DE69111155T2 - Bakterienhemmende Zusammensetzungen und deren Verwendung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft bakterienhemmende oder biozide Zusammensetzungen. Insbesondere betrifft sie bakterienhemmende Zusammensetzungen, welche Glutaraldehyd und wenigstens einen weiteren Bestandteil umfassen, wobei die Zusammensetzung Synergie zeigt.
• Die Bildung von Schleimen durch Mikroorganismen ist ein Problem, das in vielen wäßrigen Systemen vorkommt. Beispielsweise wird das Problem nicht nur in natürlichen Wässern, wie beispielsweise Lagunen, Seen oder Teichen, und eingegrenzten Wassern, wie in Becken, gefunden, sondern auch in solchen Industriesystemen, wie Kühlwassersystemen, Luftwäschersystemen und Pulpe- und Papierfabriksystemen. Alle weisen Bedingungen auf, welche dem Wachstum und der Reproduzierung schleimbildender Mikroorganismen förderlich sind. Sowohl in einmal durchlaufenden als auch zirkulierenden Kühlsystemen, welche große Mengen an Wasser als Kühlungsmedium verwenden, ist beispielsweise die Bildung von Schleim durch Mikroorganismen ein beträchtliches und konstantes Problem.
• In der Luft vorkommende Organismen werden rasch in das Wasser aus Kühltürmen einverleibt und finden dieses warme Medium als eine ideale Wachstums- und Vermehrungsumgebung vor. Aerobe und heliotrope Organismen gedeihen in Turm gut, während sich andere Organismen in Bereichen wie den Turmsumpf und den Rohrleitungen und Durchgängen des Kühlsystemes ansiedeln und wachsen. Die Schleimbildung unterstützt nicht nur die Zerstörung der Turmstruktur im Fall von hölzernen Türmen, sondern fördert auch die Korrosion, wenn er sich auf Metalloberflächen niederlegt. Durch das Kühlsystem getragener Schleim verstopft und verschmutzt Leitungen, Ventile, Siebe und dergleichen und lagert sich auf Wärmeübertragungsoberflächen ab. Im letzteren Fall kann die Impedanz der Wärmeübertragung die Wirksamkeit des Kühlsystems stark beeinflussen.
• In Pulpe- und Papierfarbriksystemen wird durch Mikroorganismen gebildeter Schleim allgemein angetroffen und verursacht Verschmutzung, Verstopfung oder Korrosion des Systems. Der Schleim wird auch in das erzeugte Papier mitgerissen, wodurch Ausfälle auf der Papiermaschine verursacht werden, welche in Arbeitsstillständen und Verlust an Produktionszeit resultieren. Der Schleim ist auch für unansehnliche Mängel in Endprodukt verantwortlich, welche in Ausschuß und vergeudeter Produktion resultieren.
• Die vorher diskutierten Probleme haben in der umfangreichen Verwendung von Bioziden in Kühlwasser und in Pulpe- und Papierfabriksystemen resultiert. Materialien, welche sich einer weit verbreiteten Verwendung in solchen Anwendungen erfreuten, schließen Chlor, chlorierte Phenole, Organobromverbindungen und verschiedene Organoschwefelverbindungen ein. Alle diese Verbindungen sind im allgemeinen für diesen Zweck nützlich, aber jede zieht eine Vielzahl von Hemmnissen bzw. Behinderungen nach sich. Beispielsweise ist die Chlorierung sowohl durch ihre spezifische Toxizität für schleimbildende Organismen auf wirtschaftlichen Ebenen, als auch durch die Neigung von Chlor zu reagieren, was in Verbrauch des Chlors, bevor seine volle biozide Wirkung erreicht ist, resultiert, begrenzt.
• Andere Biozide ziehen Geruchsprobleme und Gefahren bezüglich der Lagerung, Verwendung oder Handhabung nach sich, welche ihre Verwendbarkeit begrenzen. Bis jetzt hat keine Verbindung oder kein Verbindungstyp eine klar festgestellte Vorherrschaft bezüglich der diskutierten Verwendungen erreicht. Auch werden Lagunen, Teiche bzw. Weiher, Seen und sogar Becken, die entweder zu Freizeitzwecken oder zu Industriezwecken zur Beseitigung und Lagerung von Industrieabfällen verwendet werden, während warmem Wetter durch Schleim infolge des Wachstums und der Vermehrung von Mikroorganismen belagert. Im Falle industrieller Lagerung oder Entsorgung industrieller Materialien verursachen die Mikroorganismen zusätzliche Probleme, welche vor der Verwendung der Materialien oder Entsorgung des Abfalles beseitigt werden müssen.
• Natürlich ist Wirtschaftlichkeit eine hauptsächliche Betrachtung bezüglich all dieser Biozide. Solche wirtschaftlichen Betrachtungen haften sowohl an den Kosten des Biozids und dem Aufwand seiner Verwendung. Der Kosten-Leistungs-Index jedes Biozids wird von den Grundkosten des Materials, seiner Wirksamkeit pro Gewichtseinheit, der Dauer seiner bioziden oder biostatischen Wirkung in den behandelten System und der Leichtigkeit und Häufigkeit seiner Zugabe zu dem behandelten System abgeleitet. Zur Zeit hat keines der handelsüblichen Biozide eine anhaltende biozide Wirkung gezeigt. Stattdessen wird ihre Wirksamkeit als Ergebnis der Aussetzung an physikalische Bedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Vereinigung mit in dem System enthaltenen Bestandteilen, gegen welche sie eine Affinität oder Substantivität oder dergleichen zeigen, rasch herabgesetzt, mit einer sich ergebenden Begrenzung oder Eliminierung ihrer bioziden Wirksamkeit, oder durch Verdünnung.
• Infolgedessen ist die Verwendung solcher Biozide mit ihrer kontinuierlichen oder häufigen Zugabe zu dem zu behandelnden System und ihre Zugabe zu einer Vielzahl von Stellen oder Zonen in den zu behandelnden Systemen verbunden. Demgemäß sind die Kosten des Biozids und die Arbeitskosten für seine Anwendung beträchtlich. In anderen Fällen schließt die Schwierigkeit des Zugangs zu Zonen, in welchen Schleimbildung festgestellt wird, die wirksame Verwendung eines Biozides aus. Beispielsweise kann, wenn es in einen besonderen System keinen Zugang zu einem Bereich gibt, in dem Schleimbildung auftritt, das Biozid nur an einer Stelle angewendet werden, die stromaufwärts im Strömungssystem liegt. Jedoch machen die physikalischen und chemischen Bedingungen, z.B. chemische Reaktivität oder thermischer Abbau, welche zwischen der Stelle, an welcher das Biozid dem System zugegeben werden kann, und der Stelle, an welcher seine biozide Wirkung erwünscht ist, die wirksame Verwendung eines Biozides unmöglich.
• Ebenso kann in einem System, das eine relativ langsame Strömung erfährt, wie beispielsweise eine Papierfabrik, wenn ein Biozid am Beginn des Systems zugefügt wird, seine biozide Wirkung vollständig zerstreut sein, bevor es alle Stellen, an welchen diese Wirkung erwünscht und erforderlich ist, erreicht hat. Demzufolge muß das Biozid an vielen Stellen zugesetzt werden, und sogar dann wird eine sich vermindernde biozide Wirkung zwischen einer Stelle der Zugabe zu dem System und der nächsten stromabwärts gelegenen Stelle, an welcher die Biozide zugefügt werden können, festgestellt werden. Zusätzlich zu den erhöhten Kosten bei der Verwendung und Erhaltung vielfacher Einspeisungsstellen werden Bruttounwirtschaftlichkeiten bezüglich der Kosten der Biozide festgestellt. Insbesondere wird an jeder Zugabestelle ein Überschuß des Biozids den System zugegeben, um den Anteil des Biozids zu kompensieren, welcher durch Umsetzung mit anderen im System vorhandenen Bestandteilen verbraucht wird, oder physikalische Veränderungen erfährt, welche seine biozide Wirkung verschlechtern.
• Es wurde nun gefunden, daß es möglich ist, eine bakterizide oder biozide Zusammensetzung zur Verfügung zu stellen, welche als aktiven Inhaltsstoff bzw. Wirkstoff Glutaraldehyd und wenigstens einen zusätzlichen chemischen Bestandteil enthält. Der wenigstens eine zusätzliche Bestandteil ist Dodecylguanidinhydrochlorid (DGH).
• Glutaraldehyd ist von Union Carbide Corp. unter den Warenzeichen "Ucarcide 225" oder "Ucarcide 250" kommerziell erhältlich.
• Die physikalischen Eigenschaften dieser Verbindungen werden wie folgt berichtet: Ucarcide Relativ Dichte bei 20ºC Dampfdruck bei 20ºC Gefrierpunkt Löslichkeit in Wasser bei 20ºC Viskosität bei vollständig
• Die Verwendung von Dodecylguanidinhydrochlorid ist bei 21 CFR 176.170 als ein gemäß F.D.A. (Food and Drug Administration) annehmbares, antimikrobielles Mittel für die Papier- und Pappeverwendung unter bestimmten Bedingungen verzeichnet.
• Die US-A-4,725,623 (Whitekettle), welche die Verwendung von DGH in einer Biozidzusammensetzung offenbart, kann von Interesse sein.
• Die synergistischen Wirkungen, welche durch Verbinden von Glutaraldehyd mit DGH erhalten werden, wurden bisher nicht offenbart.
• Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß Gemische aus Glutaraldehyd mit DGH besonders wirksam bei der Bekämpfung des Wachstums bakterieller Mikroben, insbesondere der Klebsiella pneumoniae Spezies, sind. Diese besondere Spezies ist ein Mitglied der verkapselten, fakultativen Klasse von Bakterien und ist im allgemeinen in Luft, Wasser und Erde vorhanden. Diese Bakterien kontaminieren immer wieder offene Kühlsysteme und Papieraufbereitungs- bzw. Zellstoßaufschluß- und Papierherstellungssyteme und befinden sich unter den allgemeinsten Schleimbildnern. Der Schleim kann als eine Masse agglomerierter, durch die klebende Wirkung der gelatinösen Polysaccharid- oder proteinhaltigen Absonderungen rund um jede Zelle, zusammengeklebter Zellen betrachtet werden. Die schleimige Masse schließt weitere Teile ein, begrenzt die Wasserströmung und Wärmeübertragung und kann als eine Korrosionsstelle dienen.
• Die Tatsache, daß die in den Tests verwendete Klebsiella Spezies eine fakultative Spezies ist, ist wichtig, da per Definition solche Bakterien sowohl unter aeroben als auch anaeroben Bedingungen gedeihen können. Dementsprechend kann man, aufgrund gezeigter Wirksamkeit bei der Wachstumshemmung dieser besonderen Spezies, ähnliche Wachstumshemmungseigenschaften erwarten, wenn andere aerobe oder anaerobe Bakterienspezies betroffen sind. Es wird auch erwartet, daß diese Zusammensetzungen ähnliche Wachstumshemmungseigenschaften zeigen werden, wenn Pilz- und Algen-Spezies angetroffen werden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bekämpfung des Bakterienwachstums, insbesondere von Klebsiella pneumoniae Bakterien, in einem wäßrigen System zur Verfügung gestellt, welches die Zugabe einer Zusammensetzung zu dem System umfaßt, welche eine synergistische Mischung aus (a) Glutaraldehyd und (b) wenigstens einem zusätzlichen bioziden Bestandteil umfaßt, wobei der wenigstens eine zusätzlich biozide Bestandteil Dodecylguanidinhydrochlorid ist und das Gewichtsverhältnis von Glutaraldehyd zu Dodecylguanidinhydrochlorid von etwa 357:1 bis 1:2,87 beträgt. Das wäßrige System kann beispielsweise ein Kühlwassersystem oder ein Papieraufbereitungs- und Papierherstellungssystem umfassen.
• In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann die kombinierte Behandlung aus Glutaraldehyd mit DGH dem gewünschten wäßrigen System, das eine biozide Behandlung erfordert, zugegeben werden, bevorzugt in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 200 Gewichtsteilen der kombinierten Behandlung zu 1 Million Gewichtsteilen des wäßrigen Mediums. Bevorzugter werden etwa 5 bis etwa 50 Teile der kombinierten Behandlung pro 1 Million Teile (pro Gewicht) des wäßrigen Mediums zugefügt.
• Die kombinierten Behandlungen werden beispielsweise Kühlwassersystemen, Papierherstellungs- und Papieraufschlußsystemen, Becken, Teichen, Lagunen oder Seen zugesetzt, um die Bildung bakterieller Mikroorganismen zu bekämpfen, welche in dem zu behandelnden System enthalten sind oder darin eingebracht werden können. Es wurde gefunden, daß die Zusammensetzungen und Verfahren der Verwendung der Behandlungen wirksam bei der Bekämpfung des fakultativen Bakteriums Klebsiella pneumoniae, das diese Systeme bevölkern kann, sind. Es wird angenommen, daß die kombinierte Behandlungszusammensetzungen und die Verfahren der vorliegenden Erfindung auch bei der Hemmung und Bekämpfung aller Typen aerober und anaerober Bakterien wirksam sind.
• Überraschenderweise wurde gefunden, daß wenn die Inhaltsstoffe vermischt werden, in bestimmten Fällen die resultierenden Mischungen einen höheren Grad bakterizider Aktivität besitzen als die einzelnen Inhaltsstoffe, welche die Mischungen umfassen. Dementsprechend ist es möglich, hochwirksame Bakterizide herzustellen. Aufgrund erhöhter Aktivität der Mischungen kann die Gesamtmenge der Bakterienbehandlungen vermindert werden. Zusätzlich kann der hohe Grad bakterizider Wirksamkeit, der durch jeden der Inhaltsstoffe geliefert wird, ohne Verwendung höherer Konzentrationen jeweils davon ausgenutzt werden.
• Es wurden die folgenden experimentellen Daten entwickelt. Es muß daran erinnert werden, daß die folgenden Beispiele nur veranschaulichend sein sollen und nicht den Umfang der Erfindung begrenzen.
• Glutaraldehyd und DGH wurden in variierenden Verhältnissen und über einen großen Konzentrationsbereich einem flüssigen Nährmedium zugefügt, das nachfolgend mit einem Standardvolumen einer Suspension des fakultativen Bakteriums Klebsiella pneumoniae beimpft wurde. Das Wachstum wurde durch Bestimmung der Menge der durch die Zellen angesammelten Radioaktivität, wenn 14C-Glucose als einzige Kohlenstoffquelle dem Nährmedium zugesetzt wurde, gemessen. Die Wirkung der Biozidchemikalien, alleine und in Verbindung miteinander, ist es, die Geschwindigkeit und Menge der 14C- Aufnahme in die Zellen während der Inkubierung, im Vergleich zu nicht mit den Chemikalien behandelten Kontrollen, zu reduzieren. Zugaben von Bioziden, alleine und in variierenden Kombinationen und Konzentrationen, wurden gemäß der anerkannten "Schachbrett"-Technik durchgeführt, die von M.T. Kelley und J.M. Matsen in Antimicrobial Agents and Chemotherapy 9: 440 (1976) beschrieben ist. Nach einer zweistündigen Inkubierung wurde die in den Zellen aufgenommene Menge an Radioaktivität durch Zählen (14C-Flüssigszintillationsverfahren) für alle behandelten und unbehandelten Proben bestimmt. Die prozentuale Verminderung jeder behandelten Probe wurde aus der Beziehung berechnet:
• Kontrolle 14C(cpm)-behandelte Probe 14C(cpm)/Kontrolle 14C (cpm) x 100 =
• = % Verminderung
• Das Auftragen der %-Verminderung der 14C-Menge gegen die Konzentration jedes alleine wirkenden Biozids resultiert in einer Dosis-Antwort-Kurve, aus welcher die erforderliche Bioziddosis, um jede gegebene %-Verminderung zu erhalten, interpoliert werden kann.
• Synergismus wurde durch das Rechenverfahren bestimmt, das von F.C. Kull, P.C. Eisman, H.D. Sylwestrowicz und R.L. Mayer in Applied Microbiology 9, 538 (1961) beschrieben ist, unter Verwendung der Beziehung:
• QA/Qa+QB/Qb=Synergismusindex (SI)
• worin:
• Qa = Menge an Verbindung A, alleine wirkend, einen Endpunkt erzeugend
• Qb = Menge an Verbindung B, alleine wirkend, einen Endpunkt erzeugend
• QA = Menge an Verbindung A in Mischung, einen Endpunkt erzeugend
• QB = Menge an Verbindung B in Mischung, einen Endpunkt erzeugend.
• Der in den Berechnungen verwendete Endpunkt ist die % -Verminderung, die von jeder Mischung von A und B verursacht wird. QA und QB sind die Einzelkonzentrationen in dem A/B- Gemisch, die eine gegebene %-Verninderung ergeben. Qa und Qb werden durch Interpolierung aus den entsprechenden Dosis-Antwort-Kurven von A und B als jene Konzentrationen von A und B, die alleine wirken, bestimmt, die die gleiche %- Verminderung wie jede erzeugte spezifische Mischung ergeben.
• Dosis-Antwort-Kurven für jede alleine wirkenden Wirkstoff wurden durch lineare Regressionsanalyse der Dosis-Antwort- Daten bestimmt. Daten wurden einer Kurve angepaßt, die durch die mit jedem Datensatz gezeigte Gleichung dargestellt ist. Nach der Linearisierung der Daten wurde die Verteilung jedes Biozidbestandteiles in der Mischung zu der Hemmung der Radioisotopaufnahme durch Interpolierung mit der Dosis-Antwort-Kurve des entsprechenden Biozides bestimmt. Wenn beispielsweise die Mengen QA plus QB ausreichend sind, um 50% Verminderung an 14C-Gehalt zu ergeben, sind Qa und Qb jene Mengen von alleine wirkendem A bzw. B, die eine 50%ige Verminderung an 14C-Gehalt ergeben. Ein Synergismusindex (SI) wird für jede Kombination von A und B berechnet.
• Wenn der SI-Wert weniger als 1 beträgt, besteht Synergismus. Wenn der SI-Wert = 1 ist, besteht Additivität. Wenn der SI-Wert größer als 1 ist, besteht Antagonismus.
• Die Daten in den nachfolgenden Tabellen stammen von der Behandlung von Klebsiella pneumoniae, eine allgemein ärgerliche Bakterienform, die in Industriekühlwässern und in Papieraufbereitungs- und Papierherstellungssystemen gefunden wird, mit variierenden Verhältnissen und Konzentrationen von Glutaraldehyd und jedes zusätzlichen bioziden Bestandteils. Für jede Kombination ist die %-Verminderung des 14C- Gehalts (% I), der berechnete SI-Wert und das Gewichtsverhältnis von Glutaraldehyd und jedem zusätzlichen bioziden Bestandteil gezeigt. TABELLE 1 DGH und Glutaraldehyd (GLUT) Verhältnis DGH:GLUT TABELLE I Fortsetzung DGH und Glutaraldehyd (GLUT) Verhältnis DGH:GLUT ¹ Produkt, das 35% aktives DGH enthält ² Produkt, das 25% aktives GLUT enthält TABELLE II DGH und Glutaraldehyd Verhältnis DGH:GLUT TABELLE 11 Fortsetzung DGH und Glutaraldehyd Verhältnis DGH:GLUT ¹ Produkt, das 35% aktives DGH enthält ² Produkt, das 25% aktives GLUT enthält
• Sterne in der SI-Spalte zeigen synergistische Kombinationen in Übereinstimmung mit dem obigen Kull-Verfahren an.
• In den vorhergehenden Tabellen sind für alle untersuchten Kombinationen Unterschiede, die zwischen den Replikaten gesehen werden, eine normale experimentelle Abweichung.
• In Übereinstimmung mit den vorherstehenden Tabellen kamen unterwartete Ergebnisse häufig innerhalb der folgenden Produktverhältnisse vor: Von etwa Glutaraldehyd zu DGH
• Die einzelnen Produkte enthalten die folgenden Mengen an aktiven bioziden Bestandteilen:
• Glutaraldehyd: etwa 25%
• DGH: etwa 35%
• Wenn sie auf aktivem biozidem Bestandteil basieren, erscheinen daher unerwartete Ergebnisse häufiger innerhalb der folgenden Bereiche an aktiven Bestandteilen: Von etwa Glutaraldehyd zu DGH
• Derzeit ist es am bevorzugtesten, daß die Erfindung ausführende Handelsprodukte Gewichtsverhältnisse an aktiven Bestandteilen von etwa 5:1 Glutaraldehyd:DGH umfassen.

Claims (6)

1. Eine bakterienhemmende Zusammensetzung, welche ein synergistisches Gemisch aus (a) Glutaraldehyd und (b) wenigstens einem zusätzlichen bioziden Bestandteil umfaßt, wobei der zusätzliche biozide Bestandteil Dodecylguanidinhydrochlorid ist, und das Gewichtsverhältnis von Glutaraldehyd zu Dodecylguanidinhydrochlorid von etwa 357:1 bis 1:2,87 beträgt.

2. Ein Verfahren zur Bekämpfung des Bakterienwachstums in einem wäßrigen System, welches die Zugabe von etwa 0,1 bis 200 Gewichtsteile einer Zusammensetzung pro einer Million Gewichtsteile des wäßrigen Systemes zu dem System umfaßt, wobei die Zusammensetzung die in Anspruch 1 angegebene Bedeutung besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin die Bakterien Klebsiella pneumoniae-Bakterien sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, worin die Zusammensetzung dem System in einer Gewichtsmenge von etwa 5 bis etwa 50 ppm des wäßrigen Systemes zugegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, worin das wäßrige System ein Kühlwassersystem umfaßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, worin das wäßrige System ein Holzaufschluß- und Papierherstellungssystem umfaßt.