СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРИКРЕПЛЕННОЙ И ПЛАНКТОННОЙ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПОПУЛЯЦИЙ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ВОДНОЙ СИСТЕМЕ (2 ВАРИАНТА) Российский патент 2006 года по МПК C12Q1/02 C12Q1/00 

Рост микроорганизмов в промышленных водных системах является постоянной проблемой для промышленности. Накопление микроорганизмов и вырабатываемых ими побочных продуктов часто влияет на обработку и производство воды. В бумажной промышленности рост микроорганизмов в водах целлюлозно-бумажного производства может неблагоприятно влиять на конечные бумажные продукты в результате порчи композиции бумаги, что ведет к потере качества и дефектам, таким как дыры и пятна. В охлаждающих водных системах рост микроорганизмов может привести к развитию бактериальных колоний на металлических частях, вызывающих появление коррозии и выемок на поверхностях. Кроме того, рост микробов снижает эффективность теплообменников системы, в результате нарушается функционирование системы.

Известен способ управления ростом микробов путем применения биоцидов. Биоциды представляют собой химические соединения, которые останавливают рост микробов путем разрушения клеточной стенки или клеточного содержимого микроорганизмов. Физические условия, такие как температура, облучение или распределение применяемых для обработки химических соединений, содержащихся в системе, может оказывать негативное влияние на эффективность биоцида. Для компенсации снижающего эффекта биоциды можно либо добавлять непрерывно, либо по требованию. Одобряется разумное применение биоцидов, так как биоциды являются и дорогими, и токсичными. Таким образом, для предотвращения ущерба требуется постоянный мониторинг и тестирование водной системы для определения надлежащего количества биоцида для управления ростом микробов.

Известные способы измерения уровня микробиологической активности в промышленной водной системе включают отбор образцов и их нанесение. Отбор образцов осуществляют путем взятия кратных количеств воды из системы и тестирования в лаборатории. Часто последующее тестирование выполняется в другом месте, и вне системы. Добавка биоцида к водной системе регулируется в зависимости от результатов тестирования образца.

Один способ отбора образцов включает взятие образца, разведение образца и нанесение образца на поверхность питательной агаровой среды. После инкубации в течение от 24 до 48 часов образец проверяют на присутствие микроорганизмов и, когда это возможно, организмы считают вручную или с помощью видеотехники. В другом варианте указанного способа осуществляют взятие образца, культивирование его в течение определенного времени и последующее обследование культуральной среды с помощью нефелометрии или турбидиметрии. Другими словами присутствие микроорганизмов выявляют по мутности культуральной среды.

Существенной проблемой, связанной с отбором образцов, является наличие лаг-периода (промежутка времени между двумя событиями) между взятием образцов и завершением анализа по определению уровня микробиологической активности в образце. Лаг-период может увеличиваться, когда образцы необходимо транспортировать для анализа в другое место, что дополнительно задерживает получение результатов.

Существуют другие способы тестирования образцов на месте, такие как тесты с погружением предметного стекла и тесты с применением аденозинтрифосфата (АТФ). К сожалению, такие тесты не применимы для немедленного получения результатов, так как требуют в случае теста с помощью погружения предметного стекла от 24 до 48 часов для развития рузультирующих изменений. Тесты с АТФ, хотя и позволяют получить результаты в течение короткого времени (менее 2 минут), требуют наличия реактивов, хранящихся в холодильнике, и оборудования, которое является дорогим и часто недоступно в данной области. Таким образом, ни один тест не является оптимальным в области оценки микробиологического загрязнения.

Другая проблема с отбором образцов состоит в том, что общая микробиологическая активность обычно занижается, так как отбор образца является достаточным только для определения уровня планктонной микробиологической активности, но не прикрепленной активности. Микробиологические популяции планктона являются живыми и существуют в суспендированном виде в водной системе. Применяемый здесь далее термин "прикрепленные" относится к популяциям микроорганизмов, которые являются живыми, но иммобилизованными, т.е. неподвижными. Возможно получение промышленно-приемлемого измерения планктонных популяций с помощью отбора образцов, так как планктонные микроорганизмы суспендированы в образце воды, который отбирают и тестируют в отношении концентраций микроорганизмов. В противоположность этому прикрепленные популяции постоянно прикреплены к структурам, и их присутствие нелегко измерить при отборе образца воды и тестировании образца на наличие микроорганизмов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание способа контроля планктонных и прикрепленных микробиологических популяций в промышленной водной системе в реальном времени и измерения количества биоцида, добавляемого к промышленной водной системе.

В первом варианте выполнения изобретения предлагается способ контроля планктонной и прикрепленной микробиологических популяций в промышленной водной системе, включающий

a) добавление флуорогенного красителя непосредственно в промышленную водную систему и для его взаимодействия с присутствующими планктонными или прикрепленными микроорганизмами,

b) обеспечение средства для измерения флуоресцентных сигналов от флуорогенного красителя в промышленной водной системе, причем измерение первого флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от флуорогенного красителя, а измерение второго флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя,

c) использование указанного средства для измерения флуоресцентных сигналов, т.е. для измерения флуоресцентного сигнала от флуорогенного красителя и флуоресцентного сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя, при этом исключают значения измеряемых флуоресцентных сигналов, которые ниже определенного уровня шума,

а) расчет отношения измеряемого флуоресцентного сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя к флуоресцентному сигналу флуорогенного красителя,

e) контроль изменения рассчитанного на стадии d) отношения для определения состояния планктонной и прикрепленной микробиологических популяций в промышленной водной системе.

Во втором варианте выполнения изобретения в способе дополнительно осуществляют

f) определение оптимального количества биоцида, подаваемого в промышленную водную систему, которое определяется по величине указанного отношения или скорости изменения указанного отношения,

g) подачу оптимального количества биоцида в водную систему.

В третьем варианте выполнения изобретения предлагается способ контроля планктонных и прикрепленных микробиологических популяций в промышленной водной системе, включающий

а) предварительное смешивание определенного количества инертного флуоресцентного меченого материала с определенным количеством флуорогенного красителя для образования смеси инертного флуоресцентного меченного материала и флуорогенного красителя,

b) добавление смеси, состоящей из инертного флуоресцентного меченого материала и флуорогенного красителя непосредственно в промышленную водную систему для взаимодействия флуорогенного красителя с присутствующим планктонным или прикрепленным микроорганизмом,

c) обеспечение средства для измерения флуоресцентных сигналов инертной флуоресцентной метки и флуорогенного красителя в промышленной водной системе, причем измерение первого флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от флуорогенного красителя, измерение второго флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя, а измерение третьего флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от инертной флуоресцентной метки,

d) использование указанного средства для измерения флуоресцентных сигналов, для измерения флуоресцентного сигнала от флуорогенного красителя, флуоресцентного сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя и флуоресцентного сигнала от инертной флуоресцентной метки, при этом исключают значения измеряемых флуоресцентных сигналов, которые ниже определенного уровня шума,

e) расчет отношения измеряемого флуоресцентного сигнала прореагировавшего флуорогенного красителя к флуоресцентному сигналу флуорогенного красителя,

f) контроль изменения рассчитанного на стадии d) отношения для определения состояния планктонной и прикрепленной микробиологических популяций в промышленной водной системе,

g) определение присутствия требуемого количества флуорогенного красителя в промышленной водной системе с использованием флуоресцентного сигнала от инертного флуоресцентного меченого материала,

h) регулирование количества смеси, состоящей из флуоресцентного меченого материала и флуорогенного красителя, добавленной к промышленной водной системе, на основе измерения флуоресцентного сигнала от инертного флуоресцентного меченого материала.

В четвертом варианте выполнения изобретения способ дополнительно включает

i) определение оптимального количества биоцида, подаваемого в водную систему, причем оптимальное количество основано на величине указанного отношения или скорости изменения указанного отношения,

j) подачу оптимального количества биоцида в водную систему.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающий чертеж, где:

изображена диаграмма зависимости относительной интенсивности длины волны (нм) для образца воды из колонны водяного охлаждения.

Относительная интенсивность представляет собой безразмерную величину, рассчитанную путем деления каждого измеренного флуоресцентного сигнала на измеренный флуоресцентный сигнал при определенной длине волны. В описываемом варианте выбранная длина волны равна 634 нанометрам ("нм"). Величина 634 нм была выбрана потому, что она представляет собой максимум флуоресцентной эмиссии для ресазурина. Ресазурин добавляли к воде в начальный момент времени и для взаимодействия в течение 24 часов с любыми присутствующими микроорганизмами. Для измерения флуоресцентного сигнала от ресазурина и флуоресцентного сигнала от прореагировавшего ресазурина (прореагировавший ресазурин представляет собой соединение, называемое ресоруфин) применяли флуориметр. Структуры ресазурина и ресоруфина также включены в чертеж.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В первом варианте выполнения заявленного изобретения способ контроля планктонной и прикрепленной микробиологических популяций в промышленной водной системе осуществляют следующим образом.

a) Добавляют флуорогенный краситель непосредственно в промышленную водную систему для его взаимодействия с любым присутствующим планктонным или прикрепленным микроорганизмами.

b) Обеспечивают средство для измерения флуоресцентных сигналов от флуорогенного красителя в промышленной водной системе, причем измерение первого флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от флуорогенного красителя, а измерение второго флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя.

c) Используют указанное средство для измерения флуоресцентных сигналов, т.е. для измерения флуоресцентного сигнала от флуорогенного красителя и флуоресцентного сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя, при этом отбрасывают значения измеряемых флуоресцентных сигналов, которые ниже определенного уровня шума.

d) Подсчитывают отношение измеряемого флуоресцентного сигнала от прореагировавшего красителя к флуоресцентному сигналу от непрореагировавшего красителя.

е) Осуществляют контроль изменения рассчитанного на стадии d) отношения для определения состояния планктонной и прикрепленной микробиологических популяций в промышленной водной системе.

Первоначально флуорогенный краситель добавляют к промышленной водной системе, которую проверяют. Обычно промышленная водная система содержит некоторые типы микроорганизмов. Промышленные водные системы включают колонны водяного охлаждения и бойлеры, открытые и закрытые системы рециркуляции, включающие открытые системы однократной циркуляции, отработанные вытекающие потоки, неочищенные сточные воды, очищенные сточные воды, загрязненные грунтовые воды, воды из-под химических процессов, воды целлюлозно-бумажного производства, основанный на воде водоток химического процесса, водотоки ферментации и другие системы непитьевой воды.

В каждой из промышленных водных систем предполагается наличие колоний микроорганизмов в различных зонах. Уровень микробиологической активности в каждой из данных зон является результатом действия различных факторов, включая исходную популяцию микроорганизмов, аэрацию, температуру, поток воды, присутствие питательных веществ для микроорганизмов и удаление микробиологических отходов. Даже на простом срезе биопленки микробиологическая активность будет варьировать в направлении вдоль и поперек среза в зависимости от действующих факторов. Измеряемый ответ флуорогенного красителя является общей суммой ответа микроорганизмов в общей системе, которые находятся в контакте с потоком воды, содержащей флуорогенный краситель. Следовательно, даже если уровень микробиологической активности является необычно высоким на небольшом срезе трубы теплообменника, но низким в другом месте, ответ флуорогенного красителя может быть низким. В заявленном способе измеряется средняя микробиологическая активность системы.

Флуорогенное соединение-краситель, добавляемое к промышленной водной системе, должно быть молекулой, флуоресцентный сигнал которой претерпевает существенные изменения при взаимодействии с широким спектром микроорганизмов. Следовательно, флуорогенные красители, подходящие для применения в заявленном способе, должны иметь определяемый флуоресцентный сигнал до их взаимодействия с микроорганизмом и отличающийся флуоресцентный сигнал после того, как они провзаимодействовали с микроорганизмами.

Подходящие флуорогенные красители включают, но не ограничиваются этим, сложный эфир уксусной кислоты и 3,6,8-трисульфокислоты; диацетат карбоксифлуоресцина; 3-карбоксиумбеллиферила β-D-галактопиранозид; 3-карбоксиумбеллиферила β-D-глюкуронид; 9Н-(1,3-дихлор-9,0-диметилакридин-2-он-7-ил), D-глюкуронид; 9Н-(1,3-дихлор-9,9-диметилакридин-2-он-7-ил); ресоруфина β-D-галактопиранозид; флуоресцина ди-β-D-галактопиранозид; флуоресцина ди-β-D-глюкуронид; ресоруфина β-D-глюкуронид; флуоресцина дифосфат; 7-гидрокси-3Н-феноксазин-3-он 10-оксид (обозначаемый здесь далее "ресазурин"); 7-гидрокси-ЗН-феноксазин-3-он 10-оксид, натриевая соль (обозначаемая здесь далее "ресазурина натриевая соль"); метиленовый синий; 4-метилумбеллиферила фосфат (обозначаемый здесь далее 4MUP); 4-метилумбеллиферила β-D-глюкуронид; пиранина фосфат; и пирен-3,6,8-трисульфокислоты 1-фосфат.

Предпочтительными флуорогенными красителями являются ресазурин, 4-метилумбеллиферила фосфат (4MUP) и пиранина фосфат. Наиболее предпочтительным флуорогенным красителем является ресазурин.

Указанные флуорогенные красители или имеются в продаже (например, ресазурин продается как ресазурина натриевая соль ALDRICH®, P.O. Box 355, Milwaukee, WI 53201, USA, номера телефонов (414) 273-3850 или (900) 962-9591)), или, как в случае фосфата пиранина, флуорогенные красители можно синтезировать известными способами.

Флуорогенный краситель добавляют к промышленной водной системе в эффективном количестве, чтобы он был способен определять активность микробов. Эффективное количество флуорогенного красителя находится в пределах от около 0,005 м.д. до около 1,0 м.д., предпочтительно от около 0,02 м.д. до около 0,5 м.д. и наиболее предпочтительно от около 0,04 м.д. и до около 0,1 м.д. Наиболее предпочтительное количество добавляемого флуорогенного красителя составляет 0,05 м.д. Когда краситель в виде соли, например, такую как ресазурина натриевая соль добавляют к промышленной водной системе, расчет м.д. основывается на активном количестве присутствующего флуорогенного красителя.

Конечно, количество применяемого флуорогенного красителя может быть более высоким, чем указанные количества. В действительности количество добавляемого флуорогенного красителя может составлять до около 10% от объема жидкости в водной системе. Предполагается, что количество, большее чем 1,0 м.д., будет приводить к потере флуорогенного красителя без обеспечения коммерческой выгоды для системы. Цены на флуорогенный краситель также играют роль в установлении практического верхнего предела количества красителя, добавляемого к системе. Дополнительные факторы, влияющие на добавление красителя в систему, включают тип красителя, количество жидкости, непрерывно теряемой и пополняемой в водной системе, и тип жидкостей, содержащихся в водной системе.

Флуорогенный краситель подается либо сам по себе, либо в сочетании с инертным флуоресцентным материалом-меткой, либо в сочетании с агентами для обработки воды, которые обычно подаются в охлаждающую водную систему, такими как ингибиторы накипи и коррозии.

Термин "инертный" означает, что инертная флуоресцентная метка заметно или значительно не подвергается действию любых других химических соединений в системе или действию других параметров системы, таких как металлургическая композиция, микробиологическая активность, концентрация биоцида, изменения температуры или общее содержание тепла. Под термином "заметно или значительно не подвергается действию" подразумевается, что инертное флуоресцентное соединение характеризуется не более 10% изменениями своего флуоресцентного сигнала в условиях, с которыми обычно сталкиваются в промышленных водных системах.

Инертные флуоресцентные материалы-метки, подходящие для применения с флуорогенными красителями, которые используют в настоящем изобретении, должны характеризоваться уникальным флуоресцентным сигналом, который отличается от флуоресцентных сигналов от флуорогенного красителя. Это обозначает, что флуоресцентный сигнал от флуорогенного красителя и флуоресцентный сигнал от прореагировавшего флуоресцентного красителя должны отличаться от флуоресцентного сигнала от инертного флуоресцентного материала-метки.

Подходящие инертные флуоресцентные материалы-метки представляют собой моно-, ди- и трисульфированные нафталины, включая их известные водорастворимые соли, и известные сульфированные производные пирена, такие как 1,3,6,8-пирентетрасульфокислота, вместе с известными водорастворимыми солями всех данных материалов, и Acid Yellow 7 (Chemical Abstract Service Registry Number 2391-30-2, для 1Н-бенз(де)-изохинолин-5-сульфокислоты 6-амино-2,3-дигидро-1,3-диоксо-2-п-толил-мононатриевой соли) (8CI)).

Специалистам в данной области техники известны обычные диапазоны дозировки для ингибиторов накипи и ингибиторов коррозии.

Предполагается, что ферменты, синтезируемые микроорганизмами в водной системе, действуют на флуорогенные красители. Данная активность вызывает изменения во флуоресцентном сигнале красителя и, используя флуоресцентный сигнал, можно проводить контроль микробиологической активности в воде. Способ согласно изобретению позволяет осуществлять контроль микробиологической активности планктонных и прикрепленных популяций в отличие от известных способов.

Средство для измерения флуоресцентных сигналов от флуорогенного красителя, от прореагировавшего флуорогенного красителя и от инертного флуоресцентного материала-метки в промышленной водной системе представляет собой любой имеющийся в продаже флуориметр. Для контроля флуоресцентного сигнала от флуорогенного красителя должно быть получено достаточное количество сигналов, перед тем, как он прореагирует с любыми микроорганизмами, а также флуоресцентного сигнала от флуоресцентного красителя после того, как он прореагирует с любыми присутствующими микроорганизмами, и флуоресцентного сигнала от инертного флуоресцентного материала-метки, если инертный флуоресцентный материал-метка присутствует.

Измерение флуоресцентного сигнала от флуорогенного красителя и от прореагировавшего красителя является известной процедурой для специалиста в области флуориметрии. Например, флуоресцентные свойства флуорогенного красителя ресазурина хорошо известны как для непрореагировавшего состояния, так и для прореагировавшего состояния "ресоруфина". Крайне предпочтительно, чтобы средства для взятия образцов для флуориметров располагались в промышленной водной системе таким образом, образцы можно было отобрать. Когда средства для взятия образцов для флуориметров расположены в промышленной водной системе, тип взятия образцов обычно обозначается как измерение на месте.

Измерение на месте осуществляется так, что пробы отбираются без прерывания потока измеряемой системы. Так как средства для взятия образцов для флуориметра(ов) расположены в системе, образец, контроль которого они осуществляют, точно отражает полную промышленную водную систему и по существу информация, собранная в результате осуществления данного способа, точно отражает наличие планктонных и прикрепленных микробиологических популяций. При измерении на месте отсутствуют проблемы, связанные с отбором образцов и необходимостью удаления образца из водного потока для дальнейшего тестирования. Прореагировавшая и непрореагировавшая формы красителя тестируются в реальном времени, когда почти мгновенное считывание отношения сигналов красителя будет давать показание уровня микробиологической активности. Таким образом, измеряемая скорость изменения отношения пропорциональна активности микроорганизмов в системе.

Несмотря на тот факт, что измерение на месте является крайне предпочтительным при осуществлении способа, можно использовать метод отбора образцов, подходящий для доставки образцов промышленной водной системы. Если применяют отбор образцов, должны быть обеспечены средства для транспортировки отобранных образцов к флуориметру в приемлемый интервал времени, чтобы данные, полученные с флуориметра, точно отражали текущее состояние промышленной водной системы.

Отношение флуоресцентного сигнала от флуорогенного красителя к флуоресцентному сигналу от провзаимодействовавшего флуорогенного красителя равно

Отношение является безразмерной величиной. Отношение может быть вычислено вручную, или с помощью калькулятора, или с помощью компьютерной программы. Предпочтительно, чтобы отношение вычислялось с применением подходящей компьютерной программы, чтобы запись отношения могла производиться непрерывно с установленными интервалами. Впоследствии скорость изменения отношения может быть использована для определения уровня микробиологической активности в системе.

Для автоматического вычисления отношения может быть использована компьютерная программа.

Независимо от того, как вычисляется отношение, может быть создана операционная система из имеющихся в продаже составляющих, которая может быть запрограммирована для обработки указанного отношения. Операционная система может применять отношение для осуществления контроля и добавления биоцида в промышленную водную систему. В операционной системе может использоваться любой цифровой компьютер, например Programmable Logic Controller (PLC), персональный компьютер или другое вычислительное устройство. Биоцид может дозироваться из простого контейнера для хранения ожиженного биоцида насосом. Предпочтительно, чтобы насос подавал отмеренное количество биоцида в водную систему и мог включаться вручную или под действием сигнала от вычислительного устройства.

Известно, что при отсутствии биоцида, если отношение возрастает, то микробиологическая активность увеличивается. Если отношение снижается, то это означает, что необходимо добавить дополнительное количество красителя в промышленную водную систему.

Когда способ осуществляется в присутствии биоцидов, необходимо произвести определенную корректировку. Биоциды, добавляемые при неприемлемом уровне микробиологической активности, включают окисляющие и неокисляющие биоциды.

Окисляющие биоциды содержат

BCDMH (92,5%, 93,5%, 98%), который является любым из 1,3-дихлор-5,5-диметилгидантоина и 1-бром-3-хлор-5,5-диметилгидантоина (регистрационный №16079-88-2) или их смесью, отбеливатели, включая стабилизированные отбеливатели, бром, включая стабилизированный бром, гипохлорит кальция (регистрационный № 7778-54-3) "Cal Hypo" (68%), хлор, включая стабилизированный хлор (8,34%), Н₂О₂/РАА (21,7%/5,1%), который представляет собой перекись водорода (регистрационный № 7722-84-1)/надуксусную кислоту (регистрационный № 79-21-0), гипобромит, бромноватистая кислота, иод, броморганические соединения, NaBr (42,8%, 43%, 46%), который представляет собой бромистый натрий, NaOCl (10%, 12,5%), который представляет собой гипохлорит натрия (регистрационный №7681-52-9), и их смеси.

Неокисляющие биоциды содержат

ADBAC Quat (10%, 40%) (регистрационный №68391-0-5), 80%) - хлористый алкилдиметилбензиламмоний, известный также как "quat", ADBAC (15%/TBTO (трибутилокись олова 5%), ADBAC (12,5%)/TBTO (2,5%), (ADBAC Quat/бистрибутилокись олова) (регистрационный №56-35-9), карбаматы (30%) формулы T₂NCO₂H, где Т₂ представляет собой C₁-С₁₀ алкильную группу, сульфат меди (80%), DBNPA (20%, 40%), который представляет собой 2,2-дибром-3-нитрилпропионамид (регистрационный № 10222-01-2), DDAC Quat (50%), который представляет собой хлористый дидецилдиметиламмоний quat, DPEEDBAC Quat (1%), который представляет собой(2-(2-пара-(диизобутил)фенокси)этокси)этил-диметил, диметилбензил, глутаральдегид (15%,45%), (регистрационный № 111-30-8), глутаральдегид (14%)/ADBAC quat (2,5%), ННТНТ - гексагидро-1,3,5-трис (2-гидроксиэтил)-5-триазин (78,5%), изотиазолоны (1,5%, 5,6%) - смесь 5-хлор-2-метил-4-изотиазолин-3-она (регистрационный № 26172-55-4) и 2-метил-4-изотиазолин-3-она (регистрационный № 2682-20-4), МВТ (10%) - метиленбистиоцианат, polyquat (20%, 60%), полимерное четвертичное соединение, полиамины и их соли - полимерные аминосоединения, тербутилазин (4%, 44,7%) - 2-(трет-бутиламино)-4-хлор-6-этиламино-5-триазин (регистрационный №5915-41-3), ТМТТ (24%) - тетраметилтиурамдисульфид, и их смеси.

Может применяться любое сочетание указанных выше биоцидов. Могут также применяться дополнительные биоциды, известные специалистам в области техники биоцидов. Единственное ограничение на выбор биоцида заключается в том, что если биоцид взаимодействует с флуорогенным красителем быстрее, чем он взаимодействует (разрушает) с микробами, то он неприемлем.

Было обнаружено, что все флуорогенные красители, подходящие для применения в настоящем заявленном изобретении, подвержены различной степени деградации в присутствии окисляющих биоцидов. Когда окисляющие биоциды присутствуют в промышленной водной системе, следует добавлять флуорогенный краситель в момент, как можно более отдаленный от момента добавления окисляющего биоцида. Даже когда флуорогенный краситель и окисляющий биоцид добавляют в промышленную водную систему, а большим разрывом во времени окисляющий агент, как известно, будет гасить флуоресцентный сигнал как от флуорогенного красителя, так и от провзаимодействовавшего флуорогенного красителя. Погашенные флуоресцентные сигналы не могут точно отражать текущее состояние микробиологической активности в промышленной водной системе. Поэтому в присутствии окисляющих биоцидов в способе должен приниматься во внимание феномен «гашения» путем исключения из рассмотрения любых флуоресцентных сигналов до тех пор, пока их значения не становятся выше определенного минимального уровня «шума». Минимальный уровень «шума» может быть определен с определенной степенью точности для каждой промышленной водной системы.

Окисляющие биоциды в дозе, достаточной для гибели присутствующих микроорганизмов, в небольшом избытке или без избытка, не должны существенно влиять на стойкость измеряемых флуоресцентных сигналов. Конечно, после добавления дополнительного флуорогенного красителя и измерения сигнала от флуорогенного красителя, эффективность способа восстанавливается.

Типичные неокисляющие биоциды не гасят флуоресцентный сигнал от флуорогенных красителей и от провзаимодействовавших флуорогенных красителей. Поэтому, если в промышленной водной системе присутствуют только неокисляющие биоциды, то флуоресцентные сигналы должны всегда точно отражать текущее состояние микробиологической активности в промышленной водной системе. Тем не менее, в промышленных водных системах, содержащих лишь неокисляющие биоциды, способ должен осуществляться без учета любых флуоресцентных сигналов, если их уровень не превышает определенный минимальный уровень «шума». Минимальный уровень «шума» может быть определен с разумной степенью точности для каждой водной системы.

Предпочтительно осуществляют предварительное смешивание флуорогенного красителя с ингибитором отложения накипи и/или коррозии и добавление данной смеси в промышленную водную систему. Биоцид (окисляющий, неокисляющий или их смесь) вводится после этого отдельно.

Путем вычисления отношения в отличие от простого измерения абсолютных величин флуоресцентных сигналов получают информацию, которая (1) не зависит от концентрации красителя и (2) более чувствительна к активности микробов. Чувствительность обусловлена тем фактом, что микроорганизмы превращают флуорогенный реакционный краситель в прореагировавший флуорогенный реакционный краситель с повышением отношения как за счет снижения флуоресцентного сигнала от непрореагировавшего флуорогенного красителя, так и за счет повышения флуоресцентного сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя (продукта).

Микроорганизмы, обычно обнаруживаемые в промышленных водных системах, включают Pseudomonas, Bacillus, Klebsiella, Enterobac, Escherichia, Sphaerotilus, Haliscomenobacter. Как указывалось ранее, данный перечень не является исчерпывающим, с помощью заявленного способа с применением указанного средства могут быть определены и другие бактерии и/или микроорганизмы.

В другом варианте осуществления способ включает измерение флуоресцентного сигнала, испускаемого инертным флуоресцентно меченым материалом, а также флуоресцентных сигналов от непрореагировавшего и от прореагировавшего флуорогенного красителя. Инертный флуоресцентно меченый материал применяют для определения концентрации имеющегося флуорогенного красителя, и благодаря тому, что концентрация известна, можно управлять системой так, чтобы всегда имелся желаемый уровень флуорогенного красителя.

Необходимо, чтобы концентрации инертного флуоресцентно меченого материала и красителя поддерживались в пропорциональном отношении друг к другу в растворе, подлежащем введению в водную систему. Пропорция должна поддерживаться таким образом, чтобы она служила точкой отсчета для определения изменения отношения определяемых флуоресцентных сигналов от инертного и флуорогенного красителя.

Определение отношения в реальном масштабе времени обеспечивает возможность немедленной оценки микробиологической активности, а также эффективности текущей дозировки биоцида и, при необходимости, ее повышения. Определение биологической активности в реальном масштабе времени позволяет осуществлять добавление биоцида в соответствии с потребностью. Когда такие дозировки могут быть оценены на основе реального масштаба времени, удается избежать добавления избытка биоцида. Таким образом, количеством подаваемого биоцида можно управлять на определенном эффективном уровне, что позволяет использовать только требуемое количество биоцида. Кроме того, на основе реального масштаба времени может быть оценена эффективность поступающего биоцида, и в зависимости от показаний в реальном масштабе времени дозировка может быть увеличена или уменьшена.

Следующие примеры представлены для иллюстрации настоящего изобретения.

ПРИМЕР 1

Исследование одного флуорогенного красителя и свойств его флуоресцентного сигнала как показателя взаимодействия флуорогенного красителя с микроорганизмами.

Пример 1a - Исследование свойств флуоресцентного сигнала ресазурина

В водных системах натриевая соль ресазурина растворяется, высвобождая ресазурин в качестве известного флуорогенного красителя, который может взаимодействовать с дыхательным ферментом дегидрогеназой, присутствующей в мембране многих микроорганизмов. В результате данной реакции с дегидрогеназой ресазурин восстанавливается до 3Н-феноксазин-3-он,7-гидрокси, известного также как ресорубин. Ресазурин и ресорубин имеют разные флуоресцентные сигналы. Химические структурные формулы ресазурина и ресорубина представлены на чертеже.

Ресазурин имеет сигнал флуоресцентной эмиссии с максимумом при 634 нм, а ресорубин имеет сигнал флуоресцентной эмиссии с максимумом при 583 нм. Спектры флуоресцентной эмиссии образца холодной воды, содержащего 0,2 м.д. ресазурина, показаны на чертеже. Данные спектры были получены с помощью флуориметра SPEX, (производитель: Jobin Yvon Spex, 3880 Park Avenue, Edison NJ 08820). Настройка флуориметра была следующей: полоса пропускания для длины волны как возбуждения, так и эмиссии была установлена на уровне 2,5 нм, длина волны возбуждения была установлена равной 550 нм, эмиссию сканировали между 570 и 650 нм с шагом 1 нм и временем интегрирования 0,2 секунды для каждого шага.

На чертеже спектр для начала отсчета показан в виде линии с треугольниками, гладкой линией показан спектр, полученный через 24 часа. Спектр для начала отсчета имеет пики при 583 нм и 634 нм, что указывает на присутствие небольших количеств ресорубина в образце ресазурина. Использованный образец ресазурина содержал небольшое количество ресорубина, что указывает на то, что данный спектр точно отражает состав образца в начальный момент времени. Спектр через 24 часа также содержит пики при 583 нм и 634 нм, но относительная интенсивность данных пиков является существенно иной.

Каждый из двух спектров нормализовали по отношению к интенсивности при 634 нм. Нормализация означает, что величины флуоресценции (т.е. интенсивность флуоресценции) при каждой длине волны делили на величину флуоресценции при определенной длине волны. Таким образом, интенсивность спектра является относительной по отношению к интенсивности при определенной длине волны. Спектры нормализовали по отношению к 634 нм, поскольку данные спектры были выбраны для демонстрации различия в форме спектров. В качестве образца был выбран преимущественно ресазурин, имеющий пик флуоресцентной эмиссии при 634 нм. Можно было бы также нормализовать данные спектры по отношению к 583 нм.

Изменение спектра на протяжении 24-часового периода было обусловлено взаимодействием ресазурина с микроорганизмами, присутствующими в воде колонны водяного охлаждения. Под действием микробов ресазурин превращался в ресоруфин. Ресазурин восстанавливается имеющимися в микроорганизмах связанными с мембранами дегидрогеназами. Дегидрогеназы представляют собой класс ферментов переноса электронов, имеющихся во всех микроорганизмах. Без взаимодействия с микроорганизмами ресазурин сам по себе в реальном времени не превращается в ресоруфин при отсутствии восстанавливающих агентов.

Взаимодействие с микроорганизмами приводит к повышению интенсивности пика при 583 нм по сравнению с пиком при 634 нм. Степень микробиологической активности в пределах системы можно определить путем вычисления отношения интенсивности пика при 583 нм (пик провзаимодействовавшего флуорогенного красителя) к пику при 634 нм (пик флуорогенного красителя).

Пример 1b - границы отношения

Вычисленное отношение флуоресцентного сигнала от флуорогенного красителя к флуоресцентному сигналу от провзаимодействовавшего флуорогенного красителя имеет ограничения по величине. В обычной воде из колонки водяного охлаждения (рН приблизительно 9,0) два пика при 583 нм и 634 нм сходны по интенсивности с ресазурином. После взаимодействия с микроорганизмами отношение постепенно возрастает. Данное увеличение продолжается пропорционально микробиологической активности вплоть до величины насыщения. Величина, при которой достигается насыщение отношения, зависит от чувствительности и калибровки флуориметра. Это связано с тем, что не все детекторы обладают одинаковой чувствительностью при 583 нм и 634 нм. Для хорошо откалиброванной системы (флуориметр Spex) вычисленное отношение достигает насыщения при величине, равной 5. Насыщение - это максимальная величина отношения. После этого активность микробов может продолжаться с неослабевающей интенсивностью, но величина не будет меняться. Спектр ресоруфина (чистого) имеет отношение между интенсивностью при 583 нм и интенсивностью при 634 нм, равное 5. Следовательно, если концентрация ресазурина очень низка, то доминирует спектр ресоруфина. Это связано с тем, что молекула ресоруфина обладает большим квантовым выходом флуоресценции по сравнению с молекулой ресазурина.

Причина насыщения следующая: ресоруфин имеет максимум эмиссии при 583 нм, но он также осуществляет слабую эмиссию при 634 нм. Интенсивность эмиссии при 634 нм составляет одну пятую от интенсивности при 583 нм. Ресоруфин также является более сильным флуорогеном по сравнению с ресазурином (т.е. если эквимолярные количества ресазурина и ресоруфина подвергают возбуждению при определенной длине волны, в данном случае равной 550 нм, то интенсивность флуоресценции ресоруфина значительно превосходит флуоресценцию ресазурина). В результате, когда большая часть ресазурина уже превращена в ресоруфин с помощью микроорганизмов, отношение интенсивности флуоресценции достигает величины насыщения, приближаясь к величине для пика одного ресоруфина.

ПРИМЕР 2

Данный пример показывает, что изменение отношения пропорционально росту биопленки (фиксированной) в системе.

В качестве флуоресцентного красителя был применен ресазурин. Содержащаяся в резервуаре вода постоянно рециркулировала через 10-футовый трубопровод (здесь далее «биопленочный реактор») с помощью зубчатого насоса с переменным потоком (модель 74011-10). Падение давления вдоль трубопровода измеряли с помощью датчика давления.

В резервуар непрерывно добавляли воду, содержащую разбавленный (менее 1 грамма/л) триптический бульон сои, имеющийся в продаже, а избыток воды сливали. Время пребывания системы составляло приблизительно 30 минут. Биопленочный реактор инокулировали микроорганизмами, и рост биопленки непрерывно контролировали путем регистрации падения давления между концами пластикового трубопровода, что является стандартным способом определения засорения. После этого в систему периодически добавляли ресазурин и измеряли отношение пиков ресоруфина и ресазурина с помощью флуориметра (полоса пропускания была установлена равной 2,5 нм как для возбуждения, так и для эмиссии, длина волны возбуждения была установлена равной 550 нм, эмиссию сканировали между 570 и 650 нм с шаговым интервалом 1 нм и временем интегрирования 0,2 секунды для каждого шага) через равные промежутки времени после добавления красителя.

Данные, показанные в таблице примера II (ниже), иллюстрируют изменение отношения и изменение падения давления во времени. В момент 0, когда система, как полагали, не содержала биопленки, систему инокулировали микроорганизмом. По мере пролиферации микробов с течением времени при постоянном обеспечении питательными веществами и водой они оседали на стенках труб и образовывали биопленочную массу. Толщина биопленочной массы росла со временем. Утолщение биопленочной массы повышало сопротивление для потока воды в трубопроводе, что приводило к повышению измеряемого падения давления. В течение этого времени также зарегистрировано постепенное повышение отношения ресазурина. Данное соответствие между результатами показаний датчика падения давления и отношения ресазурина показывает, что можно отслеживать активность биопленки с помощью заявленного способа.

Таблица 1Время (часы: мин)Изменение отношенияИзменение давления   0:000,300,333:270,380,3125:072,101,7253:023,415,84

ПРИМЕР 3

Ответ флуоресцентного красителя на популяции планктонных и прикрепленных микроорганизмов.

Популяции прикрепленных микроорганизмов растут в виде биопленки на относительно протяженном участке пластикового трубопровода, через который непрерывно прокачивают из резервуара воду, содержащую разбавленный (менее 0,1 грамм/л) триптический бульон сои. Время пребывания воды в системе составляет приблизительно 30 минут. Добавляют флуорогенный краситель и смешивают его с водой, после чего быстро отбирают образец смеси вода/краситель.

Отбирают исходный образец (здесь далее первичный образец) воды из трубопровода и используют для измерения исходного флуоресцентного сигнала ресазурина и флуоресцентного сигнала ресоруфина. Применяемым для измерения флуоресцентного сигнала флуориметром является флуориметр SPEX.

После этого первичный образец помещают на хранение, и в этом образце периодически измеряют флуоресцентные сигналы ресазурина и ресоруфина. Изменение флуоресценции в первичном образце указывает на планктонную микробиологическую активность в системе, поскольку первичный образец отбирали из трубопровода, и далее он не находился в контакте с прикрепленными микроорганизмами. Время роста отношения флуоресцентного сигнала ресоруфина к флуоресцентному сигналу ресазурина для исходно отобранного первичного образца показывает рост планктонных бактерий, имеющихся в воде стояка водяного охлаждения.

Периодически из трубопровода отбирают дополнительные образцы и в этих образцах измеряют флуоресцентные сигналы от непрореагировавшего красителя и от прореагировавшего красителя, затем вычисляют отношение данных сигналов, которое является показателем объединенной прикрепленной и планктонной популяции.

Для определения микробиологической активности в системе из биопленочного реактора отбирают дополнительные образцы (образец 30, образец 60), и в данных образцах измеряют флуоресцентные сигналы от непрореагировавшего красителя и от прореагировавшего красителя.

Отношение определяют для каждого ряда измерений флуоресцентного сигнала, которые указывает на микробиологическую активность.

Каждое отношение связано либо с планктонной активностью (из первичного образца), либо с суммой прикрепленной и планктонной активности из аликвот, взятых из биопленочного реактора.

Однако большое изменение отношения флуоресценции, наблюдаемое в аликвотах, бравшихся последовательно из биопленочного реактора, по сравнению с первичным образцом показывает преобладание биопленочной активности над планктонной активностью. Следовательно, ресазуриновый краситель способен проникать в биопленку и реагировать. Величина ответа может быть приписана значительно большей популяции активных микробов в биопленке.

ТАБЛИЦА 2ПримерКонцентрация красителя (м.д.)Флуорогенный красительВремя (мин)Отношение в первичном образце (лишь планктонная популяция, в отсутствие прикрепленной популяцииОтношение в образцах биопленочного реактора (планктонная и прикрепленная популяции)3А0,2Ресазурин01,071,373А0,2Ресазурин301,235,23В0,2Пиранинфосфат00,1460,1463В0,2Пиранинфосфат600,1951,54

ПРИМЕР 4

Данный пример показывает эффективность способа анализа в реальном масштабе времени для определения наличия фиксированной популяции микроорганизмов (известной также как «биопленка»). Проверялась соответствующая обработка биоцидом.

В таблице иллюстрируется схема контроля подачи биоцида в колонну и определения отношения с ресазурином в качестве флуорогенного красителя. Флуорогенный краситель непрерывно добавляют на пороговом уровне определения для поддержания на постоянном уровне в воде общей концентрации непрореагировавшего красителя и красителя, являющегося его прореагировавшим продуктом. Полученное отношение флуоресцентных сигналов регистрировали и вычисляли через каждые 3 минуты. Когда повышение отношения превышало установленный порог, в систему подавали насосом биоцид. Биоцидный насос оставался включенным до прекращения повышения вычисленного отношения флуоресцентных сигналов. Повышение отношения обусловлено микробной активностью, а снижение является ответом на введение биоцида.

ТАБЛИЦА 3Момент экспериментаОтношениеСостояние насосаКомментарии00:00:01,3838выключенБиоцидный насос выключен0:35:001,8815выключен 1:10:001,52выключен 1:38:001,75выключен 2:13:002,009включенБиоцидный насос включен2:55:002,159включен 3:24:002,22включен 3:52:002,166выключенБиоцидный насос выключен4:27:002,054выключен 4:55:002,027выключен 

Во время данного теста аликвоты отбирались через равные промежутки времени и наносились на чашку для определения действительного количества планктонного микробиологического загрязнения. Средняя величина, измеренная с применением стандартного «чашечного» способа, составляла 3,2×10³ колонии образующих единиц (обозначаемых «cfu»/мл). Данная величина является достаточно низкой для показателя общего контроля микроорганизмов в данном тесте.

Пример 5 компьютерный контроль

В данном примере в качестве флуорогенного красителя применен ресазурин.

В данном примере в качестве промышленной водной системы была выбрана колонна водяного охлаждения. Осуществлялся компьютерный контроль.

Для установки компьютерной программы применяют следующие параметры:

- микробная активность вызывает повышение отношения за счет взаимодействия с ресазурином;

- неокисляющие биоциды вызывают гибель микроорганизмов, но не взаимодействуют с красителем и обусловливают стабилизацию отношения;

- избыток окисляющего биоцида взаимодействует с ресорубином и обусловливает снижение величины отношения;

- сброс из колонны приводит к поступлению в систему свежего красителя, обусловливающему снижение отношения за счет повышения концентрации ресазурина.

Продуктом взаимодействия ресазурина с микроорганизмами является ресоруфин. Измеряемое отношение является отношением флуоресцентного сигнала ресоруфина к флуоресцентному сигналу ресазурина. Описанный ниже контрольный алгоритм контролирует цикл работы насоса на основе пропорциональности измеренного отношения с учетом определенных пользователем пределов контрольного отношения и тенденции в измерениях отношения за истекший период.

Флуоресцентные сигналы при 583 нм (ресоруфин) и 634 нм (ресазурин) измеряют регулярно на протяжении ограниченного, определенного пользователем периода времени измерений. Показатели хранятся в базе данных за истекший период (перечень FIFO). Если интенсивность обоих измеренных флуоресцентных сигналов ресоруфина и ресазурина превышает определенные пользователем пороговые величины для определенного пользователем минимального количества последовательных измерений, то отношения данных величин используют для определения тенденции путем их подгонки к многочлену второго порядка. Если обе величины интенсивности не превышают пороговую величину для минимального количества последовательных определений, то контрольная операция не производится до следующего измерения. Это обеспечивает сохранность флуоресцентных сигналов, которые должны быть отброшены из-за взаимодействия между флуорогенным красителем и какими-либо присутствующими окисляющими биоцидами. Качество подгонки определяют с помощью стандартного критерия Chi (хи-квадрата). Если подгонка не удовлетворяет тесту хи-квадрата, то контрольная операция не производится до следующего измерения. Если оцененный на текущий момент наклон приближения 2-го порядка ниже определенной пользователем минимальной величины, то контрольная операция не производится до следующего измерения.

Если наклон приближения 2-го порядка равен определенной пользователем минимальной величине или превышает ее, то устанавливается контроль путем включения цикла работы биоцидного насоса на часть периода измерений, пропорциональную положению измеренного отношения относительно определенных пользователем величин верхней и нижней границ отношения. Если измеренное отношение находится ниже нижней границы отношения, биоцидный насос остается выключенным. Если измеренное отношение находится выше верхней границы отношения, рабочий цикл биоцидного насоса устанавливается на его максимальной величине. Рабочий цикл биоцидного насоса никогда не превышает интервал измерений.

Изобретение относится к биотехнологии и касается контроля планктонной и прикрепленной микробиологических популяций в промышленной водной системе. Способ предусматривает добавление в промышленную водную систему флуорогенного красителя. Далее флуориметром измеряют флуоресцентный сигнал и подсчитывают его отношение к флуоресцентному сигналу от непрореагировавшего красителя. По результатам данных вычислений делают вывод о микробиологической активности в промышленной водной системе. Изобретение позволяет контролировать рост микроорганизмов в промышленной водной системе. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Способ контроля планктонной и прикрепленной микробиологических популяций в промышленной водной системе, отличающийся тем, что

a) добавляют флуорогенный краситель непосредственно в промышленную водную систему для его взаимодействия с присутствующими планктонными или прикрепленными микроорганизмами,

b) обеспечивают флуориметр для измерения флуоресцентных сигналов от флуорогенного красителя в промышленной водной системе, причем измерение первого флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от флуорогенного красителя, а измерение второго флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя,

c) используют указанный флуориметр для измерения флуоресцентных сигналов от указанного флуорогенного красителя, т.е. флуоресцентного сигнала от флуорогенного красителя и флуоресцентного сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя, при этом исключают значения измеряемых флуоресцентных сигналов ниже минимального уровня шума,

d) подсчитывают отношение измеренного флуоресцентного сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя к флуоресцентному сигналу от флуорогенного красителя,

e) осуществляют контроль изменения рассчитанного на стадии d) отношения для определения состояния планктонной и прикрепленной микробиологических популяций в промышленной водной системе,

f) определяют оптимальное количество биоцида, подаваемого в промышленную водную систему, которое определяется по величине указанного отношения или скорости изменения указанного отношения,

g) осуществляют подачу оптимального количества биоцида в промышленную водную систему.

a) предварительно смешивают определенное количество инертного флуоресцентного меченого материала с определенным количеством флуорогенного красителя для образования смеси инертного флуоресцентного меченого материала с флуорогенным красителем,

b) добавляют указанную смесь, состоящую из инертного флуоресцентного меченого материала и флуорогенного красителя непосредственно в промышленную водную систему для взаимодействия флуорогенного красителя с присутствующими планктонными или прикрепленными микроорганизмами,

c) обеспечивают средство для измерения флуоресцентных сигналов инертной флуоресцентной метки и флуорогенного красителя в промышленной водной системе, причем измерение первого флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от флуорогенного красителя, измерение второго флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя, а измерение третьего флуоресцентного сигнала является измерением сигнала от указанной инертной флуоресцентной метки,

d) используют указанный флуориметр для измерения флуоресцентных сигналов от флуорогенного красителя, т.е. флуоресцентного сигнала от флуорогенного красителя, флуоресцентного сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя и флуоресцентного сигнала от инертной флуоресцентной метки, при этом исключают значения измеряемых флуоресцентных сигналов ниже минимального уровня шума,

e) подсчитывают отношение измеряемого флуоресцентного сигнала от прореагировавшего флуорогенного красителя к флуоресцентному сигналу от флуорогенного красителя,

f) осуществляют контроль изменения рассчитанного на стадии d) отношения для определения состояния планктонной и прикрепленной микробиологических популяций в промышленной водной системе,

g) определяют присутствие требуемого количества флуорогенного красителя в промышленной водной системе с использованием флуоресцентного сигнала от инертного флуоресцентного меченого материала,

h) регулируют количество смеси, состоящей из флуоресцентного меченого материала и флуорогенного красителя, добавленной к промышленной водной системе, на основе измерения флуоресцентного сигнала от инертного флуоресцентного меченого материала,

i) определяют оптимальное количество биоцида, подаваемого в водную систему, причем оптимальное количество основано на величине указанного отношения или скорости изменения указанного отношения,

j) подают оптимальное количество биоцида в водную систему.