监测过程流中整体(总的)微生物活性的方法

摘要

公开了通过测量溶解氧来监测和控制过程流中的微生物活性的仪器和方法。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2007年2月16日提交的未决申请美国系列号11/675,726的部分继续申请，该未决申请通过引用并入本文。

发明领域

本发明涉及用于监测过程流(process stream)中的微生物活性的仪器和监测过程流中的微生物活性的方法。

背景

商业的水系统中的微生物生长能导致酸败和表面污垢。如果生长没有被充分地控制，那么酸败能够导致令人反感的气味和减弱的添加剂的功能(例如，微生物能产生过氧化氢用来增强亮度的过氧化氢酶并且能产生可影响纤维强度的纤维素酶)。如果表面污垢没有被充分地控制，那么生成的生物膜能够干扰热交换，并且在造纸系统的情况中生物膜能够产生减缓制造过程、停止该过程以从表面清除这些沉积物的需要，或者可能从表面脱落从而在制成的纸或纸板的产品中引起孔或斑。因此，用杀生物剂处理这样的水以控制微生物生长并防止相关问题。

因为酸败和生物膜形成在工业水系统中造成不同的问题并且浮游细菌和固着细菌对生物控制措施响应不同，所以需要监测生物控制方案对这些不同模式的微生物生长的影响。

通常用来监测这样的水系统的标准技术包括标准的平板计数技术。这些技术需要很长的孵育期并且没有为积极主动的控制和防止微生物生长相关问题提供充分的信息。最近，三磷酸腺苷(ATP)的测量已被用作一种积极主动控制的手段。然而，试剂价格很高并且是从大的水系统中抽取小体积样本。数据采集也不频繁，导致数据明显间断。因此，这种方法提供了在感兴趣的系统中关于微生物状况的有限的信息。此外，这些方法通常被用来监测浮游细菌。尽管在某些情况下，可以擦拭和分析表面以便对生物膜细菌进行定量。这些方法非常冗长且费时。

因为众所周知微生物活性和有氧代谢导致溶解氧浓度的减少，溶解氧(DO)探头已被用来测量流体中的微生物活性。颁发给Robertson等人的美国专利第5,190,728号和第5,282,537号公开了利用DO测量监测市售水中的污垢的方法和仪器。然而，该方法需要使用添加营养素来区别生物和非生物的污垢，并且没有提到在探头表面变污后如何更新探头以供进一步的测量。此外，所公开的方法需要持续供氧的装置。

标准的Clark式电化学DO探头具有许多局限，例如：化学干扰(H₂S、pH、CO₂、NH₃、SO₄、Cl^-、Cl₂、ClO₂、MeOH、EtOH和各种离子种类)、频繁的校准和膜更换、缓慢的反应和漂移的读数、热冲击和通过膜的高流量要求。最近由数个公司(例如HACH，Loveland，CO)制造出可商购的一种新型溶解氧探头几乎克服所有这些局限，以致于可在过程用水中对DO进行在线测量。这种新DO探头(LDO)是基于荧光寿命衰减，其中氧的存在缩短了受激发的荧光团的荧光寿命。荧光团被固定在传感器表面的膜中，并且使用蓝色LED提供激发。

颁发给Lee等人的美国专利第5,698,412号和第5,856,119号公开了用于监测和控制流体中的生物学活性的方法，其中与pH联合在一起测量DO以测量代谢行为、特别是与营养素/底物的耗尽有关的代谢行为的转变。

对于监测市售水中浮游细菌和生物膜细菌的可靠且便利的方法仍存有需求，所述方法确保生物控制程序充分地控制酸败和有问题的生物膜。这些方法应该无试剂以允许在代表周围环境条件的条件中测量微生物活性(最小的改变)。这些方法应该是自动化的并且应该允许远程控制监测器、远程访问数据以及生物控制程序的远程或自动化的反馈控制。理想地，这些方法将会区别表面上的微生物活性与整体水的活性以确保生物控制程序充分地解决当尝试控制生物膜中的微生物时通常面对的增长的挑战。此外，这些方法将会提供关于沉积物(生物的或非生物的)的性质的信息以确保应用适当的控制措施。

发明概述

本发明提供了用于测量过程流中的微生物活性的仪器，该仪器包括：(a)包含多个开口的流通池，其中至少一个开口是用于从所述过程流中吸入的流体的流通池入口，并且至少一个开口是用于流体离开所述流通池的流通池出口；(b)与所述开口之一相连的DO探头；(c)任选地与所述开口之一相连的ORP探头；(d)与所述开口之一相连的清洁器件；(e)任选地与流通池入口相连的第一导管；(f)任选地与流通池出口相连的第二导管；和(g)任选地与所述流通池相关联的阀。

本发明还提供了用于监测过程流中整体(总的)水的微生物活性的方法，该方法包括：(a)将仪器与过程流相连接，其中所述仪器包括包含多个开口的流通池，其中至少一个开口是用于从所述过程流吸入的流体的流通池入口，并且至少一个开口是用于流体离开所述流通池的流通池出口，与所述开口之一相连的DO探头，任选地与所述开口之一相连的ORP探头，任选地与所述开口之一相连的清洁器件，任选地与所述流通池入口相连的第一导管，任选地与所述流通池出口相连的第二导管，以及任选地与所述流通池相关联的阀；(b)从所述过程流中吸入流体到所述流通池中；(c)打开所述仪器的阀以使流体被吸入到所述流通池中；(d)用所述DO探头测量所述过程流的DO浓度至少一次，并且其中在每次测量之前对DO探头的表面进行清洁；(e)关闭所述仪器的阀以防止流体被吸入到所述流通池中；(f)用所述DO探头测量所述仪器内部的流体的DO浓度至少一次，并且其中在每次测量之前对DO探头的表面进行清洁；(g)计算步骤(d)和步骤(f)之间的ΔDO读数；以及(h)将步骤(g)中的至少所述ΔDO值与所述过程流中的微生物整体(总的)活性相关联。

本发明还提供了用于监测过程流中表面相关的微生物活性的方法，该方法包括：(a)将仪器与过程流相连接，其中所述仪器包括包含多个开口的流通池，其中至少一个开口是用于从所述过程流吸入的流体的流通池入口，并且至少一个开口是用于流体离开所述流通池的流通池出口，与所述开口之一相连的DO探头，任选地与所述开口之一相连的ORP探头，任选地与所述开口之一相连的清洁器件，任选地与所述流通池入口相连的第一导管，任选地与所述流通池出口相连的第二导管，以及任选地与所述流通池相关联的阀；(b)从所述过程流中吸入流体到所述流通池中；(c)打开所述仪器的阀以使流体被吸入到所述流通池中；(d)用所述DO探头测量所述过程流的DO浓度至少一次，并且其中在每次测量之前不清洁DO探头；(e)对所述DO探头的表面进行清洁；(f)用所述DO探头测量所述仪器内部的流体的两个DO浓度至少一次，并且任选地其中在每次测量之前对所述DO探头的表面进行清洁；(g)计算步骤(d)和步骤(f)之间的ΔDO读数；以及(h)将步骤(g)中的至少所述ΔDO与表面相关的微生物活性相关联。

本发明还提供了监测整体(总的)微生物活性和表面相关的微生物活性二者的方法。

附图简述

图1示出了包含流通池、DO探头、清洁器件、和任选ORP探头的仪器的简图。

图2示出安装在包壳内的后板上的仪器的简图，其中该仪器包含流通池、DO探头、ORP探头、具有擦拭器螺线管(wiper solenoid)的清洁器件、第一导管、第二导管和阀。

图3示出包含DO探头、ORP探头和清洁器件的仪器的简图。

图4示出包含流通池、ORP探头、DO探头和包含擦拭器叶片(wiperblade)的清洁器件的仪器的简图。

图5示出流通池和用来增加表面积的部件的简图。

图6示出在造纸厂采集的与整体(总的)微生物活性和表面污垢有关的数据。

图7示出在造纸厂采集的与整体(总的)微生物活性和表面污垢有关的数据。

图8示出监测整体微生物活性和/或表面相关的微生物活性的流程图。

图9图解了要求保护的发明的一个实施方案，其中具有与DO探头、ORP探头和清洁器件相关联的流通池。

图10图解了要求保护的发明的一个实施方案，其中具有OFM和与DO探头、ORP探头和清洁器件相关联的流通池。

发明详述

术语的定义：

“DO”表示溶解氧。

“DO探头”包括能够测量溶解氧的任何种类的探头。优选地，DO探头是一种发光的溶解氧探头。

“LDO”表示发光的溶解氧。LDO探头基于荧光寿命衰减来测量溶解氧，其中氧的存在缩短了受激发的荧光团的荧光寿命。荧光团被固定在传感器表面的膜中，并且使用蓝色LED(发光二极管)提供激发。LDO探头可购自Hach Company，Loveland，CO。该探头通常具有进行测量的传感器头。

“ORP”表示氧化-还原电位。ORP探头可购自Walchem Corporation，Holliston，MA。

“REDOX”是指氧化-还原状态。

“OFM”表示光学污垢监测器。可利用用于待监测的特定过程的任何适合的光学污垢。这包括任何一般的沉积监测器，例如石英晶体微量天平。

“阀”是指调控流体流通的任何器件。

“清洁器件”是能够清洁表面例如DO探头表面和/或ORP探头表面的一种或多种任何器件。

“过程流”包括工业过程中的任何流体，例如取自造纸过程中的导管的流体和来自造纸过程中的流浆箱的流体。

优选的实施方案：

过程流中的微生物活性可以通过监测溶解氧消耗间接测量，因为溶解氧消耗直接与细胞在有氧呼吸条件下产生的ATP的量相关，并且细胞产生的ATP的量能够与所述过程流中微生物活性水平相关联。本发明中所述的方法不适合于具有低水平DO的过程流，其中有氧呼吸不是微生物细胞中能量产生的主要途径。

应该使用过程流的压力、温度和盐度的值将从该过程流中采集的DO测量值转换为饱和度百分比。这有助于将这些参数中基于过程波动的数据标准化。温度校正尤其重要，因为被分析的过程流的温度在停流状态期间将下降1-10摄氏度，这发生在流体不再被吸入到流通池中时。

为了增强溶解氧消耗与微生物活性之间相关的完整性，过程流的REDOX状态必须是氧化，以便氧的消耗不是化学氧化过程的结果。诸如pH的因素将影响过程水的REDOX状态。在高pH条件下，例如具有大于9.5的pH的过程水，能够引起过程流体中的有机材料的氧化，甚至在提高的REDOX条件下。

因此，优选地应该对过程流的ORP连同DO浓度一起进行测量，以确保溶解氧消耗主要与微生物活性相关而不与过程流化学相关。

A.仪器

已开发一种仪器来实际地测量过程流中的溶解氧。其他分析器件可与这种仪器结合，所述其他分析器件例如ORP探头。

如图1所示，该仪器包括(1)流通池；(2)DO探头；任选(3)ORP探头；和(7)清洁器件。

该(1)流通池具有多个开口。这些开口用来使流体流过(1)流通池。开口的大小和形状可以改变；特别地，应该考虑过程流的类型。

图3示出(1)流通池包括(13)入口和(14)出口。开口的直径应该具有足够的大小以使流体从过程流中容易地流过(1)流通池，并防止(1)流通池的堵塞以及(2)DO探头和(3)ORP探头表面的非生物污垢。因此，(1)流通池的直径将取决于许多因素，例如过程流的类型。

流通池开口还用来使各种器件例如(2)DO探头、(3)ORP探头和/或(7)清洁器件与流通池相连，以便可进行过程流的一个或多个测量。其他仪器例如pH计可与流通池结合。

特别地，(2)DO探头和/或(3)ORP探头与(1)流通池连通。

在一个实施方案中，(2)DO探头和(3)ORP与流通池相连。所述探头能够以本领域普通技术人员已知的各种方式与(1)流通池开口之一相连。连接可通过任何类型的紧固和/或固定装置或类似物而发生。例如，元件可以被安装在(1)流通池上，并且探头/器件可被插入通过该元件并被锁定到位。

如图3所示，所述探头与(1)流通池壁齐平。

在一个实施方案中，所述(2)DO探头和任选(3)ORP探头的至少一部分伸入到所述流通池中。

在另一个实施方案中，(2)DO探头包括DO传感器头，其中所述DO传感器头的至少一部分伸入到所述流通池中，并且任选地，其中所述(3)ORP探头包括ORP传感器头，并且其中所述ORP传感器头的至少一部分伸入到所述流通池中。

在另一个实施方案中，所述探头应该以如下方式被定位：其方式不得显著地阻塞流体流过(1)流通池。

在另一个实施方案中，(2)DO探头和(3)ORP探头被安放在彼此的对面。

图2示出该仪器的其他特征。更具体而言，图2示出(4)第一导管、与(4)第一导管相关联的(6)阀、与(4)第一导管相关联的(15)排水管、(1)流通池、(2)DO探头、(3)ORP探头、(7)清洁器件、与所述(7)清洁器件相连通的(9)螺线管和(5)第二导管。

(4)第一导管和(5)第二导管与所述(1)流通池中的一个或多个开口以及过程流的外壳相连。连接可通过本领域技术人员已知的各种方式而发生。例如，(4)第一导管可以用管输送到过程流中。

(4)第一导管用来从过程流传送流体和/或转移流体到(1)流通池和/或其他仪器例如OFM中。可以用促进流体从过程流向(1)流通池运动的任何方式设置(4)第一导管。例如，基于重力或能量的机械装置例如泵，能够将流体从过程流吸入到包括(1)流通池的仪器中。

在另一个实施方案中，可将排水管(15)与(4)第一导管相关联来防止阻塞/限制流入到过程流中。

(5)第二导管用作流过(1)流通池的流体的排出通道，以及还用作保存来自过程流的流体的储存器。特别地，第二导管(5)可以被空间定位，以使得当监测是在停流状态下时，(1)流通池将流体保持在(1)流通池内部用于分析。例如，(5)第二导管被定位为使得重力能够将流体保存在(1)流通池内部。

在另一个实施方案中，(5)第二导管还可以充当排水管。

(6)阀与(1)流通池相关联。具体而言，(6)阀是以实现其希望的功能的方式与(1)流通池连通。一个或多个(6)阀控制/调控流体从过程流流入(1)流通池中。

在一个实施方案中，(6)阀通过(4)第一导管与流通池相连。具体而言，(6)阀以如下方式与(4)第一导管相整合/连接：其方式能够将流动限制在关闭状态并且当(6)阀处于打开状态时允许流动。

在另一个实施方案中，一个或多个(6)可调控流体流入OFM和/或(1)流通池中。

在另一个实施方案中，(6)阀的直径必须足够大以便不阻碍含有高固体的过程水的流动。

在另一个实施方案中，(6)阀还可以防止流体离开(1)流通池或(5)第二导管，以便在关闭流动状态下的能够进行读数。

在另一个实施方案中，(6)阀的直径是至少1英寸。

在另一个实施方案中，(6)阀是球阀。

在另一个实施方案中，(6)阀以手动、电动或气动方式驱动。

在另一个实施方案中，球(6)阀以手动、电动或气动方式驱动。

图2和图4示出(7)清洁器件可以与(1)流通池的开口之一相连。清洁器件用来清洁(2)DO探头和/或(3)ORP探头表面二者的表面，并且该器件的定位应该这样以实现这种功能。(7)清洁器件可清洁与(1)流通池相关联的其他器件。

在一个实施方案中，(7)清洁器件在(1)流通池区域来回移动。

在另一个实施方案中，(7)清洁器件能够在(1)流通池的区域来回移动，以清洁一个或多个器件/探头，如(2)DO探头、(3)ORP探头或可与(1)流通池相关联的其他类型的分析设备。

在另一个实施方案中，(7)清洁器件包括(8)擦拭器叶片或刷子。

在另一个实施方案中，(7)清洁器件由(9)擦拭器螺线管驱动。(9)螺线管接收来自控制器的指令，该控制器用指示什么时候清洁和什么时候不清洁的逻辑进行编程。

如图4所示，以相对于(2)DO探头和(3)ORP探头都垂直的方向安放(8)擦拭器叶片在(1)流通池来回移动。

向(1)流通池加入一个或多个(11)挡板能够增加(1)流通池的面积。图5示出一个改进的流通池。具体地说，该部件与流通池相连并且该部件包括不止一个挡板。该部件能够以各种方式与流通池相连。可以用类似方式利用能够增加表面积的其他物体。

在一个实施方案中，(10)部件借助(12)适配器固定到(1)流通池上。该部件具有接收来自所述过程流的流的(15)部件入口和与流通池相连的出口。

在一个实施方案中，(4)第一导管与(10)部件相连而不是直接与(1)流通池相连。

在另一个实施方案中，(10)部件具有一个或多个(11)挡板。

可装配所述仪器来监测整体水的微生物活性、表面相关的微生物活性或其组合。

B.监测过程流中的整体微生物活性

公开了一种监测过程流中的整体(总的)微生物活性的方法。整体(总的)微生物活性是指在整体过程流中的微生物活性，例如在过程流中的浮游微生物和固着微生物。

过程流的整体微生物活性是通过测量该过程流的DO浓度而确定。其他参数可连同这种分析一起被利用。更具体而言，该方法包括以下步骤：(a)将仪器与过程流连接，其中所述仪器包括包含多个开口的流通池，其中至少一个开口是用于从所述过程流吸入的流体的流通池入口，并且至少一个开口是用于流体离开所述流通池的流通池出口，与所述开口之一相连的DO探头，任选地与所述开口之一相连的ORP探头，任选地与所述开口之一相连的清洁器件，任选地与所述流通池入口相连的第一导管，任选地与所述流通池出口相连的第二导管，以及任选地与所述流通池相关联的阀；(b)从所述过程流中吸入流体到所述流通池中；(c)打开所述仪器的阀以使流体被吸入到所述流通池中；(d)用所述DO探头测量所述过程流的DO浓度至少一次，并且其中在每次测量之前清洁所述DO探头的表面；(e)关闭所述仪器的阀以防止流体被吸入到所述流通池中；(f)用所述DO探头测量所述仪器内部的流体的DO浓度至少一次，并且其中在每次测量之前对所述DO探头的表面进行清洁；(g)计算步骤(d)和步骤(f)之间的ΔDO读数；以及(h)将步骤(g)中的至少所述ΔDO值与所述过程流中的整体(总的)微生物活性相关联。

这个方法可被应用于各种不同类型的过程流。

在一个实施方案中，过程流来自选自于以下组成的组的过程：造纸过程；冷却水过程；食品或饮料过程；和基于娱乐的过程。

整体水的微生物活性是通过观察开流状态与停流状态之间DO浓度的变化(ΔDO)而测量的。其他参数可连同这种分析一起被利用。更具体而言，通过观察ΔDO可确定DO的消耗率。然后可将DO的消耗率与所述过程流中的微生物活性相关联，但是当连同DO测量一起测量ORP时相关的完整性更好，因为当该过程流的流体的REDOX状态不是氧化时，DO测量可能受影响。

当过程流的流体能够通过流通池并且被与该流通池相连通的分析性设备，特别是用于测量该流体的DO浓度的DO探头测量时，开流状态发生。

停流状态是指过程流的流体不能再进入流通池的时候。在停流状态下，流体被保持在流通池中并且流通池监测这种流体的DO浓度。

在开流状态下，如在步骤(d)中，应该测量过程流的流体的DO浓度持续足量的时间以便能获得该过程流的DO浓度的准确读数。这可以取得一个读数或更多读数。本领域普通技术人员不需要过多的实验将能够确定，得到准确过程流读数将采取的读数次数，以及得到准确过程流读数将采取的一个或多个读数间隔。

在停流状态下，如在步骤(f)中，应该在流通池中流体的第一次DO测量之前经过足量的时间，以确保在所述流体中的一种或多种微生物物种将具有足够时间消耗所述流体中的溶解氧。这个时间段可改变并且它取决于一种或多种因素，所述因素可包括正在监测的过程类型和在实施本发明的方法之前使用的微生物程序的有效性。例如，在造纸工业中，如果过程水被微生物严重污染，那么微生物消耗DO可能花费更少的时间。微生物的类型(例如真菌或丝状细菌)也可能影响DO消耗的速度和程度。

在一个实施方案中，在开流状态下和停流状态下进行的测量在相同的时间间隔进行。在又一个实施方案中，在开流状态下和停流状态下进行的测量以相同的时间段且在相同的时间间隔进行。

可以连续地、间歇地或一次性地监测过程流。连续监测提供实时状态以便可在过程流中容易地检测系统故障。

可以用各种方式计算ΔDO。

在一个实施方案中，通过取得在连续水流时段期间(开流状态)与当通过关闭阀停止过程水时的停流状态相比的DO浓度的最大变化测量整体微生物活性。换言之，基于步骤(d)和步骤(f)的读数的DO浓度最大变化用来计算ΔDO。

在另一个实施方案中，ΔDO值是通过取得来自步骤(d)的平均DO测量结果和来自步骤(f)的最小DO水平而确定。

在另一个实施方案中，ΔDO值是通过取得来自步骤(d)的最高测量结果和来自步骤(f)的最小DO水平而确定。

在另一个实施方案中，ΔDO值是通过取得来自步骤(d)的最后测量结果和来自步骤(f)的最小DO水平而确定。

在另一个实施方案中，步骤(d)和步骤(f)的测量的持续时间和测量间隔是相同的。

在又一个实施方案中，步骤(d)和步骤(f)的测量的持续时间可以是约为5分钟到240分钟。

在还一实施方案中，持续时间是30分钟，并且在步骤(d)和步骤(f)的过程中以相等的间隔记录5次测量结果。

在还一实施方案中，将表面擦拭干净后经过30秒，在步骤(d)和步骤(f)中记录测量值。

可对过程流的ORP连同过程流的DO浓度一起进行测量。

在一个实施方案中，该方法还包括测量步骤(d)和步骤(f)中的ORP至少一次，并且在每次测量之前清洁ORP探头表面。

在另一个实施方案中，如果ORP值下降到预定水平以下，可将一种或多种氧化剂加入到过程流中。

在另一个实施方案中，如果一个或多个ORP测量结果下降到预定水平以下，那么连同ORP测量结果一起被测量的DO测量结果不被包括在计算的ΔDO中。更具体而言，通过排除这些测量结果，过程操作人员可以更好地判断DO消耗是与微生物活性相关还是与过程流化学相关。

在另一个实施方案中，如果预定水平小于约100mV，那么DO测量结果被排除，因为当ORP在这个范围中时，该状态通常不是氧化，并且溶解氧的消耗可能与过程流中的化学条件有关。

可采取许多不同的途径响应过程流中的总的(整体)微生物水平。

在一个实施方案中，如果总的(整体)微生物水平很高或者在被认为过程运转良好的预定水平之上，那么方案包括加入有效量的杀生物剂以使微生物水平回到希望水平。

杀生物剂可以是氧化性的和/或非氧化性的。

就造纸过程来说，杀生物剂选自由以下组成的组：异噻唑啉；戊二醛；二溴次氮基丙酰胺；氨基甲酸酯；季铵化合物；次氯酸钠；二氧化氯；过乙酸；臭氧；氯胺；Stabrex^TM(溴-氨基磺酸酯)；溴-氯-二甲基乙内酰脲；二氯-二甲基乙内酰脲；单氯胺；与铵盐和稳定剂联合一起使用的次氯酸钠，以及它们的组合；其中所述稳定剂包括二甲基乙内酰脲、氨基酸、氰尿酸、琥珀酰亚胺和脲。

一个或多个控制器可被用来实施对过程流中微生物活性水平的响应。更具体而言，可对控制器进行编程以接收来自过程流，例如DO探头的数据、基于输入到控制器(例如程序逻辑控制器)中的逻辑计算ΔDO，并依据该ΔDO实施响应，所述响应包括各项操作，例如驱动将杀生物剂或沉积物控制聚合物供料入过程流中的泵。

在一个实施方案中，控制器是基于网络的。

在另一个实施方案中，控制器可与以下至少一个通信：ORP探头、DO探头、清洁器件、阀或它们的组合。

在另一个实施方案中，控制器接收来自所述DO探头的输入信号，并实施在所述控制器中编程的希望方案。

在另一个实施方案中，控制器是控制器系统。“控制器系统”及类似术语是指手工操作人员或具有如下组件的电子器件：诸如处理器、存储器件、阴极射线管、液晶显示器、等离子显示器、触摸屏或其他监测器，和/或其他组件。在某些情况下，可操作控制器用于整合一个或多个专用的集成电路、程序或算法、一个或多个硬件连线器件和/或一个或多个机械器件。部分或所有的控制器系统的功能可以处于中心位置例如网络服务器，它用于经局域网络、广域网络、无线网络、互联网连接、微波链路、红外链路及类似物通信。此外，可包括其他组件例如信号调节器或系统监测器以促进信号处理算法。

在另一个实施方案中，希望的方案将是向负责监测过程流和处理过程流的操作者或人发出警报。

在另一个实施方案中，希望的方案包括若所述ΔDO达到预定水平则向过程流中加入有效量杀生物剂。杀生物剂可以是氧化性的和/或非氧化性的。

光学污垢监测器(OFM)可连同所述流通池一起使用以确定过程流中出现的沉积物累积的性质/来源。

在一个实施方案中，本发明的方法还包括提供与所述过程流相连通的光学污垢监测器；从所述过程流中吸入流体到所述光学污垢监测器中；用光学污垢监测器测量沉积物的形成；通过将光学污垢监测器中的沉积物形成与由所述过程流中的ΔDO确定的所述微生物活性相关联来确定沉积物的类型；任选地对与所述OFM和至少DO探头相连通的控制器进行编程，以便向所述过程流中加入一种或多种化学物质作为对所述沉积物的形成与微生物活性之间的关联性的响应。

在又一个实施方案中，如果所述关联性指示在光学污垢上形成的沉积物本质上是微生物性的，则所述化学物质包括杀生物剂。例如，如果在OFM上存在沉积并且ΔDO高，那么将杀生物剂加入到所述过程流中来防止沉积物的形成并降低过程流的微生物活性是一个操作过程。杀生物剂可以是氧化性的和/或非氧化性的。

在又一个实施方案中，如果所述关联性指示所述沉积的形成不是微生物性的，则所述化学物质是沉积物控制化学物。例如，如果在OFM上存在沉积并且ΔDO低，那么将沉积物控制化学物加入到过程流中来防止沉积物的形成是一个操作过程。存在本领域技术人员已知的各种类型的沉积物控制化学物；例如，存在抗沥青剂(anti-pitch agent)和沉积物控制聚合物，所述抗沥青剂有助于防止造纸过程期间沉积物的形成。

C.监测过程流中的表面相关的微生物活性

表面相关的微生物活性是指表面微生物，例如生物膜的微生物活性。

过程流的表面相关的微生物活性是通过测量该过程流的DO浓度而确定。其他参数可连同这种分析一起被利用。更具体而言，该方法论包括以下步骤：(a)将仪器与过程流相连接，其中所述仪器包括包含多个开口的流通池，其中至少一个开口是用于从所述过程流吸入的流体的流通池入口，并且至少一个开口是用于流体离开所述流通池的流通池出口，与所述开口之一相连的DO探头，任选地与所述开口之一相连的ORP探头，任选地与所述开口之一相连的清洁器件，任选地与所述流通池入口相连的第一导管，任选地与所述流通池出口相连的第二导管，以及任选地与所述流通池相关联的阀；(b)从所述过程流中吸入流体到所述流通池中；(c)打开所述仪器的阀以使流体被吸入到所述流通池中；(d)用所述DO探头测量所述过程流的DO浓度至少一次，并且其中在每次测量之前不清洁所述DO探头；(e)清洁所述DO探头的表面；(f)用所述DO探头测量所述仪器内部的流体的DO浓度至少一次，并且任选地其中在每次测量之前对所述DO探头的表面进行清洁；(g)计算步骤(d)和步骤(f)之间的ΔDO读数；以及(h)将步骤(g)中的至少所述ΔDO与表面相关的生物活性相关联。

这个方法论可被应用于各种不同类型的过程流。

在一个实施方案中，过程流来自选自于以下组成的组的过程：造纸过程；冷却水过程；食品或饮料过程；和基于娱乐的过程。

由在开流状态过程中擦拭之前与紧接着擦拭之后取得的DO测量结果之差计算出生物膜活性。其他参数可连同这种分析一起被利用。当连同DO测量一起测量ORP时，ΔDO与生物膜活性相关的完整性更好，因为当过程流的流体的REDOX状态不是氧化时DO测量可能受影响。

当过程流的流体能够通过流通池，并且被与该流通池相连通的分析设备，特别是用于测量该流体的DO浓度的DO探头测量时，开流状态发生。

在开流状态下，例如在步骤(d)和步骤(f)中，在测量DO之前应经过足量的时间，以便如果存在生物膜累积，那么将会有足量的时间来发生生物膜累积。这个时间段可随各种因素而改变，包括正在监测的过程类型和实施这种方法论之前普遍使用的当前微生物程序的有效性。例如，在造纸工业中，如果过程水被微生物严重污染，那么微生物消耗DO可能花费更少的时间。微生物的类型(例如真菌或丝状细菌)也可能影响DO消耗的速度和程度。

在一个实施方案中，以相同的时间间隔来进行开流状态下和停流状态下所进行的测量。在又一个实施方案中，在开流状态下和停流状态下进行的测量以相同的时间段且在相同的时间间隔进行。

可以连续地、间歇地或一次性地监测过程流。连续监测提供实时状态以致于可在过程流中容易地检测系统故障。

可以用各种方式计算ΔDO。

在一个实施方案中，ΔDO值是通过取得来自步骤(d)的最低测量结果和来自步骤(f)的平均DO测量结果而确定。

在另一个实施方案中，ΔDO值是通过取得来自步骤(d)的最低测量结果和来自步骤(f)的最高DO水平而确定。

在另一个实施方案中，ΔDO值是通过取得来自步骤(d)的最后测量结果和来自步骤(f)的最高DO水平而确定。

在另一个实施方案中，在选定的时间间隔期间作出DO测量并且记录5次，其中流动是连续的，但是探头在任何这些测量之前没有用擦拭器叶片进行清洁。

在另一个实施方案中，在选定的时间间隔届满前一分钟，对探头进行清洁，作出两次连续的测量并进行记录。

可对过程流的ORP连同过程流的DO浓度一起进行测量。

在一个实施方案中，该方法还包括测量步骤(d)和步骤(f)中的ORP至少一次，并且在每次测量之前清洁ORP探头表面，其中ORP探头在步骤(d)中没有被擦拭干净，而任选地其中所述ORP探头在步骤(f)中被擦拭干净。任选地，如果ORP值下降到预定水平以下可将一种或多种氧化剂加入到过程流中。

在另一个实施方案中，如果所述ORP测量结果下降到预定水平以下，那么在计算用于确定过程流的微生物活性的ΔDO中可能不包括连同ORP测量结果一起被测量的DO测量结果。更具体而言，通过排除这些测量结果，过程操作人员可以更好地判断DO浓度是与微生物活性相关还是与或过程流化学相关。

在另一个实施方案中，如果预定水平小于约100mV，那么DO测量结果被排除，因为当ORP在这个范围中时，该状态通常不是氧化的，并且溶解氧的消耗可能与过程流中的化学条件有关。

在另一个实施方案中，通过包含擦拭器叶片的清洁器件对DO探头、ORP探头或其组合进行清洁。

在另一个实施方案中，擦拭器叶片将一个或多个探头的表面擦拭两次。

可采取许多不同的途径来响应过程流中的表面相关的微生物水平。

在一个实施方案中，如果表面相关的微生物水平高或者在被认为过程运转良好的预定水平之上，那么方案包括加入有效量的杀生物剂以使微生物水平回到希望水平。

杀生物剂可以是氧化性的和/或非氧化性的。

就造纸过程来说，杀生物剂选自由以下组成的组：异噻唑啉；戊二醛；二溴次氮基丙酰胺；氨基甲酸酯；季铵化合物；次氯酸钠；二氧化氯；过乙酸；臭氧；氯胺；Stabrex^TM(溴-氨基磺酸酯)；溴-氯-二甲基乙内酰脲；二氯-二甲基乙内酰脲；单氯胺；与铵盐和稳定剂联合一起使用的次氯酸钠；以及它们的组合，所述稳定剂包括二甲基乙内酰脲、氨基酸、氰尿酸、琥珀酰亚胺和脲。

一个或多个控制器可被用来实施对过程流中微生物活性水平的响应。更具体而言，可对控制器进行编程以接收来自过程流，例如DO探头的数据、基于输入到控制器(例如程序逻辑控制器)中的逻辑计算ΔDO，并依据该ΔDO实施响应，所述响应包括各项操作，例如驱动将杀生物剂加进过程流中的泵。

在一个实施方案中，控制器是基于网络的。

在另一个实施方案中，控制器可与以下至少一个通信：ORP探头、DO探头、清洁器件、阀或它们的组合。

在另一个实施方案中，控制器接收来自所述DO探头的输入信号并实施在所述控制器中编程的希望的方案。

在另一个实施方案中，控制器是一个控制器系统。“控制器系统”及类似术语是指手工操作人员或具有如下组件的电子器件：诸如处理器、存储器件、阴极射线管、液晶显示器、等离子显示器、触摸屏或其他监视器、和/或其他组件。在某些情况下，可操作控制器用于整合一个或多个专用的集成电路、程序或算法、一个或多个硬件连线器件和/或一个或多个机械器件。部分或所有的控制器系统的功能可以处于中心位置例如网络服务器，它用于经局域网络、广域网络、无线网络、互联网连接、微波链路、红外链路及类似物通信。此外，可包括其他组件例如信号调节器或系统监测器以促进信号处理算法。

在另一个实施方案中，希望的方案将是向负责监测过程流和处理过程流的操作者或人发警报。

在另一个实施方案中，希望的方案包括若所述ΔDO达到预定水平则向过程流中加入有效量的杀生物剂。杀生物剂可以是氧化性的和/或非氧化性的。

光学污垢监测器(OFM)可连同所述流通池一起使用以确定过程流中出现的沉积物累积的性质/来源。

在一个实施方案中，本发明的方法还包括提供与所述过程流相连通的光学污垢监测器；从所述过程流中吸入流体到所述光学污垢监测器中；用光学污垢监测器测量沉积物的形成；通过将光学污垢监测器中的沉积物形成与由所述过程流中的ΔDO确定的所述微生物活性相关联来确定沉积物的类型；任选地对与所述OFM和至少DO探头相连通的控制器进行编程，以便向所述过程流中加入一种或多种化学物质作为对所述沉积物的形成与微生物活性之间的关联性的响应。

在又一个实施方案中，如果所述关联性指示光学污垢形成的沉积物本质上是微生物性的，则所述化学物质包括杀生物剂。例如，如果在OFM上存在沉积并且ΔDO高，那么将杀生物剂加入到所述过程流中来防止沉积物的形成并降低过程流的微生物活性是一个操作过程。杀生物剂可以是氧化性的和/或非氧化性的。

在又一个实施方案中，如果所述关联性指示所述沉积的形成不是微生物性的，那么所述化学物质是沉积物控制化学物。例如，如果在OFM上存在沉积并且ΔDO低，那么将沉积物控制化学物加入到过程流中来防止沉积物的形成是一个操作过程。存在本领域技术人员已知的各种类型的沉积物控制化学物；例如，存在抗沥青剂和沉积物控制聚合物，所述抗沥青剂有助于防止造纸过程过程中沉积物的形成。

D.监测过程流中的整体和表面相关的微生物活性

可连同表面相关的微生物活性一起监测整体微生物活性。一种测量过程流中整体微生物活性和表面相关的微生物活性的方法，该方法包括：(a)将仪器与所述过程流相连接，其中所述仪器包括包含多个开口的流通池，其中至少一个开口是用于从所述过程流吸入的流体的流通池入口，并且至少一个开口是用于流体离开所述流通池的流通池出口，与所述开口之一相连的DO探头，任选地与所述开口之一相连的ORP探头，任选地与所述开口之一相连的清洁器件，任选地与所述流通池入口相连的第一导管，任选地与所述流通池出口相连的第二导管，以及任选地与所述流通池相关联的阀；(b)从所述过程流中吸入流体到所述流通池中；(c)打开所述仪器的阀以使流体被吸入到所述流通池中；(d)用所述DO探头测量所述过程流的两个DO浓度至少一次，其中在每次测量之前不对所述DO探头进行清洁；(e)对所述DO探头的表面进行清洁；(f)用所述DO探头测量所述仪器内部的流体的DO浓度至少一次，任选地其中在每次测量之前对所述DO探头的表面进行清洁；(g)关闭所述仪器的阀以防止流体被吸入到所述流通池中；(h)用所述DO探头测量所述仪器内部的流体的DO浓度至少一次，其中在每次测量之前对所述DO探头的表面进行清洁；(i)计算步骤(f)和步骤(h)之间的ΔDO读数，并且将至少所述ΔDO与所述过程流中的所述整体微生物活性相关联；以及(j)计算步骤(d)和步骤(f)之间的ΔDO读数，并且将至少所述ΔDO与所述过程流中的所述表面相关的微生物活性相关联。

在另一个实施方案中，建立监测以使得操作人员能够在整体微生物活性(正常模式)与表面相关的活性(生物膜模式)之间切换/转换。图8通过流程图图解了该机制的一个实施方案。

在另一个实施方案中，该方法还包括测量步骤(d)、步骤(f)和步骤(h)中的ORP至少一次，其中ORP探头在步骤(d)中没有被擦拭干净，任选地其中所述ORP探头在步骤(f)中被擦拭干净，并且其中所述ORP探头在步骤(h)中被擦拭干净；如果ORP值下降到预定水平以下，任选地将一种或多种氧化剂加入到所述过程流中；并且如果所述ORP值下降到预定水平以下，任选地在计算所述ΔDO中不使用所述DO测量结果。

在另一个实施方案中，还可以连同这个方法一起监测过程流的沉积物形成。更具体而言，本发明的方法还包括提供与所述过程流相连通的光学污垢监测器；从所述过程流中吸入流体到所述光学污垢监测器中；用所述光学污垢监测器测量沉积物的形成；通过将所述光学污垢监测器中的沉积物形成与由所述过程流中的ΔDO确定的所述微生物活性相关联来确定沉积物的类型；任选地对控制器进行编程，以便向所述过程流中加入一种或多种化学物质作为对所述沉积的形成与微生物活性之间的所述关联性的响应。

E.其他实施方案

另外地，本公开提供了监测和控制过程流中表面相关的微生物活性的方法，该方法包括：(a)将仪器与过程流相连接，其中所述仪器包括包含多个开口的流通池，其中至少一个开口是用于从所述过程流吸入的流体的流通池入口，并且至少一个开口用于是流体离开所述流通池的流通池出口，与所述开口之一相连的DO探头，任选地与所述开口之一相连的ORP探头，任选地与所述开口之一相连的清洁器件，任选地与所述流通池入口相连的第一导管，任选地与所述流通池出口相连的第二导管，以及任选地与所述流通池相关联的阀；(b)从所述过程流中吸入流体到所述流通池中；(c)打开所述仪器的阀以使流体被吸入到所述流通池中；(d)用所述DO探头测量所述过程流的DO浓度至少一次，并且其中在每次测量之前清洁所述DO探头的表面；(e)关闭所述仪器的阀以防止流体被吸入到所述流通池中；(f)用所述DO探头测量所述仪器内部的流体的DO浓度至少一次，并且其中在每次测量之前对所述DO探头的表面进行清洁；(g)计算步骤(d)和步骤(f)之间的ΔDO读数；(h)将步骤(g)中的至少所述ΔDO与所述过程流中的整体(总的)微生物活性相关联；以及(i)通过如下控制所述微生物活性的量：将包含一种或多种氧化性杀生物剂的有效量的处理加入到过程流中，和/或将包含一种或多种非氧化性杀生物剂、任选和含有n-氢(n-hydrogen)化合物、氧化性杀生物剂及任选缓冲液的混合物的有效量的处理加入到过程流中。

在另一个实施方案中，非氧化性杀生物剂随后被加入到所述混合物中。

在另一个实施方案中，过程流是造纸过程流或水刺法非织造布过程流(hydroentangling non-woven)。

在另一个实施方案中，水刺法非织造布过程流是制作玻璃纤维垫的过程的一部分。

在另一个实施方案中，水刺法非织造布过程被用来制作玻璃纤维垫。

在另一个实施方案中，n-氢化合物包括以下至少一个：铵盐、硫酸铵、醋酸铵、碳酸氢铵、溴化铵、碳酸铵、氯化铵、柠檬酸铵、硝酸铵、草酸铵、过硫酸铵、磷酸铵、硫酸铵、硫酸铁铵和硫酸亚铁铵。

在另一个实施方案中，n-氢化合物包括以下至少一个：琥珀酰亚胺、氨腈、双氰胺、三聚氰胺、乙醇胺、乙二胺、二乙醇胺、三乙醇胺、三亚乙基四胺、二丁胺、三丁胺、谷氨酰胺、二苯胺、肼、脲、硫脲、N-甲脲、乙酰脲、氨基甲酸乙酯、1，3-二甲基缩二脲、甲基苯基缩二脲、异氰脲酸、巴比妥酸、6-甲基尿嘧啶、2-咪唑啉、5，5-二甲基乙内酰脲、2-嘧啶酮、苯甲酰胺、邻苯二甲酰亚胺、N-乙基乙酰胺、氮杂环丁-2-酮、2-吡咯烷酮、己内酰胺、氨基磺酸、磺酰胺、对甲苯磺酰胺、苯磺酰胺、二甲基亚磺酰基亚胺(sulfinimine)、异噻唑啉(isothiazolene)-1，1-二氧化物、正磷酰三酰胺、焦磷酰三酰胺、苯基磷酰基-双二甲胺、硼酸酰胺、甲磺酰亚胺、三聚氰胺、吡咯烷酮、乙内酰脲、乙酰苯胺、乙酰胺、缩二脲、脲基甲酸酯、吡咯、吲哚、胍、双胍以及含有伯氮和仲氮的聚合物。

在另一个实施方案中，非氧化性杀生物剂包括以下至少一个：2，2-二溴-3-次氮基丙酰胺(DBNPA)、戊二醛、二硫氰基甲烷(MBTC)、噻唑衍生物、异噻唑啉酮衍生物、5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(CMIT)、2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(MIT)、1，2-苯并噻唑啉-3-酮(BIT)、2-溴-2-硝基-丙烷-1，3-二醇(溴硝丙二醇)、长链季铵化合物、脂肪族二胺、胍、双胍、正十二烷基胍盐酸盐(DGH)、正烷基二甲基苄基氯化铵、二癸基二甲基氯化铵、1，2-二溴-2，4-二氰基丁烷、2，2-二溴-3-次氮基丙酰胺(DBNPA)、双(三氯甲基)砜、4，5-二氯-1，2-二硫氢基-3-酮、2-溴-2-硝基苯乙烯、5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(CMIT)和2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(MIT)。

以下实施例并非旨在限制。

实施例

实施例1

通过第一导管将过程流吸入到流通池中。一个或多个阀调控进入流通池的流量。排水管与该第一导管相关联，并且一个或多个阀防止倒流到该过程流中或者有助于控制过程流中存在的固体以防造成堵塞。在开流状态下，定位阀以使流体通过进入流通池。与流通池相连的是DO探头、ORP探头和清洁器件(例如擦拭器叶片)。流体穿过流通池以供分析。

取决于监测(整体/表面相关的/组合)，阀被转到开启位置和/或关闭位置以使流体进入流通池，并且根据上述过程方案之一记录DO浓度和/或ORP。穿过流通池的流体通过排水管离开。流入排水管的流体可被排回进入过程流中，例如造纸过程的机械浆池(machine chest)中。图9提供了流通池结构和过程流流过流通池结构的简图。

还可以将OFM监测器与过程流相关联。一个或多个阀调控进入OFM中的流量。图10提供了连同OFM监测器一起的流通池结构以及过程流流过流通池结构和OFM的简图。

取决于过程流中的微生物活性和/或沉积物的水平，可将校正该问题的适当的化学物加进过程流中。例如，控制器可传送信号到泵中，该泵驱动与供料机械装置相关的螺线管。

实施例2

使来自位于德国的造纸厂的纸过程水的侧流流过监测器件(每秒2升)。这个造纸厂生产涂布和未涂布的不含机械木浆的纸(freesheet)并使用稳定的氧化剂用于生物控制。监测器件上的阀以60分钟的间隔开启和关闭，以开始或停止进入流通池监测室的流。以10分钟的间隔测量ORP和LDO的值。通过数据记录器采集来自ORP和LDO监测器件的数据，并将其发送到网络服务器以供在网站上显示。从该网站下载数据并进行分析以确定生物控制程序和过程条件对微生物活性的影响。

在这种应用，本发明与OFM联合使用以确定有问题的沉积物的性质/来源。例如，如果沉积严重和活性高，那么有可能沉积物本质上是生物性的。相反，如果沉积严重而微生物活性低，那么不可能是微生物造成沉积物，并且应该将解决问题的努力集中在别处。图6中提供的例子显示机器关闭对停滞的过程水中的ORP、微生物活性和沉积(OFM)的影响。微生物活性被报告为ΔDO。机器在8月4日关闭。机器关闭后不久，ΔDO急剧增加，这与ORP的减少和由OFM所测量的表面污垢的增加相符。这些数据表明基于氧化剂的程序并不是持久的并且其没有充分地控制此事件过程中微生物生长和沉积物的形成。表面沉积物的微观检验证实具有高密度的微生物，包括丝状细菌。

实施例3

使来自位于美国的造纸厂的纸过程水的侧流流过监测器件(每秒0.25升)。这个造纸厂频繁地改变纸产品的纤维含量，这可对生物控制程序的实行产生显著影响。具体而言，这个造纸厂使用提高过程水系统中卤素需求的Azoto装备。监测器件的阀以30分钟间隔开启和关闭，以开始或停止进入流通池监测室的流。以6分钟的间隔测量ORP和LDO的值。通过数据记录器采集来自ORP和LDO监测器件的数据或者使用配备有监测器件的软件下载到计算机。

在安装监测器件后不久，立即观察到过程的改变影响基于以下的生物控制程序的性能：ORP测量结果、微生物活性水平和OFM测量的表面污垢。图7中提供的例子显示纤维含量的改变对ORP、微生物活性和沉积(OFM)的影响。微生物活性被报告为LDO(饱和度％)，并且在开流状态过程中的背景LDO与停流状态过程中所测量的LDO之间的较大差异指示更高的微生物活性。这些数据表明当使用Azoto规格的、高氧化剂需求的装备时，基于氧化剂的程序并没有充分控制微生物的生长和沉积物的形成。因此，应该改进该程序以供在这个特殊规格的制造过程中改善沉积物的控制。

实施例4

溶解氧监测器连续地测量样品水中的溶解氧。监测程序受PLC(可编程的逻辑控制器)控制，该PLC将读出并保持测量的LDO值直到该程序循环完成。PLC也控制擦拭器元件和机动化球阀，该擦拭器元件将传感器表面擦拭干净，该机动化球阀能使水停止流过样品池。

两种基本的监测模式是可用的：整体微生物活性(BMA)模式和/表面相关的微生物活性(SAMA)模式。两种模式使用三个变量来针对具体应用的需求设定程序：X、Xt和Xti。更具体而言，X是球阀的开启时间和关闭时间，以分钟计，Xt是在时间X期间储存的LDO读数次数，并且Xti是LDO读数之间的间隔。当球阀开启并且样品流动时，LDO读数应该是稳定的，反映了在样品源的当前状态。当球阀关闭并且样品流动停止时，在关掉的流通池中的溶解氧将趋向于被有机材料的反应耗尽。

在BMA模式中，在探头被擦拭干净后立即取得所有读数。ΔDO值通过反映代谢过程中溶解氧的消耗提供了样品主体中微生物活性的度量。

在SAMA模式中，在阀开启循环的第一部分电极没有被擦拭。在这个时间期间，在电极表面上可能有生物膜的累积。然后将电极擦拭干净，这种差异显示在该循环的第一部分过程中所累积的生物膜的水平。当球阀关闭时如在BMA模式中那样取得读数。

表I-BMA模式

X＝10；Xt＝5

MAX＝读数1到5的平均值

MIN＝6到10中的最小读数

活性：

BMA＝MAX-MIN

表II-SAMA模式(读数1-7)和BMA模式

B MIN＝读数5

B MAX＝读数6和7的平均值

MIN＝8到12的最小读数

活性：

BMA＝B MAX-MIN

SAMA＝B MAX-BMIN