БИОЦИДНАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ
BIOCIDAL COMPOSITION AND METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к биоцидной композиции и способу быстрого обеззараживания и долговременной консервации щелочной водной среды. Композиция содержит смесь 2,2-дибром-3-нитрилопропионамида и 2-бром-2-нитро-1,3-пропандиола.
Предшествующий уровень техники
Промышленная гигиена играет важную роль в предотвращении бактериального заражения и биоповреждения готовой продукции. Термин промышленная гигиена охватывает правильные практические способы ведения домашнего хозяйства, микробный мониторинг материалов и технологического оборудования и способы обеззараживания сырьевых материалов, технической воды, рециркулируемого материала, конечной продукции и технологического оборудования.
Для использования в области промышленной гигиены, биоцидная композиция должна проявлять по меньшей мере эффективность быстрого обеззараживания, чтобы иметь широкое применение. Например, во время периодов высокой производительности в процессах изготовления красок, при постоянной и быстрой рециркуляции промывочной воды требуется, чтобы микроорганизмы уничтожались биоцидом в относительно короткий промежуток времени (от минут до часов). Кроме того, остающиеся скопления сырьевых материалов (например, латекса, загустителей, минеральных взвесей и поверхностно-активных веществ) в емкостях для хранения больших объемов обычно загрязнены и могут впоследствии служить в качестве источника заражения при добавлении и контакте со свежими сырьевыми материалами. Таким образом, применение биоцида с быстрой обеззараживающей активностью является благоприятным для санитарной обработки скоплений сырьевых материалов непосредственно перед наполнением емкостей для хранения. В дополнение к быстрому обеззараживанию, важно, чтобы биоцид оставался функциональным для защиты против дальнейшей инокуляции микроорганизмами в течение продолжительного периода времени. И, поскольку водные материалы, которые требуют микробного обеззараживания, часто являются щелочными, биоцидная композиция должна обладать способностью обеспечивать продолжительную консервацию в таких щелочных условиях.
В настоящее время продукты, используемые для обеззараживания, делятся на две категории: 1) быстродействующие и быстро разлагаемые биоциды, такие как продукты на основе 2,2-дибром-3-нитрилопропионамида (DBNPA), где наиболее часто обеззараживание происходит менее чем за один час; и 2) более медленно действующие и с более длительным воздействием, такие как продукты на основе CMIT/MIT (смеси 5-хлор-2-метил-3-изотиазолона и 2-метил-3-изотиазолона), где обеззараживание происходит приблизительно за 24 часа, и антимикробное средство является стабильным в системе в течение недели. В таком втором семействе рыночных продуктов представлены смеси CMIT/MIT и 2-бром-2-нитро-1,3-пропандиола (BNPD). Эти смеси выигрывают от более быстрого антимикробного действия BNPD и более долговременной консервации за счет CMIT/MIT. Однако CMIT/MIT представляет собой известный сенсибилизатор.
J. Agr. Food. Chem
1/2
DBNPA является желательным биоцидом, поскольку он является быстродействующим, недорогим веществом, которое проявляет эффективность против широкого спектра микроорганизмов. Известно, однако, что DBNPA претерпевает быстрое гидролитическое разрушение в щелочном растворе. Например, Exner et al., ., 1973, 21(5), 838-842 (“Exner”) сообщают о том, что DBNPA является “устойчивым в кислотных условиях, но скорость исчезновения увеличивается приблизительно в 450 раз при переходе от рН 6, по существу нейтрального, до рН 8,9, слабощелочного. При рН 11,3 период полураспада (t) для исчезновения DBNPA составляет 25 сек, по существу моментальный” (См. Exner, стр. 839, левый столбец). Сообщается, что при рН 8 период полураспада DBNPA составляет 2 часа (при 25°С). См. Exner, стр. 839, таблица 1.
TM
BNPD проявляет высокую активность, эффективность против широкого спектра микроорганизмов и низкую токсичность для млекопитающих в используемой степени и, следовательно, также является очень желательным биоцидом. Известно, однако, что BNPD претерпевает некоторое разложение при щелочных значениях рН. Вследствие этого, поставщики BNPD рекомендуют интервал применения рН, который не является основным или является только слабоосновным. Например, литературные источники по продукту Nipaguard BNPD от Clariant рекомендуют интервал рН от 3,0 до 7,0. Литературные источники по продукту Bioban Bronopol (продукт на основе BNPD) от Dow Chemical Company сообщают, что наибольшая долговременная химическая устойчивость для материала достигается при уровнях рН приблизительно от 4 до 8.
В патенте США 4732913 сообщается, что смеси DBNPA и BNPD могут быть использованы при различных применениях, таких как охлаждающая вода и пульпа и производство бумаги. Для таких применений, однако, требуется только быстродействующий биоцид, который быстро обеззараживает систему. Долговременная консервация, особенно когда система повторно инокулирована микроорганизмами после первоначального обеззараживания, не является, как правило, предметом рассмотрения.
10
В данной нише рынка существует потребность в несенсибилизирующем биоциде, который будет сочетать быстрое обеззараживание от микроорганизмов (минимально 4 log снижение за 1 час) с расширенной защитой от будущей атаки микроорганизмов в течение по меньшей мере одной недели. Дополнительно, биоцид должен обеспечивать такие характеристики в щелочных условиях.
Краткое описание сущности изобретения
В одном аспекте изобретение относится к способу ингибирования роста микроорганизмов в щелочной водной среде, требующей как быстрого обеззараживания, так и долговременной консервации. Способ включает включение в водную среду эффективного количества биоцидной смеси, содержащей 2,2-дибром-3-нитрилопропионамид (DBNPA) и 2-бром-2-нитро-1,3-пропандиол (BNPD).
Во втором аспекте изобретение относится к композиции, в которой рост микроорганизмов ингибируется в течение короткого периода времени и долговременно. Композиция содержит 2,2-дибром-3-нитрилопропионамид (DBNPA); 2-бром-2-нитро-1,3-пропандиол (BNPD) и щелочную водную среду.
Подробное описание изобретения
10
Как отмечено выше, изобретение предоставляет способы и композиции для ингибирования роста микроорганизмов в щелочной водной среде, где среда требует как быстрого обеззараживания, так и долговременной консервации. Как используется в данном описании, быстрое обеззараживание означает минимально 4 log снижение концентрации микроорганизмов в пределах 1 часа. Как используется в данном описании, долговременная консервация означает, что водная среда является резистентной по меньшей мере к одной атаке микроорганизмов, которая происходит в любое время вплоть до одной недели после введения биоцидной смеси в среду.
Для обеспечения как быстрого обеззараживания, так и долговременной консервации от роста микроорганизмов (например, бактерий, дрожжей, грибков и водорослей) в щелочной водной среде, изобретение предлагает введение в такую среду биоцидной смеси, содержащей 2,2-дибром-3-нитрилопропионамид (DBNPA) и 2-бром-2-нитро-1,3-пропандиол (BNPD). Авторы изобретения обнаружили, что данная биоцидная смесь неожиданно обеспечивает как быстрое обеззараживание, так и долговременную консервацию в течение от одной до двух недель в щелочных матрицах. Таким образом, авторы изобретения обнаружили, что щелочная водная среда, зараженная микроорганизмами, быстро обеззараживается биоцидной смесью, и обработанная среда далее сопротивляется заражению, вызванному введенной второй инокуляцией микроорганизмами, например, через три или семь дней. Под термином “щелочная” подразумевают, что рН водной среды составляет выше 7. Предпочтительно, рН равен 7,5 или выше, более предпочтительно 8 или выше. В дополнительных вариантах осуществления рН равен 8,5 или выше или 9 или выше.
Открытие авторов изобретения является удивительным, поскольку, в соответствии с сообщениями из предшествующего уровня техники, как DBNPA, так и BNPD быстро разлагаются при щелочных рН. От данных биоцидов, следовательно, не ожидается проявление расширенной эффективности при таких рН. Как отмечено выше, сам DBNPA имеет период полураспада, равный только 2 часам при рН 8, и рекомендованный интервал использования для BNPD составляет рН 3-8. Авторы изобретения обнаружили, что смесь DBNPA/BNPD неожиданным образом действительно показывает сильную консервационную способность в моменты времени, которые, как полагали ранее, являются недостижимыми для таких щелочно-лабильных молекул.
Быстрое обеззараживание и долговременная консервация при щелочных рН является важной в ряде областей, включающих промышленную гигиену и различные другие приложения, такие как обеззараживание и консервация сырьевых материалов, конечной продукции и технологической/промывочной воды, используемой при производстве готовой продукции, а также очистке оборудования и цистерн. Примеры подходящих промышленных областей включают краски и покрытия, латексы, минеральные взвеси, адгезивы, детергенты, очистители, приспособления для чистки, продукты для ухода за автомобилями и сырьевые материалы для этих продуктов. Другие подходящие области промышленности включают разведку нефти и газа, консервацию жидкостей для гидроразрыва, дубление кожи и продукты для индивидуальной гигиены. Охлаждающая вода в водонапорных башнях, приложения, связанные с пульпой и бумагой, озера и лагуны исключены из изобретения, поскольку представляют собой области промышленности, где, как правило, не требуется долговременная консервация.
Предпочтительно, массовые отношения DBNPA:BNPD, используемые в изобретении, находятся в интервале приблизительно от 100:1 до 1:100, более предпочтительно от 16:1 до 1:16 и даже более предпочтительно от 5:1 до 1:5. В дополнительных предпочтительных вариантах осуществления массовое отношение (DBNPA:BNPD) составляет приблизительно от 5:1 до 2:1, особенно предпочтительно, отношение равно приблизительно 3:1.
Предпочтительно, два биоцида предварительно смешивают при предпочтительном соотношении, указанном выше, и дозируют в водную среду в виде единого продукта. Биоциды могут, однако, также добавляться в водную среду по отдельности, хотя это является менее предпочтительным. Используемая концентрация для смеси может быть легко определена специалистом в данной области. Предпочтительно используемая концентрация составляет приблизительно от 100 ч./млн до 4000 ч./млн (частей на миллион), более предпочтительно приблизительно от 125 до 2000 ч./млн по массе, из расчета на общую массу водной среды. В некоторых случаях может быть желательно либо быстрое обеззараживание, либо долговременная консервация (по сравнению с обоими). В этих случаях количество необходимого биоцида может быть легко подобрано соответственно.
Предпочтительно, биоциды составляют вместе в виде смеси в воде и гликоле или другом пригодном растворителе. Для этого предпочтительного варианта осуществления, общая концентрация активных веществ для смеси предпочтительно составляет приблизительно от 5% до приблизительно 90%, более предпочтительно приблизительно от 10% до приблизительно 30% масс.
В водную среду могут быть включены другие биоциды. Однако предпочтительно, если присутствует CMIT/MIT, чья концентрация равна менее 15 ч./млн, более предпочтительно менее 5 ч./млн, из расчета на общую массу водной среды. Даже более предпочтительно, чтобы водная среда не содержала CMIT/MIT. Это обусловлено тем, что CMIT/MIT является известным сенсибилизатором для кожи.
Как отмечено выше, смесь DBNPA/BNPD может быть использована в щелочных водных средах, требующих как быстрого обеззараживания, так и долговременной консервации. Смеси предпочтительно применяют для обеззараживания сырьевых материалов, конечной продукции, технологической/промывочной воды и оборудования, используемых в различных областях промышленности, включая следующие: краски и покрытия, латекс, минеральные взвеси, адгезивы, детергенты, очистители, приспособления для чистки и продукты для ухода за автомобилями.
Следующие примеры являются иллюстративными для изобретения, но не предназначены для ограничения его объема.
Примеры
Тестировали антимикробные профили DBNPA, BNPD и комбинации DBNPA-BNPD (3:1 м/м) на промышленном латексе на водной основе (UCAR Latex 626, доступный от The Dow Chemical Company) и типовом образце минеральной взвеси. Промышленные латексы отличаются по значениям рН от слабокислотных до основных. Для целей данного исследования был выбран латекс с основным рН (8,7), так как известно, что как BNPD, так и DBNPA имеют ограниченную химическую стабильность при щелочных значениях рН. Минеральные взвеси отличаются по рН, но наиболее часто они являются щелочными. Для целей данного исследования была выбрана взвесь диоксида титана с рН 8,35.
6
10
Как латекс, так и минеральная взвесь не содержали микробных загрязнений перед тестированием. При нулевой временной отметке, тестируемые матрицы инокулировали пулом микроорганизмов (перечислены ниже) до конечной концентрации, равной 5×10 КОЕ/мл. Аликвоты зараженных образцов развешивали в ряд стерильных контейнеров с последующим добавлением соответствующего объема биоцида, требуемого для достижения желаемой концентрации. Контрольный образец, не содержащий биоцид, включали в каждую оценку. После добавления биоцида, образцы тщательно взвешивали, и аликвоты удаляли и засевали штрихом в чашки с трипсиновым соевым агаром, в различные моменты времени, для подсчета количества выживших микроорганизмов. Все чашки с агаром инкубировали при 30°С в течение 72 часов перед оценкой жизнеспособных бактерий. Для всех полученных результатов минимальное 4 log снижение концентрации микроорганизмов, по сравнению с контрольным образцом, считалось достижением существенной эффективности.
Микроорганизмы
6
Pseudomonas aeruginosa
Pseudomonas aeruginosa
Staphylococcus aureus
Burkholderia cepacia
Pseudomonas fluorescens B
Pseudomonas oleovorans
Enterococcus sulfureus
Двадцатичетырехчасовые бульонные культуры на трипсиновой сое объединяли в равных частях для составления инокуляции при конечной концентрации, равной 5×10 КОЕ/мл. Используемые организмы:  (ATCC#15442),  (ATCC#10145),  (ATCC#6538),  (ATCC#25416),  (изолят из окружающей среды),  (изолят из окружающей среды),  (изолят из окружающей среды). Для оценки эффективности быстрого обеззараживания для биоцидов, аликвоты удаляли на 60-х минутах после первоначальной инокуляции, засевали штрихом в чашки с трипсиновым соевым агаром для подсчета количеств выживших микроорганизмов. Образцы хранили в условиях окружающей среды в течение трех или семи дней, соответственно, в зависимости от того, в какой момент времени проводили вторую инокуляцию для тестирования эффективности долговременной консервации биоцидов. Аликвоты удаляли на 4 ч и/или 24 ч или 48 ч после второй инокуляции и засевали штрихом в чашки с трипсиновым соевым агаром для подсчета количества выживших микроорганизмов.
Синергизм
Коэффициенты синергизма, представленные в данном описании, измерены и рассчитаны с использованием формулы 1. При данном подходе коэффициент синергизма (КС) 1 указывает на аддитивность. Если коэффициент синергизма менее 1, синергизм имел место, в то время как коэффициент синергизма более 1 указывает на антагонизм.
А
а
в
b
Коэффициент синергизма=С/С+С/C, (1)
а
где С означает концентрацию одного антимикробного средства А, приводящую к предварительно определенному конечному результату;
b
С означает концентрацию одного антимикробного средства В, приводящую к предварительно определенному конечному результату;
А
в
С и С означает концентрацию антимикробных средств А и В, соответственно, вместе в смеси, что приводит к предварительно определенному конечному результату.
Результаты эффективности для UCAR Латекс 626
10
Как ожидалось, DBNPA отдельно, при концентрации 140 ч./млн активного средства, является эффективным при обеззараживании латекса, через 1 ч после внесения первоначального инокулята. BNPD, даже при наивысшей тестируемой активной концентрации (600 ч./млн), не достигал 4 log снижения бактериальной концентрации через 1 час. Комбинация 120 ч./млн активного DBNPA и 35 ч./млн активного BNPD эффективно обеззараживала образец, и в данный момент времени был достигнут коэффициент синергизма менее 0,92. Истинное значение комбинации и очень неожиданный результат выявили поведение после второй инокуляции на трехдневной временной отметке. Через четыре часа после второй инокуляции, максимальные тестируемые концентрации активных средств по отдельности не позволили достичь обеззараживания, в то время как комбинация 177,5 ч./млн DBNPA и 59,2 ч./млн BNPD оказалась эффективной (КС<0,54). Через 24 ч после второй инокуляции было обнаружено, что BNPD (95,7 ч./млн активного средства) является эффективным. Однако комбинация была эффективной при очень низкой концентрации двух активных средств (КС<0,29). Даже еще более удивительным было то, что когда вторую инокуляцию проводили через семь дней после начальной инокуляции, относительно малые концентрации двух активных средств в комбинации позволяли достичь обеззараживания через 24 часа (80,9 ч./млн DBNPA и 27 ч./млн BNPD). Сам по себе DBNPA не обеспечивал обеззараживания даже при наивысших тестируемых концентрациях, хотя при использовании по отдельности требовалось 95,7 ч./млн BNPD. На основании этих данных рассчитывали коэффициент синергизма, равный 0,48. Это оказалось действительно неожиданным, поскольку, исходя из общепринятых представлений, можно было предсказать, что два активных средства дезактивируются к этому более позднему моменту времени.
10
10
Аналогичные результаты наблюдали для минеральной взвеси. Для данных экспериментов аликвоты удаляли через 30 мин после начальной инокуляции и оценивали на предмет бактериального содержания. Как DBNPA (при 23,4 ч./млн), так и комбинация DBNPA и BNPD (3:1 массовое отношение активных средств) (17,6 ч./млн DBNPA и 5,9 ч./млн BNPD) были найдены эффективными, в то время как BNPD не был эффективен при наивысшей тестируемой концентрации 600 ч./млн активного средства к этому очень раннему моменту времени. Коэффициент синергизма для комбинации был равен 0,76. Снова, неожиданно, комбинация эффективно защищала минеральную взвесь от второй инокуляции, введенной через семь дней. Таким образом, в аликвотах, проанализированных через 48 часов после второй инокуляции, 400 ч./млн DBNPA или 35,1 ч./млн BNPD, когда применялись по отдельности, были эффективными при получении 4 log снижения микроорганизмов. При сравнении, комбинация 26,4 ч./млн DBNPA и 8,8 ч./млн BNPD позволяла достичь 4 log снижения микроорганизмов. Значительный синергизм (коэффициент синергизма 0,32) наблюдали к данному более позднему моменту времени, что поддерживает активность комбинации DBNPA-BNPD.
Сравнительный Пример
В обеих матрицах, CMIT/MIT по отдельности или в комбинации с BNPD (поставляемое как Acticide LA) не удалось достичь быстрого обеззараживания, как определено в данном описании. Два продукта были эффективными в качестве консервантов длительного действия и в некоторых случаях проявляли синергизм для долговременной консервации, но не могли обеспечить быстрого обеззараживания и продолжительной консервации вместе. Важно отметить, что концентрация CMIT 15 ч./млн представляет собой предел сенсибилизации для кожи, установленный R43 в Европе (см. приложение I Директивы 67/548/ЕЕС).
Хотя изобретение было описано выше в соответствии с его предпочтительными вариантами осуществления, оно может быть модифицировано в пределах существа и объема данного раскрытия. Подразумевают, что настоящее описание, следовательно, охватывает любые вариации, применения или адаптации изобретения, с использованием общих принципов, раскрытых в данном описании. Дополнительно, подразумевается, что настоящее описание охватывает такие отступления от настоящего раскрытия, которые привносятся известной или общепринятой практикой в области, к которой относится настоящее изобретение, и которые входят в объем следующей формулы изобретения.