СТАБИЛЬНАЯ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ БИОЦИДНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
BIOCIDAL COMPOSITION, STABLE AT LOW TEMPERATURES

Перекрестные ссылки на связанные заявки
По данной заявке испрашивается приоритет по предварительной патентной заявке США №61/166934, поданной 6 апреля 2009 года, которая включена в данное описание посредством ссылки во всей своей полноте.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к стабильной при низких температурах и синергической биоцидной композиции, пригодной для применения в различных водных и неводных матрицах, таких как жидкое топливо.
Предшествующий уровень техники
Соединения N-(2-нитроалкил)морфолина представляют собой класс биоцидов, которые полезны для подавления роста микроорганизмов в различных окружающих средах, в таких как промышленные системы охлаждения воды, системы рециркуляции технической воды, системы по извлечению нефти и газа, и в топливах. FUELSAVER™, которая основана на смеси N-(2-нитробутил)морфолина и 2-этил-2-нитро-1,3-диморфолинопропана, является примером коммерчески доступных биоцидов на основе N-(2-нитроалкил)морфолина, которые используется для сохранения топлива.
Хотя N-(2-нитроалкил)морфолины представляют собой эффективные биоциды, многие из них кристаллизируются при температуре около 0°C. Поэтому такие биоциды, как правило, непригодны для применения, хранения или транспортировки при низких температурах.
Достижением в данной области техники будет предоставление композиций на основе N-(2-нитроалкил)морфолинов, которые будут стабильны при низких температурах, в частности таких, которые будут стабильными (т.е. не замерзают) при температурах по меньшей мере до -20°C. Также достижением будет предоставление композиций, которые обладают повышенной активностью в отношении широкого спектра микроорганизмов.
Краткое изложение сущности изобретения
В одном аспекте изобретение обеспечивает биоцидную композицию, которая стабильна при низких температурах и проявляет синергические свойства. Композиция содержит соединения N-(2-нитроалкил)морфолина формулы I:
где R, х и у являются такими, как определено в данном описании, вместе с ароматическим спиртом.
В другом аспекте изобретение обеспечивает смешенное топливо. Смешенное топливо состоит из жидкого топлива и биоцидной композиции, стабильной при низких температурах, раскрываемой в данном изобретении.
В еще одном аспекте изобретение обеспечивает способ, придающий матрице устойчивость к росту микроорганизмов, нуждающейся в такой устойчивости. Способ включает добавление в матрицу эффективного количества биоцидной композиции, описанной в данном описании.
Подробное описание изобретения
Как отмечалось выше, изобретение обеспечивает стабильную при низких температурах биоцидную композицию. В частности, было обнаружено, что композиции согласно настоящему изобретению стабильны при замораживании (то есть не замерзают) при температурах вплоть до -20°C. Это происходит несмотря на то, что отдельные компоненты композиции сами по себе нестабильны при замораживании при тех же температурах.
В дополнение к стабильности при низких температурах композиции согласно настоящему изобретению показывают также улучшенное подавление роста микроорганизмов по сравнению с другими стабильными при низких температурах композициями, не относящимися к изобретению.
Для целей данного описания, значение «микроорганизм» включает, но без ограничений, бактерии, грибки, водоросли и вирусы. Слова «контроль» и «подавление» следует толковать широко, чтобы включить в их смысл, но без ограничений, подавление роста и размножения микроорганизмов, уничтожение микроорганизмов, дезинфекцию и/или предотвращение повторного роста микроорганизмов.
Композиция настоящего изобретения содержит биоцидное соединение N-(2-нитроалкил)морфолина формулы I:
где R представляет собой водород, метил или этил; х равен 1 или 2; у равен 0 или 1; и сумма х и у равна 2; и ароматический спирт.
Предпочтительными биоцидными соединениями формулы I являются такие, где R представляет собой этил.
Также предпочтительными являются соединения, где у равен 1.
Кроме того, предпочтительными являются соединения, где у равен 0.
Конкретные примеры предпочтительных соединений формулы I включают: N-(2-нитроэтил)морфолин, N-(2-нитропропил)морфолин, N-(2-нитробутил)морфолин, 2-нитро-1,3-диморфолинопропан, 2-метил-2-нитро-1,3-диморфолинопропан, 2-этил-2-нитро-1,3-диморфолинопропан или смеси двух или нескольких из них.
Более предпочтительными являются N-(2-нитробутил)морфолин и 2-этил-2-нитро-1,3-диморфолинопропан.
Особенно предпочтительной является смесь N-(2-нитробутил)морфолина и 2-этил-2-нитро-1,3-диморфолинопропана. В данном варианте осуществления в дальнейшем предпочтительно, чтобы массовое отношение N-(2-нитробутил)морфолина к 2-этил-2-нитро-1,3-диморфолинопропану находилось приблизительно от 20:1 до приблизительно 10:1, соответственно более предпочтительно от 18:1 до приблизительно 14:1.
Ароматический спирт, используемый в композициях настоящего изобретения, функционирует в качестве стабилизатора замерзания, а также в качестве усилителя биоцидной эффективности. Подходящие ароматические спирты включают феноксиэтанол, бензиловый спирт и эфиры ароматических гликолей. Предпочтительным является феноксиэтанол.
Композиция согласно изобретению предпочтительно содержит приблизительно от 5 до 95 массовых процентов, более предпочтительно приблизительно от 15 до 75 массовых процентов, еще более предпочтительно приблизительно от 30 до 55 массовых процентов, и наиболее предпочтительно приблизительно от 38 до 44 массовых процентов соединения N-(2-нитроалкил)морфолина в расчете на общую массу биоцидов и ароматического спирта в композиции.
Особенно предпочтительная композиция настоящего изобретения содержит приблизительно от 38 до 44 массовых процентов смеси N-(2-нитробутил)морфолина и 2-этил-2-нитро-1,3-диморфолинопропана и приблизительно от 62 до 56 массовых процентов феноксиэтанола, в расчете на общую массу смеси N-(2-нитробутил)морфолина/2-этил-2-нитро-1,3-диморфолинопропана и феноксиэтанола, присутствующих в композиции.
Композиция может содержать другие добавки, включающие, но без ограничения, другие ароматические или неароматические растворители, растворители гликолевого типа и неароматические гликолевые эфиры, а также различные инертные или побочные материалы, которые могут быть результатом синтеза биоцидов, которые не удаляются во время проработки. Как правило, предпочтительно, чтобы общее количество соединений биоцидов и ароматического спирта составляло по меньшей мере приблизительно 70 массовых процентов, более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 80 массовых процентов композиции, в расчете на общую массу композиции.
Как отмечалось выше, более одного соединения N-(2-нитроалкил)морфолина могут быть объединены для использования в изобретении; в таких случаях соотношения и концентрации рассчитываются, используя общую массу всех присутствующих соединений N-(2-нитроалкил)морфолина.
Соединения N-(2-нитроалкил)морфолина для использования в изобретении являются коммерчески доступными или могут быть легко получены специалистом в данной области с использованием хорошо известных методов (см., например, патент США 3054749 и канадский патент 982475, оба включены в данное описание посредством ссылки). Ароматические спирты также являются коммерчески доступными или могут быть легко получены.
Композиции настоящего изобретения полезны при подавлении роста микроорганизмов в различных водных и неводных матрицах и матрицах, которые представляют собой смеси водных и неводных компонентов. Примеры включают, но не ограничиваясь ими, жидкости, используемые при обработке металлов, смазки для литья под давлением, смазки для пресс-форм, водные средства для мытья камер окрашивания распылением, покрытия, адгезивы, герметики, уплотнители, минеральные шламы, чернила, нефтепродукты (сырая нефть) или жидкое топливо, такое как бензин, дизельное, биодизельное топливо, эмульсии вода-топливо, топливо на основе этанола, топливо на основе эфира, дизельное масло, топливное масло или топливо на основе керосина. Благодаря стабильности при низких температурах композиции изобретения особенно подходят для подавления роста микроорганизмов в жидком топливе.
Специалист в данной области сможет легко определить без лишнего экспериментирования эффективное количество композиции, которое должно быть использовано в той или иной матрице для обеспечения подавления роста микроорганизмов. В качестве иллюстрации, подходящее эффективное количество (общее для соединений(ия) N-(2-нитроалкил)морфолина и ароматического спирта) составляет по меньшей мере 25 частей на миллион или по крайней мере примерно 500 частей на миллион по массе. Как правило, сумма составляет менее 20000 частей на миллион или менее чем примерно 2500 частей на миллион по массе.
Компоненты композиции настоящего изобретения могут быть добавлены к матрице отдельно или они могут быть предварительно смешаны перед добавлением. Специалист в данной области сможет легко определить подходящий способ добавления. Предварительное смешивание является предпочтительным.
Следующие примеры иллюстрируют изобретение, но не предназначены для ограничения его объема. Если не указано иное, используемые в данном описании коэффициенты, проценты, части и подобное приведены по массе.
Примеры
В примерах ниже тестировали следующие композиции:
Образец А
: сравнительная композиция, которая содержит 86 массовых процентов смеси N-(2-нитробутил)морфолина и 2-этил-2-нитро-1,3-диморфолинопропана в качестве биоцидных активных агентов (NBM/ENDM). Отношение NMB/ENDM составляло 16,2:1. Балансом композиции являются инертные газы/побочные продукты, образовавшиеся во время синтеза биоцидных активных агентов. Композиция не содержит феноксиэтанола. Композиция доступна от компании Dow Chemical как антимикробная FUELSAVER™.
Образец B
: композиция настоящего изобретения, которая содержит приблизительно 55 массовых процентов феноксиэтанола и приблизительно 45 массовых процентов образца А.
Образец C
: сравнительная композиция, которая является стабильной к замерзанию, и которая содержит смесь приблизительно 55 массовых процентов метилового эфира трипропиленгликоля в качестве стабилизатора замерзания и приблизительно 45 массовых процентов композиции образца А. Композиция не содержит феноксиэтанола.
Феноксиэтанол (PHE): ароматический спирт, доступный от The Dow Chemical Company как DOWANOL™ EPh.
Метиловый эфир трипропиленгликоля (TPM): неароматический спирт, который может быть использован в качестве стабилизатора замерзания. Он доступен от The Dow Chemical Company как DOWANOL™ TPM.
Пример 1
Тестирование на стабильность при замерзании-оттаивании
Образец А (сравнительная композиция), образец B (настоящего изобретения) и феноксиэтанол (сравнительная) помещали в морозильник -20°C на 24 часа, извлекали и наблюдали за замерзанием. Образцы размораживали полностью, затем снова помещали в морозильник еще на 24 часа. Данную процедуру осуществляли пятью циклами, в которых образцы помещали в морозильную камеру на пять периодов по 24 часа. Объем образца составлял 5 мл в прозрачном стеклянном контейнере с бакелитовой винтовой пробкой сверху. Результаты приведены в таблице 1.
<b>Таблица 1</b>
<b>Исследование замерзания-оттаивания: 5 циклов при -20°C в морозильнике</b>
Образец
Внутри: День 1
Снаружи: Оттаивали 3 часа
Внутри: день 2
Снаружи: Оттаивали 3 часа
Внутри: день 3
Снаружи: Оттаивали 3 часа
Образец B (по изобретению)
Не замерзает
Не замерзает
Не замерзает
Не замерзает
Не замерзает
Не замерзает
Образец A (сравнительный)
Замерзает
Оттаивали
Замерзает
Оттаивали
Замерзает
Оттаивали
Феноксиэтанол (сравнительный)
Замерзает
Оттаивали
Замерзает
Оттаивали
Замерзает
Оттаивали
Образец
Внутри: День 4
Снаружи: Оттаивали 3 часа
Внутри: день 5
Снаружи: Оттаивали 3 часа
Образец B (по изобретению)
Не замерзает
Не замерзает
Не замерзает
Не замерзает
Образец A (сравнительный)
Замерзает
Оттаивали
Замерзает
Оттаивали
Феноксиэтанол (сравнительный)
Замерзает
Оттаивали
Замерзает
Оттаивали
Как видно из данных таблицы 1, композиция настоящего изобретения (образец В) не замерзает, даже когда замерзают отдельные ингредиенты, биоцидная смесь (образец А) и феноксиэтанол, оба замерзают при тех же температурных условиях.
Пример 2
Эксперименты по подавлению микробов
Данный пример сравнивает эффективность композиции настоящего изобретения и композиции, не относящейся к изобретению, в дизельном топливе, в отношении различных микроорганизмов.
Методика
Pseudomonas aeruginosa
Yarrowia tropicalis
Hormoconis
resinae
Pseudomonas aeruginosa
Yarrowia tropicalis
Hormoconis resinae
Бактерии:  (АТСС#33988), дрожжи:  (АТСС#48138) и плесневый грибок:  АТСС#20495 субкультивировали в булоне Bushnell-Haas и использовали в качестве инокулята в данном примере. Бульон Bushnell-Haas использовали в качестве водной фазы ниже дизельного топлива. Тестирование проводили в течение 4 недель. Выживание микробов измеряли с помощью метода подсчета на чашках. Триптический соевый агар использовали для , декстрозный агар Сабуро с 0,5 мкг/мл гентамицина для  и агар бактериологической чистоты 1,5% с 0,01% теллурита калия использовали для . Бактерии инкубировали при 37°C в течение 48 часов, и грибы инкубировали при температуре 25°C в течение 5-7 дней.
Тестирование проводили в стеклянных бутылях с бакелитовой винтовой пробкой. Объемы: 130 мл дизельного топлива над 25 мл синтетической водной основой (бульон Bushnell-Haas). Тестируемый материал смешивали еженедельно, поворачивая бутыли вверх дном 5 раз.
Дизельное топливо получали от Haltermann Products (Channelview, TX). Дизельное топливо имело следующие характеристики: 2007 сертифицированное дизельное топливо, GMPT-5-019-; номер продукта: HF 582b; код продукта: 20582b.
В таблице 2 приведены результаты для "образца B", композиции настоящего изобретения. В таблице 3 приведены результаты для "образца C", сравнительной композиции, которая является стабильной к замерзанию. Таблица 4 показывает результаты для феноксиэтанола, который является компонентом в образце B, но нестабилен к замерзанию сам по себе. Таблица 5 представляет обобщение наименьших доз, необходимых для снижения концентрации жизнеспособных микроорганизмов до уровня <10 КОЕ/мл, для образцов B, C и феноксиэтанола.
<b>Таблица 2</b>
<b>Биоцидная эффективность: композиция настоящего изобретения, образец B</b>
День
Бактерии
Дрожжи
Плесневый грибок
Контрольный (без биоцида)
30
4,3E8
8,3E7
6,7E6
500 ч./млн.
30
8,0E2
5,6E2
2,6E3
750 ч./млн.
30
2,8E2
1,8E2
7,0E2
1000 ч./млн.
30
<10
<10
3,8E2
1500 ч./млн.
30
<10
<10
<10
2000 ч./млн.
30
<10
<10
<10
2500 ч./млн.
30
<10
<10
<10
День 0: бактерии 8,7E7 КОЕ/мл; дрожжи 2,3E7 КОЕ/мл; плесневый грибок 4,6E6 КОЕ/мл
<b>Таблица 3</b>
<b>Биоцидная эффективность: сравнительная композиция, образец C</b>
День
Бактерии
Дрожжи
Плесневый грибок
Контрольный (без биоцида)
30
4,3E8
8,3E7
6,7E6
500 ч./млн.
30
9,0E3
1,3E4
6,8E4
750 ч./млн.
30
7,8E3
5,6E3
1,1E4
1000 ч./млн.
30
1,1E3
8,4E2
8,0E3
1500 ч./млн.
30
4,0E2
2,8E2
3,9E3
2000 ч./млн.
30
<10
6,0E1
7,0E2
2500 ч./млн.
30
<10
<10
<10
День 0: бактерии 8,7E7 КОЕ/мл; дрожжи 2,3E7 КОЕ/мл; плесневый грибок 4,6E6 КОЕ/мл
<b>Таблица 4</b>
<b>Биоцидная эффективность: феноксиэтанол</b>
День
Бактерии
Дрожжи
Плесневый грибок
Контрольный (без биоцида)
30
4,3E8
8,3E7
6,7E6
500 ч./млн.
30
4,7E6
2,0E6
7,3E5
750 ч./млн.
30
1,3E6
7,2E5
6,7E5
1000 ч./млн.
30
4,8E5
1,8E5
5,6E5
1500 ч./млн.
30
6,0E4
7,3E4
9,0E4
2000 ч./млн.
30
1,7E4
5,5E4
7,8E4
2500 ч./млн.
30
9,6E3
2,3E4
5,5E4
День 0: бактерии 8,7E7 КОЕ/мл; дрожжи 2,3E7 КОЕ/мл; плесневый грибок 4,6E6 КОЕ/мл
<b>Таблица 5</b>
<b>Самая низкая дозировка, необходимая для снижения концентрации жизнеспособных микроорганизмов до уровня <10 КОЕ/мл (частей на миллион)</b>
NMB/ENDM в образце B ч./млн.
PHE в образце B ч./млн.
NMB/ENDM в образце C ч./млн.
PHE ч./млн.
Бактерии
387
550
774
>2500
Дрожжи
387
550
968
>2500
Плесневый грибок
581
825
968
>2500
Как видно из представленных данных, композиция настоящего изобретения (образец В) обеспечивает значительное улучшение микробиологического контроля по отношению к другим композициям, стабильным при низких температурах (образец С), а также по отношению к феноксиэтанолу, который нестабилен к замерзанию и не очень эффективен в качестве средства борьбы с микробами.
Пример 3
Синергизм композиции настоящего изобретения
Образец А и образец C повторно протестировали в тех же биоцидных активных концентрациях с использованием метода тестирования, описанного в примере 2, за исключением того, что испытание проводили в течение 7 дней, и выживание микробов измеряли через 24 ч и на 7 день. Результаты представлены в таблице 6.
<b>Таблица 6</b>
<b>Сравнение эффективности образца А и образца C при эквивалентной активной концентрации NMB/ENDM</b>
Время контакта
Концентрация NMB/ENDM (ч./млн.)
Рост микробов после биоцидной обработки через 24 часа и 7 дней
Бактерии
Дрожжи
<i>Образец A</i>
<i>Образец C</i>
<i>Образец A</i>
<i>Образец C</i>
24 часа
0 (контроль)
2,0E7
2,0E7
1,2E5
1,2E5
194
6,0E4
<10
1,1E4
2,7E3
387
<10
<10
<10
<10
774
<10
<10
<10
<10
День 7
0 (контроль)
1,1E9
1,1E9
4,0E5
4,0E5
194
<10
<10
<10
<10
387
<10
<10
<10
<10
774
<10
<10
<10
<10
День 0: бактерии 4,0E6 КОЕ/мл; дрожжи 6,1E6 КОЕ/мл; плесневый грибок 4,0E7 КОЕ/мл
Как показано в таблице 6, при эквивалентной активной концентрации эффективность образца А была в целом ниже, чем образца C.
Поскольку, как правило, образец А менее эффективен, чем образец C в той же активной концентрации, полученные результаты из таблицы 5 использовали для определения концентрации NMB/ENDM в образце C, которые необходимы для достижения уровня <10 КОЕ/мл, чтобы оценить индекс синергизма между NMB/ENDM и феноксиэтанолом. Индекс синергизма (SI), основанный на расчетных показателях синергизма для NMB/ENDM и феноксиэтанола, приведен в таблице 7.
Индекс синергизма=Са/Са+Cb/CB
Са: Концентрация NMB/ENDM в образце B, необходимая для снижения концентрации жизнеспособных микроорганизмов до уровня <10 КОЕ/мл;
CA: концентрация NMB/ENDM, необходимая для снижения концентрации жизнеспособных микроорганизмов до уровня<10 КОЕ/мл, когда используется один;
Cb: концентрация PHE в образце B, необходимая для снижения концентрации жизнеспособных микроорганизмов до уровня<10 КОЕ/мл;
CB: концентрация PHE, необходимая для снижения концентрации жизнеспособных микроорганизмов до уровня<10 КОЕ/мл, когда используется один.
Индекс синергизма =
<1: синергия1: аддитивность>1: антагонизм
<b>Таблица 7</b>
<b>Расчетные индексы синергизма между NMB/ENDM и феноксиэтанолом</b>
NMB/ENDM в образце B ч./млн. (Ca)
PHE в образце B ч./млн. (Cb)
NMB/ENDM ч./млн. (CA)
PHE (CB)
Индекс синергизма
Бактерии
387
550
>774
>2500
<0,72
Дрожжи
387
550
>968
>2500
<0,62
Плесневый грибок
581
825
>968
>2500
<0,93
Результаты в таблице 7 показывают, что существует синергический эффект между NMB/ENDM и феноксиэтанолом.
Хотя изобретение было описано выше в соответствии с его предпочтительными вариантами осуществления, оно может быть модифицировано, не отходя от существа и объема настоящего изобретения. Данное описание, следовательно, подразумевает охват любых вариантов, используя или адаптируя изобретение с использованием общих принципов, описанных в данном описании. Кроме того, описание подразумевает такие отступления от данного изобретения, которые входят в известные или в сложившуюся практику в области техники, к которой относится изобретение, и которые входят в объем следующих пунктов формулы изобретения.