NO974881L - Fremgangsmåte til å inhibere mikrobiell adhesjon til overflaten - Google Patents

Description

Område for oppfinnelsen.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en kjemisk tilsetning til et vandig system som inhiberer den mikrobiale kolonisering av overflater som er i kontakt med systemet. Behandlingen hindrer hovedsakelig adhesjon av mikrober til overflater idet den samtidig bevarer levedyktigheten til mikrobene i systemet, noe som muliggjør en utslipping av mikrobene fra systemet.

Bakgrunn og teknikkens stilling.

Bakteriell fastgjøring til overflater i praktisk talt ethvert ikke-sterilt vandig miljø er et velkjent fenomen. Industrielle anstrengelser for å hindre kolonisering eller for å rense forurensede overflater medfører store utgifter i et antall industrielle sektorer. Ofte brukes slike utgifter til renseprogram som inkluderer anvendelse av surfaktanter. Surfaktanter benyttes ofte i vannbehand-lingsprogrammer som midler som man antar bevirker fjerning av organiske masser fra overflater, i forbedring av biocid-effektivitet eller for å forbedre vann-blandbar-heten av forskjellige biocidale midler. Surfaktanter benyttes også ofte i landbrukskjemikaliske industrier, spesielt for å forbedre virkningen av herbicider. Dette oppnås ved å anvende surfaktantene for å forandre overflate-egenskapene til de påførte dråper, ved å maksi-mere deres interaksjon med blandeoverflaten.

Der er et antall eksempler på surfaktanter som er i stand til å inhibere kolonisering av overflater ved å inhibere veksten av mikroorganismene i det aktuelle miljø. De fleste surfaktanter, uavhengig av klasse, viser en viss inhibering av overflate-kolonisering ved anvendelse i konsentrasjoner tilstrekkelig til å hindre bakterievekst. I vannbehandlingsindustrien er de mest kjente surfaktanter som bevirker en målbar koloniseringsmotstand til neddykkede overflater de kationiske kvartære amin-surfaktanter, som også fungerer som biocider. Imidlertid kan også de relativt svake ikke-ioniske surfaktanter oppvise toksiske effekter på mikrober, f.eks. bakterier eller sopp, idet konsentrasjonen av ikke-ioniske surfaktanter som er nød-vendig for å mediere toksisitet er typisk vesentlig høyere enn for kationiske surfaktanter.

Eksempler på ikke-toksisk regulering av overflate-kolonisering krever typisk anvendelse av høye konsentrasjonen av surfaktanter noe som ikke er gjennomførbart i vannbehandlingsindustrier hvor tusener eller millioner av liter vann skal behandles.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører anvendelse av surfaktanter som virker ved å inhibere mikrobial adhesjon til overflater som er i kontakt med et vandig system. Materialene ifølge foreliggende oppfinnelse har tidligere blitt anvendt innenfor områder såsom fiberfukting i tekstilindustrien. Disse materialer inhiberer adhesjon i konsentrasjoner som er lavere enn hvorved toksisitet har blitt observert for de testede organismer.

Kort beskrivelse av figurene.

Fig. 1 illustrerer inhiberingen av P. aeruginosa-kolonisering av rustfritt stål av dinonylsulfosukkinat. Fig. 2 illustrerer den dynamiske overflate-spenningsreduksjon ved tilsetning av dinonylsulfosukkinat. Fig. 3 illustrerer overflate-kolonisering ved en alkalisk fin-papirfabrikk. Biomasse er i nanogram (ng)/ 2

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en behandling for inhibering av mikrobial kolonisering av overflater i kontakt med et vandig system, f.eks. et kjølevann-, masse-eller papirfremstillingssystem, som omfatter å tilsette til systemet en anionisk alkylsulfosukkinat-surfaktant. Den foreliggende oppfinnelse hindrer adhesjon av mikrober til overflatene idet levedyktigheten til mikrobene preserveres i prosesstrømmen av systemet, noe som mulig-gjør deres utslipp fra systemet.

I et spesielt foretrukket utførelseseksempel omfatter foreliggende oppfinnelse å tilsette til systemet en anionisk alkylsulfosukkinat-surfaktant eller en amfoterisk surfaktant, i kombinasjon med en ikke-ionisk polyoksy-etylenpolyoksypropylen (EO-PO) blokk-kopolymer.

Den foreliggende oppfinnelse inhiberer i hovedsak omfanget av bakteriell kolonisering av overflater uten å oppvise toksisitet mot den aktuelle populasjon, noe som dermed muliggjør at mikrobene kan slippes ut fra systemet.

Det er forventet at behandlingen ifølge foreliggende oppfinnelse også vil gi en utslippsstrøm som har en markert reduksjon i toksisitet for pattedyr, og er derfor mer miljømessig følsom enn nåværende fremgangsmåter som anvender toksiske biocider.

Anioniske sulfosukkinat-surfaktanter med dialkyl-kjedelengder med ca. 7-10 karboner (dvs. hver kjede inne-holder 7-10 karboner) vil være de mest effektive for for-mål ifølge foreliggende oppfinnelse. Det antas teoretisk at best effektivitet vil oppnås når alkylkjeden er minimalt forgrenet, med en eventuell forgrening ved den distale ende av alkylkjeden.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse viser evnen til en surfaktant til å inhibere kolonisering av overflater i konsentrasjoner som er under de konsentrasjoner som forårsaker en reduksjon i antallet levedyktige mikrober, f.eks. bakterier eller sopp. Denne "miljø-vennlige" reguleringsmetode hindrer bakteriell fastgjøring uten å redusere antallet levedyktige mikrober. Ytterligere, er denne klasse av kjemikalier som er involvert i denne i hovedsak ikke-toksiske behandling ifølge foreliggende oppfinnelse bio-nedbrytbare (alkylsulfosukkinater).

For å demonstrere effektiviteten av foreliggende oppfinnelse ble en fremgangsmåte utviklet som muliggjør screening av surfaktanters evne til å inhibere de innledende koloniseringstrinn. Fremgangsmåten involverer kolonisering av kommersielt tilgjengelige plater av rustfritt stål av bakterier i nærvær/fravær av surfaktanter. Antallet bakterier på et sett av plater ble deretter bestemt ved standard fremgangsmåter.

Den bakterielle form Pseudomo na aeruainosa.

( P. aeruginosa) ble valgt som organisme for disse under-søkelser fordi denne form har ofte blitt vist å være blant de bakterier som primært koloniserer neddykkede overflater. Disse organismer er omtrent også allesteds nærvær-ende i naturlige vandige miljøer og kan derfor forventes og finnes i prosessvannsstrømmer i en rekke forskjellige industrier. Stammen som ble anvendt var et isolat fra en papirfabrikk.

Produkter som ble funnet å være effektive i å mini-mere innledende kolonisering ble ytterligere undersøkt for et dose-responsforhold til koloniseringsinhibering. Fig. 1 viser resultatene av dose-responsanalysen, der det foretrukne produkt ifølge oppfinnelsen ble benyttet, dvs. et dinonylsulfosukkinat, i løpet av en tre timers koloniser-ingsperiode.

Med termen surfaktanter menes, ved definisjon og i praksis, forbindelser som reduserer overflatespenningen av det medium til hvilket de tilsettes, og det ble undersøkt for en korrelasjon mellom overflate-spenningsreduksjon og inhibering av kolonisering. Som nevnt ovenfor ble forsøk-ene med overflater av rustfritt stål anvendt for å gene-rere dose-responskurver som viser nivået av koloniseringsinhibering ved å anvende en rekke forskjellige surfaktanter. Data ble også opptatt i forhold til nedgangen i overflatespenning i medium forårsaket av nærvær av surfaktanter i konsentrasjoner som anvendt i dose-respons- kurvene. Disse data presenteres i fig. 2. Denne figur viser vesentlig nedgang i overflatespenning mediert ved så lite som 0,5 ppm av det aktive produkt.

Det foretrukne materiale ifølge foreliggende oppfinnelse, idet det viser en umiddelbar og skarpt fall i overflatespenning ved 0,5 ppm aktivt middel, viste ikke en korresponderende skarp inhibering av kolonisering (fig. 1). Videre, idet den kritiske micelle-konstruksjon var ca. 2,8 ppm av det foretrukne materiale, fant det mest bemerkelsesverdige fall i overflatekolonisering sted ved konsentrasjoner mellom fra ca. 10 til 12 ppm. Der var imidlertid en kontinuerlig, om enn mildere, økning i impedansen av bakteriekolonisering, noe som korresponderer til økning i konsentrasjonen av surfaktanter i medium.

Eksperimenter ble også utført for å undersøke om bakterier som foreligger i testsystemet med plater av rustfritt stål forandret overflatespenningen på grunn av den potensielle produksjon av biosurfaktanter. Der var ikke noe bevis for en reduksjon i overflatespenning i media enten som et direkte resultat av tilsetningen av bakteriene til testsystemet, eller som et resultat av veksten av bakterier under det tre timer lange forløpet av eksperimentet. Dette bekreftet av resultatene av de foregående overflate-spenningsforsøk var avhengig av til-setting av den kjemiske surfaktant.

For å bestemme effekten av tilsettingen av surfaktantene på grenseflate-spenningen mellom medium og ståloverflåtene ble kontaktvinkel-forsøk utført med surfak-tanten tilsatt til medium og påført til overflaten av skivene av rustfritt stål.

Eksperimenter ble utført med den foretrukne forbindelse ifølge foreliggende oppfinnelse ved forskjellige konsentrasjoner, og resultatene indikerer at en minimum-kontaktvinkel (og maksimum overflate "fuktningsgrad") ble oppnådd med ca. 2,5 ppm surfaktant. Disse resultater støtter derfor ytterligere den påstand at den observerte nedgang i overflatekolonisering, i nærvær av det foretrukne materiale ifølge oppfinnelsen, ikke bare er rela-tert til en fysisk interaksjon mellom surfaktant med enten medium eller ståloverflåtene.

Etter at det ble vist at evnen av utvalgte surfaktanter til å hindre kolonisering på rustfritt stål i et relativt statisk testsystem, ble surfaktantene undersøkt for tilsvarende effektivitet over lengre tidsperioder. Dette ble utført gjennom anvendelse av "langtids"-koloniseringsanalyser for å bestemme effektiviteten av disse produkter over en periode på ca. 2 4 timer eller mer. Koloniserings-resirkuleringssløyfer med fjernbare strimler ble benyttet for dette forsøk. Kulturer av bakterier, tilsatt den foretrukne surfaktant ifølge oppfinnelsen, ble resirkulert gjennom koloniseringsutstyret og graden av kolonisering på ståloverflater ble sammenlignet, over tid, med et kontrollutstyr som kjøres samtidig, idet systemene opererte under kontinuerlige kulturbetingelser.

Virkningstiden for den foretrukne surfaktant ifølge foreliggende oppfinnelse ble sterkt modifisert i forhold til det som ble observert i den statiske test. I disse eksperimenter var der omtrent ingen forskjell mellom kolonisering av de to utstyr utover den initielle fase av kolonisering (første seks timer). Ved ca. åtte timers kolonisering var der en liten forskjell i graden av kolonisering. Forskjellen ble forsterket ved 3 0 timer hvor der var en merkbar 0,77 log^g-grads mindre populasjon på de overflater som ble tatt fra utstyr som ble behandlet med den foretrukne surfaktant. Det er også viktig å merke at reduksjonen i kolonisering ikke er mediert av en signifikant toksisk effekt på bakteriene (se tabell 1).

Det skal også bemerkes at foreliggende oppfinnelse også kan være effektiv på andre overflater enn rustfritt stål, f.eks. akryliske-, keramiske- eller metall-overflater. Ytterligere kan andre vandige systemer, såsom metallbearbeidings- og olje- og gassystemer også ha nytte av foreliggende oppfinnelse.

Industriell anvendelighet.

En foretrukket utførelse ifølge foreliggende oppfinnelse (dvs. dinonylsulfosukkinat-natriumsaltet) ble testet i et sidestrømsutstyr ved en alkalisk fin-papirfabrikk. Testen ble utført ved å anvende et sidestrømsutstyr som muliggjorde samtidig undersøkelse av både kontroll og behandlede overflater og assosiert forråd-fasevann. Behandlingen ble kontinuerlig matet inn i testsystemet for å opprettholde en konstant konsentrasjon på 48 ppm (aktiv) i bakvannet. Overflate-kolonisering ble monitorert ved kjemisk bestemmelse av mengden biomasse på en gitt overflate.

Som vist i fig. 3, var der en signifikant forskjell i mengden biomasse og avleiringsdannelse på kontrollutstyret i forhold til testutstyr. Overflatene som ble eksponert til behandlet vann var i hovedsak fri for detekterbare avleiringer, mens overflater eksponert til kontrollvann hadde en svært beviselig oppbygging av avleiring.

Den samme fremgangsmåte ble gjentatt ved å anvende 12 ppm av det foretrukne produkt, og tilsvarende resultater ble oppnådd. Epifluorescerende undersøkelse av overflatene (behandlet og kontroll) viste at kontroll-overflåtene hadde en signifikant større grad av bakteriell kolonisering enn de behandlede overflater. Imidlertid tillot det foretrukne produkt ved 12 ppm mer bakteriell kolonisering enn det regime som anvendte en 48 ppm behandling. En visuell og taktil inspeksjon av testsystemet viste at 12 ppm av det foretrukne produkt fortsatte å oppvise effektivitet i å holde overflatene visuelt fri for avleiring. Det er forventet at mengder av behandlingen ifølge foreliggende oppfinnelse så lavt som fra ca. 1-5 ppm kan være effektive, avhengig av karakteristika for det behandlede system, f.eks. mengden bakterier.

Ytterligere resultater av koloniseringsinhiberings-eksperimenter utført med forskjellige molekyler omfattet av foreliggende oppfinnelse finnes i tabell II, nedenfor.

Som bemerket ovenfor oppviser forskjellige alkyl-sulf osukkinat-surfaktanter effektivitet i reguleringen av mikrobial kolonisering. Avhengig av den bestemte alkyl-sulf osukkinat- surf aktant som velges for behandlingen kan konsentrasjonen av materialet som er nødvendig for å oppnå effektivitet variere.

Flere blokk-kopolymersurfaktanter som eksemplifisert av Pluronic®- og Tetronic®-klasser av surfaktanter, tilgjengelige fra BASF, ble testet i kombinasjon med det foretrukne anioniske sulfosukkinat ifølge foreliggende oppfinnelse, dvs. dinonylsulfosukkinat. Mange av blokk-kopolymerene, selv om de oppviste liten eller ingen koloniseringsinhibering ved konsentrasjoner på mindre enn 100 mg/l idet de ble anvendt alene, ble vist å øke effektiviteten av dinonylsulfosukkinat. De fleste av disse kombinasjoner resulterte i regulering av overflate-kolonisering.

Det materiale som oppviste den beste forbedring i effektivitet er Pluronic-surfaktantene som har mellom 10 og 5 0% polyoksyetylen, med molekylvekter i området fra ca. 1.800 til 4.000. Den påfølgende tabell viser effektiviteten ifølge foreliggende oppfinnelse. Verdiene reflekt-erer mengden nukleinsyre som ble gjenvunnet fra de adherte bakterier på skiver som var eksponert til den angitte behandling, i forhold til adherte bakterier gjenvunnet fra ubehandlede plater. Den foretrukne EO/PO-blokk-kopolymer ifølge foreliggende oppfinnelse, testet i de påfølgende tabeller, er en Pluronic L-101 surfaktant med en molekyl-vekt på ca. 3.800 og med 10% polyoksyetylen (polymer A).

Resultatene ovenfor indikerer at blokk-kopolymeren er i stand til å vesentlig forbedre effektiviteten av dinonylsulfosukkinat i lave konsentrasjoner. Blokk-kopolymeren alene viste ingen koloniseringsinhibering ved konsentrasjoner opptil 200 mg/l. Det er forventet at behandlingsnivåer av kombinasjonen av surfaktanter på fra 1 ppm til 150 ppm vil være effektive, avhengig av karakteristika til det behandlede system.

Et ytterligere resultat i forbindelse med blanding av de to surfaktanter er at de er hver for seg minimalt vannløselige. -Blanding av surfaktantene sammen muliggjør en større andel aktive ingredienser å bli blandet inn i et gitt volum vann. Et foretrukket område for blandingen av surfaktanter er fra et 4:1 til l:l-forhold av dialkylsulfosukkinat:blokk-kopolymer, med et l:2-forhold spesielt foretrukket. Disse blandinger er generelt vannløselige (eller disperserbare) i ethvert ønsket forholdstall.

Behandlingen ifølge foreliggende oppfinnelse, dvs. forbedring av koloniseringsinhiberings-effektivitet ved å blande blokk-kopolymerer med andre surfaktanter er ikke begrenset til dinonylsulfosukkinat. Andre medlemmer av alkylsulfosukkinat-familien gir også mye mer signifikant koloniseringsinhiberings-effektivitet idet de blandes med en EO-PO-polymer. Sulfosukkinater med alkylkjedelengder på fra ca. 5 til 13 karboner viser forbedret effektivitet idet de blandes med blokk-kopolymerer. Tabell IV viser forbedringen som observeres ved blanding av den foretrukne blokk-kopolymer ifølge foreliggende oppfinnelse (polymer A) med to ytterligere typer alkylsulfosukkinater, dvs. dietylheksylsulfosukkinat og diamylsulfosukkinat. Det eksperimentelle system er tilsvarende det som er beskrevet i tabell III, ovenfor.

Tabell IV viser typen effektivitetsforbedring som observeres med amfoteriske surfaktanter, spesielt amfoteriske surfaktanter avledet fra dipropionisk syre. En av surfaktantene som ble testet var en natrium C12_i5alkoks<y->propyliminodipropionat. Dette materiale ble blandet med de foretrukne blokk-kopolymer surfaktanter (polymer A) ifølge foreliggende oppfinnelse.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for inhibering av mikrobial kolonisering av overflater som er i kontakt med et vandig system, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter at det tilsettes til systemet en alkylsulfosukkinat-surfaktant idet fremgangsmåten vesentlig hindrer adhesjon av mikrober til overflater idet levedyktigheten til mikrobene i systemet preserveres, noe som muliggjør utslipping av mikrobene fra systemet.

2. Fremgangsmåte for inhibering av mikrobial kolonisering av overflater som er i kontakt med et vandig system, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter at det tilsettes til systemet (a) en alkylsulfosukkinat-surfaktant og (b) en polyoksyetylen-polyoksy-propylen-blokk-kopolymer-surfaktant, idet levedyktigheten til mikrobene i systemet preserveres, noe som muliggjør utslipping av mikrobene fra systemet.

3. Fremgangsmåte i samsvar med ett av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at alkylsulfosukkinat-surfaktanten er et dialkylsulfosukkinat.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 3, karakterisert ved at dialkylsulfosukkinat er et dinonylsulfosukkinat.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at vektforholdet av (a):(b) er fra 4:1 til 1:10, respektivt.

6 . Fremgangsmåte i samsvar med ett av kravene 1 til 5, karakterisert ved at det vandige system omfatter et kjølevannsystem, et masse- eller papirfremstillingssystem, et metallbearbeidingssystem, eller et olje- og gassystem.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at (a) og (b) kollektivt tilsettes til det vandige system i en mengde fra 1 til 150 deler basert på 1 million deler av det vandige system.

8. Materiale for inhibering av mikrobial kolonisering av overflate som er i kontakt med et vandig system, karakterisert ved at materialet omfatter (a) en alkylsulfosukkinat-surfaktant og (b) en polyoksyetylen-polyoksypropylen-blokk-kopolymer-surfaktant.

9. Materiale i samsvar med krav 8, karakterisert ved at alkylsulfosukkinat-surfaktanten er et dialkylsulfosukkinat.

10. Materiale i samsvar med krav 9, karakterisert ved at dialkylsulfosukkinat er et dinonylsulfosukkinat.