CN111051609B - 在工业过程中控制微生物和/或生物膜生长的方法 - Google Patents

在工业过程中控制微生物和/或生物膜生长的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制生物膜的方法，以在包含纤维素纤维材料的工业生产过程的水性环境中去除形成的生物膜和/或控制微生物，优选细菌的生长。将根据式I的化合物施用至该过程的水性环境中，其中式I的R1、R2和R3独立地表示氢原子；卤素原子；羟基；氨基；具有1至4个碳原子的烷基氨基、烷基、羟基烷基、卤代烷基或烷氧基；或具有1至10个碳原子的酰胺基；且A表示2‑噻唑胺；2‑丙烯腈；2‑丙烯酸；具有1至4个碳原子的2‑丙烯酸的烷基酯或羟烷基酯；或‑CHCHCONR5R6基团，其中R5和R6独立地表示氢原子，具有1至4个碳原子的烷基或羟基烷基，条件是根据式I的化合物不是3‑[(4‑甲基苯基)磺酰基]‑2‑丙烯腈或4‑氨基‑N‑2‑噻唑基‑苯‑磺酰胺。

Description

在工业过程中控制微生物和/或生物膜生长的方法
技术领域
根据所附独立权利要求的前序部分，本发明涉及一种用于在工业过程中控制微生物和/或生物膜生长的方法。
背景技术
大多数工业过程中都存在微生物。它们的存在在水密集型的过程中特别麻烦，例如纸浆、纸张、纸板等的制造。当工艺用水中含有生物可降解的溶解物质时，微生物便会繁衍生息，并且工艺用水的温度和pH值有利于微生物的生存。微生物可能通过空气、进厂原水和/或非无菌原料的污染进入过程。如果不采取应对措施，微生物可能会在诸如造纸的过程中引起广泛的问题。与微生物有关的问题包括，例如，化学添加剂的分解、过程pH的有害变化、恶臭或有毒化合物的形成和/或表面上生物膜的形成。
在纸和纸板的制造中，这些问题可能导致形成的纸幅中的缺陷(例如，斑点和孔)，或甚至导致纸幅断裂和机器停止(例如，当粘泥坍塌脱落时)。因此，在纸浆、纸张或纸板厂中，不受控制的微生物生长可能会引起问题，因此需要有效的微生物控制处理。然而，只有有限数量的抗微生物剂在纸或纸板制造中普遍使用的工艺条件下表现出良好的杀生物性能，例如纤维素纤维材料的含量高、高温、高流速和高氧化剂需求。此外，在这些过程中，主要是细菌的微生物是连续存在的，并且可以在连续过程的中间被引入。由于工艺条件的原因，在纸浆、纸张和纸板工业中使用的常规杀菌剂与在其他工业中使用的常规抗菌剂不同，例如，食品工业或在农业中。例如，在食品工业中，首先要对环境进行灭菌，然后在无菌条件和无菌原料下继续生产。这些条件与开放纸张或纸板生产过程中普遍存在的非无菌条件大不相同。在包含纤维素纤维材料的工艺(例如，纸浆、纸张和纸板制造)中，特别重要的是有效控制工艺表面上的生物膜。尽管在循环水流中经常使用常见的杀菌剂，但生物膜的形成仍是纸张和纸板生产中的常见问题。需要在纸浆、纸张和纸板制造工艺的条件下提高生物膜控制的功效。
生物膜形成是纸张和纸板生产中的问题，并且需要提高生物膜控制的功效。
发明内容
本发明的一个目的是最小化或可能甚至消除现有技术中存在的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种方法，该方法使得可以在包括纤维素纤维材料的工业制造过程中，例如在纸浆、纸张或纸板制造中，使用低组合物剂量有效地控制生物膜。
本发明的一个目的是提供一种方法，该方法使得可以在包含纤维素纤维材料的工业制造过程中，例如在纸浆、纸张或纸板中，使用低组合物剂量有效地防止、抑制和/或减少生物膜生长。
本发明的一个目的是提供一种方法，该方法使得可以在包含纤维素纤维材料的工业生产过程中，例如在纸浆、纸张或纸板生产中，有效地控制微生物的生长。
本发明的又一个目的是提供一种用于高温下的工业生物膜控制的简单而有效的方法，特别是在纤维素纤维含量高和/或至少局部高剪切力和/或高流速的水性工艺条件下。
这些目的通过具有下面在独立权利要求的特征部分中呈现的特征的本发明来实现。
本发明的一些优选实施方式在从属权利要求中呈现。
在适用的情况下，本文中提到的实施方式涉及本发明的所有方面，即使这并非总是单独提及。
具体实施方式
在根据本发明的用于在包含纤维素纤维材料的工业制造过程的水性环境中控制生物膜和/或去除形成的生物膜和/或用于控制微生物，优选为细菌的生长的典型方法中，通过在该方法的水性环境中施用包含根据式I的化合物的组合物
Figure GDA0002395702640000031
其中
R1、R2和R3彼此独立地表示氢原子；卤素原子；羟基；氨基；具有1至4个碳原子的烷基氨基、烷基、羟基烷基、卤代烷基或烷氧基；或具有1至10个碳原子的酰胺基；和
A表示2-噻唑胺；2-丙烯腈；2-丙烯酸；具有1至4个碳原子的2-丙烯酸的烷基酯或羟基烷基酯；或-CHCHCONR5R6基团，其中R5和R6独立地表示氢原子、具有1至4个碳原子的烷基或羟基烷基，
条件是所述化合物不是3-[(4-甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈或4-氨基-N-2-噻唑基-苯磺酰胺。
现在已经发现，在包含纤维素纤维材料的工业制造方法的水性环境中，尤其是在纸张、纸板和纸浆制造中，包含至少一种根据式(I)的化合物的组合物在控制生物膜的形成和/或微生物的生长方面非常有效。即使在低剂量的化合物下以及在具有高流速和/或高温的水性环境中，所获得的效果也是良好的。出乎意料的是，根据式(I)的化合物将显示出与对抗制浆和纸张工业中的生物膜使用的常规抗微生物剂一样好或甚至更好的抗微生物性能。根据式(I)的化合物可用于提供抗菌作用和控制生物膜和/或细菌的生长。
在该术语的本文上下文中，“控制生物膜生长”涵盖至少选自预防、抑制和/或减少生物膜的控制作用。这些控制作用可以发生在生物膜形成之前、之中或之后，并且控制作用可以分开或同时发生，例如根据式(I)的化合物可以防止新的生物膜形成并且同时减少现有的生物膜。根据式(I)的化合物可用于防止生物膜。这意味着该化合物可防止在无生物膜的工艺表面上形成生物膜。该化合物还可用于抑制生物膜。这意味着该化合物抑制现有生物膜的进一步生长和/或抑制无生物膜的工艺表面上的生物膜的形成。该化合物还可用于减少生物膜。这意味着该化合物减少了工艺表面上存在的生物膜的数量。通常，可以通过控制过程中微生物的数量和/或通过控制微生物在生物膜模式下的生长来实现对生物膜生长的控制。根据式(I)的化合物可用于控制微生物在生物膜中和/或在包含纤维素纤维材料的工业制造方法的水性环境中的微生物的生长，优选在生物膜中。
在本文中，术语“生物膜”应理解为粘附于过程表面并通常被胞外聚合物质的复杂基质包围生长的微生物群落，通常为细菌。生物膜保护微生物，这使得生物膜生长的控制比游离微生物的生长的控制更具挑战性。无效的生物膜控制可能会在工业过程中引起严重问题，例如以清洁需求增加、生产停顿和/或生产质量和/或数量下降的形式。
在本上下文中，术语“控制微生物的生长”是指消除和/或减少微生物的数量和/或活性，该术语与任何生物抑制或杀生物作用同义，例如杀灭、预防、去除、或抑制微生物的生长。微生物可以游离形式存在于水环境中或以生物膜的形式存在，也称为生长的生物膜方式。
在本上下文中，术语“水性环境”是指含有水溶液的工业用水系统。本发明尤其涉及具有包含天然来源的纤维素纤维材料的水性环境的工业方法。根据本发明的一个实施方式，水性环境的温度为至少40℃，优选为至少50℃。
特别地，本发明的组合物适合于施用或用于包括纤维素纤维材料的工业制造过程中，例如纸张(paper)、纸板(board)、纸浆(pulp)、纸巾(tissue)、模制纸浆(mouldedpulp)、无纺布、粘胶纤维(viscose)等的制造。水性环境优选至少包含水、纤维素纤维材料、天然来源的细粉和/或纤维碎片。水性环境还可以包含淀粉。纤维素纤维材料优选源自软木、硬木或非木材来源，例如竹子或洋麻，或其任何混合物。优选地，纤维素纤维材料源自木质纤维素纤维材料。更优选地，纤维素纤维材料是木质纤维素纤维。纤维素纤维材料可以源自任何合适的机械、化学机械或化学制浆工艺或它们的任何组合或同样地已知的任何其他合适的制浆工艺。纤维素纤维材料还可包含源自回收纸板、纸张或纸浆的纤维材料。例如，纤维素纤维材料可以包括源自硬木且长度为0.5-1.5mm的纤维素纤维和/或源自软木且长度为2.5-7.5mm的纤维素纤维。水性环境还可以包含无机矿物颗粒，例如填料和/或涂层矿物；半纤维素；木质素和/或溶解和胶体物质。水性环境还可包含造纸添加剂，例如淀粉、上浆剂、无机或有机凝结剂或絮凝剂，不同长度和/或电荷的天然或合成聚合物、染料、荧光增白剂或其任何组合。
根据本发明的一个实施方式，根据式(I)的化合物使得R1表示甲基；乙基丙基；丁基；甲氧基；乙氧基；丙氧基；异丙氧基；正丁氧基；或叔丁氧基；且R2和R3独立地表示氢原子；甲基；乙基丙基；丁基；甲氧基；乙氧基；丙氧基；异丙氧基；正丁氧基；叔丁氧基；且A表示2-丙烯腈；且R1、R2、R3可以相对于A独立地位于邻位、间位或对位。已经发现这些化合物在减少生物膜形成和/或微生物生长方面特别有效。
根据本发明的另一个实施方式，根据式(I)的化合物使得R1表示甲基；乙基丙基；丁基；甲氧基；乙氧基；丙氧基；异丙氧基；正丁氧基；叔丁氧基；或胺基；且R2和R3独立地表示氢原子；甲基；乙基丙基；丁基；甲氧基；乙氧基；丙氧基；异丙氧基；正丁氧基；叔丁氧基；且A表示-CHCHCONR5R6基团，其中R5和R6独立地表示氢原子；具有1至4个碳原子的烷基或羟基烷基；优选地，R5和R6表示氢原子；且R1、R2、R3可以相对于A独立地位于邻位、间位或对位。这些化合物在减少生物膜形成和/或微生物生长方面也显示出令人惊讶的效果。
通常，当R1、R2或R3是卤代烷基时，它可以是三氟甲基。
根据式(I)的化合物可以选自3-苯基磺酰基-2-丙烯腈、3-[(4-氟苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-[(2,4-二甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-[(4-三氟甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-[(3,4-二甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-(3,5-二甲基苯基)磺酰基-2-丙烯腈、3-[(2,4,6-三甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-(4-甲氧基苯基)磺酰基-2-丙烯腈、3-[(4-甲基苯基)磺酰基]丙-2-烯酰胺、3-[(4-甲基苯基)磺酰基]丙-2-烯酸及任何它们的异构体。根据本发明的一个优选的实施方式，根据式(I)的化合物选自3-苯基-磺酰基-2-丙烯腈；3-[(4-三氟甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈；3-[(2,4,6-三甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈；3-(4-甲氧基苯基)磺酰基-2-丙烯腈；3-[(4-甲基苯基)磺酰基]丙-2-烯酰胺；及任何它们的异构体。
用于本方法的组合物不包含3-[(4-甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈或4-氨基-N-2-噻唑基-苯磺酰胺，即该组合物中不含这些化合物。
该组合物可以包含Z-异构体或E-异构体形式的根据式(I)的化合物，或者该组合物可以包含两种异构体的混合物形式的这些化合物。例如，组合物中的E与Z异构体的比例可以为70:30至100:0或80:20至99:1。或者，组合物中的E与Z异构体的比例可以为30:70至0:100或20:80至1:99。
根据本发明的一个实施方式，可以向包含纤维素纤维材料的工业制造方法施用包含一种或多种根据式(I)的化合物的组合物。如果将几种根据式(I)的化合物施用至水性环境中，则它们可以作为一种组合物，即作为混合物施用，或者它们可以彼此相继地作为单独的组合物施用。在施用几种根据式(I)的化合物的情况下，每种化合物的单独剂量可以彼此相同或不同。以这种方式，可以有效地控制水性环境中的生物膜和/或微生物。
本发明适用于在水性环境中控制属于亚栖热菌属(Meiothermus)、异常球菌属(Deinococcus)和/或假黄单胞菌属(Pseudoxanthomonas)的微生物如细菌的生长。根据本发明的一个实施方式，包含纤维素纤维材料的工业制造过程的水性环境因此包含单独或以任何组合形式的属于亚栖热菌属、异常球菌属和/或假黄单胞菌属的细菌，或者水性环境处于与至少部分地由任何所述细菌形成的生物膜接触。在所述工业过程中的微生物通常不是光合微生物，即，优选地，水性环境几乎或完全不含光合微生物，例如藻类。根据式(I)的化合物的添加以游离形式或以生物膜的形式减少了所述微生物的量，或者甚至完全消除了它们在水性环境中的存在。消除可以是全部或部分消除。这里的预防是指以生物膜模式减少或抑制微生物的生长从而完全或部分地防止生物膜形成的任何预防性消除作用。
通常，可以将具有根据式(I)的化合物的组合物以生物抑制或杀生物的量加入到水性环境中。生物抑制量是指足以至少预防和/或抑制微生物或生物膜的活性和/或生长的量。杀生物量是指更有效的活性，例如能够减少微生物或生物膜的活性和/或生长和/或杀死水性环境中存在的大多数或所有微生物的量。根据本发明的一个实施方式，根据式(I)的化合物可以以计算作为在此被理解为根据式(I)的化合物(多种)的活性成分的0.01-100ppm，优选0.01-10ppm，更优选0.01-2ppm或0.01-1ppm，甚至更优选0.01-0.5ppm或0.01-0.3ppm的剂量添加到水性环境中。该化合物的有效性使得能够使用低剂量和低浓度，同时保持对微生物生长以及生物膜形成和/或生长的良好控制。
根据式(I)的化合物可以固体，例如干粉，或更优选地以液体形式加入到水性环境中。化合物可以连续或定期给药。根据本发明的一个实施方式，可以将包含根据式(I)的化合物的组合物在水性环境中周期性施用3-45分钟，每天6-24次，优选施用10-30分钟，每天12-24次。
根据本发明的一个实施方式，工业制造过程具有包括天然来源的纤维素纤维材料的水性环境，并且是纸浆和/或纸张和/或纸板制造过程，其中水性环境显示出高温和/或高流速。因此，将包含根据式(I)的化合物的组合物添加或投放到纸浆和/或纸张和/或纸板制造系统中。这些过程中的水性环境通常表现出高流动性和高剪切速率，由于微生物的压力，这可能会导致在过程表面上形成生物膜。例如，纸张和纸板制造环境，流速通常可以高于1m/s，甚至超过10m/s，通常为1至20m/s或1至10m/s。已经观察到，包含根据式(I)的化合物的组合物尤其在这些苛刻条件下是有效的，并且其通常可以在整个过程中使用以减少和/或防止微生物的生长和过程表面上的生物膜的形成。原则上，包含根据式(I)的化合物的组合物可以在过程中的几乎任何时候加入，特别是在使用再循环工艺用水的过程中，以在整个过程中保持对微生物和/或生物膜形成的控制。包含根据式(I)的化合物的组合物也可以或可替代地添加到原料流中。例如，可以将包含根据式(I)的化合物的组合物添加到纤维素纤维材料中，例如木质纤维素纤维材料，其在该过程中用作原材料。
具有包含天然来源的纤维素纤维材料的水性环境的工业制造过程可以是纸浆和/或纸张和/或纸板制造过程，其中水性环境的pH值在5-9，优选7-8.5的范围内。
根据本发明的一个优选的实施方式，可以在具有包括纤维素纤维材料的水性环境的工业生产过程中，这是纸张和/或纸板的制造过程，尤其是在纸张或纸板的制造过程的短循环中，添加根据式(I)的化合物。在典型的纸张和纸板制造过程中，纸浆原料被送入流浆箱中，其将纸浆原料分布到成形段中的移动丝上，在该成形段上形成连续纸幅。造纸机/纸板机的短回路或短循环部分在本领域中通常被理解为制造系统的一部分，该部分将从纸浆原料中的至少一部分多余的水再循环和再利用，收集在成型段的线坑中，返回到流浆箱以再使用。
可替换地或另外地，可以在具有包含纤维素纤维材料的水性环境的工业制造过程中添加根据式(I)的化合物。例如纸浆和/或纸张和/或纸板制造工艺，到处理储水塔，例如循环水塔和滤液水塔；到清除或混浊的滤液储罐；碎浆机；碎浆机上游/下游的水流；破坏其中的容器上游/下游的系统和含水工艺流；坑的上游/下游线坑工艺流；在箱的上游/下游的造纸机混合箱工艺流；淡水罐；热水罐和/或淋浴水罐。
可替换地或另外地，可以在具有包含纤维素纤维材料的水性环境的工业生产过程中，这是纸张和/或纸板的生产过程，添加根据式(I)的化合物到纸或纸板的制作过程的长回路中的任何位置。造纸机/纸板机的长回路或长循环部分在此通常被理解为本领域的惯例，是制造系统中处理过量水和破裂的部分。回收水的主要部分从短回路排出，然后泵送到长回路，其包括：用于从回收水中捕获有用纤维以再利用的储蓄装置，用于例如机器淋浴的滤液水储罐，以及例如用作稀释水的循环水的储罐用于从纸浆厂向造纸机/纸板机输入纸浆。长回路的一部分是用于处理机器中的干湿废纸的破碎系统。将物料重新制浆，并作为纸浆原料的一部分重新使用。
根据一个实施方式，将根据式(I)的化合物添加到水性环境中，其包含约0.01至约100ppm或约0.01至约50ppm的过氧化物的残余物。
根据本发明的一个实施方式，根据式(I)的化合物可以与其他杀生物剂或抗微生物剂组合使用。合适的其他杀生物剂或抗微生物剂可以是非氧化性杀生物剂或抗微生物剂，或氧化性杀生物剂或抗微生物剂.合适的非氧化性杀菌剂或抗微生物剂是例如，戊二醛、2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺(DBNPA)、2-溴-2-硝基丙烷-1,3-二醇(布罗波尔)、季铵化合物、氨基甲酸酯、5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(CMIT)和2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(MIT)。合适的氧化性杀生物剂或抗微生物剂是例如氯、次氯酸盐、次氯酸、氯化异氰脲酸酯、溴、次溴酸盐、次溴酸、氯化溴、二氧化氯、臭氧、过氧化氢和过氧化合物，例如过乙酸或过甲酸。其他合适的氧化性杀生物剂为例如，稳定的卤素化合物，其中活性卤素(例如，氯或溴)与含氮化合物(例如，二甲基乙内酰脲、铵盐、尿素、氨基甲酸酯)或能够与活性卤素反应的其他含氮分子反应。例如，在一个实施方式中，将根据式(I)的化合物添加到水性环境中，其包含约0.01ppm至约20ppm范围内的作为活性氯的活性卤素的残留。
实验
在以下非限制性实施例中更详细地描述了本发明的一些实施方式。
实施例中使用的材料和方法
造纸机生物膜中常见的微生物物种Meiothermus silvanus的纯培养物(Ekman J,Journal of Industrial Microbiology&Biotechnology 34:203-211)和台湾假黄单胞菌(Pseudoxanthomonas taiwanensis)，造纸机环境中常见的另一种物种(Desjardins,E&Beaulieu,C,Journal of Industrial Microbiology&Biotechnology 30:141-145)用于研究各种化学物质防止生物膜形成的功效。
生物膜测试是使用带有peg盖(Thermo Fischer Scientific Inc.,USA)的96微孔板孔，在合成的商用R2-肉汤(Lab M Ltd,Uk)或含纤维的合成造纸机水，SPW(根据Peltola等人，J.Ind.Microbiol.Biotechnol.2011,38:1719-1727制备的)(Thermo FischerScientific Inc.，USA)中进行的。将板在45℃下旋转振摇(150rpm)下孵化，以确保每个孔中的高流量。
从Kemira Oyj获得2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺，以下称为DBNPA(Fennosan R20，20％活性成分)。
(2E)-3-苯基磺酰基-2-丙烯腈(以下称为化合物C)的合成如下：
将1.066g(0.00533mol)的C6H5SO2Na×2H2O称入到50ml的烧瓶中。加入3ml的H2O和1ml的AcOH，然后搅拌直至完全溶解。将0.466g(0.00533mol，1eq)的2-氯丙烯腈加入到澄清溶液中。将混合物搅拌0.5小时，然后添加7ml的H2O和额外的15分钟搅拌。将该混合物在冰箱中放置过夜。过滤该混合物后，用50ml的冷水洗涤并在冻干机上干燥。中间体产物的质量为0.900g(产率73.6％)。将中间体产物转移到100ml的烧瓶中，并溶解在60ml的MTBE中。逐滴加入0.396g的Et3N，在溶液中立即形成白色沉淀。将反应混合物搅拌1h。之后，将混合物过滤并将残余物用20ml的MTBE洗涤。用2×50ml的1M KHSO4溶液萃取滤液。之后，将有机相减压蒸发，并将残余物在冻干机上干燥。产物的质量为0.667g(产率88.1％)。纯度(HPLC)：99.1％
1H NMR：(CDCl3,700MHz)δ7.96–7.87(m,2H),7.74(s,1H),7.63(s,2H),7.24(d,J＝15.7Hz,1H),6.55(d,J＝15.7Hz,1H)。
(2E)-3-[(2,4,6-三甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈，以下称为化合物D合成如下：
将300mg(1.45mmol)的2,4,6-三甲基苯基亚磺酸钠溶解在0.18ml的乙酸和0.5ml的水的混合物中。加入115μl(126mg，1.44mmol)的2-氯丙烯腈，并将混合物在室温下搅拌1h。此时间之后，加入0.5ml的水，并将混合物再搅拌20分钟。产物沉淀为油状物(非常浅的黄色)，其不能通过过滤分离。用饱和NaHCO3溶液将反应混合物中和至pH 6.8，并用MTBE(4×3ml)萃取。
分析合并的MTBE馏分，并添加221μl(160mg，1.58mmol，1.1eq)的三甲胺。将混合物在室温搅拌1h，用1M KHSO4(3ml)萃取两次，并用饱和NaCl溶液(5ml)萃取一次，经Na2SO4干燥，蒸发至干。得到60mg的浅黄色固体(2步的产率17％)。通过1H和13C NMR确认产物的身份，通过HPLC的产物的纯度为94.5％。
发现第一步不完全转化的产率低的原因是用MTBE萃取中间体后的水相含有高浓度的起始2,4,6-三甲基苯基磺酸钠。
1H NMR：(CDCl3,700M Hz)δ7.27(d,J＝15.7Hz,1H),7.02(d,J＝0.5Hz,2H),6.45(d,J＝15.7Hz,1H),2.60(s,6H),2.33(s,3H)。
13C NMR(176MHz,CDCl3)δ149.54,145.29,140.86,132.77,130.45,113.61,108.96,22.89,21.16。
(2E)-3-[(4-三氟甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈(以下称为化合物E)合成如下：
将300mg(1.29mmol)的4-三氟甲基苯基亚磺酸钠溶解在0.16ml的乙酸和0.44ml的水的混合物中。加入103μl(112mg,1.28mmol)的2-氯丙烯腈，并将混合物在室温下搅拌1h。此时间之后，加入0.5ml的水，并将混合物再搅拌20分钟。产物沉淀为无定形橙色固体，其不能通过过滤分离。用饱和NaHCO3溶液将反应混合物中和至pH 6.8，并用MTBE(4×3ml)萃取。
合并MTBE馏分，并添加195μl(142mg,1.4mmol,1.1eq)的三甲胺。将混合物在室温搅拌1h，用1M KHSO4(3ml)萃取两次，并用饱和NaCl溶液(5ml)萃取一次，经Na2SO4干燥，且蒸发体积为约1ml。产物沉淀为浅色晶体，母液为橙色。得到53mg的浅黄色固体(2步的产率16％)。通过1H和13C NMR确认产物的身份，通过HPLC的产物的纯度为88.4％。此处产率低的原因可能是第一步的转化率低，以及MTBE产物的不完全沉淀(这是必要的，因为母液颜色很明显)。
1H NMR(700MHz,CDCl3)δ8.06(d,J＝8.2Hz,2H),7.90(d,J＝8.3Hz,2H),7.23(d,J＝15.6Hz,1H),6.63(d,J＝15.6Hz,1H)。
13C NMR(176MHz,CDCl3)δ148.09(s),140.96(s),136.68(q,J＝33.4Hz),129.19(s),127.11(q,J＝3.6Hz),122.84(d,J＝273.4Hz),112.97(s),112.18(s)。
(2E)-3-[(4-甲氧基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈，以下称为化合物F，其合成如下：
将1.257g(0.00998mol,2eq.)的Na2SO3和0.846g(0.01007mol,2eq)的NaHCO3称入50ml的烧瓶中，并溶于30ml的H2O/THF 10:1中。将该溶液在冰浴中冷却，并在5分钟内逐滴加入1.064(0.00515mol,1eq.)的对甲氧基苯基磺酰氯。将反应混合物在室温搅拌3小时。之后，将澄清的反应混合物用3×20ml的CHCl3萃取。在减压下蒸发水相，并将残余物与2×25ml的MeOH一起搅拌，然后过滤。除去固体无机残余物，并在减压下蒸发滤液。获得约4g的白色固体材料(由于存在无机组分，产率超过100％)。该物质无需进一步处理即可用于下一步。
将该物质转移到50ml的烧瓶中，并溶解在7ml的H2O和2.8ml的AcOH的混合物中。之后，滴加0.410ml(0.451g，0.00515mol)的2-氯丙烯腈。将混合物搅拌50分钟，然后加入4ml的H2O，然后再搅拌15分钟。澄清的油状物质沉淀出来。用饱和NaHCO3溶液将反应混合物的pH增加至6.85；油溶解。用3×25ml的MTBE萃取反应混合物，并将有机相转移至250ml的烧瓶中。该溶液无需进一步处理即可直接用于下一步。
将0.720ml(0.523g，0.00517mol)的Et3N添加到获得的溶液中。将反应混合物搅拌1小时。反应混合物用2×50ml的1M KHSO4溶液和10ml的饱和NaCl溶液洗涤。减压蒸发有机相，并在冻干机上干燥。最终产物的质量为0.639g(3步的收率为55％)。HPLC纯度93.5％。用NMR确认化合物1K的身份。
1H NMR(700MHz,CDCl3)δppm 3.92(s,3H)6.50(d,J＝15.61Hz,1H)7.08(d,J＝9.05Hz,2H)7.23(d,J＝15.61Hz,1H)7.83(d,J＝9.06Hz,2H)
13C NMR(176MHz,CDCl3)δppm 55.92(s)109.53(s)113.53(s)115.24(s)128.32(s)130.92(s)149.59(s)164.93(s)
(2E)-3-[(4-甲基苯基)磺酰基]丙-2-烯酰胺，以下称为化合物G，其合成如下：
在100ml的烧瓶中，将3.26g(0.0469mol)NH2OH×HCl溶于50ml的NaOH(1M)/THF 1:1中。将溶液在冰浴中冷却，并加入2.54g(0.0630mol，1.3eq.)的乙醛。将混合物在室温搅拌6小时。反应混合物的pH为约1。在反应后，溶液用2M NaOH中和。由于需要减少用于下一合成步骤的混合物中的THF的量，因此将混合物在真空下于40℃稍微蒸发。蒸发5分钟(蒸发约10ml)后，溶液颜色变为略微粉色，并停止蒸发。将混合物放置在冰箱中过夜。
将1.009g(0.00487mol)的腈加入到制备的混合物中。将约100mg的NiCl2×6H2O作为催化剂加入到混合物中，并将反应混合物加热至回流。用TLC(PE/EA5:1)监测产物的形成。2小时后，反应混合物为棕色，TLC显示几乎所有腈已经反应。由于产品无法在使用溶剂PE/EA5:1的TLC上移动，因此改用新的溶剂CHCl3/MeOH 10:1。这表明回流4小时后，溶液中不再存在腈，并且也发现了纯净的产品斑点，没有任何明显的杂质。终止回流并将混合物冷却至室温。在冰浴中进一步冷却后，将混合物过滤并用100ml的水洗涤。将浅灰色产物在冻干机上干燥过夜。
产品的质量为0.461g。为了进一步纯化，用洗脱剂CHCl3/MeOH 10:1进行柱色谱分离。使用50g的中等大小的硅胶，并收集18馏分(各50ml)。用TLC(CHCl3/MeOH 10:1)分析每个馏分。在第一馏分中，有杂质，因此收集了馏分2-9。馏分10-18不含大量产物。将溶液(馏分2-9)在真空下蒸发，并在冻干机中干燥。最终产物的质量为0.317g。HPLC纯度：94.4％
1H NMR(700MHz,DMSO)δ8.02(s,1H),7.82–7.78(m,2H),7.67(s,1H),7.50–7.47(m,2H),7.41(d,J＝15.0Hz,1H),6.95(d,J＝15.0Hz,1H),2.41(s,3H)。
13C NMR(176MHz,DMSO)δ163.13,145.07,139.28,135.95,134.80,130.25,127.75,21.11。
防止生物膜形成的测试方法
为了防止生物膜形成的实验，将带有peg盖的96微孔板的孔装满R2-肉汤或SPW，接种纯细菌培养物，并用不同量的待测化合物处理。盖上Peg盖。24小时后，将孔排空，并将含有SPW或R2肉汤的纯培养物的新鲜溶液与不同量的测试化学物质一起添加至孔中，并将原始的peg-盖放回原处。在另外的24小时之后，即在开始测试后的48小时，将孔排空，冲洗并且将peg盖和孔干燥。
去除存在的生物膜的测试方法
为了去除已经存在的(预成型的)生物膜的实验，将带有peg盖的96微孔板的孔装满SPW，并接种纯细菌培养物。生物膜生长24小时，不添加任何待测化合物。在24小时后的一些实验中，通过排空孔并通过添加新鲜的SPW溶液(接种纯细菌培养物)再次重复该步骤，没有任何测试化合物。将原始的peg盖放回原处，使生物膜再生长24小时，即总共48小时。
在开始测试后24或48小时后，将孔排空，并添加接种纯细菌培养物和不同量的待测化合物的新鲜的SPW溶液，然后将原始的peg-盖放回原处。再过2或24小时后，将孔排空，冲洗，并将peg盖和孔干燥。
形成的生物膜的定量
通过向每个孔中加入200μl的1％结晶紫(Merck Millipore KGaA,Germany)在甲醇中的溶液，然后重新放置peg盖，用染色溶液将在微孔和peg表面上形成的生物膜的量定量。3分钟后，将孔排空，并用自来水将孔和pegs冲洗3次。将附着的结晶紫溶解在乙醇中，并测量在595nm的吸光度。下表中显示的值是来自8个重复孔和pegs的平均吸光度。
实施例1-8中的所有吸光度值均已给出实际测量值。在计算生物膜减少百分比时，考虑到没有任何细菌接种物的2天单独的SPW的背景值为0.14。
实施例1(参考)
表1和表2证明了常规的抗微生物剂DBNPA防止红色亚栖热菌(Meiothermussilvanus)和台湾假黄单胞菌(Pseudoxanthomonas taiwanensis)的生物膜形成的能力。测试条件是模拟纸张或纸板制造工艺条件(合成造纸机水、高温、存在纤维、高流动性)。常规抗微生物剂DBNPA需要1mg/l的活性化合物剂量才能达到可接受的或明显的生物膜减少功效。表1和表2中给出了DBNPA的结果。
表1显示了在45℃和150rpm(高混合)下，SPW中的DPNPA剂量对红色亚栖热菌(Meiothermus silvanus)生物膜的影响。将生物膜染色并通过吸光度测量定量。剂量以有效成分形式给出。
表1
Figure GDA0002395702640000181
表2显示了在45℃和150rpm(高混合)下，SPW中的DPNPA剂量对台湾假黄单胞菌(Pseudoxanthomonas taiwanensis)生物膜的影响。将生物膜染色并通过吸光度测量定量。剂量以有效成分形式给出。
表2
Figure GDA0002395702640000182
实施例2(参考)
表3和表4显示了众所周知的抗生素短杆菌肽对红色亚栖热菌(Meiothermussilvanus)和台湾假黄单胞菌(Pseudoxanthomonas taiwanensis)的生物膜形成的影响。在合成生长培养基R2-肉汤中，与模拟纸张或纸板生产过程的条件(合成造纸机水、高温、存在纤维、高流动性)相比，短杆菌肽能够以明显更低的浓度防止生物膜形成。
表3和4中的结果证明了当暴露于非临床条件时具有降低的性能的临床抗菌化合物的预期行为。
表3显示了在R2-肉汤和SPW中，短杆菌肽剂量对红色亚栖热菌(Meiothermussilvanus)生物膜的影响。将生物膜染色并通过吸光度测量定量。剂量以有效成分形式给出。
表3
Figure GDA0002395702640000191
表4显示了在R2-肉汤和SPW中，短杆菌肽剂量对台湾假黄单胞菌(Pseudoxanthomonas taiwanensis)生物膜的影响。将生物膜染色并通过吸光度测量定量。剂量以有效成分形式给出。
表4
Figure GDA0002395702640000192
实施例3
表5和表6证明了化合物C和化合物E防止红色亚栖热菌(Meiothermus silvanus)和台湾假黄单胞菌(Pseudoxanthomonas taiwanensis)的生物膜形成的能力。测试条件与实施例1的测试条件相同。观察到化合物C和化合物E能够以非常低的浓度控制生物膜。剂量为0.2mg/l的活性化合物C或化合物E的生物膜减少作用已超过90％。
表5显示了在45℃和150rpm(高混合)下，在SPW中化合物C剂量对红色亚栖热菌(Meiothermus silvanus)生物膜的影响。将生物膜染色并通过吸光度测量定量。化合物C剂量以活性化合物形式给出。
表5
Figure GDA0002395702640000201
表6显示了在45℃和150rpm(高混合)下，化合物E剂量对红色亚栖热菌(Meiothermus silvanus)生物膜的影响。将生物膜染色并通过吸光度测量定量。化合物E剂量以活性化合物形式给出。
表6
Figure GDA0002395702640000202
表5和6中的结果表明，与造纸工业中使用的常规杀生物剂相比，化合物C和化合物E能够在造纸机条件下以非常低的剂量防止主要工业生物膜形成剂的生物膜形成。
实施例4
表7和表8证明了化合物D和化合物F去除红色亚栖热菌(Meiothermus silvanus)或台湾假黄单胞菌(Pseudoxanthomonas taiwanensis)的已经形成的生物膜的能力。测试条件是模拟纸张制造工艺条件(合成造纸机水、高温、存在纤维、高流动性)。观察到化合物D和化合物F去除了已经形成的生物膜。
表7显示了在45℃和150rpm(高混合)下，化合物D剂量对台湾假黄单胞菌(Pseudoxanthomonas taiwanensis)生物膜的影响。生物膜预生长24小时，然后以给定量加入化合物D。24小时后，将生物膜染色并通过吸光度测量定量。化合物D剂量以活性化合物形式给出。
表7
Figure GDA0002395702640000211
表8显示了在45℃和150rpm(高混合)下，SPW中化合物F剂量对红色亚栖热菌(Meiothermus silvanus)生物膜的影响。生物膜预生长24小时，然后以给定量加入化合物F。24小时后，将生物膜染色并通过吸光度测量定量。化合物F剂量以活性化合物形式给出。
表8
Figure GDA0002395702640000212
实施例5
表9证明了化合物C去除已经形成的台湾假黄单胞菌(Pseudoxanthomonastaiwanensis)生物膜的能力。测试条件是模拟纸张制造工艺条件(合成造纸机水、高温、存在纤维、高流动性)。观察到化合物C去除了已经形成的生物膜。
表9显示了在45℃和150rpm(高混合)下，化合物C剂量对台湾假黄单胞菌(Pseudoxanthomonas taiwanensis)生物膜的影响。生物膜预生长24小时，然后以给定量加入化合物C。24小时后，将生物膜染色并通过吸光度测量定量。化合物C剂量以活性化合物形式给出。
表9
Figure GDA0002395702640000221
即使参考目前似乎是最实用和优选的实施方式描述了本发明，但应理解，本发明不应限于上述实施方式，而是本发明也旨在涵盖在所附权利要求范围内的不同修改和等同技术解决方案。

Claims (27)

1.用于控制生物膜的方法，以在包含纤维素纤维材料的工业制造过程的水性环境中去除形成的生物膜和/或控制微生物的生长，通过对所述过程的水性环境施用包含根据式I的化合物的组合物
Figure FDA0003576950260000011
其中
R1、R2和R3独立地表示氢原子；卤素原子；羟基；氨基；具有1至4个碳原子的烷基氨基、烷基、羟基烷基、卤代烷基或烷氧基；或具有1至10个碳原子的酰胺基；并且
A表示2-噻唑胺；2-丙烯腈；2-丙烯酸；具有1至4个碳原子的2-丙烯酸的烷基酯或羟基烷基酯；或-CHCHCONR5R6基团，其中R5和R6独立地表示氢原子、具有1至4个碳原子的烷基或羟基烷基，
条件是所述化合物不是3-[(4-甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈或4-氨基-N-2-噻唑基-苯磺酰胺。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微生物是细菌。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在式(I)中
R1表示甲基；乙基丙基；丁基；甲氧基；乙氧基；丙氧基；异丙氧基；正丁氧基；或叔丁氧基；并且
R2和R3独立地表示氢原子；甲基；乙基丙基；丁基；甲氧基；乙氧基；丙氧基；异丙氧基；正丁氧基；叔丁氧基；并且
A表示2-丙烯腈；
R1、R2、R3相对于A独立地位于邻位、间位或对位。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在式(I)中
R1表示甲基；乙基丙基；丁基；甲氧基；乙氧基；丙氧基；异丙氧基；正丁氧基；叔丁氧基；或氨基；并且
R2和R3独立地表示氢原子；甲基；乙基丙基；丁基；甲氧基；乙氧基；丙氧基；异丙氧基；正丁氧基；叔丁氧基；并且
A表示-CHCHCONR5R6基团，其中R5和R6独立地表示氢原子；具有1至4个碳原子的烷基或羟基烷基；
R1、R2、R3相对于A独立地位于邻位、间位或对位。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在式(I)中R5和R6表示氢原子。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据式(I)的化合物选自由3-苯基磺酰基-2-丙烯腈、3-[(4-氟苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-[(4-三氟甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-[(2,4-二甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-[(3,4-二甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-(3,5-二甲基苯基)磺酰基-2-丙烯腈、3-[(2,4,6-三甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-(4-甲氧基苯基)磺酰基-2-丙烯腈、3-[(4-甲基苯基)磺酰基]丙-2-烯酰胺、3-[(4-甲基苯基)磺酰基]丙-2-烯酸以及任何它们的异构体组成的组。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据式(I)的化合物选自由3-苯基-磺酰基-2-丙烯腈、3-[(4-三氟甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-[(2,4,6-三甲基苯基)磺酰基]-2-丙烯腈、3-(4-甲氧基苯基)磺酰基-2-丙烯腈和3-[(4-甲基苯基)磺酰基]丙-2-烯酰胺；以及任何它们的异构体组成的组。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述组合物以计算作为活性化合物的0.01-100ppm的量施用至所述水性环境。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述组合物以计算作为活性化合物的0.01-10ppm的量施用至所述水性环境。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述组合物以计算作为活性化合物的0.01-2ppm的量施用至所述水性环境。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述组合物以计算作为活性化合物的0.01-1ppm的量施用至所述水性环境。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述组合物以计算作为活性化合物的0.01-0.5ppm的量施用至所述水性环境。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述组合物以计算作为活性化合物的0.01-0.3ppm的量施用至所述水性环境。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水性环境包含单独或以任何组合形式的属于亚栖热菌属(Meiothermus)、异常球菌属(Deinococcus)和/或假黄单胞菌属(Pseudoxanthomonas)的细菌，或者所述水性环境与至少部分地由任何所述细菌形成的生物膜接触。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水性环境包括水；纤维素纤维；无机矿物颗粒；半纤维素；木质素；和/或溶解物质和胶体物质。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述纤维素纤维是木质纤维素纤维。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述无机矿物颗粒是填料和/或涂层矿物。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述水性环境包括淀粉。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述组合物施用至包括纤维素纤维材料的工业生产过程，并且所述工业生产过程选自纸张、纸板、纸浆、纸巾、模制纸浆、无纺布或粘胶纤维的生产。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述工业生产过程是纸浆、纸张或纸板的生产。
21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述组合物施用至所述水性环境，所述水性环境包含0.01至100ppm的过氧化物的残留物。
22.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水性环境的温度为至少40℃。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述水性环境的温度为至少50℃。
24.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述组合物在所述水性环境中周期性施用3-45分钟，每天6-24次。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，将所述组合物在所述水性环境中周期性施用10-30分钟，每天12-24次。
26.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述组合物与其他杀生物剂或抗微生物剂一起使用。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，将所述组合物施用至所述水性环境，所述水性环境包含0.01至20ppm范围内的作为活性氯的活性卤素的残留物。
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