JP6954387B2 - 水中のでんぷん濃度の連続測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、紙パルプ工場や食品工場の製造工程水および排水などにおけるでんぷん濃度を測定する方法及び装置に関する。

製紙工場では、溶解させ糊化したでんぷんを、紙力剤や貼合剤、顔料の定着やインクのにじみ防止など様々な用途で用いている。用いたでんぷんの余剰分は水中に残留し、微生物の栄養源となり、スライム障害やデポジット発生といった製品の品質低下や抄紙機の操業停止などの障害を引き起こす。

また、食品工場などのでんぷん含有排水では、残留でんぷんはＢＯＤ・ＣＯＤ源として水質汚濁の原因となる。

従って、残留でんぷん濃度をリアルタイムで測定かつモニタリングして排出量をコントロールすることは、製品品質の維持のみならず、水質汚濁防止および環境負荷低減を図る上での重要な課題である。

水中でんぷんの測定にはヨウ素でんぷん反応を利用したヨウ素液またはヨウ化カリウム溶液を試薬に用いる方法が一般的である。これはヨウ素がでんぷん分子間に入り込んで包接化合物を作るときに青紫、赤紫色に発色する原理を用いる方法である。

従来は、紙パルプ工場や食品工場の製造工程水および排水から人が検水を採取し、試験室などの屋内環境で測定日毎にヨウ素試薬を調合し、比色計で分析を行い、得られた結果を見て製造ラインへのでんぷん添加量調整ならびに、スライムコントロール剤やＣＯＤ低下剤などを投入し、水中のでんぷん濃度をコントロールしていた。

ヨウ素でんぷん反応を利用した従来のでんぷん測定方法の一例では、試薬にヨウ素液および塩酸を用いる。この方法では、発色度の調整のため０．５ｍｏｌ／Ｌ（１Ｎ）ヨウ素液を５００倍に希釈する必要があった。この希釈ヨウ素液は、安定性が悪く、光により容易に分解するため遮光瓶に入れる必要があり、基本的には測定日毎に調製する必要があった。そのため、現場における機器による連続測定には不向きであった。

ヨウ素でんぷん反応を利用したでんぷん測定方法の従来の別の一例では、試薬にヨウ化カリウム溶液と過酸化水素・硫酸混合液を用いる。この方法では、硫酸酸性下において過酸化水素によりヨウ化カリウム溶液からヨウ素を遊離させ、この遊離ヨウ素をでんぷんと反応させる。

この方法におけるヨウ化カリウム溶液は、試薬として比較的安定である。しかし、ヨウ素を遊離させるための過酸化水素は、製紙プロセスでは漂白剤として用いられる還元物質（亜硫酸ソーダや二酸化チオ尿素）や微生物、金属塩や有機物と反応して消耗しやすく、その結果ヨウ素の遊離量が不安定になり、測定誤差が大きくなり易い。

また、過酸化水素の酸化力で遊離するヨウ素量を一定に保ち測定を安定させるためには、検水中のパルプや縣濁物質および微生物を濾過して取り除く前処理が必要であった。

従ってこのヨウ化カリウム溶液と過酸化水素・硫酸混合液を用いる方法も、連続測定には向かなかった。

その他のでんぷん定量法としては、旋光度を測定するエーベルス偏光分析法（ＩＳＯ１０５２０）や、ペルオキシダーゼやグルコースオキシダーゼ等の酵素を用い、でんぷんをグルコースにまで分解して定量する酵素法が知られている。これらの方法も、特殊な機器や高価な酵素試薬等を用いる必要があり、でんぷん濃度の連続分析には不向きである。

なお、本発明ではポビドンヨードを用いるが、このポビドンヨードは殺菌剤として広く用いられている。

特公平３−２５４７号公報 特開２００３−１６０５００号公報

"でんぷんの検出と定量−その問題点"川村信一郎 澱粉工業学会誌第16巻第2号(1968)

上述の通り、希釈ヨウ素液や過酸化水素でヨウ化カリウムからヨウ素を遊離させる方法には、試薬の安定性の面で課題がある。現場設置型の連続測定装置において試薬を毎日調製・交換することは、非合理的である。また、水質変動の激しい検水において過酸化水素により試薬ヨウ素の遊離を安定化させることは困難である。

本発明は、用いる試薬の安定性に優れ、でんぷん濃度測定装置の保守管理が容易となる水中のでんぷん濃度測定方法及び装置を提供することを目的とする。

［１］ 検水にポビドンヨードを添加し、次いで吸光度を測定し、測定された吸光度に基づいて検水中のでんぷん濃度を測定する、水中のでんぷん濃度測定方法。

［２］ 検水が導入されるセルと、該セル内に、又は該セルに導入される検水にポビドンヨード水溶液を供給する手段と、該セル内の液の吸光度を測定する手段とを有する水中のでんぷん濃度の測定装置。

［３］ 前記セルの一部が透明部となっており、前記吸光度の測定手段が該透明部の外側に配置されている［２］の水中のでんぷん濃度の測定装置。

［４］ ［１］の検水中のでんぷん濃度測定方法によって求めた検水中のでんぷん濃度に基づいて、該検水を採取した水系に対し、スライムコントロール剤又はＣＯＤ低下薬を添加する水系への薬注制御方法。

ポビドンヨードは、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）とヨウ素の複合体であり、うがい薬や消毒薬として広く用いられている。

ポビドンヨードは、ヨウ素液に比べ良好な安定性を有する。例えば、ヨウ素希釈液（Ｎ／５００ヨウ素液）が常温、遮光条件において１週間程度で劣化するのに比べ、０．５％に希釈したポビドンヨードは室温、遮光条件で１か月後に９０％残存するデータが文献で紹介されている（“希釈調製した０．５％ポビドンヨード液の安定性および各種ポビドンヨード製剤の比較”内田昌希（城西大学薬学部薬学科）ほか 医学薬学Ｖｏｌ４０．Ｎｏ，２（２０１４））。

また、ポビドンヨードは、消毒薬として用いられているため、汎用性が高く、入手も容易である。さらに、ポビドンヨードは、水に易溶であるので、濃度調製も容易で、試薬として非常に適した特性を有している。

従って、ヨウ素でんぷん反応を用いた現場設置型のでんぷん連続測定装置の試薬としてポビドンヨードを用いることで、試薬の長期安定性、調製または交換頻度の問題、および検水中の成分による測定値のばらつきを解決し、水中でんぷん濃度の長期連続測定が可能となる。

でんぷん濃度測定装置の構成図である。 でんぷん濃度測定装置の縦断面図である。 実施例及び比較例の結果を示すグラフである。 検量線の一例を示すグラフである。

本発明では、検水にポビドンヨードを添加し、比色測定（吸光度測定）することにより、検水中のでんぷん濃度を測定する。

この方法は、検水中のでんぷん濃度が、１０〜６００ｍｇ／Ｌ特に２０〜４００ｍｇ／Ｌ程度であるときに適用するのに好適である。

検水に添加するポビドンヨードの添加量は、０．１〜３ｍｇ／Ｌ特に０．２〜２ｍｇ／Ｌ程度が好適である。

ポビドンヨードは、５００〜５０，０００ｍｇ／Ｌ特に２，０００〜２０，０００ｍｇ／Ｌの濃度の水溶液として検水に添加されることが好ましい。

検水に対しては、必要に応じ酸又はアルカリを添加し、ｐＨを１〜５、特に２〜４とすることが好ましい。

検水にポビドンヨード及び必要に応じ酸又はアルカリを添加した後、必要に応じ撹拌し、１〜１０分、特に３〜５分経過した後、吸光度測定を行うことが好ましい。吸光度測定を行うときの波長は４５０〜７００ｎｍ特に５００〜６００ｎｍが好適である。

予め濃度既知のでんぷん水溶液を用いて作成しておいた吸光度とでんぷん濃度との検量線に基づいて、検水中のでんぷん濃度が測定される。ポビドンヨードの添加及び吸光度測定は、連続測定式の装置を用いて行ってもよい。この連続測定装置の一例について図１，２を参照して説明する。

図１，２の通り、この連続測定装置のフローセル１の一端側（図１，２では下端側）から、オートサンプラー等によって採取された検水が導入される。フローセル内に規定量の検水が導入された後、検水導入を停止し、該一端側（又は流入配管２）に対しポビドンヨード水溶液よりなる試薬１と、酸又はアルカリの水溶液よりなる試薬２とを定量ポンプを有するライン１１，１２によって添加する。次いで、撹拌手段（図示略）によって所定時間撹拌した後、カラーセンサ３によって吸光度を測定する。

フローセル１の一部は透光性窓部１ａとなっており、カラーセンサ３は該透光性窓部１ａの外側に配置されている。カラーセンサ３は、発光素子３ａと受光素子３ｂとを有している。

吸光度測定後、検水又は洗浄水をフローセル１に通水し、測定排液を、配管４から排出する。

試薬１，２を添加した検水の吸光度と、検水のみの吸光度（ブランク値）との差より、でんぷん呈色反応により着色した検水の吸光度を求める。そして、予め求めておいた検量線に基づいて、検水中のでんぷん濃度を求める。

かかる測定方法及び装置によると、次の効果が得られる。
（１） 測定毎にヨウ素液を希釈し試薬を調合することの手間の省略
（２） 希釈によるヨウ素液の易分解性による計測値変動の解消
（３） 過酸化水素によりヨウ化カリウム溶液からヨウ素を遊離させる測定法における検水中の還元物質、有機物による測定誤差の解消
（４） ヨウ素液試薬の刺激性の解消
（５） ポビドンヨードの安全性と汎用性ならびに、易溶解性による試薬製造時間・コストの改善
（６） 製造現場における水中でんぷんの連続自動測定・モニタリング装置の実現
（７） 従来人の手で行っていた水中でんぷんの分析を、連続的に自動で測定することが可能となる。
（８） ５分毎程度の間隔で無人で自動測定を行い、測定値は遠隔モニタリングで即時に監視することができ、かつ測定値に応じて警報の発報や自動でスライムコントロール剤、ＣＯＤ低下剤を投入することが可能で水中のでんぷん濃度を容易に自動管理することが可能になる。
（９） 水中でんぷん濃度のリアルタイム測定・監視および濃度管理による省力化、自動化が可能になる
（１０） 水中の過剰でんぷん低減による製紙製造工程での操業性改善、製品品質向上
（１１） 排水処理分野における水質汚濁リスクの低減、環境負荷低減、富栄養化防止
なお、３．５％塩酸（試薬Ａ）とＮ／５００ ヨウ素液（試薬Ｂ）とを用い、検水に該試薬Ａ，Ｂを添加し３分後に比色測定する従来法（ヨウ素液希釈法）では、測定時間は１検体当り約５分であり、事前試薬調成時間は１０分である。

また、１０％硫酸＋１６．５％過酸化水素混合溶液（試薬Ｃ）と０．３％ ヨウ化カリウム溶液（試薬Ｄ）とを用い、検水に該試薬Ｃ，Ｄを添加し、１０分後に比色測定する従来法（ヨウ素ヨウ化カリウム法）では、測定時間は１検体当り約１０分である。

これに対し、本発明方法の一例によると、試薬１として３．５％塩酸を用い、試薬２として０．５％ポビドンヨードを用い、検水に試薬１，２を添加し３分後に比色測定してでんぷん濃度を求める場合、測定時間は１検体当り約３分で足りる。

また、図１，２の連続測定装置を用い、試薬１として３．５％塩酸を用い、試薬２として０．５％ポビドンヨードを用い、チューブポンプにより検水をフローセルに採取し、試薬１，２をフローセル内に添加し自動で撹拌を行い、３分後にＲＧＢ値の吸光度測定を行う場合、測定時間は約３分で足りる。また、でんぷん濃度を自動算出し、測定上限警報や外部出力端子を備え、スライムコントロール剤、でんぷんの酸化剤やＣＯＤ低下剤添加設備と連動させ、水中のでんぷん濃度を監視、管理することもできる。ＣＯＤ低下剤としては硫酸アルミニウム、塩化第二鉄、ＰＡＣ等の無機凝集剤や、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド等の高分子凝集剤などを用いることができる。

［実施例１］
本実施例で用いた検水は、あらかじめアルカリ性で加熱溶解させた濃度１％の生でんぷん溶液を純水で希釈し、でんぷん濃度０ｍｇ／Ｌ，５０ｍｇ／Ｌ，１００ｍｇ／Ｌ，２００ｍｇ／Ｌ，３００ｍｇ／Ｌの標準希釈系列としたものである。

ポビドンヨードとしては、吉田製薬（株）製ポピヨドン液１０％を希釈して０．５ｗｔ％濃度としたものを用いた。

比色計としては、測定波長５２８ｎｍポータブル比色計（ハック社製ＨＡＣＨ２４７０）を用いた。

各検水に３．５％塩酸０．３ｍＬ及び０．５％ポビドンヨード０．３ｍＬを添加し３分後に上記比色計で比色測定し、指示値に一定の係数を乗じた値をでんぷん値とした。結果を図３に示す。

［比較例１］
検水を３．２ｍＬとし、３．５％塩酸を４．４ｍＬ添加し、Ｎ／５００ヨウ素液を０．４ｍＬ添加したこと以外は実施例１と同様にして、でんぷん濃度を測定した。結果を図３に示す。
［実施例２，３：図１，２の連続測定装置による測定］
実施例２では、検水として、純水に上記１％の生でんぷん溶液を添加したでんぷん濃度０ｍｇ／Ｌ，５０ｍｇ／Ｌ，１００ｍｇ／Ｌ，２００ｍｇ／Ｌ，３００ｍｇ／Ｌの各検水を用いた。

実施例３では、段ボール原紙工場のパルプを含む回収水を１時間静置し、得られた上澄みに上記１％生でんぷん溶液を添加したでんぷん濃度０ｍｇ／Ｌ，５０ｍｇ／Ｌ，１００ｍｇ／Ｌ，２００ｍｇ／Ｌ，３００ｍｇ／Ｌの各検水を用いた。

なお、この上澄み水にはでんぷんを消費する微生物や有機物が含まれるため、でんぷん添加から３０分以内で測定を終了するようにした。また、実施例２，３ではでんぷん水溶液の前処理は省略した。

オートサンプラーにより上記希釈でんぷん標準液をフローセル内へ自動採水した。次いで微量定量ポンプによりフローセルへ試薬１として３．５％塩酸をフローセル容量の３％注入し、試薬２として０．５％ポビドンヨードをフローセル容量の３％注入し、撹拌した。

３分後に、フローセルに固定されたカラーセンサによりＲＧＢ値を測定し、ＲＧＢ値を吸光度に換算し、ヨウ素法の比色分析から得られた測定値と比較して検量線を作成し、でんぷんの濃度式を求めた。結果を図４に示す。

＜結果・考察＞
上記実施例１は、第二試薬をポビドンヨードに変更したこと以外は、従来のヨウ素液を試薬とした試験法に準じるものである。

ポータブル比色計（ハック社製ＨＡＣＨ２４７０）の指示値を比較したところ、図３の通り、比例関係が認められ、でんぷん測定試薬として問題ないことが判明した。

１ フローセル
３ カラーセンサ

Claims (4)

1. 現場設置型の連続測定装置によって水中のでんぷん濃度を連続測定する方法であって、検水にポビドンヨードを添加し、次いで吸光度を測定し、測定された吸光度に基づいて検水中のでんぷん濃度を測定する、水中のでんぷん濃度の連続測定方法。
2. 検水が導入されるセルと、
   該セル内に、又は該セルに導入される検水にポビドンヨード水溶液を供給する手段と、
   該セル内の液の吸光度を測定する手段と
   を有する現場設置型の水中のでんぷん濃度の連続測定装置。
3. 前記セルの一部が透明部となっており、前記吸光度の測定手段が該透明部の外側に配置されている請求項２の現場設置型の水中のでんぷん濃度の連続測定装置。
4. 請求項１の水中のでんぷん濃度の連続測定方法によって求めた検水中のでんぷん濃度に基づいて、該検水を採取した水系に対し、スライムコントロール剤又はＣＯＤ低下薬を添加する水系への薬注制御方法。

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