专利名称：避免和排除生物膜的方法和组合物的制作方法
技术领域：
本发明是涉及在水承载系统，特别在工业工艺过程的水系统中，应用至少一种酶组分和一种短链乙二醇组分，以便避免在水表面形成粘膜，并或者排除在其表面的生物膜，其中酶组分选自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一组酶。酶组分和乙二醇组分既可分别加到水承载系统的不同点，也可以酶和乙二醇的酶组合物形式加入。
工业工艺过程或运行水系统，例如造纸厂的开放或密闭水循环系统，特别是冷却水系统，提供微生物生长的合适条件，其结果粘膜，人所共知的生物膜，在水承载系统表面形成。特别在冷却水系统，这些生物膜的淤积导致热交换能力下降，损坏导管的连接点和腐蚀整个系统。在此情况下，对工艺过程控制的有害效应可能发生，它可能降低该工业工艺过程的效率或损害产品的质量。加上，生物膜或粘膜的淤积一般导致更高的能量消耗。
工业工艺过程受日益增长的生物膜影响最大的是象制浆厂、纸厂、纸板厂和纺织厂等。以造纸机为例，非常大量的水在称之为“白水系统”的循环系统中循环使用(一级或二级循环，即白水I或II)(按不同纸型，每吨纸要用高达大约100-1000m3的水)。含有分散的纸浆的白水成为微生物生长的理想培养介质。
生物膜淤积主要是由细菌组成，特别是格兰氏阴性细菌，例如假单胞菌、不动杆菌、需氧菌加产黄菌、脱硫弧菌、大肠杆菌、芽孢杆菌和八叠球菌。
格兰氏阴性菌的细胞壁结构是一个特别对粘膜形成有贡献的因素。细胞壁由肽聚糖组成，还外加一个外膜，肽聚糖由乙酰氨基糖和氨基酸组成，外膜由蛋白质、脂多糖和脂蛋白组成。反之，格兰氏阳性菌的细胞壁大多数是由肽聚糖和磷壁酸组成。
微生物也随着膜的组成的变化产生广泛的粘膜层或膜片。除少数例外，由细菌产生的粘膜，其组成是多糖，例如右旋糖酐、葡聚糖和多糖醛酸苷。由单一细菌产生的粘膜的体积可能是单个细菌体积的许多倍。
生物杀伤剂可以最有效地控制细菌粘膜的淤积，这些生物杀伤剂的效力在于能消灭运行水中的微生物，并因此而防止粘膜的生长。然而，生物杀伤剂引起了许多关于生态群落的疑虑，并且因为它们的毒性，在处理时造成很大的危险。基于这个原因，寻找消除生物膜的新途径近几年一直在进行，尤其把注意力集中于酶方面。
虽然，生物膜的基体可能具有异相结构，但它主要由多糖构成。因此，排除粘膜领域的研究已经特别集中于多糖(糖酶)的研究。最近发现，蛋白酶是消除生物膜或粘膜的有效手段(EP-A-590746)。目前应用最多的蛋白酶是碱性蛋白酶，它衍生自各种芽孢杆菌菌株，它对碱具有优越的稳定性并具有蛋白(水解)酶活性。
U.S.4,684,469描述的一个工艺过程，其中一种生物杀伤剂的抗微生物活性可被多糖降解酶加强。
U.S.4,936,994描述一种纤维素酶、α-淀粉酶和一种蛋白酶的混合物可以用于排除生物膜，在DE 3741583中叙述了用于排除粘膜的混合物，其组成为葡聚糖酶和蛋白酶。
叙述于WO92/13807中的一个排除生物膜的工艺过程，其中使用一种混合物，其组成中含至少一种酸性或碱性蛋白酶，至少一种葡萄糖淀粉酶或α-淀粉酶和至少一种表面活性剂(即洗涤剂(表面活性剂))，它破坏粘着于水承载系统表面微生物外围的多糖材料。
当今使用的纯酶混合物或酶组合物的一个共同特点是，它们一般必须与一种生物杀伤剂结合，以便达到实际应用必须的有效程度(参阅例如U.S.5,324,432)。
本发明的目标是提供在水承载系统中能避免在表面形成粘膜和/或者排除在其表面的生物膜的组合物或工艺过程，它们既能避免常规的生物杀伤剂的缺点，又能达到其有效的程度。
按照本发明，为达到其目标，在水承载系统中加入至少一种酶组分，它选自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一组酶，和一种乙二醇组分，其通式为，R2(-O-R1)n-O-R3式中n是小于10的整数，R1是2或3个碳原子的烷基，R2和R3在各种情况分别可以是H和含1-6个碳原子的烷基或芳香基。
上述的乙二醇组分中的烷基可以是直链和支链的烷基。对芳香基一词的具体理解是指6-14碳原子的基团，它可能含有烷基取代基。烷基或芳香基R1、R2和R3在每种情况下可是相同的或不同的基团。
在本发明的范围内，酶组分和乙二醇组分优选同时被加入到水承载系统中。
按照本发明的优选实施例，酶和乙二醇组分的联合加入是以组合物的形式进行，该组合物包括至少一种酶组分，它选自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一组酶，和一种乙二醇组分，其通式为R2(-O-R1)n-O-R3式中n，R1、R2和R3的含义同上。
本发明优选的组合物包含乙二醇组分的浓度范围，相对于总组合物，为10-80wt％，优选的浓度范围为20-60wt％。按照本发明的特别优选方案，乙二醇组分的浓度范围是20-40wt％。
按照本发明，组合物中酶的含量在90和1wt％之间，优选的含量在90和20wt％之间，此处50-20wt％是最优选的(每种情况相应于液态组合物的重量)。相对于组合物100wt％的差额用水补足。
葡聚糖酶(α-和β-葡聚糖酶)、岩藻糖苷酶或果胶酶是糖酶类中优先选用的酶。Esperase(丝氨酸蛋白酶，Novo)或Neutrase(金属蛋白酶，Novo)特别可作为蛋白酶类考虑采用，Liponase(乙酰酯酶)特别适合作为一种脂肪酶用，并且糖苷内切酶是在乙二醇蛋白酶类中优先选用的酶。
虽然上述的某一种酶单独使用不足以排除生物膜，令人惊奇的是，该酶和上述的短链乙二醇组分以组合物的形式加入到水承载系统或酶组分和乙二醇组分同时使用(加入)就会带来粘膜削减能力的显著改善。新生物膜的形成也大大地减少。甚至由于相当少量组合物即可生效，使得每升工艺过程水或运行水所必须的酶量可能极大地减少。
从以前的文章可知，当水的pH值是中性时，细菌细胞计数的显著增加又通过粘膜形成而引起问题增多。经验表明，这个问题甚至在使用生物杀伤剂也很难被控制。按照本发明，问题可以解决，甚至在水的pH值是中性，如果上述的酶组分和乙二醇组分加入到系统中(分别加入或以酶组合物形式加入)，可以避免在水承载系统的表面形成粘膜并/或可以排除其表面的生物膜。
按照本发明的具体优选实施例，可制得一种酶组合物，它包含β-葡聚糖酶和二乙二醇，其中二乙二醇比例相对于总组合物为10-80wt％，优选的对相于总组合物的比例为20-60wt％。在本发明特别优选的组合物中，β-葡聚糖酶比例为43wt％，并且二乙二醇比例为25wt％，相对100 wt％的差额用水补足。
在水承载系统中，表面粘膜的降解并或者防止表面粘膜生成方面，本发明的组合物发挥惊人的效力。按照本发明，水承载系统所指的是特殊工业工艺过程用水或运行的水系统，即开放或密闭循环系统，例如冷却水循环系统。本发明的组合物特别适合于纸厂的一级、二级并或者三级循环系统的使用(即白水I和II，废水；参考例Ullmanns Encyklopadieder technischen Chemie，4tn Ed.，Verlag Chemie，Weinheim，Volume 17，p.577 et seg.)这些水系统是微生物的理想培养介质，并且在其中粘膜的生成和生物膜的淤积成为主要问题。粘膜生成的趋势在白垩水承载循环系统中最大，并且生物膜的不充分排除导致纸质量下降和造纸机运行故障，以及由此而造成的运行成本增加。事实已经表明，本发明的组合物对于这些问题的消除的适用性达到惊人的程度。
本发明的组合物在其它水承载系统也发挥其惊人的效力，例如开放或密闭的水循环系统，冷却水及类似的循环系统。由于粘膜的降解或避免新粘膜形成的结果，特别是腐蚀的趋势极大地降低，使水承载系统的耐久性提高了。
本发明还是涉及在水承载系统，特别是工业工艺过程水系统，使用本发明的组合物，以便避免表面粘膜的形成并或者排除其表面生物膜，其中加入到系统的组合物的量是以相对于所处理水的体积的，5-200ppm。
本发明的组合物是生态可接受的、无毒的、并且与已知的含酶纯化组分比较，它具有明显的高效力。对于上述的应用，它作为传统的、有毒的生物杀伤剂的取代物是最优势的。
酶具有一个最佳的pH值，这对于它们的活性是特定的。对于本发明的组合物，依据水承载系统的pH值，恰当的、最佳的酶可以被选为本发明的组合物的成分。
现以如下参考例阐释本发明。
实施例将43wt％β-葡聚糖酶，25wt％二乙二醇和32wt％水混合，成为一种酶组合物(酶配方A)。
这种组合物应用于造纸厂中的两部造纸机水循环系统，排除生物膜，并避免粘膜的再生。造纸机的总容量为年产SC纸大约180,000吨。用于试验本发明的组合物的造纸机水循环系统的结构图示于
图1中，其中标明了计量加入酶组合物的适当位置。
进行现场试验的准备工作配料设备的安装现场试验开始之前几天，Grace Dearborn DCS3020配料设备安装完毕。选择以下进料位置(配料点)1.按照本发明EUR8830，组合物加到造纸机PM1的贮槽主箱处的一个容器中(白水配料点指的是表1和图1中的“SWI”)。2.生物杀伤剂配方I(含18wt％2，2-二溴-3-次氮基丙酰胺(DBNPA))输入贮槽稠度敏感器“Debro”(配制点指表1中的“贮槽”)。3.生物杀伤剂配方II(含45wt％防腐粉-AS 2和2wt％二硫酚)从置有稠度敏感器的废料槽输入(配料点指表1中的“废物点(“broke”)”)。
安装两台“gamma/5”泵(ProMinent)，用于加入生物杀伤剂，并且一台“Vario”泵(ProMinent)，用于加入本发明的组合物。在本发明的组合物实际试验开始之前，对所有的泵进行校正。
现场试验将所有机器彻底地清洗之后，开始现场试验。在所研究的4个循环期间，配料量列于表1中。
在历时9天的第一循环期间，本发明的组合物加入到白水中(每天4×30分钟，每分钟1458毫升)；生物杀伤剂加入到贮槽中(每天4×30分钟，平行于本发明的配方，每分钟60毫升)，并加入到“废物”槽中(每天3×30分钟，每分钟75毫升)。在历时20天的第二循环，生物杀伤剂的配料大约减少到50％，本发明的组合物配料保持不变(每天4×30分钟，每分钟1458毫升)。在历时9天的第三循环，本发明的组合物配料减少到50％(每天4×30分钟，每分钟730毫升)。紧随其后，第四循环开始，在短循环中没有加入生物杀伤剂(即没有加入D7806)，按本发明配方的加入量再减少大约68％(每天4×30分钟，每分钟500毫升)。至此，造纸机用酶配方A处理了20天。少量的生物杀伤剂I用于废物防腐(broke conservation)，不是白水的一部分。
使用上述酶组合物的现场试验结果叙述如下1.在贮槽和废物槽中，白水体的浮游微生物群体混合物的总量每天都要测量，其测量方法是腺苷三磷酸测定(生物扫描)和总细菌计数(陪替氏膜和浸片(dipslide))。(腺苷三磷酸测量基本原理是。当有荧光素和荧光素酶存在时，腺苷三磷酸转变为腺苷磷酸，在各种情况下，每一个腺苷三磷酸分子发射一定量的光，光的强度用灵敏的光度计测量)。在白水中的测量结果表示在图2-8中。细菌细胞计数或“相对光单位”(rlu)值没有显著的增加。这些图显示典型的系统的微生物的活性，它显示不存在涉及粘膜生成的问题，即粘膜的生长被有效地抑制。2.机器经常进行检查，看是否有粘膜形成和存在相关的问题。在试验期间，在造纸机中没有观察到由微生物引起的问题。不存在由于粘膜形成而必须将造纸机关闭的情况。3.纸的质量也进行类似的连续监测。纸的黑斑和孔隙的统计分布，在本发明的组合物加入之前，之中和之后都被探测。测量结果表明，与使用生物杀伤剂的纸的质量比较，现在制造的纸在黑斑和孔隙数方面不存在显著的差别(参看图9和图10)。4.经过三个月的成功的现场试验之后，造纸机改为中性运行。造纸机的监测如前边所述(见前边)。
事实表明，甚至在中性pH值，酶组合物的加入防止了由于粘膜或生物膜形成的问题出现。
造纸机被稳定监测并且没有观察到生物膜淤积。机器看上去很清洁，并且甚至在改变为中性pH值时也没有因为微生物问题而停机。
在贮槽和废物槽中的白水体里，细菌细胞计数的测定，定量记录酵母和真菌，和腺苷三磷酸的测定按规定的时间间隔进行。已经发现，起初细菌细胞计数上升，最后达到一个平衡。酵母和真菌按比例下降是归因于中性pH值(参见图11-13)。
尽管细菌细胞计数增长，当按照本发明使用酶组合物时，再没有观察到属于粘膜或生物膜生成的问题。即使更高的细菌细胞计数，黑斑和孔隙数没有增加，它说明按照本发明，酶组分和乙二醇组分同时加入对于抑制粘膜形成是非常有效的。
结果概述本发明组合物的应用获得与使用生物杀伤剂相当的结果。粘膜淤积被有效地消除(甚至在中性pH值)并且新生物膜的形成被有效地抑制。为了排除粘膜而使用本发明的组合物，为工业工艺过程水系统提供一种替代使用生物杀伤剂的方法，与生物杀伤剂相反，该方法是有效的和适合环境的，并且在成本方面也是有利的。由于本发明组合物的应用，造纸机中孔隙和裂纹可以减少，并且在水承载系统中，气味的问题以及微生物引起的堵塞可能被有效地解决。
表1配料方式—循环Pml阶段1(9天
阶段2(20天
阶段3(9天
阶段4(20天)<
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权利要求
1.一种组合物，适用于避免水承载系统的表面形成粘膜并/或者排除其表面的生物膜，其特征在于组合物包括至少一种酶组分，该酶选自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一组酶，配合以如下通式的乙二醇组分，R2(-O-R1)n-O-R3式中，n是小于10的整数，R1是2或3个碳原子的烷基，R2和R3在每种情况分别可以是H或1-6个碳原子的烷基或芳香基。
2.按照权利要求1的组合物，其特征在于乙二醇组分占总组合物的比例是10-80wt％。
3.按照权利要求1的组合物，其特征在于酶组分占总组合物的比例是90-20wt％。
4.按照权利要求1-3的组合物，其特征在于糖酶是葡聚糖酶、岩藻糖苷酶或果胶酶。
5.按照权利要求1-4的组合物，其特征在于蛋白酶是Esperase(丝氨酸蛋白酶)或Neutrase(中性蛋白酶)。
6.按照权利要求1-5的组合物，其特征在于脂肪酶是脂解酶。
7.按照权利要求1-6的组合物，其特征在于乙二醇蛋白酶是内切-糖苷酶。
8.按照权利要求1-7的组合物，其特征在于乙二醇是二乙二醇或丙二醇。
9.按照权利要求7的组合物，其特征在于酶是β-葡聚糖酶，和乙二醇是二乙二醇。
10.按照权利要求9的组合物，其特征在于组合物包含30-50wt％β-葡聚糖酶和20-40wt％二乙二醇。
11.至少一种酶组分，它选自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一组酶，和一种如下通式的乙二醇组分在排除水承载系统表面的生物膜并且/或防止表面粘膜形成中的应用，R2(-O-R1)n-O-R3上式中n是小于10的整数，R1是2或3个碳原子的烷基，R2和R3在各种情况分别可以是H、1-6个碳原子的烷基或芳香基。
12.按照权利要求11的应用，其特征在于酶组分和乙二醇组分是加到水承载系统的不同位置。
13.按照权利要求11的应用，其特征在于酶组分和乙二醇组分是以权利要求1-10的酶组合物的形式加入到水承载系统。
14.按照权利要求13的应用，其特征在于酶组合物加入的浓度是5-200ppm。
15.按照权利要求11-14的应用，其特征在于水承载系统是开放的或密闭的工业工艺过程水系统。
16.按照权利要求15的应用，其特征在于工业工艺过程水系统是纸厂的开放的或密闭的水循环系统。
17.按照权利要求16的应用，其特征在于水承载系统是纸厂的白水承载循环系统。
18.按照权利要求15的应用，其特征在于水承载系统是冷却水循环系统。
全文摘要
本发明是涉及在水承载系统，特别在工业工艺过程的水系统中，应用至少一种酶组分和一种乙二醇组分，以便避免在其表面形成粘膜，并或者排除在其表面的生物膜，其中酶组分选自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一组酶。酶组分和乙二醇组分既可分别加到水承载系统的不同点，也可以以酶和乙二醇的酶组合物形式加入。
文档编号B08B17/00GK1168637SQ95196641
公开日1997年12月24日 申请日期1995年11月21日 优先权日1994年12月6日
发明者M·艾尔斯, K·范比, J·范普勒, J·F·舒尔兹, A·P·申克 申请人:贝茨迪尔伯恩有限公司