用于检测腐蚀性生物膜和微生物影响的(MIC)腐蚀速率的方法和装置基于生物膜的产电性。装置可包括无源传感器，所述无源传感器具有至少一个第一电极、至少一个第二电极和用于使第一电极电连接到第二电极的外电路。第一电极和第二电极至少之一能够至少部分被生物膜包覆。在第一电极和第二电极电连接并暴露于至少一种介质时产生的可持续电特征(例如，电压和电流)指示部分包覆第一电极和第二电极至少之一的生物膜为产电性，并因此为腐蚀性。在线和离线生物膜传感器的执行需要特殊电极和传感器设计。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】用于检测腐蚀性生物膜和微生物影响的(MIC)腐蚀速率的方法和装置基于生物膜的产电性。装置可包括无源传感器，所述无源传感器具有至少一个第一电极、至少一个第二电极和用于使第一电极电连接到第二电极的外电路。第一电极和第二电极至少之一能够至少部分被生物膜包覆。在第一电极和第二电极电连接并暴露于至少一种介质时产生的可持续电特征(例如，电压和电流)指示部分包覆第一电极和第二电极至少之一的生物膜为产电性，并因此为腐蚀性。在线和离线生物膜传感器的执行需要特殊电极和传感器设计。【专利说明】用于检测生物膜的方法和装置相关申请交叉引用 本申请要求2011年4月27提交的美国临时专利申请序列号61/479，635的优先权和任何其它权益，其内容通过弓I用结合到本文中。
本公开涉及生物膜检测领域，更具体地讲，涉及检测产电性生物膜(并因此为腐蚀性生物膜)的方法和装置。本公开还涉及对于生物膜可对金属(例如，碳钢和不锈钢)有多大腐蚀性的检测。背景 微生物影响的腐蚀(MIC)，也称为生物腐蚀，导致不同工业每年数十亿美元的损失，包括食品加工、制造、化学加工、水公用设施，特别是油气工业，在这里仅举数例。MIC通常是数月至数年的长期过程。减轻MIC是昂贵的，不仅在化学处理的成本方面，而且在于由于维修停工的生产损失。也已知MIC不利地影响老化基础结构，包括码头、桥、工厂、船坞、水塔、热交换器、流体输送管和水处理设施。根据一些资料，MIC占所有金属和建筑材料腐蚀的约20%。在2006年Prudhoe Bay，Alaska的管道泄漏(1/4〃小孔)中，MIC是主要嫌疑。由于基础结构老化并且比以往更频繁的强化油回收，MIC正变得更成问题。由于耗减的储量和高油气价格，通过利用强化油回收，也称为驱油(flooding)，使先前低产的或非成本有效的油藏保持生产。驱油过程包括用水或二氧化碳(CO2)提高井压力，并从油藏推出残油。在驱油过程中最常使用海水，其将细菌和营养物引入系统。海水包含用于微生物生长的营养物和细菌(例如，硫酸盐还原菌(SRB))。另外，在油藏中可能已存在来自地质时代的细菌。由于硫酸根还原成H2S气体，油藏中的微生物活性经常导致酸化。由于微生物、水和营养物全部存在，石油管线易于MIC。另外，因为由于冷凝，痕量水分不可避免，所以气体管线也不免受MIC损害。与一般腐蚀相比，MIC倾向于很局部化。生物膜，MIC的主因，一般由微生物细胞及其胞外产物(胞外聚合物)组成，这赋予它们非常多孔的结构，与包含的水量(>95%重量/重量)一致。生物膜中微生物的分布不均匀。在多物种生物膜聚生体中已发现高度复杂的结构，所述高度复杂的结构包含空隙、这些空隙之间的连接通道和微生物簇或层。在基体上形成生物膜时，可产生结节，并且可在结节下形成坑。结节可具有包含消耗氧的需氧菌的外部和经历减低的氧水平(这允许厌氧菌繁殖)的内部。一旦建立，MIC就极难消除，并且可发展成许多年内的长期维护和操作问题。从管道系统的裂缝和最远分支和盲管段完全去除MIC的失败一般导致在生物杀伤剂和/或清理处理后短时间内相同微生物的再侵染。在很多情况下，由于厌氧生物膜生活在需氧生物膜下，与有氧腐蚀相反，与MIC相关的主要问题是无氧腐蚀。无氧腐蚀是由于铁由以下铁氧化反应溶解: Fe — Fe2+ + 2e_(铁氧化反应) (I) 其中Fe2+溶解于本体流体。Fe2+也可与其它化学物类反应并沉淀。当存在硫酸根和SRB时，SRB产生硫化物，硫化物可生成硫化铁(FeS)，硫化铁在水中具有有限的溶解度。在达到过饱和后，FeS将沉淀，产生黑墨色。一般来说，FeS沉淀伴有H2S的像腐坏鸡蛋的气味表明存在SRB活性。为了驱使反应I进行，必须去除由铁氧化反应释放的电子。含铁基体(例如，碳钢表面)上生物膜中的微生物可利用电子用于还原反应，例如，通过SRB还原硫酸根，以及通过硝酸盐还原菌(NRB)还原硝酸根，如下所示: SO/— + 9H+ + 8e_ — HS— + 4H20(硫酸根还原) (2) 2NCV + IOe- + 12H+ — N2 + 6H20 (硝酸根还原) (3) 没有生物膜的生物催化，反应2和3不进行。微生物，例如SRB，一般需要有机碳用于生长。有机碳氧化提供电子和碳结构单元用于有机合成。电子用于还原反应，如反应2和3中所见。氧化还原反应产生用于细胞代谢和维持的能量，形成无氧呼吸的基础。挥发性脂肪酸，例如乙酸根和乳酸根，通常由SRB用作有机碳源。在管线系统中，乙酸根通常比乳酸根更容易利用，但乳酸根经常用于实验室试验，因为乳酸根是较佳的营养物。以下作为实例显示乳酸根氧化反应: CH3CHOHCOCr + H2O — CH3COCT + CO2 + 4H+ + 4丨 (乳酸根氧化)(4) 有机碳氧化反应(反应4)也需要微生物(例如，SRB)的生物催化。在乳酸根氧化与反应2或3结合时，氧化还原反应产生能量。在细胞的细胞质中发生有机碳氧化和氧化剂(例如，硫酸根、硝酸根和亚硝酸根)还原，如图1中所示。如果在细胞质中发生反应2和4两者，则不涉及外部电子。因此，由利用铁氧化所释放的电子造成的直接电化学腐蚀不能发生。然而，当在铁基体上形成SRB生物膜时，如图2中所示，固着细胞(即，生物膜细胞直接附着到基体上)可能缺乏有机碳，因为生物膜充当有机碳从本体流体相输送到铁基体的传质阻挡层。即使细胞增殖不发生，微生物也需要维持存活能量。为了在有机碳缺乏的环境存活，固着细胞可利用从铁氧化反应释放的电子完成细胞质中的硫酸根还原。该氧化还原反应与结合硫酸根还原的乳酸根氧化同样高能，因为乳酸根和铁具有很相似的标准还原电位(在PH 7)，分别为-430mV和-447mV。这代表由于靠无氧呼吸生存的生物膜的存在而发生电化学腐蚀的基本机制。发酵菌不使用外部电子受体，例如硫酸根和硝酸根。在代谢中，它们产生自己的电子受体以达到电中性。典型实例是产生有机酸(例如乙酸)的产酸细菌(APB)或产酸真菌。APB分泌可腐蚀金属的有机酸而没有来自细胞的生物催化。因此，发生MIC不需要细胞为产电性。然而，实际上，微生物生活在协同生物膜聚生体中。发酵微生物分泌的有机酸实际上为SRB喜好的有机碳。通过用本专利技术检测生物膜聚生体中的SRB，也可间接检测APB，因为一旦检测，就可用微生物学和分子生物学测定进一步分析产电性生物膜样品，以查明生物膜中有哪些微生物物种。与乳酸根不同，不溶性元素铁不能直接进入细胞质供给电子。因此，铁氧化反应(反应I)发生在微生物细胞外。然而，由铁氧化反应释放的电子必须进入细胞的细胞质用于硫酸根还原，如图2中所示。基本上，由于细胞不是好的电子导体，并且电子不能在流体中“游动”，所以电子转移进入细胞是个问题。另外，电子不能容易地从细胞外跨入细胞的细胞质，这在MIC中是个瓶颈步骤。在流体和细胞的细胞质之间电子转移有两种主要方法:(a)直接电子转移(DET)；和(b)介导电子转移(MET)。DET依赖细胞壁中和细胞内的特殊蛋白和其它分子传递电子。对于DET，需要与基体(例如，铁基体)直接接触，除非细胞形成菌毛以桥连细胞和基体。一般地，直接在基体(例如，铁基体)上的固着细胞单层能够从铁氧化本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：T古，
申请(专利权)人：俄亥俄州大学，
类型：
国别省市：
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