控制含水系统中微生物生物膜的方法 【发明领域】
本发明的领域涉及破坏含水系统中的微生物生物膜。更具体地讲，本发明涉及用抗微生物或其他化合物破坏微生物生物膜。
【发明背景】
很多不同类型的工业操作或商业经营由于各种原因依赖大量水，如冷却系统，或者产生大量需要处理的废水。这些工业包括但不限于农业、石油、化工、制药、采矿、金属电镀、纺织、酿造、食品和饮料加工和半导体工业。天然产生的生物膜会在很多结构或设备表面或天然或生物表面上连续产生，并且通常积累。在工业装置中，存在这些生物膜导致工业机械效率降低，需要增加维修，并呈现潜在的健康危害。一个实例是水冷却塔的表面变得越来越被微生物产生的生物膜粘液覆盖，生物膜粘液缩小水流，并减小热交换容量。具体地讲，在流水或静水中，生物膜可造成严重问题，包括管线阻塞、由于膜下微生物生长腐蚀设备和潜在有害的病原菌生长。水冷却塔生物膜可形成维持致病微生物(如嗜肺性军团杆菌)生长的港口或储库。
食品加工线经常被其中生物膜通常包含潜在病原体的机械和食品上的生物膜积累困扰。工业生物膜是通过表面驻留微生物产生和制作的不溶富多糖生物聚合物的复杂组合。更具体地讲，生物膜或微生物粘液由从某些微生物挤出的多糖、蛋白质和脂多糖组成，这些物质使它们粘着到与水环境接触的固体表面上，并形成在保护膜内旺盛生长的固着细菌的持续菌落。这种膜可允许厌氧种类生长，产生酸性或腐蚀性条件。为了控制这些问题，需要用一些方法和抗微生物产物控制生物膜的形成和生长。控制生物膜包括防止微生物附着和/或从表面去除已有的生物膜。虽然在很多环境下去除通过用高碱性或氧化剂短期清洗处理完成，但控制生物膜的最一般使用的物质为抗微生物剂和分散剂。在美国专利5,411,666中教授一种去除生物膜或防止生物膜在固体基质上积累的方法，所述方法包括组合至少两种生物产生的酶(如酸性或碱性蛋白酶和葡糖淀粉酶或α淀粉酶)和至少一种表面活性剂。美国专利6,759,040教授一种制备以去除具体生物膜为目标的生物膜降解、多特异性水解酶混合物的方法。
美国专利6,267,897涉及一种通过加一种或多种植物油到商业和工业水系统抑制系统中生物膜形成的方法。然而，虽然抗微生物剂有效控制分散的微生物悬浮体，即浮游微生物，但抗微生物剂不能充分地对抗固着微生物，生物膜的基础。这是由于抗微生物剂穿透微生物细胞周围的多糖/蛋白粘液层困难。较厚的生物膜受到较小抗微生物剂穿透，不良抗微生物剂效力就是结果。如现有技术中公开，设法较佳控制生物膜的一种方法一直是将分散剂和湿润剂加到抗微生物剂组合物，以提高抗微生物剂效力。生物分散剂可促使保持浮游微生物充分分散，以使它们不附聚或达到引起担负锚接到表面或引进薄膜或菌落形成机制的胞外过程所需的局部密度。作为抗微生物处理制剂中的组分，这些生物分散剂有助于打开生物膜中的通道，以允许更佳的毒剂渗透性，并且使已弱化和从表面释放的微生物聚集体和团块更好地分散。然而，已证明生物分散剂防止初始生物膜形成比去除已有的生物膜更有效。在很多情况下，生物分散剂的活性只负责从生物结污表面去除25至30％生物质，即使与抗微生物剂结合使用。
因此，仍明确需要穿透已有生物膜和杀伤具有生物膜基质的生物膜生物体，减少微过滤系统污垢，较少清洗和/或更换并且增强总过滤过程的高效率和有效方法。
发明概述
现在已发现一种方法，所述方法通过使用脂质体载体提高抗微生物化合物引入复合基质的效率和有效性，从而去除工业水管系统中的污垢，这些工业水管系统包括管道、热交换器、冷凝器、过滤系统和介质及流体储槽。
根据本发明的一个实施方案，将含抗微生物剂(如亲水抗微生物剂)的脂质体加入到倾向于形成生物污垢和生物膜的水系统。脂质体与微生物表面或供微生物食用的物质在组成上类似，容易结合到已有的生物膜。一旦脂质体变得夹杂在生物膜基质内，就会进行脂质体的消化、分解或程序化破坏，从而释放抗微生物剂，或者含水抗微生物核与生物膜包裹的微生物局部反应。在生物体死亡后，多糖/蛋白质基质不能被补充，而是分解，从而减少含水系统的生物污垢。因此，根据所涉及的具体含水系统，去除或破坏此生物膜致使增加传热(工业热交换器)，增加通量(过滤器或过滤膜)，在微过滤膜表面上较少沉积胶态和颗粒状固体和溶解的有机物，从而减少膜清洗和最终更换的频率和时间，或者一般降低管线、槽、容器或其他工业设备中的腐蚀表面条件。
体现本发明特点的不同新特征特别在加到本公开并形成本公开部分的权利要求中指明。为了更好地理解本发明、由使用得到的操作优点和益处，以下将参考附图和描述内容。这些附图旨在显示本发明的实例。附图不是要显示可产生和使用本发明的所有方式的限制。当然，可对本发明的不同组分作出变化和替代。本发明也在于所述要素的子组合和子系统及使用它们的方法。
附图简述
现在参考附图，这些附图旨在为示例性，而不为限制，其中相似的要素被相似编号，并且为了图示清楚，并非所有的数字在每张图中重复。
图1显示脂质体/亚乙基双硫氰酸酯(MBT)在不同浓度的效力的图形结果。
图2显示脂质体/亚甲基双硫氰酸酯(MBT)在不同浓度的效力的图形结果。
图3显示脂质体/MBT在不同浓度的效力的图形结果。
图4显示两种盐酸癸基胍(DGH)/脂质体制剂在不同浓度的效力的图形结果。
发明详述
虽然已关于说明性实施例和优选的实施方案描述了本发明，但本发明相关领域的技术人员可在不脱离本发明的技术范围下对这些实施方案作出各种变化或替代。因此，本发明的技术范围不仅包括以上所述的那些实施方案，而且包括落在附加权利要求范围的所有实施方案。
如在整个说明书和权利要求中所用，可用近似语言修改任何定量表达，这些表达可容许改变，而不引起所涉及的基本功能的改变。因此，由术语例如“约”修饰的数值不限于所指定的精确值。至少在某些情况下，近似语言对于测定数值可相应于仪器的精确度。范围限度可以组合和/或互换，这些范围经确定，并包括其中包含的所有子范围，除非环境或语言另外指明。除了操作实施例外，或者另外指明，说明书和权利要求书中使用的所有涉及成分的量、反应条件等的数字或表达均应理解为在所有情况下受术语“约”修饰。
本文所用术语“包括”、“包含”、“具有”或其任何变型旨在覆盖非排他性包含。例如，包含一列要素的过程、方法、制品或装置不一定只限于那些要素，而是可包括未明确列举或这些过程、方法、制品或装置固有的其他要素。
现在已发现一种方法，所述方法通过使用脂质体载体提高抗微生物化合物引入复合基质的效率和有效性，从而去除工业水管系统中的污垢，这些工业水管系统包括管道、热交换器、冷凝器、过滤系统和介质及流体储槽。
根据本发明的一个实施方案，将含杀生物或抗微生物剂或化合物的脂质体加入到倾向于形成生物污垢和生物膜的含水系统。脂质体与微生物膜或细胞在组成上类似，容易结合到已有的生物膜。一旦含抗微生物化合物的脂质体扩散进入、吸附或另外变得夹杂在生物膜基质内，就会进行脂质体的分解或程序化破坏。也就是说通过使脂基质对pH、氧化还原电位、Ca
+2浓度或其他变化敏感，可使脂质分解和抗微生物剂释放程序化发生。随后，抗微生物组分(可集中在脂质体的含水核或脂质体的脂膜部分)释放，以直接与生物膜包裹的微生物反应。因此，不将抗微生物剂以高水平加入到大体积水系统，而是通过生物膜或自由(浮游)生物体吸收少量脂质体包裹的抗微生物剂，脂质体降解局部在目标生物体或其薄膜基质生态位释放抗微生物剂。因此，抗微生物剂局部达到高浓度，以杀伤目标生物体，并且在生物体死亡后，形成生物膜的多糖/蛋白质基质不能再生，而是分解，并因此减少含水系统污垢，增加传热，增加通量，在微过滤膜表面上较少沉积胶态和颗粒状固体和溶解的有机物，从而减少膜清洗和最终更换的频率和时间或产生其他益处。
脂质体或脂体为其中脂质加到含水缓冲剂以形成囊泡(包围一定体积的结构)的系统。更具体地讲，脂质体为微观囊泡，最一般由磷脂和水组成。在适当混合时，磷脂自身排列成环绕一定体积含水核的双层或多层，非常类似于细胞膜。脂质体可制成为在含水核内携带不同的化合物或化学物质，或者所需化合物可在适合的载体中配制，以进入脂质层。脂质体可以不同的大小制备，并且可以亚微米至多微米直径制备。可通过数种已知的方法制备脂质体。这些方法包括但不限于控制蒸发、挤出、注射、微流体处理器和转子-定子混合器。脂质体可以约10纳米至大于约15微米直径制备。在以约100纳米至约2微米大小制备时，脂质体在大小和组成上都很类似于大多数的微生物细胞。含抗微生物剂或抗微生物化合物的脂质体应以约0.05至约15μ或者约0.1至10.0μ的模拟细菌细胞大小制备。
将有效量的含抗微生物剂的脂质体引入倾向于形成生物污垢和生物膜的含水系统，或者可引入已显示生物污垢或生物膜形成迹象的系统。有效量根据抗微生物化合物或抗微生物剂及其加入的含水系统变化，但一个实施方案提供约0.01ppm至约20ppm，供选约0.05至约15ppm，或者约0.05至约0.5ppm。脂质体与微生物膜或细胞在组成上类似，容易结合到已有的生物膜，并且变得夹杂在生物膜基质内。在脂质体分解或程序化破坏后，在含水核中或限制在膜中的抗微生物化合物释放，以直接与生物膜包裹的微生物反应。在生物体死亡后，多糖/蛋白质基质快速分解，从而使表面没有污染微生物。本发明的主要特征是，本发明的脂质体组成极小的疏水体，这些疏水体可很容易残存并分散于含水系统，然而吸附到或穿透生物膜，优先有目标或以栖居于、组成或支持生物膜的微生物为目标。因此，它们将抗微生物剂直接输送到微生物或生物膜，产生有效局部抗微生物活性水平，而不需要含水系统作为整体维持高剂量。因此，在常规生物膜处理可能需要用一定水平的大量抗微生物化学物质定量投料时，通过脂质体输送可以在含水系统中以低一个数量级或更多的水平定量投料，然而仍达到或积累到有效控制或去除生物膜的水平。实际上，尽管已用术语“抗微生物”或“杀生物”描述脂质体携带的药剂，但这些药剂不必为一般通过那些术语了解的高度生物活性物质，而是可包含一些由于高度局部释放简单变得高效的相对无害物质。因此，例如，表面活性剂或无害盐，在局部释放时，可影响胞外菌落形成分泌物的一般作用，并且按照本发明意图作为抗微生物或杀生物剂包含，并且可用相同机制将其他处理化学物质输送到靶向生物膜部位。
可由此方法处理的含水系统包括但不限于饮用和非饮用配水系统、冷却塔、锅炉系统、淋浴、水族馆、喷洒装置、温泉、清洁浴、空气洗涤器、巴氏灭菌器、空调、流体传输管线、储槽、离子交换树脂、食品和饮料加工线、金属加工流体浴、煤和矿物浆、金属沥滤流体、废水处理设施、软体动物控制、酸性矿排水或倾向于被微生物物质生物结垢的任何应用。也可有效处理其中沿着导管系统在静或汇合集水坑或透镜状油矿中形成生物膜的应用，例如石油管线。
脂质体输送处理化学物质的另外应用为一般用于设备的防腐蚀处理、用于医疗或兽医用途的激素、维生素或抗氧化剂处理或抗生素和基因治疗输送、输送农业和商业家用的杀虫剂、食品添加剂和防腐剂的有效制剂、用于化学和生物检测系统的靶向输送、颜色和香味增强、气味控制和水生害虫控制。
可将多种已知的抗微生物剂或抗微生物化合物加入脂质体。可使用的抗微生物化合物的一些实例包括但不限于非氧化、氧化、生物分散剂和软体动物杀灭剂抗微生物化合物及其组合。更具体地讲，适合的抗微生物化合物包括但不限于2-溴-2-硝基丙烷-1，3-二醇、5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮/2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮、氯化正烷基-二甲基苄基铵、2，2-二溴-3-次氮基丙酰胺亚甲基双(硫氰酸酯)、盐酸十二烷基胍、戊二醛、2-(叔丁基氨基)-4-氯-6-(乙基氨基)-均三嗪、β-溴硝基苯乙烯、氧化三丁基锡、氯化三正丁基十四烷基磷鎓、氯化四羟基甲基磷鎓、4，5-二氯-1，2-二硫杂环戊烯-3-酮、二甲基二硫代氨基甲酸钠、亚乙基双(二硫代氨基甲酸)二钠、双(三氯甲基)砜、3，5-二甲基-四氢-2H-1，3，5-噻二嗪-2-硫酮、1，2-苯并异噻唑啉-3-酮、盐酸癸基硫基乙基胺、硫酸铜、硝酸银、溴氯二甲基乙内酰脲、溴化钠、二氯二甲基乙内酰脲、次氯酸钠、过氧化氢、二氧化氯、亚氯酸钠、氯化溴、过乙酸和前体、三氯异氰脲酸钠、三氯异氰脲酸钠、环氧乙烷/环氧丙烷共聚物、三氯己酸、聚硅氧烷、碳硅烷、聚乙烯亚胺、二溴二氰基丁烷及其组合。
加入脂质体的抗微生物剂的有效量取决于其中加入的抗微生物药或剂。然而，有效量包括约0.05至约5克抗微生物剂活性物质/克脂质，或约0.1至约2克抗微生物剂活性物质/克脂质。
本发明的脂质体可制成为多层体，其中提供一个或多个附加层，以提高脂质体的稳定性，或者实现基础脂质体和内含物的程序化释放。因此，与体内输送药物包囊使用的技术没有什么不同，附加层可包括保护层，这种保护层随时间水解或另外分解，以提供基础脂质体的持续释放或较长寿命。此附加层可另外或供选包含包囊聚合物，包囊聚合物在多层脂质体遇到低pH环境(象在生物膜下面可能出现的腐蚀性高酸性环境那样)时选择性分解。层也可复合成易受固硫细菌攻击，使脂质体接近通常存在于废物或管线系统的这些腐蚀性生物体具体释放其抗微生物剂。另外，可用几个这样的层保证脂质体的足够寿命，优选数天，并且保持能够针对生物膜中的具体生态位或环境。这保证脂质体有效遇到目标生物体或生物膜菌落，并向其输送抗微生物剂。可处理脂质物质本身，以提供增强的抗水解或抗腐性，或者可由各种可硬化或可交联油或聚合物形成附加层。
现在关于某些实施例描述本发明，这些实施例仅为本发明的代表，不应解释为本发明的限制。
实施例
本发明在以下非限制实施例中举例说明，这些实施例为了代表目的提供，不应解释为限制本发明的范围。除非另外指明，实施例中的所有份数和百分比均以重量计。
制备脂质体(150纳米平均直径)，脂质体结合有抗微生物剂亚甲基双硫氰酸酯(MBT)，一种US EPA注册的抗微生物剂活性成分。然后将脂质体放在微量滴定板中，微量滴定板具有微生物生物膜，生物膜将它们包裹。然后，将MBT-脂质体的微生物抑制效力与以相同MBT浓度使用的非脂质体MBT比较。含MBT的脂质体穿透生物膜，并且比非脂质体MBT(对照MBT)溶液更有效地抑制生物膜生物体。
制备两种含MBT的脂质体，在结果中指定为MBT-1(155nm平均直径)和MBT-2(137nm平均直径)。
结果显示于图1、2和3中。非脂质体MBT作为MBT对照列出。从图明显看到，两种脂质体MBT制剂均在试验的大多数脂质体浓度比MBT对照具有更佳的生物膜杀伤/去除效力，例外是试验的最高MBT浓度。在高MBT浓度(0.5ppm)，用脂质体作为抗微生物剂的载体变得不必要。脂质体载体在以低MBT浓度输送抗微生物剂到生物膜中非常有效，因此在非常降低的BMT浓度提供更佳生物膜控制(降低毒性和成本特性)。
也制备两种盐酸十二烷基胍(DGH)脂质体制剂，指定为FORMDGH-1和FORM DGH-2。同样对于荧光假单胞菌生物膜评价这些脂质体制剂，并在效力方面与相同浓度的非脂质体DGH进行比较。这些结果显示于图4中。这两种脂质体-DGH制剂显示比对照DGH对抗假单胞菌生物膜更大的效力，特别在1.0至10ppm浓度范围。
虽然已关于优选的实施方案描述了本发明，但本发明相关领域的技术人员可在不脱离本发明的技术范围下对这些实施方案作出各种变化或替代。因此，本发明的技术范围不仅包括以上所述的那些实施方案，而且包括落在附加权利要求范围的所有实施方案。