专利名称：除去生物膜的方法
现有技术本申请要求2002年12月20日提交的美国临时申请序列号60/435,680的优先权，在此将其并入本文以供参考。
背景技术：
生物膜可被定义为微生物在表面上的絮凝块不良积聚。估计全球99％的细菌生活在生物膜中。生物膜由固定在基底内的细胞构成，所述基底通常被包埋在作为微生物来源的有机聚合基质中，这限制了物质的扩散以及与抗微生物制剂的结合。在流动的水环境中，生物膜由包裹微生物的具有粘性和吸收性的多糖基质构成。生物膜中的细菌在形态和代谢上不同于自由漂浮的细菌。它们的结构著称具有特征并可使该生物膜与常规浮游生物相区别。
生物膜在工业上造成了从腐蚀水管到使计算机芯片发生故障等问题。任何浸泡在水环境中的人造装置都可能产生微生物生物膜寄居。例如，生物膜可出现在船底、工业管道、家用排水管和人造髋关节表面。对于工业制造商，生物膜集落代表系统中存在微生物种植源并有可能造成堵塞问题。在水处理设备中，产生悬浮的生物膜将产生大量生物淤泥，这种淤泥很难处理并且很难在净化过程中压缩。非丝状或丝状生物膜的块都很常见，絮状物中充满大量细菌。除了会造成污染，生物膜还对人有不良影响，包括改变他们对抗生素的抗性并影响免疫系统。因此，该领域需要开发除去生物膜的有效方法。
生物膜的动力学特性使我们难以衡量和监控生物污垢。生物膜常包括包埋的无机颗粒，如沉淀、鳞片状沉淀和腐蚀沉积物。此外，生物膜在厚度、表面分布、微生物种群和化学组成、以及对水温、水化学物质和表面状况等环境因素变化的反应上不断变化。因此，生物膜的复杂性降低了处理和去除生物膜方法的有效性。
即便工业系统中大多数微生物与生物膜有关，但在历史上人们对它的关注少于对浮游微生物的关注。然而，已显示各种杀微生物剂对生物膜处理的效力低于同种生物的分散细胞。用于控制生物膜的最常用杀微生物剂是纯化的游离卤素供体，如NaOCl和NaOCl/NaOBr。然而，这些物质只有大量使用才有效。此外，最近一些评价卤素对生物膜效力的研究显示，附着的细菌对游离氯消毒作用抵抗力提高。采用通常能有效处理浮游微生物浓度的游离氯处理，对附着细菌的数量或其代谢活性几乎没有效果。该研究治疗表面，游离氯渗入生物膜是主要的限速因素，增加其浓度不会提高杀生物效力。Griebe，T.，Chen，C.I..，Srinavasan，R.，Stewart P.，“用单氯胺和游离氯消毒生物膜的分析”(Analysis of Biofilm Disinfection ByMonochloramine and Free Chlorine)，工业水系统中的生物污垢和生物侵蚀(Biofouling and Biocorrosioh In Industrial Water Systems)(由G.Geesey，Z.Lewandowski和H-C.Flemming编辑)，pp.151-161，Lewis Publishers(1994)。
使用溴氯二甲基乙内酰脲(BCDMH)可克服纯游离卤素供体的过度反应性。M.Ludyansky和F.Himpler发表的题为″卤化乙内酰脲对生物膜的作用″(The Effectof Halogenated Hydantions on Biofilms)，NACE，Paper 405(1997)，的研究证实了它们对生物膜的功效高于纯游离卤素供体。然而，尽管有效，当其用于生物膜时，它们仍不是有效的卤素来源。
其它学者尝试采用一种添加了佐剂的氧化卤素来抑制含水系统中生物膜的生长。Gannon等的美国专利No.4,976,874，纳入本文供参考，揭示了用氧化卤素与非氧化性季铵卤化物组合的控制生物污垢的方法和制剂。然而，该方法会引发环境问题。
因此，控制水系统中的生物膜通常包括在大量水流中加入氧化性和非氧化性杀微生物剂。然而，由于在具体应用中接触各种物理和化学条件时杀微生物剂的浓度随着它们到达生物膜的时间延长而明显降低，它们的效力迅速降低，因此需要大量这些昂贵的化学物质。
发明概述本发明涉及分解含水介质中存在的生物膜并控制生物膜形成而产生的气味的方法。所述方法包括在含水介质中加入一种或多种氯化乙内酰脲，尤其是单氯二甲基乙内酰脲(MCDMH)或二氯二甲基乙内酰脲(DCDMH)。特别重要的是，由于卤素稳定的活性氯溶液具有突出的光稳定性，所以氯化乙内酰脲对生物膜的活性在阳光存在时不会降低。含水介质中氯化乙内酰脲的浓度通常维持在约0.01-100ppm(以Cl2表示)以抑制生物膜。
当浓缩时，氯化乙内酰脲的浓度范围通常为总重量的约0.1-100％。
本发明可应用于几乎所有的含有或可能含有生物膜的含水系统。它们可以是冷却水；制浆或造纸系统，漂白水处理，包括那些含有大量活性淤泥的水处理；和空气洗涤器系统；以及农业灌溉和排水系统；食品制造或清洁系统；酿酒厂；乳制品和肉制品加工系统；以及油工业系统。含水系统还包括饮用水系统；以及娱乐用水系统，如游泳池和温泉；生活用水相关系统包括抽水马桶、排水管、下水道、淋浴设备、浴缸和水槽；以及“公共用水相关”系统、医院系统、牙科用水系统和任何医疗装置与含水介质相接触的系统；装饰喷泉、鱼缸、渔场、水产养殖、以及其它会遇到生物膜生长的系统。生物膜中可包含不同形式和种类的病原微生物，例如嗜肺军团菌(Legionella pneuynophila)，它们附着或不附着于表面，比如块状、漂浮物状或粘液状。
附图简述
图1说明了NaOCl对与生物膜的形成和积累相关的热传递抗性(HTR)和含水系统中溶解氧(DO)水平的作用。
图2说明了NaOBr对热传递抗性(HTR)和含水系统中溶解氧(DO)水平的作用。
图3说明了BCDMH/MEH对热传递抗性(HTR)和含水系统中溶解氧(DO)水平的作用。
图4说明了MCDMH对热传递抗性(HTR)和含水系统中溶解氧(DO)水平的作用。
图5说明了DCDMH对热传递抗性(HTR)和含水系统中溶解氧(DO)水平的作用。
发明详述去除和分解生物膜的程度和方法当然需要随要解决的问题而不同。这些问题的多样性性质和生物膜生长的多样性环境需要有不同的除去生物膜的方法和策略。对于已经建立的生物膜，通常需要将其除去而不是仅仅灭菌和留在原处。此外，杀死形成生物膜的细胞并防止它们向其它地方扩散可能是重要的。因此，对于本发明的目的，术语“分解”生物膜包括除去和破坏已有的生物膜以及防止生物膜微生物在经过处理的系统中重新生长。这是比“控制生物膜”更加困难的任务，包括防止清洁的系统中长出生物膜以及防止在已经形成生物膜的经处理系统中继续生长。
术语″氯化乙内酰脲″指纯化合物形式的乙内酰脲，如单氯二甲基乙内酰脲或乙内酰脲类的混合物，即单氯二甲基乙内酰脲和二氯二甲基乙内酰脲的混合物，或卤化程度在0.1-2.0之间的乙内酰脲类混合物。
氯化乙内酰脲的烷基部分可以相同或不同，优选烷基部分含有1-6个碳原子。
优选的氯化乙内酰脲包括但不限于二氯-5，5-二甲基乙内酰脲(DCDMH)、单氯-5，5-二甲基乙内酰脲(MCDMH)、二氯-5-甲基-5-乙基乙内酰脲(DCMEH)、单氯-5-甲基-5-乙基乙内酰脲(MCMEH)以及它们的组合物。所述氯化乙内酰脲可以是固体、液体、浆液或凝胶形式。术语″固体″包括粉末、颗粒、片、块和浆。
氯化乙内酰脲浓缩物的活性成分浓度高于典型的生物膜控制浓缩物。例如，以浓缩物的总重量为100％计，氯化乙内酰脲的固体浓缩物通常含有70％重量的活性成分(表示为Cl2)。相反，以浓缩物的总重量为100％计，次氯酸钠的液体浓缩物通常仅含有12％重量的活性成分。此外，不同于大多数目前销售的漂白产品，本发明的氯化乙内酰脲是稳定的。
尽管上面的讨论涉及用氯化乙内酰脲处理含有生物膜的含水系统，还可以考虑在干生物膜或非含水介质中的生物膜与固体或颗粒状卤化的乙内酰脲接触后形成的含水系统。此时，可通过在两种固体或无水物质中加入水或水蒸气来形成此含水系统。
加入含水介质的氯化乙内酰脲的量应足以分解生物膜。此量通常约0.01-100ppm(以Cl2表示)，优选约0.05-25ppm(以Cl2表示)。
除了在含水系统中加入预先形成的卤化乙内酰脲外，可能需要在原位形成卤化乙内酰脲。这可通过在含有生物膜的含水系统中分别加入适当摩尔比的乙内酰脲和卤化剂。例如，可加入一种碱金属次氯酸盐(例如NaOCl)或氯气或其它活性氯源和二甲基乙内酰脲，其摩尔比足以原位形成所需量的卤代乙内酰脲。推而广之，氯(来自氯源)和烷基化乙内酰脲的摩尔比为1∶100-100∶1，优选1∶10-10∶1。
在一些系统如冷却水系统中，通常使用添加剂。在其它系统如游泳池中，可能还没有性能良好的添加剂。
性能添加剂(即能提高氯化乙内酰脲质量和效用的组合物)包括但不限于清洁剂、生物分散剂、溶解修饰剂、压缩辅助剂、填料、表面活性剂、染料、香料、分散剂、润滑剂、脱膜剂、洗涤剂、缓蚀剂、螯合剂、稳定剂、溴源和污垢控制剂。一个重要的要求是，添加物质应与氯化乙内酰脲组合物相容。
可加入上述氯化乙内酰脲中的溶解修饰剂包括，例如，碳酸氢钠、氢氧化铝、氧化镁、氢氧化钡和碳酸钠。参见美国专利No.4,537,697。可用于该组合物的溶解修饰剂的量为0.01％-50％重量。
压缩辅助剂的例子包括锂、钠、钾、镁和钙阳离子的碳酸盐、碳酸氢盐、硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐、过碳酸盐和过磷酸盐。参见美国专利No.4,677,130。可用于该组合物的压缩辅助剂的量为0.01％-50％重量。
可加入氯化乙内酰脲的填料包括，例如，无机盐，如锂、钠、钾、镁和钙阳离子的硫酸盐和氯化物，以及其它无机物，例如粘土和沸石。用于该组合物以降低生产成本的填料的添加量为0.01％-50％重量。
生物分散剂可增强氯化乙内酰脲作为生物膜控制剂的效力并帮助维持含有水性介质容器的表面清洁。它们通常是表面活性剂，且优选对微生物和生物膜没有杀生物作用的表面活性剂。生物分散剂的例子包括Aerosol OTB(丁二酸二辛酯磺酸钠)，丁二酸月桂酯磺酸二钠、醋酸月桂酯磺酸钠、以及其它磺酸盐。表面活性剂用于该组合物中可增强其清洁性能，其添加量为0.01％-20％重量。通常，以混合物总重量为100％计，这种混合物含有约80％-99.99％重量的氯化乙内酰脲和约0.01％-20％重量的生物分散剂；优选含有约90-99.99％重量的氯化乙内酰脲和约0.01％-10％重量的生物分散剂。
可用美国专利No.4,560,766、Petterson，R.C.和Grzeskowiak，V.，J.Org.Chem.，24，1414(1959)以及Corral，R.A.和Orazi，O.O.，J.Org.Chem.，28，1100(1963)所述的方法，制备所需摩尔比的所需非氯化乙内酰脲的水溶液，这些文献都并入本文供参考。
实施例1生物膜抑制对照功效以测试烧瓶中生物膜干重相比未处理对照的减少来估计含有分散剂的杀微生物剂的效力。用M.，Colby，S.，评价杀生物制剂对生物膜的效力的实验室方法(ALaboratory Method for Evaluating Biocidal Efficacy on Biofilms)，CoolingTower Institute，Paper TP96-07(1996)中所述方法，通过重量分析测定生物膜的发展。
在此试验中使用了有鞘的浮游球衣菌(Sphaerotilus natans)(ATCC 15291)，已知该菌对任何化学方法控制的抵抗力都非常强，并在各种应用中被发现(冷却水系统、造纸用水和污水处理过程)有这种情况。
细菌在5％的CGY培养基中25-30℃下培养，该培养基每升DI水含有5g酪胨(Difco)，10g甘油和1g酵母自身裂解产物(Difco)。每毫升接种物含有约106细胞。在8盎司的烧瓶中加入150ml 5％的CGY培养基和1ml浮游球衣菌(Sphaerotilusnatans)接种物。在烧瓶中加入待测杀微生物剂，即NaOCl、NaOBr、MCDMH。另一烧瓶不含杀微生物剂作为对照。将培养烧瓶置于摇床上，在22-30℃以100-200rpm振荡48-72小时。105℃下干燥内容物5小时并冷却过夜。含有干燥生物块的烧瓶的重量和烧瓶自身重量之间的差异代表干燥生物膜的质量。
根据以下公式计算防止生物膜的效力，表示为基于未处理对照烧瓶和经处理的烧瓶中干燥生物膜平均重量之差的生长变化百分比E％＝(B对照 平均-B平均)/B对照 平均×100其中，E％＝生物膜生长减少的百分比，B＝生物膜重量，B对照＝对照烧瓶中的生物膜重量。
该实施方案的结果，包括杀微生物剂的浓度，列在表1中。
表1
结果显示，氯化乙内酰脲(MCDMH)是优于游离卤素供体(NaOCl或NaOBr)的生物膜抑制剂。
实施例2生物膜去除对照功效浮游球衣菌(Sphaerotilus natans)(ATCC 15291)，如实施例1所述，用于下述试验。
生物膜测试系统采用测定氯化杀微生物剂功效的在线测试系统，来提供监测和衡量生物膜的实时非破坏性方法。该系统可监测与生物膜形成和积累相关的热传递抗性(HTR)，以及与生物膜活性变化有关的水中溶解氧(DO)水平。该系统的设计、参数和生长条件见Ludensky，M.，″在生物膜上测定杀微生物剂的自动系统(An Automated System forBiocide Testing on Biofilms)″Journal of Industrial Microbiology andBiotechnology，20∶109-115(1998)。
该系统由一个连续流动的热交换环、一台生物生长反应器(恒化器)和培养箱、生物膜测量装置以及环境对照构成。所有的系统参数，包括水流、温度、稀释率和营养素浓度，均已优化以使生物膜快速、大量且可重现地生长。该系统提供循环水(make-up water)并维持恒定的氧饱和度(通过连续喷射空气)、温度和pH条件。因此，循环水的溶解氧浓度或pH水平的任何变化被认为是由于生物膜活动造成的。所有监测和控制参数在数据获取系统中计算，该系统由用户设计的计算机软件程序控制。每15秒收集一次数据，在扩散表格中每3-60分钟计算平均值并记录，供随后进行图解分析。设计程序以使该系统能够在恒定条件下连续工作数周。通过分析并比较HTR和溶解氧相应曲线的形状和测量值，进行杀微生物剂功效测定。分析包括考虑杀微生物剂处理相对应的曲线模式，以及生物膜的再现(再生长)。
生长条件选择有鞘的浮游球衣菌(Sphaerotilus natans)(ATCC 15291)来进行生物膜生长试验，已知该菌可在冷却水系统和造纸机的热交换器表面形成顽固的生物膜。将接种物泵入微生物生长反应器并使其在室温下放置过夜。第二天，加入循环水和营养素(CGY培养基)。根据以前的试验、实验室条件限制、该系统组件的几何尺寸和促进生物膜生长的需要，选择该系统的起始生长条件和参数。将培养基浓度降低至5％以下并维持稀释率高于最大比率，可将浮游生长的生长条件转变为附着丝状生长的生长条件。试验条件列在表2中。
表2生物膜系统在线测试条件
通过分析代表生物膜对杀生物处理的反应的HTR和溶解氧曲线形状来确定待测溶液的杀生物功效。
处理过程在处理过程中，该系统连续加入营养素和循环水(含恒定的化学物质、氧气和温度)。测定了三种处理模式，分别称为分段(slug)、分段+连续、和连续。
分段处理通过在恒化器中加入预先计算量(每升系统循环水的体积)的制备贮液进行。在分段+连续模式中，杀微生物剂处理通过注入最初的分段剂量以克服卤素要求，然后根据循环水速度以恒定的浓度连续处理3小时进行。
杀微生物剂的制备和监测制备五种杀微生物剂NaOCl、NaOBr、MCDMH、BCDMH/MEH和DCDMH作为1000ppm的新鲜Cl2主溶液(master solution)。通过测量游离卤素和总残留卤素来计算所有杀微生物剂的处理浓度，测量在处理前立即进行，采用DPD Cl2试验测量。
连续3日对NaOCl、NaOBr、MCDMH、BCDMH/MEH和DCDMH进行升高的起始浓度(10、15和20ppm)的包括重复分段+连续处理的测试。该系统的传热率和溶解氧水平可自动监测，同时分析它们的动力学。根据所得参数可得出以下结论。NaOCl、NaOBr和BCDMH/MEH在任何测试浓度下都不能除去生物膜。在每次处理开始24小时后和在HTR值高于每次处理开始值时都观察到生物膜恢复，如图1、2和3所示。
对杀微生物剂处理时的溶解氧反应在DCDMH中最强，在NaOCl中最弱。通过曲线模式分析(图1-图5)，结论是用15ppm BCDMH/MEH或20ppm的NaOBr分段+连续处理可实现对生物膜再生长的控制，如图2和图3所示。然而，这些杀微生物剂都不能除去生物膜。
测试的氯化乙内酰脲MCDMH和DCDMH显示了独特的效果加入20ppm MCDMH或DCDMH后生物膜立即发生剥离。该试验的结果显示在图4和图5中。这一效果是任何其它氧化型杀微生物剂所不具备的。
下表小结了上述的观察
表3分段+连续处理
实施例3该实施例证明，与NaOCl相比，当待测溶液暴露于模拟阳光时MCDMH的光稳定性增强。
在温度为22℃、pH为7.8的自来水中加入NaOCl和MCDMH(浓度如下表4所示)来制备测试溶液。用能模拟地球表面阳光辐射的UVA-340荧光灯照射这些溶液。在测试样品上覆盖紫外光可通透的水晶板来防止蒸发。测定了作为时间函数的总卤素浓度。用一级动力学算法(first order kinetic algorithm)分析所产生的活性卤素衰减曲线并计算相应的活性卤素半衰期。结果显示在表4中。
如表4所示，MCDMH提供了明显优于NaOCl的光稳定性。观察到的MCDMH的活性卤素半衰期为108小时，而NaOCl仅为1.1小时。
表4MCDMH和NaOCl溶液的光解
这些数据清楚地显示MCDMH的活性在最初6.5小时几乎没有降低，且在研究期间保持了显著的活性，而NaOCl的活性在模拟阳光存在时明显降低。比较半衰期进一步显示氯化乙内酰脲的显著光稳定性。
实施例4将乙内酰脲与NaOCl混合同样可产生乙内酰脲稳定的活性氯溶液。如图2所示，DMH和NaOCl的混合物产生了甚至比氰尿酸(一种熟知的用于娱乐水市场的氯光稳定剂)的混合物还强的光稳定性。测试条件与实施例3的条件相同。
表5乙内酰脲和氰尿酸稳定的次氯酸盐溶液的光稳定性
表5数据显示，DMH显著增强了NaOCl的光稳定性，且该混合物的表现优于NaOCl和氰尿酸。观察到的NaOCl+DMH稳定化溶液的活性卤素半衰期为141小时，而氰尿酸稳定的NaOCl仅为17小时。
权利要求
1.一种分解含水系统的絮凝性膨松污泥或膨松生物活性污泥生物膜的方法，所述方法包括在含有生物膜—絮凝性膨松污泥或膨松生物活性污泥—的含水系统中加入或形成一种或多种氯化乙内酰脲，其量足以使所述含水介质中这种氯化乙内酰脲的浓度达到约0.01-100ppm(以Cl2表示)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氯化乙内酰脲是单氯二烷基乙内酰脲、二氯二烷基乙内酰脲或其混合物，其中的烷基含有1-6个碳原子。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氯化乙内酰脲是单氯二甲基乙内酰脲、二氯二甲基乙内酰脲或其混合物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氯化乙内酰脲作为溶液或含水浆液加入到含水介质中。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氯化乙内酰脲作为固体加入到含水介质中。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述经过处理的含水介质暴露于阳光。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氯化乙内酰脲是通过在含水系统中加入一种氯源的氯和一种烷基化乙内酰脲原位形成的，加入的氯与烷基化乙内酰脲摩尔比为1∶100-100∶1。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述氯与烷基化乙内酰脲的摩尔比为1∶10-10∶1。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含水介质含有附着于基材的生物膜。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氯化乙内酰脲和性能添加剂一起加入。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述性能添加剂是分散剂，生物分散剂、污垢控制剂、缓蚀剂、表面活性剂、杀微生物剂、清洁剂及它们的混合物。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含水系统是冷却水系统、制浆或造纸系统、空气洗涤器系统、农业灌溉和排水系统、食品制造或清洁系统、油工业系统、饮用水系统、生活用水相关系统或公共用水相关系统。
13.一种除去含水介质基材上生的物膜的方法，其特征在于，所述方法包括在所述含水介质中加入或形成单氯二甲基乙内酰脲、二氯二甲基乙内酰脲或其混合物，其量足以使这种氯化乙内酰脲的浓度达到约0.05-25ppm(以Cl2表示)。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述氯化乙内酰脲是通过在含水系统中加入一种氯源的氯和二甲基乙内酰脲原位形成的，加入的氯与二甲基乙内酰脲的摩尔比为1∶10-10∶1。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述氯源是次氯酸钠或氯气。
16.一种分解含水介质中的絮凝性膨松污泥或膨松生物活性污泥的方法，所述方法包括在所述含水介质中加入或形成单氯二甲基乙内酰脲、二氯二甲基乙内酰脲或其混合物，其量足以使这种氯化乙内酰脲的浓度达到约0.05-25ppm(以Cl2表示)。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述氯化乙内酰脲是通过在含水系统中加入一种氯源的氯和二甲基乙内酰脲原位形成的，加入的氯与二甲基乙内酰脲的摩尔比为1∶10-10∶1。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述氯源是次氯酸钠或氯气。
全文摘要
本发明提供了一种除去含水系统的絮凝性膨松污泥或膨松生物活性污泥生物膜的方法。所述方法包括在此含水系统中加入一种或多种氯化乙内酰脲，如二氯－或单氯二烷基乙内酰脲。或者，通过在该含水系统中加入一种氯源和一种烷基化乙内酰脲在原位形成氯化乙内酰脲。本发明特殊的优点在于所述氯化乙内酰脲溶液具有突出的光稳定性，即便暴露于阳光时也如此。
文档编号D21H21/04GK1714050SQ03825677
公开日2005年12月28日 申请日期2003年6月6日 优先权日2002年12月20日
发明者M·吕登斯基, P·G·斯威尼 申请人:隆萨股份有限公司