SE528096C2 - Förfarande och anordning för att mäta ett fluidums avsättning på ytor - Google Patents

Description

v 0000 10 00 A A 0 000 0- ; o 0 :0 d00 000 II Det finns många olika sätta att detektera och monitorera biofilm beskrivet i litteraturen och olika metoder har visat sig fungera mer eller mindre bra. Önskvärda egenskaper hos en biofilmsmoni- tor är att den skall ge information i realtid, den skall vara känslig nog för att detektera tidiga skeden av biofilmstillväxt samt vara robust nog att fortsätta detektionen tills bio- filmstillväxten blir ett problem för pappersbruket.

KÄND TEKNIK Den traditionella och enklaste formen av biofilmsmonitorering bygger på intervalliskt vägande av i processvätskan nedsänkta provbitar på vilken biofilm bildas. Skillnaden mellan tom vikt och vikt med biofilm ger information om biofilmsformationen på provbitarna. Manuell upptagning och Vägning av provbitarna gör metoden arbetsintensiv och tidskrävande. I vanliga fall så görs vägning av provbitarna med några dagars mellanrum vilket ger tidsupplösningen relativt låg. Detektionsgränsen bestäms av den våg som används för att väga provbitarna samt det faktum att biofilmen ofta helt eller delvis lossnar från provbitarna då de tas upp ifrån processvätskan. Metoden är vida spridd inom processindustrin och diverse förfiningar och varianter fö~ vrekommer. T.ex. den som omnämns i US 6405582A där provbitarna sitter upphängda i en våg och befinner sig i en tank. Tanken töms på vätska och Vägning av provbitarna sker automatiskt.

Denna innovation eliminerar det manuella momentet i monitoreringen men ger inte högre tidsupplösning eller mätnoggrannhet.

Andra teknologier/fysikaliska principer har används som biofilmssensor. En valig metod är att mäta tryckfallet över ett antal smala rör där biofilmen växer till på insidan av röret och ett ökat tryckfall ger en indikation på 10 15 20 oooo n o o (JF Q IIIO OI OO I Û I O I I III II ICO OOII Û l I I C Û Oo: ou oo N oo O O O o o o ooo o o o oo ooo ooo o o oo O 09. I' .". .: z. .z 1:22: :o :Én : 0:» 0 0:1: -~ -- - °: ~'%": :: :' r ß - - : 2 : 'o' o' o oo oo oooo ooo o I ökad biofilm i systemet. Tryckfallsmätningar kan ske i realtid och kräver ingen manuell tillsyn men har ett klart definierat maxutslag då röret är helt igensatt.

Det finns ett antal olika optiska system där en ljusstråle (vitt ljus, IR) passerar genom processvätskan och detekteras på motstående sida. Intensiteten mäts och biofilmen korreleras till hur mycket ljus som absorberas på vägen från ljuskälla till detektor (oekomom). Denna metod har på samma sätt som tryckfallsmätningen en klart definierad maxgräns då inget ljus släpps igenom. Detta är ett problem då grumliga/ogenomskinliga processvätskor monitoreras (tex. bakvatten i papperstillverk- ning).

Elektrokemiska metoder där ledningsförmágan mellan två elektroder påverkas av den biofilm som växt på elektroderna (US 5246560A) har studerats och även använts framgångsrikt i system med relativ konstant laddningsförhàllanden (dricksvatten, kylvatten).Vid förändringar av laddningsförhàllanden i vattnet (ökat joninnehåll) förändras vätskans ledningsegenskaper vilket påverkar resultaten och kan leda till misstolkningar av data.

Ytterligare en vanlig detektionsmetodik är att på olika sätt studera hur tillväxt av biofilm förhindrar värme- transport. Metoden bygger på att en i processvätskan nedsänkt metallbit uppvärms till en viss temperatur och att temperaturen mäts vid ett visst avstånd från metallbiten.

En realtidsmetod som ger information om avsätt~ ningar pà ett mycket tidigt skede, ng/cm2 är den så kallade kvartskristallmikrovågen (QCM). Metoden ger realtidsinformation om frekvensförändringar hos den oscillerade kristallen som kan bero på förändringar i vätskeegenskaper eller ökad massa på kri- stallen. Vid applicerandet av en kvartskristall i kontakt med 10 15 20 oli: N'- çno U OJO! nu co 0 0 0 0 0 'Oo 00 Doo also I I I 0 0 0 no 00 o o a av @Inu :en 0 0 000000 Ganons Q n u covcnn processvätskan erhålls information om massförändringar på kri- stallen i ett mycket tidigt skede (exempelvis US 5734098A).

Metoden är således känslig nog för att detektera de initial skedena vid biofilmsformation samt att detta sker i realtid. Ett problem med frekvensmätningar är att relationen mellan frekvens och massa (den så kallade Sauerbreyekvationen) förutsätter att massan, som har bundits till kristallen är rigid och fast och kopplar till oscillationen hos kristallen utan förluster.

Eftersom en biofilm bland annat består av mikroorganismer som är viskoelastiska så kan förutsättningen om rigiditet inte anses uppfylld, vilket medför att massbestämningen blir felaktig (underskattning).

Huvudändamålet med den föreliggande uppfinningen är därför i första hand att möjliggöra att åstadkomma en så rea- listisk kontroll som möjligt av det fluidum som önskas kontrol- leras beträffande förmågan att kunna beläggas.

Sagda ändamål uppnås medelst ett förfarande en- ligt den föreliggande uppfinningen, som i huvudsak kännetecknas därav, att två eller flera sensorer placeras i kontakt med det gemensamma fluidum som avses studeras, att man arrangerar de sagda sensorerna så att de lokala skjuvkrafterna vid desamma va- rierar, att man fràn resp sensor låter inhämta information om avsättningsförmågan på ifrågavarande sensor, och att man kombi- nerar den erhållna informationen från olika sensorer för att därigenom erhålla ett sammantaget resultat om det sagda fluidu- mets beläggningsförmåga.

Uppfinningen avser även en anordning för att genomföra ett förfarande enligt den föreliggande uppfinningen för att erhålla information om ett fluidums förmåga att åstad- komma avsättning på ytor som är i kontakt med ifrågavarande flu- idum. 10 15 20 ..:= w3 00 00 0 0 0 000 0000 0 0 00 00 0 0000 00 0 I III .I 0 00 0 0: @000 000 0000 OO I O 0 0 0 0 0 000 000 0 0 00 0 00 00 00 I 0 I 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 I : I: :Ifg I O I I I Ü I I I I I I OIC . 000 00 0 00 :00:00= :O .I g: . : g : .0. 0 0 00 00 0000 000 0 0 Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är såle~ des därför även att åstadkomma en anordning av ovan angivet slag som fungerar säkert och effektivt och som är lätt att handha.

Sagda ytterligare ändamål uppnås medelst en anordning enligt den föreliggande uppfinningen, som i huvudsak kännetecknas därav, att på en hållare är uppburna två eller flera sensorer som är i kontakt med det aktuella fluidumet som avses kontrolleras, att sensorerna som exempelvis består av kvartskristaller, är placerade på hàllaren så att lokala skjuv- krafter varieras över desamma, att sensorerna är förbundna med en mätanläggning och att mätanläggningen är sammankopplad med en dator som innefattar medel för att göra en sammantagen mätinfor- mation om ifrågavarande fluidums beläggningsstatus i den process som sensorerna är anordnade att placeras i.

Uppfinningen beskrives i det följande såsom ett antal föredragna utföringsexempel, varvid hänvisas till de bifo- gade ritningarna, på vilka Fig 1 visar en schematisk snittvy av en anordning enligt uppfinningen under ett mätskede, och Fig 2 visar flödeshastigheten kring en anordning enligt uppfinningen.

BIOFILM Med biofilm betecknas vanligtvis en koloni av en eller flera arter av mikroorganismer som växer på en fast yta. Biofilmen består vanligtvis inte enbart av biologsikt material utan även av restprodukter från bakterierna, diverse oorganiskt och organiskt material som finns närvarande i den omgivande vätskan och av mikroorganismerna producerade extracellulära polysackari- der (EPS ). Det finns olika typer av EPS som produceras av olika mikroorganismer med olika syften. Ibland kan ett tjockt lager 10 15 20 I 2 Ü O.WO:O ICO 0 o 000 0 :OI Qcca 000 528 096 :--.: : i n v o I 0 O 0 O Qcc I :oo-:no I: OOOQÛU: :' , :g : g : 2 .f a. o nu co Isac cos I I EPS fungera som ett skyddande täcke för mikroorganismkolonin (detta uppträder som slem i verkligheten).

BIOFILM OCH SKJUVKRAFTER Vid biofilmsformation måste mikroorganismerna fästa sig vid ytan för att sedan kolonisera den. De skjuvkrafter som bakterien utsätts för då den skall fästa sig vid ytan påverkar hur detta sker. Högre skjuvkrafter innebär ett större motstånd mot kolonisering av ytan medan lägre krafter innebär att det är lät- tare för bakterien att fästa sig vid ytan. Vid tidig koloniser- ing av ytor kommer således ytor med höga skjuvkrafter att be- läggas långsammare än sådana med lägre skjuvkrafter. Då en biofilm har etablerats och börjat växa på en yta kan däremot högre skjuvkrafter medföra ökad näringstransport till och genom biofilmen vilket kan få den att växa snabbare än en som befinner sig i lägre skjuvhastigheter.

Uppfinningen bygger således på att nyttja sagda egenskaper för att kunna bestämma det aktuella fluidumets be- skaffenhet.

UPPFINNINGENS ÄNDAMÅL OCH VIKTIGASTE SÄRDRAG Den grundläggande metoden i uppfinningen innefattar ett arrangemang av två eller flera ytbaserade sensorer i kontakt med ett medium så att sensorerna är i kontakt med (processvätska) samma vätska men att de lokala strömmningsförhållanderna vid varje sensor är olika. Vidare kan sensorerna beläggas med olika beläggningar (stål, gummi, teflon, inert yta) vilken ger olika pàgång/avgång av massa beroende på de olika ytmaterialens egen- skaper.

Genom att använda ytbaserade sensorer som mäter mängden pàlagd/avtagen massa samt nämnda mässans viskoelastiska 10 15 20 oo o oooo oo oo OOIO o o oo o o o o 0 o o ooo oo ooo 0001 I I Û I O I I I Ü oo ïoo ooo oo oo Uqfl 528 096 oo o o oo o oo oo oo :.-oo.oo o oo o UI I 0 . o ; u o o o o o o o o :oo o ..; .g a oo ooooooo oo 00 .O o o o o o o o o o o o o . o o o o o o oo oo Oo! egenskaper, simultant vid de olika sensorpunkterna kan information om mediets tendens att bilda avsättningar under olika flödesförhållanden utskiljas om det till exempel skulle det växa biofilm på sensorerna kan den simultana mätningen vid olika flödesför-hàllanden ge information om hur långt biofilmstillväxten nått i systemet.

Genom att korrelera informationen från de olika skjuvhastigheterna och beläggningarna kan sammantagen infor- mation om beläggningsstatusen i den process som sensorerna pla- ceras i erhållas.

För att ge ytterligare information om den pålagda massan i systemet kan sensorer med olika beläggning av ytmaterial användas (såsom t.ex. rostfritt stål, SiO2, polymera material, inerta ytor). Genom att studera den pålagda massan på olika material kan viss information om mässans sammansättning utläsas (biologisk, oorganiskt, organiskt etc). Genom att belägga en sensor med ett material som är inert mot all form av adsorption, alternativt intermittent rengöra en kristall, kan information om enbart processvätskans egenskaper erhållas (viskositet, densitet).

Uppfinningen kan även innefatta att en temperatursensor placeras i nära anslutning till de ovan sagda sensorerna. Om sensorernas temperaturberoende är känt och utgör en stor störfaktor i insamlade data kan ràdata kompenseras med tillgång till temperaturdata och genom att sammanfoga information från sensorerna ihop med rengöringsinformation ge ytterligare information om beläggningsstatusen i den process som sensorerna placeras i.

Ett förfarande för att erhålla information om ett avsett fluidums 1 förmåga att åstadkomma avsättning på ytor som är i kontakt med ifrågavarande fluidum 1 innefattar enligt o o oooooo oooooo o o oooooo 10 15 20 CCI: . zoo. oooo bon. ml o oooo on oo o o oo o o I I . : ooo. .oo o oo goo ooo oo oo 528 096 föreliggande uppfinning att två eller flera sensorer 2, 21, 2% 23,2" placeras i kontakt med det gemensamma fluidum som avses studeras.

Man arrangerar därvid de sagda sensorerna 2-2” så att de lokala skjuvkrafterna vid desamma varieras och att man från resp sensor 2-2“låter inhämta information om aktuell avsättningsförmåga på ifrågavarande sensor. Den därigenom erhållna informationen från olika sensorer kombinerar man för att därigenom erhålla ett sammanslaget resultat om det sagda fluidumets beläggningsförmåga.

BESKRIVNING AV FÖRELIGGANDE UPPFINNING Den föreslagna uppfinningen består av ett sätt att arrangera två eller flera ytbaserade sensorer 2-2“i t.ex. en vätska l på ett sådant sätt att flödesprofilen och de lokala skjuvkrafterna vid varje sensor blir olika samtidigt som alla sensorerna mäter på samma vätska l. Sensorerna 2-2“kan antingen arrangeras i en mätkammare, som placeras i en biström till den procesström som skall studeras, eller i ett utrymme 3 som är i direkt kontakt med den studerade vätskan l i en aktuell procesström.

Databearbetningen av mätsignalen ger information om hur mycket avsättning som finns på de olika sensorytorna. Med vetskap om de olika materialbeläggningarna på de olika sensorytorna kan en uppfattning om vilken typ av avsättning det är som bildas. Signalbehandling av data fràn sensorerna ger information om hur stor tillväxthastigheten är. Informationen om tillväxthastigheter på respektive material presenteras på elektronikenhetens display alternativt skickas via kabel/ radiolänk till kontrollrum eller motsvarande. 10 15 20 o oooo oo oo oooo oo o o o o 0 o ooo oo ooo oooo o o o o o o o k) I oo Öooo ooo oo oo Uno 528 096 o o o z". :.°o: z "o: o.'o o" o.'o oo oo oo o o o o o o o o o o o o ooo o o o o g ooo oo o oo ooooooo oo oo o :I O o o o o o o o o o o o o o I . . o o o o o o oo oo oooo oo Erhållna mätsignaler, som man erhåller från sagda respektive sensor 2-2“, låter presentera erhållen mätinformation på en display hos en ifrågavarande elektronikenhet och/eller att man via kabel/radiolänk låter skicka sagda mätinformation till ett kontrollrum eller någon annan liknande övervakningsenhet.

De sagda sensorerna 2-2" placerar man lämpligen _pà en prob 4 som man sedan låter sänka ner i den vätska 1 eller annat fluidum man önskar testa i ett utrymme 3 avsett härför, såsom t.ex. mjölk, olja, pappersmassa eller en blandning som består av olika vätskor, gaser eller dylikt.

De olika sensorerna 2-2“kan man låta belägga med olika material för att åstadkomma en säkrare mätning och man kan låta extrahera införmationen om förändringar av massa och/eller viskoelastiska egenskaper på de olika sensorerna 2-2”.

Intermíttent låter man vid behov rengöra en eller flera av sensorerna 2-2“under mätförloppet och sedan låter man sammankoppla informationen beträffande rengöringen till övrig information varigenom ytterligare information om beläggningsstatusen erhålles.

Förfarandet enligt uppfinningen innefattar hur man skall arrangera ytbaserade sensorer 2-2” (t.ex. kvartskristaller) som mäter pålagd/avtagen massa och/eller dess viskoelastiska egenskaper (t.ex. biofilmsinformation) på ytor i kontakt med processvätska 1. Uppfinningen innefattar arrangemang av två eller flera sensorer 2-2“vilka exponeras för olika skjuvkrafter och de kan beläggas med olika ytbeläggningar, vilket gör att extra information om avsättningarnas egenskaper kan erhållas och som inte hade kunnat ske enbart genom att låta montera upp en enda stackars sensor. 10 15 20 000: l O n m0 0 0006 vi 00 co I 0 0 0 0 Ita OO 000 IUOI 0 0 I n 0 0 OI Gao 000 ll Il uno u I 0 0 0 528 096 10 En anordning för att låta genomföra ett förfarande enligt föreliggande uppfinning för att erhålla information om ett fluidums förmåga att åstadkomma avsättning på ytor som är i kontakt med ifrågavarande fluidum l innefattar en hållare 4 på vilken två eller flera sensorer 2-2" är uppburna så att de är i kontakt med det aktuella fluidumet 1 som avses kontrolleras. D De sagda sensorerna 2-2“, vilka exempelvis består av kvartskristaller, är placerade på hållaren 4 så att lokala skjuvkrafter varieras över desamma och att sensorerna är för- bundna med en mätanläggning som är sammankopplad med en dator.

Datorn innefattar därvid medel för att göra en sammantagen mätinformation om ifrågavarande fluidums beläggningsstatus i den process som sensorerna 2-2” är anordnade att placeras i. Därvid kan som ovan sagts sensorerna 2-2“vara belagda med skilda ytmaterial.

På ritningarna visas i Fig 2 exempel på anordningen där sensorerna är fästade på en hållare i form av en insticksprob som fästs in i ett utrymme med processvätska och där man åskådliggjort de olika skjuvhastigheter som sensorerna utsättes för på sina olika platser där de är uppburna på hållaren i sagda utrymme, när de påverkas av förbiströmmande vätska eller annan fluidum man önskar undersöka, med fluidum skall förstås vätska eller gas eller en kombination av vätska och gas.

Uppfinningen är ej begränsad till det ovan beskrivna och det på ritningarna visade utan kan varieras inom ramen för patentkraven utan att uppfinningstanken frångås.

Claims (12)

10 15 20 25 30 528 096 H PATENTKRAV

1. Förfarande för att erhålla information om ett fluidums (1) förmåga att åstadkomma avsättning på stora ytor som är i kontakt med ifrågavarande fluidum (1), kännetecknat därav, att två eller flera sensorer (2, 21, 22, 23m 2n) placeras i kontakt med det gemensamma fluidum (1) som avses studeras, att man arrangerar de sagda sensorerna (2-2“) så att de lokala skjuvkrafterna orsakade av ett förbiströmmande fluidum, vid åtminstone två av dessa varierar, att man låter resp sensor (2- 2”) mäta den skjuvkraft som sensorn utsätts för och därigenom erhålla uppgifter om avsättningsförmågan på ifrågavarande sen- sor, och att man kombinerar den erhållna informationen från olika sensorer för att därigenom erhålla ett sammantaget resul- tat om det sagda fluidumets beläggningsförmåga.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, kånnetecknat därav, att man placerar sagda sensorer (2-2“) direkt i aktuell procesström eller i en biström till densamma.

3. Förfarande enligt något av patentkraven 1-2, kännetecknat därav, att man låter databearbeta erhållna mätsignaler från sagda sensorer.

4. Förfarande enligt patentkrav 3, kännetecknat därav, att man låter presentera erhållen mätinformation på en display hos en ifrågavarande elektronikenhet och/eller att man via kabel/radiolänk låter skicka sagda mätinformation till ett kontrollrum eller liknande övervakningsenhet.

5. Förfarande enligt något av ovan angivna patentkrav, kännetecknat därav, att man placerar sagda sensorer i vätska, företrädesvis på en prob (4) som placeras i ett utrymme (3) där aktuell vätska (1) anordnas att strömma, t.ex. mjölk, olja, pappersmassa eller en blandning av olika vätskor. 10 15 20 25 30 528 096 I2

6. Förfarande enligt något av ovan angivna patentkrav, kännetecknat därav, att man låter två eller flera sensorer inneha olika egenskaper.

7. Förfarande enligt patentkrav 6, kånnetecknat därav, att man låter belägga sensorerna med olika material.

8. I Förfarande enligt patentkrav 6 eller 7, kännetecknat därav, att man ger ytan på sensorerna olika jâmnhet.

9.. Förfarande enligt något av ovan angivna patentkrav, kännetecknat därav, att man låter extrahera informationen om förändringar av massa och/eller viskoelastiska egenskaper på de olika sensorerna (2-2“).

10. Förfarande enligt något av ovan angivna patentkrav, kännetecknat därav, att man intermittent vid behov låter rengöra en eller flera av sensorerna (2-2") under mätförloppet, och att man låter sammankoppla information beträffande rengöringen till övrig mätinformation varigenom ytterligare information och belâggningsstatusen erhålles.

11. Anordning för att erhålla information om ett fluidums förmåga att åstadkomma avsättning på ytor som är i kontakt med ifrågavarande fluidnm (1), kännetecknad därav, att på en hållare (4) är uppburna två eller flera sensorer (2-2“) som är i kontakt med det aktuella fluidumet (1) som avses kon- trolleras, att sensorerna (2-2“) som exempelvis består av kvartskristaller, är placerade på hållaren (4) så att lokala skjuvkrafter varieras över åtminstone två av dessa, att sensorerna är förbundna med en mâtanlåggning och att mätanläggningen är sammankopplad med en dator som innefattar medel för att göra en sammantagen mätinformation om ifrågavarande fluidums belâggningsstatus i den process som sensorerna (2-2n) är anordnade att placeras i. 528 096 I3

12. Anordning enligt patentkrav 11, kånnetecknad därav, att sensorerna (2-2“) är belagda med olika material och/eller olika jâmnhet.