MONITOR DE BIOINCRUSTACION Y MÉTODOS PARA VERIFICAR O DETECTAR LA BIOINCRUSTACION
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención está relacionada con la bioincrustación de varios sistemas que contienen soluciones acuosas y más particularmente está relacionada con monitores para detectar o registrar la bioincrustación y métodos para verificar o detectar la bioincrustación. La incrustación biológica en superficies es un problema económico severo en muchos procesos acuosos comerciales e industriales y en sistemas de manejo de agua. La incrustación es provocada por una biomasa que es la acumulación de microorganismos y/o las sustancias extracelulares por tierra o mugre que se atrapa en la biomasa. Las bacterias, hongos, levaduras, diátomos y protozoarios son solamente algunos de los organismos que provocan la acumulación de biomasa. Si no se controla, la bioincrustación provocada por estos organismos puede interferir con operaciones de proceso, disminuir la eficiencia de procesos, consumo energía, y reducir la calidad del producto. Los sistemas de enfriamiento de agua utilizados en las plantas generadoras de energía, refinerías, plantas de químicos, sistemas de aire acondicionado y otras operaciones comerciales e industriales muy frecuentemente se enfrentan a problemas de biopelículas . La biopelícula es la acumulación de capas de organismos. Los sistemas de enfriamiento de agua comúnmente se contaminan con organismos del aire que entran en el aire/agua que está en contacto con las torres de enfriamiento al igual que organismos acuáticos de los sistemas que comprenden el suministro de agua. El agua en tales sistemas es generalmente un medio de crecimiento excelente para estos organismos. Si no se controla, la bioincrustación de biopeliculas que resulta de tal crecimiento puede tapar las torres, bloquear las tuberías y revestir las superficies de transferencia de calor con capas de moho, y con esto evitar la operación adecuada y reducir la eficiencia del equipo. Los procesos industriales sujetos a problemas con bioincrustación incluyen aquellos utilizados para la fabricación de pulpa, papel, cartón y textiles, particularmente telas no tejidas colocadas en agua. Por ejemplo, las máquinas de papel manejan volúmenes muy grandes de agua en sistemas de recirculación llamados "sistemas de agua blanca". El agua blanca contiene una dispersión de pulpa. La materia prima de una máquina de papel típicamente contiene solo aproximadamente 0.5% de sólidos para hacer papel fibroso y no fibroso, lo cual significa que por cada tonelada de papel, aproximadamente 200 toneladas de agua pasan a través de la máquina de papel, la mayoría siendo recirculada en el sistema de agua blanca. Estos sistemas de agua proporcionan un medio de crecimiento excelente para los microorganismos, lo cual puede dar como resultado la formación de moho microbiano en cajas principa Les, tuberías de agua y equipo para hacer papel. Tales masas de moho no solamente interfieren con el agua y los flujos de caldo, sino que cuando se desprenden, pueden provocar manchas u orificios en el papel al igual que rompimientos de trama que provocan interrupciones costosas en las operaciones de la máquina de papel. El control de actividad microbiana ha sido tradicionalmente el campo de acción de los químicos tóxicos. Las Patentes Norteamericanas Nos. 3,959,328, 4,054,542 y 4,285,765 son ilustrativas de los métodos que se basan en matar los microorganismos no deseables con químicos tóxicos. Tal método de raspado recibió la mayoría de los esfuerzos de investigación debido a la lógica de eliminar el problema eliminando el organismos no deseado y debido al gran número de químicos orgánicos e inorgánicos disponibles que matan microorganismos. Varios intentos para controlar los efectos negativos de la actividad biológica ya sea que eviten el uso de químicos tóxicos o que mitiguen su uso o que impacten en el ambiente. Por ejemplo, las Patentes Norteamericanas Nos. 3,773,623 y 3,824,184 ambas de Hatcher et al., están relacionadas con el uso de la enzima hidrolaza levan para controlar la formación de moho bacteriano en sistemas de agua industriales . Mientras que se hacen esfuerzos continuamente para controlar o evitar la bioincrustación, los sistemas de agua, especialmente los sistemas de agua industriales, aún necesitan apagarse para limpiar o remover la bioincrustación que se ha acumulado y que no se ha prevenido por la introducción de composiciones de control de bioincrustación. Aunque la introducción de composiciones microbicidas o anti-incrustación reduce el número de veces que un sistema debe apagarse para la limpieza, sería benéfico tener un sistema de verificación de bioincrustación que permita que los usuarios determinen cuando la bioincrustación ha alcanzado niveles que requieran un apagado y limpieza. De otra manera, si los usuarios de los sistemas de agua no están conscientes de la acumulación de la bioincrustación, tal bioincrustación puede dar como resultado productos de baja calidad como papel con manchas u orificios o aún más grave como el taponamiento de varias líneas utilizadas para suministrar el caldo de administración al sistema de agua. De este modo, es más preferido tener un sistema de aviso temprano que informe a los usuarios de los sistemas de agua de una situación de bioincrustación potencial que necesita la corrección ya sea por la introducción de más químicos o un apagado. Si los usuarios de los sistemas de agua saben por anticipado que es necesario un apagado, entonces se pueden hacer planes con anticipación para terminar por ejemplo, un lote de papel o incrementar la cantidad de químicos en el sistema de agua para evitar productos de baja calidad o daño al equipo en los sistemas de agua. Una característica de la presente invención es proporcionar un monitor de bioincrustación y métodos para detectar o verificar la bioincrustación. Otra característica de la presente invención es proporcionar un sistema de monitor de bioincrustación que detecte o verifique la bioincrustación con anticipación para poder tomar medidas correctivas. Otras características y ventajas de la presente invención se establecen en parte en la siguiente descripción, y en parte serán aparentes a partir de la descripción, o podrán aprenderse por la práctica de la presente invención. Los objetos y otras ventajas de la presente invención se llevaran a cabo y se podrán obtener mediante la descripción particularmente establecida en la descripción escrita y las reivindicaciones anexas. Para lograr estas y otras ventajas y de acuerdo con los propósitos de la presente invención, como se ejemplifican y ampliamente se describen en la presente, la presente invención está relacionada con un monitor de bioincrustación que tiene una columna que tiene una entrada y una salida. El monitor tiene una línea de alimentación de nutrientes de microorganismos localizada corriente arriba de la entrada y también tiene un primer sensor de presión localizado corriente arriba de la entrada para medir la presión de flujo y un segundo sensor de presión localizado corriente abajo de la salida para medir la presión de flujo. La presente invención además está relacionada con un monitor de bioincrustación que tiene los componentes anteriores, principalmente la columna, la línea de alimentación de nutrientes de microorganismos y sensores de presión, al igual que un sistema de recirculación conectado a la entreida. Esta recirculación está localizada corriente abajo de la línea de alimentación y también está conectada a la salida para mantener una alimentación de presión a través de la columna. En esta modalidad, el monitor de bioincrustación también tiene un material de empaque inerte localizado en la columna. La cantidad de material de empaque inerte en la columna está presente en una cantidad para aún permitir del paso del material que contienen líquido a través de la columna. Además, la presente invención está relacionada con un método para verificar o detectar la bioincrustación con anticipación en una solución acuosa. El método incluye pasar por lo menos una porción de la solución acuosa a través de una columna que tiene una entrada y una salida. La solución acuosa generalmente pasa a través de la columna continuamente. Se introduce un nutriente de microorganismos en una porción de la solución acuosa en un punto corriente arriba de la entrada. La presión de flujo de la porción de la 5 solución acuosa que pasa a través de la columna se mide en un primer punto antes de la entrada y en un segundo punto después de la entrada continua o no continua, y se determina el diferencial de presión con base en estas medidas. De estas medidas de diferencial de presión, la cantidad de
bioincrustación que ocurre puede verificarse y diagramarse y se puede hacer una determinación ya sea si está ocurriendo la bioincrustación o si existe bioincrustación de manera incrementada en el sistema acuoso. Los nutrientes de microorganismos que están siendo alimentados en la solución
antes de la entrada sirven como una manera para activar la bioincrustación del sistema acuoso y de este modo sirven como un mecanismo de alerta temprano ya que tal activación de la bioincrustación sirve como un predictor de la bioincrustación que ocurrirá en el sistema acuoso general. 20 Se deberá entender que tanto en la descripción general anterior como la siguiente descripción detallada son ejemplares y explicativas solamente y pretenden proporcionar explicación adicional de la presente invención, como se reclama . 25 Los dibujos anexos, que se incorporan y constituyen
ßMß^ parte de esta solicitud, ilustran varias modalidades de la presente invención y junto con la descripción, sirven para explicar los principios de algunas de las modalidades de la presente . BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un dibujo esquemático de una modalidad del monitor de bioincrustación de la presente invención . La Figura 2 es un dibujo esquemático de otra modalidad del monitor de bioincrustación de la presente invención . Las Figuras 3-6 son gráficas que representan el registro de presión sobre tiempo del Ejemplo, mostrando una acumulación de bioincrustación que sirve como una predicción temprana de la bioincrustación que ocurrirá en todo el sistema acuoso. La Figura 7 es una fotografía de una modalidad de un monitor de bioincrustación autocontenido de la presente invención . La presente invención está relacionada con un monitor de bioincrustación y un método para detectar o verificar la bioincrustación en un sistema acuoso tal como un sistema de agua. Para los propósitos de la presente aplicación, los sistemas acuosos o de agua pueden ser cualquier sistema que incluya sistemas de agua industriales.
Ejemplos de sistemas de agua o sistemas acuosos incluyen, pero no se limitan a, sistemas de agua utilizados en los procesos para fabricar papel, torres de enfriamiento, y fluidos para el trabajo del metal. Estos diferentes sistemas generalmente tienen superficies que son susceptibles a la bioincrustación tales como superficies de transferencia de calor, tubería, cajas principales y equipos para fabricar papel, y tanques de almacenamiento de líquido y recipientes de reacción. Para propósitos de la presente invención, la bioincrustación hace referencia a la incrustación provocada por la biomasa que es la acumulación de microorganismos y/o sustancias extracelulares y por tierra o mugre que se atrapa en la biomasa. Las bacterias, hongos, levaduras, diátomos, protozoarios, combinaciones de los mismos y otros microorganismos son solo algunos de los microorganismos que pueden provocar la acumulación de una biomasa. Con respecto al monitor de bioincrustación de la presente invención, el monitor de bioincrustación tiene por lo menos una columna que tiene una entrada y una salida. El monitor también tiene una línea de alimentación de nutrientes de microorganismo localizada corriente arriba de la entrada de la columna. Además, el monitor de bioincrustación tiene un primer sensor de presión que está localizado corriente arriba de la entrada para medir una primera presión de flujo y un segundo sensor de presión localizado corriente abajo de la salida de la columna para medir una segunda presión de flujo. La columna que tiene una entrada y una salida puede ser cualquier tipo de columna que sea hueca y permite el flujo de un material de tipo acuoso a través del interior de la columna. La columna puede tener cualquier configuración y tamaño. Por ejemplo, la columna puede ser circular, cuadrada, rectangular, triangular, o cualquier otra forma geométrica mientras que esté hueca y permita el paso del material tipo acuoso. Preferiblemente, la columna es circular. Además, la longitud de la columna puede ser cualquiera. Por ejemplo, la columna puede ser desde aproximadamente 2 cm a aproximadamente 200 cm. Preferiblemente, la longitud de la columna es de aproximadamente 5 cm a aproximadamente 100 cm, de mayor preferencia de aproximadamente 5 cm a aproximadamente 30 cm, y de mayor preferencia desde aproximadamente 15 cm hasta aproximadamente 25 cm. También, la columna puede tener cualquier diámetro interior o área en corte transversal interna. De preferencia, este diámetro o área en corte transversal interno es de aproximadamente 0.1 cm2 a aproximadamente 100 cm2, o de mayor preferencia de aproximadamente 0.2 cm2 a aproximadamente 20 cm2, y de mayor preferencia desde aproximadamente 1 cm2 a aproximadamente 3 cm2. Idealmente, la longitud y el diámetro o el área en corte transversal es tal que una pequeña bomba puede mantener una presión a través de una columna y por lo tanto mayores diámetros o áreas en corte transversal y mayores longitudes de columna requerirán velocidades de flujo volumétricas más altas, las cuales no se prefieren, si se prefiere o necesita una unidad de verificación móvil autocontenida. La columna puede estar hecha de cualquier material no corrosivo tal como plástico, vidrio, material de cerámica como cuentecillas de vidrio de borosilicato, o un metal que no sea corrosivo tal como acero inoxidable. Ciertamente, otros materiales no corrosivos también pueden utilizarse. Generalmente, el espesor de la pared de la columna como se mide por la mitad de la diferencia entre el diámetro exterior y el diámetro interior deberá ser suficiente para evitar la ruptura en vista de la presión del líquido que pasa a través de la columna. De preferencia, el espesor deberá ser de aproximadamente 0.1 cm a aproximadamente 1 cm y de mayor preferencia de aproximadamente 0.2 cm a aproximadamente 0.5 cm. Generalmente, aunque no es necesario, se prefiere que la columna tenga el mismo diámetro o área en corte transversal a través de toda la columna. Además, el diámetro interior o área en corte transversal de la entrada y la salida son de preferencia iguales para poder mantener una velocidad de flujo uniforme a través de la columna. Con respecto a la línea de alimentación de nutrientes de microorganismos, que se localiza corriente arriba de la entrada de la columna, cualquier nutriente que promueva el crecimiento de microorganismos puede utilizarse. Por ejemplo, la alimentación de nutrientes de microorganismos puede ser una formulación de glucosa que contenga agua y glucosa. De preferencia, glucosa u otra alimentación de nutrientes está presente a una concentración de aproximadamente 0.5 ppm a aproximadamente 1000 ppm, de mayor preferencia de 5 ppm a aproximadamente 500 ppm y de mayor preferencia de 10 ppm a aproximadamente 200 ppm. Se pueden utilizar otras velocidades de alimentación dependiendo del sistema específico que está siendo utilizado. Generalmente, la alimentación del nutriente de microorganismo está presente en un tanque de retención en donde la alimentación de nutrientes es alimentada por una bomba a la línea que contiene la solución acuosa que está siendo alimentada en la entrada de la columna. La cantidad de alimentación de nutriente de microorganismo que es introducida en el sistema de verificación generalmente es una cantidad suficiente para promover el crecimiento de por lo menos un microorganismo en o sobre las superficies de la columna o cualquier material inerte que pueda localizarse en la columna. El propósito de la alimentación de nutriente de microorganismo es crear un ambiente óptimo para el crecimiento de microorganismos en una base controlada. Al promover tal crecimiento controlado, la bioincrustación ocurrirá a una velocidad más rápida en la columna en comparación con la velocidad de bioincrustación general que ocurre en el sistema de agua general. Al 5 verificar este crecimiento controlado de microorganismos y por lo tanto microincrustación controlada, se puede hacer una predicción con respecto a la bioincrustación que ocurrirá en el sistema de agua o acuoso general que está sujeto a la bioincrustación. Por consiguiente, el sistema de verificación
de bioincrustación de la presente invención puede establecerse para tener un sistema de alerta temprana que puede predecir de manera exacta la bioincrustación que deberá ocurrir en el sistema acuoso o el sistema de agua general. Si grandes cantidades de nutriente de microorganismo se
alimentan en el sistema de verificación, entonces la bioincrustación ocurrirá mucho más rápido en el sistema de verificación que en el sistema acuoso general que está siendo verificado. Si se alimentan pequeñas cantidades de nutriente de microorganismo al sistema de verificación, entonces se
logrará un crecimiento menos avanzado ya que la acumulación de microincrustación será solo ligeramente más rápida que la acumulación de bioincrustación general en el sistema de agua. Para propósitos de la presente invención, cada sistema de agua o acuoso que está siendo verificado tendrá un período de
orientación para determinar el tipo de aviso avanzado deseado
¡düNM^HMluii- y una determinación también será necesaria con respecto a la correlación de la acumulación de la bioincrustación en la columna con la bioincrustación actual que ocurre en el sistema acuoso. De este modo, cuando se utiliza el monitor de 5 bioincrustación por primera vez en un sistema acuoso, se recomienda que el sistema acuoso sea limpiado o apagado para la remoción de bioincrustación y enseguida cuando el sistema acuoso sea reiniciado, el monitor de bioincrustación puede obtener una lectura exacta de la bioincrustación que está
ocurriendo en el sistema acuoso contra la acumulación de bioincrustación en el sistema de verificación. Una vez que se determina la correlación entre la bioincrustación actual que ocurre en el sistema acuoso y la bioincrustación avanzada que ocurre en la columna, el usuario del sistema de verificación
puede entonces apreciar el tipo de aviso de avance siendo proporcionado por el sistema de verificación y podrá tomarse la decisión de incrementar el aviso avanzado o disminuir el aviso avanzado con base en la cantidad de nutriente de microorganismo que está siendo alimentado en la columna.
Otros factores que pueden controlar la cantidad de bioincrustación que ocurre en la columna son el tamaño y configuración del material de empaque, la velocidad de flujo de recirculación a través de la columna y la cantidad de solución acuosa del sistema acuoso que entra de la válvula de
entrada. En otras palabras, si se está usando un sistema de
«HÜ-^MttMIlhfclte recirculación, mientras más fino el material de empaque o más recirculación de la solución acuosa existente en el sistema de verificación, o más solución acuosa siendo introducida del sistema acuoso, más rápido ocurrirá la respuesta a la acumulación de la bioincrustación. Con respecto a los sensores de presión, se localizan por lo menos dos sensores de presión en el sistema de verificación. El primer sensor de presión está localizado en la entrada de la columna para verificar la presión de la solución acuosa que entra en la columna y un segundo sensor de presión se localiza en la salida o cerca de la salida de la columna para verificar la presión de la solución acuosa que sale de la columna. Estas dos lecturas de presión pueden entonces compararse para verificar cualquier baja de presión que pueda ocurrir. Al verificar la diferencia de presión entre los dos sensores, y diagramar estas medidas, un patrón de diferenciales de presión cambiante puede verse, el cual representa la acumulación de bioincrustación. En otras palabras, a medida que incrementa la diferencia en presión, incrementa la acumulación de bioincrustación en la columna ya que la acumulación de bioincrustación está incrementando la resistencia del flujo de la solución acuosa a través de la columna y de este modo incrementa la presión en la entrada de la columna con relación a la salida de la columna. Al verificar el diferencial de presión con base en estas lecturas de sensor de presión, se puede ver un entendimiento claro de la acumulación de bioincrustación en todo el sistema acuoso. Los sensores de presión que pueden utilizarse en la presente invención pueden ser cualquier tipo de sensor de presión capaz de registrar presiones de flujo de agua tales como transductores electromecánicos. Típicamente, la presión de la solución acuosa que entra en la entrada de la columna puede ser cualquier presión que pueda ajustar utilizando por lo menos una bomba en el sistema para verificación. Típicamente, la presión, si no se utiliza un sistema de recirculación, será de aproximadamente 0.1 mbar a aproximadamente 1000 mbar y de mayor preferencia de aproximadamente 1 mbar a aproximadamente 100 mbar. Otra velocidad de presión puede utilizarse dependiendo del sistema acuoso específico que está siendo verificado. En una modalidad preferida de la presente invención, se utiliza un sistema de recirculación. El sistema de recirculación esencialmente recircula la solución acuosa pasando a través de la columna. Este sistema de recirculación tiene por lo menos dos propósitos, primero, el sistema de recirculación permite un incremento y una presión más alta sostenida de la solución acuosa a través de la columna que pueden ajustarse dependiendo de la necesidad del sistema de verificación especifico. El segundo propósito del sistema de recirculación, como se mencionó anteriormente, es recircular la solución acuosa a través de la columna con esto evitando la introducción de grandes volúmenes de solución acuosa fresca del sistema acuoso general que de otra manera serían necesarios para sostener la presión necesaria. La introducción de grandes volúmenes de solución acuosa fresca introduce mugre suspendida que puede tapar la columna y además, puede deshacerse de los microorganismos antes de que puedan multiplicarse y provocar la bioincrustación. Típicamente, el sistema de recirculación tendrá un punto de entrada antes de la entrada de la columna y corriente arriba de la línea de alimentación de nutrientes de microorganismos y tendrá un punto de salida después de la salida de la columna. Como se indicó, el sistema de recirculación puede crear cualquier tipo de presión de agua a través de la columna tal como de aproximadamente 0.1 mbar a aproximadamente 1000 mbar, de mayor preferencia de aproximadamente 0.5 mbar a aproximadamente 200 mbar, y de mayor preferencia de aproximadamente 1 mbar a aproximadamente 100 mbar. Se puede utilizar cualquier bomba que pueda sostener las presiones tal como una bomba peristáltica. Además, aunque se está utilizando un sistema de recirculación, el sistema de verificación general aún permite la salida de por lo menos una porción de la solución acuosa que sale de la salida de la columna. Esta salida de por lo menos una porción de la solución acuosa permitirá la introducción de solución acuosa fresca del sistema acuoso general para poder mantener una representación exacta del agua que fluye a través del sistema acuoso general para proporcionar una indicación de bioincrustación más exacta. La cantidad de la solución acuosa que sale del sistema de verificación general a un tanque de retención o corriente abajo del punto de entrada es de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 2000 ml/min. Por consiguiente, la introducción de solución acuosa fresca en el sistema de verificación ocurre con el uso de una línea de reposición que bombea una solución acuosa adicional dentro del sistema de verificación en un punto antes o después del punto de entrada de recirculación . La cantidad de solución acuosa fresca que entra en el sistema de verificación teniendo un sistema de recirculación puede ser cualquier cantidad desde aproximadamente 0.1 ml/min a aproximadamente 2000 ml/min, de mayor preferencia de aproximadamente 0.5 ml/min, hasta aproximadamente 10 ml/min, y de mayor preferencia de aproximadamente 1 ml/min a aproximadamente 3 ml/min. Otra opción de la presente invención que se prefiere, es incluir un material de empaque inerte dentro de la columna. La cantidad de este material de empaque inerte no debe exceder una cantidad que evite el paso de cualquier material que contiene líquido a través de la columna. Mientras que se puede utilizar cualquier material de empaque inerte, pueden incluir como ejemplos, pero no se limitan a, roca, vidrio, material no corrosivo, material de cerámica, o una combinación de los mismos. Un material de empaque inerte preferido es por lo menos una bola de acero inoxidable. La cantidad de material de empaque inerte depende del tamaño del interior de la columna al igual que la cantidad de área de superficie que el usuario desea crear en un ambiente para la acumulación de bioincrustación. La Figura 1 muestra una vista esquemática de una modalidad de la presente invención. En esta Figura, se localiza una columna 51 de incrustación entre un sensor 53 de presión de entrada y un sensor 54 de presión de salida. Una bomba 52 de recirculación se localiza de tal modo que una solución acuosa que contiene nutrientes de microorganismo recircula a través de la columna 51. Una bomba 55 de reposición bombea hacia adentro solución acuosa fresca del sistema acuoso (por medio de la entrada 60) que será introducida con la solución acuosa recirculada como se muestra en la Figura 1. Una bomba 56 de nutriente bombea nutriente de microorganismos desde el depósito 57 de nutrientes, y este nutriente entra en la columna como se muestra en la Figura 1. Una cantidad de solución acuosa usada que contiene nutrientes sale del sistema de columna en un punto A y vuelve a entrar en el sistema acuoso en un punto corriente abajo de la entrada, por medio de la corriente 59 de salida. Una válvula 58 de cuatro vías puede utilizarse como se muestra en la Figura 1 para permitir una red de desviación si es que es necesaria. Otra modalidad de la presente invención implica un segundo sistema de verificación de bioincrustación que puede correr en paralelo con el primer sistema de verificación. De este modo, se puede utilizar una segunda columna que tiene una entrada y una salida con una línea de alimentación de nutrientes de microorganismo opcional localizada corriente arriba de la entrada de la segunda columna. Esta segunda columna al igual que la primera columna descrita anteriormente también tendrá por lo menos dos sensores de presión y opcionalmente un segundo sistema de recirculación. También, se puede incluir material de empaque inerte dentro de la columna. El segundo sistema de verificación de bioincrustación puede servir para una variedad de propósitos. Primero, el sistema de verificación de bioincrustación puede simplemente ser un control que simplemente pasa solución acuosa del sistema acuoso a través de la columna sin que se alimente ningún micronutriente . Alternativamente, el segundo sistema de verificación puede utilizarse como una revisión sobre el primer sistema de verificación para obtener un promedio exacto de la bioincrustación avanzada que está ocurriendo si se utilizan líneas de alimentación de nutrientes en ambos sistemas de verificación.
La Figura 2 muestra una modalidad de un sistema de dos columnas. La primera columna y su conexión es la misma que se describió con respecto a la Figura 1 y los números representan las mismas partes y su posición. Además de esta conexión, como se ilustra en la Figura 2, se localiza una segunda columna 63 entre el sensor 62 de presión de entrada y el sensor 61 de presión de salida. Una segunda bomba 64 de recirculación se localiza como se muestra en la Figura 2 para recircular solución acuosa que puede opcionalmente contener nutrientes o puede simplemente recircular la misma cantidad de solución acuosa como la bomba 52 de recirculación para poder mantener un control exacto. Una bomba 65 de reposición se localiza para introducir solución acuosa fresca. A y A' representa los puntos donde la solución acuosa sale de los sistemas de columna para ser reintroducida dentro del sistema acuoso como se describió anteriormente. En vista de lo anterior, la presente invención además está relacionada con un método para verificar o detectar bioincrustación con anticipación en un sistema acuoso. íste método implica el uso de uno o más sistemas de verificación de bioincrustación como se describió anteriormente. Con detalle, el método para verificar o detectar la bioincrustación anticipadamente implica pasar por lo menos una porción de la solución acuosa sobre una base continua a través de la columna teniendo una entrada y una salida. El método además implica introducir un nutriente de microorganismos dentro de la solución acuosa que pasará a través de la columna en un punto corriente arriba de la entrada de la columna. El método también implica medir las 5 presiones de flujo a través de la columna en la entrada y en la salida sobre una base continua o no continua. El diferencial de presión con base en estas medidas puede entonces determinarse, y se puede hacer una correlación para determinar la bioincrustación por anticipado que ocurrirá en
el sistema acuoso general. Para proporcionar adicionalmente un ambiente para utilizar la acumulación de bioincrustación en la columna, se pueden utilizar unidades de calentamiento para mantener una temperatura de la solución acuosa que pasa a través de la
columna a una temperatura suficiente para promover el crecimiento de microorganismos. Típicamente, la temperatura de la solución acuosa que pasa a través de la columna es preferiblemente de aproximadamente 26.66°C (80°F) a aproximadamente 60°C (140°F), y de mayor preferencia de
aproximadamente 32.22°C (90°F) a aproximadamente 37.77°C (100°F) . Las unidades de calentamiento utilizadas pueden ser cualquier unidad de calentamiento capaz de mantener una temperatura deseada de las soluciones acuosas. Tales unidades incluyen pero no se limitan a mantos o bandas de
calentamiento.
«*-*" """** **~*** • Para propósitos de la presente invención, las diferentes partes del monitor de bioincrustación de la presente invención pueden conectarse entre sí por cualquier tipo de red de tuberías tales como tubos flexibles o rígidos de PVC u otra tubería convencional. La manera de conectar varias p,artes de la presente invención con la red de tubería es la misma que cualquier tipo de conexión para una red de tuberías . Una ventaja en la presente invención es que el monitor de bioincrustación puede ser una unidad autocontenida que es extremadamente móvil y de este modo puede llevarse a varios sitios para verificar la acumulación de bioincrustación. La Figura 7 muestra una representación de tal unidad de verificación autocontenida que en esta modalidad tiene un tamaño de 55.88 cm a x 45.72 cm d x 76.2 cm a (22" x 18"d x 30"h) y un peso aproximado de 45.359 kg (100 lbs) . En la Figura 7 se muestra una unidad 75 de verificación de bioincrustación autocontenida. La unidad 75 tiene registros 66 de datos, un depósito 67 de nutriente, una bomba 68 de alimentación de nutriente, una o dos columnas 69 de incrustación (se muestran dos aunque se puede utilizar solo una) , un panel 70 de control de temperatura para controlar la temperatura de la solución acuosa que pasa a través de la o las columnas, controladores 71 de velocidad de bomba, calibradores 72 de presión, bombas 73 de reposición y una bomba 74 de recirculación. Con respecto al uso y ventajas de la introducción de por lo menos un nutriente de microorganismo en un sistema de monitor de bioincrustación, otra modalidad de la presente invención está relacionada con un método para detectar la bioincrustación con anticipación o sobre una base expedida. El método implica por lo menos el paso de introducir por lo menos un nutriente de microorganismo como se describió anteriormente en por lo menos una porción de una solución acuosa que pasa a través de un sistema de monitor de bioincrustación. Típicamente, el nutriente de microorganismo será introducido antes de un punto en donde cualquier verificación de cualquier bioincrustación está sucediendo. También, de preferencia, la solución acuosa en la cual está siendo introducido por lo menos un nutriente de microorganismo, tendrá un ambiente suficiente para que el crecimiento de microorganismo promueva la bioincrustación. El sistema de monitor de bioincrustación para esta modalidad puede ser cualquier sistema de monitor de bioincrustación. Otra modalidad de la presente invención está relacionada con un método para controlar el índice de bioincrustación que ocurre en un sistema de bioincrustación que implica introducir por lo menos un nutriente de microorganismo como se describió anteriormente, en una muestra de prueba. La muestra de prueba típicamente es una muestra de la solución acuosa o una muestra acuosa que se utiliza en los sistemas de manejo de agua y procesos acuosos industriales, comerciales o residenciales. La cantidad de nutriente de microorganismo que se introduce puede ser cualquier cantidad, y de preferencia una cantidad que promueve y controla el crecimiento de microorganismos en comparación con el sistema acuoso o de agua que está siendo probado. Las cantidades de nutriente de microorganismo pueden determinarse con base en el sistema de agua o acuosa particular que está siendo verificado para la bioincrustación. La presente invención se aclarará adicionalmente por medio de los siguientes ejemplos, que pretenden ser simplemente ejemplares de la presente invención. EJEMPLOS Un flujo de fluido a través de un medio poroso crea un diferencial de presión debido a la interacción viscosa entre el fluido en movimiento y la superficie del medio. A medida que el área de superficie de la interacción viscosa incrementa, incrementa la resistencia friccional y la presión diferencial. La magnitud del diferencial de presión es efectuada por la densidad de fluido, viscosidad, velocidad de flujo, porosidad y la dureza de la superficie del medio (Cm) de acuerdo con la Ley de Darcy: Presión = Cm x [viscosidad/(densidad+porosidad)] x velocidad de flujo (ec. 1) Los depósitos de superficie tales como células microbianas y la mugre asociada encontradas en las biopelículas pueden incrementar la dureza del medio dando como resultado un incremento en presión. La presión incrementa adicionalmente a medida que los depósitos empiezan a significativamente ocluir la trayectoria del flujo de fluido, provocando una disminución en la porosidad. Estos efectos se encuentran comúnmente en medios porosos de filtración donde la bioincrustación puede significativamente degradar el rendimiento del filtro, aún aquí los mismos principios forman la base de un detector sensible para verificar la incrustación biológica. En este ejemplo, se hizo un monitor de bioincrustación de presión diferencial en el cual una columna empacada con cuentecillas de metal proporciona una gran área de superficie para la que la incrustación crea un instrumento sensible, confiable. El instrumento eliminó la necesidad de altas velocidades de flujo para lograr una señal medible. El reto del uso de la tecnología de columna empacada para verificar la bioincrustación es la tendencia de que el rraterial no biológico y la mugre tapen la columna e interfieran con la señal biológica. Esto es particularmente verdadero en circuitos de agua blanca de molinos de papel donde grandes cantidades de material suspendido están presentes. La invención emplea características de diseño para evitar este problema e incorpore tecnología para discriminar la incrustación biológica de la no biológica. La capacidad del monitor de bioincrustación para manejar grandes niveles de sólidos suspendidos se logró utilizando una bomba de recirculación para generar un flujo rápido a través de la columna mientras que al mismo tiempo se utiliza una bomba de deposición separada para introducir agua de proceso fresca en el sistema a una velocidad más lenta. Este enfoque mantiene un suministro continuo de agua de proceso sin la necesidad de bombear grandes volúmenes de solución fresca con sólidos incluidos a través del sistema. El pequeño volumen de agua de proceso puede fácilmente filtrarse corriente arriba del monitor de bioincrustación permitiendo que se utilicen altas fuentes de sólidos tal como un corte circuito de agua blanca con el instrumento. El tiempo de retención del fluido en el sistema puede ajustarse utilizando la bomba de reposición y con esto proporcionando varios medios para ajustar la sensibilidad del instrumento. La sensibilidad del instrumento es de gran importancia para correlacionar la respuesta de un monitor de bioincrustación con el rendimiento del proceso industrial que está siendo verificado. En la mayoría de los casos, el propósito del monitor es detectar depósitos de moho antes de que alcancen un nivel que degrade la calidad del producto. Para hacer esto, el monitor debe generar una señal medible antes de que se provoque daño por acumulación. El dispositivo actual incorpora varios medios para controlar el índice de bioincrustación en el instrumento permitiendo que la respuesta del instrumento pueda fácilmente correlacionarse con la calidad del proceso. El dispositivo permite que la velocidad de alimentación de agua del proceso se pueda ajustar para incrementar o disminuir el suministro de solución fresca al monitor. Esto a su vez influencia el índice de crecimiento microbiano incrementando o disminuyendo el suministro de nutrientes disponibles para el crecimiento. Un segundo medio para controlar la sensibilidad del instrumento es ajustando la velocidad de flujo de recirculación. Velocidades de flujo más altas amplifican los cambios de presión provocados por los cambios en la dureza del medio, viscosidad de fluido, densidad y porosidad de acuerdo con la ecuación 1. El tamaño y la forma del material utilizado para empacar las columnas también puede utilizarse para ajustar la sensibilidad. Como un ejemplo, las columnas empacadas con cuentecillas de pequeño diámetro responderán rápidamente a la bioincrustación ya que son necesarios pequeños depósitos para ocluir los espacios entre las cuentecillas (es decir, la porosidad disminuye rápidamente a medida que se desarrolla la incrustación) . Los ajustes anteriores pueden utilizarse para
ÜMÉÜMÉM-modificar la sensibilidad del monitor, sin embargo, la experiencia ha demostrado que largos períodos de operación de máquina de papel libres de moho muy a menudo son seguidos por incrementos abruptos en la incrustación los cuales empiezan a degradar la calidad de papel en tan poco como unos cuantos días. Es altamente deseable tener un aviso de avance de tal acumulación de moho que pueda permitir que el operador incremente la dosis de microbicida o programe un apagado oportuno para una limpieza preventiva. En este ejemplo, el presente dispositivo incorpora dos canales, uno de los cuales utiliza una bomba de alimentación de nutrientes suplementaria para introducir nutrientes que aceleran el crecimiento microbiano en ese canal. Al utilizar ese enfoque, el canal enriquecido con nutrientes proporciona varios avisos de avance diario de bioincrustación en comparación con el canal suministrado con agua del proceso solamente. Es una ventaja del diseño que la aceleración de la señal de incrustación por la adición de nutrientes confirmar que la incrustación es por lo menos parcialmente biológica en naturaleza ya que la incrustación abiótica no muestra respuesta a la adición de nutrientes microbianos. INSTRUMENTACIÓN El monitor de bioincrustación en este ejemplo fue un sistema independiente diseñado para verificar la acumulación del moho y sedimento en una máquina para papel y otros circuitos de agua industriales, el sistema comprende varias bombas, transductores de presión, controladores de temperatura, y registradores de datos alojados en un gabinete de metal de 45.72 cm d x 55.88 cm a x 76.2 cm a (18" d x 22" w x 30" h) . Una bomba peristáltica de entrada (Cole-Parmer Instrument Company modelo E-07553-80) en el gabinete del monitor suministra agua del proceso industrial a 2-3 ml/min en columnas duales de 1.5 cm de diámetro interior x 20 cm de largo de PVC transparente rellenas con 302 cuentecillas de acero inoxidable de 1.5 mm de diámetro que sirvieron con sustratos para la fijación de la biopelícula. Una bomba peristáltica separada recircula agua a través de las columnas a 250 ml/min para generar una caída de presión de línea base entre 2C y 30 mbar. Se alimentó glucosa (30,000 ppm) a aproximadamente 50 ul/min de un depósito de 1 litro al segundo de los dos canales (canal 2) mediante una bomba separada (Colé Parmer modelo E-7710-30 produciendo una adición de glucosa de aproximadamente 600 ppm para estimular el crecimiento microbiano. Las columnas con cuentecillas fueron cementadas en uniones de conexión rápida de PVC para un fácil reemplazo y toda la trayectoria de flujo de líquido de bioincrustación comprende accesorios de acero inoxidable y PVC y tubería de Neopreno y Tygon químicamente resistente para permitir que la solución de limpieza sea bombeada a través del sistema para la limpieza. Las columnas con cuentecillas fueron calentadas con mantos eléctricos (Colé Parmer modelo E-03125-20) utilizando controladores de temperatura Omega CN76000 para mantener una temperatura deseable como 37.77 °C ( 100°F) para estimular el crecimiento 5 microbiano. Los controladores de límite térmico omega CN375 verificaron la temperatura de superficie entre el manto de calentamiento y las columnas de cuentecillas de PVC transparente para evitar la fusión del PVC. Los medidores de presión diferencial (Colé Parmer modelo E-07354-05) con
señales de salida de 4-20 mA fueron fijados con tubería tygon rellena con agua .318 cm de x .25 cm de ds (1/8" id x 1/4" od) a accesorios en forma de T de PVC localizados en ambos extremos de las columnas. Los medidores de presión miden la presión diferencial entre las columnas rellenas con
cuentecillas y despliegan los datos en medidores de gráficas de barras digitales (Colé Parmer modelo E-94712-00) localizadas en el panel frontal del gabinete. Una señal de salida de 4-20 mA de los medidores de presión pasa a través de un resistor de 100 ohm para producir una señal de 0.4-2
Vdc proporcional a la presión, es leída a intervalos de 10 minutos por un registrador de datos Onset Computer HOBO 8 localizada dentro del gabinete. Toda la unidad de bioincrustación estaba autocontenida y requería solamente energía eléctrica de una sola fase 120 Vac y una fuente
continua de agua de proceso para su operación.
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Para iniciar un periodo de verificación, se instalaron columna limpias dentro del monitor de bioincrustación y se volvió agua de proceso dentro del sistema con la bomba de reposición. Se reiniciaron la bomba 5 de recirculación y la bomba de alimentación de nutrientes al igual que los registradores de datos. En muchas aplicaciones, se derivará un periodo de línea base durante el cual la presión permanece constante seguida por un incremento de presión rápida típicamente exponencial. La línea base y los
períodos exponenciales denotaron la inducción y las fases de crecimiento respectivamente. El monitor de bioincrustación fue desplegado experimentalmente en un molino de papel fino alcalino de pulpa Kraf para evaluar el rendimiento del instrumento y
examinar el efecto de los nutrientes suplementarios en la respuesta de incrustación. El molino escogido produjo 600- 1000 toneladas diarias de papel fino revestido en una sola máquina utilizando una mezcla de madera dura, pino y merma de un revestidor fuera de línea. La formación de moho en el
molino se mantuvo bajo un buen control utilizando una combinación de biocida de halógeno y organobromuro, sin embargo, la presión para disminuir la dosis de biocida hizo que el molino fuera un sitio excelente para la prueba del monitor. Durante las pruebas iniciales descritas aquí, se
estableció una respuesta de incrustación de línea base contra
¡MHÜIÉW-M-ia ^^^^^^w la cual se pueden comparar efectos futuros para reducir el uso de biocida. Fue extraída solución de las pruebas de bioincrustación del agua blanca clarificada que paso por un colador Albany. El agua fue adicionalmente procesada a través de un pequeño clarificador y un filtro de 20 µm para adicionaimente disminuir los sólidos suspendidos antes de entrar ai monitor de bioincrustación. Estos pasos minimizaron la incrustación del material suspendido para permitir que se evaluara la respuesta a la incrustación biológica. Durante la operación normal, un volteo de solución rápido en el clarificador aseguro que se evitaran condiciones de crecimiento estancadas. La reposición de la unidad de bioincrustación fue continua en 2-3 ml/min proporcionando un tiempo de residencia de aproximadamente dos horas dentro del circuito de recirculación. La temperatura de la solución influente fue de aproximadamente 48.88-54. 4 °C (120-130°F). Se alimentó glucosa suplementaria al segundo de los dos canales de bioincrustación para proporcionar una concentración de solución final de 600 ppm. El monitor, proporcionado por columnas de incrustación limpias se colocó en línea concurrentemente con el inicio de la máquina de papel al completar la ebullición de extremo en húmedo. Este tiempo permitió que la respuesta de incrustación fuera denominada como un estado de máquina limpia. Después de 31 dias, las columnas de incrustación para ambos canales fueron reemplazadas y después de 44 días la columna para el canal dos fue una vez más reemplazada. El extremo en húmedo de una máquina de papel fue hervido en el día 38 durante una operación de mantenimiento programado. Las Figuras 3 y 4 muestran el registro de datos para el despliegue de 51 días. Las columnas incrustadas removidas en el día 31 fueron removidas visualmente por la presencia de moho removiendo las cuentecillas de acero inoxidable y examinando la superficie de las cuentecillas con una lente de mano aproximadamente a lOx. Las cuentecillas también fueron analizadíis por su actividad microbiológica extrayendo los depósitos con agentes tensioactivos y analizando el extracto utilizando un analizador ATP comercial. Las mezclas separadas de los depósitos fueron removidas por ultrasonificación y examinadas por su contenido elemental utilizando un análisis de fluorescencia de rayos X de energía dispersa. Resultados El registro de datos mostró un período de catorce días inicial durante el cual las señales para ambos canales permanecieron estables en 10-20 mbar. Entre el día catorce y el día veinte, ocurrió una variación de 30 a 40 mbar y un retorno subsecuente a la línea base para ambos canales. En el día veintiuno, la señal para el canal de glucosa (canal 2) empezó a incrementarse exponencialmente a un valor limitante de 80 mbar que corresponde a la señal máxima para los transductores de presión. Dos a tres días después, la señal para el canal uno mostró un incremento exponencial similar. 5 Se instalaron nuevas columnas limpias de incrustación en el día 31 provocando que las señales regresaran a un nivel de línea base bajo. El siguiente evento de incrustación para el canal dos ocurrió tres a cuatro días después de que las nuevas
columnas fueron instaladas, una vez más seguido de aproximadamente tres dias después por lo que parece ser el inicio de un cambio exponencial para el canal 1. El incremento posterior fue truncado cuando la máquina para papel concentrada en el dia 38, entonces recurrió después de
seis a siete días alcanzando un valor limitante en el día 46. Unos cuantos días después, la señal para el canal uno disminuyó a aproximadamente 50 mbar. Se instaló una nueva columna de incrustación en el canal dos en el día 44 dando como resultado una respuesta muy similar al comportamiento en
los días 32-36. Se hizo una examinación visual en los depósitos en las cuentecillas de acero inoxidable en el dia 31 antes de instalar las nuevas columnas. Serpentinas de moho color amarillo pálido a ámbar dentro de las columnas eran visibles
al ojo y la examinación de los depósitos en lOx mostró una
ritfMH-a^^ütfii^ matriz tipo red de biopelícula cubriendo los vacíos entre las cuenteciilas. El análisis ATP mostró la presencia de una alta actividad microbiológica en el material extraído de la superficie de la cuentecilla. El análisis elemental de los 5 depósitos mostraron picos para aluminio, sílice y calcio, indicando que el barro y partículas finas de carbonato de calcio también estaban presentes en el material. La aparición de una región de línea base al instalar las nuevas columnas correspondió al período de
fijación microbiana inicial lenta (el período de inducción) muy a menudo observado en la bioincrustación. La similitud en los datos de línea base para los dos canales indicó que ambos respondieron uniformemente a pequeñas fluctuaciones en la señal que pudieron haber sido causadas por variaciones en los
sólidos suspendidos y las partículas finas que entraron en el sistema. Tal material alterará la viscosidad y densidad de la solución y por medio de la Ley de Darcy efectuarán una baja de presión a través de las columnas de incrustación. Los datos registrados mostraron que estas fluctuaciones se
podrían distinguir fácilmente de los verdaderos casos de incrustación . La excursión de presión que empezó en el día 14 no se explica con claridad, sin embargo el evento coincidió con la formación de una línea tapada que detuvo el flujo del
clarificador. Los incrementos de señal en el día 22 para el
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canal dos y el día 25 para el canal uno ilustraron el aviso de avance en el día dos a tres proporcionado por el canal de glucosa. Estos resultados son consistentes con el incremento en el tiempo de inducción esperado para la mayor concentración de nutrientes. Al comparar las señales del canal uno y dos después de instalar las nuevas columnas (día 31) también se mostró que el canal de glucosa proporcionó un aviso de avance en los días dos a tres de bioincrustación (aquí la respuesta para el canal uno es truncada por la concentración de la máquina de papel) . La instalación de nuevas columnas de incrustación en el canal dos (días 32 y 44) dio como resultado un incremento exponencial similar a aquel descrito anteriormente pero que empezó mucho más temprano. En ambos casos, el más rápido incremento inicio 3-4 días después de que las columnas fueron instaladas y pudo haber sido promovido por la inoculación de microorganismos dentro del monitor que no fue limpiado cuando las columnas de incrustación fueron reemplazadas. La disminución en la señal para el canal uno en el día 38 coincide con la concentración de extremo húmedo y además ilustra la respuesta de los instrumentos a factores que influencian el crecimiento microbiano. La disminución en la señal para el canal uno en el día 47 puede ser un incidente de desprendimiento en el cual cambios de presión como parte de la capa de moho se desprende o cambia dentro de
¡V la columna de incrustación. La forma exponencial de la señal de incrustación en el día 22 y el día 25 es consistente con la incrustación biológica y además ilustra el efecto de adición de glucosa en la respuesta del instrumento. La Figura 5 muestra una curva exponencial ajustada en cuanto a los datos en estas regiones y la Figura 6 muestra un diagrama del logaritmo de la presión contra eL tiempo. La asignación de las curvas proporciona un índice de incrustación específico de 1.03 d_1 y 1.27 d"1 para los canales uno y dos respectivamente. Estos valores corresponden a 16 y 13 horas respectivamente como el tiempo requerido en que se duplicará la señal de incrustación. El análisis de las señales de incrustación en el día 36 (canal 2) y el día 45 (canal uno) también muestra un índice de incrustación específico más alto para el canal de glucosa. La evaluación del molino de papel demostró que la actividad microbiana y la formación del moho en el agua blanca de molino de papel puede medirse utilizando el monitor en línea. El análisis elemental y ATP indican que los depósitos de incrustación comprenden tanto materiales microbianos como inorgánico como es típico del moho y de la mugre atrapada encontrada en los depósitos de máquinas de papel . La química de extremo húmedo del papel producido durante la evaluación del monitor no mostró problemas relacionados con el moho indicando que el monitor es capaz de discernir actividad microbiana antes de que empiece a degradar la calidad del papel. La respuesta a la actividad microbiana es acelerada por la adición de nutrientes suplementaria que proporciona un aviso avanzado de la bioincrustación. Bajo una operación normal, la señal del canal adicionado con nutriente puede utilizarse para predecir que ocurrirá la incrustación en unos cuantos días, proporcionando a los operadores del molino con la oportunidad de suplementar la adición de biocida, por ejemplo extender la producción a través de una corrida de producto crucial, o programar un apagado oportuno para una limpieza preventiva. Otras modalidades serán evidentes para aquellos expertos en la técnica al considerar la presente solicitud y practicar la presente invención descrita en la presente. Se pretende que la especificación y los ejemplos sean considerados como ejemplares solamente, con el verdadero alcance y espíritu de la invención siendo indicados por las siguientes reivindicaciones.