КСАНТАНОВАЯ КАМЕДЬ С БЫСТРОЙ ГИДРАТАЦИЕЙ И ВЫСОКОЙ ВЯЗКОСТЬЮ

Перекрестные ссылки на родственные заявки

[0001] Настоящая заявка имеет приоритет на основании предварительной заявки США №№ 61/378612, поданной 31 августа 2010 года; 61/378988, поданной 1 сентября 2010 года; и 61/383795, поданной 17 сентября, 2010 года, каждая из которых включена здесь ссылкой в полном объеме.

Область техники, к которой относится изобретение

[0002] Изобретение относится к области биополимеров. В частности, изобретение относится к ксантановой камеди, имеющей улучшенные свойства, такие как повышенная устойчивость к гидратации, более быстрая гидратация и более высокая вязкость.

Уровень техники

[0003] Ксантановая камедь представляет собой полианионный полисахарид, используемый в качестве загущающего, эмульгирующего и/или стабилизирующего агента в промышленности (включая строительство, производство красок, бумаги, текстилей, защиту растений, обработку воды и нефтеперерабатывающую промышленность), пищевых продуктах, косметических средствах, агрохимических и фармацевтических составах. Ксантановую камедь получают в промышленном масштабе аэробной ферментацией бактерией Xanthomonas campestris.

[0004] Ксантановая камедь, как правило, поставляется в сухой порошкообразной форме. Перед использованием в конкретном применении ксантановую камедь обычно гидратируют в водном растворе. Во многих случаях раствор, используемый для гидратации, содержит ионы или другие растворенные материалы, которые ингибируют или даже предотвращают полную гидратацию ксантановой камеди. В таких случаях гидратационная среда должна быть отрегулирована таким образом, чтобы она содержала более низкие уровни растворенных материалов. Когда это регулирование невозможно, может быть невозможным эффективное использование ксантановой камеди.

[0005] При гидратировании камеди в любой среде необходимо некоторое время для проникновения растворителя в сухой порошок, набухания и затем его диффузии в гидратационную среду. Этот процесс занимает время и требует непрерывного перемешивания до достижения полной гидратации. Если остановить перемешивание, прежде чем ксантановая камедь будет полностью гидратирована, возникает множество проблем, включая низкую вязкость. Было предложено несколько способов усиления гидратации, включая облучение необлученной ксантановой камеди ионизирующим излучением или приготовление сухого порошка, имеющего размер частиц от 60 до 250 микрон (60-120 мкм) со средним диаметром 100-200 микрон (100-200 мкм). Однако первый подход приводит к возрастанию расходов для получения ксантановой камеди, а последний не в состоянии удовлетворить потребность в обсуждаемой ниже более высокой вязкости.

[0006] Поскольку ксантановую камедь часто используют в качестве загустителя или суспендирующего агента, для многих вариантов применения было бы выгодно иметь ксантановую камедь, позволяющую получить растворы с более высокой вязкостью или обеспечивающие большую стабильность при том же используемом уровне содержания или сниженном используемом уровне содержания ксантановой камеди с сохранением той же степени стабильности. Таким образом, предпринимались многочисленные попытки изготовления ксантановой камеди, которая, будучи в растворе, проявляет более высокую вязкость. Одним из таких способов является тепловая обработка (то есть пастеризация) ферментационного бульона. Эта тепловая обработка приводит к конформационному изменению, которое, в свою очередь, приводит к ксантановой камеди, которая дает растворы с более высокой вязкостью. Однако этот способ также может приводить к ухудшению гидратации камеди вследствие обусловленных нагреванием изменений. Генетические манипуляции с производящими ксантан организмами, такие как сверхэкспрессия генов gumB и gumC, может привести к более высокой вязкости растворов без пастеризации. Однако во многих странах мира генетически модифицированные продукты неприемлемы.

[0007] По обсужденным выше соображениям была бы полезной разработка порошкообразной ксантановой камеди, которая, находясь в растворе, может гидратироваться в широком диапазоне сред, подвергаться гидратации за короткий период времени по сравнению с традиционной ксантановой камедью, а также обеспечивает более высокую вязкость, чем традиционная ксантановая камедь.

Сущность изобретения

[0008] Настоящее изобретение относится к ксантановой камеди и способу ее получения, имеющей следующие свойства в растворе:(a) вязкость при низкой скорости сдвига (LSRV) со скоростью вращения 3 об/мин более чем около 1600 мПа·с (сП) при гидратации в стандартной водопроводной воде при концентрации ксантановой камеди 0,25 весового процента (% по весу); (b) вязкость в морской воде (SWV) более чем около 18 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), когда гидратацию проводят в синтетической морской воде; (c) скорость гидратации менее чем около 3 минут в 1%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди и (d) способность по существу полностью гидратироваться в течение менее чем около 10 минут в 6%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди.

[0009] В определенных вариантах исполнения соответствующая изобретению ксантановая камедь проявляет свойства, включающие вязкость при низкой скорости сдвига (LSRV) со скоростью вращения 3 об/мин более чем около 1800 мПа·с (сП), когда гидратация проходит в стандартной водопроводной воде при концентрации ксантановой камеди 0,25 весового процента (% по весу); вязкость при низкой скорости сдвига (LSRV) со скоростью вращения 3 об/мин более чем около 1750 мПа·с (сП) в 0,01М растворе NaCl при концентрации ксантановой камеди 0,25 весового процента (% по весу) и/или вязкость при низкой скорости сдвига (LSRV) со скоростью вращения 3 об/мин более чем около 1700 мПа·с (сП) в 0,1М растворе NaCl при концентрации ксантановой камеди 0,25 весового процента (% по весу).

[0010] В определенных вариантах исполнения соответствующая изобретению ксантановая камедь проявляет свойства, включающие вязкость в морской воде (SWV) более чем около 20 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), когда гидратацию проводят в синтетической морской воде. В определенных вариантах исполнения соответствующая изобретению ксантановая камедь проявляет свойства, включающие скорость гидратации менее чем около 2 минут в 1%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди, или менее чем около 4 минут в 3%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди, или менее чем около 6 минут в 3%-ном по весу растворе лимонной кислоты при 0,4%-ной по весу концентрации ксантановой камеди. В определенных вариантах исполнения соответствующая изобретению ксантановая камедь проявляет свойства, включающие способность по существу полностью гидратироваться в течение менее чем около 8 минут в 6%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди или полностью гидратироваться после примерно 1 часа надлежащего перемешивания при скорости вращения 1800 об/мин в условиях окружающей среды в 10%-ном по весу растворе нитрата аммония при 0,2%-ной по весу концентрации ксантановой камеди.

[0011] Соответствующая изобретению ксантановая камедь дополнительно проявляет свойства, включающие вязкость по измерению с использованием вискозиметра Brookfield Модель LV со шпинделем № 1 при 3 об/мин, после одного часа перемешивания со скоростью вращения 1800 об/мин при условиях окружающей среды более чем около 1900 мПа·с в 0,01М или в 0,1М растворе NaCl при концентрации ксантановой камеди 0,25% по весу или более чем около 2100 мПа·с в 0,01М или 0,1М растворе NaCl при концентрации ксантановой камеди 0,25% по весу.

[0012] Кроме того, настоящее изобретение предусматривает, что ксантановую камедь получают ферментацией азиатским штаммом Xanthomonas campestris, то есть Xanthomonas campestris pathover (патогенным) campestris, депонированным в Американской коллекции типовых культур (American Type Culture Collection) (ATCC) под каталожным № PTA-11272. Настоящее изобретение дополнительно предусматривает, что соответствующая изобретению ксантановая камедь может быть использована в качестве загустителя, модификатора вязкости, эмульгатора или стабилизатора составов для бурения или помогающих извлечению нефти, для обработки воды, для пищевых продуктов, косметических средств, фармацевтических или агрохимических составов, для промышленных и бытовых чистящих средств, или для бумаги, строительства, или текстильной отрасли.

Краткое описание чертежей

[0013] Фиг.1 иллюстрирует измерения вязкости при низкой скорости сдвига (LSRV) для ксантановой камеди согласно настоящему изобретению.

[0014] Фиг.2 иллюстрирует измерения вязкости в морской воде (SWV) для соответствующей изобретению ксантановой камеди.

[0015] Фиг.3 иллюстрирует сравнение скоростей гидратации соответствующей изобретению ксантановой камеди и имеющихся в продаже на рынке ксантановых камедей в 1%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации.

[0016] Фиг.4 иллюстрирует сравнение скоростей гидратации соответствующей изобретению ксантановой камеди и имеющихся в продаже на рынке ксантановых камедей в 3%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации.

[0017] Фиг.5 иллюстрирует сравнение вязкостей соответствующей изобретению ксантановой камеди и имеющихся в продаже на рынке ксантановых камедей в 0,01М растворе NaCl при 0,25%-ной по весу концентрации по измерениям с использованием вискозиметра Brookfield Модель LV, шпиндель № 1 при 3 об/мин.

[0018] Фиг.6 иллюстрирует сравнение вязкостей соответствующей изобретению ксантановой камеди и имеющихся в продаже на рынке ксантановых камедей в 0,1М растворе NaCl при 0,25%-ной по весу концентрации по измерениям с использованием вискозиметра Brookfield Модель LV, шпиндель № 1 при 3 об/мин.

[0019] Фиг.7 иллюстрирует устройство для определения скорости гидратации.

[0020] Фиг.8 иллюстрирует расположение мешалки в чаше с образцом в устройстве для определения скорости гидратации.

[0021] Фиг.9 иллюстрирует пример кривой крутящего момента, полученной при определении скорости гидратации.

[0022] Фиг.10 иллюстрирует визуальное сравнение гидратации соответствующей изобретению ксантановой камеди и имеющихся в продаже на рынке ксантановых камедей в более жесткой среде (например, 6% по весу NaCl при 1% по весу концентрации).

Подробное описание изобретения

[0023] Помимо всего прочего, настоящее изобретение представляет полимерную ксантановую камедь («ксантановую камедь»), которая проявляет уникальные характеристики при введении в различные растворы. Ксантановая камедь представляет собой внеклеточно продуцированную биосмолу, полученную аэробной ферментацией бактериями Xanthomonas campestris. В одном аспекте используемый при ферментации организм для получения ксантановой камеди согласно настоящему изобретению представляет штамм Xanthomonas campestris pathovar campestris. Для ферментации требуется источник азота, источник углерода и другие соответствующие питательные вещества, хорошо известные квалифицированным специалистам в этой области технологии. Во время ферментации уровни содержания растворенного кислорода и температуру поддерживают таким образом, чтобы обеспечить желательные или оптимальные условия роста для бактерий.

[0024] Изобретение также предусматривает ксантановую камедь, которая проявляет уникальные характеристики гидратации и вязкости, будучи в растворе, сохраняя при этом типичные свойства ксантановой камеди в отношении, например, ферментативной устойчивости и сопротивления сдвиговой нагрузке. Характеристики ксантановой камеди в растворах могут быть измерены многими различными способами при варьирующих условиях скоростей сдвига, концентраций полимера и гидратационной среды. Независимо от условий ксантановая камедь согласно настоящему изобретению дает растворы, значения вязкости которых равны и в большинстве случаев превосходят таковые для ранее известных ксантановых камедей, и способна гидратироваться быстрее или более полно по сравнению с ранее известными ксантановыми камедями. Таким образом, для количественной оценки характеристик ксантановой камеди согласно настоящему изобретению по сравнению с ранее известными ксантановыми камедями ниже обозначены разнообразные условия испытаний и измеряемые свойства.

[0025] В одном аспекте ксантановая камедь, будучи в растворе, проявляет свойства, включающие (i) вязкость при низкой скорости сдвига (как определено ниже) со скоростью вращения 3 об/мин более чем около 1600 мПа·с (сП) при гидратации в стандартной водопроводной воде (как определено ниже) при концентрации ксантановой камеди 0,25% по весу (% по весу); (ii) вязкость в морской воде (как определено ниже) более чем около 18 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), когда гидратацию проводят в синтетической морской воде; (iii) скорость гидратации (как определено ниже) менее чем около 3 минут в 1%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди и (iv) способность по существу полностью гидратироваться в течение менее чем около 10 минут в 6%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди.

[0026] В дополнительном аспекте представленная здесь ксантановая камедь, будучи в растворе, проявляет любое одно или любую комбинацию следующих свойств:

(i) вязкость при низкой скорости сдвига (как определено ниже) со скоростью вращения 3 об/мин более чем около 1600 мПа·с (сП) при гидратации в стандартной водопроводной воде (как определено ниже) при концентрации ксантановой камеди 0,25% по весу (% по весу);

(ii) вязкость в морской воде (как определено ниже) более чем около 18 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), когда гидратацию проводят в синтетической морской воде;

(iii) скорость гидратации (как определено ниже) менее чем около 3 минут в 1%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди;

(iv) способность по существу полностью гидратироваться в течение менее чем около 10 минут в 6%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди;

(v) способность достигать полной гидратации в течение около 1 часа перемешивания пропеллерной мешалкой при скорости вращения 1800 об/мин в условиях окружающей среды в 10%-ном по весу растворе нитрата аммония при 0,2%-ной по весу концентрации ксантановой камеди;

(vi) вязкость при низкой скорости сдвига (как определено ниже) со скоростью вращения 3 об/мин более чем около 1750 мПа·с (сП) в 0,01-молярном (М) растворе NaCl при концентрации ксантановой камеди 0,25 весового процента (% по весу);

(vii) вязкость при низкой скорости сдвига (как определено ниже) со скоростью вращения 3 об/мин более чем около 1700 мПа·с (сП) в 0,1-молярном (М) растворе NaCl при концентрации ксантановой камеди 0,25 весового процента (% по весу); или

(viii) любую их комбинацию.

В этом аспекте ксантановая камедь, как представленная согласно настоящему изобретению, будучи в растворе, проявляет любое одно или более из этих свойств без ограничения. Поэтому ксантановая камедь согласно настоящему изобретению может проявлять любое одно, любые два, любые три, любые четыре, любые пять, любые шесть или все из перечисленных свойств.

[0012] Термины «полностью гидратированный», «по существу полностью гидратированный», «полная гидратация», «100%-ная гидратация» и тому подобные, как здесь используемые, означают, что раствор имеет однородный внешний вид таким образом, что отсутствуют частицы, видимые невооруженным человеческим глазом (как показано на фиг.10), и вязкость раствора в конкретной среде по существу не изменена по сравнению с вязкостью, полученной в стандартной водопроводной воде. Описание «по существу не изменена», как используемое здесь, означает, что вязкость раствора в конкретной среде отличается на величину менее чем около 25%, альтернативно на величину менее чем около 20%, альтернативно на величину менее чем около 15%, альтернативно на величину менее чем около 10%, альтернативно на величину менее чем около 7% или альтернативно на величину менее чем около 5%, от вязкости, полученной в стандартной водопроводной воде. Стандартную водопроводную воду(STW) получают растворением 1,0 г NaCl и 0,15 г CaCl₂·2H₂O в одном литре деминерализованной воды.

[0013] В еще одном аспекте при гидратировании ксантановой камеди в стандартной водопроводной воде до 0,25%-ной по весу концентрации ксантановой камеди полученный раствор имеет вязкость при низкой скорости сдвига при 3 об/мин более чем около 1800 мПа·с. В еще одном дополнительном аспекте при гидратировании ксантановой камеди в стандартной водопроводной воде до 0,25%-ной по весу концентрации полученный раствор имеет вязкость при низкой скорости сдвига при 3 об/мин более чем около 2000 мПа·с. Репрезентативные данные приведены на фиг.1. Как дополнительно иллюстрировано на фиг.1, когда представленную согласно настоящему изобретению ксантановую камедь гидратируют в стандартной водопроводной воде до 0,25%-ной по весу концентрации ксантановой камеди, раствор может иметь вязкость при низкой скорости сдвига при 3 об/мин более чем около 1600 мПа·с, более чем около 1650 мПа·с, более чем около 1750 мПа·с, более чем около 1800 мПа·с, более чем около 1850 мПа·с, более чем около 1900 мПа·с, более чем около 1950 мПа·с, более чем около 2000 мПа·с, более чем около 2050 мПа·с, более чем около 2100 мПа·с, более чем около 2150 мПа·с, более чем около 2200 мПа·с, более чем около 2250 мПа·с, более чем около 2300 мПа·с, более чем около 2350 мПа·с, более чем около 2400 мПа·с, более чем около 2450 мПа·с или более чем около 2500 мПа·с. Если определенно не оговорено иное, в этих условиях при гидратации в стандартной водопроводной воде до 0,25%-ной по весу концентрации ксантановой камеди раствор может иметь вязкость при низкой скорости сдвига при 3 об/мин вплоть до около 2700 мПа·с, до около 2800 мПа·с или до около 2900 мПа·с.

[0014] В других аспектах соответствующая изобретению ксантановая камедь проявляет свойства вязкости в морской воде более чем около 20 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³) и еще дополнительно вязкость в морской воде составляет более чем около 22 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³). Репрезентативные данные приведены на фиг.2. Как дополнительно иллюстрировано на фиг.2, ксантановая камедь проявляет свойства вязкости в морской воде более чем около 18,0 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), более чем около 18,5 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), более чем около 19,0 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), более чем около 19,5 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), более чем около 20,0 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), более чем около 20,5 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), более чем около 21,0 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), более чем около 21,5 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), более чем около 22,0 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), более чем около 22,5 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), более чем около 23,0 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), более чем около 23,5 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³) или более чем около 24,0 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³). Если не оговорено иное, в этих условиях ксантановая камедь проявляет свойства вязкости в морской воде вплоть до около 26,0 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³), до около 27,0 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³) или до около 28,0 при концентрации 1 фунт/баррель (2,86 кг/м³).

[0015] В большинстве вариантов применения порошкообразная ксантановая камедь нуждается в гидратации перед ее использованием. Вообще говоря, гидратацию можно рассматривать как двухстадийный процесс. Первая стадия, которая, как правило, предшествует фактической стадии гидратации, включает диспергирование ксантановой камеди в желательной среде таким образом, что отдельные частицы отделяются и не собираются в комки или не агрегируются. Когда частицы ксантановой камеди слипаются и образуют комки, гидратация обычно происходит гораздо медленнее. Как правило, после этого разрушения агрегатов происходит вторая стадия, когда эти диспергированные частицы ксантановой камеди фактически гидратируются в среде, что значит, что отдельные молекулы полимера высвобождаются из сухой частицы и свободно движутся в среду. В промышленности термины «дисперсия» и «гидратация» используют для описания первой и второй стадий соответственно.

[0016] Гидратация как таковая имеет по меньшей мере два аспекта. Один аспект гидратации относится к тому, как быстро частицы ксантановой камеди могут набухать и затем высвобождать полимерные цепи, что было определено здесь как скорость гидратации. Быстрая и полная гидратация может быть важна для многих вариантов применения, таких как сухие смеси. Второй аспект гидратации касается того, среда какого типа будет обеспечивать полную гидратацию. Некоторые гидратационные среды с большим трудом высвобождают индивидуальные полимерные молекулы из сухой частицы и тем самым для полной гидратации в ней. Например, такие более «сложные среды» обычно имеют высокое содержание солей, низкое значение pH, и/или имеют высокие уровни содержания растворенных неионных твердых веществ (таких как сахароза или углеводные спирты). Когда гидратационная среда является достаточно сложной для гидратации в ней отдельных полимерных молекул, то частицы камеди не способны набухать и полностью высвободить полимер. В таких случаях для использования полимера может потребоваться избыточное перемешивание, нагревание или изменение в гидратационной среде. В одном аспекте одним из признаков ксантановой камеди согласно настоящему изобретению является ее способность к полной гидратации в этих сложных средах, включая среды с повышенным содержанием солей, низким значением pH, и/или имеющих высокие уровни содержания растворенных неионных твердых веществ по сравнению с традиционной ксантановой камедью. Этот аспект подчеркивает явный недостаток, свойственный традиционным ксантановым камедям, недостаток, который соответствующая изобретению ксантановая камедь преодолевает. Поскольку типы среды и определение «сложная» среда варьируют, квалифицированному специалисту в этой области технологии будет понятно, что соответствующая изобретению ксантановая камедь определяется на основе свойств, которые она проявляет в конкретной определенной среде.

[0017] В отношении скорости гидратации соответствующая изобретению ксантановая камедь имеет следующие свойства в растворе. В одном аспекте ксантановая камедь имеет скорость гидратации менее чем около 3 минут (как указано выше), менее чем около 2,5 минут, менее чем около 2 минут или менее чем около 1,5 минут в 1%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди (фиг.3). Даже когда уровень содержания NaCl в растворе повышают до 3% по весу, ксантановая камедь с 1%-ной по весу концентрацией в растворе проявляет скорость гидратации менее чем около 4 минут, менее чем около 3,5 минут, менее чем около 3 минут, менее чем около 2,5 минут или менее чем около 2 минут (фиг.4). В другой среде, такой как 3%-ный по весу раствор лимонной кислоты при 0,4%-ной по весу концентрации ксантановой камеди, скорость гидратации также относительно высока при значении менее чем около 6 минут. Для раствора 40% по весу сахарозы + 4% по весу NaCl при 0,35%-ной по весу концентрации ксантановой камеди скорость гидратации составляет менее чем около 8 минут.

[0018] В дополнительном аспекте соответствующая изобретению ксантановая камедь может быть более толерантной к сложной гидратационной среде. Один пример этого аспекта показан на фиг.10, который дает визуальное свидетельство улучшенной гидратации в сложной среде. В этом случае 6%-ный по весу раствор NaCl был достаточным для ингибирования гидратации традиционной ксантановой камеди. Для традиционной ксантановой камеди даже после 6 минут перемешивания остаются видимые количества негидратированной ксантановой камеди (показано на правой стороне фиг.10). Однако ксантановая камедь согласно настоящему изобретению (показано на левой стороне фиг.10) полностью гидратируется в этой среде. Таким образом, в одном аспекте ксантановая камедь согласно настоящему изобретению способна по существу полностью гидратироваться за время менее чем около 10 минут, менее чем около 9 минут, менее чем около 8 минут, менее чем около 7 минут или менее чем около 6 минут в 6%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди. Следовательно, ксантановая камедь согласно настоящему изобретению полностью гидратируется, что оценивается визуально по внешнему виду, который характеризуется отсутствием видимых частиц (фиг.10). Для многих систем ксантановой камеди требуется или для них благоприятно иметь ксантановую камедь со способностью гидратироваться в сложной среде. Например, пищевые соусы или приправы имеют высокие уровни содержания растворенных твердых веществ (сахар или кукурузный сироп) вместе с высокими уровнями содержания соли и кислоты и поэтому, как правило, составляют «сложную» среду.

[0019] Кроме того, ксантановая камедь согласно настоящему изобретению способна достигать полной гидратации в течение около 1 часа перемешивания пропеллерной мешалкой при скорости вращения 1800 об/мин в условиях окружающей среды в 10%-ном по весу растворе нитрата аммония при 0,2%-ной по весу концентрации ксантановой камеди (вязкость при скорости вращения 3 об/мин 5000 мПа·с, Brookfield, шпиндель № 1). В этих условиях ксантановая камедь согласно настоящему изобретению способна достигать полной гидратации в течение около 0,7 часа, в течение около 0,8 часа, в течение около 0,9 часа, в течение около 1,0 часа, в течение около 1,1 часа, в течение около 1,2 часа или в течение около 1,3 часа перемешивания пропеллерной мешалкой при скорости вращения 1800 об/мин в условиях окружающей среды в 10%-ном по весу растворе нитрата аммония при 0,2%-ной по весу концентрации ксантановой камеди.

[0020] Для демонстрации превосходных загущающих свойств ксантановой камеди согласно настоящему изобретению вязкости растворов с использованием соответствующей изобретению ксантановой камеди при переменных концентрациях солей были сравнены с традиционной ксантановой камедью. Как показано на фиг.5, было продемонстрировано сравнение ксантановой камеди согласно настоящему изобретению с имеющейся в продаже на рынке ксантановой камедью, причем каждую ксантановую камедь смешивали с 0,01-молярным (M) раствором NaCl при 0,25%-ной по весу концентрации ксантановой камеди в течение одного часа при скорости вращения 1800 об/мин в условиях окружающей среды. Вязкости полученных растворов были измерены с использованием вискозиметра Brookfield Модель LV, шпиндель №, 1 при 3 об/мин. Ксантановая камедь согласно настоящему изобретению имеет вязкость более чем около 1750 мПа·с, более чем около 1800 мПа·с, более чем около 1850 мПа·с, более чем около 1900 мПа·с, более чем около 1950 мПа·с, более чем около 2000 мПа·с, более чем около 2050 мПа·с или более чем около 2100 мПа·с. Если не оговорено иное, в этих условиях ксантановая камедь согласно настоящему изобретению может иметь вязкость вплоть до около 2400 мПа·с, до около 2500 мПа·с или до около 2600 мПа·с. Сравниваемые промышленные ксантановые камеди проявляли значительно более низкие вязкости и могли не достигать полной гидратации после одного часа перемешивания. Таким образом, эти данные демонстрируют характеристики ксантановой камеди согласно настоящему изобретению, которые превосходят свойства разнообразных имеющихся в продаже на рынке ксантановых камедей в средах с низким содержанием соли.

[0021] Как показано на фиг.6, было проведено сравнение соответствующей изобретению ксантановой камеди с имеющимися в продаже на рынке ксантановыми камедями, в котором каждую ксантановую камедь смешивали с 0,1M раствором NaCl при 0,25%-ной по весу концентрации ксантановой камеди в течение одного часа при скорости вращения 1800 об/мин в условиях окружающей среды. Вязкости полученных растворов были измерены при использовании вискозиметра Brookfield, Модель LV, шпиндель № 1, при 3 об/мин. В одном аспекте ксантановая камедь согласно настоящему изобретению имеет вязкость более чем около 1700 мПа·с, более чем около 1750 мПа·с, более чем около 1800 мПа·с, более чем около 1850 мПа·с, более чем около 1900 мПа·с, более чем около 1950 мПа·с, более чем около 2000 мПа·с, более чем около 2050 мПа·с или более чем около 2100 мПа·с. Если не оговорено иное, в этих условиях ксантановая камедь согласно настоящему изобретению имеет вязкость вплоть до около 2300 мПа·с, до около 2400 мПа·с, до около 2500 мПа·с или до около 2600 мПа·с. Сравниваемые промышленные ксантановые камеди проявляют значительно более низкие вязкости и могут не достигать полной гидратации после одного часа перемешивания. Таким образом, данные демонстрируют характеристики ксантановой камеди согласно настоящему изобретению, которые превосходят свойства имеющихся в продаже на рынке ксантановых камедей в средах со средним содержанием соли.

[0022] Все из вышеуказанных свойств делают возможным введение ксантановой камеди согласно настоящему изобретению в качестве загустителя, модификатора вязкости, эмульгатора и/или стабилизатора в составы для бумаги, строительства, текстиля, пищевых продуктов, косметических средств, для агрохимии, фармацевтики, промышленных, бытовых чистящих средств, для бурения и для помощи в извлечении нефти и в обработке воды. Ксантановую камедь используют в качестве компонента в многочисленных продуктах для улучшения свойств. Свойства могут включать вязкость, суспендируемость частиц, ощущение во рту при потреблении, придание объема, связывание воды, загущение, стабилизацию эмульсии, усиление пенообразования и разжижение при сдвиговой нагрузке. Пищевые продукты, в которых используют ксантановую камедь согласно настоящему изобретению, включают, в качестве примера, салатные приправы, сиропы, соковые напитки и замороженные десерты. Другие продукты также включают красители для печати, буровые растворы на углеводородной основе, керамические глазури и фармацевтические композиции, жидкие составы для мытья, краски и чернила, клеи для обоев, пестициды, зубные пасты и иммобилизаторы для ферментов и клеток. Для фармацевтических композиций ксантановая камедь может быть использована в качестве носителя или в качестве матрицы с контролируемым выделением.

[0023] Ксантановую камедь получают с использованием традиционных процессов глубинной ферментации Xanthomonas. В одном аспекте изобретения культуры Xanthomonas для высевания могут быть получены в малом масштабе с использованием ферментационных чанов емкостью от около 0,2 м³ до около 20 м³ в течение периода времени от около 20 до около 40 часов. Ферментация может быть проведена в условиях окружающей среды. Культура Xanthomonas для высевания может быть добавлена в полномасштабный ферментационный чан с емкостью от около 20 м³ до около 250 м³ вместе с ферментационной средой, содержащей от около 2,0 до около 6,0% по весу (предпочтительно от около 3,0 до около 4,0% по весу) источника углерода в форме кукурузного крахмала, от около 0,1 до около 0,5% по весу (предпочтительно от около 0,1 до около 0,3% по весу) источника азота в форме соевого белка и от около 0,005 до около 0,02% по весу (предпочтительно от около 0,05 до около 0,015% по весу) карбоната кальция. Во время ферментации могут быть предусмотрены перемешивание и аэрирование для обеспечения оксигенации ферментационной среды. Значение pH ферментационной среды может быть регулируемым в пределах от около 6,0 до около 7,5 добавлением титрованных количеств KOH или NaOH. Спустя время от около 50 до около 100 часов ферментация завершается с образованием ферментированного сусла, содержащего водный раствор ксантановой камеди.

[0024] После того как ферментация завершилась, ксантановая камедь может быть осаждена из ферментированного сусла, как правило, при использовании органического растворителя, который смешивается или по меньшей мере частично смешивается с водой, например, с использованием спирта, кетона или любого другого органического растворителя, который смешивается с водой. Органический растворитель преимущественно может быть использован в любой имеющейся в продаже на рынке форме, например в форме безводного растворителя, в виде смеси спиртов или кетонов (например, смесей изомеров) или в виде смеси органического растворителя с водой (например, азеотропные смеси). В одном аспекте органический растворитель может представлять собой спирт, такой как метанол, этанол, н-пропанол, изопропанол (изопропиловый спирт), н-бутанол, изобутанол и тому подобные, в том числе любую смесь или комбинацию спиртов. Кроме того, спирт может представлять собой этанол или изопропанол или комбинацию этанола или изопропанола. В еще одном дополнительном аспекте для осаждения ксантановой камеди органический растворитель может быть добавлен в ферментированное сусло в объемном соотношении по меньшей мере около 0,5:1, то есть 0,5 объема органического растворителя для каждого объема ферментированного сусла. В одном аспекте органический растворитель может быть добавлен к водному раствору ксантановой камеди в объемном соотношении от около 0,6:1 до около 3:1 органического растворителя к суслу. Например, этанол может быть добавлен к водному раствору ксантановой камеди в объемном соотношении от около 0,6:1 до около 3:1 органического растворителя к суслу. В еще одном аспекте ксантановая камедь может быть осаждена из ферментированного сусла добавлением этанола в объемном соотношении от около 1,25:1 до около 2,5:1 этанола к суслу.

[0025] Осадок ксантановой камеди может быть отделен или выделен с использованием традиционных способов, например декантированием. Выделенная ксантановая камедь может быть дополнительно обработана, если желательно, например, для удаления избытка растворителя и/или улучшения зернистости полученной ксантановой камеди. В одном аспекте извлеченная ксантановая камедь может быть подвергнута прессованию для удаления избыточного спирта и воды и затем высушена. В одном дополнительном аспекте сушка может быть проведена при температуре от около 50°C до около 90°C, пока содержание остаточной влаги не снизится до желательного уровня, например от около 5 до около 15% по весу. Более того, при желании ксантановая камедь может быть измельчена до достижения среднего размера частиц, например от около 50 до около 750 микрон (50-750 мкм).

[0026] Как представляется, при желании в компетенцию специалиста с обычной квалификацией в этой области технологии входит подвергание выделенной ксантановой камеди, как здесь описанной, любой традиционной обработке после ферментации и после выделения. Однако представленная здесь ксантановая камедь не нуждается в дополнительной обработке после ферментации или выделения для достижения желательных свойств, как здесь раскрытых.

[0027] Методы испытания, использованные здесь для охарактеризования уникальных признаков ксантановой камеди согласно настоящему изобретению, являются следующими.

Определение вязкости ксантановой камеди при низкой скорости сдвига («LSRV»).

[0028] Значение LSRV ксантановой камеди определяли с использованием следующей процедуры. Ксантановую камедь (0,75 г, взвешенные с точностью до 0,01 г) медленно добавляли к 299 мл стандартной водопроводной воды, содержащейся в высоком лабораторном стакане емкостью 400 мл, при перемешивании со скоростью вращения 800±20 об/мин. Перемешивание продолжали в течение приблизительно 4 часов. Непосредственно перед прекращением перемешивания (после 4 часов) температуру раствора регулировали до 25±2°С. Испытуемый раствор сняли с мешалки и оставили стоять без перемешивания при комнатной температуре в течение 30±5 минут (может быть помещен на водяную баню с контролируемой температурой). После выдерживания раствора в течение 30 минут измерили температуру введением термометра в раствор между центром и стенкой лабораторного стакана. Для точности раствор перед измерением вязкости не перемешивали. Вязкость измеряли при температуре 25±2ºС с использованием вискозиметра Brookfield, Модель LV, шпиндель № 1, при 3 об/мин. Вязкость регистрировали в миллипаскалях в секунду («мПа·с») или сантипуазах («сП») после вращения шпинделя в течение 3 минут.

Определение вязкости ксантановой камеди в морской воде.

[0029] Раствор морской воды приготовили согласно стандарту ASTM D1141-52 растворением 41,95 г морской соли от фирмы Lake Products Co., Inc., Мериленд-Хайтс, Миссури, в 1 литре деминерализованной воды. Порцию раствора морской воды объемом 300 мл перенесли в смесительную чашку, которая была закреплена на смесителе Hamilton-Beach 936-2 (фирмы Hamilton-Beach Div., Вашингтон, федеральный округ Колумбия). Устройство регулирования скорости смесителя установили на низкую величину и к валу смесителя присоединили одиночный гофрированный диск. При установленной низкой скорости вал смесителя вращался со скоростью приблизительно 4000-6000 об/мин. Навеску ксантановой камеди величиной 0,86 г порцию медленно добавляли в течение 15-30 секунд в смесительную чашку и перемешивали в течение 5 минут. Скорость смесителя отрегулировали на высокое значение (11000±1000 об/мин) и перемешивали испытуемый раствор в течение приблизительно 5 минут. Смесь перемешивали в совокупности 45 минут, начиная с момента добавления ксантановой камеди. По окончании 45-минутного перемешивания добавили 2-3 капли пеногасителя BARA-DEFOAM® (фирмы NL Baroid/NL Industries, Inc., Хьюстон, Техас) и перемешивание продолжали в течение дополнительных 30 секунд. Смесительную чашку сняли со смесителя и погрузили в охлажденную воду для снижения температуры текучей среды до 25°C ± 0,5°C. Для обеспечения однородности раствора раствор повторно перемешивали после охлаждения в течение 5 секунд со скоростью вращения 11000±1000 об/мин. Раствор перенесли из смесительной чашки в лабораторный стакан из стекла Pyrex с емкостью 400 мл и измерили вязкость при использовании вяскозиметра Fann (Fann Viscometer, модель 35A). Измерение проводили при перемешивании со скоростью 3 об/мин. Дождались стабилизации показаний прибора и затем зарегистрировали значение сдвиговой нагрузки со шкалы и записывали как величину вязкости в морской воде при 3 об/мин.

Определение скорости гидратации ксантановой камеди.

[0030] Для измерения скорости гидратации был разработан тестер для определения скорости гидратации ксантановой камеди в водном растворе. Скорость гидратации определяют как количество времени, за которое образец достигает 90% от максимального крутящего момента. В то время как этим непосредственно не измеряют полную гидратацию, 90%-ная точка является применимым показателем для сравнения образцов. Полученная 100%-ная точка более вариабельна, поскольку достижение конечного значения происходит постепенно и на него влияют даже малые количества случайных ошибок в измерении. В приборе, показанном на фиг.7, использовали двигатель с переменной скоростью вращения для перемешивания растворителя в лабораторном стакане, который был установлен на динамометрический датчик для регистрации крутящего момента. Ксантановую камедь добавляли в растворитель, в то время как начали испытание при перемешивании с постоянной скоростью. По мере нарастания вязкости раствора вследствие гидратации ксантановой камеди возрастал крутящий момент (скручивающее усилие), действующий на лабораторный стакан. Значения крутящего момента непрерывно отслеживали с помощью компьютера, который проводил нормализацию, распечатку и построение графика по данным, выраженным в процентах крутящего момента в зависимости от времени. Хотя крутящий момент не представляет непосредственной меры вязкости образца, крутящий момент дает важное показание развития вязкости во времени.

[0031] Устройство для определения скорости гидратации показано на фиг.7 и фиг.8.

1. Станина тестера (704) - корпус прибора, на котором закреплены двигатель (702) с переменной скоростью вращения, управляющее устройство (714) на основе кремниевого триодного тиристора (SCR) и динамометрический датчик (710) для регистрации крутящего момента. Монтажная плита (712) динамометрического датчика для регистрации крутящего момента сконструирована быстросъемной и самовыравниваемой. Управляющее устройство (714) имеет ручку (716) управления скоростью и выключатель (718) для включения/выключения мощности.

2. Динамометрический датчик (710) для регистрации крутящего момента и блок-формирователь (720) сигналов - динамометрический датчик (710) для регистрации крутящего момента измерял очень малые усилия. Блок-формирователь (720) сигналов регистрировал в электронном виде изменения крутящего момента на динамометрическом датчике (710) и в электронном виде посылал эту информацию на цифровой многошкальный вольтметр (722). Блок-формирователь (720) сигналов имеет выключатель (718) для включения/выключения питания.

3. Двигатель (702) - для этого тестера использовали двигатель (702) постоянного тока с переменной скоростью вращения и подходящий зажимной патрон (706). Диапазон скоростей составлял приблизительно 0-1200 об/мин с высокой степенью стабильности (±5 об/мин).

4. Многошкальный вольтметр (722) оцифровывал показания напряжения от блока-формирователя (720) сигналов и посылал информацию на компьютер. Считывания производились каждые 5 секунд до 5 значащих разрядов.

5. Перемешивающее устройство (802) с Н-образной мешалкой - перемешивающее устройство (802) с Н-образной мешалкой, как показанное на фиг.8, имеет следующие размеры: общая длина 8 дюймов (203,2 мм), длина до поперечного элемента 7 дюймов (177,8 мм), «Н»-образный рабочий элемент 1,5 дюйма (38,1 мм)×1,5 дюйма (38,1 мм) (0,25-дюймовый (6,25 мм) штифт из нержавеющей стали). Перемешивающее устройство (802) с Н-образной мешалкой было специально разработано для перемешивания раствора с сохранением воронки внутри раствора с зазором 2-4 мм над дном.

6. Чашка (804) для образца - для содержания растворителя использовали 250 мл лабораторный стакан (804) Griffin из нержавеющей стали. Чашку (804) для образца фиксировали с помощью держателя (708) чашки для образца и закрепляли регулировочными винтами (724) чашки для образца.

7. Тахометр - цифровой фототахометр использовали для точного регулирования скорости вращения мешалки (802).

[0032] Методика измерения скорости гидратации: для испытания использовали ксантановую камедь с размером частиц 80 меш, которую диспергировали в полиэтиленгликоле (PEG) при весовом соотношении 3:1, и вручную перемешивали при комнатной температуре (23±2°C). Испытуемые образцы смешивали с диспергатором непосредственно перед началом испытания. Компоненты растворов варьировали, как отмечено в примерах и на фигурах ниже. Стандартную водопроводную воду (STW), один из компонентов растворов, приготовили растворением 1,0 г NaCl и 0,15 г CaCl₂·2H₂O в 1 литре деминерализованной воды. Использовали объем 130 мл. Ксантановую камедь испытывали при уровне содержания 1% по весу, если не было оговорено иное. Скорость вращения мешалки составляла 600 об/мин. Образец добавляли в течение 4-5-секундного периода времени в строго контролируемом и единообразном режиме. Для единообразия и точности образец не должен быть добавлен слишком быстро или медленно или в неравномерном режиме.

[0033] Данные были градуированы от 0 до 100% максимального крутящего момента. Продолжительность времени до достижения 90% максимального крутящего момента приняли за скорость гидратации. Это значение было найдено стабильным и воспроизводимым. Время до достижения 100% не использовали, поскольку окончательное достижение 100%-ного крутящего момента было постепенным и было подвержено влиянию внешних факторов, таких как электрические шумы и/или вибрация. Пример полученной таким путем кривой крутящего момента приведен на фиг.9.

Примеры

[0034] В нижеследующих примерах организм, использованный для ферментации, представлял собой азиатский штамм Xanthomonas campestris pathovar campestris, который депонирован в Американской коллекции типовых культур (ATCC, Patent Depository, 1081 University Boulevard, Манасса, Вирджиния, 20110-2209, Соединенный Штаты Америки) 31 августа 2010 года под каталожным № PTA-11272.

[0035] Ферментацию проводили в условиях окружающей среды. Посевную культуру Xanthomonas добавляли в ферментационный чан вместе с ферментационной средой, содержащей 3,8% по весу источника углерода (кукурузный крахмал), 0,25% по весу источника азота (соевый белок) и 0,01% по весу CaCO₃. Перемешивание и аэрирование были предусмотрены при традиционных скоростях во время ферментации для обеспечения адекватной оксигенации ферментационной среды. Во время ферментации значение pH ферментационной среды регулировали в диапазоне от около 6,0 до 7,5 добавлением KOH. Спустя примерно 60 часов ферментация завершилась и ксантановую камедь осадили из ферментированного сусла добавлением 1,5 объемов этанола к ферментированному суслу. Извлеченную ксантановую камедь подвергли прессованию для удаления избыточного спирта и воды и затем высушили при температуре 70°C, пока содержание остаточной влаги не достигло 10% по весу. Наконец, ксантановую камедь измельчили до среднего размера частиц 80 микрон (80 мкм).

[0036] В каждом из примеров, как показано на фиг.1-6 и 10 и таблицах 1-4, ксантановую камедь согласно настоящему изобретению сравнивали с имеющимися в продаже на рынке ксантановыми камедями с размером частиц 80 меш, производимыми фирмой CP Kelco U.S., Inc. под торговой маркой KELTROL® и KELZAN®:, фирмой Archer Daniels Midland Company под торговой маркой OPTIZXAN® и NOVAXAN®, фирмой Shandong Deosen Corporation Ltd. под торговой маркой ZIBOXAN®, фирмой Fufeng Group Ltd., и ксантановую камедь от фирмы Cargill, Incorporated под торговой маркой VERSAGUM®.

[0037] В еще одном примере фиг.10 показывает, как соответствующую изобретению ксантановую камедь (фотографии на левой стороне) сравнивали со стандартной ксантановой камедью от фирмы CP Kelco (правая сторона) в 6%-ном по весу растворе NaCl при 1%-ной по весу концентрации ксантановой камеди. Фотографировали в серии промежутков времени (30 секунд, 1 минута, 3 минуты и 6 минут), истекшего после смешения раствора. Стороны фотографий представляют лабораторный стакан, а контур в середине представляет вал мешалки. Каждая фотография показывает как пузырьки (резкие круглые светлые области), так и негидратированую ксантановую камедь (светло-серые массы). При гидратации ксантановой камеди негидратированная ксантановая камедь становилась все менее и менее видимой до того момента, как она становилась невидимой. Ксантановая камедь согласно настоящему изобретению становилась невидимой через 6 минут. Стандартная ксантановая камедь показывала многочисленные больше негидратированные области, которые не исчезали при перемешивании. Помимо всего прочего, фотографии фиг.10 иллюстрируют, как визуальный метод может быть использован для определения гидратации камеди.

[0038] Если не было оговорено иное, когда раскрыт или заявлен диапазон любого типа, то предполагается, что указанный диапазон включает верхние и нижние пределы диапазона. Поэтому термины «между» или «в диапазоне» и подобные термины предполагаются означающими от нижнего предела диапазона до верхнего предела диапазона включительно. Более того, и если не было оговорено иное, когда раскрыт или заявлен диапазон любого типа, например диапазон концентраций, вязкостей или температур и тому подобных, это подразумевает, что раскрыто или заявлено индивидуально каждое возможное число, которое такой диапазон мог бы уместно охватывать, в том числе входящие в него поддиапазоны. Например, при описании вязкости между около 2400 мПа·с и около 2600 мПа·с предполагается, что каждое возможное число, которое такой диапазон мог бы уместно охватывать, включено в это изобретение, обычно до значений в пределах диапазона с одним значащим разрядом, больше, чем присутствует в конечных точках диапазона. В этом примере при представлении вязкости от 2400 мПа·с до около 2600 мПа·с такое описание предполагается эквивалентным описанию вязкости около 2400 мПа·с, около 2410 мПа·с, около 2420 мПа·с, около 2430 мПа·с, около 2440 мПа·с, около 2450 мПа·с, около 2460 мПа·с, около 2470 мПа·с, около 2480 мПа·с, около 2490 мПа·с, около 2500 мПа·с, около 2510 мПа·с, около 2520 мПа·с, около 2530 мПа·с, около 2540 мПа·с, около 2550 мПа·с, около 2560 мПа·с, около 2570 мПа·с, около 2580 мПа·с, около 2590 мПа·с или около 2600 мПа·с, включая любые диапазоны, поддиапазоны или любые комбинации диапазонов и поддиапазонов между этими указанными числами включительно. Соответственно этому заявители сохраняют за собой право оговаривать или исключать любые индивидуальные члены любой такой группы, в том числе любые поддиапазоны или комбинации поддиапазонов внутри группы, если по любой причине заявители выбирают для заявления меньше чем полный объем изобретения, например, принимая во внимание ссылку, о которой заявители не осведомлены на момент подачи заявки.

[0039] В любой заявке перед подачей в Бюро по патентам и товарным знакам США реферат этой заявки приводят для цели удовлетворения требованиям статьи 37 Свода федеральных правил (C.F.R.), § 1.72 и для цели, указанной в статье в 37 C.F.R., § 1.72(b), «чтобы позволить Бюро по патентам и товарным знакам США и общественности в основном определить быстро, беглым просмотром, сущность и смысл технического изобретения». Поэтому Реферат этой заявки не предназначен для использования в формировании области пунктов патентной формулы или для ограничения области предмета изобретения, который здесь раскрыт. Кроме того, любые заголовки, которые могут быть использованы здесь, не предназначены для использования в формировании области пунктов патентной формулы или для ограничения области предмета изобретения, который здесь раскрыт. Любое использование прошедшего времени для описания примера, иным образом показанного как предполагаемого или прогнозируемого, не подразумевает отражения того, что предполагаемый или прогнозируемый пример был фактически проведен.