FI95480B - Menetelmä nesteissä kasvavan biomassan mittaamiseksi - Google Patents

Description

95480

MENETELMÄ NESTEISSÄ KASVAVAN BIOMASSAN MITTAAMISEKSI

Keksinnön kohteena on menetelmä nesteissä kasvavan biomassan mittaamiseksi, jossa menetelmässä tutkittavaan nesteeseen 5 sijoitetaan kasvualusta, jonka paksuutta mitataan paksuuden mittauslaitteella. Lisäksi keksinnön kohteena on laitteisto menetelmän soveltamiseksi.

Nesteissä olevat pieneliöt tarttuvat luonnon muodostamille 10 alustoille ja/tai keinotekoisille pinnoille. Pieneliöt muodostavat tarttuessaan pintoihin ravinteiden ja muiden epäpuhtauksien kanssa limamaisen kerroksen, jota kutsutaan biofilmiksi. Biofilmin syntyminen on siis merkkinä mikrobi-toiminnasta. Mikrobeista on haittaa erilaisissa teollisissa 15 prosesseissa ja siellä on tärkeää havaita biomassan mahdollinen olemassaolo. Esimerkiksi elintarvike- tai kemian teollisuudessa biofilmin muodostuminen prosessiputkistojen sisäpinnalle aiheuttaa tuotteen saastumista. Tällöin on hygienian kannalta tärkeää saada mahdollisimman nopeasti 20 tieto prosessissa olevista haitallisista biotoirainnoista. Samoin monessa muussa teollisessa prosessissa on tärkeää havannoida mahdollista biofilmin esiintymistä, sillä biofilmi saattaa irrotessaan aiheuttaa paljon haittaa tuotannolle. Tyypillinen kohde on paperikoneen märkä pää, josta irtoava 25 biofilmi saattaa aiheuttaa ratakatkoja, seisokkeja tai paperin laadun heikkenemistä. Eräänä epäkohtana on myös se, että biofilmi aiheuttaa korroosiota prosessilaitteissa.

Toisissa tapauksissa on tärkeää pystyä mittaamaan ja havan-30 noimaan biomassan kasvunopeus ja siinä tapahtuvat muutokset. Vesistöjen kunnon eräänä mittarina pidetään siinä esiintyvää biotoimintaa, mikä on sitä vilkkaampaa mitä rehevämpiä vesistöt ovat. Jätevesissä biotoiminta osoittaa myös pieneliöiden runsautta. Jätevesien käsittelyprosesseissa pieneli-35 öitä hyödynnetään antamalla niiden hajoittaa ravinteita.

Tällöin biotoiminta on prosessille hyödyksi.

2 95480

Nykyisin ei ole olemassa luotettavaa menetelmää biotoiminnan havaitsemiseksi ja mittaamiseksi jatkuvatoimisesti ja luotettavasti. Vesistöjen rehevöityneisyyden mittaamiseen on käytetty vesistöön upotettavia kappaleita, joiden pintaan 5 muodostuvaa kasvustoa on havannoitu nostamalla kappale ylös vedestä tietyn ajan kuluttua ja analysoimalla ja mittaamalla syntyneen kasvuston määrä. Tällaisia laitteistoja on esitetty esim. US-patentissa 5049492, WO-patenttihakemuksessa 93/01497 ja US-patentissa 4631961. Tällaiset menetelmät ovat 10 kertaluontoisia ja epäluotettavia, eivätkä ne sovellu käytettäviksi erilaisissa teollisuusprosesseissa prosessin jatkuvaan valvontaan.

On tunnettua käyttää erilaisia laitteita jätevesien biologi-15 sen puhdistuksen yhteydessä keräämään mikrobeja, mikro-organismeja tai vastaavia. Tällaisia laitteita on esitetty FI-patentissa 36594, US-patentissa 3485372 ja DE-patenttiha-kemuksessa 4117056. Laitteet on tarkoitettu pelkästään keräämään mikro-organismeja niiden puhdistamiseksi, eikä 20 julkaisuissa ole esitetty mitään biomassan mittaamismenetelmää tai -laitetta.

EP-patenttihakemuksessa 277789 on esitetty biomassan ka-pasitiivinen mittausmenetelmä, jossa biomassaa mitataan 25 bioreaktorissa ainakin yhden elektrodiparin avulla. US-patentissa 5246560 on puolestaan esitetty mittauslaite, jolla biofilmin aktiivisuutta määritetään elektrokemialli-sesti. Nämä laitteet ovat erikoislaitteita ja vaativat tietynlaiset järjestelyt.

30

Keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin menetelmä, jonka ·. avulla saadaan nesteissä kasvavan biomassan olemassaolo havaituksi ja sen määrä mitatuksi automaattisesti, yksinkertaisesti ja luotettavasti. Lisäksi keksinnön tarkoituksena 35 on tuoda esiin menetelmä, jota hyväksikäyttäen biotoiminnan voimakkuus saadaan mitatuksi jatkuvatoimisesti, mittaus tapahtuu nopeasti ja tutkimuspaikalla. Edelleen keksinnön • I Iti L liiti l i t *t '1 3 95480 tarkoituksena on tuoda esiin laitteisto, joka on edullinen valmistus- ja käyttökustannuksiltaan ja toimintavarma.

Keksinnön tarkoitus saavutetaan menetelmällä ja laitteistol-5 la, joille on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksissa .

Keksinnön mukaisessa menetelmässä tutkittavaan nesteeseen ainakin osittain nesteen pinnan alapuolelle sijoitetaan 10 lankamainen tai nauhamainen kasvualusta ja kasvualustaa kierrätetään nesteessä tukien varassa, kasvualustan paksuutta mitataan jatkuvasti paksuudenmittauslaitteella ja paksuutta verrataan puhtaan kasvualustan paksuuteen. Paksuuksien erotuksesta saadaan kasvualustalle kertyneen biofilmin 15 paksuus ja biomassan määrä lasketuksi nopeasti jo testaus-paikalla. Lisäksi menetelmällä pystytään seuraamaan biomassan kasvunopeutta ja siinä tapahtuvia muutoksia jatkuvatoi-misesti. Menetelmällä saadaan tutkituksi erilaisia nesteitä, kuten luonnonvesiä tai prosesseissa käytettäviä nesteitä, f 20 luotettavasti ja varmasti.

Keksinnön mukaista menetelmää soveltava laitteisto voidaan sijoittaa erilaisiin teollisuusprosesseihin, jäteveden puhdistamoihin tai luonnon vesiin. Mittauslaitteen antamien 25 tietojen perusteella voidaan automaattisesti teollisuusprosesseissa esim. annostella kemikaaleja, joiden avulla biomassan muodostuminen estetään tai tuotanto voidaan keskeyttää ja putkistot puhdistaa. Sijoittamalla keksinnön mukaisia mittauslaitteita vesistöihin saadaan reaaliaikaisia 30 tietoja vesien biotoiminnasta ja samalla niiden rehevöitymisestä. Biologisessa vadenpuhdistusproseesisea pystytään paremmin ohjaamaan ja säätämään esim. ilmastusta ja muita annostelulaitteita, kun menetelmällä saadaan reaaliaikaista tietoa prosessin tilasta.

Keksinnön edullisessa sovelluksessa paksuus mitataan optisella mittauslaitteella. Menetelmässä voidaan käyttää tar- 35 4 95480 koitukseen soveltuvaa tunnettua optista mittauslaittetta.

Keksinnön lisäsovelluksessa paksuus mitataan viivakameralla ja kuvauksen aikana kasvualustaa valaistaan yhdensuuntaiste-5 tulla valolla, jonka aallonpituus on näkyvän valon tai UV-valon alueella. Viivakamera on yksinkertainen, tähän tarkoitukseen soveltuva laite. Käytettäessä yhdensuuntaistettua valoa ei mitattavan kohteen välimatka vaikuta mittaustulokseen. Paras erottelukyky saavutetaan käyttämällä näkyvää 10 valoa tai UV-valoa.

Viivakameralla mitataan keksinnön mukaan edullisesti tutkittavassa nesteessä olleen kasvualustan muodostaman varjon leveyttä ja verrataan puhtaan kasvualustan muodostaman 15 varjon leveyteen. Näin saadaan itse kasvualustan paksuuden vaihtelu kompensoitua.

Keksinnön eräässä toisessa sovelluksessa kasvualustan paksuutta mitataan kuvaamalla kameralla ja vertaamalla paksuut-20 ta puhtaan kasvualustan paksuuteen.

Keksinnön muussa sovelluksessa paksuus mitataan radiometrisellä menetelmällä. Tällöin saadaan absoluuttinen massa mitatuksi suoraan. Eräänä vaihtoehtona on paksuuden mit-25 taaminen käyttäen kapasitiivista menetelmää, jossa käytetään differentiaalikapasitanssiperiaatetta. Tämä on edullinen ja yksinkertainen menetelmä. Lisäksi myös muita mahdollisia mittausmenetelmiä voidaan käyttää.

30 Keksinnön edullisessa sovelluksessa lankamainen tai nauhamainen kasvualusta sijoitetaan nesteen pinnan alapuolelle * tukien varaan ja kasvualustaa kierrätetään nesteessä. Kun kasvualustaa kierrätetään nesteessä, muodostuu sen pinnalle mahdollisesti biofilmi, joka saadaan jatkuvatoimisesti 35 mitatuksi paksuudenmittauslaitteella.

Keksinnön seuraavassa lisäsovelluksessa päättymätön lanka

Il lU-t ii.lt. I..-*.*» . . , 5 95480 tai nauha sijoitetaan osittain nesteen pinnan alapuolelle, kierrätetään nesteessä ja mitataan nesteestä tulevan langan tai nauhan paksuus ja nesteeseen menevän langan tai nauhan paksuus. Myös tällöin mittaukset saadaan tehdyksi ja tulok-5 set saadaan jatkuvasti halutuin välein.

Seuraavaksi keksintöä selvitetään tarkemmin viittaamalla oheiseen piirustukseen, joka esittää erästä laitteistoa keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseksi kaaviomaisesti 10 esitettynä ja sivulta katsottuna.

Piirustuksen mukaiseen laitteistoon kuuluu lankamainen kasvualusta 1, tuet ja paksuudenmittauslaite 2. Lankamainen kasvualusta 1 on tässä sovelluksessa päättymättömän langan 15 tapainen ja se on sijoitettu tukien 4 varaan. Tuet ovat tukirullia ja yhtä tai useampaa tukirullaa on järjestetty liikutettavaksi moottorin avulla. Paksuudenmittauslaitteena on viivakamera 2. Lisäksi langan toiselle puolelle on sijoitettu taustavalolähde 3, joka on tässä sovelluksessa järjes-20 tetty lähettämään yhdensuuntaistettua valoa, jonka aallonpituus on näkyvän valon tai UV-valon alueella. Laitteet on yhdistetty prosessoriin 5, joka ohjaa mittausta ja josta tiedot tulostetaan halutussa muodossa.

25 Laitteistoa käytettäessä se sijoitetaan nesteeseen siten, että alin tukirulla ja osa lankaa ovat nesteen pinnan alapuolella. Lankaa kierrätetään moottorin 6 avulla jatkuvasti näytevälein, esim. 50 mm tai enemmän tai vähemmän kerrallaan. Lankaa kierrätetään tässä tapauksessa vastapäivään, 30 jolloin lankaan kertyy nesteessä oloaikana mahdollisesti biofilmi ts. biomassaa. Langan nesteessä oloaikaa voidaan säädellä langan pituudella ja prosessorin avulla ja koko-naiskiertoaika voi olla esim. 1-30 vuorokautta.

35 Taustavalolla valaistaan kuvauksen ajaksi kohdetta ja viiva-kameralla saadaan videosignaalijuova prosessoitavaksi sig-naalinkäsittelyprosessorille. Videosignaalista on erotetta- 6 95480 vissa kaksi erillistä havaintokohtaa; toinen mittauslangasta ja toinen puhtaasta langasta. Kun videosignaalista lasketaan biomassaisen, nesteessä olleen mittauslangan paksuuden ja puhtaan vertailulangan paksuuden erotus, saadaan biomassan 5 määrä. Tarpeen mukaan lanka voidaan värjätä tai käsitellä sopivalla tavalla ennen mittausta. Biomassan kertymä on verrannollinen erotukseen ja voidaan laskea tarkoitukseen soveltuvalla kaavalla.

10 Tietoja muokataan tarvittavalla tavalla riippuen siitä, onko kyseessä online-vedenkäsittely vai luonnonvesien tai erilaisten prosessinesteiden biomassakertymämittaus. Kierroksen jälkeen lanka puhdistetaan jatkuvasti ennen syöttämistä uudelleen kiertoon.

15

Keksinnön toisessa sovelluksessa laitteisto sijoitetaan siten, että se on kokonaan nesteen pinnan alapuolella. Laite voidaan sijoittaa joko vaakasuoraan, pystysuoraan tai vinoon asentoon. Langan sijasta voidaan laitteistossa käyttää 20 joissakin tapauksissa nauhamaista kasvualustaa.

Keksinnön kolmannessa sovelluksessa lanka tai nauha ei ole päättymätön ja se syötetään rullalta tai vastaavalta kiertoon ja likaantunut lanka tai nauha poistetaan. Etuna on se, 25 ettei lankaa tai nauhaa tarvitse puhdistaa ja se on varmasti puhdas, kun se johdetaan nesteeseen.

Keksintöä ei rajata esitettyyn edulliseen sovellukseen, vaan se voi vaihdella patenttivaatimuksien muodostaman keksinnöl-30 lisen ajatuksen puitteissa. Esim. paksuudenmittauslaitteis-tona voidaan käyttää muita tarkoitukseen soveltuvia laitteistoja.

il . ia,l· uin i I t **i <

Claims (9)

95480

1. Ett förfarande för mätning av en i vätskor växande bio massa, i vilket förfarande i vätskan att undersökas placeras ett odlingssubstrat (1), vars tjocklek mäts med en tjock-leksmätningsapparat (2), kännetecknat av, att i vätskan att undersökas placeras ätminstone delvis under 25 vätskans yta ett trädliknande eller ett bandliknande od-* lingssubstrat och att odlingssubstratet cirkuleras i vätskan stödd pä stöd (4), odlingssubstratets tjocklek mäts kon-tinuerligt med en tjockleksmätningsapparat (2) och tjockle-ken jämförs med tjockleken hos ett rent odlingssubstrat. 30

1. Menetelmä nesteissä kasvavan biomassan mittaamiseksi, jossa menetelmässä tutkittavaan nesteeseen sijoitetaan 5 kasvualusta (1), jonka paksuutta mitataan paksuudenmittaus-laitteella (2), tunnettu siitä, että tutkittavaan nesteeseen ainakin osittain nesteen pinnan alapuolelle sijoitetaan lankamainen tai nauhamainen kasvualusta (1) ja kasvualustaa kierrätetään nesteessä tukien (4) varassa, 10 kasvualustan paksuutta mitataan jatkuvasti paksuudenmittaus-laitteella (2) ja paksuutta verrataan puhtaan kasvualustan paksuuteen.

2. Ett förfarande enligt patentkrav 1, känneteck-1' n a t av, att tjockleken mäts med ett optiskt mätnings- anordningssystem.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-15 t u siitä, että paksuus mitataan optisella mittauslaitteistolla.

3. Ett förfarande enligt patentkrav 2, känneteck nat av, att tjockleken mäts med en linjekamera (2), och att under fotograferingen belyses odlingssubstratet (1) med 95480 parallellställt ljus (3), vars väglängd är pä omrädet för synligt ljus eller UV-ljus.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että paksuus mitataan viivakameralla (2) , ja 20 että kuvauksen aikana kasvualustaa (1) valaistaan yhdensuuntaistetulla valolla (3), jonka aallonpituus on näkyvän valon tai UV-valon alueella.

4. Ett förfarande enligt patentkrav 3, känneteck-5 n a t av, att med linjekameran (2) mäts bredden pä skuggan bildad av det i vätskan att undersökas befintliga odlings-substratet och jämförs med bredden pä skuggan bildad av det rena odlingssubstratet.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnet-25 t u siitä, että viivakameralla (2) mitataan tutkittavassa 1 nesteessä olleen kasvualustan muodostaman varjon leveyttä ja verrataan puhtaan kasvualustan muodostaman varjon leveyteen.

5. Ett förfarande enligt patentkraven 2, kanne- tecknat av, att odlingssubstratets tjocklek mäts genom att fotografera med kameran och genom att jämföra tjockleken med det rena odlingssubstratets tjocklek.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnet-30 t u siitä, että kasvualustan paksuus mitataan kuvaamalla kameralla ja vertaamalla paksuutta puhtaan kasvualustan paksuuteen.

6. Ett förfarande enligt patentkrav l, känneteck- n a t av, att tjockleken mäts med en radiometrisk metod.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-35 t u siitä, että paksuus mitataan radiometrisellä menetelmällä. 95480

7. Ett förfarande enligt patentkrav 1, känneteck-n a t av, att tjockleken mäts med ett kapacitivt förfaran- ·’: 20 de.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että paksuus mitataan kapasitiivisella menetelmällä.

8. Ett förfarande enligt nägot av patentkraven 1-7, kännetecknat av, att det trädliknande eller bandliknande odlingssubstratet (1) cirkuleras i vätskan och 25 tjockleken mäts hos det ur vätskan utkommande odlingssub-·’ stratet och det in i vätskan ingäende odlingssubstratet.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lankamaista tai nauhamaista kasvualustaa (1) kierrätetään nesteessä ja mitataan nesteestä tulevan kasvualustan paksuus ja nesteeseen menevän kasvualustan paksuus. 10

9. Laitteisto patenttivaatimuksen 1 mukaisen menetelmän soveltamiseksi, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu tuet (4), joiden varaan nauhamainen tai lankamainen kasvualusta (1) asetetaan ainakin osittain nesteeseen, ja 15 paksuudenmittauslaite (2) nauhan tai langan paksuuden mittaamiseksi .

9. Ett anordningssystem för tillämpande av förfarandet enligt patentkrav l, kännetecknat av, att tili 30 anordningssystemet hör stöd (4), stödd pä vilka det bandliknande eller trädliknandeodlingssubstratet (1) placeras *! ätminstone delvis i vätska, och den tjockleksmätningsapparat (2) för mätande av tjockleken hos bandet eller träden.