Scientific Publications - Work Done by Microbiology Reader Bioscreen C

Heikki Koivo, Matti Siika-aho and Terhi Ylöstalo, [Microbial growth in a paper machine], Paperikoneen kiertovesien konsentroitumisen vaikutus mikrobien kasvuun (Fin.l.), Helsinki University of Technology and VTT - Technical Research Centre of Finland / Biotechnology Report, 2000, 77 pp.

ABSTRACT

Tiivistelmä

Paperikoneiden kiertovesien konsentroituessa mikrobien kasvuolosuhteet paranevat. Muodostuva mikrobifloora riippuu kiertovesissä olevista mikrobeille käyttökelpoisista ravinteista ja vallitsevista olosuhteista, kuten pH:sta ja lämpötilasta, sekä kontami- naatiolähteistä. Tutkimuksessa pyrittiin kasvatuskokeiden ja mallituksen avulla selvittämään konsentroitumisen ja paperikoneella vallitsevien olosuhteiden vaikutusta mikrobien kasvuun. Tutkimuksen kohteeksi otettiin kaksi eri tyyppistä paperikonetta, neutraali ja hapan, ja kaksi kyseisillä paperikoneilla yleisesti esiintyvää haittamikrobia, Acinetobacter lwoffii ja Bacillus coagulans. A. lwoffii oli eristetty neutraalilta paperikoneelta ja B. coagulans happamalta, tosin jälkimmäinen voi kasvaa myös neutraaleissa olosuhteissa. B. coagulans on termofiilinen itiöivä sauvabakteeri, joka kestää korkeitakin lämpötiloja. A. lwoffii on mesofiilinen kokki, joka ei käytä hiilenlähteenään glukoosia (kuten B. coagulans ja useimmat muut mikrobit) vaan esim. etanolia, asetaattia, pitkäketjuisia rasvahappoja tai fenolisia yhdisteitä. Mallimikrobien lämpötila-, pH- ja ravinnevaatimuksia tutkittiin esikokeiden avulla. Bioscreen-laitteistolla ja rikkailla kasvatusalustoilla tehdyillä kokeilla saatiin A. lwoffiille lämpötila-optimiksi 30 ºC ja pH-optimiksi 7 - 10. B. coagulansin pH-optimi oli riippuvainen lämpötilasta. Nopein kasvu havaittiin 50 ºC:ssa ja pH:n ollessa 5.5 . 6, kun taas lämpötilassa 55 ºC nopein kasvu oli pH:ssa 7. Esikokeissa selvitettiin myös keinotekoisen, konsentroidun kiertoveden valmistusta ja päädyttiin LK-aineiden yksinkertaiseen uuttoon (60 ºC, 3 h) paperikoneiden massakomponenteista kolmen prosentin sakeudessa. Uutos suodatettiin ja suodos pakkaskuivattiin käytettäväksi kasvatusalustoihin. Keinotekoisen kiertoveden raaka- aineina käytettiin mallipaperikoneiden hylkypaperia ja mekaanista massaa. Mallimikrobien ravinnevaatimusten perusteella laboratoriokasvatuksia varten kehitettiin perusalustat, jotka sisälsivät mikrobikasvulle tarpeellisten suolojen lisäksi hiilenlähteen (A. lwoffii: asetaatti, B. coagulans: glukoosi), puskurin pH:n stabiloimiseksi (A. lwoffii: fosfaatti, B. coagulans: fosfaatti + piperatsiini) sekä ravinnelisänä hiivauutetta B. coagulans-kasvatuksissa. Pakkaskuivattua kiertovesiuutetta lisättiin kolmena eri pitoisuutena kasvatusalustoihin. Mallimikrobien käyttäytymistä eri kasvatusolosuhteissa tutkittiin ns. fermentoripullo- kasvatuksissa. Kasvatusten aikana mitattiin pH, hiilenlähteen (asetaatti tai glukoosi) kulutus, sameus, sekä hiilidioksidin ja ATP:n tuotto. Kiertovesiuutteesta peräisin oleva liukenematon aines kasvatusalustoissa häiritsi kasvatusten aikana tehtyjä mittauksia ja määrityksiä. Erityisesti sameusmittaus oli epäluotettava. Mittaustiedoista määritettiin kasvua kuvaavia tunnuslukuja: mm. hiilenlähteen kulutusnopeus, pH:n muutosnopeus ja viive, joka kuluu siirrostuksesta kasvun alkamiseen. Laskettujen tunnuslukujen ja kasvatuksessa käytettyjen olosuhdemuuttujien (lämpötila, pH, kiertovesikonsentraatio) välisiä korrelaatioita tutkittiin tilastollisilla monimuuttuja-analyysimenetelmillä. Fermentoripullokokeissa kiertovettä sisältävillä kasvatusalustoilla A. lwoffii kasvoi parhaiten 30 ºC lämpötilassa pH:ssa 8. Kasvu oli suhteellisen hidasta ja joissakin kokeissa viive ennen kasvun alkamista saattoi olla jopa 120 h. A. lwoffii ei kasvanut mallipaperikoneen ajolämpötilassa. Kasvaessaan A. lwoffii muodosti limaa ja vaahtoa kasvatuspulloihin sekä tarttui pintoihin ja kiintoaineeseen muodostaen kasaumia. Tarttuminen ja kasaumat vaikeuttivat määrityksiä A. lwoffii-kasvatuksissa. Kiertovesiuutteen konsentraation lisääminen nopeutti selvästi A. lwoffiin sopeutumista kasvatusalustaan (siirrostuksen jälkeinen viive lyheni), mutta ei merkittävästi lisännyt A. lwoffiin kasvunopeutta. B. coagulans kasvoi parhaiten 46 ºC lämpötilassa, joka on alempi kuin mallipaperikoneen ajolämpötila. Kaikissa fermentoripullokokeiden testilämpötiloissa optimi oli pH 6.2, joka on korkeampi kuin mallipaperikoneen pH. B. coagulans kasvoi nopeammin kuin A. lwoffii. Tyypillisesti kasvu alkoi 0 - 10 h siirrostamisesta ja hiilenlähteenä ollut glukoosi käytettiin loppuun nopeimmillaan alle kymmenessä tunnissa. Kiertovesiuutteen konsentraation lisääminen hidasti jossain määrin kasvua. Nykyisillä menetelmillä ei ole mahdollista seurata paperikoneilla esiintyvien mikrobien määriä on-line. Mallipaperikoneiden tarjolla olevia on-line-mittaustietoja (lämpötila, pH, johtokyky) ja mikrobimääritysten tuloksia (saatiin paperitehtaasta riippuen noin parin-kolmen viikon väliajoin) käytettiin tutkimukseen, jossa selvitettiin voitaisiinko saatavilla olevia mittauksia käyttää mikrobitason monitorointiin/ennustamiseen paperikoneella. Mittaustietojen analysoinnissa selvisi, etteivät mallipaperikoneilta saatujen lämpötila-, pH- ja johtokyky- mittausten vaihtelut riittäneet selittämään mikrobitasojen vaihtelua. Mahdollisissa jatkotutkimuksissa kannattaa kiinnittää huomiota mittausdatan laatuun: mikrobimäärityksiä on tehtävä riittävän usein ja niiden luotettavuutta on parannettava. Lisäksi olisi syytä etsiä mikrobitasojen vaihteluille myös muita selittäviä tekijöitä (esim. pesut, ajotavat, seisokit). Vaikeimmat asiat projektin kannalta olivat sopivien ja todellisuutta vastaavien kasvatus- alustojen tekeminen, todellisuutta vastaavien kasvuolosuhteiden luominen laboratorio- kasvatuksissa sekä mikrobiologinen monimuotoisuus paperikoneilla. Jälkimmäisestä syystä laboratoriokokeiden perusteella tehtyjen mallien relevanssi ja käytäntöön soveltuvuus ovat melko vaatimattomat. Projektin yhtenä pullonkaulana oli tiedon saanti kiertoveden konsentroitumisesta; mitkä aineet todella konsentroituvat kiertoveteen ja mitkä eivät. Mikrobien kasvatuksissa käytetty kiertovesikonsentraatti oli vain approksimaatio siitä, millaiseksi paperikoneen kiertovesi kiertoa suljettaessa konsentroituisi. Jatkossa tutkimuksia kannattaisi tehdä mahdollisuuksien mukaan myös paperikoneella ja käyttäen koneiden vesiä. Paperikoneiden mikrobiologian tutkimiseen ja mallintamiseen tarvitaan parempia mikrobien mittaus- ja tunnistusmenetelmiä. Nykyiset määritysmenetelmät eivät ole riittävän tarkkoja ja spesifisiä. Lisäksi mikrobiologisia määrityksiä tehdään suhteellisen harvoin ja off-line. Eri mikrobien, esim. tiettyjen haittamikrobien mittaamiseksi tarvittaisiin spesifisiä menetelmiä.

© 2005 Transgalactic Ltd (manufacturer of Bioscreen C software) | Privacy Statement | P.O. Box 1393, 00101 Helsinki, Finland, phone: +358 9 85172920, fax: +358 9 8749481, e-mail: microbiology@bionewsonline.com
 

Last modified: May 25, 2005