專利名稱：避免和排除生物膜的方法和組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及在水承載系統(tǒng)，特別在工業(yè)工藝過(guò)程的水系統(tǒng)中，應(yīng)用至少一種酶組分和一種短鏈乙二醇組分，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，其中酶組分選自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一組酶。酶組分和乙二醇組分既可分別加到水承載系統(tǒng)的不同點(diǎn)，也可以酶和乙二醇的酶組合物形式加入。
工業(yè)工藝過(guò)程或運(yùn)行水系統(tǒng)，例如造紙廠的開(kāi)放或密閉水循環(huán)系統(tǒng)，特別是冷卻水系統(tǒng)，提供微生物生長(zhǎng)的合適條件，其結(jié)果粘膜，人所共知的生物膜，在水承載系統(tǒng)表面形成。特別在冷卻水系統(tǒng)，這些生物膜的淤積導(dǎo)致熱交換能力下降，損壞導(dǎo)管的連接點(diǎn)和腐蝕整個(gè)系統(tǒng)。在此情況下，對(duì)工藝過(guò)程控制的有害效應(yīng)可能發(fā)生，它可能降低該工業(yè)工藝過(guò)程的效率或損害產(chǎn)品的質(zhì)量。加上，生物膜或粘膜的淤積一般導(dǎo)致更高的能量消耗。
工業(yè)工藝過(guò)程受日益增長(zhǎng)的生物膜影響最大的是象制漿廠、紙廠、紙板廠和紡織廠等。以造紙機(jī)為例，非常大量的水在稱之為“白水系統(tǒng)”的循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)使用(一級(jí)或二級(jí)循環(huán)，即白水I或II)(按不同紙型，每噸紙要用高達(dá)大約100-1000m3的水)。含有分散的紙漿的白水成為微生物生長(zhǎng)的理想培養(yǎng)介質(zhì)。
生物膜淤積主要是由細(xì)菌組成，特別是格蘭氏陰性細(xì)菌，例如假單胞菌、不動(dòng)桿菌、需氧菌加產(chǎn)黃菌、脫硫弧菌、大腸桿菌、芽孢桿菌和八疊球菌。
格蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)是一個(gè)特別對(duì)粘膜形成有貢獻(xiàn)的因素。細(xì)胞壁由肽聚糖組成，還外加一個(gè)外膜，肽聚糖由乙酰氨基糖和氨基酸組成，外膜由蛋白質(zhì)、脂多糖和脂蛋白組成。反之，格蘭氏陽(yáng)性菌的細(xì)胞壁大多數(shù)是由肽聚糖和磷壁酸組成。
微生物也隨著膜的組成的變化產(chǎn)生廣泛的粘膜層或膜片。除少數(shù)例外，由細(xì)菌產(chǎn)生的粘膜，其組成是多糖，例如右旋糖酐、葡聚糖和多糖醛酸苷。由單一細(xì)菌產(chǎn)生的粘膜的體積可能是單個(gè)細(xì)菌體積的許多倍。
生物殺傷劑可以最有效地控制細(xì)菌粘膜的淤積，這些生物殺傷劑的效力在于能消滅運(yùn)行水中的微生物，并因此而防止粘膜的生長(zhǎng)。然而，生物殺傷劑引起了許多關(guān)于生態(tài)群落的疑慮，并且因?yàn)樗鼈兊亩拘?，在處理時(shí)造成很大的危險(xiǎn)?；谶@個(gè)原因，尋找消除生物膜的新途徑近幾年一直在進(jìn)行，尤其把注意力集中于酶方面。
雖然，生物膜的基體可能具有異相結(jié)構(gòu)，但它主要由多糖構(gòu)成。因此，排除粘膜領(lǐng)域的研究已經(jīng)特別集中于多糖(糖酶)的研究。最近發(fā)現(xiàn)，蛋白酶是消除生物膜或粘膜的有效手段(EP-A-590746)。目前應(yīng)用最多的蛋白酶是堿性蛋白酶，它衍生自各種芽孢桿菌菌株，它對(duì)堿具有優(yōu)越的穩(wěn)定性并具有蛋白(水解)酶活性。
U.S.4,684,469描述的一個(gè)工藝過(guò)程，其中一種生物殺傷劑的抗微生物活性可被多糖降解酶加強(qiáng)。
U.S.4,936,994描述一種纖維素酶、α-淀粉酶和一種蛋白酶的混合物可以用于排除生物膜，在DE 3741583中敘述了用于排除粘膜的混合物，其組成為葡聚糖酶和蛋白酶。
敘述于WO92/13807中的一個(gè)排除生物膜的工藝過(guò)程，其中使用一種混合物，其組成中含至少一種酸性或堿性蛋白酶，至少一種葡萄糖淀粉酶或α-淀粉酶和至少一種表面活性劑(即洗滌劑(表面活性劑))，它破壞粘著于水承載系統(tǒng)表面微生物外圍的多糖材料。
當(dāng)今使用的純酶混合物或酶組合物的一個(gè)共同特點(diǎn)是，它們一般必須與一種生物殺傷劑結(jié)合，以便達(dá)到實(shí)際應(yīng)用必須的有效程度(參閱例如U.S.5,324,432)。
本發(fā)明的目標(biāo)是提供在水承載系統(tǒng)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組合物或工藝過(guò)程，它們既能避免常規(guī)的生物殺傷劑的缺點(diǎn)，又能達(dá)到其有效的程度。
按照本發(fā)明，為達(dá)到其目標(biāo)，在水承載系統(tǒng)中加入至少一種酶組分，它選自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一組酶，和一種乙二醇組分，其通式為，R2(-O-R1)n-O-R3式中n是小于10的整數(shù)，R1是2或3個(gè)碳原子的烷基，R2和R3在各種情況分別可以是H和含1-6個(gè)碳原子的烷基或芳香基。
上述的乙二醇組分中的烷基可以是直鏈和支鏈的烷基。對(duì)芳香基一詞的具體理解是指6-14碳原子的基團(tuán)，它可能含有烷基取代基。烷基或芳香基R1、R2和R3在每種情況下可是相同的或不同的基團(tuán)。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，酶組分和乙二醇組分優(yōu)選同時(shí)被加入到水承載系統(tǒng)中。
按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，酶和乙二醇組分的聯(lián)合加入是以組合物的形式進(jìn)行，該組合物包括至少一種酶組分，它選自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一組酶，和一種乙二醇組分，其通式為R2(-O-R1)n-O-R3式中n，R1、R2和R3的含義同上。
本發(fā)明優(yōu)選的組合物包含乙二醇組分的濃度范圍，相對(duì)于總組合物，為10-80wt％，優(yōu)選的濃度范圍為20-60wt％。按照本發(fā)明的特別優(yōu)選方案，乙二醇組分的濃度范圍是20-40wt％。
按照本發(fā)明，組合物中酶的含量在90和1wt％之間，優(yōu)選的含量在90和20wt％之間，此處50-20wt％是最優(yōu)選的(每種情況相應(yīng)于液態(tài)組合物的重量)。相對(duì)于組合物100wt％的差額用水補(bǔ)足。
葡聚糖酶(α-和β-葡聚糖酶)、巖藻糖苷酶或果膠酶是糖酶類中優(yōu)先選用的酶。Esperase(絲氨酸蛋白酶，Novo)或Neutrase(金屬蛋白酶，Novo)特別可作為蛋白酶類考慮采用，Liponase(乙酰酯酶)特別適合作為一種脂肪酶用，并且糖苷內(nèi)切酶是在乙二醇蛋白酶類中優(yōu)先選用的酶。
雖然上述的某一種酶單獨(dú)使用不足以排除生物膜，令人驚奇的是，該酶和上述的短鏈乙二醇組分以組合物的形式加入到水承載系統(tǒng)或酶組分和乙二醇組分同時(shí)使用(加入)就會(huì)帶來(lái)粘膜削減能力的顯著改善。新生物膜的形成也大大地減少。甚至由于相當(dāng)少量組合物即可生效，使得每升工藝過(guò)程水或運(yùn)行水所必須的酶量可能極大地減少。
從以前的文章可知，當(dāng)水的pH值是中性時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞計(jì)數(shù)的顯著增加又通過(guò)粘膜形成而引起問(wèn)題增多。經(jīng)驗(yàn)表明，這個(gè)問(wèn)題甚至在使用生物殺傷劑也很難被控制。按照本發(fā)明，問(wèn)題可以解決，甚至在水的pH值是中性，如果上述的酶組分和乙二醇組分加入到系統(tǒng)中(分別加入或以酶組合物形式加入)，可以避免在水承載系統(tǒng)的表面形成粘膜并/或可以排除其表面的生物膜。
按照本發(fā)明的具體優(yōu)選實(shí)施例，可制得一種酶組合物，它包含β-葡聚糖酶和二乙二醇，其中二乙二醇比例相對(duì)于總組合物為10-80wt％，優(yōu)選的對(duì)相于總組合物的比例為20-60wt％。在本發(fā)明特別優(yōu)選的組合物中，β-葡聚糖酶比例為43wt％，并且二乙二醇比例為25wt％，相對(duì)100 wt％的差額用水補(bǔ)足。
在水承載系統(tǒng)中，表面粘膜的降解并或者防止表面粘膜生成方面，本發(fā)明的組合物發(fā)揮驚人的效力。按照本發(fā)明，水承載系統(tǒng)所指的是特殊工業(yè)工藝過(guò)程用水或運(yùn)行的水系統(tǒng)，即開(kāi)放或密閉循環(huán)系統(tǒng)，例如冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。本發(fā)明的組合物特別適合于紙廠的一級(jí)、二級(jí)并或者三級(jí)循環(huán)系統(tǒng)的使用(即白水I和II，廢水；參考例Ullmanns Encyklopadieder technischen Chemie，4tn Ed.，Verlag Chemie，Weinheim，Volume 17，p.577 et seg.)這些水系統(tǒng)是微生物的理想培養(yǎng)介質(zhì)，并且在其中粘膜的生成和生物膜的淤積成為主要問(wèn)題。粘膜生成的趨勢(shì)在白堊水承載循環(huán)系統(tǒng)中最大，并且生物膜的不充分排除導(dǎo)致紙質(zhì)量下降和造紙機(jī)運(yùn)行故障，以及由此而造成的運(yùn)行成本增加。事實(shí)已經(jīng)表明，本發(fā)明的組合物對(duì)于這些問(wèn)題的消除的適用性達(dá)到驚人的程度。
本發(fā)明的組合物在其它水承載系統(tǒng)也發(fā)揮其驚人的效力，例如開(kāi)放或密閉的水循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水及類似的循環(huán)系統(tǒng)。由于粘膜的降解或避免新粘膜形成的結(jié)果，特別是腐蝕的趨勢(shì)極大地降低，使水承載系統(tǒng)的耐久性提高了。
本發(fā)明還是涉及在水承載系統(tǒng)，特別是工業(yè)工藝過(guò)程水系統(tǒng)，使用本發(fā)明的組合物，以便避免表面粘膜的形成并或者排除其表面生物膜，其中加入到系統(tǒng)的組合物的量是以相對(duì)于所處理水的體積的，5-200ppm。
本發(fā)明的組合物是生態(tài)可接受的、無(wú)毒的、并且與已知的含酶純化組分比較，它具有明顯的高效力。對(duì)于上述的應(yīng)用，它作為傳統(tǒng)的、有毒的生物殺傷劑的取代物是最優(yōu)勢(shì)的。
酶具有一個(gè)最佳的pH值，這對(duì)于它們的活性是特定的。對(duì)于本發(fā)明的組合物，依據(jù)水承載系統(tǒng)的pH值，恰當(dāng)?shù)?、最佳的酶可以被選為本發(fā)明的組合物的成分。
現(xiàn)以如下參考例闡釋本發(fā)明。
實(shí)施例將43wt％β-葡聚糖酶，25wt％二乙二醇和32wt％水混合，成為一種酶組合物(酶配方A)。
這種組合物應(yīng)用于造紙廠中的兩部造紙機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)，排除生物膜，并避免粘膜的再生。造紙機(jī)的總?cè)萘繛槟戤a(chǎn)SC紙大約180,000噸。用于試驗(yàn)本發(fā)明的組合物的造紙機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖示于

圖1中，其中標(biāo)明了計(jì)量加入酶組合物的適當(dāng)位置。
進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作配料設(shè)備的安裝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)始之前幾天，Grace Dearborn DCS3020配料設(shè)備安裝完畢。選擇以下進(jìn)料位置(配料點(diǎn))1.按照本發(fā)明EUR8830，組合物加到造紙機(jī)PM1的貯槽主箱處的一個(gè)容器中(白水配料點(diǎn)指的是表1和圖1中的“SWI”)。2.生物殺傷劑配方I(含18wt％2，2-二溴-3-次氮基丙酰胺(DBNPA))輸入貯槽稠度敏感器“Debro”(配制點(diǎn)指表1中的“貯槽”)。3.生物殺傷劑配方II(含45wt％防腐粉-AS 2和2wt％二硫酚)從置有稠度敏感器的廢料槽輸入(配料點(diǎn)指表1中的“廢物點(diǎn)(“broke”)”)。
安裝兩臺(tái)“gamma/5”泵(ProMinent)，用于加入生物殺傷劑，并且一臺(tái)“Vario”泵(ProMinent)，用于加入本發(fā)明的組合物。在本發(fā)明的組合物實(shí)際試驗(yàn)開(kāi)始之前，對(duì)所有的泵進(jìn)行校正。
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)將所有機(jī)器徹底地清洗之后，開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在所研究的4個(gè)循環(huán)期間，配料量列于表1中。
在歷時(shí)9天的第一循環(huán)期間，本發(fā)明的組合物加入到白水中(每天4×30分鐘，每分鐘1458毫升)；生物殺傷劑加入到貯槽中(每天4×30分鐘，平行于本發(fā)明的配方，每分鐘60毫升)，并加入到“廢物”槽中(每天3×30分鐘，每分鐘75毫升)。在歷時(shí)20天的第二循環(huán)，生物殺傷劑的配料大約減少到50％，本發(fā)明的組合物配料保持不變(每天4×30分鐘，每分鐘1458毫升)。在歷時(shí)9天的第三循環(huán)，本發(fā)明的組合物配料減少到50％(每天4×30分鐘，每分鐘730毫升)。緊隨其后，第四循環(huán)開(kāi)始，在短循環(huán)中沒(méi)有加入生物殺傷劑(即沒(méi)有加入D7806)，按本發(fā)明配方的加入量再減少大約68％(每天4×30分鐘，每分鐘500毫升)。至此，造紙機(jī)用酶配方A處理了20天。少量的生物殺傷劑I用于廢物防腐(broke conservation)，不是白水的一部分。
使用上述酶組合物的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果敘述如下1.在貯槽和廢物槽中，白水體的浮游微生物群體混合物的總量每天都要測(cè)量，其測(cè)量方法是腺苷三磷酸測(cè)定(生物掃描)和總細(xì)菌計(jì)數(shù)(陪替氏膜和浸片(dipslide))。(腺苷三磷酸測(cè)量基本原理是。當(dāng)有熒光素和熒光素酶存在時(shí)，腺苷三磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)橄佘樟姿?，在各種情況下，每一個(gè)腺苷三磷酸分子發(fā)射一定量的光，光的強(qiáng)度用靈敏的光度計(jì)測(cè)量)。在白水中的測(cè)量結(jié)果表示在圖2-8中。細(xì)菌細(xì)胞計(jì)數(shù)或“相對(duì)光單位”(rlu)值沒(méi)有顯著的增加。這些圖顯示典型的系統(tǒng)的微生物的活性，它顯示不存在涉及粘膜生成的問(wèn)題，即粘膜的生長(zhǎng)被有效地抑制。2.機(jī)器經(jīng)常進(jìn)行檢查，看是否有粘膜形成和存在相關(guān)的問(wèn)題。在試驗(yàn)期間，在造紙機(jī)中沒(méi)有觀察到由微生物引起的問(wèn)題。不存在由于粘膜形成而必須將造紙機(jī)關(guān)閉的情況。3.紙的質(zhì)量也進(jìn)行類似的連續(xù)監(jiān)測(cè)。紙的黑斑和孔隙的統(tǒng)計(jì)分布，在本發(fā)明的組合物加入之前，之中和之后都被探測(cè)。測(cè)量結(jié)果表明，與使用生物殺傷劑的紙的質(zhì)量比較，現(xiàn)在制造的紙?jiān)诤诎吆涂紫稊?shù)方面不存在顯著的差別(參看圖9和圖10)。4.經(jīng)過(guò)三個(gè)月的成功的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之后，造紙機(jī)改為中性運(yùn)行。造紙機(jī)的監(jiān)測(cè)如前邊所述(見(jiàn)前邊)。
事實(shí)表明，甚至在中性pH值，酶組合物的加入防止了由于粘膜或生物膜形成的問(wèn)題出現(xiàn)。
造紙機(jī)被穩(wěn)定監(jiān)測(cè)并且沒(méi)有觀察到生物膜淤積。機(jī)器看上去很清潔，并且甚至在改變?yōu)橹行詐H值時(shí)也沒(méi)有因?yàn)槲⑸飭?wèn)題而停機(jī)。
在貯槽和廢物槽中的白水體里，細(xì)菌細(xì)胞計(jì)數(shù)的測(cè)定，定量記錄酵母和真菌，和腺苷三磷酸的測(cè)定按規(guī)定的時(shí)間間隔進(jìn)行。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，起初細(xì)菌細(xì)胞計(jì)數(shù)上升，最后達(dá)到一個(gè)平衡。酵母和真菌按比例下降是歸因于中性pH值(參見(jiàn)圖11-13)。
盡管細(xì)菌細(xì)胞計(jì)數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)按照本發(fā)明使用酶組合物時(shí)，再?zèng)]有觀察到屬于粘膜或生物膜生成的問(wèn)題。即使更高的細(xì)菌細(xì)胞計(jì)數(shù)，黑斑和孔隙數(shù)沒(méi)有增加，它說(shuō)明按照本發(fā)明，酶組分和乙二醇組分同時(shí)加入對(duì)于抑制粘膜形成是非常有效的。
結(jié)果概述本發(fā)明組合物的應(yīng)用獲得與使用生物殺傷劑相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。粘膜淤積被有效地消除(甚至在中性pH值)并且新生物膜的形成被有效地抑制。為了排除粘膜而使用本發(fā)明的組合物，為工業(yè)工藝過(guò)程水系統(tǒng)提供一種替代使用生物殺傷劑的方法，與生物殺傷劑相反，該方法是有效的和適合環(huán)境的，并且在成本方面也是有利的。由于本發(fā)明組合物的應(yīng)用，造紙機(jī)中孔隙和裂紋可以減少，并且在水承載系統(tǒng)中，氣味的問(wèn)題以及微生物引起的堵塞可能被有效地解決。
表1配料方式—循環(huán)Pml階段1(9天
階段2(20天
階段3(9天
階段4(20天)<
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權(quán)利要求
1.一種組合物，適用于避免水承載系統(tǒng)的表面形成粘膜并/或者排除其表面的生物膜，其特征在于組合物包括至少一種酶組分，該酶選自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一組酶，配合以如下通式的乙二醇組分，R2(-O-R1)n-O-R3式中，n是小于10的整數(shù)，R1是2或3個(gè)碳原子的烷基，R2和R3在每種情況分別可以是H或1-6個(gè)碳原子的烷基或芳香基。
2.按照權(quán)利要求1的組合物，其特征在于乙二醇組分占總組合物的比例是10-80wt％。
3.按照權(quán)利要求1的組合物，其特征在于酶組分占總組合物的比例是90-20wt％。
4.按照權(quán)利要求1-3的組合物，其特征在于糖酶是葡聚糖酶、巖藻糖苷酶或果膠酶。
5.按照權(quán)利要求1-4的組合物，其特征在于蛋白酶是Esperase(絲氨酸蛋白酶)或Neutrase(中性蛋白酶)。
6.按照權(quán)利要求1-5的組合物，其特征在于脂肪酶是脂解酶。
7.按照權(quán)利要求1-6的組合物，其特征在于乙二醇蛋白酶是內(nèi)切-糖苷酶。
8.按照權(quán)利要求1-7的組合物，其特征在于乙二醇是二乙二醇或丙二醇。
9.按照權(quán)利要求7的組合物，其特征在于酶是β-葡聚糖酶，和乙二醇是二乙二醇。
10.按照權(quán)利要求9的組合物，其特征在于組合物包含30-50wt％β-葡聚糖酶和20-40wt％二乙二醇。
11.至少一種酶組分，它選自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一組酶，和一種如下通式的乙二醇組分在排除水承載系統(tǒng)表面的生物膜并且/或防止表面粘膜形成中的應(yīng)用，R2(-O-R1)n-O-R3上式中n是小于10的整數(shù)，R1是2或3個(gè)碳原子的烷基，R2和R3在各種情況分別可以是H、1-6個(gè)碳原子的烷基或芳香基。
12.按照權(quán)利要求11的應(yīng)用，其特征在于酶組分和乙二醇組分是加到水承載系統(tǒng)的不同位置。
13.按照權(quán)利要求11的應(yīng)用，其特征在于酶組分和乙二醇組分是以權(quán)利要求1-10的酶組合物的形式加入到水承載系統(tǒng)。
14.按照權(quán)利要求13的應(yīng)用，其特征在于酶組合物加入的濃度是5-200ppm。
15.按照權(quán)利要求11-14的應(yīng)用，其特征在于水承載系統(tǒng)是開(kāi)放的或密閉的工業(yè)工藝過(guò)程水系統(tǒng)。
16.按照權(quán)利要求15的應(yīng)用，其特征在于工業(yè)工藝過(guò)程水系統(tǒng)是紙廠的開(kāi)放的或密閉的水循環(huán)系統(tǒng)。
17.按照權(quán)利要求16的應(yīng)用，其特征在于水承載系統(tǒng)是紙廠的白水承載循環(huán)系統(tǒng)。
18.按照權(quán)利要求15的應(yīng)用，其特征在于水承載系統(tǒng)是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明是涉及在水承載系統(tǒng)，特別在工業(yè)工藝過(guò)程的水系統(tǒng)中，應(yīng)用至少一種酶組分和一種乙二醇組分，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，其中酶組分選自糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乙二醇蛋白酶等一組酶。酶組分和乙二醇組分既可分別加到水承載系統(tǒng)的不同點(diǎn)，也可以以酶和乙二醇的酶組合物形式加入。
文檔編號(hào)B08B17/00GK1168637SQ95196641
公開(kāi)日1997年12月24日 申請(qǐng)日期1995年11月21日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月6日
發(fā)明者M·艾爾斯, K·范比, J·范普勒, J·F·舒爾茲, A·P·申克 申請(qǐng)人:貝茨迪爾伯恩有限公司