DE3828755A1 - Antimicrobial compounds for controlling undesired microbial growth and/or corrosion caused by microbes in water-bearing devices - Google Patents
Antimicrobial compounds for controlling undesired microbial growth and/or corrosion caused by microbes in water-bearing devicesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft neue antimikrobielle Verbindungen zur Bekämpfung von unerwünschtem Mikrobenwachstum und/oder mikrobiell verursachter Korrosion (biofouling) in wasserführenden Vorrichtungen.The invention relates to new antimicrobial compounds to combat unwanted microbial growth and / or microbially caused Corrosion (biofouling) in water-bearing Devices.
Solche Vorrichtungen sind insbesondere Rohrleitungen aus Kunststoff und/oder Metallen, Behälter oder andere Wasser enthaltende oder damit in Berührung kommende Vorrichtungen, die der Korrosion durch Mikrobeneinwirkung (biofouling) unterworfen sein können.Such devices are in particular pipelines made of plastic and / or metals, containers or other water containing or in contact with it upcoming devices that are subject to corrosion Microbial exposure (biofouling) can.
Zwar sind Lacke oder Anstrichmittel mit Biozidzusätzen bekannt, die solche Vorrichtungen für eine gewisse Zeit vor der mikrobiellen Korrosion schützen. Solche Lacke oder Anstrichmittel sind aber oft schwierig aufzubringen, z. B. im Inneren enger Rohre, und kostspielig. Auch ist ihre Wirkung häufig zu schwach, da der Biozidanteil von Lackfilmen umhüllt und dadurch unwirksam werden kann. Anstrichmittel mit geregelter, möglichst kontinuierlicher Biozidabgabe sind nur mit wenigen, chemisch gebundenen aber hydrolysierbaren Mitteln bekannt. Neben mechanischen Methoden zur Reinigung z. B. von Schiffsrümpfen sind auch chemische Mittel, wie das Chlorieren des Wassers in Gebrauch. Letztere können jedoch z. B. bei Kunststoff- Wasserleitungen zur Bildung von chlorierten Kohlenwasserstoffen mit cancerogener Wirkung führen. In Gegenwart von Ammoniak werden gefährliche Chloramine gebildet, Ozon oder quaternäre Ammoniumverbindungen zerfallen schnell und/oder haften nicht ausreichend lange an der zu schützenden Vorrichtung.Varnishes or paints with biocide additives are indeed known that such devices for a certain Protect time from microbial corrosion. Such Varnishes or paints are often difficult to apply, e.g. B. inside narrow tubes, and expensive. Their effects are often too weak, because the biocide content is covered by paint films and can become ineffective. Paint with regulated, as continuous as possible biocide release are only with a few, but chemically bound hydrolyzable agents known. In addition to mechanical Methods for cleaning z. B. are of hulls chemical agents such as chlorination of water in use. However, the latter can e.g. B. with plastic Water pipes for the formation of chlorinated hydrocarbons lead with carcinogenic effects. In The presence of ammonia becomes dangerous chloramines formed, ozone or quaternary ammonium compounds disintegrate quickly and / or do not adhere sufficiently long on the device to be protected.
Es wurde gefunden, daß dann, wenn auf die mit Wasser oder wäßrigen Systemen in dauerndem oder zeitweisem Kontakt befindlichen Oberflächen eine mono- oder multi-molekulare Schicht eines Biozides aufgebracht wird, die die Oberfläche teilweise oder vollständig bedeckt und an der bzw. den Oberflächen durch kovalente und/oder ionische und/oder Wasserstoffbrücken und/oder weitere Bindungen, im allgemeinsten Fall durch gemischte Bindungen so fixiert ist, daß eine Abspaltung oder Abhydrolyse des Biozides von der Oberfläche im neutralen, schwachsauren oder schwachbasischen Bereich nicht oder in vernachlässigbarem Maße, in jedem Fall aber in so geringem Maße erfolgt, daß die abgespaltene bzw. abhydrolysierte Menge an Biozid keine biostatische oder biozide Wirkung ausübt, so daß an der bzw. an den derart behandelten Oberflächen abgeschiedene, abgelagerte oder adsorbierte Mikroorganismen durch Kontakt mit dem fixierten Biozid abgetötet oder in ihrem Wachstum behindert werden.It was found that when on the with Water or aqueous systems in permanent or intermittent surfaces mono- or multi-molecular layer of one Biocides is applied to the surface partially or completely covered and on the or the surfaces by covalent and / or ionic and / or hydrogen bonds and / or further ties, in the most general case by mixed bonds is fixed so that a cleavage or hydrolysis of the biocide from the surface in neutral, weakly acidic or weakly basic Area not or in negligible Dimensions, but in any case so little Measures are taken that the split off or hydrolyzed Amount of biocide no biostatic or exerts biocidal action, so that on or deposited on the treated surfaces, deposited or adsorbed microorganisms killed by contact with the fixed biocide or be hindered in their growth.
Die erfindungsgemäßen antimikrobiellen Verbindungen zur Bekämpfung von unerwünschtem Mikrobenwachstum und/oder mikrobiell verursachter Korrosion in wasserführenden Vorrichtungen sind dadurch gekennzeichnet, daß diese Verbindungen mindestens einen bioziden Molekülteil sowie mindestens einen anderen Molekülteil mit einer Haftaffinität zur Oberfläche der wasserführenden Vorrichtung aufweisen.The antimicrobial compounds according to the invention to combat unwanted microbial growth and / or microbial corrosion in water-carrying devices are characterized that these connections have at least one biocidal part of the molecule and at least one other part of the molecule with an affinity for adhesion Have surface of the water-carrying device.
Insbesondere ist der biozide Molekülteil ein quaternärer Ammoniumrest oder Phosphoniumrest oder ein Triorganozinnrest, insbesondere ein Tri-(alkyl- und/oder aryl)-zinnrest, und der Molekülrest mit Haftaffinität der wasserführenden Vorrichtung eine Silanverbindung.In particular, the biocidal part of the molecule quaternary ammonium residue or phosphonium residue or a triorganotin residue, especially a Tri (alkyl and / or aryl) tin residue, and the Molecular residue with affinity for the water-bearing Device a silane compound.
Solche Verbindungen haben vorzugsweise die FormelnSuch compounds preferably have the Formulas
Verbindungen der Formel I sind solche, worin R₁ bis R₃ Niederalkoxygruppen mit 1 bis 4, insbesondere 1 oder 2 C-Atomen sind, R₄ bis R₆ C₁- bis C₂₄-Alkyl- oder Arylgruppen sind mit der Maßgabe, daß mindestens eine der Gruppen R₄ bis R₆ eine Alkylgruppe mit 10 bis 24 C- Atomen ist, und X Phosphor oder Stickstoff und Y- ein Anion aus der Gruppe Halogenid, Nitrat, Nitrit, Cyanid oder aber ein organisches Anion ist, und n den Wert 2 bis 10 hat, und insbesondere solche, worin R₁ bis R₃ Methoxy- oder Ethoxygruppen, R₄ und R₆ eine C₁- bis C₄-Alkylgruppe oder Phenylgruppe und R₅ eine C₁₀-C₂₄-Alkylgruppe oder R₄ und R₆ eine C₁₀- bzw. C₂₄-Alkylgruppe und dann R₅ eine C₁- bis C₄-Alkylgruppe oder Phenylgruppe bedeutet und n = 1 bis 4 und Y = Halogen ist.Compounds of formula I are those in which R₁ to R₃ are lower alkoxy groups having 1 to 4, in particular 1 or 2, carbon atoms, R₄ to R₆ are C₁ to C₂₄ alkyl or aryl groups with the proviso that at least one of the groups R₄ to R₆ is an alkyl group with 10 to 24 carbon atoms, and X is phosphorus or nitrogen and Y - an anion from the group consisting of halide, nitrate, nitrite, cyanide or an organic anion, and n has the value 2 to 10, and in particular those in which R₁ to R₃ methoxy or ethoxy groups, R₄ and R₆ a C₁ to C₄ alkyl group or phenyl group and R₅ a C₁₀-C₂₄ alkyl group or R₄ and R₆ a C₁₀ or C₂₄ alkyl group and then Rgruppe a C₁- bis C₄-alkyl group or phenyl group and n = 1 to 4 and Y = halogen.
Verbindungen der Formel II sind solche, worin R₁ bis R₃ Niederalkoxygruppen mit 1 bis 4, insbesondere 1 oder 2 C-Atomen sind, R₄ bis R₆ C₁- bis C₂₄-Alkyl- oder Arylgruppen sind und n den Wert 2 bis 10 hat, und insbesondere solche, worin R₄ bis R₆ einen Butyl- oder Phenylrest bedeutet, n 1 bis 10 und insbesondere 1 bis 4 ist, und R₁ bis R₃ Niederalkoxygruppen mit 1 bis 4, insbesondere 1 oder 2 C-Atomen sind.Compounds of formula II are those in which R₁ to R₃ are lower alkoxy groups having 1 to 4, in particular 1 or 2, C atoms, R₄ to R₆ are C₁ to C₂₄ alkyl or aryl groups and n is 2 to 10, and in particular those in which R₄ to R₆ is a butyl or phenyl radical, n is 1 to 10 and in particular 1 to 4, and R₁ to R₃ are lower alkoxy groups having 1 to 4, in particular 1 or 2, carbon atoms.
Beispielhafte Versuche mit bioziden Verbindungen mit und ohne Haftgruppe an Oberflächen, in diesem Fall einer Zellulose-Oberfläche, sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben. Es zeigt sich, daß die meisten als Biozide bekannten Verbindungen auch im gebundenen Zustand aktiv sind, während andere, nämlich Hydroxyanilin und Tetrachloranilin, die direkt auf das Protoplasma von Mikroorganismen wirken, nicht aktiv sind. Exemplary experiments with biocidal compounds with and without adhesion group on surfaces, in this Case of a cellulose surface, are in the reproduced in the following table. It appears, that most of the compounds known as biocides are also active in the bound state, while others, namely hydroxyaniline and tetrachloroaniline, which directly on the protoplasm of Microorganisms work, are not active.
Die größte Aktivität wird mit quecksilber- und zinnorganischen Verbindungen erreicht, die derjenigen entspricht, die durch die gelösten Verbindungen als solche erreicht wird. Weiterhin kann die Wirkung demonstriert werden, wenn behandelte und unbehandelte Papierstreifen in den Boden eingegraben werden und bei 30°C in 95% relativer Luftfeuchtigkeit stehen gelassen werden. Während unbehandelte Papierstreifen nach 3 Tagen bereits abgebaut werden, wird ein Papier mit an die Oberfläche gebundenem Aminophenylquecksilberazetat selbst nach 17 Tagen nur schwach angegriffen. Bei der Verwendung dieses Papiers mit fixiertem Aminophenylquecksilberazetat als Bakterienfilter für die Luftfiltration wird gefunden, daß nach längerer Inkubierung keinerlei Bakterien am Agar-Test auftauchten.The biggest activity is with mercury and organotin compounds achieved that corresponds to that solved by the Connections as such is achieved. Farther the effect can be demonstrated if treated and untreated paper strips be buried in the ground and at 30 ° C stand in 95% relative humidity be left. During untreated paper strips already dismantled after 3 days, becomes a paper with the surface bound Aminophenylmercury acetate even after 17 days only weakly attacked. When using of this paper with fixed aminophenylmercury acetate as a bacterial filter for air filtration it is found that after prolonged incubation no bacteria appeared on the agar test.
Eine wichtige Anwendung der erfindungsgemäß verwendeten Verbindungen besteht in der Desinfektion von Wasser. Hierbei werden insbesondere quaternäre Ammonium- oder Phosphoniumverbindungen auf Mikroperlen aus Glas gebunden und Packungen aus solchen Perlen als Filter für die Wasserdesinfektion gebraucht. Es wurde gefunden, daß eine vollständige Desinfektion hinsichtlich Escherichia coli bereits mit einer Betthöhe von 6 cm erreicht wird.An important application of the invention Connections used is in the Disinfection of water. Here, in particular quaternary ammonium or phosphonium compounds tied on microbeads made of glass and Packs of such pearls as filters for the Water disinfection needed. It was found, that complete disinfection regarding Escherichia coli already with a bed height of 6 cm is reached.
Die bevorzugten Verbindungen, bestehend aus einem Silanrest und einem quaternären Ammoniumrest, werden z. B. hergestellt durch Umsetzen von q-Chloro- Propyltrimethoxysilan mit tertiären Aminen, vorzugsweise solchen mit 10 bis 24 Kohlenstoffatomen, und insbesondere mit 19 bis 21 Kohlenstoffatomen. Die langkettige aliphatische Gruppe bestimmt die Benetzbarkeit der behandelten Oberfläche, aber auch die antimikrobielle Wirkung.The preferred compounds consisting of a silane residue and a quaternary ammonium residue are e.g. B. prepared by reacting q- chloro-propyltrimethoxysilane with tertiary amines, preferably those with 10 to 24 carbon atoms, and in particular with 19 to 21 carbon atoms. The long-chain aliphatic group determines the wettability of the treated surface, but also the antimicrobial effect.
Zur Anwendung der Verbindungen wird eine wäßrige Lösung der Verbindungen hergestellt und damit die Vorrichtung imprägniert und anschließend thermisch bei etwa 100°C an der Luft behandelt. Hierbei hydrolysieren die Alkoxygruppen des Silanteils und bilden ein Siloxan-Netzwerk, das bis 120°C und darüber stabil gegen Hydrolyse ist. Derartige Molekülteile binden sich besonders gut an Glas. Neben der kovalenten Bindung mit Silanolgruppen an der Oberfläche können zusätzlich elektrostatische und gemischte Bindungen auftreten. Hierdurch werden mehrere Schichten des Biozides gebildet, was günstig für die Wirkung ist.To use the compounds, an aqueous Solution of the connections made and so impregnated the device and then thermally treated in air at around 100 ° C. Here, the alkoxy groups of the sil portion hydrolyze and form a siloxane network that up 120 ° C and above is stable to hydrolysis. Such molecular parts bind particularly well on glass. In addition to covalent bonding with silanol groups on the surface can also electrostatic and mixed bonds occur. This will create multiple layers of the biocide formed what is beneficial for the effect.
Da die meisten Mikroben eine negative Ladung tragen, können quaternäre Ammonium- oder Phosphoniumverbindungen diese anziehen und gegebenenfalls abtöten. Allerdings können solche Moleküle auch durch Serum oder Proteine inaktiviert werden. Daher ist es häufig bevorzugt, nichtpolare Biozide auf die Oberflächen der Vorrichtungen anzuheften. Solche Verbindungen sind z. B. Triorganozinnverbindungen, die für den erfindungsgemäßen Zeck häufig günstiger als die Ammonium- oder Phosphoniumverbindungen sind. Diese werden hergestellt durch Umsetzen von z. B. Trimethoxyvinylsilan und Tributylzinn- bzw. Triphenylzinnhydrid. Since most microbes carry a negative charge, can quaternary ammonium or phosphonium compounds tighten them and kill them if necessary. However, such molecules can also pass through Serum or proteins can be inactivated. thats why it often prefers to use non-polar biocides Tack surfaces of fixtures. Such Connections are e.g. B. triorganotin compounds, which is often cheaper for the tick according to the invention than the ammonium or phosphonium compounds are. These are made by implementation from Z. B. trimethoxyvinylsilane and tributyltin or triphenyltin hydride.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Verbindungen sind bisher den für diesen Zweck eingesetzten Chemikalien wie Chlor, Natriumhypochlorid, Chlordioxid und Ozon oder den freien phenolischen Verbindungen, quaternären Ammoniumverbindungen, Aminen und organischen Schwefelverbindungen überlegen, da sie besser haften und daher eine andauernde Wirkung ausüben und verhältnismäßig preiswert sind. Insbesondere ist die Verwendung zur Desinfektion von Wasser bevorzugt und erzielt einen erheblichen Reinigungseffekt.The compounds used according to the invention are so far the chemicals used for this purpose such as chlorine, sodium hypochlorite, chlorine dioxide and Ozone or the free phenolic compounds, quaternary ammonium compounds, amines and superior to organic sulfur compounds as they adhere better and therefore have a lasting effect exercise and are relatively inexpensive. In particular, the use for disinfection preferred by water and achieves a substantial Cleaning effect.
Die Wirkung einiger dieser Verbindungen soll im folgenden anhand von zwei typischen Beispielen unter Verwendung einer Onium- bzw. einer Zinnverbindung erläutert werden.The effect of some of these compounds is said to following using two typical examples below Use of an onium or tin compound are explained.
Glasmikrokugeln von etwa 100 µm Durchmesser wurden mit einer quaternären Ammoniumverbindung, nämlich Dimethyloctadecyl [3-(trimethoxysilyl)-propyl] ammoniumchlorid imprägniert und dann bei 100°C mit Luft behandelt. Die beschichteten Glaskugeln wurden in ein Glasrohr von 2 cm Innendurchmesser und ca. 6 cm Länge, das innen ebenfalls wie die Glaskugeln beschichtet war, gefüllt. Durch diesen Modul wurde ein kontinuierlicher Strom einer Keimsuspension (E.coli) mit etwa 10³ K ml-1 über 6 Tage geleitet. Die auf den Leerrohrquerschnitt bezogene Strömungsgeschwindigkeit betrug 0,64 10-4 m-s-1. Die Keimkonzentration nach dem Modul war über den gesamten Zeitraum praktisch null. Ein analoger Referenzmodul mit unbehandelten Kugeln und unbeschichtetem Rohr wurde parallel betrieben. Hierbei lag die relative Keimkonzentration nach dem Modul bei etwa 0,2, was auf die Adsorptionswirkung der Glasoberfläche auf die Bakterien zurückzuführen ist.Glass microspheres approximately 100 µm in diameter were impregnated with a quaternary ammonium compound, namely dimethyloctadecyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride, and then treated with air at 100 ° C. The coated glass balls were filled into a glass tube with an inside diameter of 2 cm and a length of about 6 cm, which was also coated on the inside like the glass balls. A continuous stream of a germ suspension (E. coli) with about 10 3 K ml -1 was passed through this module over 6 days. The flow velocity related to the empty pipe cross section was 0.64 10 -4 ms -1 . The germ concentration after the module was practically zero over the entire period. An analog reference module with untreated balls and uncoated pipe was operated in parallel. The relative germ concentration after the module was about 0.2, which is due to the adsorption effect of the glass surface on the bacteria.
Hiernach wurde der Durchfluß unterbrochen, die Keimsuspension blieb 1 Tag in dem Modul stehen. Hiernach wurde sie auf die verbleibenden Restkeime untersucht. In der Suspension des Moduls mit den beschichteten Kugeln konnten keine vermehrungsfähigen Keime nachgewiesen werden, in dem Referenzmodul betrug die relative Keim konzentration 0.18.After that the flow was interrupted the germ suspension remained in the module for 1 day stand. After that she was on the remaining Residual germs examined. In the suspension of the Modules with the coated balls could not reproducible germs are detected, the relative germ in the reference module was concentration 0.18.
Es wurde derselbe Versuch wie in Beispiel 1 durchgeführt, jedoch waren die Glaskugeln und die Innenseite des Glasrohres mit einer Zinnverbindung, nämlich 3-(Triethoxysilyl)-ethyl-tri-n-butylstannan, beschichtet. Die relative Keimkonzentration hinter dem Modul mit den beschichteten Kugeln betrug während der gesamten Versuchsdauer etwa 1, d. h. es wurden de facto keine Keime abgetötet. Hiernach wurde der Durchfluß ebenfalls für 1 Tag unterbrochen und nach dieser 1tägigen Standzeit die relative Keimkonzentration bestimmt. Dabei waren nur wenige Keime nach weisbar.The same experiment as in Example 1 was carried out, however, the glass balls and the inside were the glass tube with a tin connection, namely 3- (triethoxysilyl) ethyl-tri-n-butylstannane, coated. The relative germ concentration behind the module with the coated balls was during the entire test duration about 1, d. H. there were de facto no germs killed. After that the Flow also interrupted for 1 day and after this 1 day standing time the relative germ concentration certainly. There were only a few germs left detectable.
Die unterschiedlichen Ergebnisse mit der Onium- bzw. der Zinnverbindung beruhen vermutlich darauf, daß die Oniumverbindung eine starke Adsorptionswirkung auf die Keime ausübt, so daß diese auch unter Strömungsbedingungen absorbiert werden und damit abgetötet werden können. Im Falle der Zinnverbindung erfolgt diese Adsorption nicht, da sie völlig apolar ist. Aus diesem Grund können unter Strömungsbedingungen auch keine Keime abgetötet werden. Läßt man jedoch das System ruhen, so können die Keime sedimentieren und werden bei Kontakt mit der Oberfläche abgetötet. Dieser Effekt der Nichtadsorption ist im Falle der Verhinderung von Biofouling unbedingt erwünscht. Aus diesem Grunde sind die Zinnverbindungen den quaternären Oniumverbindungen überlegen. Sie besitzen eine 2fache Wirkung, nämlich die Nichtadsorption bzw. die Verhinderung der Adsorption in Verbindung mit einer hohen antimikrobiellen Wirkung.The different results with the onium or the tin compound are probably based on the fact that the onium compound has a strong adsorption effect exerts on the germs, so that these also under flow conditions are absorbed and thus killed can be. In the case of the tin compound this adsorption does not take place because it is completely is apolar. For this reason, under flow conditions no germs are killed either. However, if you leave the system at rest, you can the germs sediment and become on contact killed with the surface. This effect the non-adsorption is in the case of prevention absolutely desirable by biofouling. For this The tin compounds are basically the quaternary Consider onium compounds. You own a double effect, namely non-adsorption or the prevention of adsorption combined with a high antimicrobial Effect.
Claims (6)
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DE3828755A DE3828755A1 (en) | 1988-08-25 | 1988-08-25 | Antimicrobial compounds for controlling undesired microbial growth and/or corrosion caused by microbes in water-bearing devices |
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Cited By (2)
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WO1993012053A1 (en) * | 1991-12-16 | 1993-06-24 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Treating building materials with a compound containing tin covalently bonded to a silylating group |
EP0588601A1 (en) * | 1992-09-16 | 1994-03-23 | Tokuyama Corporation | Fungicide and its use |
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1988
- 1988-08-25 DE DE3828755A patent/DE3828755A1/en not_active Ceased
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