Mitte aufklappbar 3 oder auf eine andere Art und Weise zu öffnen, um Probenplatten zu montieren und um sie zu entfernen. Im Inneren des Körpers 1 befindet sich zum Beispiel ein ringförmiger Halter 4, in den das untere Ende der Probenplatten 2 eingesetzt werden kann, um die Probenplatten symmetrisch zu installieren. Die Platten sind an ihrem oberen Ende der Probenplatten 2 durch Fixierungsmittel (nicht gezeigt) befestigt, die zum Beispiel ein ringförmiger Halter sein können.
Wie man anhand des Querschnittes des zylindrischen Körpers 1 sieht, wurden die Stahlplatten radial um die Mittelachse des Körpers, parallel zur Achse, angeordnet, wodurch alle Platten untereinander gleichwertig sind. Die Anzahl der Probenplatten kann beliebig sein, sofern der Strömungswiderstand nicht gefährlich hoch wird. Die Vorrichtung umfasst ein mit der Einlassöffnung verbundenes Ventil (nicht gezeigt) für das Öffnen, Schliessen und Regulieren des Durchflusses.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung anhand von Beispielen beschrieben. Experimente wurden sowohl im Labor- als auch im Industriemasstab durchgeführt.

Beispiel 1

Im Labor wurde zerkleinertes Holz, das durch eine sehr schwache Nährlösung (MYGP) im Verhältnis 1 : 5 verdünnt wurde, durch zwei erfindungsgemässe Vorrichtungen zirkuliert.
Die Zusammensetzung der MYGP-Lösung war die folgende:
Bacto-Malzextrakt 3 g
Bacto-Hefeextrakt 3 g
Bacto-Pepton 5 g
D-Glucose 10 g
Destilliertes Wasser 1000 ml
Verdünnung im Verhältnis 1 : 40 mit Wasser.
Eine Hefe, die aus einem Auslass (broke) einer Papiermühle isoliert wurde, wurde als zu untersuchende Mikrobe ausgewählt. Sie wurde in die zu zirkulierende Mischung zu einer Konzentration von 10000 cfu (Kolonie-bildende Einheiten, colony-forming units) pro ml gegeben. Es wurden 20 ppm des Biozides Fennosan M 9 zur Zirkulation der ersten Vorrichtung gegeben und die zweite Biofilmvorrichtung diente als Kontrolle. Die Stahlplatten der Vorrichtungen wurden nach drei und sechs Tagen zur Untersuchung entnommen und die Anzahl der Hefezellen pro Quadratzentimeter wurde bestimmt. Die Resultate sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
Die Resultate zeigen, dass sich nach 6 Tagen viele Hefen an die Stahlplatten der Kontrollvorrichtung angelagert hatten und dort gut wuchsen, folglich funktionierte die Vorrichtung erwartungsgemäss. In der Gegenwart eines Biozides blieb die Anlagerung von Hefezellen partiell, d.h. bei ungefähr 0,3%.

Beispiel 2

Das Laborexperiment wurde in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt. Hefezellen wurden zu einer Konzentration von 290000 cfu/ml zugegeben. Die Hefe stammte von einer Kartonfabrik. Wasserstoffperoxid (50 ppm), das für seine Fähigkeit Biofilme zu verhindern bekannt ist, wurde als inhibitorische Chemikalie verwendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
Auch in diesem Fall funktionierte die Biofilmvorrichtung gut. Viele Hefezellen (2 Millionen cfu/cm²) hatten sich nach 5 und 12 Tagen an die Stahlplatten der Kontrollvorrichtung angelagert, wobei die niedrigste Anzahl der Hefezellen in der Gegenwart von Wasserstoffperoxid, bei 2% der Kontrolle verblieb.

Beispiel 3

Die Idee dieses Beispieles ist, die Bedeutung der Biofilm-bildenden Mikroben aufzuzeigen, welche die Betriebsfähigkeit einer Papiermaschine in Mitleidenschaft ziehen. Das Kopfgehäuse und der Siebbehälter einer Papiermaschine wurden als Probenentnahmestellen ausgewählt. Eine erfindungsgemässe Biofilmvorrichtung wurde mit dem Siebbehälter verbunden. Schädliche Schleimpilze wurden sowohl anhand des Biofilms auf den Oberflächen als auch anhand des Zirkulationswassers bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
Die Resultate zeigen, dass Schleimpilze, die die Betriebsfähigkeit schädigen, nur in den Biofilmen der Oberflächen gefunden werden konnten, jedoch überhaupt nicht in dem angrenzenden Zirkulationswasser. Viele Schleimpilze konnten auf den Stahlplatten der Biofilmvorrichtung gefunden werden, die mit dem Siebbehälter verbunden war. Dieses Experiment belegt die Verwendbarkeit der erfindungsgemässen Biofilmvorrichtung in einer Mühle.

Beispiel 4

In diesem Test wurde die Biofilmvorrichtung mit dem Siebwassertank einer Papiermühle verbunden. Das Ziel bestand darin, die Funktionsweise der Vorrichtung und mögliche Ablagerungen von schädlichen Mikroben auf deren Stahlplatten zu prüfen. Die Stahlplatten wurden zu verschiedenen Tagen in die Vorrichtung montiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4
Die Ergebnisse zeigen, dass die Bakterien und Pilze sich desto mehr anlagerten, je länger die Stahlplatten sich in dem Nebenstrom des Siebwassertankes befanden. Unter dem Mikroskop stellte sich heraus, dass die Pilze filamentös waren, d.h. potentielle Ablagerungsbildner. Auch einige der Bakterien waren filamentös.
Zusammenfassend kann auf der Basis der Testergebnisse festgestellt werden, dass die Funktionsweise der erfindungsgemässen Biofilmvorrichtung zuverlässig ist. Durch die Vorrichtung können unter Produktionsbedingungen neue Informationen über die Struktur der Mikrobengemeinschaft und Menge der Mikroben, die sich an die Oberflächen anlagern, gewonnen werden. Diese Information kann verwendet werden, um betriebsfähigkeitsschädigende Mikroben zu bekämpfen und um die Reinigungsschritte der Produktionsmaschinen zu optimieren und zeitlich zu planen.

Claims

1. Vorrichtung zur Überwachung von Biofilm-bildenden Mikroben in industriellen Prozesswässern, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem zylindrischen, zu öffnenden Körper (1), der aus säurebeständigem Stahl oder einem anderen beständigen Material hergestellt ist; Probenplatten (2), die aus säurebeständigem Stahl oder einem anderen beständigen Material hergestellt sind, die in Bezug auf einander und auf den Fluss des Wassers symmetrisch im Innern des Körpers, parallel zu dessen Mittelachse, angeordnet sind; und Halter (4), die für das Montieren und Halten der Probenplatten (2) im Innern des Körpers (1) angeordnet sind; besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung weiter ein Ventil für das Öffnen, Schliessen und Regulieren des Durchstromes umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei sie mit dem Zirkulationswasser einer Mühle oder dem Nebenstrom eines Tankes oder beispielsweise mit einem Fluss, der von der Nasspartie einer Papier- oder Kartonmühle entnommen wurde, verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Durchfluss der Vorrichtung auf den Bereich von 0,5 bis 100 Liter/Min. eingestellt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Probenplatten für 1 bis 90 Tage in dem zu untersuchenden Fluss gehalten werden.