СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ И БИООБРАСТАНИЙ В ВОДНЫХ СИСТЕМАХ Российский патент 1995 года по МПК C02F1/50 

Изобретение относится к способам борьбы с загрязнениями микроорганизмов, включая обработку воды, производство целлюлозы и бумаги и заводнение нефтеносного пласта.

Загрязнение микроорганизмов связано с осаждением микробов или образованием биопленок фактически на любой поверхности, погруженной в водную среду. В системах водяного охлаждения биопленки снижают скорость теплопередачи и загрязняют трубопроводы и теплообменные трубы, в результате значительно увеличивается сопротивление трению и потребляется большое количество энергии для накачки жидкости. Во вторичных процессах добычи нефти из отходов, которые включают в себя заводнение нефтеносного пласта, биопленки могут вызвать забивание нефтеносной свиты. Также известно, что возникновение сильной коррозии может быть результатом образования кислот, связанного с ростом биопленок определенных бактерий. Эти биопленки часто состоят из бактерий, выделяющих сульфат, которые анаэробно размножаются в воде, причем часто в присутствии масла и природных газов.

Известен способ подавления микроорганизмов в водных системах, включающий обработку окислительными биоцидами: хлором, бромом, двуокисью хлора, хлоризоциануратами и галоидсодержащими гидантонами. Также они включают в себя безокислительные биоциды: четвертичные соединения аммония, изотиазолоны, альдегиды, пара-аминбензойные кислоты и органосоединения серы.

Обычно названные биоциды применяют для уничтожения планктонных микроорганизмов в системах циркуляции воды, например, в башенных холодильниках и в аппаратах для пастеризации. До настоящего времени мало исследовали эффективность биоцидов на сидячих микроорганизмах. Современные исследования показывают, что многие, широко применяемые биоциды, являются сравнительно неэффективными против сидячих микроорганизмов.

Известно, что только несколько безокислительных биоцидов являются эффективными в уничтожении сидячих микроорганизмов в определенных биопленках. Известно, что против таких сидячих микроорганизмов являются эффективными изотиазолоны, формальдегид и глутаровый альдегид.

Таким образом, существует необходимость в создании такого биоцида, который будет эффективным в уничтожении сидячих микроорганизмов и который можно применять при уровнях концентрации ниже тех, при которых используют известные биоциды.

Настоящее изобретение касается способа борьбы с загрязнением водной системы микроорганизмами, который заключается в подаче ортофталевого альдегида в водную систему в количестве 0,5-1000 частей/млн. Обнаружено, что ортофталевый альдегид является особенно эффективным в уничтожении сидящих микроорганизмов, присутствующих в различных водных средах, чувствительных к загрязнению бактериями, причем в этом отношении он более эффективен, чем другие известные биоциды.

Ортофталевый альдегид имеет формулу
CHO и для кратности его дальше будут называть иногда как "ОРА".

На практике ОРА применяют в водной системе в "количестве, эффективном против микробов", т.е. по меньшей мере требуется минимальное количество ортофталевого альдегида для уничтожения или по существу исключения роста микроорганизмов, которые прилипают к стенкам или другим поверхностям конструкции системы. Конкретное требуемое количество ОРА изменяется в зависимости от множества факторов, включая типы сидячих микроорганизмов. Время контакта между ОРА и микроорганизмом и водной системой, в которой применяют ОРА.

Обычно ортофталевый альдегид применяют до 5 мас. Однако, ввиду его эффективности в качестве биоцида против сидячих микроорганизмов ОРА применяют в малом количестве, например, от примерно 0,5 до ≈1000 частей/млн. (РРМ) и обычно ≈5-500 частей/млн. Концентрация ОРА, превышающая 5 мас. (50000 частей/млн. ), которая является пределом растворимости ОРА в воде при температуре 25^оС, может достигаться при применении смешивающегося с водой совместного растворителя, например, смешиваемых с водой гликолей, спиртов, фуранов и простых эфиров. Типичные сорастворителями для применения в способе согласно этому изобретению являются этиленгликоль, метанол, этанол и тетрагидрофуран. Обычно, когда применяют сорастворимость, то предпочтительны сорастворители с более высокой температурой кипения как, например, этиленгликоль.

Хотя глутаровый альдегид и формальдегид являются предпочтительными биоцидами для уничтожения или исключения роста сидячих микроорганизмов, однако было обнаружено, что ортофталевый альдегид является более эффективным, чем любой из этих биоцидов для уничтожения или исключения роста сидячих микроорганизмов. Однако должно быть ясно, что ОРА можно применять в способе согласно этому изобретению в комбинации с одним или несколькими биоцидами, как например, глутаровый альдегид, формальдегид и другие биоциды. Типичными такими другими биоцидами являются: хлор, бром, двуокись хлора, хлоризоцианураты, галоид содержащие гидантоины, четвертичные соединения аммония, изотиазолоны, парааминобензойные кислоты и органические соединения серы.

Водные системы, которые обрабатывают способом согласно изобретению, представляют собой системы, способные поддерживать рост сидячих микроорганизмов. Такие системы могут содержать широкий спектр сидячих микроорганизмов, включая бактерии, дрожжи, грибки, плесень и морские водоросли.

Быстрое уничтожение микроорганизмов особенно важно в промышленных процессах, в которых время контакта между биоцидом и микроорганизмом сравнительно непродолжительное. Примеры таких процессов включают в себя: (1) обработка охлаждающей воды и суспензий на бумажных фабриках, на которых часть воды периодически теряется или удаляется и заменяется свежей водой, таким образом биоцид теряется в течение нескольких часов после его добавки; (2) заводнение нефтеносного пласта, при котором биоцид используют в нерециркуляционной системе; (3) смазки для конвейеров. Такие системы могут иметь время контакта меньше, чем четыре часа.

Помимо скорости уничтожения микроорганизмов во многих процессах также важна степень уничтожения в условиях продолжительного контакта. Примеры включают в себя: (1) контроль загрязнения микроорганизмами в рециркулирующих промышленных водных средах как, например, жидкость или металлообработки или теплопередающая среда; (2) уничтожение микроорганизмов в замкнутых водных системах, например, системы кондиционирования воздуха, воздушные промывочные аппараты, системы водяного охлаждения.

Примеры, следующие ниже, представлены для иллюстрации изобретения. Все части и проценты даны по массе.

Обозначения:
ppm части на миллион по массе воды,
GA глутаровый альдегид,
FA формальдегид,
TGE триптоный экстракт глюкозы,
SRB выделяющая сульфат бактерия.

Для культивирования различных типов микроорганизмов, применяемых в примерах, используют следующие способы.

Образование аэробных биопленок на пеницилиндрах из нержавеющей стали способ А.

20 мл стерильного бульона Bacto TGE помещают в стерильную чашку Петри (15х100 мм), добавляют 10 мл испытываемых аэробных организмов, культивированных в течение 24 ч. Затем стерильные пеницилиндры (с наружным диаметром 10 мм, внутренним диаметром 7 мм, длиной 10 мм) помещают в зараженную среду. Цилиндры укладывают в чашу на один конец или на одну сторону. Затем чашку Петри, содержащую цилиндры, выдерживают в термостате при температуре 37^оС в течение 48 ч. После этого цилиндры отдельно удаляют асептически при помощи пинцетов на стерильную фильтровальную бумагу и промывают три раза путем погружения в стерильный соляной раствор. Этот способ применяют, чтобы проверить, что испытывались только организмы, прочно прикрепленные в биопленке.

Затем два цилиндра, покрытые биопленкой, осторожно опускают в отдельные 10 мл испытательные трубы, содержащие растворы биоцида различной концентрации. Через один час и четыре часа времени контакта цилиндр асептически переносят в свежую трубку с бульоном TGE и подвергают завихрению в течение 30 с для удаления всех сидячих организмов. Полученную суспензию последовательно разбавляют и делают посев на чашку Петри, применяя агаровую среду TGE, для подсчета количества. Плоскодонные чашки Петри выдерживают в термостате в течение 48 ч при температуре 37^оС до подсчитывания.

Образование биопленки бактерий, выделяющих сульфат, на цилиндрах из мягкой стали способ В.

Среду, содержащую SRB, приготовили следующим образом:
14,5 г бульона Bacto Sulfate API Broth (Difco Labs) и 2,0 г агара Bacto Agar (Difco Labs) добавляют в 100 мл дистиллированной воды. Раствор нагревают и перемешивают до растворения всех компонентов. Также готовят 1%-ный раствор тиогликолята натрия в дистиллированной воде. Затем оба раствора выдерживают в автоклаве при температуре 121^оС в течение 30 мин. После охлаждения в смесь добавляют 5 г раствора тиогликолята натрия.

Пеницилиндры из мягкой стали (с наружным диаметром 10 мм, внутренним диаметром 7 мм и длиной 10 мм) очищают, выдерживая их в течение 10 мин, в 0,5% соляной кислоте. Затем цилиндры промывают три раза дистиллированной водой и высушивают до их применения.

Бутылку емкостью 4 унций с винтовой пробкой продувают аргоном для удаления кислорода, закрывают пробкой и затем обрабатывают в автоклаве. После охлаждения в эту бутылку добавляют 100 мл стерильной среды SRB. Затем добавляют очищенные цилиндры вместе с 10 мл культуры SRB, выдерживают в течение пяти дней. Все операции проводят в условиях постоянного потока аргона для уменьшения уровней содержания кислорода. Затем бутылку выдерживают в термостате в течение 7-14 дней (в зависимости от применяемой среды SRB) при температуре 37^оС. После этого цилиндры отдельно удаляют асептически с применением пинцета и промокают стерильной фильтровальной бумагой.

Затем два цилиндра, покрытые биопленкой, осторожно опускают в отдельные 10 мл испытательные трубки неаэрированных раствором биоцида различной концентрации. Все растворы биоцида и контрольные растворы содержат 30 частей/млн. поверхностно-активного вещества неионного нонилфенолэтоксилата (TERGITOL NP-4, Юнион Карбайд Кемиклз энд Пластикс, Компани, Инк. Донбари, СТ). Через один час и четыре часа времени контакта цилиндр удаляют промокнув стерильной фильтровальной бумагой и помещают в ампулу SRB (CSiS Laboratories, Tulsa, OК). Затем ампулу подвергают обработке ультразвуком (Модель 12 Brausonic) в течение 30 с для удаления сидячих организмов. Полученный раствор последовательно разбавляют в дополнительных ампулах SRB для перечисления. До считывания содержимое ампул выращивают в течение 28 ч при температуре 37^оС. Как показатель роста применяют чернение ампул.

Рост планктонных бактерий, выделяющих сульфат способ С.

Основной штамм испытываемой бактерии SRB выращивают в ампуле SRB в течение 4 дней при температуре 37^оС. Затем ампулу продувают аргоном в течение примерно 30 с для удаления избыточного сероводорода. После этого в каждую ампулу SRB ряда вносят 0,1 мл этого основного штамма. Ампулы выдерживают в термостате при температуре 37^оС в течение 4 дней. Затем каждую из этих ампул продувают аргоном. Готовят соответствующие основные растворы биоцида, таким образом добавки 0,1-1,0 мл обеспечивают требуемую концентрацию биоцида в каждой ампуле SRB. После 1 ч и 4 ч времени контакта из каждой ампулы удаляют 1 мл аликвоты и вводят в ампулы с свежими бактериями SRB. Затем эти ампулы последовательно разбавляют для перечисления.

Для уменьшения ошибки все сообщенные ниже уровни концентрации времени контакта испытывают дважды, а результаты усредняют. Полученные результаты показали уменьшение количества микроорганизмов в сравнении с контрольными цилиндрами, обработанными подобным образом без применения биоцида.

П р и м е р 1. Результаты в зависимости от биопленок аэробных бактерий.

Во всех экспериментах с аэробными биопленками используют взятые из нефтеносного пласта аэробные бактерии. Эта культура содержит в основном виды бактерий Pseudomonas. Биопленки получают, следуя указанному способу А. Соответствующие образцы обрабатывают перечисленными ниже биоцидами различной концентрации и после 1 ч и 4 ч времени контакта подсчитывают количество бактерий.

Результаты следующие (табл. 1).

Этот пример показывает, что ортофталевый альдегид превосходит по эффективности глутаровый альдегид и формальдегид.

П р и м е р 2. Результаты в зависимости от биопленок аэробных бактерий.

С ортофталевым альдегидом сравнивают четыре альдегида ароматического ряда для определения их эффективности в уничтожении организмов, содержащихся в биопленках. Выбранные соединения: салициловый альдегид (SA); орто-4 окси-3 метоксибензальдегид (OVA); 2,3-дигидроксибензальдегид (ДНВ); и 2-карбоксибензальдегид. На основании минимальной концентрации ингибитора (МIC), указанного в табл. 2, можно предположить, что SA, OVA и ДНВ по существу соответствуют ортофталевому альдегиду, тогда как СВ менее эффективен.

Соответствующие образцы пяти соединений испытывают на сидячих микроорганизмах, вкрапленных в биопленки. Биопленка состояла из различных микроорганизмов, но содержала в основном виды Рseudomonas, выращенные с применением способа А.

После 1 и 4 ч контакта подсчитывают количество организмов.

Результаты представлены в табл. 3.

Этот пример показывает эффективность ортофталевого альдегида против сидячих микроорганизмов в биопленках, даже, когда другие альдегиды применяют при уровнях превышающих в четыре раза концентрациюортофталевого альдегида.

П р и м е р 3. Результаты в зависимости от биопленок сидячих анаэробных бактерий.

Культуру SRB получают из затопленной водой нефтяной скважины на Аляске. Затем бактерии выращивают на стенках стальных пеницилиндров, применяя описанный способ В. Затем соответствующие образцы контактируют с глутаровым альдегидом, формальдегидом или ортофталевым альдегидом в течение 1 и 4 ч, при этом получены следующие результаты (табл. 4).

Как и в испытаниях на аэробных пленках эти данные указывают на то, что неожиданно низкая концентрация ортофталевого альдегида (10 част./млн.) может полностью уничтожить все сидячие анаэробные организмы, содержащиеся в биопленке, в течение 4 часов. Для достижения такого же уровня эффективности потребуется значительно выше концентрация любого глутарового альдегида или формаль- дегида.

П р и м е р 4. Результаты испытаний на планктонных анаэробных бактериях.

Следуя способу С, выращивают такой же образец планктонных бактерий SRB, которые применяли в примере 3. Соответствующие образцы бактерий обрабатывают различными концентрациями ортофталевого альдегида, причем в каждом случае записывают уменьшение количества бактерий.

Результаты испытаний представлены в табл.5.

Лучшая эффективность ортофталевого альдегида (ОРА) в уничтожении сидячих микроорганизмов является очевидной из сравнения результатов примеров 3 и 4. Результаты таблицы 5 (пример 4) показывают, что полное уничтожение планктонных микроорганизмов РВ не достигает при таких высоких концентрациях биоцида ОРА как, например, 500 частей/млн. С другой стороны, когда его применяют для обработки сидячих микроорганизмов как в примере 3, то полное уничтожение микроорганизмом достигается при низких концентрациях ОРА, т.е. 10-50 частей/млн. Результаты примера 3 являются удивительными, поскольку обычно считают, что легче уничтожить планктонные организмы, чем микроорганизмы, содержащиеся в биопленках.

Использование подавление микроорганизмов и биобрастаний в водных системах при производстве бумаги и во вторичных процессах извлечения нефти из отходов. Сущность: способ заключается в подаче ортофталевого альдегида в водные системы, чувствительные к загрязнению бактериями. Ортофталевый альдегид вводят в количестве 0,5 - 1000 частей/млн, индивидуально или совместно с глутаровым альдегидом или формальдегидом. 2 з.п. ф-лы, 5 табл.

1. СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ И БИООБРАСТАНИЙ В ВОДНЫХ СИСТЕМАХ, включающий введение биоцида, отличающийся тем, что в качестве биоцида используют ортофталевый альдегид. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ортофталевый альдегид вводят в количестве 0,5 1000,0 млн^-1. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ортофталевый альдегид вводят совместно с глутаровым альдегидом или формальдегидом.