Результат интеллектуальной деятельности: БОРЬБА С БИОПЛЕНКОЙ ГАЛОГЕНИРОВАННЫМИ АМИДАМИ В КАЧЕСТВЕ БИОЦИДОВ

Перекрестные ссылки на родственные заявки

Данная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки США № 61/179161, поданной 18 мая 2009 г, которая введена настоящей ссылкой во всей своей полноте.

Область изобретения

Изобретение относится к способам борьбы с биопленкой в водной или влагосодержащей системе путем обработки системы галогенированным амидным биоцидом.

Предпосылки создания изобретения

Биопленки растут в почти любой среде, где имеется сочетание микроорганизмов, влаги, питательных веществ и поверхности. В промышленности биопленки появляются в процессах на основе воды, включая процессы водоподготовки и распределения воды. Биопленка, образованная ростом микроорганизмов, является причиной огромных экономических потерь в промышленности из-за коррозии оборудования и трубопроводов, забивки систем, порчи продукта и потерь мощности. Биопленка образуется путем нарастания слоев микроорганизмов, составляющих структурированное сообщество, инкапсулированное внутри самопроизвольно развившегося полимерного матрикса. Микроорганизмы внутри биопленки известны как сессильные (прикрепленные) микроорганизмы, тогда как свободно плавающие не входящие в биопленку микроорганизмы являются планктонными микроорганизмами.

При росте в биопленках сессильные микроорганизмы являются более выносливыми к антимикробной обработке. Например, 2,2-дибром-3-нитрилпропионамид ("DBNPA") является доступным в продаже биоцидом, который очень эффективен при уничтожении планктонных микроорганизмов, однако, он не настолько эффективен, когда используется для обработки биопленок, в первую очередь из-за его быстрого гидролиза и, соответственно, короткого промежутка времени контакта с сессильными бактериями внутри биопленки.

Биоциды, которые демонстрируют эффективность против связанных с биопленкой микроорганизмов, необязательно эффективны при удалении биопленки с загрязненной поверхности. Физическое присутствие остатков биопленки (например, экзополисахаридов и мертвых бактериальных клеток) приводит к неравномерному доступу кислорода к поверхности металла, что дает возможность возникновения коррозии. Таким образом, уничтожение микроорганизмов в биопленке без удаления биопленки с поверхности не всегда может позволить решить проблему коррозии.

Было бы значительным прогрессом в промышленности предложить биоцид с высокой эффективностью против как планктонных, так и сессильных клеток, который обладал бы высокой способностью удалять биопленку с загрязненной поверхности.

Сущность изобретения

Изобретение обеспечивает способ борьбы с сессильными микроорганизмами и биопленкой в водных или влагосодержащих системах. Способ включает обработку водной или влагосодержащей системы эффективным количеством соединения формулы I:

в которой Х представляет галоген, и

R и R¹ являются, соответственно, гидроксиалкилом и цианорадикалом (-C≡N), или

R и R¹ являются, соответственно, водородом и амидорадикалом формулы:

Краткое описание фигур

Фиг.1 является гистограммой, показывающей снижение числа живых сесильных бактерий после обработки биоцидом для разных временных интервалов.

Фиг.2 является гистограммой, показывающей эффективность биоцидов при удалении биопленки.

Подробное описание изобретения

Как было отмечено выше, изобретение относится к способам борьбы с биопленкой в водной или влагосодержащих системах. Способ включает обработку водной или влагосодержащей системы эффективным количеством соединения формулы (I). Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что соединения формулы (I) являются эффективными при борьбе с сессильными клетками. Кроме того, соединения являются также эффективными при удалении уже сформировавшихся биопленок в водных или влажных системах, таком как с поверхностей работающего в системе оборудования.

Соединения формулы (I) имеют следующую химическую структуру:

в которой Х представляет галоген, и

R и R¹ являются, соответственно, гидроксиалкилом и цианорадикалом (-C≡N), или

R и R¹ являются, соответственно, водородом и амидорадикалом формулы:

Предпочтительно, Х в соединениях формулы I представляет бром, хлор или йод, более предпочтительно, представляет собой бром.

Предпочтительным соединением формулы (I) является 2,2-дибром-2-циано-N-(3-гидроксипропил)ацетамид.

Следующим предпочтительным соединением формулы (I) является 2,2-дибромомалонамид. Термин "2,2-дибромомалонамид" означает соединение следующей формулы:

Соединения формулы (I) могут быть приготовлены специалистами с использованием хорошо известных литературных методик.

В дополнение к их всеохватывающей эффективности против биопленок соединения по изобретению являются также неожиданно более стойкими к гидролизу при рН от почти нейтрального до щелочного, чем другие биоциды. Например, приведенные ниже примеры показывают, что при рН 6,9 2,2-дибромомалонамид (DBMAL), образцовое соединение по изобретению, является в высшей степени более стабильным, чем DBNPA (сравнительный биоцид). Потери DBMAL не обнаруживались за 96 часов, тогда как 84% DBNPA было потеряно за такой же временной интервал при идентичных условиях.

Так, в следующем осуществлении соединения формулы (I) используют в способе борьбы с сессильными микроорганизмами и биопленкой в водной или влагосодержащей системе, в которой водо- или влагосодержащий компонент имеет рН 5 или выше. В некоторых осуществлениях рН составляет 6 или выше. В следующих осуществлениях рН составляет 7 или выше. В еще следующих осуществлениях рН составляет 8 или выше.

Водные или влагосодержащие системы, которые могут быть обработаны соединениями по изобретению, включают, но не ограничиваются этим, целлюлозно-бумажное производство, систему градирни, теплообменники, рабочие жидкости металлообработки, систему обработки воды обратным осмосом, воды бурения, разрыва пласта и добычи нефтяных и газовых месторождений, нефтяные и газовые скважины и резервуары, системы переработки и транспортировки нефти и газа, системы сепарации нефти и газа и складские емкости, нефтепроводы и газопроводы, газовые баллоны, унитазы, плавательные бассейны, бытовые стоки, бытовые поверхности и технологическое оборудование, канализационные системы, системы переработки сточных вод и других промышленных технологических вод, бойлерные системы, балластную воду и оборудование, трубопроводы, трубы и другие поверхности в этих системах. Предпочтительными водными и влагосодержащими системами являются целлюлозно-бумажное производство, системы градирен, системы обработки воды обратным осмосом, системы разработки нефтяных и газовых месторождений и системы разделения, транспорта и хранения нефти и газа, трубопроводы, газовые баллоны, рабочие жидкости металлообработки и системы мембранной фильтрации.

Представительные системы мембранной фильтрации включают системы, содержащие одну или несколько полупроницаемых мембран, включающих, но не ограниченных этим, микрофильтрационные, ультрафильтрационные, нанофильтрационные мембраны, мембраны обратного осмоса и ионообменные мембраны. Подходящие системы включают те, которые содержат мембраны одного типа (например, микрофильтрационные), и те, которые содержат мембраны многих типов (например, ультрафильтрационные и обратного осмоса). Например, система мембранной фильтрации может включать микрофильтрационную или ультрафильтрационную мембрану на входе и нанофильтрационную мембрану или мембрану обратного осмоса на выходе.

Являющиеся предметом изобретения биоцидные соединения могут быть добавлены в перерабатываемый раствор перед фильтрацией (например, добавлены в складской резервуар или в пруд-отстойник, содержащие раствор, который должен обрабатываться) или во время фильтрации (например, дозироваться в находящийся под давлением перерабатываемый раствор во время фильтрации). Кроме того, являющиеся предметом изобретения биоцидные соединения могут быть добавлены к очищающим растворам или к растворам для хранения мембран, которые контактируют с мембраной. Для целей данного описания любой водный раствор (например, неочищенная питательная вода, очищающий раствор, раствор для хранения мембран и т.д.), контактирующий с мембраной системы, называется "перерабатываемым раствором".

Являющиеся предметом изобретения биоцидные соединения, когда они используются в системе, имеющей и микро- или ультрафильтрационные мембраны, и мембраны нанофильтрации или обратного осмоса, обеспечивают биоцидный эффект на каждой мембране (например, и на входных, и на выходных мембранах).

Часть биоцидного соединения, отторгнутая мембраной (мембранами), может быть извлечена из потока концентрата и подана в рецикл для использования при последующей обработке (например, возвращена в складской резервуар или подана в качестве ингредиента в поступающее сырье). Рецикл биоцидного соединения может быть частью периодического или непрерывного процесса.

Во многих системах мембранной фильтрации рН перерабатываемого раствора составляет по меньшей мере 7, часто по меньшей мере 8, в некоторых осуществлениях по меньшей мере 9 и в других осуществлениях по меньшей мере 10. Примеры таких мембранных систем описаны в US 6537456 и US 7442309. Кроме того, мембраны многих систем обычно очищают или хранят с перерабатываемыми растворами, имеющими величины рН по меньшей мере 11, а в некоторых осуществлениях по меньшей мере 12. В отличие от DBNPA (как описано в WO 2008/091453) являющиеся предметом изобретения биоцидные соединения остаются эффективными при таких нейтральных и щелочных условиях. Как следствие, являющиеся предметом изобретения биоцидные соединения могут быть добавлены к более широкому кругу перерабатываемых растворов (например, к водным перерабатываемым растворам с регулируемым рН, водным очищающим растворам, водным растворам для хранения мембран), используемых в связи с системами мембранной фильтрации.

Тип используемых в таких системах мембран не является особо лимитированным и включает плоский лист, цилиндрическое и полое волокно. Предпочтительный класс мембран включает тонкопленочные композитные полиамидные мембраны, обычно используемые при нанофильтрации и обратном осмосе, какие в общем описаны в US 4277344, US 2007/0251883 и US 2008/0185332. Такие мембраны нанофильтрации и/или обратного осмоса обычно предлагаются в виде плоских листов в спирально завитой конфигурации. Неограничительные примеры микрофильтрационных и ультрафильтрационных мембран включают пористые мембраны, изготовленные из различных материалов, включающих полисульфоны, полиэфиросульфоны, полиамиды, полипропилен и поливинилиденфторид. Такие микро- и ультрафильтрационные мембраны обычно поставляются в виде полого волокна.

Специалист с обычной подготовкой может легко определить без ненужных экспериментов эффективное количество соединений формулы I, которое должно быть использовано при любом конкретном применении. Например, количество в по меньшей мере 1 ч/млн, альтернативно по меньшей мере 5 ч/млн по массе, альтернативно по меньшей мере 10 ч/млн или по меньшей мере 50 ч/млн обычно является достаточным. В некоторых осуществлениях количество составляет 1000 ч/млн или менее, альтернативно, 500 ч/млн или менее, или 300 ч/млн или менее, или 200 ч/млн или менее, или 100 ч/млн или менее. В следующих осуществлениях количество находится между примерно 20 и примерно 30 ч/млн.

Соединения формулы I могут быть использованы в водной или влагосодержащей системе с другими добавками, такими как, но не ограниченными этим, сурфактанты, ионные/неионные полимеры, ингибиторы накипи и коррозии, ловушки кислорода и/или другие биоциды.

Соединения формулы I используются для борьбы с широким многообразием микроорганизмов. В одном осуществлении микроорганизмом являются бактерии вида Legionella, включая такие бактерии, чья численность увеличена переносом через амебу. Предпочтительным биоцидом для этого осуществления против Legionella является 2,2-дибромомалонамид.

Бактерия Legionella была обвинена как причина болезни легионеров и лихорадки Понтиак, совместно известных как легионелоз. Многие вспышки легионелоза были приписаны испарительно-охлаждающим системам, доставлявшим инфекционные дозы. Legionella показывает сравнительно уникальную способность к выживанию, паразитируя и пребывая внутри амебы, в конце концов растворяя клетки своего хозяина, чтобы возникнуть в виде зрелых вызывающих инфекцию форм. Этот механизм рассматривался как основной способ увеличения численности Legionella в природных и искусственных водных системах и их повышенной вирулентности. Крайне желательным является биоцид, который может эффективно бороться с Legionella, включая формы Legionella, сделавшиеся более вирулентными в результате переноса через амебу. Как показано примерами, соединения формулы I, такие как 2,2-дибромомалонамид, являются эффективными для борьбы с такими бактериями.

Описанные здесь соединения являются неожиданно более эффективными при борьбе с сессильными микроорганизмами/микроорганизмами биопленки, чем другие биоциды, включая имеющееся в продаже соединение DBNPA, и поэтому представляют значительное достижение в промышленности.

Для целей данного описания "микроорганизм" означает бактерии, водоросли или вирусы. Термин "борьба" должен широко истолковываться так, чтобы включать в свое значение и не быть ограниченным этим торможение роста или размножения сессильных микроорганизмов, уничтожение сессильных микроорганизмов, дезинфекцию и/или консервацию. "Борьба" также охватывает частичное или полное удаление биопленки сессильных микроорганизмов с поверхности, к которой она, по меньшей мере частично, присоединена.

Под "гидроксиалкилом" подразумевается алкильная группа (т.е. алифатическая группа с прямой или разветвленной цепью), которая содержит от 1 до 6 атомов углерода и замещена гидроксильной группой. Примеры включают, но не ограничиваются этим, гидроксиметил, гидроксиэтил, 2-гидроксипропил, 3-гидроксипропил и т.п.

"Галоген" обозначает фтор, хлор, бром или йод.

Если не указано иное, соотношения, проценты, части и т.п., использованные здесь, являются массовыми.

Следующие примеры являются иллюстрирующими изобретение, но не предназначены для ограничения его объема.

Примеры

В примерах оценивались следующие соединения:

2,2-дибром-3-нитрилпропионамид ("DBNPA"), полученный от Dow Chemical Company;

2,2-дибромомалонамид ("DBMAL"), полученный от Johnson Mathey;

Глутаральдегид, полученный от Dow Chemical Company;

CMIT/MIT (5-хлор-2-метил-4-изотиазолин-3-он и 2-метил-4-изотиазол-ин-3-он), полученные от Dow Chemical Company;

Хлорид диоктилдиметиламмония, полученный от Lonza Inc.

Пример 1

Получение 2,2-дибром-2-циано-N-(3-гидроксипропил)ацетамида (DBCHA)

0,1 моль 3-амино-1-пропанола (7,51 г) добавляли к раствору 0,1 моля метилцианоацетата (10,1 г) в метаноле (40 г). Смесь перемешивали и нагревали до 60°С в течение 30 минут. Метанольный растворитель отгоняли под вакуумом от продукта реакции. Продукт реакции без какой-либо дополнительной очистки растворяли в воде и вводили в реакцию с 0,1 моль брома (16 г) и 0,03 моль бромата натрия (5,0 г). Температуру реакции поддерживали ниже 30°С. После того как добавление брома и бромата натрия завершалось, реакционной смеси давали перемешиваться в течение 30 минут до нейтрализации до рН от 3 до 4 разбавленным гидроксидом натрия. Выход составлял 0,09 моль 2,2-дибром-2-циано-N-(3-гидроксипропил)ацетамида (28 г).

Пример 2

Сравнение устойчивости к гидролизу DBMAL и DBNPA

Разбавленные растворы (ниже 0,5% масс.) DBMAL и DBNPA готовили при трех разных рН. Величины рН устанавливали и поддерживали, используя стандартные буферные растворы, на значения рН 6,9, 8,0 и 9,0. Эти растворы затем выдерживали при постоянной температуре, или при -1°С, или при 30°С. Периодически анализировали аликвоты методом ВЭЖХ, чтобы определить оставшийся уровень DBMAL или DBNPA. Результаты показаны в таблице 1.

Таблица 1 показывает, что даже при почти нейтральных условиях (рН=6,9) и температуре 30°С DBMAL является в высшей степени более стабильным, чем DBNPA (сравнительный биоцид). Потери DBMAL не обнаруживались за 96 часов, тогда как 84% DBNPA было потеряно за такой же временной интервал при идентичных условиях.

Пример 3

Эффективность против бактерий, связанных биопленкой

Биопленки P. aeruginosa ATCC 10145 выращивали в приборах Калгари для биопленок (Innovotech, Alberta, Canada) в течение 42 часов. В приборах для выращивания биопленок в качестве культуральной среды использовали триптиказо-соевый бульон (TSB). После периода инкубации непрочно прикрепленные клетки, которые развились на поверхностях погруженных шпателей, удаляли с биопленки, смывая стерильным 0,85% NaCl. Биопленки затем обрабатывали DBMAL (биоцид по изобретению), глутаральдегидом (сравнительный биоцид) или DBNPA (сравнительный биоцид). Разбавленный раствор солей использовали в качестве испытательной среды для изучения эффективности. Солевой раствор содержит (в граммах на литр деионизированной воды) CaCl₂ 0,2203 г; MgSO₄ 0,1847 г и NaHCO₃ 0,2033 г. Конечный рН раствора доводили до 8,5.

Концентрации каждого испытанного активного вещества составляли 100 ч./млн, 50 ч./млн, 25 ч./млн, 12,5 ч./млн в растворе солей, и времена контакта составляли 4 часа, 24 часа и 48 часов, соответственно. Во всех случаях температура инкубации составляла 37°С. Стерильную деионизированную воду использовали в качестве небиоцидного контроля. После каждого времени контакта шпатели промывали стерильным 0,85% NaCl, и бактерии выделялись из биопленки на поверхность каждого шпателя в стерильном 0,85% NaCl обработкой ультразвуком (см. Ceri et al., Journal of Clinical Micribiology, 1999, 32, 1771-1776). Жизнеспособные бактерии затем подсчитывали в TSB, используя метод последовательного разведения. Данные, сравнивающие DBMAL с DBNPA и глутаральдегидом, представлены на фиг.1.

В общем случае DBMAL (биоцид по изобретению) является более эффективным, чем DBNPA (сравнительный биоцид), против сессильных бактерий. Глутаральдегид только показывает низкую эффективность при концентрации активного вещества 50 ч./млн после 48 часов обработки. При концентрации активного вещества 25 ч./млн DBMAL является очень эффективным биоцидом, и его эффективность возрастает с увеличением времени контакта.

Пример 4

Оценка удаления биопленки

Прибор Калгари для биопленок использовали для выращивания биопленки P. aeruginosa ATCC 10145. В качестве культуральной среды использовали TSB, и биопленкам давали развиваться в течение 42 часов. Шпатели с наросшей на поверхность биопленкой затем промывали стерильным 0,85% NaCl и затем обрабатывали DBMAL (биоцид по изобретению) или DBNPA (сравнительный биоцид). Концентрации испытуемых активных веществ составляли 25 ч./млн, 50 ч./млн, 100 ч./млн в стерильном разбавленном солевом растворе в качестве контрольной среды. Обработку проводили при 37°С в течение 4 часов и 24 часов, соответственно. Стерильную деионизированную воду использовали в качестве необрабатывающего контроля. После обработки шпатели промывали стерильным 0,85% NaCl и затем измеряли биомассу/биопленку на каждом шпателе (см. Stepanovic et al., Journal of Microbiological Methods, 2000, 40, 175-179). Вначале биопленку фиксировали 99% метанолом и после сушки на воздухе шпатели окрашивали 2% (мас./об.) кристаллическим фиолетовым и промывали водопроводной водой. Затем шпатели сушили на воздухе и связанный с биопленкой кристаллический фиолетовый экстрагировали 33% ледяной уксусной кислотой. Оптическую плотность ((OD) (ОП)) экстрагированного раствора измеряли при 580 нм. Результаты показаны на фиг.2.

Как можно видеть из данных, DBMAL (биоцид по изобретению) проявляет в целом более хорошее удаление биопленки, чем DBNPA (сравнительный биоцид). Эффективность удаления биопленки улучшается при более продолжительном времени для обоих материалов (24 часа по сравнению с 4 часами).

Пример 5

Борьба с амплифицированной амебой Legionella

Поскольку Legionella амплифицируется (увеличивает численность клеток) в природных и искусственных системах, таких как градирни, переносом через амебу, уничтожение таких скормленных амебам форм Legionella является более важным и релевантным. Этот пример использует скормленную амебам Legionella pneumophila (AfLp) при оценке подходящих биоцидов.

Legionella давали возможность инфицировать и расти внутри амебы (Acanthomoeba polyphaga), начиная с низкой множественности заражения (1 Legionella на 100 амебных клеток). Такой перенос повторяли до воздействия различными концентрациями биоцидов еще один раз, давая возможность установиться более вирулентной форме в качестве их доминантной физиологии. Оценку проводили после двух и двадцати четырех часов воздействия. Необходимую нейтрализацию биоцида проводили перед подсчетом выживших клеток. Таблица 2 ниже сравнивает эффективность различных биоцидов по отношению и к AfLp, и к свободным нормально выращенным клеткам Legionella.

Данные показывают, что для каждого испытанного биоцида количество, необходимое для уничтожения AfLp, больше, чем количество, необходимое для уничтожения свободной Legionella. Однако количества DBMAL, требуемые для подавления Legionella, намного меньше, чем требуемые количества для других испытанных биоцидов, включая DBNPA. Это является неожиданным и удивительным открытием. Концентрации DBMAL, необходимые для обеспечения log 6 числа уничтоженных клеток, только примерно в два раза больше, чем необходимое для борьбы со свободными клетками в соответствующие моменты времени. DBMAL предоставляет средство борьбы с более вирулентной формой AfLp при малых дозах по сравнению с другими обычно используемыми биоцидами.

Хотя изобретение было описано выше в соответствии со своими предпочтительными осуществлениями, оно может быть модифицировано в рамках духа и объема данного изобретения. Данная заявка поэтому предназначена для того, чтобы защитить любые вариации, применения или адаптации изобретения с использованием раскрытых здесь общих принципов. Далее, заявка предназначена для того, чтобы защитить такие отклонения от представленного описания, которые приходят из известной и потребительской практики в той области, которой принадлежит данное изобретение, и которые попадают в пределы следующей формулы изобретения.