用于生物膜处理的组合物和方法与流程

本发明涉及用于处理生物膜的组合物和方法。

背景技术：

生物膜是附接到表面并嵌入自生成的细胞外聚合物基体(例如，多糖、糖蛋白、蛋白质)中的微生物的有组织的群落。生物膜群体可通过单一细菌物种形成或可由许多细菌物种、以及真菌、藻类、酵母、原生动物和其它协同生活在一起的微生物组成。取决于环境条件，生物膜可薄至几个细胞层或数英寸厚。几乎每种微生物物种均具有以下机制，通过所述机制它们可附着到表面并彼此附着，使得生物膜几乎能够在未经灭菌的含水(例如，高湿度)环境中在任何表面上形成。

集体生活在固着菌落中(例如，附接到表面)提供超过以独居浮游生物体形式生活(例如自由漂浮)的显著优点。微生物群落表现出远超过其作为单个生物体的能力的特性、行为和生存策略。在生物膜中生长的微生物比浮游细胞对移除和消毒更具抗性并且所述抗性随生物膜老化而增加。这意味着生物体能够随它们的数量增加和菌落演变而更有效地抵抗处理。生物膜还表现出针对干燥、极端温度和光照的增加的物理抗性。

在营养有限的自然和工业生态系统中，生物膜常常占主要地位。生物膜污染和沾污出现在几乎每个工业水基工艺中，造成生产力损失、资本设备损坏、产品缺陷和卫生问题。受影响的水体系和通常遭遇的问题包括冷却水塔(减少热和质量传递)、换热器(减少热传递)、纸浆和造纸(产品质量缺陷)、食品处理体系(污染)、金属加工(金属加工液的降解)、光学处理(有瑕疵的印刷品、机器故障)、反渗透水处理(减少的膜渗透性、材料降解)、工艺设备(腐蚀和生物腐蚀)、二次采油(注水井堵塞、变酸、受微生物影响的腐蚀)、污水处理体系(生物腐蚀)、以及饮用水管道(污染)。

在海洋工程体系中，诸如近海石油和天然气工业的管线，生物膜可导致显著的腐蚀问题。该上下文中的腐蚀主要是由于非生物因素，但大部分是由附接到金属地下表面的微生物造成的(即，受微生物影响的腐蚀)。对船体的细菌附着充当海轮的生物淤积的基础。一旦细菌膜形成，其它海洋生物体诸如藤壶就更容易附接。此类污染可显著降低最高轮速、延长航程并消耗额外的燃料。在干船坞中整修和重新涂漆的时间降低了船舶资产的生产力，并且由于腐蚀和从船体中机械移除(例如刮擦)海洋生物体所以减少了船的可用寿命。

另外，在家庭环境中受影响的是游泳池(健康风险、装饰劣化)、盥洗室(装饰劣化)、家庭排水管(堵塞和缓慢排水的水槽)、和其它家居表面诸如切割表面、水槽、台面、淋浴和浴缸表面、花瓶、宠物食物/水盆、装饰性水造景(例如喷泉、池塘)、和鸟槽。

传统清洁方法通常不足以用于移除生物膜的积聚。常用消毒剂(例如，氧化化合物诸如氯、氯衍生物、氯取代物)可用于控制自由漂浮的浮游生活的微生物，但位于体系表面上的固着生物膜生物体受其聚合物基体保护，这降低了消毒剂渗透细菌团的能力。

高浓度苛性碱溶液，如碱性氢氧化物的水溶液，被广泛用于清洁各种工业、商业、甚至一些家居表面。然而，强碱溶液具有非常高的表面张力，从而使得其性能在许多情况下不太理想。因为其高表面张力，其缓慢渗透到其润湿的基底中，或可能不完全渗透，并且将甚至从许多表面滚落。其还不与非水性流体如油和脂肪混合良好，其中必须进行搅拌以实现期望的化学转化。

相反地，烃溶剂易于润湿和渗透许多表面，并且对许多材料具有良好的溶剂化能力(即溶解能力)。例如，许多氟化或氯化的烃已经被广泛用于清洁和脱脂。此类溶剂在清洁许多恶劣的工业环境时是有效的，然而，就许多目的而言，它们是不适用的，因为其缺乏强碱的水解能力。

因此，可能期望提供清洁组合物，所述清洁组合物提供优异的材料渗透和强清洁能力两者。还有利的是提供可用于移除以及抑制生物膜形成的这样的清洁组合物。

技术实现要素：

本发明提供用于用强碱表面活性剂组合物处理受生物膜影响的表面的方法，所述强碱表面活性剂组合物具有较高的碱浓度和优异的润湿能力。这些组合物具有优异的材料渗透能力和强清洁能力两者，使得其适用于移除以及抑制生物膜形成。这些含水组合物包含具有路易斯酸头部官能团和短链疏水(例如烃)尾部的表面活性剂。头部基团的主要原子与尾部最接近主链的原子之间的化学键在浓缩的强碱溶液中是不可水解的。在一个实施方案中，所述表面活性剂包含硼酸头部基团和具有4至10个碳原子的烃尾部基团。

所述表面活性剂在所述组合物中的含量按所述组合物总体的重量计可为0.05％至30％，或0.1％至10％，或0.1至5％。强碱组合物可有利地具有2至9M，或4至9M的氢氧化物摩尔浓度。

附图说明

图1是KOH摩尔浓度(“M”)对具有不同浓度的KOH水性溶液在51毫秒(“ms”)时的动态表面张力的曲线图。

图2是KOH浓度对丁基硼酸溶液和Amphoteric-16表面活性剂溶液在51ms时的动态表面张力的曲线图。

图3是KOH浓度对得自同一同源系列的三种不同表面活性剂溶液在51ms时的动态表面张力的曲线图。

具体实施方式

I.定义

如本文所用，冠词如“一个”和“一种”以及“所述”被理解为是指一种受权利要求书保护或描述的物质，或多于一种的受权利要求书保护或描述的物质的组合。例如，“一种材料”是指一种材料或多于一种材料的集体混合物。应显而易见的是，如本文所用，术语如“一种材料”、“所述材料”和“材料”是同义的，从而互换使用。

如本文所用，术语“一种强碱”或“强碱”是指一种强碱材料，或多于一种强碱材料的组合。

如本文所用，术语“一种表面活性剂”或“表面活性剂”是指一种表面活性剂，或多于一种表面活性剂的组合。例如，“10％表面活性剂”是指存在的表面活性剂的总和为10％，其中所述表面活性剂为一种表面活性剂形式或多于一种的表面活性剂的混合物形式(例如具有不同尾部长度的两种表面活性剂)。

如本文所用，“一种碱金属盐”是指一种碱金属盐，或多于一种的碱金属盐的混合物。

如本文所用，术语“生物膜”广义上是指在保护性微生物生成的聚合物基体中结合在一起并附接到表面的微生物的附着层。

如本文所用，“非金属碱”是指一种非金属碱，或多于一种的非金属碱的混合物。

如本文所用，术语“包括”、“含有”和“具有”是非限制性的，并且不排除其它超出说明书和权利要求书中明确表述的其它组分或特征结构。

如本文所用，“助剂”是指可加入组合物中以补充组合物的美学和/或功能特性的任选材料。

如本文所用，“载体”是指任选材料，包括但不限于可与所述组合物混合以有利于递送和/或使用的流体。

如本文所用，术语“固体”包括颗粒、粉末、条块和片剂产品形式。

如本文所用，术语“流体”包括液体、凝胶、和糊剂产品形式。

除非另外指明，所有百分比和比率均以组合物总体的重量计。

除非另有说明，所有组分(即成分)或组合物含量均是关于该组分或组合物的活性物质部分，并且不包括可能存在于这些组分或组合物的可商购获得的来源中的杂质，例如残余溶剂或副产物。

除非另外说明，所有百分比均以所述组合物总体的重量计。

如本文所用，术语“烃基团”是指仅包含碳和氢的聚合物基团。例如，烃基团可包括烷基基团和/或苯基基团。

如本文所用，术语“基团”与术语“基”和/或“部分”同义使用。

应当理解，在本说明书中给出的每一最大数值限度包括每一更低数值限度，如同该更低数值限度在本文中也被明确地表示。在本说明书中给出的每一最小数值限度将包括每一更高数值限度，如同该更高数值限度一样在本文中也被明确地表示。在本说明书中给出的每一数值范围将包括落在该较大数值范围内的每一更窄的数值范围，如该更窄的数值范围在本文中也被明确地表示。

如本文所用，“头部基团主要原子”为与烃尾部直接键合的头部基团原子。

如本文所用，术语“表面”是指生物膜可附接于其上的任何基底。表面的示例可以为任何硬质表面诸如金属、塑料、橡胶、板、玻璃、木材、纸材、混凝土、岩石、大理石、石膏和陶瓷材料。例如，硬质表面可存在于冷却塔、水处理厂、乳品加工厂、或者化学或药物加工厂的工艺设备构件中。多孔表面可存在于过滤器(例如，膜过滤器)中。

术语“移除生物膜”是指使附接到表面的生物膜的至少一部分脱离。

如本文所用，生物膜“处理”包括移除和/或抑制生物膜(例如生长或再生)两者。

II.强碱表面活性剂组合物

本发明的含水强碱表面活性剂组合物包含：(a)强碱盐；和(b)表面活性剂。所述组合物的摩尔浓度可在2至9M，或4至9M的范围内。所述表面活性剂的含量按所述组合物总体的重量计可为0.05％至30％，或0.1％至10％，或0.1至5％。所述表面活性剂具有与具有4至10个碳原子的烃尾部(疏水性部分)连接的路易斯酸头部基团(亲水性部分)。

如本文所用，“路易斯酸”头部基团是(1)完全经典的路易斯酸和/或(2)由于电子不足而包含路易斯位点。在酸-碱反应的路易斯理论中，碱给予电子对，而酸接受电子对。因此，路易斯酸是可接受一对非键电子的任何实体，如H+离子。换句话讲，完全经典的路易斯酸是电子对受体。一些分子具有称为路易斯位点的缺电子键。当分子具有过少的价电子而不能形成稳定的八电子结构时，存在路易斯位点。缺电子化合物的示例为硼烷，其通常被描述为具有3-中心-2-电子键。此类物质易于和路易斯碱(即孤对源)反应形成稳定的加合物。

烃尾部包含4至10个碳原子，并且可为直链或支链烷基基团，或在一些情况下可包含芳基基团。在其它实施方案中，尾部包含4至8个碳原子，或4至6个碳原子。

本发明强碱表面活性剂组合物的各种组分更详细描述于下文中。

A.强碱

本发明的含水强碱组合物具有2至9M，或4至9M的摩尔浓度，并且包含强碱。强碱为能够在酸-碱反应中将非常弱的酸去质子化的化合物。强碱的常见示例包括强碱盐，其为碱金属和碱土金属的可溶性氢氧化物。此类碱的示例包括氢氧化钾(KOH)、氢氧化钡(Ba(OH)₂)、氢氧化铯(CsOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化锶(Sr(OH)₂)、氢氧化钙(Ca(OH)₂)、氢氧化锂(LiOH)、氢氧化铷(RbOH)、以及它们的组合。这些强碱的阳离子存在于元素周期表第一族和第二族中(碱金属和碱土金属)。

在一个实施方案中，所述碱为NaOH，并且所述组合物具有约4M的摩尔浓度。在另一个实施方案中，所述碱为KOH，并且所述组合物具有约4M至约5M的摩尔浓度。在其它实施方案中，所述碱为LiOH，并且所述组合物具有约2M至约9M的摩尔浓度。

还可使用非金属强碱如氢氧化铵。在一个实施方案中，所述组合物包含非金属碱如氢氧化铵或烷基取代的氢氧化铵。在特定实施方案中，所述组合物包含烷基取代的氢氧化铵，其选自四甲基氢氧化铵、三甲基氢氧化铵、三丁基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、以及它们的组合。

在另选的实施方案中，所述组合物为凝胶形式。如果适当，所述凝胶可以凝胶形式使用(例如在期望所述组合物“附着”的使用情况)或可用作使用前稀释的浓缩物。

如本文更详细论述的，所述组合物的碱摩尔浓度与水分子团簇浓度密切相关。

B.表面活性剂

所述表面活性剂在所述组合物中的含量按所述组合物总体的重量计可为0.05％至30％，或0.1％至10％，或0.1至5％。所述表面活性剂具有与具有4至10个碳原子的烃尾部(疏水性部分)连接的路易斯酸头部基团(亲水性部分)。如本文所用，“路易斯酸”头部基团是(1)完全经典的路易斯酸和/或(2)由于电子不足而包含路易斯位点。

在一个实施方案中，头部基团的主要原子包括具有2至4的鲍林电负性值的原子。具有2至4的鲍林电负性值的原子可选自B、N、P、S、Cl、As、Se、Br、Te、I、Po、At、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ag和Au。另选地，它们可选自B、N、P、S、Cl、Se、Br或I。

电负性是原子在分子中时吸引并将电子结合到其本身的能力。(Linus Pauling，“The Nature of the Chemical Bond”，Third Edition(1960)，第88页)。鲍林电负性值可见于常见的科学参考书中，诸如Macmillan's Chemical and Physical Data，M.James和M.P.Lord，Macmillan，London，UK，1992中；本文中讨论的鲍林电负性值源自该参考书。

烃尾部包含4至10个碳原子，并且可为直链或支链烷基基团，或在一些情况下可包含芳基基团。在其它实施方案中，尾部包含4至8个碳原子，或4至6个碳原子。

头部基团的主要原子与尾部最接近主链的原子之间的化学键在浓缩的强碱溶液中是不可水解的。为偶极键(还称为配位共价键或配位键)的该键是2-中性2-电子共价键类型，其中两个电子来源于相同原子。当路易斯碱(在该情况下，来自尾部基团)向路易斯酸(头部基团)贡献一对电子时，形成偶极键。相比之下，标准共价键的每个原子贡献一个电子。

在一个实施方案中，所述表面活性剂选自硼酸、丁基硼酸、戊基硼酸、己基硼酸、异丁基硼酸、氧化胺、辛基二甲基氧化胺、氧化膦、己基二甲基氧化膦、辛基二甲基氧化膦、癸基二甲基氧化膦、磺酸、辛基磺酸、癸基磺酸、磺基甜菜碱、烷基羟丙基磺基甜菜碱、羧酸、己基羧酸、辛基羧酸、以及它们的组合。

1.示例性路易斯酸头部基团

典型的路易斯酸头部基团的非限制性示例包括硼酸、氧化胺、全氟二甲基氧化胺、氧化膦、磺酸、磺基甜菜碱、羧酸、全氟羧酸、以及它们的混合物。本文更详细地论述了具体的路易斯酸头部基团。

a.硼酸

在一个实施方案中，表面活性剂是由下式(I)表示的硼酸，其中取代基R为具有4至8个碳原子的直链或支链的烷基链或芳基链。

硼酸为包含碳–硼键的烷基或芳基取代的硼酸。硼酸充当路易斯酸。它们为电子对受体，从而能够通过共享由路易斯碱提供的电子对，与路易斯碱反应形成路易斯加合物。

在结构上，硼酸(RB(OH)₂)为包含三价硼的有机化合物，所述化合物具有一个烷基或芳基取代基(即C–B键)和两个羟基基团以满足硼原子剩余化合价。具有仅六个价电子，从而缺乏两个电子，sp²-杂化的硼原子具有p空轨道。该低能轨道正交于三个取代基，所述取代基呈三角平面几何定向。

由于它们不足价，硼酸具有p空轨道。该特性赋予它们作为可配位碱性分子的温和有机路易斯酸的独特特性。如此，所得四面体加合物获得类似碳的构型。因此，尽管存在两个羟基基团，大部分硼酸的酸性特性是路易斯酸的酸性特性。式(II)示出硼酸在水中的电离平衡。

硼酸的反应性和特性高度取决于它们的单一可变取代基的性质；更具体地，取决于直接键合到硼的碳基团(R)的类型。邻近硼羰基基团的大体积取代基由于在形成四面体硼酸根离子时的空间抑制而降低酸强度。

当与阴离子配体配位时，虽然所得负电荷形式上画在硼原子上，但是实际上它分散在三个杂原子上。正是将水电离和通过“间接”质子转移形成水合氢离子的这种能力表征了大多数硼酸在水中的酸性。因此，大多数酸性硼酸具有可以最佳形成并稳定羟基硼酸根阴离子的最亲电子的硼原子。

b.氧化胺

在一个实施方案中，所述表面活性剂为氧化胺。氧化胺包含官能团R₃N⁺-O^-，其中R¹和R³为H，并且R²为具有4至10个碳原子的直链或支链的烷基链或芳基链，如下式(III)中所述的：

氧化胺可根据给出两个电子到氧原子的碱性胺来描述，如由下式(IV)所示：

R₃N→O (IV)

箭头→指示极性共价键中的两个电子源自胺部分。

c.氧化膦

在另一个实施方案中，表面活性剂为由下式(V)通式结构表示的氧化膦(OPR₃)，其中R²为具有4至10个碳原子的直链或支链的烷基链或芳基链，并且R¹和R³各自为H。

膦原子为sp³杂化的，具有孤对电子。磷氧键是由从氧p轨道将孤对电子给到反键合的磷-碳键而得到的配位键。

d.磺酸

磺酸可由下式(VI)表示，其中R为具有4至10个碳原子的直链或支链烷基链或芳基链并且S(＝O)₂OH基团是磺酰基氢氧根。磺酸的非限制性示例包括辛基磺酸和癸基磺酸。

e.磺基甜菜碱

磺基甜菜碱可例如由下式(VII)表示，其中R₁为具有4至10个碳原子的直链或支链的烷基链或芳基链。磺基甜菜碱的非限制性示例包括烷基羟丙基磺基甜菜碱。

f.羧酸

羧酸可例如由下式(VIII)表示，其中R为一价官能团。羧酸的非限制性示例包括己基羧酸和辛基羧酸。

2.疏水性尾部基团

本文可使用具有4至10个碳原子长的主链的任何适宜尾部基团，例如烷烃烃基团、全氟烷基基团和/或聚硅氧烷基团。所述尾部基团通常为C₄-C₁₀烃，如直链或支链烷基或芳基基团。在一个实施方案中，尾部为由植物或石油基油衍生的烃。在特定实施方案中，一个或多个尾部碳可被非碳元素取代。即尾部为其中一个或多个非氧杂原子取代有机材料烃链中一个或多个碳原子的有机化合物材料，和/或代替有机材料其它烃链中的碳原子起作用。例如，一部分或所有的烃尾部基团可被硅氧烷-或碳氟-链疏水性基团取代。当存在非碳原子代替碳原子时，这些非碳原子计为碳链长度的一部分。

III.用于处理生物膜的方法

A.生物膜

浮游微生物(例如，细菌、真菌)可几乎附着到所有天然和合成表面，其中许多此类微生物形成永久性附接。通常据信微生物优选以固着生物体形式而不是浮游形式生活，因为以固着状态生活有利于形成不存在于其浮游相对物中的独特的生存机制。微生物粘附促进细胞外基体聚合物的生成通常认为是生物膜形成的第一步骤，所述细胞外基体聚合物由于其糊状感觉和外观，通俗地被称为“粘性物”。该基体还增强粘附性，提供对固着微生物种群的保护，并且有利于附加微生物对生物膜群落的补充和生长。

随着生物膜成熟，连续的微生物层叠加在彼此的顶部上，从而形成多层微生物体系。生物膜可包括大量不同微生物类型或可包括特定微生物作为占主要地位的微生物。生物膜还通常包括嵌入生物膜基体中的各种非生物物质(例如，锈、灰尘)。存在于工业和家庭环境中的常见生物膜包括由选自下列的生物体移植的那些：细菌属假单胞菌属、葡萄球菌属、气单胞菌属和克雷伯氏菌属、肠杆菌科(包括，例如大肠杆菌)、和真菌属曲霉属、青霉属、毁丝霉属、腐质霉属、耙菌属、镰刀菌属、葡萄穗霉属、帚霉属、毛壳菌属、疣孢霉、轮枝菌属、漆斑菌属、丝葚霉属、粘帚霉属、头孢霉属、支顶头孢菌、以及它们的组合。

生物膜是非常复杂的微生物生态系统。当移植成生物膜时，微生物的行为、结构和生理显著改变，从而导致自由漂浮的浮游形式所不具有的多种潜在优点。这些优点可包括但不限于，有益基因的增加的表达、菌落形态的表型改变、通过质粒转移采集抗微生物抗性基因、对营养物质的增加的获取、以及细胞之间的更紧密靠近从而有助于共生或协同作用和保护。

因为它们的增强的存活机制，生物膜可快速响应并适应于改变内部和外部条件，从而使得它们的移除和抑制尤其困难。生物膜结构和生物膜内的微生物的生理属性还提供对抗微生物剂(例如，抗生素、消毒剂、杀菌剂、抗真菌剂)的固有耐受性。当经由传统方法，诸如通过用工业清洁器和/或消毒剂剧烈机械刮擦从表面移除生物膜时，在代谢上装备成在尤其恶劣环境中生存的一些“保留”细胞仍然通常残留在表面上。这些保留细胞“再种植”表面，从而触发生物膜再生。生物膜移除和再生的重复循环通常通过逐渐增加的稳健的微生物而导致逐渐增加的入侵性重新移植。

因此，生物膜控制尤其困难。为了有效，清洁组合物必须足够强不仅杀死存在的多种强健的微生物，而且有效地到达生物膜下面的表面，使得生物膜材料与表面完全脱离并且可因此从系统中移除(例如刷洗)。这要求清洁组合物能够渗透并破坏生物膜基体。

虽然不受理论的限制，但据信本发明的清洁组合物能够有效地透过生物膜层(包括基体)，并且成功到达下面的表面以破坏生物膜的附接位点。

本发明提供浓缩的强碱溶液，其具有与传统工业溶剂的动态表面张力曲线类似的动态表面张力曲线。因为其超低表面张力，该“强碱溶剂”比传统强碱溶液所进行的更好地润湿、渗透并浸入疏水性基底(诸如生物膜基体材料)中。

如科学家通常已知的，水是非常有趣的材料，其不总是如其它液体所观测的那样，遵循期望的行为模式。它表现出独特的行为，如从固态转变成液态时密度增加。另一种有趣的行为涉及在不同情况下形成具有不同尺寸的水分子团簇。例如，对于高浓度强碱溶液，形成具有不同构形的水分子团簇。据信，在水分子团簇存在下的形成影响了不同表面活性剂的性能。

浓缩的强碱溶液具有与稀释的水性溶液显著不同的结构和表面张力。不受理论的限制，该创新涉及理解高浓度强碱溶液在水分子团簇存在下的结构，如H₇O₄^-(3H₂O·OH^-)和H₉O₅^-(4H₂O·OH^-)的加合物。申请人令人惊奇地发现，此类体系的有效表面活性剂将不同于低浓度强碱含水体系中所用的那些。

在非常高的苛性溶液浓度下，存在于所述溶液中的水由于水主要以水分子团簇形式存在，而不表现为传统的水性溶剂。这提供存在极少游离水的高水分子团簇溶剂体系。

当加入离子化合物如碱性氢氧化物或盐时，在部分解离的阳离子和阴离子成员周围形成初级水分子团簇。在阴离子部分周围形成初级水分子团簇的水分子形成具有部分负电荷的水分子团簇，初级δ-水分子团簇。在互补的过程中，初级δ+水分子团簇在水分子靠近阳离子成员处形成。初级δ+水分子团簇具有部分正电荷。δ-和δ+初级水分子团簇由于相反的部分电荷而彼此缔合作为近邻。

包含初级水分子团簇的水分子的数目取决于溶液内离子化合物和离子化合物特定组分的摩尔浓度。还注意到，这些因素影响与初级水分子团簇缔合的相邻吸引的羟基离子的数目。

例如，不受理论的束缚，假设对于1M KOH，包含与OH-羟基缔合的初级δ-水分子团簇的水分子的数目在概率上包括多组四个水分子，可能具有以一定距离与其缔合的额外氢氧根或水分子。同时，包含与K+阳离子物质缔合的初级δ+水分子团簇的水分子的数目在概率上包括多组七个水分子，可能具有以一定距离与其缔合的额外一个或两个氢氧根或水分子。由于存在大量可得水分子，在初级水分子团簇周围形成次级水分子团簇外壳。对于1M的OH-和K+物质，它们的次级外壳涉及更多数目的水分子。那些分子不像初级水分子团簇的水分子那样紧密结合。这仍保留在任何给定时间不与水分子团簇缔合，从而在周围自由移动的额外水分子。具体地，对于1M KOH，每个KOH分子存在多个具有该自由移动状态的水分子。这是传统表面活性剂无法降低表面张力，从而不再起作用的情况。

随着KOH溶液摩尔浓度提高，水分子的数目减少。起初，水分子将持续迁移至部分带电的初级水分子团簇。这些团簇与K+和OH-离子更紧密缔合。如果存在足够的水分子，则形成至少部分次级外壳。随着KOH摩尔浓度增加，自由水分子的数目降至其中没有足够的水可供形成完整次级外壳，并且微乎其微的水(如果有的话)可供自由移动的点。在该情况下，传统表面活性剂物质不再起作用，因为它们不再降低表面张力。申请人认识到，在这种环境下需要不同类型的表面活性剂起作用，并且研发了本发明作为该问题的解决方法。

为降低水分子团簇占主导的溶液的表面张力(如由高摩尔浓度的离子化合物加合所产生的)，已发现可使用缺电子中心或富电子中心分子中的一者或两者。前者可与δ-水分子团簇缔合以提供表面张力下降，而后者可与δ+水分子团簇缔合以提供表面张力下降。

申请人发现，在高浓度强碱溶液中，有效的表面活性剂具有路易斯酸头部官能团，和短于常规表面活性剂的尾部(例如C_4-10相对于常规C_12-18表面活性剂尾部)。如本文示例所展示的，这些解决方法在使用高度浓缩的强碱的多个领域中具有优异的功效。

虽然不受理论的限制，但是据信在4至5M KOH范围内达到拐点，据信这示意水的结构显著变化。其它强碱溶液也将表现出拐点范围，所述范围取决于存在的具体强碱。如本文所用，拐点为强碱表面活性剂组合物的表面张力比51ms时起始强碱组合物表面张力低40mN(毫牛顿)时的点。测定51ms处的表面张力，因为该时点处的测量与组合物的清洁能力密切相关。

申请人已发现，水分子团簇占主导的环境中有效动态表面张力下降的重要特征为较短的尾部长度。例如，用于非水分子团簇占主导的水性溶液中的许多传统表面活性剂具有包含表面活性剂尾部如C₁₂或C₁₄尾部的碳链，所述碳链具有中等至较长的碳数。在具有足够数目的可得游离水分子的水性溶液中，疏水性长尾部可使它们自身充分定位在水分子之间，使得斥力不过度过量，并且驱使表面活性剂析出溶液，或造成其它不可取的效应。但是在周围几乎没有或没有游离水的水分子团簇占主导的溶液中，表面活性剂尾部必须用于使它们自身围绕具有部分电荷的较大水分子团簇定位。这是较高斥力环境，使得传统碳尾部长度不导致表面张力下降。然而已发现，采用较短链长(从而具有较低斥力)的本发明表面活性剂致使动态表面张力效应降低。

水性溶液接触固体或液体的能力以及在表面上铺展的能力(通常称为润湿能力)通常是尤其用于硬质表面清洁的强碱清洁溶液的重要特性。高浓度强碱溶液的表面张力下降可促进接触改善。已令人惊奇地发现，通过使用具有这些非常特定属性的表面活性剂，可使高度浓缩的强碱溶液的表面张力下降低于通常认为可能的那些。这改善了强碱与预期目标固体或液体溶液的接触，从而促进强碱功效。接触改善可以多种可用方式表现，如改善接触、渗透、铺展、透过或扩散到固体或液体之中或之内。

虽然不受理论的束缚，据信表面活性剂使得强碱行进通过生物膜表面的小裂纹，从而使其与生物膜所附接的下方表面接触。这使得细胞外多糖基体更容易分解基体，并且随后使微生物膜溶剂化，使其成为溶液，其中其可容易地从体系中刷洗。该苛性碱溶液既移除生物膜也破坏其中包含的微生物。在细胞外多糖基体已分解成未结合聚合物、悬浮和/或溶剂化之后，破坏生物膜微生物可更有效地实现。

B.方法

本发明提供用于处理受生物膜影响的表面的方法。在一个方面，所述方法包括使受影响的表面与清洁组合物接触的步骤，所述清洁组合物包含含水强碱表面活性剂组合物，或在一些情况下，基本上由该含水强碱表面活性剂组合物组成，所述含水强碱表面活性剂组合物具有2至9的氢氧化物摩尔浓度，并且包含：(a)强碱；以及(b)表面活性剂，其具有末端定位在包含4至10个碳原子(例如脂族)的直链或支链脂族或芳基烃链中的路易斯酸头部基团。如本文所用，“处理”是指从受影响的表面中移除生物膜的至少一部分，或者预防性地抑制生物膜形成、生长或再生。

如本文所用，“受影响的表面”是指表面至少部分地被生物膜覆盖或是容易在其上形成生物膜的表面(例如在生物膜在过去已经形成的含水或潮湿环境中存在)或者其中期望抑制生物膜的表面(例如，在含水或潮湿环境中存在)。“移除”可包括移除生物膜的全部或一部分，以及通过连续移除生物体的层而减小生物膜的厚度，从而暴露下面的一个或多个附加生物膜层。一旦从受影响的表面移除，就可冲掉、刷洗或以其它方式从受影响的环境(例如，水体系)中传输脱离的生物膜物质。

在另一个方面，本发明可用于抑制生物膜在表面，尤其是在容易形成生物膜的表面上积聚。如本文所用，“抑制”是指预防性地抑制生物膜在表面上形成或重新形成。抑制可包括永久性或暂时停止生物膜形成，以及阻止或减缓生长。

典型的表面可选自下列的那些：金属、不锈钢、塑料、陶瓷、瓷、橡胶、木材、混凝土、水泥、岩石、大理石、石膏和玻璃。

处理生物膜的方法可涉及一种或多种处理。例如，可处理表面以用于生物膜移除并随后经历一种或多种优先处理以在稍后的时间抑制生物膜再生。另外，处理和抑制的方法可同时进行，在从移植区移除生物膜和生物膜在非移植表面上生长(或在新清洁的表面上再生)作为同一步骤的部分出现的情况下。

组合物可通过任何合适的方法，诸如灌洗(例如，利用重复注入溶液洗涤)、雾化、喷雾、稀释、拖洗、倾倒、浸渍、浸泡、以及它们的组合来接触受影响的表面。接触之后可进行从体系中移除脱离的碎片。移除碎片可例如利用清洁液体诸如水，通过任何合适的方法来实现，所述方法包括刷洗、冲洗、引流、灌洗、雾化、喷雾、拖洗、擦洗、冲洗、浸渍以及它们的组合。

受影响的表面可包括存在于各种体系中的那些，诸如工业、海洋和家庭环境的那些。工业体系可包括以下那些，如：冷却水体系、换热器、纸浆和造纸、食品处理体系、金属加工、光学处理、反渗透膜、水处理、流动通道、涡轮、太阳能电池板、压水反应器、注射和喷雾喷嘴、蒸汽发生器、工艺设备、二次采油注水井、和管道(例如饮用水)。海洋体系可包括管线(例如近海石油和天然气工业的管线)、近海石油钻机、和船体。家庭体系包括存在于游泳池、盥洗室、家庭排水管的那些表面，和其它家庭表面如切割表面、水槽、台面、淋浴和浴缸表面、花瓶、宠物食物或水盆、装饰性水造景(例如喷泉、池塘)、和鸟槽。

在任何特定情况下，有效处理和/或抑制生物膜所需要的强碱表面活性剂清洁组合物的浓度和量将取决于以下因素，诸如所用的具体强碱表面活性剂、生物膜污染的程度、期望的处理水平、待处理的表面类型(例如家庭、各种工业环境)、清洁组合物将与受影响表面接触的时间长度，其全部可由本领域技术人员根据本公开来确定。因此，可认为任何给定表面所需的强碱表面活性剂的量将是“有效量”。如本文所用，“有效量”是对特定条件组达到期望处理程度所需的强碱表面活性剂清洁溶液的量(即浓度、数量)。

IV.清洁组合物形式

清洁组合物可为任何适宜的形式。例如，产品形式可包括以下那些，如液体、凝胶、糊剂、和悬浮液、以及浓缩物。可用小剂量体积(例如供家庭使用)至大剂量体积(例如供工业清洁)范围内的多种容器、器具、槽罐或包装，容纳和调配产品或其浓缩物(例如分配和沉积在表面上)，其中所述容器可以是可重复使用的(例如工厂用槽罐)至一次性的(例如小瓶或袋)。所述容器可容纳足够供单次使用事件或供多次使用的产品。所述清洁组合物可为全配制易用产品，或可需要在使用前配制。例如，所述组合物可为包含组合物成分和制备说明书的套盒形式，或可为浓缩物，以在容器之内或之外稀释。

清洁组合物可任选地包含任何合适的助剂成分，诸如本领域已知的用于此类清洁组合物的那些。例如，助剂可包括但不限于着色剂和芳香剂。

分析方法

动态表面张力

液体的动态表面张力可使用张力计来测定。所述张力计可根据泡点压力法测定液体的动态表面张力。泡点压力法包括将气体如空气注入到待分析的液体中。气体通过浸于液体内的毛细管进入液体中。记录若干气体流量下气体与液体之间的压差。每个流量下形成气泡所需压差经由Young-Laplace公式与液体表面张力成比例，如下所示：

其中Δp为气泡内部压力与液体内气泡外部压力之间的压差，以牛顿每平方米(N/m²)为单位；d为毛细管直径，以米(m)为单位；并且σ为液体表面张力，以牛顿每米(N/m)为单位。对每个流量使用Young-Laplace公式，计算每个气体流量下液体的动态表面张力。气泡寿命等于每个气泡形成之间经过的时间，并且记录每个流量下的气泡寿命。将所计算的动态表面张力值对气泡寿命作图。

测定液体的动态表面张力的方法可一般包括以下步骤：(1)校准张力计；(2)清洁张力计的毛细管；以及(3)用张力计测定液体的动态表面张力和气泡寿命。用张力计测定液体的动态表面张力的方法一般可依照例如美国材料与试验协会标准ASTM D3825-09。

可使用购自SITA Messetechnik GmbH(Dresden，Germany)的SITA science line t60张力计，测定液体如电解质溶液的动态表面张力。可根据SITA Messetechnik说明书，用校准模式的张力计校准t60张力计。参见SITA science line t60手册第4页第12.1段。通过将张力计的毛细管顶端放入到保留于玻璃容器如50mL烧杯中的约25mL去离子(DI)水中，完成校准。毛细管顶端应延伸到溶液中，达到制造商所推荐的深度，所述深度由张力计温度探头上的标记示出。DI水的温度应介于约20℃和约30℃之间。

然后可根据SITA Messetechnik说明书，用清洁模式的张力计，将t60张力计清洁。参见Id.第20页第12.4段。可首先用DI水冲洗毛细管。通过将张力计的毛细管顶端放入到保留于玻璃容器如50mL烧杯中的约25mL去离子(DI)水中，完成清洁。毛细管顶端应延伸到溶液中，达到制造商所推荐的深度，所述深度由张力计温度探头上的标记示出。DI水的温度应介于约20℃和约30℃之间。使空气通过张力计的毛细管快速鼓泡约两(2)分钟。

然后可使用t60张力计获得待分析液体溶液的动态表面张力。可根据SITA Messetechnik说明书，用自动测量模式的张力计获得数据。参见Id.第18页第12.3段。通过将张力计的毛细管顶端放入到保留于玻璃容器如50mL烧杯中的约25mL液体溶液中，完成自动测量。毛细管顶端应延伸到溶液中，达到制造商所推荐的深度，所述深度由张力计温度探头上的标记示出。待分析溶液的温度应介于约20℃和约30℃之间。自动测量可涵盖约三十毫秒(“ms”)至约十秒(“s”)的泡沫寿命范围。然后可记录泡沫寿命范围内的待分析的液体溶液的动态表面张力。就本发明的目的而言，在约25℃温度下，在51ms泡沫寿命下测定动态表面张力。

除非明确或通过上下文另外指明，如本文所用的术语“表面张力”是指动态表面张力。

实施例

实施例1

如表1中所示，配制不同摩尔浓度(M)的KOH水性溶液。根据本文所述分析方法，测定每种溶液的动态表面张力(51ms处)。将KOH浓度对所测表面张力绘图(图1)，示出含水强碱溶液的表面张力趋于随着强碱浓度的增加而增加。

表1–KOH表面张力@51ms

实施例2

如下表2和3中所示，配制包含各种浓度的KOH和1.5％丁基硼酸(C₄)或1.5％Amphoteric-16表面活性剂(C₁₆)中一种的含水强碱表面活性剂组合物。根据本文所述分析方法，测定每种溶液的动态表面张力(51ms处)。将KOH浓度对表面张力绘图，如图2。

表2

表3

实施例3

将来自同一同源系列(即，除了尾部长度之外的相同化学结构)的三种不同的N,N’-二甲基氧化胺表面活性剂用于制备含水强碱表面活性剂组合物，所述含水强碱表面活性剂组合物具有2500ppm表面活性剂和各种浓度的KOH，如下表4、5和6所示。KOH浓度对各种强碱表面活性剂组合物的动态表面张力(在51ms时)作图，如图3所示。如该图中所示，较短尾部的C₈N,N’-二甲基氧化胺表面活性剂在稀浓度KOH(<1.5-2.0M)下不提供或提供很少的表面张力减小，然而，较长的C₁₄和C₁₂尾部确实提供一些表面张力减小。然而，随着KOH浓度增加，C_14/12尾部N,N’-二甲基氧化胺表面活性剂的表面张力增加，然而较短链C₈提供显著的表面张力减小。另外值得注意的是，C₁₂和C₁₄在大于5M的KOH溶液中不溶解，然而C₈不具有此类限制。

表4：

表5：

表6：

实施例4–强碱表面活性剂清洁组合物制备

由45％KOH_(aq)(11.63M)原液配制四种独立浓度的KOH；1M、3M、5M和8.7M。1M KOH(3.86％)：向100mL容量瓶中加入15mL去离子水，然后缓慢加入8.60mL 45％KOH原液。向该均一溶液中，加入1.66克(9.60mmol)的N,N-二甲基-N-辛基氧化胺和0.33克(3.24mmol)丁基硼酸。将所得溶液稀释至100mL。

实施例5

陶瓷的宠物饮水碗在其内部表面上涂覆有糊状生物膜。在典型的家庭洗碗机中洗涤盘子并且在取出时看起来是干净的。数天后，生物膜重新出现在碗内部并且在洗碗机中再次洗涤该碗。所述盘在取出时看起来是干净的。将碗浸入在实施例4的清洁组合物中并浸泡30分钟。将清洁组合物从碗完全冲洗掉，然后在洗碗机中再次洗涤所述碗。一周之后，生物膜未再次出现。用实施例1的组合物定期处理碗以抑制生物膜再生。

实施例6

生物膜样品得自造纸厂水体系。从样品中识别的细菌物种包括铜绿假单胞菌、产酸克雷伯氏菌、和阴沟肠杆菌。这些生物体生成各种粘性附着膜的能力是已知的，这些粘性附着膜非常难以使用常规清洁方法渗透。排干水体系，并且然后用实施例4的组合物填充。8小时之后，排干体系，并且然后用水刷洗。水体系中不残留生物膜。

本文所公开的量纲和值不应理解为严格限于所引用的精确数值。相反，除非另外指明，否则每个这样的量纲旨在表示所述值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。

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虽然已经举例说明和描述了本发明的具体实施方案，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明实质和范围的情况下可作出多个其他改变和修改。因此，本文旨在于所附权利要求中涵盖属于本发明范围内的所有这些改变和变型。