CN1046685C - 控制生物污垢的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制含水环境中生物污垢的方法，它包括向易受生物污垢影响的含水设备中添加邻苯二醛。本发明的方法特别适合于工业水冷却设备，造纸及石油的二次开采工艺。

Description

控制生物污垢的方法
本发明涉及一种能广泛用于包括水处理、纸浆和纸的生产和油田水驱系统的生物污垢控制的方法。尤其是使用邻苯二醛控制生物污垢的方法。
生物污垢是指任何实际浸入到含水环境中的表面上所形成的微生物沉淀或生物膜。对于绝大多数工业设备而言，都不希望有生物膜存在，因为它们有可能极大的损坏工业设备。在水冷却系统中，生物膜会使传热速度降低，并且有生物污垢的管道和热交换管会显著增加对流体流动的阻力以及泵送流体时所需的能量。在二次采油时，由于需要使用含油层水驱法，因此，生物膜可能阻塞含油层。另外，众所周知，伴随着某些细菌生物膜的生长而产生的酸也可能导致严重的腐蚀发生。这类细菌生物膜通常由硫酸盐还原细菌组成，这种细菌通常厌氧地生长在有油和天然气存在的水中。
生物膜可能包含任何种类的微生物，比如藻类、霉菌、需氧细菌和厌氧细菌。除了这些微生物之外，生物膜通常还包括胞外聚合材料，这种聚合材料保护微生物不被捕食和避免毒素的侵害。由于这些聚合物能阻碍化学生物杀伤剂的渗透，因些，包含于或附着于生物膜中的微生物(固着微生物)比悬浮于水相中的微生物(浮游微生物)更难被化学生物杀伤剂杀死。
在文献中已记载有多种能够杀死浮游生物的生物杀伤剂，例如参见美国专利US-4297224。这些生物杀伤剂包括氧化生物杀伤剂：氯、溴、二氧化氯、氯代异氰脲酸酯以及含卤素的乙内酰脲；还包括非氧化生物杀伤剂：季铵化合物、异噻唑酮、醛类、对羟基苯甲酸酯类和有机硫化合物。
通常，上述生物杀伤剂已经用于杀死循环水系统、例如水冷却塔、巴氏灭菌器中的浮游微生物。但是，对固着微生物的生物杀伤效果的常规测定直到最近都很少进行。最近的研究表明，许多广泛使用的生物杀伤剂对固着微生物的杀伤效果都不好。例如，参见Costerton等人在Materials Performance的第49-53页(1988)上发表的“Bacterial Biofilmsin Relation to Internal CorrosionMonitering and Biocide”一文。
文献中记载的能有效杀灭已形成生物膜中的固着微生物的非氧化生物杀伤剂只有很少几种。这样的生物杀伤剂有异噻唑酮、甲醛和戊二醛。据Ruseska等人报导，异噻唑酮能有效地控制生物膜，参见“Biocide Testing Against Corrosion-Causing Oil-fieldBacteria Helps Control Plugging”一文，Oil and Gas Journal,p253-264(1982)。据Pope等人报导，甲醛在一次试验中效果很好，但在另一次试验中效果却不佳，见“Mitigation Strategies forMiorobiologically Influenced Corrosion in Gas Industryfacilities”一文，NACE Paper,No 89-192,NationalAssociation of Corrosion Engineers,Corrosion 1989。现已发现，戊二醛在模拟水驱管路状态的动态实验室反应器中，可以有效地除去生物膜沉淀并控制可生存生物的数目。参见Eagar等人的The Use ofGlutaraldehyde for Microbial Control in Waterflood Systems”一文，Materials Performance,Vol.27,P40-45(1988)。与现有技术相关的问题包括需要利用较高浓度的生物杀伤剂与固着微生物长时间接触，以杀死固着微生物。
因此，现在需要这样一种生物杀伤剂，它能有效杀灭固着微生物，并且用量低于现有生物杀伤剂的用量。
本发明目的在于提供一种在含水设备中控制生物污垢的方法。该方法包括以至少足以杀死该设备中所含固着微生物的用量向含水设备中添加邻苯二醛。现已发现，邻苯二醛对杀死出现在易受生物污垢影响的各种含水环境中的固着微生物特别有效。其效果比在现有文献中报导的其它生物杀伤剂的好。
邻苯二醛具有如下的结构式：在这里，为了简便起见，有时称之为“OPA”。
实际上，OPA是以“能有效灭菌的用量”用于含水设备的。这里“能有效灭菌的用量”一词的含意至少是指基本杀死附着于设备壁面和其它结构表面上的微生物或抑制其生长所需OPA的最小使用量。本发明的方法还涉及到以至少足于抑制上述微生物再生长或生长的用量向含水设备投放OPA。所需OPA的具体用量取决于许多因素，这些因素包括固着微生物的种类、OPA与微生物的接触时间以及使用OPA的含水设备本身。
一般，在本发明的方法中，OPA的使用浓度以待处理的含水设备中水的重量为基础，可以高达5％。然而，从OPA作为一种抗固着微生物的生物杀伤剂的效果看，OPA通常是以大约0.5～1000ppm的低浓度使用，更常用的是大约5～500ppm。一般要求不超过10-250ppm。OPA在25℃的水中的溶解度上限是5％(重量百分比)，即50000ppm，但是，如果需要，利用与水混溶的助溶剂，如与水混溶的二元醇类、醇类、呋喃类和醚类，可以使OPA在水中的浓度超过5％的上限。例如，适合用于本发明方法中的助溶剂有1,2-亚乙基二醇、甲醇、乙醇和四氢呋喃。一般，当使用一种助溶剂时，最好选用沸点较高的，如特别是1,2-亚乙基二醇。
虽然戊二醛和甲醛在先前公开的现有技术中是用于杀死固着微生物或抑制其生长的最佳化合物，但现已发现，OPA在杀死固着微生物或抑制其生长方面比这二种生物杀伤剂中的任何一种效果都好。然而，应当说明的是，OPA可以与戊二醛、甲醛以及其它生物杀伤剂中的一种或几种结合在一起用于本发明的方法。这些其它的生物杀伤剂举例而言，可以是：氯、溴、二氧化氯、氯代异氰脲酸酯、含卤素的乙内酰脲、季铵化合物、异噻唑酮、对羟苯甲酸甲(或丙)酯以及有机硫化合物。
由本发明的方法处理的含水设备是那些能够承受固着微生物生长的设备。这样的设备可能含有各种各样的固着微生物，包括细菌、酵母、真菌、霉菌和藻类。需要说明的是，由本发明的方法处理的含有固着微生物的设备也可能含有并且经常含有浮游微生物。
将微生物迅速杀死对于工业上的某些工艺十分重要，因为在这些处理工艺中，生物杀伤剂作用于微生物的时间较短。这样的处理工艺的例子有：(1)冷却水和造纸厂纸浆处理工艺，在该处理工艺中，一部分水周期性地流失或被除去，而由新鲜水取代，因此，生物杀伤剂在投入数小时内便已流失；(2)油田水驱处理工艺，在该工艺中，生物杀伤剂是用于一种非循环系统；(3)输送装置的润滑剂。上述这些处理工艺中，生物杀伤剂与微生物的接触时间不到4小时。
除杀伤速度外，长期接触的杀伤程度对许多处理工艺也是很重要的。这样的处理工艺有：(1)在使含水流体，如金属加工流体或热传递流体再循环的工艺中控制生物污垢；(2)杀死含水闭合回路中设备，如空调器、空气清洁器和冷却水设备中的微生物。
下面所给出的例子是用于解释说明本发明的，不应过份地把它看做是对本发明的限制。全部的成份含量和百分比除非另有说明，都按重量计算。
                        定义
下列符号在所举实例中以及其它有关部分具有下述含意：
ml   ——毫升
mm   ——毫米
mMole——毫摩尔
I.D  ——内径
O.D  ——外径
g    ——克
OZ   ——盎司
ppm  ——占水重量的百万分之一
GA   ——戊二醛
FA ——甲醛
TGE——胰蛋白胨葡萄糖提取物
SRB——硫酸盐还原细菌
下述方法用于培养用于所举例子中的各种类型的微生物。
方法A——在不锈钢圆筒上形成需氧生物膜：
将大约20ml无菌的细菌用TGE培养液(Difco Labs)放置在培养皿(15×100mm)中。将10ml培养24小时的待试验需氧生物培养物加入到该培养基中。然后将无菌的不锈钢圆筒(O.D10mm，I.D7mm，长10mm)放入已接种的培养液中。圆筒立着或侧着放入已接种的培养液中。将装有圆筒的培养皿在37℃保温培育48小时。尔后，将圆筒在无菌条件下用镊子逐个取出，在无菌滤纸上吸干，浸入无菌盐水中洗三次。这个过程可以保证所试验的是那些牢固地附着在生物膜上的生物。
接着，将二个覆有生物膜的圆筒分别仔细地放入两个含有不同浓度生物杀伤剂的10ml试管中。当接触时间为1小时和4小时后，将圆筒在无菌条件下转移到一个具有TGE培养液的新试管中，并旋搅30秒以除去所有固着生物。将所得到的培养悬浮液连续地稀释，并用TGE琼脂制成计数板，用于计数。计数之前将计数板在37℃培养48小时。
方法B——在低碳钢圆筒上形成硫酸盐还原细菌生物膜：
按以下方法制备含SRB的培养基：
将14.5g细菌用硫酸化API培养液(Difco Labs)和2.0g细菌用琼脂(Difco Labs)加入到1000ml蒸馏水中。将得到的溶液加热搅拌，直到各种成分完全溶解。同时，制备用蒸馏水配制的1％硫代乙醇酸钠溶液。将两种溶液在121℃的温度下高压灭菌30分钟。冷却后，将5g硫代乙醇酸钠溶液加入到培养基混合液中。
将低碳钢圆筒(O.D10mm,I.D7mm，长10mm)在0.5％的盐酸中浸泡10分钟，进行清洗。然后将圆筒用蒸馏水漂洗3次，干燥后待用。
将一个4盎司的旋盖型瓶子用氩气清洗以除去氧气，然后封口，进行高压灭菌。冷却后，将100ml无菌SRB培养液加入到该瓶子中。然后将干净的圆筒与10ml生长5天的SRB培养物一起加入全部操作都是在一股恒定的氩气气流中进行的，从而使氧气降低到最低水平。然后将瓶子在37℃下保温培养7-14天(视所用SRB而定)。而后，用镊子在无菌条件下逐个取出圆筒，并用无菌滤纸吸干。
接着，将两个覆有生物膜的圆筒仔细地放入两个10ml的试管。这两个试管盛有不同浓度的已除去空气的生物杀伤剂溶液。所有的生物杀伤剂和对照溶液都含有30ppm的非离子壬基酚乙氧基化物表面活性剂(TERGITOLNP-4 Union Carbide Chemicals and PlasticsCompany Inc.Danbury.CT)。接触1小时和4小时后，取出圆筒，在无菌滤纸上吸干并放入一市售SRB管形瓶(C & S LaboratoriesTulsa OK)。然后将管形瓶用声波(Bransonic 12型)处理30秒钟，以除去固着生物。将得到的溶液连续稀释到另外的SRB管形瓶中，用于计数。管形瓶在计数前在37℃培养28天。管形瓶变黑表明细菌生长。
方法C——浮游硫酸盐还原细菌的生长
待测试的SRB培养物原液于37℃在一商业用SRB管形瓶中生长4天。然后用氩气将管形瓶清洗30秒钟，以除去过量的硫化氢。与此同时，将若干SRB管形瓶的每一个都接种0.1ml的上述培养物。这些管形瓶在37℃保温培养4天。然后将这些管形瓶的每一个都用氩气清洗。制备出适当的生物杀伤剂原液，以便向每个SRB管形瓶中加入0.1～1.0ml原液即可得具有合适浓度的生物杀伤剂。在接触1小时和4小时之后，从每个管形瓶中取出1ml等分的试样，注入新的SRB管形瓶中。然后将这些管形瓶连续地稀释，用于计数。
为了减少误差，下面报告的所有关于生物杀伤剂的浓度/接触时间数据都经过重复测试，并取测试结果的平均值。给出的是与以同样方式处理只是未用生物杀伤剂的对照圆筒相比较的微生物数量的对数减少值。
                        例1
对需氧细菌生物膜的试验结果
将从油田中提取的一种需氧细菌用于所有的需氧生物膜实验。这种培养物是从德克萨斯的一口水驱油井中提取的。初步确定为主要含有假单胞菌的菌类。按方法A形成生物膜。各个试样都用下面列出的生物杀伤剂以不同浓度处理。计数接触1小时和4小时后的细菌数。结果如下：
表1
                          1小时后的   4小时后的
杀生物剂    浓度(ppm*)   对数减少    对数减少
GA            10            0.1         0.7
GA            25            0.3         1.7
GA            50            5.1         5.1**
OPA           5             0.8         5.1
    表1(续)
                          1小时后的   4小时后的
杀生物剂    浓度(ppm*)   对数减少    对数减少
OPA           10            1.4          5.1
OPA           25            5.1          5.1
FA           250            2.0          5.1
FA           500            2.6          5.1
FA          1000            5.1          5.1
*所有浓度均为活性成份的重量ppm
**5.1表示完全杀死
该例证明，OPA优于戊二醛和甲醛，尽管后者在此之前一直被认为是对生物膜有效的非氧化生物杀伤剂。
                       例2
对需氧细菌生物膜的试验结果
将四种芳族醛与OPA比较，以确定它们杀伤包埋在生物膜中的生物的效果。所选择的化合物是：水杨醛(SA)、邻香草醛(OVA)、2,3-二羟基苯甲醛(DHB)和2-羧基苯甲醛(CB)。Rehn等人在Zbl.Bakt.Hyg.,l.Abl,Orig.B172,p508～519(1981)上发表的“The Antimicrobial Activity of Substituled Aromatic Aldehydes”一文中提到过。已证实这四种化合物对于5种不同的浮游微生物有和OPA类似的生物特性。根据在上述文章中提及并被列在下述表2中的最小抑制剂浓度(MIC)可以看到，SA、OVA和DHB的浓度基本上等于OPA的浓度，CB的浓度要高得多。
                   表2
                  MIC值(mMole％)，生物杀伤剂 S.aureus    P.aerug.    P.vulg.    K.pneum.   C.albic.
SA       0.25      0.25        0.25       0.25        0.25
OVA      0.5       0.5         0.25       0.25        0.25
DHB      0.25      0.25        0.25       0.05        ＜0.025
CB       0.5       2.5         1.0        2.5         1.0
OPA      0.25      0.25        0.25       0.25        0.25
*S.aureus=金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureaus)
  P.aerug.=铜绿色假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)
  P.vulg.=普通变形杆菌(Proteus vulgaris)
  K.pneum.=肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)
  C.albic=白色假丝酵母(Candida albicans)
用这5种化合物的试样分别进行抗包埋在生物膜中的固着微生物的试验。生物膜包括多种微生物，但主要含有用方法A培养的假单胞菌种。在接触1小时和4小时后分别计数微生物的数目。结果如下：
                 表3
                        1小时后的   4小时后的生物杀伤剂     浓度(ppm)    对数减少    对数减少
SA           50           0           0
SA          100           0           0
SA          200         0.2         0.2
OVA          50           0           0
OVA         100           0           0
OVA         200         0.3         0.3
DHB          50           0           0
DHB         100         0.5           0
DHB         200         1.1         0.2
 CB          50           0           0
 CB         100           0         0.1
 CB         200         0.6         0.5
OPA          50         2.9         7.4*
OPA         100         3.4         7.4
OPA         200         6.0         7.4*7.4表示完全杀死
该例证明OPA在杀伤生物膜中的固着微生物方面有着惊人的效果，甚至在其它醛类的浓度比OPA高4倍的情况下也是如此。从例2中提及的Rehn等人的文章看，这个结果特别令人吃惊，表明上述被试验的其它4种相关的芳族醛类在杀伤浮游生物方面，其效果可与OPA相比。
                       例3
          对固着厌氧细菌生物膜的试验结果
从阿拉斯加的一口水驱油井中获得SRB培养物。接着利用上述方法B在圆筒壁上培养该细菌。然后，各个试样与对应的戊二醛、甲醛或OPA接触1小时和4小时，得到如下结果：
                    表4
                       1小时后的   4小时后的生物杀伤剂    浓度(ppm)    对数减少    对数减少
GA         100            3           4*
OPA         10            3           4
OPA         25            3           4
OPA         50            4           4
FA         100          ＜2         ＜2
FA         250          ＜2           3
*4表示完全杀死
这些数据表明，OPA象在需氧生物膜的实验中一样，以出人意料低的浓度(10ppm)便能在4小时内完全杀死包埋在生物膜中的固着厌氧生物。而要达到同样的效果，戊二醛或甲醛所需的浓度就要高得多。                     例4
               对浮游厌氧细菌的试验结果
  与用于例3一样的浮游SRB按照上述方法C培养。各个细菌试样分别用不同浓度的OPA处理，记录在每个处理中细菌数目的对数减少值。结果如下：
                         表5
                           1小时后的   4小时后的
生物杀伤剂    浓度(ppm)    对数减少    对数减少
  OPA        100           0             0
  OPA        250           1*          1-2
  OPA        500          2-3           ND**
*4表示完全杀死
**ND表示此项未做
比较例3和例4的结果可以看出，OPA杀伤固着微生物的效力明显提高了。表5(例4)的结果表明，当OPA的浓度高达500ppm时，还不能完全杀死浮游的SRB。但另一方面，当象在例3中那样用于处理固着微生物时，浓度低到10～50ppm的OPA即可将其完全杀死。例3的结果是令人吃惊的，因为一般认为杀伤浮游微生物要比杀伤包埋在生物膜中的微生物容易。

Claims (3)

1．一种用于控制工业含水设备中固着于该设备壁面及其他结构表面上的固着或浮游微生物生长的方法，其特征在于该方法包括以至少足以基本杀死上述微生物的用量向该含水设备中添加邻苯二醛。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于以大约0.5-大约1000ppm的用量向所述设备中添加邻苯二醛。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于该方法还包括向所述设备中添加选自戊二醛和甲醛的生物杀伤剂。
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