CN101675007A - 从表面上除去微生物的方法 - Google Patents

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Abstract

已经发现了一种除去与系统接触的表面上的微生物生物薄膜的方法，该系统包括但不限于含水系统，所述方法包括向该含水系统中加入有效量的聚乙烯亚胺表面活性剂来充分的从水生系统的表面上除去微生物生物薄膜，同时由于它们非常低的排放浓度，因此该方法在排放时具有对非目标的水生生物最小的危险性。

Description

从表面上除去微生物的方法
技术领域
[0001]本发明的领域涉及除去与系统接触的表面上的微生物生物薄膜的方法，该系统包括但不限于含水系统。更明确的，本发明涉及使用生物分散剂来除去微生物生物薄膜。
发明背景
[0002]细菌会附着到任何没有消毒的水生环境中的表面上是公知的。工业上防止繁殖或者清洁污损表面的努力在许多工业领域中归结起来是一种昂贵的支出。通常这样的支出被用于包括使用表面活性剂的清洁程序中。表面活性剂被有规律的用于水处理程序中作为这样的试剂，该试剂据信具有下面的作用：除去表面上的有机物、提高生物杀灭剂的效力或者在帮助不同的生物杀灭剂在水中的混溶性。表面活性剂通常也被用于农业化学产业中，特别是用于提高除草剂的有效性。这是通过使用表面活性剂来改变所使用的药滴的表面积，使它们与叶子表面的相互作用最大化来实现的。
[0003]这里有众多的表面活性剂的例子，其通过抑制生长目标环境中的生物体的整体生长来抑制表面上的繁殖。大部分的表面活性剂，不论其种类如何，当使用浓度高到足以阻止微生物生长时，都能够抑制表面繁殖。在水处理工业中，最公知的表面活性剂(其给予了对于水下表面的抗繁殖的度量)包括阳离子季胺表面活性剂，其也起到生物杀灭剂的作用。其他表面活性剂，包括阴离子或非离子化学特性的表面活性剂，起到了改变表面能和防止微生物在水/表面界面上附着或者生长的作用。但是，甚至相对温和的非离子或阴离子表面活性剂也会表现出对于微生物，例如细菌，藻类或者真菌类的毒害作用。调节毒性所需的非离子表面活性剂的浓度典型的是基本上高于阳离子表面活性剂的浓度。另外，更多的无毒表面活性剂通常需要更高的浓度水平来实现它们的目的，由此使得它们不经济，倾向于形成高含量的不期望的泡沫，并且在排放到通常接收的水体中时，对非目标的水生生物产生毒害。
[0004]无毒控制表面繁殖的例子典型的需要使用高浓度的表面活性剂，这在水处理工业中是不可能的，因为这里数千或者数百万加仑的水将被处理。因此，存在一种对于这样的表面活性剂的需要，该表面活性剂能够用于水处理工业中，其表现出更低程度的毒性，并且在更低的剂量时是有效的，因此具有经济优势。
发明内容
[0005]已经发现了一种除去与系统接触的表面上的微生物生物薄膜的方法，该系统例如是但不限于含水系统，所述方法包括向该系统中加入有效量的聚乙烯亚胺表面活性剂来充分的从系统的表面上除去微生物生物薄膜，同时由于它们非常低的排放浓度，因此该方法在排放时具有对非目标的水生生物最小的危险性。另外，由于所需的低的剂量，因此这里也存在着经济优势。
[0006]表征本发明新颖性的不同特征是由附加的并且形成本发明一部分的权利要求中的特性来给出的。当然可以对本发明的不同部件进行改变和替代。本发明还存在于所述元件的次级组合和次级系统中，以及存在于使用它们的方法中。
具体实施方式
[0007]作为在整个说明书和权利要求中所使用的，近似的措词可以用来修正任何定量的表示，该定量的表示可以允许变化而不导致它所相关的基本功能的变化。因此，用术语例如“大约”修正的值不限于所规定的精确值。在至少一些例子中，近似的措词可以对应于测量该值的仪器的精度。除非上下文或者措词中另有指示，否则范围界限可以组合和/或互换，并且这样的范围是相同的，并包括其中所含的全部的次级范围。除了操作实施例或者这里另有指示，全部所提及的说明书和权利要求中所用的成分、反应条件等的量的数值或者公式被理解为在全部的情况中是用术语“大约”修正的。
[0008]作为此处使用的，术语“包含”、“含有”、“包括”、“包括有”、“有”、“具有”或者其任何的其他变化，目的是覆盖非排除的内含物。例如，包含一系列元件的过程、方法、制品或者设备不必仅仅局限于这些元件，而是可以包括其他没有明确列出的元件或者这样的过程、方法、制品或者设备所固有的元件。
[0009]在本发明的一种实施方案中，分散剂除去或者减少了与含水系统接触的表面上的微生物粘液，这优于单独通过水产生的这样的作用。微生物粘液包括，但不限于，代谢细胞加上胞外多糖。该分散剂起到了这种功能，而没有杀死起到粘附作用的微生物。所以，这种方法具有有利的环保作用，由于它非常低的排放浓度，因此它具有对于废水处理系统中或者其他排放容纳物中所存在的非目标的水生生物最小的危险性。另外，根据本发明的实施方案的分散剂不会造成过量的泡沫，该泡沫在许多水生系统中将是不可接受的。
[0010]本发明的一种实施方案提供了一种除去与系统接触的表面上的微生物生物薄膜的方法，该系统包括但不限于含水系统，所述方法包括向该系统中加入有效量的包含聚乙烯亚胺表面活性剂的分散剂。聚乙烯亚胺是一种具有高电荷密度的聚合胺，这使得它紧紧的吸附到带相反电荷的基底上。它是一种由乙烯亚胺聚合制备的水溶性聚合物。它不是完全的线性结构，而是一种部分支化的聚合物，含有伯、仲和叔胺。聚乙烯亚胺的分子式是C6H21N15，并且能够用下面的结构表征：
Figure A20088001421700051
[0011]聚乙烯亚胺是一种低分子量的乙烯亚胺共聚物。聚乙烯亚胺的分子量是大约1000-大约3000，并且一种可选择的范围是大约500-大约750,000。聚乙烯亚胺表面活性剂的例子包括，但不限于，BASFLupasols G20/G35TM(BASF公司，Florham Park，新泽西州)。
[0012]分散剂包含大约20-大约98重量％的聚乙烯亚胺，并且该分散剂的其余部分包含水，水的存在量可以是大约2-大约80重量％。另外的成分可以包括溶剂，例如低分子量醇类，例如乙醇、甲醇和丁醇。聚乙烯亚胺的一种实施方案包含了大约40-大约50％的水和大约40-大约50％的1，2-乙二胺，与氮丙啶的聚合物。
[0013]聚乙烯亚胺表面活性剂的一个增加的优势是与其他的表面活性剂相比，能够长期在含水介质中起作用。一个原因是它们在表面上具有比其他的表面活性剂例如诸如环氧乙烷和/或环氧丙烷(EO/PO)共聚物更大的吸附性。聚乙烯亚胺不同于用于类似目的其他的分散剂和表面活性剂之处在于，聚乙烯亚胺在它的主链上含氮，氮分散在碳中。其他已知的分散剂具有只由碳原子组成的主链。在聚乙烯亚胺主链中氮的存在构成了它在表面上比现有技术已知的表面活性剂更大的吸附性。
[0014]聚乙烯亚胺表面活性剂在宽的系统pH范围内保持了性能，并且因此能够有利的用于不同的含水系统。聚乙烯亚胺表面活性剂可以用于pH为大约3.5-大约10.5的含水系统中。
[0015]本发明的分散剂优选以下面的浓度包括在含水系统中：至少大约2份/百万(ppm)-大约400ppm，并且一个可选择的范围是大约20-大约120ppm，和另外一个实施方案是大约40-大约60ppm。作为分散剂的一个实施方案，Lupasol G35TM(BASF Florham Park，新泽西)是大约50％活性的，上面给出的浓度是产品浓度，不同于该活性浓度。在这个例子中，为了获得分散剂的活性浓度，除以2，因此如果存在100ppm的Lupasol G35TM，则活性浓度是50ppm。
[0016]本发明的分散剂能够用于多种含水系统中，例如，但不限于，开放的再循环冷却水系统，制浆和造纸系统，输水管线，封闭的冷却系统，逆渗透系统，空气洗净器系统，淋浴水系统，直流水系统，烃储存系统，输烃管线，金属加工流体系统，和含水矿物加工系统。
[0017]本发明现在将参考某些实施例进行描述，该实施例仅仅是代表性的本发明，并且不应该解释为对其的限制。
实施例
[0018]本发明在下面的非限定性实施例中进行说明，其是作为代表性的目的来提供的，并且不解释为对本发明范围的限制。除非另有指示，否则实施例中全部的份数和百分比是基于重量。
[0019]为了证实本发明的效力，开发了一种方法，其能够筛选分散剂的除微生物生物薄膜的能力。这种方法包括细菌在市售的316不锈钢试样片(coupons)上的繁殖，和在分散剂存在/不存在时它们的除去。然后通过标准方法来测量在一组试样片上的细菌数目。
[0020]选择微生物种类荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)用于这些研究，因为该种类是水下表面上常见的微生物，并因此将是期望在工艺水流中可以找到的微生物。
[0021]附着到316不锈钢上的生物薄膜是由5ml的荧光假单胞菌在营养肉汤中的培养物开始来形成的，将它在30℃培养和摇动一整夜。第二天，将1mI的培养物转移到1.5ml微量离心管(eppendorf tube)中。然后将该培养物放在4℃的10000g的离心分离机中10分钟。滗出液体，将细胞球重新悬浮在0.85％的消毒盐水中。
[0022]重复培养物的转移和离心分离。其后，将荧光假单胞菌细胞球重新悬浮在1ml的0.85％的消毒盐水缓冲液中，并用消毒盐水缓冲液稀释到OD600～0.050±0.02。将#4Whatman滤纸放在所需的全部的营养肉汤盘上面，并将2ml所制备的细胞悬浮液放在每个滤纸上面。将三个316不锈钢试样片放在每个陪替氏培养皿(Petri dish)的滤纸上，并将它们在30℃培养24小时。生物薄膜可以在两面试样片的一个面上形成。
[0023]为了显示生物分散剂对于生物薄膜涂覆的试样片的处理，在第三天，制备模拟冷却塔水，并过滤消毒。制备生物分散剂储备溶液(10000ppm)。每个烧杯装有700ml冷却水，然后从每个烧杯中除去一定量的冷却水，该一定量等于将被加入到每个特定烧杯中的生物杀灭剂/或分散剂的量。
[0024]将适当量的生物分散剂以待测试的浓度水平加入到每个烧杯中。将该溶液使用多级搅拌器彻底混合。保持一个烧杯作为对照，并且其仅仅包含700ml的模拟冷却水。其后，将三个具有生物薄膜的试样片无菌放在试样片支架上，然后将每个试样片支架放入该试样片支架盖的狭槽中。将烧杯放在多级搅拌器中，并调整搅拌动作来将该溶液在烧杯中轻柔混合24小时。
[0025]将35ml消毒盐水缓冲液放入50ml离心分离管中，将一种生物薄膜试样片无菌转移到每个离心分离管中。在每个管中适当的进行超声波降解来从每个试样片上除去任何剩余的荧光假单胞菌生物薄膜细菌，并分散在盐水缓冲液中。
[0026]使用消毒盐水缓冲液进行连续的稀释。将生物薄膜细胞稀释物接种到Petrifilm(3M公司)上。将该Petrifilm在30℃培养48小时，并且读取CFU(菌落形成单位)。菌落形成单位(cfu)/cm2(生物薄膜密度)是通过因子分解适当的稀释物，并将所获得的细胞数除以8.77cm2(标准的316SS(不锈钢)腐蚀试样片的一个面的面积)来测定的。所除去的生物薄膜的％是通过用100％减去上面对于每个处理所计算的％来计算的。(生物薄膜对照物减去处理物)。
[0027](任选的计算：由生物分散剂所达到的减少％＝(对照物数-处理物数)x100/对照物数)X100
[0028]聚乙烯亚胺对于生物薄膜除去的结果表示在下面的表格和图中。表示了两种不同的产物Lupasol G35和Lupasol G20的结果，二者都产自BASF，Florham Park，新泽西州。
表I
聚乙烯亚胺对于生物薄膜除去的结果(烧杯试验)
Figure A20088001421700081
表II
  cfu/cm2(平均) SD   SD/cfu/cm2(平均) 生物薄膜除去
  对照物   3458761   1338145   38.7％
  50ppm EO/PO共聚物   4682630   399752   8.5％   -35.4％
  50ppm20％Lupasol G35   2833523   1246151   44.0％   18.1％
图I
Figure A20088001421700091
这个图中从左到右表示了对照物、50ppm EO/PO和50ppm20％的Lupasol G35
表III
聚乙烯亚胺对于生物薄膜除去的结果(烧杯试验)
Figure A20088001421700101
表IV
  cfu/cm2(平均)   SD   SD/cfu/cm2(平均)   生物薄膜除去
  对照物   1165336   383789   32.9％
  50ppm EO/PO共聚物   1169327   33864   2.9％
  50ppm 20％G35   393767   82016   20.8％   66.2％
  50ppm 20％G35   484227   69850   27.0％   58.5％
图II
Figure A20088001421700111
这个图中从左到右表示了对照物、50ppm EO/PO、50ppm20％G35和50ppm20％G35
(上表IV给出了以cfu/cm2为单位的实际值)
在进一步的试验中，进行微孔板测试来比较请求保护的试剂与可选择的试剂和没有试剂的情况。在该测试中，将荧光假单胞菌(PF)ATCC13525的培养物用消毒的TSB(胰蛋白酶大豆肉汤)稀释到最终的OD600nm＝0.05。将200μl的PF稀释物接种到透明塑料微孔板(Costar#3599)的每个孔中，除了空白孔之外，将该空白孔保持空白来评价缓冲液带来的荧光背景。将所述的孔用盖子盖上，并将该微滴定板在30℃培养一整夜。
在第二天滗出荧光假单胞菌培养物，用200μl消毒冷却水(pH7.3)冲洗3次。将在消毒冷却水(pH7.3)中制备的200μl的20ppm生物分散剂化学溶液分配到每个孔中。覆盖该微滴定板，并培养24小时。然后将该板用生物分散剂溶液和200μl消毒盐水缓冲液冲洗3次。此时，开始着色和量化。将10μl 20X CyQUANT细胞溶解缓冲液(MolecularProbe C7027)分散到微孔板的每个孔中。将190μl盐水缓冲液加入到每个孔中。用微孔板带密封该板，并在65℃的水浴中培养5分钟。然后将该板简单的离心分离(500rpm，进行1分钟)来收集每个孔底部的液体。将90μl的细胞溶解产物转移到新的微孔板中，该板的每个孔含有10μl10X Sybr Green 1溶液(Molecular Probe S-7585)。测量在微孔板读取器中的每个着色细胞溶解产物的荧光亮度(RFU)。(激励波长＝485nm，发射波长＝535nm)。
已经发现在10ppm的工作浓度处理中，Lupasol G20和G35具有在除去costar透明微孔板上的PF13525生物薄膜方面明显的效果(P＜0.05)。进一步详细的内容在下表和图中给出。
微孔板测试
50ppm 20％Lupasol G20/G35和50ppm EO/PO生物薄膜的除去效力SBYR GREEN I着色结果
  平均   化学   P.f.13525
  1/2   空白   104
  3/4   对照物   8295
  5/6   EO/PO共聚物   8766
  7   BD1550   7926
  9   Lupasol G35   2251
  10   Lupasol G20   4013
  Stdev   化学   P.f.13525
  1/2   空白   16
  3/4   对照物   1399
  5/6   EO/PO共聚物   1918
  7   BD1550   1780
  9   Lupasol G35   1401
  10   Lupasol G20   1197
  生物薄膜除去   化学   P.f.13525
  1/2   空白
  3/4   对照物
  5/6   EO/PO共聚物   -6％
  7   BD1550   4％
  9   LiipasoS G35   73％
  10   Lupasol G20   52％
*表示统计上比对照物低
图III
这个图中从左到右表示了对照物，EO/PO共聚物，BD 1550；LupasolG35和Lupasol G20
[0029]虽然已经参考优选的实施方案对本发明进行了描述，但是本发明所属领域的技术人员可以对这些实施方案进行不同的变化或者替代，而不脱离本发明的技术范围。因此，本发明的技术范围不仅包括上述的这些实施方案，而且还包括落入附加的权利要求的范围内的全部的实施方案。

Claims (10)

1.一种除去与系统接触的表面上的微生物生物薄膜的方法，该方法包括向该系统中加入有效量的聚乙烯亚胺表面活性剂。
2.根据权利要求1的方法，其中该系统是含水系统。
3.根据权利要求1的方法，其中该聚乙烯亚胺表面活性剂的存在量是大约2ppm-大约400ppm。
4.根据权利要求1的方法，其中该聚乙烯亚胺表面活性剂的存在量是大约20ppm-大约120ppm。
5.根据权利要求1的方法，其中该聚乙烯亚胺表面活性剂的存在量是大约40ppm-大约60ppm。
6.根据权利要求1的方法，其中该含水系统的pH是大约3.5-大约10.5。
7.根据权利要求1的方法，其中该聚乙烯亚胺表面活性剂是大约50％活性的。
8.根据权利要求1的方法，其中该表面活性剂包含大约20-大约98重量％的聚乙烯亚胺。
9.根据权利要求1的方法，其中该表面活性剂包含大约40-大约60重量％的聚乙烯亚胺。
10.根据权利要求1的方法，其中该系统选自：开放的再循环冷却水系统、制浆和造纸系统、输水管线、封闭的冷却系统、逆渗透系统、空气洗净器系统、淋浴水系统、烃储存系统、直流水系统、输烃管线、金属加工流体系统、和含水矿物加工系统。
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