Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

This thesis deals with the roles of microorganisms and different chemicals in the formation of deposits and biofilms at paper and board machines. "Deposit" in this thesis means solid matter that accumulates and immobilizes on machine areas or interfaces meant for unhindered flow of slurries, liquids or air. The deposit is a "biofilm" when microorganisms, or substances produced by them, are its major or otherwise significant building block. The work in this thesis builds on the hypothesis that i.) knowledge on the biotic and abiotic components of the deposit, and ii.) understanding their roles in the build-up, architecture, biological, physico-chemical and technical properties of the deposit will guide the researcher towards preventing or reversing the formation of unwanted deposits in a sustainable way. Multiple analytical tools were used for documenting the buildup of the deposit, including electron microscopy, confocal laser scanning microscopy (CLSM), energy dispersive X-ray (EDX) analysis, pyrolysis gas chromatography - mass spectrometry (Py-GCMS), ion exchange chromatography, gas liquid chromatography and microbiological analyses. I took actively part in developing innovative tools, based on back-scattered light sensoring that can be used for on-line measurement of biofilm in the water loops and containers of paper machines. In the thesis work it was discovered that many of the paper making chemicals interacted forming organic, adhesive layers on steel surfaces in machine circuits. Structures were found, by light microscopy originally judged as microbes, but electron microscopy revealed that they were alum that precipitated as aluminum hydroxide at pH 6.8 in the white water of recycled fiber using machines. Alum is still used as a fixative today among many paper makers, even if the process conditions have changed from acid to neutral pH. It is considered to be the “aspirin” for paper makers; the risk of this was clearly seen in this thesis work. Organic deposits were found, soaps (calcium soaps) of different compounds, like pitch, at the base of the deposit of many paper/board machines. Bacteria, morphologically resembling Deinococcus geothermalis, were demonstrated to grow as colonies firmly attached to the surface of clean stainless steel coupons, immersed in circulation waters at paper machines. Such deinococcal colonies could function as a pedestal, adhesion aid, for later massive attachment of other microorganisms, explaining why deposits frequently contain deinococci as a small, but never as the major building block of paper machine deposits. For assessing the quality of water (raw water, warm water or bio-water) at the paper machines, the measurement method is important. The correlation between cultivation methods and possible contamination of bacteria seen on the coupon surfaces was low, especially when filamentous bacteria were part of the contamination. Environmental concerns have forced paper and board machines to close their circuits. The circulation and reuse of the process waters lead to higher processing temperatures and increase of the colloidal and dissolved material in the circulations. The chemical composition of three different mills was studied, with different final discharges of, 0 m3, 0.5 m3 and 4 m3 waste water per ton product produced, one with reuse of bio-water. The zero discharge mill accumulated high amounts of organic carbon in the circulation waters (> 10 g L-1), including volatile acids (lactic, acetic, propionic and butyric). Contents of sulfate, chloride, sodium and calcium were also high, > 1 g L-1 of each. The major part (40 %) of all identifiable bacterial 16S rRNA gene sequences were closest but yet distantly related (<96 %) to Enterococcus cecorum. In the 4 m3 per ton product discharging mill, additionally Bacillus thermoamylovorans and Bacillus coagulans were found. Slimes and deposits contained high amounts, ≥108 g-1, of archaea, but only one genus, Methanothrix had a sequence match close enough for identification. The results showed that closing the water circuits strongly limited the diversity of the mill microbiota but allowed efficient mineralization of the dissolved and suspended matter.