用于监测和控制过程流的状态的方法和装置制造方法

用于监测和控制过程流的状态的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种通过测量在所述流中的溶解氧浓度或rH值或两者，估测并任选控制在工业过程的过程流中的微生物状态的方法，所述方法包括连续或周期性取样和在线测量。本发明还涉及一种适用于执行所述方法的装置。
【专利说明】用于监测和控制过程流的状态的方法和装置
[0001]发明背景。
发明领域
[0002]本发明涉及用于监测并任选控制过程流中的微生物状态的方法和装置，其基于变量(例如溶解氧或rH或两者)的测量，任选借助软传感器，例如，基于Linquistic方程(LE)。
[0003]相关技术的描述
在许多工业过程系统(例如，在纸和纸浆处理系统)中，如果不有效控制微生物，常见的问题是微生物生长。微生物生长可在系统中引起若干问题。过程流中的细菌可引起流败坏，或者细菌可附着到形成生物膜或粘液的系统表面。例如，从系统表面分离的生物膜团块可被携带至纸浆水中，并且形成为纸张，从而弱化形成的纸张品质，例如，引起其撕破或在纸中导致孔洞。
[0004]工业过程(例如纸或纸板制造过程)通常含有其中将过程流保持在槽中较长的时间段的过程阶段。这些过程阶段对于微生物的发育是理想的，从而可提高所述流的微生物含量。在过程系统中对于微生物生长理想的位置的其它实例为过程系统的死区(例如，差的混合区域)。
[0005]在工业过程系统中(例如，在纸或纸板的制造中)，由于缺乏快速在线测量方法和装置，微生物分析目前在实验室中进行。这些方法(例如，板计数)耗时，并且可耗时长达2-3天以得到分析结果。此外，由于在实验室分析结果和过程条件的变化之间总是存在延迟，结果可能对于过程流是不足够的生物杀灭剂剂量，因此有差的纸品质以及过程的低成本效率。对于需要生物杀灭剂来保持过程流中微生物的低水平的其它过程，同样如此。
[0006]WO 2008/101089描述了一种基于使用指定的过程步骤测量的溶解氧浓度的变化，监测在过程流中在需氧条件下的微生物活性的方法。然而，该测量据称不适用于低溶解氧浓度的过程流。此外，过程复杂，需要在测量周期期间在测量点之间清洁测量探头。
[0007]此外，不存在可用的方法来可靠地监测在过程流中在厌氧条件下的微生物状态。
[0008]因此，需要更简单的测量方法来监测过程流的微生物状态，特别是在线监测，并任选控制过程流的微生物状态，例如，通过控制要加入到过程中的生物杀灭剂的有效量，以保持在所述流中可接受的微生物状态。此外，需要还能够在过程流中的低溶解氧浓度下以及在厌氧条件下监测微生物状态。
[0009]发明概述
本发明的一个目的是消除与已知的技术相关的至少一部分问题，并且提供用于监测(任选控制)过程流的微生物状态的方法和装置。
[0010]现在已开发用于分析过程流的新的方法和装置。本发明特别适用于监测并任选控制过程流(尤其是含水过程流)的微生物状态。
[0011]在本文中微生物状态指可影响过程流中的溶解氧浓度和/或rH值的所有这些微生物的活性，并任选指过程流中的需氧或厌氧条件。[0012]该想法基于测量参数，例如过程流中的溶解氧浓度和/或rH。将样品从过程分批取出至测量单元，并且在测量周期期间，测量样品中的溶解氧浓度和/或样品的rH。优选还测量温度，可随后得到溶解氧浓度的更精确的值。
[0013]任选，基于任何方程和/或模型(例如，基于Linquistic方程(LE)模型)的软传感器优选用于帮助解释测量数据和/或计算的结果数据。除了本发明的数据以外，通过任何已知的传感器或分析器得到的其它过程数据可用于产生对过程流的微生物状态的甚至更精确的感测，用于监测并任选控制过程流的微生物状态。
[0014]因此，本发明涉及通过测量在所述流中溶解氧浓度或rH值或两者，用于监测并任选控制过程流中的微生物状态的方法和装置。
[0015]更具体地，本发明的方法特征在于在权利要求1中陈述的内容。
[0016]此外，本发明的装置特征在于在权利要求13中陈述的内容，并且本发明的用途特征在于权利要求19和20中陈述的内容。
[0017]该方法和装置使得可监测过程流(特别是工业流)的微生物状态，并任选控制微生物状态。使用简单的测量方法，通过控制(优选自动化地)要加入到过程流的生物杀灭剂的量和/或生物杀灭剂的投料位置和/或生物杀灭剂的类型选择，可控制微生物状态。该方法还允许分析具有低溶解氧浓度的过程流。其还允许在厌氧条件下监测并任选控制过程流的微生物状态。所述方法和装置可提供关于分析的过程流的微生物状态的在线数据。
[0018]接着，参考附图和详细说明来更准确地描述本发明。
[0019]附图简述
图1为实施本发明的方法的一个实施方案的布置的示意图。
[0020]图2为本发明的在线测量装置的示例性输出的图示说明，显示在测量单元中测量的溶解氧浓度和温度。
[0021]图3为示例性纸浆悬浮液中相对氧消耗和需氧细菌的量的图示说明。
[0022]图4为在测量周期中，在&和12之间，示例性纸浆样品的氧消耗(mg/1)和相对氧消耗(%)的图示说明。
[0023]图5a为在测量期间，在不同时刻，在示例性纸浆样品中的相对氧消耗和氧消耗的图示说明。图5b显示在相同的示例性纸浆悬浮液中相对氧消耗和需氧细菌的量。
[0024]图6为在示例性纸浆悬浮液中微生物的量的图示说明，使用常规的实验室分析方法测量，并且使用基于Iinquistic方程的软传感器估测。
[0025]图7为pH对氧化还原值的影响的图示说明，以及相应于不同的过程条件(例如，需氧或厌氧条件)的rH值。
[0026]图8为在不同的rH值下微生物的量的图示说明，图8a显示经一定的时间段测量的rH值，其中需氧细菌的数量随着rH值降低而提高，图Sb显示测量的rH值相对于在实验室中测量的厌氧细菌的量(CFU)。
[0027]图9为在悬浮液流中基于本发明的测量的示例性控制策略的示意图，预期经历两步生物杀灭剂处理，具有两个单独的加入点。
[0028]图10为在悬浮液流中基于本发明的测量的示例性控制策略(用于基础反馈FB控制器)的示意图，预期经历一步生物杀灭剂处理。
[0029]图11为在悬浮液流中基于本发明的测量的示例性控制策略(用于具有级联回路的FB控制器)的示意图，预期经历一步生物杀灭剂处理。
[0030]本发明的优选实施方案的详细说明
本发明涉及用于监测并任选控制过程流(优选工业过程的过程流)的微生物状态的方法和装置，通过分批得到悬浮液流的样品，至少在两个时间点，测量所述流中的溶解氧浓度或rH值或两者，在所述两个或更多个时间点中的两个之间，计算相对氧消耗、rH的变化或rH的相对变化，或计算这些中的两个或更多个，和基于测量测定流的微生物状态，以及适用于执行所述方法的装置。
[0031]术语过程流的“微生物状态”指可影响过程流中的溶解氧浓度和/或rH值的所有这样的微生物的活性，并任选指过程流中的需氧或厌氧条件。
[0032]过程流中的微生物活性可通过监测溶解氧的消耗而间接测量，因为溶解氧消耗与细胞的需氧代谢直接相关。微生物的活性越高，则溶解氧的消耗越高。意外地，发现相对溶解氧消耗可用于监测过程流的微生物状态。在需氧条件(即，当溶解氧浓度高于O mg/1)下，对于根据本发明的方法的微生物活性，发现相对溶解氧消耗为非常敏感的测量。通常溶解氧的相对消耗也与需氧细菌的量相关。
[0033]发现rH值或尤其是其变化或相对变化描述在厌氧和缺氧条件下的微生物活性。在厌氧和缺氧条件下，微生物产生倾向于降低过程流的rH值的这些产物。rH值、其变化或相对变化通常也与厌氧细菌的量相关。
[0034]此外，在需氧条件下，rH值也可与在待分析的悬浮液流中需氧细菌的量相关，尤其是当在样品中基本上不存在强氧化性化学品时。当氧被微生物消耗时，氧浓度降低，从而rH值降低。
[0035]根据本发明的一个实施方案，通过测量过程流中的溶解氧浓度和rH值两者，可得到关于宽泛的过程条件的信息。在测量周期开始时测量的溶解氧浓度和rH的值描述过程条件是厌氧还是需氧。因此，可得到过程流中从厌氧到需氧条件的变化，反之亦然。
[0036]在测量序列开始时的初始值可用于选择用于测定微生物状态的至少一个测量(溶解氧或rH)。因此，将得自测量周期的初始值或溶解氧浓度和/或rH的信息与rH的变化、rH的相对变化或氧消耗的相对变化中的一个或多个组合，可在需氧和厌氧条件两者下使用本发明的方法监测(任选控制)过程流的微生物状态。这尤其优选用于其中过程条件在厌氧和需氧过程条件之间变化的过程。
[0037]用于实施本发明方法的一个优选的实施方案的布置在图1中示意性说明。
[0038]参考图1，本发明的装置含有具有入口 23和出口 24的测量单元10、用于测量溶解氧的量的设备6和/或用于测量在测量单元内rH的设备7。
[0039]装置优选含有用于将样品引向测量单元10的入口导管11。装置可含有用于从测量单元引导样品的出口导管12。入口导管11与过程管线13连接，从而入口导管允许从主过程管线13进行侧取。用于测量rH值的所述设备7优选包括:用于测量氧化还原电势的设备7a、用于测量pH值的设备7b以及优选的用于计算rH值的设备7c。
[0040]在一个实施方案中，装置包括用于测量温度的设备8和任选的用于测量压力的设备9。
[0041]因此，通过在线测量在所述流中溶解氧的量或rH或两者，本发明的装置适用于监测(任选控制)过程流中的微生物状态。[0042]在一个优选的实施方案中，装置与用于过程流的过程管线13流体连接。过程管线13配备侧取25，其可为用于从所述过程流取出样品的入口导管11，优选主过程流。从而侧取25用作取样点。侧取25与测量单元10流体连接。测量单元优选为封闭的容器，具有用于样品流进入、样品退出的开口和用于过程设备(如果需要)(例如，测量探头或传感器)的任何开口、用于水或气体管线的入口。侧取11优选配备有阀VI，用于从过程管线13取样。优选容器10没有在测量期间用于混合样品的设备。测量单元10旨在在测量期间容纳样品。测量单元可含有具有用于加压空气的阀V4的入口 14，以在任何选择的测量周期之间，为过程流提供湍流，从而允许清洁在测量单元内部的表面。容器内部表面的清洁可另外或备选地通过经由洗涤水所用的入口管线17(包括阀V5)提供水来实现。在一个优选的实施方案中，装置含有流仅用于待测量的样品流进入的入口。此外，装置包含:用于测量溶解氧的浓度6，或用于测量氧化还原7a和pH 7b (以测定在所述测量单元10内样品的rH)的设备，或6、7两者；以及用于处理测量和基于测量的值实施计算(例如，计算相对溶解氧消耗、rH、rH的变化或相对变化)的设备20。
[0043]如上所述，用于测量样品的rH的任选设备7优选包括用于测量样品的氧化还原电势的设备7a和用于测量样品的pH值的设备7b，并优选包括用于计算样品的rH值的设备7c,并任选包括用于测量温度的设备。
[0044]用于测量溶解氧浓度的以上提及的设备6优选选自不需要使用膜的(非电化学)传感器，因为基于使用膜的传感器随时间变得较不敏感(通过过滤器老化和污损)，并且它们需要在测量期间混合样品或足够的流速，以及定期的校准。特别优选使用利用光学测量技术(例如，发光溶解氧(LDO)技术)的传感器。LDO传感器可例如得自Hach Company。
[0045]由于优选在用于监测过程流的微生物状态的方法中提供温度和/或压力控制，装置优选还包含用于测量在所述测量单元10内样品的温度的设备8，并优选还包含用于测量在所述测量单元10内压力的设备9。当应用用于测量溶解氧浓度的设备6时，特别优选用于测量温度的设备8。这些设备6可包括用于测量温度的单独的设备，例如温度传感器或温度计。当应用用于测量rH的设备7时，还特别优选用于测量温度的设备8。
[0046]测量单元可因此包括用于测量在容器内的样品温度的设备。任选，用于测量溶解氧浓度的设备6和/或用于测量样品的rH的设备可包括用于测量温度的另外的设备。
[0047]还优选在装置内包括用于控制和监测装置的功能的设备19。该控制和/或监测可原位进行或使用远程系统。尤其是，这些设备19用于控制周期和周期的序列、用于温度控制、用于控制计算(例如，控制测量的处理)和用于控制物杀灭剂的投料。根据本发明的一个优选的实施方案，装置还包含用于计算要加入到过程管线13的生物杀灭剂的量的设备21和用于将所述生物杀灭剂投料至过程管线I中的设备22。
[0048]根据本发明的一个特别优选的实施方案，装置包括温度受控的测量容器10、入口导管11和具有补充设备(例如，用于调节在所述管线中的流量(例如阀V1、V2、V6))的洗涤管线15以及控制单元19。由于氧在液体(例如，水)中的溶解取决于温度，监测并任选控制测量反应器10的温度。使用例如珀尔帖元件，实现如果测量在恒定的温度下运行所需的测量单元16的加热和/或冷却。测量容器10例如通过珀尔帖元件的电阻加热，并通过元件的冷却水循环冷却。如果在测量期间温度不恒定或受控，则可通过计算补偿其对氧溶解的影响。另外，在容器10中安装氧测量传感器6和温度传感器8，例如PT-100传感器。温度传感器8用于监测容器10的温度。
[0049]在一个优选的实施方案中，取样系统包含至少入口导管11、至少在过程流13和测量单元10之间调节样品流量的设备(例如，阀)和优选出口导管12。
[0050]在一个优选的实施方案中，取样管线洗涤包含至少洗涤管线15和至少在过程流13和洗涤管线15之间调节洗涤水流量的设备(例如，阀V6和VI)。
[0051]由于压力影响氧在液体(例如，水)中的溶解，在一个优选的实施方案中，监测并任选控制测量单元10的压力。溶解氧和/或rH的测量优选在正常的空气压力下进行。通过在开始测量前打开出口导管(12)的阀V3，或者通过使出口导管对常压敞开，在测量容器中可得到正常的空气压力。在一个优选的实施方案中，V3不在系统中。
[0052]在一个优选的实施方案中，在相同的系统(例如可编程的逻辑和/或工业PC)中，包括用于处理测量和基于测量的值实施计算的设备20、用于控制和监测装置的功能的设备19和用于计算生物杀灭剂的量的设备21。
[0053]一个优选的装置包括测量单元、在线传感器、取样管线洗涤、取样系统和可编程的逻辑和/或工业PC，用于处理测量结果、控制和监测装置的功能和用于计算要加入到过程管线的生物杀灭剂的量。
[0054]本发明的测量的和/或计算的值可在本地或经由远程系统(例如，基于网络)监测。
[0055]用于监测过程流中的微生物状态的本发明的方法，所述方法包括以下步骤 一提供起源于工业过程的过程流；
一将过程流的样品优选从取样点分批引导至测量单元；
一测量在测量单元内样品中的溶解氧浓度或rH或两者，作为时间的函数，优选在至少两个时间点；
一在所述两个或更多个时间点中的两个之间，计算相对氧消耗、或rH的变化或rH的相对变化，或计算这些中的两个或更多个；和
一基于rH值或这些计算的值中的一个或多个，测定过程流的微生物状态。
[0056]通过测量在所述流中溶解氧浓度或rH或两者，监测在过程流中的微生物状态的本发明方法的另一个实施方案，所述方法包括
一提供起源于所述过程的过程流；
一将过程流的样品优选从取样点分批引导至测量单元；
一在两个或更多个时间点，测量在测量单元中样品中的溶解氧浓度或rH或两者；
一在所述两个或更多个时间点中的两个之间，基于计算的值或rH值中的一个或多个，测定过程流的微生物状态，其中计算的值包括计算相对氧消耗，或rH的变化或rH的相对变化，或rH变化或溶解氧消耗的速率，或计算这些中的两个或更多个。
[0057]任选，在所述流中测定的微生物状态用于优化生物杀灭剂程序，例如，用于选择一种生物杀灭剂或多种生物杀灭剂和/或计算要加入到过程流中的生物杀灭剂的量或计量和/或选择生物杀灭剂的加入点的位置。其还可用于识别系统中微生物问题的位置和/或来源，在该系统中，过程流为可存在于例如槽、容器、制浆机和管道中的例如纸浆、废纸、水循环和未处理的水的一部分。
[0058]任选，通过控制加入到过程流的生物杀灭剂的量、加入点的选择或生物杀灭剂的类型选择或这三者的任何组合，在所述流中测定的微生物状态用于控制(优选自动化地)过程流的微生物状态。控制在所述流中的微生物状态优选包括控制加入到过程流的生物杀灭剂的量，优选通过自动化控制系统。
[0059]在本发明的一个优选的实施方案中，所述方法还包括通过将生物杀灭剂加入到过程流，优选通过自动化控制系统，控制在所述过程流中的微生物状态。
[0060]通过使用本发明，发现在纸或板制造过程中，对于微生物生长理想的阶段是废纸槽，其中废纸可储存长时间段，例如2-10小时或甚至数天。
[0061]测定的微生物状态还可用于在各槽中测定和控制过程流(例如纸或纸板制造过程的废纸)的期望的延迟时间，因为可能需要较短的延迟时间，例如，如果在所述槽内微生物生长存在大的提高。
[0062]根据本发明的一个优选的实施方案，本发明的装置用于执行该方法。
[0063]待分析的过程流可为任何含水或非含水液体，任选包含固体物质。固体物质可为悬浮的和/或胶态形式。过程流特别是在工业过程的水循环系统中的过程流，任何含水悬浮液，例如纸或纸板纸浆、废水、纸涂料颜料、活化淤泥、无机淤泥或洗涤流，例如用于油钻探或采矿的那些。过程流可起源于工业水系统或市政水系统。根据本发明的一个优选的实施方案，流由纸或纸板纸浆悬浮液组成，包括任选的添加剂。
[0064]过程流可为在过程中的流动或流或为停滞的，例如，样品或储槽的内含物。
[0065]根据本发明的一个优选的实施方案，使用分批取样。将过程流引导至测量单元。当测量单元填充有过程流样品时，流动中断，以保持样品在测量单元中。取样通常通过将过程流引导通过测量容器一定的时间段(取样时间)而实施，以得到代表性样品。在取样后，流动中断，以保持样品在测量单元中。将样品在测量单元中保持一定的时间段，即测量周期。在测量周期期间，至少在两个时间点实施测量。基于待分析的流的总体(平均)微生物状态，评价用于测量周期的时间。优选测量周期在I分钟-3小时之间变化，更优选15分钟-2小时之间。测量的输出的一个实例示于图2。在该示例性系统中，取样时间为15秒，溶解氧的测量周期为2小时。在一个优选的实施方案中，在整个测量周期期间实施测量，例如，在测量期间周期，例如在2小时期间，每分钟记录测量值60次。
[0066]至少在两个时间点测量的值(溶解氧浓度或pH和氧化还原电势的组合或这两者)用于计算氧消耗(Λ DO)、相对氧消耗(Λ D0%)、rH值(rH)、rH值的变化(Λ rH)和/或rH值的相对变化(ΛrΗ%)。
[0067]使用等式⑴计算氧消耗(mg/1):
【权利要求】
1.通过测量过程流中的溶解氧浓度或rH或两者，监测所述流中的微生物状态的方法，所述方法包括 一提供起源于所述过程的过程流； 一将所述过程流的样品分批引导至测量单元； 一在两个或更多个时间点，测量在所述测量单元中所述样品中溶解氧浓度或rH或两者； 一在所述两个或更多个时间点的两个之间，计算相对氧消耗，或所述rH的变化或相对变化，或计算这些中的两个或更多个，和 一基于计算的值中的一个或多个或基于所述rH值，确定所述过程流的微生物状态。
2.权利要求1的方法，其中所述过程流为工业流，优选纸或纸板的纸浆悬浮液的流。
3.权利要求1或2的方法，其中测量所述样品的温度和所述测量单元中的压力并任选用于所述计算。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中所述溶解氧浓度或rH或两者的测量在恒定的压力下或在恒定的温度下或在温度和压力两者恒定下进行。
5.权利要求1-4中任一项的方法，其中所述rH通过测量所述样品的pH值和氧化还原电势并计算所述rH值而确定。
6.权利要求1-5中任一项的方法，其中所述测定微生物状态的步骤包括使用以下等式来计算所述相对氧消耗:
7.权利要求1-6中任一项的方法，其中在测量周期开始时或在测量周期之前取得所述溶解氧浓度和/或所述rH的初始值，以确定所述过程流条件是需氧还是厌氧。
8.权利要求7的方法，其中在初始测量中得到的结果用于由所述溶解氧浓度、rH或它们的组合选择合适的测量参数，并任选将至少一部分这样得到的结果用于监测和/或控制所述过程流的微生物状态。
9.权利要求1-8中任一项的方法,其中软传感器,特别是基于Linquistic方程(LE)模型，用于帮助解释测量数据和/或计算的数据和任选任何其它过程数据，以确定所述过程流的微生物状态。
10.权利要求1-9中任一项的方法，所述方法还包括通过控制加入到所述过程流的生物杀灭剂的量、加入点的选择或生物杀灭剂类型的选择或这三个的任何组合，优选自动化地控制所述过程流的微生物状态。
11.权利要求1-10中任一项的方法，所述方法还包括通过将一定量的生物杀灭剂加入到所述过程流，优选通过自动化控制系统，控制所述流中的微生物状态。
12.权利要求1-11中任一项的方法，所述方法还包括识别要监测的过程流，优选选自纸浆、废纸、水循环和未处理的水，和/或识别要监测的这些过程流的位置，优选选自槽、容器、制浆机和管道。
13.通过测量工业过程的过程流中溶解氧浓度或rH或两者，用于监测所述流中微生物状态的在线装置，所述装置包含 一具有入口(23)和出口(24)的测量单元(10)，旨在容纳待测量的样品；和 一用于测量溶解氧的浓度的设备(6)或用于测量在所述测量单元(10)内样品的rH的设备(7)，或两种设备。
14.权利要求13的装置，所述装置还包含用于将样品引向所述测量单元(10)的入口导管(11)和用于将样品引 导离开所述测量单元(10)的出口导管(12)，所述入口导管(11)与过程管线(13)连接，从而所述入口导管允许从主过程管线(13)进行侧取。
15.权利要求13或14的装置，其中用于测量所述样品的rH的设备(7)包括用于测量氧化还原电势的设备(7a)、用于测量pH值的设备(7b)以及基于所述pH值和氧化还原电势计算所述样品的rH的设备(7c)。
16.权利要求13-15中任一项的装置，所述装置还包含用于测量温度的设备(8)和用于测量压力的设备(9)。
17.权利要求13-16中任一项的装置，所述装置还包含用于控制和监测所述装置的功能的设备(19)。
18.权利要求13-17中任一项的装置，所述装置还包含用于计算要加入到所述过程管线(13)中的生物杀灭剂的量的设备(21)和用于将所述生物杀灭剂投料至所述过程管线(13)中的设备(22)。
19.权利要求1-12中任一项的方法用于测定在纸或纸板制造过程的纸浆中的微生物状态的用途。
20.权利要求13-18中任一项的装置在权利要求1-12中任一项的过程中的用途。
【文档编号】G01N27/36GK103959059SQ201280059316
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年11月30日 优先权日:2011年12月2日
【发明者】M.皮伊罗南, I.乔恩苏, P.伊莫拉, K.詹斯森 申请人:凯米罗总公司