应用二氧化碳检测控制聚合 乳液微生物污染的改进方法 背景技术
水基聚合乳液由悬浮和稳定在含水环境中的有机聚合物细粒组成，所述含水环境含有表面活性剂或保护胶体或二者的混合物。由于这类聚合乳液本身有为微生物供应营养的碳，因而易遭受微生物侵蚀和繁殖。这种微生物侵蚀和繁殖可导致大量的生物污染和酸败。标准的工业惯例是通过添加各种各样的工业抗微生物剂以抗击产品的生物变质。生产时加入抗微生物剂能使聚合乳液在一定时间内免受微生物污染，但在存贮过程中，微生物污染还会发生且被污染的产品存在大量的微生物生长，例如在1×102cfu/ml以上(cfu：菌落形成单位)，因而导致其pH值、粘度、颜色、气味等性质的变化，不得不废弃。
以下给出了检测有机产品包括聚合乳液中微生物生长的各种方法。
测定聚合乳液产品中微生物的存在和每毫升菌落形成单位量的典型方法是划线(streak)平板测试法。在划线板上，乳液聚合物被涂敷到不同的琼脂生长培养基中培育2-7天。从平板上的生长情况就可以确定微生物的存在。没有生长就表明聚合乳液没有受到微生物污染。由于微生物检测需要时间，而在培育期就会产生大量的微生物污染和微生物变质，这样就浪费了进行干预和恢复产品的宝贵时间。另外，用划线平板测试法对盛放在转鼓或大存贮罐中聚合乳液的污染的检测依赖于乳液试样从容器中取出的位置。例如，许多种污染乳液地微生物首先在乳液的表面或上部生长。如果从容器顶部取乳液试样，通过划线平板测试法可以检测到污染。然而，如果乳液试样是从容器底部取出，划线平板测试法可能检测其未被污染。在这种情况下，存在的污染可能被忽视，乳液会继续生物降解而导致产品损失。
WO99/59431公开了一种方法，以检测存放在罐或其它包装中食品样品的污染细菌的存在，它改变食品包装，使之含有一个亲水性聚合物组合物衬里，衬里包含了一种指示气体包括二氧化碳是否存在的指示剂。指示剂由反映二氧化碳数量的pH差值触发。
WO92/12413公开了多层体液培养传感器的应用，它包括一种嵌在惰性化学基质内的荧光团，所述基质在感兴趣的波长范围内是透明的。荧光团包含一种吸光度对pH值敏感的染料，当pH值由于微生物析出的二氧化碳同水反应而降低时，染料就会改变颜色。这种方法和传感器适用于检测血液培养瓶中的微生物。
WO93/15402公开了使用能指示二氧化碳分压的仪器监测容器、食品袋或人血小板浓缩物中的生物活性。利用一种对pH值敏感的指示剂材料，可视地指示升高后的二氧化碳含量。
考虑以上的现有技术状况，需要在聚合乳液微生物污染的早期检测中对生物行为的主要指示剂直接分析，这种对产品污染和微生物超常浓度以及生长速率的早期警示允许立即干预以消除和阻止产品在完全丧失商业价值前的继续生物腐蚀。另外还需要在线实时地检测和响应聚合乳液中的微生物污染情况，而不需取出试样离线分析。最后，还需要在阻止聚合乳液污染时不必向聚合乳液中加入过量的抗微生物剂。
【发明内容】
本发明涉及一种识别和控制盛放在带有顶部空间特别是顶部空间与大气相通的容器中的水基聚合乳液过度生物污染的改进方法。避免向聚合乳液中加入过量抗微生物剂而进行的早期检测改进包括：使用直接读取二氧化碳探针(传感器)监测容器顶部空间的二氧化碳浓度；当二氧化碳浓度达到一个比大气中二氧化碳浓度高的预定值时添加抗微生物剂。特别地，当二氧化碳浓度超过大气中二氧化碳浓度(一般为400ppm v/v)100ppm时添加抗微生物剂。
本发明描述的方法有以下几个优点：
能够及早检测聚合乳液中微生物生长情况，并允许及早应用合适的抗微生物剂进行补救；
能够根据顶部空间二氧化碳浓度估计生物活性水平；
能够避免向聚合乳液中加入过量的抗微生物剂；
能够远程实时监测微生物活性；
评价聚合乳液的微生物质量时，不需从存贮容器中取出样品；
能够使由于聚合乳液中微生物局部生长造成的取样误差达最小化。
本发明的详细描述
本发明涉及控制容器尤其是存贮罐类容器中水基聚合乳液微生物污染的改进方法，方法中使用可在潮湿气相介质中实时操作的二氧化碳传感器。直接读取二氧化碳传感器用于测量一段时间内容器顶部空间的二氧化碳浓度。依据大型存贮罐顶部空间的二氧化碳浓度，可以检测出微生物污染。利用二氧化碳浓度水平和二氧化碳浓度随时间的变化率，可以估计微生物的浓度和微生物的生长速度。抗微生物剂的加入量与污染水平和生长速度相对应。微生物浓度的早期检测和评估允许在产品严重生物变质前就做出适当的响应，从而不必加入太多的抗微生物剂。加入太多的抗微生物剂可能导致产生不符合规格的产品。响应可以采用人工方式，也可以采用自动方式。
聚合乳液的微生物污染可导致一系列的影响，包括颜色变化，散发气味，粘度改变，pH值改变，以及看得到的表面生长。过度污染，如超过1×102cfu/ml，可以导致产品酸败。能污染聚合乳液的微生物包括(但不限于这些)：亲水性气单胞菌，粪产碱杆菌，产氨棒杆菌，产气肠杆菌，大肠杆菌，肺炎克氏杆菌，铜绿假单胞菌，普通变形杆菌，雷氏普罗威登斯菌，施氏假单胞菌，腐化绍安尼拉菌，液化沙雷氏菌，鲍氏不动杆菌，洋葱伯克霍尔德氏菌，脑膜脓毒性金黄杆菌，食神鞘氨醇杆菌，Ralstonia pickettii，液化葡糖酸醋酸杆菌，白地霉，曲霉属类，孢子丝菌类，绿色木霉，枝孢菌属类，红酵母，高里氏念珠菌，青霉属类，热带念珠菌。
本发明发现把二氧化碳浓度和浓度变化速率作为聚合乳液已经分解生成代谢呼出产品体积的函数，提供了一种独特和意想不到的对聚合乳液中微生物污染和生长速度的直接测量方法。与其它技术不同，这种测试机制对大型存贮罐(如10000-30000加仑)中的微生物生长尤其灵敏。
大气中的二氧化碳数量大约为300-400ppm。可以认为，聚合乳液最初的微生物低污染水平是由聚合乳液的水相中二氧化碳引入的，并可能饱和。当水相中的二氧化碳浓度升高时，顶部空间中的二氧化碳浓度开始升高到大气中的水平以上。当二氧化碳浓度超过大气水平指定量如100ppm时，就考虑作为污染可被识别并评估的标准。例如，试验中观测到细菌污染水平低至1×102cfu/ml时，就导致顶部空间中二氧化碳浓度的成倍升高，达到大约600-800ppm。因此，在酸败发生前，一旦检测出二氧化碳数量在标准空气中浓度的100ppm以上，就可用二氧化碳浓度及其变化速度提示操作员或自动分配器进行干预或处理。
本发明中可以使用的二氧化碳传感器必须能经受聚合乳液存贮容器中的温度、湿度、pH值和可能有的其它操作条件。使用这些传感器时，可通过实时检测二氧化碳呼出产品及其改变速率，检测到仍保存在存贮罐、有轨车、油槽汽车或其它可能存在的污染区域中的聚合乳液中存在的微生物。优选的二氧化碳传感器是引入CARBOCAP传感器的二氧化碳转换器，CARBOCAP传感器是单光束双波长的非色散红外传感器，这些传感器非常适合用于苛刻和潮湿环境，可以测量宽范围的二氧化碳浓度，最高可达20％。它们可在实时进行的情况下在数分钟内提供数据，而只需较少的人力，给出的数据则确保产品的完整，能够在聚合乳液生物变质前进行干预并阻止污染。运用传送机制，如无线技术，电话线路，或因特网，可在远离容器和传感器的位置监测二氧化碳浓度。
一旦检测到微生物的活性，通过加入各种抗微生物剂就可以阻止聚合乳液的过度生物变质。常用的工业抗微生物剂有：过氧化氢；1，2-苯异噻唑啉-3-酮(BIT)；5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(CIT)和2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(MIT)的混合物。其它用于聚合乳液保存的常用抗微生物剂包括1，2-二溴-2，4-二氰基丁烷(DBDCB)，2，2-二溴-3-次氮基丙酰胺(DBNPA)，2-溴-2-硝基-1，3-丙二醇(BNPD)，醛的衍生物，甲醛释放剂，乙内酰脲和氯化芳烃。对保护已用保护胶体如聚乙烯醇稳定的聚合乳液尤其有效的阳离子抗微生物剂有：取代吡啶鎓盐，取代胍盐，四元取代铵盐，和聚合阳离子化合物，其中取代基可为含有2-18个碳的烷基、环烷基和/或芳基。阳离子化合物还对保存低挥发性的聚合乳液(如VOC小于1000ppm)特别有效。
这里描述的易于遭受微生物侵蚀的和经由所述过程处理的聚合乳液主要包括分散在水溶性介质中的合成聚合物和共聚物的全部分散液。这类聚合乳液由单体的乳液聚合形成，其中单体包括乙酸乙烯酯、乙烯和其它烯烃，二烯类如丁二烯，各种丙烯酸烷基酯类，各种甲基丙烯酸烷基酯类，苯乙烯，氯乙烯，乙烯酯类，丙烯酰胺，甲基丙烯酰胺，N-羟甲基丙烯酰胺，顺丁烯二酸酯，以及其它本领域中的已知物质。本发明用的聚合乳液实例包括聚乙酸乙烯酯，聚乙酸乙烯酯共聚物如聚(乙酸乙烯酯-乙烯)(VAE)，聚(乙酸乙烯酯-丙烯酸)如聚(乙酸乙烯酯-丙烯酸丁酯)和聚(乙酸乙烯酯-丙烯酸2-乙基己酯)，聚丙烯酸类，聚甲基丙烯酸类，聚(苯乙烯-丙烯酸类)，其中的丙烯酸类可包括C3-10烯链酸，如丙烯酸，甲基丙烯酸，丁烯酸和异丁烯酸和它们的酯，其它的聚苯乙烯共聚物，聚(氯乙烯-乙烯)共聚物等。
聚合乳液形成过程中用到的表面活性剂和保护胶体包括阴离子、阳离子和非离子表面活性剂，如乙氧基化烷基苯酚，磺酸二烷基酯，环氧乙烷/环氧丙烷嵌段共聚物等。常用的保护胶体包括羟乙基纤维素和聚乙烯醇。
聚合乳液还可以是制剂形式，也就是说水性聚合乳液可与颜料结合作为油漆制剂，与填料和胶粘剂结合作为粘结制剂。术语“聚合乳液”包括由乳液聚合得到的聚合乳液及其制剂形式。
【附图说明】
图1显示了CO2浓度与cfu/ml的关系。
【具体实施方式】
以下实施例描述本发明的不同实施方式。
实施例1：对照
把消过毒的用AIRFLEX400(1600g)聚乙烯醇稳定的乙酸乙烯酯/乙烯聚合乳液置于2L的塑料Nalgene容器中，在容器的塑料盖上开两个孔，其中一个孔用于插入二氧化碳传感器，另外一个直径小的多的孔开着，使容器内部与大气相通并保持压力恒定。连接到数据记录器和计算机上的Vaisala GMT222直接读取二氧化碳转换器作为测量设备。然后把盖子拧紧，3天内一直测量顶部空间二氧化碳浓度。在整个监测期间，顶部空间二氧化碳浓度稳定在约400ppm。
划线测量聚合乳液时，对照过程中没有观察到微生物生长。
实施例2：被污染乳液中二氧化碳的测定
为了确定二氧化碳测量作为微生物生长检测机制的功效，在AIRFLEX400(1600g)聚乙烯醇稳定的(含一些抗微生物剂)的乙酸乙烯酯/乙烯聚合乳液中接种液化葡糖酸醋酸杆菌。用稀释平板计量法在马铃薯葡萄糖琼脂中测定Airflex400乳液中的液化葡糖酸醋酸杆菌浓度，结果为5.4×104cfu/ml。将被污染的乳液置于2L的塑料Nalgene容器中，盖子处理同实施例1，开有二氧化碳传感器孔和通气孔，用螺丝拧紧。大约数分钟内，容器顶部空间的二氧化碳数量开始上升超过初始值(～400ppm)。连续监测样品2天后，容器上部的二氧化碳浓度达到约1600ppm。
实施例3：添加抗微生物剂后二氧化碳的测量
向实施例2中描述的同一污染试样中添加400ppm的十二烷基胍盐酸盐(DGH)抗微生物剂以降低液化葡糖酸醋酸杆菌浓度。
按照实施例1和2同样的方法监测容器顶部空间中二氧化碳的浓度。连续监测试样2天后，顶部空间中的二氧化碳浓度降到1150ppm左右。从容器中取出用AIRFLEX400聚乙烯醇稳定的乙酸乙烯酯/乙烯聚合乳液试样，用稀释平板计量法在马铃薯葡萄糖琼脂中测定液化葡糖酸醋酸杆菌浓度，发现AIRFLEX400乳液中的液化葡糖酸醋酸杆菌污染浓度为1.3×104cfu/ml。
这个例子表明：顶部空间二氧化碳的减少意味着添加的抗微生物剂对减少实施例2试样中的微生物生长是有效的。结果还显示二氧化碳的减少速度在1150ppm时开始逐渐停止(降低速度慢下来)，说明微生物生长还在继续，因而还需要添加抗微生物剂。不需要等到接近平衡态时才确定微生物生长还停留在高的水平。二氧化碳减少的速度在二氧化碳浓度超过大气浓度300ppm，甚至1000ppm时变慢，这意味着需要添加抗微生物剂。
如果使用一种速效抗微生物剂(如过氧化氢或漂白剂)，结果可能变得更明显。尽管DGH不是一种速效抗微生物剂，但这个例子仍然表明：仅仅根据容器顶部空间测量的二氧化碳浓度而采取的措施是有效的。在工业装置中，一旦检测到升高的CO2，就可以在失控之前进行干预以解决问题。
实施例4：添加抗微生物剂和二氧化碳测量
向实施例3中描述的同一污染试样中添加375ppm的十二烷基胍盐酸盐以减少液化葡糖酸醋酸杆菌浓度。按照实施例1和2的方法，监测顶部空间二氧化碳的浓度。连续监测样品3天后，顶部空间中的二氧化碳浓度为1000ppm左右。从容器中取出用AIRFLEX400聚乙烯醇稳定的乙酸乙烯酯/乙烯聚合乳液试样，用稀释平板计量法在马铃薯葡萄糖琼脂中测定液化葡糖酸醋酸杆菌浓度，发现AIRFLEX400乳液中的液化葡糖酸醋酸杆菌污染浓度为4.40×103cfu/ml。
同实施例3一样，二氧化碳的浓度显示了微生物生长还在继续，尽管比实施例3的浓度低，但对于工业产品还是过高。
实施例5：添加抗微生物剂和二氧化碳测量
向实施例4中描述的同一污染试样中添加350ppm十二烷基胍盐酸盐以进一步降低液化葡糖酸醋酸杆菌浓度。按照实施例1和2的方法，监测顶部空间二氧化碳的浓度。连续监测试样3天后，顶部空间的二氧化碳浓度下降到800ppm左右。从容器中取出AIRFLEX400乳液样品，用稀释平板计量法在马铃薯葡萄糖琼脂中测定液化葡糖酸醋酸杆菌浓度，发现用AIRFLEX400聚乙烯醇稳定的乙酸乙烯酯/乙烯聚合乳液中的液化葡糖酸醋酸杆菌污染浓度为3.20×102cfu/ml。
实施例1-5的结果列于下表和图1中： 实施例 CO2，ppm 污染度，cfu/ml抗微生物剂，ppm时间，小时 1 0 000 2 1600 5.4×104024 2接种 1600 5.4×104400开始时 3 1150 1.3×10440024 4 1000 4.4×10337596 5 800 3.2×10235096
总之，实施例1-5表明：通风存贮容器顶部空间的二氧化碳浓度可以用来检测乳液中微生物的生长。顶部空间的二氧化碳浓度接近平衡状态时，可以指示微生物生长，和建议减少其生长应加入的抗微生物剂的合理量。顶部空间中二氧化碳浓度的下降速率则提供了预测是否还需要再添加抗微生物剂的机会，如果二氧化碳浓度超过大气中的浓度，则意味着需要更多的抗微生物剂。