Предотвращение образования бактериальных спор в размалывающей системе картоноделательной машины - RU2405080C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к предотвращению или замедлению образования бактериальных спор в размалывающей системе картоно- или бумагоделательной машины. Основным участком для образования бактериальных спор в картоно- или бумагоделательной машине является система циркуляции размолотой массы. Трансформацию бактерий в споры или споруляцию в размалывающей системе картоно- или бумагоделательной машины можно предотвратить с помощью настоящего изобретения. Настоящее изобретение также относится к способу получения упаковочного картона или упаковочной бумаги, характеризующихся низким содержанием бактериальных спор, в котором при получении упаковочного картона или упаковочной бумаги используется размолотая масса.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Низкое содержание бактериальных спор в готовой продукции является важным показателем качества, в особенности для машин, производящих картон для упаковки жидких продуктов, и другие виды упаковочных картонов, используемых в пищевой промышленности. Как правило, бактериальные клетки, образующие споры, присутствуют в окружающей картоноделательную машину атмосфере или в виде бесспоровых (вегетативных) клеток, размножающихся клеточным делением (вегетативная форма), или в виде спор, являющихся очень устойчивыми к суровым внешним условиям (покоящаяся форма, существующая в течение многих лет). Трансформация бактериальных клеток, находящихся в вегетативной форме, в резистентную покоящуюся форму называется споруляцией, тогда как обратная трансформация бактериальных спор, которая дает вегетативные клетки, называется прорастанием. В некоторых картоноделательных машинах очень сложно достичь низкого содержания спор в готовой продукции из-за повышенной бактериальной споруляции. Для уничтожения созревших спор необходимы высокие концентрации биоцидов и поэтому предотвращение споруляции бактериальных клеток будет более эффективным по сравнению с уничтожением зрелых спор. В случае предотвращения бактериальной споруляции клетки остаются в вегетативном состоянии и являются более чувствительными к действию биоцидов и в дальнейшем уничтожаются в сушильной камере под действием высоких температур. Факторы, влияющие на споруляцию бактериальных клеток и прорастание, хорошо изучены. Известно, что споруляция является сравнительно хорошо контролируемым процессом, который не может быть остановлен, если он однажды инициирован. Кроме того, при экологическом стрессе, например голоде, клетки образуют споры. González-Pastor и др. (2003) продемонстрировали, что при недостатке питательных веществ у бактерий Bacillus subtilis первая попытка замедлить споруляцию происходит при помощи каннибализма. Гены, кодирующие так называемые фактор sk (sporulation killing factor) и белок, замедляющий споруляцию (spd, sporulatuon delay protein), первыми активируются в клетках при наступлении голода, вызывая секрецию цитотоксинов и гибель окружающих сестринских клеток. Питательные вещества, выделившиеся из мертвых клеток, утилизируются выжившими клетками. Fujita и др. (2005) продемонстрировали, что инициация споруляции зависит от гена-регулятора Spo0A, контролирующего экспрессию приблизительно 121 гена, вызывающего споруляцию. Увеличение Spo0A-белка в первую очередь приводит к сдерживанию генов, поддерживающих рост, тем самым вызывая, например, гибель сестринских клеток, утилизацию выделившихся питательных веществ и увеличение образования биопленки, фактически же процесс споруляции происходит гораздо позже.

Существует несколько исследовательских работ, посвященных изучению резистентности образовавшихся спор, по отношению к факторам, вызывающим экологический стресс. Turner и др. (2000) изучали влияние антимикробных средств на зрелые споры бактерий Bacillus subtilis. Эффективность биоцидов была снижена, поскольку формирование кортекса, внутреннего и внешнего слоя спор было завершено во время протекания споруляции. На ранних стадиях споруляции споры обладали резистентностью по отношению к толуолу, формальдегиду, фенолу и фенилнитрату ртути. Как только кортекс споры готов, споры становятся резистентными по отношению к хлоргексидина диацетату (ХДА), соединениям четвертичного аммония (СЧА) и соединениям, высвобождающим хлор. На финальной стадии споруляции, когда уже готовы внутренний и внешний слои спор, появляется резистентность по отношению к ферменту лизозиму и глутаральдегиду. Резистентность зрелых спор по отношению к биоцидам значительно больше, чем у бактериальных клеток в вегетативном состоянии. Готовый картон не должен содержать слишком больших остаточных количеств биоцидов, и поэтому для различных картоноделательных машин ограничивают используемые количества биоцидов, таким образом, на практике предотвращая использование биоцидов в количествах, необходимых для гибели зрелых спор. Термически устойчивые споры также выдерживают высокие температуры, использующиеся в сушильной камере картоноделательной машины, которые обычно являются смертельными для вегетативных клеток.

Ионы различных металлов, включая марганец, участвуют в процессах роста, споруляции и прорастания микроорганизмов. Согласно литературным данным проводились исследования влияния разнообразных металлов на различную ферментную активность. Charney и др. (1951) продемонстрировали, что марганец является важным переходным металлом для процесса споруляции у бактерий Bacillus subtilis. Было показано, что в ростовой среде, очень насыщенной питательными веществами, но имеющей низкую концентрацию марганца, споруляция бактерий не происходит. При добавлении марганца в количестве 0,1 млн^-1 или более количество спорулирующих клеток увеличивается. Vasantha и Freese (1979) исследовали роль марганца в процессах роста и споруляции бактерий Bacillus subtilis. Было показано, что марганец является важнейшим металлом для активности фермента фосфоглицерат-фосфомутазы во время споруляции. В отсутствие марганца споруляция происходила только в том случае, если в среду добавляли глюкозу, малат и ингибитор декоинин, причем указанный ингибитор предотвращал образование гуанозин-монофосфатсинтазы, тем самым обходя метаболический путь 3-фосфоглицериновой кислоты. Таким образом, для нормального протекания процесса споруляции клеткам необходим марганец. Inaoka и др. (1999) продемонстрировали, что фермент супероксид дисмутаза (SodA) бактерий Bacillus subtilis в сочетании с марганцем защищают клетки от внешних окислителей, как на стадии роста, так и на стадии споруляции, таким образом, марганец является также важнейшим фактором защиты клеток. Que и Helmann (2000) продемонстрировали, что mnt-гены бактерий Bacillus subtilis участвуют в транспорте марганца. Мутация этих генов, препятствующая транспорту марганца, является причиной уменьшения споруляции по сравнению со споруляцией у штаммов дикого типа. Количество спорулирующих клеток у штаммов дикого типа составляло приблизительно 2,6% при добавлении 0,006 млн^-1 марганца, при добавлении 0,8 млн'¹ марганца количество указанных клеток составило 39%. Таким образом, добавление марганца, несомненно, увеличивает споруляцию.

Известно, что метаболизм бактериальной споры является довольно незначителен. Однако даже на стадии покоя споры влияют на марганец, присутствующий в окружающей их среде. Francis и Tebo (2002) продемонстрировали, что ферменты, способные окислять марганец из растворимой формы Mn(II) с образованием нерастворимой формы Mn(IV), могут быть выделены с поверхности спор.

Тот факт, что рост микроорганизмов может быть ограничен с помощью хелатообразующего железа и других металлов, известен уже давно, однако обычно для этих целей хелатные соединения не используются, поскольку необходимые концентрации хелатных соединений часто являются очень высокими. Например, для ингибирования роста микроорганизмов в картоноделательных машинах используются различные биоциды. Fortnagel и Freese (1968) изучали влияние хелатных соединений на процесс споруляции. Проведя научные исследования, посвященные механизму споруляции у бактерий Bacillus subtilis, вышеуказанные исследователи продемонстрировали, что споруляцию можно остановить посредством хелатного связывания переходных металлов, таким образом, ингибируя фермент аконитазу. Рост не ингибировался при добавлении α-пиколиновой кислоты в концентрации менее чем 1 мМ (<123 млн^-1), в то время как концентрация 0,4 мМ уменьшала споруляцию. Фермент аконидаза также ингибируется синальдиновой кислотой, о-фенантролином и дипиридилом с концентрацией каждого из веществ менее чем 1 мМ.

В бумажной промышленности хелатирование марганца изучалось применительно к процессам отбеливания. Целью исследования Kujala и др. (2004) являлось уменьшение количества марганца, естественным образом присутствующего в древесине, во время варки целлюлозы, поскольку он вступает в реакцию с перекисью водорода, используемой для отбеливания целлюлозы. Лучше всего марганец образует хелатные соединения с диэтилентриаминпентаметиленфосфоновой кислотой (DTPMP), одним из четырех хелатирующих агентов, используемых в исследовании, т.е. нитрилотриуксусной кислотой (NTA), этилендиаминтетрауксусной кислотой (EDTA), диэтилентриаминпентауксусной кислотой (DTPA) и DTPMP со степенью хелатообразования более 95%.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к подавлению бактериальной споруляции в размалывающей системе картоно- или бумагоделательной машины посредством уменьшения концентрации двухвалентных переходных металлов, в частности марганца, регулирующих процесс споруляции, до уровня, предотвращающего споруляцию без гибели бактерий в размалывающей системе. Это достигается наиболее эффективно при использовании смеси хелатирующего агента и диспергирующего агента.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Автор настоящего изобретения обнаружил, что основным участком в бумагоделательной машине, где образуются бактериальные споры, является система циркуляции размолотой массы. Автор настоящего изобретения также обнаружил, что общее количество бактерий в емкости для размолотой массы может оставаться на том же самом уровне в течение нескольких дней, и в то же время доля спорулирующих бактерий может изменяться в значительной степени. Исходя из измерений, концентрации двухвалентного марганца и двухвалентного железа в размалывающей системе варьируют между микробиологически значимыми значениями концентраций. Автор настоящего изобретения обнаружил, что споруляция бактерий, находящихся в картоноделательных машинах, в частности, регулируется с помощью содержания марганца, и низкое содержание марганца является причиной уменьшения споруляции. Споруляция бактерий в размалывающей системе картоноделательной машины увеличивается с увеличением концентраций двухвалентного марганца и/или двухвалентного железа. Бóльшие количества марганца представляются необходимыми для ранних стадий бактериальной споруляции, нежели чем для обычной жизненной активности. Таким образом, было установлено, что споруляцию можно предотвратить посредством удаления небольшой части содержащегося марганца с помощью хелатирования, причем на жизнеспособности клеток это никак не отражается. Следовательно, небольшое уменьшение концентраций двухвалентного марганца и двухвалентного железа приводит к понижению уровней бактериальных спор как в размалывающей системе картоноделательной машины, так и в готовой продукции без прямого уничтожения бактериальных клеток (способ контроля микроорганизмов без применения биоцидов).

Таким образом, настоящее изобретение предлагает способ предотвращения или замедления бактериальной споруляции в размалывающей системе картоно- или бумагоделательной машины посредством уменьшения содержания переходных металлов в размолотой массе до уровня, который является неблагоприятным для споруляции.

Настоящее изобретение также предлагает способ получения упаковочного картона или упаковочной бумаги, характеризующихся низким содержанием бактериальных спор, где размолотая масса используется для получения упаковочного картона или упаковочной бумаги, причем указанный способ включает уменьшение содержания переходных металлов в размолотой массе до уровня, который является неблагоприятным для споруляции.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения бактериальные клетки, присутствующие в размалывающей системе картоно- или бумагоделательной машины, по существу не уничтожают в процессе технологической операции, используемой для уменьшения содержания переходных металлов.

Указанная технологическая операция, используемая для уменьшения содержания переходных металлов, может включать хелатирование или электрохимическое окисление.

В контексте настоящего изобретения выражение «уменьшение содержания переходных металлов» в первую очередь относится к понижению концентраций свободных ионов переходных металлов. В случае использования хелатирующих агентов концентрации переходных металлов понижаются в результате связывания указанных ионов переходных металлов с помощью указанных хелатирующих агентов.

Настоящее изобретение главным образом касается размалывающих систем картоноделательных машин, производящих упаковочный картон, в частности упаковочный картон, используемый в пищевой промышленности, главным образом картон для упаковки жидких продуктов. Обычно картоны указанных выше видов имеют многослойную структуру, где картон, полученный в соответствии со способом согласно настоящему изобретению, предпочтительно расположен посередине многослойной структуры, например, если структура имеет три слоя, то он расположен между верхним и нижним слоями. Указанные верхний и нижний слои могут, например, быть получены из беленой целлюлозы. Таким образом, такие упаковочные картоны могут содержать от 10 до 25 мас.% верхнего слоя, от 50 до 80 мас.% картона, содержащего размолотую массу, и от 10 до 25 мас.% нижнего слоя. Как известно, упаковочные картоны могут также содержать слой (слои) алюминиевой фольги и/или слой (слои) полимера.

Настоящее изобретение также относится к размалывающей системе бумагоделательных машин, изготовляющих бумагу для гигиенических целей или упаковочную бумагу, используемую, например, для упаковывания пищевых продуктов, медикаментов, в табачной промышленности, а также защитные оберточные материалы для асептических средств или для другого применения, где требуется микробиологическая чистота готовой продукции.

К споруляции в аэробных условиях способны микроорганизмы рода Bacillus, Paenibacillus, Brevibacillis и Alicyclobacillus.

В соответствии с настоящим изобретением содержание переходных металлов может быть уменьшено с помощью образования хелатных соединений. Для хелатирования может использоваться хелатирующий агент формулы I, II, III, IV, V или VI, которые указаны ниже или любой другой хелатирующий агент, описанный ниже.

Предпочтительный хелатирующий агент представляет собой соединение следующей общей формулы:

где

р представляет собой 0 или целое число от 1 до 10,

R₃, R₄, R₅, R₆, R₇ независимо друг от друга представляют собой водород или алкильную цепь, содержащую от 1 до 6 атомов углерода и содержащую один или более хелатирующих лигандов, таких как карбоксильная, фосфоновая или гидроксильная группа или группы; или его соль.

Указанная алкильная цепь предпочтительно представляет собой метилен -СН₂- или этилен -СН₂СН₂-.

В формуле I R₃, R₄, R₆, R₇ предпочтительно представляют собой одинаковые группы.

Хелатирующие агенты вышеуказанной формулы I включают полиаминополикарбоновые кислоты и полиаминополиметиленфосфоновые кислоты.

Полиаминополикарбоновые кислоты могут быть получены с помощью известных методов из полиамина, формальдегида и цианида натрия или синильной кислоты. Более подходящим способом для промышленного производства является применение в качестве исходного реагента галогенированной уксусной кислоты, в частности монохлоруксусной кислоты.

Предпочтительные полиаминополикарбоновые кислоты включают:

DTPA: р=1, R₃=R₄=R₅=R₆=R₇=-CH₂COOH

ТТНА: р=2, R₃=R₄=R₅=R₆=R₇=-CH₂COOH

EDTA: p=0, R₃=R₄=R₅=R₆=-CH₂COOH

HEDTA: p=0, R₃=R₄=R₅=-CH₂COOH, R₆=CH₂CH₂OH

EDDS: p=0, R₃=R₅=H, R₄=R₆=-CH(COOH)CH₂COOH

(этилендиаминдиянтарная кислота)

Полиаминополиметиленфосфоновые кислоты получают традиционными способами из соответствующего полиамина, формальдегида и фосфоновой кислоты. В случае высших аминов полное замещение групп уксусной кислоты или групп метиленфосфоновой кислоты является более затрудненным.

Предпочтительные полиаминополиметиленфосфоновые кислоты включают:

DTPMPA: р=1, R₃=R₄=R₅=R₆=R₇=-CH₂POO₂H₂

ТТНМРА: р=2, R₃=R₄=R₅=R₆=R₇=-CH₂POO₂H₂

EDTMPA: p=0, R₃=R₄=R₅=R₆=-CH₂POO₂H₂

Другой предпочтительный хелатирующий агент представляет собой соединение следующей общей формулы:

где

q представляет собой целое число от 3 до 10,

R₃, R₄, R₅, R₆ независимо друг от друга представляют собой водород или алкильную цепь, содержащую от 1 до 6 атомов углерода и содержащую один или более хелатирующих лигандов, таких как карбоксильная, фосфоновая или гидроксильная группа или группы; или его соль.

Указанная алкильная цепь предпочтительно представляет собой метилен -СН₂- или этилен -СН₂СН₂-.

В формуле II R₃, R₄, R₅, R₆ предпочтительно представляют собой одинаковые группы.

Группа -(CH₂)_q- может также представлять собой циклическую структуру, такую как кольцо циклогексана. 1,2-Диаминоциклогексантетрауксусная кислота (DCTA) представляет собой пример такого хелатирующего агента.

Хелатирующие агенты вышеуказанной формулы II включают: гексаметилендиаминтетра(уксусную кислоту) (q=6) и тетраметилендиаминтетра(метиленфосфоновую кислоту) (q=4), оба вышеуказанных соединения являются коммерчески доступными и имеют формулы, указанные ниже

Третий предпочтительный хелатирующий агент представляет собой соединение следующей общей формулы:

где

R₃, R₄, R₅ независимо друг от друга представляют собой водород или алкильную цепь, содержащую от 1 до 6 атомов углерода и содержащую один или более хелатирующих лигандов, таких как карбоксильная, фосфоновая или гидроксильная группа или группы; или его соль.

Указанная алкильная цепь предпочтительно представляет собой метилен -СН₂- или этилен -CH₂CH₂-.

В формуле III R₃, R₄, R₅ предпочтительно представляют собой одинаковые группы.

Примеры хелатирующих агентов формулы III включают коммерчески доступную нитрилотриуксусную кислоту (NTA): R₃=R₄=R₅=-СН₂СООН

Еще один предпочтительный хелатирующий агент представляет собой соединение следующей общей формулы:

где

R₈ представляет собой водород или алкильную группу, содержащую от 1 до 6 атомов углерода, или алкильную цепь, содержащую от 1 до 6 атомов углерода и содержащую карбоксильную, фосфоновую или гидроксильную группу,

R₉ представляет собой водород, гидроксильную группу, фосфоновую группу, карбоксильную группу, алкильную цепь, содержащую от 1 до 6 атомов углерода и содержащую одну или две карбоксильные группы,

R₁₀ представляет собой водород, гидроксильную группу, карбоксильную группу, алкильную группу, содержащую от 1 до 6 атомов углерода, или алкильную цепь, содержащую от 1 до 6 атомов углерода и содержащую карбоксильную группу; или его соль.

Указанная алкильная цепь предпочтительно представляет собой метилен -СН₂- или этилен -СН₂СН₂-.

Примеры хелатирующих агентов вышеуказанной формулы IV, не содержащих азота, включают 1-гидроксиэтилиден-1,1-дифосфоновую кислоту (HEDP).

Еще один предпочтительный хелатирующий агент представляет собой соединение следующей общей формулы:

где

R₁₁ представляет собой:

- водород,

- алкильную цепь, содержащую от 1 до 30 атомов углерода,

- алкильную цепь, содержащую от 1 до 30 атомов углерода и содержащую от 1 до 10 карбоксильных групп, связанных с указанной цепью, или их солей с щелочными или щелочноземельными металлами,

- алкильную цепь, содержащую от 1 до 30 атомов углерода и содержащую от 1 до 10 сложноэфирных групп, образованных карбоновой кислотой и связанных с указанной цепью,

- полиэтоксилированную углеводородную цепь, содержащую от 1 до 20 этоксильных групп, или

- амид карбоновой кислоты, содержащей от 1 до 30 атомов углерода, где N-R₁₁-связь представляет собой амидную связь,

R₁₂ и R₁₃ представляют собой водород, ион щелочного металла, или ион щелочноземельного металла, или алкильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода,

r представляет собой 0 или 1,

s представляет собой 0 или 1.

Предпочтительными являются N-бис- или трис-[(1,2-дикарбоксиэтокси)этил]амины формулы V:

А=N-бис[2-(1,2-дикарбоксиэтокси)этил]амин

В=N-бис[2-(1,2-дикарбоксиэтокси)этил]аспарагиновая кислота (AES)

С=N-бис[2-(1,2-дикарбоксиэтокси)этил]амин.

Предпочтительный N-бис-[(1,2-дикарбоксиэтокси)этил]амин формулы V представляет собой иминодиянтарную кислоту (ISA) формулы

Еще один предпочтительный хелатирующий агент представляет собой соединение следующей общей формулы:

где

t представляет собой целое число от 1 до 8,

u представляет собой целое число от 0 до 2t,

v представляет собой целое число от 0 до t,

х представляет собой целое число от 0 до 2,

R₁ представляет собой СООН и

R₂ представляет собой Н, CH₂OH или СООН.

Хелатирующий агент указанной выше формулы VI представляет собой гидроксикарбоновую кислоту, не содержащую ни азота, ни фосфора, такую как:

Глюконовая кислота t=4, u=4, v=4, х=0, R₁=СООН, R₂=CH₂OH

Лимонная кислота t=3, u=4, v=1, х=1, R₁=СООН, R₂=СООН

Винная кислота t=2, u=2, v=2, х=0, R₁=СООН, R₂=СООН

Другие подходящие гидроксикарбоновые кислоты включают салициловую кислоту.

Еще один подходящий хелатирующий агент представляет собой этиленгликоль-бис(аминоэтиловый) эфир N,N,N',N'-тетрауксусной кислоты (EGTA).

В дополнение к вышеуказанным хелатирующим агентам в качестве хелатирующих агентов также могут использоваться насыщенные или ненасыщенные карбоновые кислоты, такие как уксусная кислота или малеиновая кислота, или аминокислоты, такие как аланин, глицин или цистеин.

Несмотря на то, что приведенное выше описание содержит формулы хелатирующих агентов в кислотной форме, указанные агенты обычно продаются как основные соли, главным образом как натриевые соли, и, следовательно, следует понимать, что вышеуказанные формулы представляют собой как свободные кислоты, так и их соли, включая соли щелочных металлов, такие как натриевая и калиевая соли и соли щелочноземельных металлов, такие как магниевая и кальциевая соли.

В соответствии с настоящим изобретением также является возможным использование смеси из двух или более хелатирующих агентов, описанных выше.

DTPA (диэтилентриаминпентауксусная кислота) является наиболее предпочтительным хелатирующим агентом.

Количество хелатирующего агента составляет предпочтительно по меньшей мере 1,5 млн^-1 и предпочтительно не более чем 70 млн^-1, например не более чем 50 млн^-1. Количество хелатирующего агента может составлять от 1,5 до 70 млн^-1, предпочтительно от 1,5 до 30 млн^-1, более предпочтительно от 2 до 30 млн^-1, еще более предпочтительно от 7,5 до 15 млн^-1 (масса/объем), исходя из объема размолотой массы (включая водную фазу). Количество хелатирующего агента рассчитывают на основе массы этого активного агента. Концентрация размолотой массы, находящейся выше по потоку от осадителя для размолотой массы, обычно составляет приблизительно от 1 до 3% по массе.

В соответствии с настоящим изобретением может быть использована смесь хелатирующего агента, описанного выше, и диспергирующего агента, который будет описан ниже.

Подходящие диспергирующие агенты, растворимые в воде и применяемые согласно настоящему изобретению, включают:

Лигниносульфонаты, такие как лигниносульфонат натрия.

Продукты конденсации ароматических сульфокислот с формалином, такие как конденсированные нафталинсульфонаты.

Диспергирующие анионные полимеры и сополимеры получают из анионных мономеров или переводят в заряженную форму с получением анионной формы после полимеризации. Указанные полимеры включают повторяющиеся фрагменты с отрицательными зарядами, такие как карбоновые кислоты, соли карбоновых кислот, сульфокислоты, соли сульфокислот и/или их смеси. Анионные сополимеры могут быть получены сополимеризацией анионных мономеров с другим анионным сомономером, незаряженным сомономером и/или катионным сомономером. Обычно анионные мономеры включают акриловую кислоту, метакриловую кислоту, гидроксиэтилакрилат, винилсульфонат, 2-акриламид-2-метилпропансульфокислоту, стиролсульфокислоту или их соли и другие соответствующие мономеры. Полимеры, переведенные в заряженную форму с получением анионной формы только после полимеризации, включают гидролизованные полиакриламиды и полимеры, полученные из малеинового ангидрида.

Анионные полимеры могут также включать различные типы заряженных повторяющихся фрагментов, например фосфаты, такие как этиленгликольметакрилатфосфат, или фосфокислоты, или их соли, такие как винилфосфокислота.

Примерами анионных полимеров, описанных выше, являются:

- полиметакрилаты, полиакрилатмалеат, полималеат, поли-α-гидроксиакриловая кислота, поливинилсульфонат, полистеролсульфонат, 2-акриламид-2-метилпропансульфонат и поливинилфосфонат;

- полифосфонаты, такие как гексаметафосфонат натрия;

- незаряженные полимеры, такие как поливиниловый спирт, поливинилпирролидон, полиалкоксисиланы и полиэтоксиспирты;

- диспергирующие полимеры, обладающие положительным зарядом, такие как полимеры дициандиамидоформальдегида и полиамины.

Другие применяемые диспергирующие агенты включают полисахариды, например природный и модифицированный крахмал или модифицированную целлюлозу, такую как карбоксиметилцеллюлоза и ее производные.

Еще одна группа применяемых диспергирующих агентов включает поверхностно-активные вещества, которые могут быть:

- анионными, такими как карбоновые кислоты, сульфокислоты, сложные эфиры серной кислоты, фосфорная кислота и сложные эфиры полифосфорных кислот и их соли,

- неионными, такими как этоксилированные спирты, этоксилированные алкилфенолы, сложные эфиры этоксилированных карбоновых кислот и амиды этоксилированных карбоновых кислот,

- катионными, такими как амины, не содержащие кислород, амины, содержащие кислород, амины, содержащие амидную связь и соли четвертичного аммония.

Следует отметить, что некоторые из хелатирующих агентов согласно настоящему изобретению в дополнение к хелатирующим свойствам обладают также диспергирующими свойствами.

Массовое отношение хелатирующего агента к диспергирующему агенту предпочтительно находится в диапазоне между 5:1 и 50:1, более предпочтительно между 10:1 и 30:1.

Количество смеси хелатирующего агента и диспергирующего агента предпочтительно составляет по меньшей мере 1,5 млн^-1 и предпочтительно не более чем 70 млн^-1, например, не более чем 50 млн^-1. Количество смеси хелатирующего агента и диспергирующего агента может составлять от 1,5 до 70 млн^-1, предпочтительно от 1,5 до 30 млн^-1, например от 2 до 70 млн^-1, предпочтительно от 2 до 30 млн^-1, более предпочтительно от 7,5 до 15 млн^-1(масса/объем), исходя из объема размолотой массы (включая водную фазу). Количество хелатирующего агента и диспергирующего агента рассчитывают на основе массы этих активных агентов.

Хелатирующий агент или смесь хелатирующего и диспергирующего агента добавляют на подходящем участке в начале размалывающей системы, например, до (выше по потоку) первой емкости для размолотой массы башни для размолотой массы или в первую емкость для размолотой массы башни для размолотой массы (башня для разбавленной размолотой массы на Фиг.1, позиция 2). Если добавление происходит до емкости для размолотой массы башни для размолотой массы, то подходящим участком является один из дефибреров, трубопроводы, отходящие от дефибреров или общий трубопровод, отходящий от дефибреров, или трубопровод для рециркулирующей воды, используемой для дефибрирования (позиция 1 на Фиг.1). В некоторых определенных случаях машина не включает башню для разбавленной размолотой массы или время пребывания размолотой массы в первой емкости для размолотой массы так коротко, что все еще возможно воздействовать на споруляцию посредством добавления активных агентов, например, в отстойник (позиция 3 на Фиг.1) для размолотой массы или в емкость сборника-аккумулятора (позиция 4 на Фиг.1) для осажденной размолотой массы.

Несмотря на то, что хелатирующий агент и диспергирующий агент могут быть добавлены по отдельности, их добавление в виде смеси является предпочтительным.

В частности, предпочтительно добавлять хелатирующий агент или смесь хелатирующего агента и диспергирующего агента с учетом результатов измерений содержания переходных металлов в режиме онлайн.

Согласно настоящему изобретению также возможным является добавление окисляющего биоцида в дополнение к хелатирующему агенту или смеси хелатирующего агента и диспергирующего агента. Указанный окисляющий биоцид может представлять собой перкислоту, такую как перуксусная кислота, надмуравьиная кислота, гипохлорит, диоксид хлора, галогенированный диметилгидантоин, бромид аммония, хлорамин или гипобромноватая кислота. Указанный биоцид предпочтительно добавляют в размалывающую систему на ранней стадии. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения добавление хелата может также оказывать и другие благоприятные воздействия. Когда окисляющие биоциды добавляют к картоноделательной машине, то при условии, что концентрации двухвалентного марганца и других переходных металлов понижены, на окисление металлов расходуется меньше биоцидов, таким образом, увеличивается антимикробная эффективность биоцидов.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения содержание переходных металлов уменьшается посредством электрохимического окисления. Указанное электрохимическое окисление может проводиться, например, посредством изменения потенциала поверхности металла, из которого выполнена емкость для размолотой массы, что приводит к осаждению марганца из раствора в виде оксида.

Согласно настоящему изобретению переходный металл может включать двухвалентный переходный металл, предпочтительно двухвалентный марганец или двухвалентное железо, или двухвалентный марганец и двухвалентное железо.

Согласно настоящему изобретению вегетативные бактериальные клетки уничтожают в картоно- или бумагоделательной машине предпочтительно в сушильной камере указанной машины посредством действия высоких температур.

Далее настоящее изобретение описывается со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фигура 1 демонстрирует упрощенную схему различных стадий, которые являются обычными для размалывающей системы картоно- или бумагоделательной машины.

Фигура 2 демонстрирует образование аэробных спор в размолотой массе картоноделательной машины как функцию времени, а также влияние на спорообразование двухвалентного марганца, двухвалентного железа и DTPA.

Фигура 3 демонстрирует влияние добавления исследуемого продукта С на количество аэробных бактерий в размолотой массе картоноделательной машины как функцию времени.

Фигура 4 демонстрирует образование аэробных спор в размолотой массе картоноделательной машины как функцию времени, а также эффективность исследуемого продукта С.

Фигура 5 демонстрирует влияние добавления металлов, DTPA и исследуемого продукта С на количество аэробных бактерий в размолотой массе картоноделательной машины как функцию времени.

Фигура 6 демонстрирует образование аэробных спор в размолотой массе картоноделательной машины как функцию времени, а также эффективность металлов, DTPA и исследуемого продукта С.

Фигура 7 демонстрирует образование аэробных спор в размолотой массе картоноделательной машины как функцию времени, а также эффективность металлов и исследуемого продукта С.

Фигура 8 демонстрирует образование аэробных спор в размолотой массе картоноделательной машины как функцию времени, а также эффективность исследуемых продуктов А и D.

Фигура 9 демонстрирует влияние добавления исследуемых продуктов А и D на количество аэробных бактерий в размолотой массе картоноделательной машины как функцию времени.

На Фиг.1 позицией 1 обозначены трубопроводы от нескольких дефибреров. Целлюлозную массу из нескольких дефибреров направляют в первую башню 2 для размолотой массы и далее в осадитель 3 для размолотой массы. Сгущенная размолотая масса поступает в башню 4 для указанной сгущенной размолотой массы, а фильтрат из отстойника для размолотой массы направляют в емкость 5 для возврата в размалывающую систему или на другой подходящий технологический участок. Сгущенную размолотую массу пропускают через сортировочную установку 6, затем направляют в рафинер 7 и далее в бассейн 8 для дозирования бумажной массы в картоноделательную машину.

Поскольку споры главным образом образуются в размалывающей системе (Фиг.1) картоноделательной машины, то лучшим участком для добавления активных агентов является участок, расположенный до (выше по потоку) первой башни 2 для размолотой массы, или общий трубопровод, идущий от разных дефибреров, или несколько трубопроводов 1. Добавление предпочтительно осуществляется непрерывно, но по возможности является предпочтительным контролировать заданные значения для дозировочных насосов для потоков от разных дефибреров. Добавляемые количества могут варьировать между 2 и 70 млн^-1, предпочтительно между 2 и 30 млн^-1, более предпочтительно между 7,5 и 15 млн^-1(масса/объем) хелатирующего агента или между 2 и 70 млн^-1, предпочтительно между 2 и 30 млн^-1, более предпочтительно между 7,5 и 15 млн^-1 (масса/объем) смеси хелатирующего агента и диспергирующего агента.

Добавление также может, например, осуществляться непосредственно в дефибрер или прямо в первую башню 2 системы рециркуляции размолотой массы. Также добавление может, например, осуществляться на другой стадии системы рециркуляции размолотой массы, например, в отстойник 3 для размолотой массы, в воду, отфильтрованную от размолотой массы, находящуюся в емкости 5, или в башню для осажденной размолотой массы, однако такое добавление не обязательно приводит к предотвращению споруляции с тем же эффектом, что и добавление на самых ранних стадиях рециркуляции размолотой массы.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно с помощью примеров.

Пример 1

Согласно приведенному ниже лабораторному исследованию влияние двухвалентного марганца и двухвалентного железа, а также хелатирующего агента (DTPA, диэтилентриаминпентауксусная кислота) на споруляцию бацилл, выделенных из картоноделательной машины, изучают в условиях, соответствующих условиям размалывающей системы. Для настоящего исследования инокулят, не содержащий спор, получают из Bacillus licheniformis штамм 217 посредством проведения трех последовательных культивирований в жидкой среде в течение 24 часов (среда, содержащая триптон и дрожжевой экстракт,+50°С, перемешивание-вращение при 100 об/мин) с использованием низкого инокуляционного соотношения (0,1% объем/объем). Размолотую массу, не содержащую спор, получают посредством стерилизации разбавленной размолотой массы картоноделательной машины. Небольшое количество распыленного крахмала, используемого в картоноделательной машине, добавляют к размолотой массе для восполнения количества крахмала, израсходованного бактериями во время транспортировки образца размолотой массы в лабораторию. Размолотую массу разделяют на аликвоты по 25 мл каждая и заполняют ими пробирки, с последующим добавлением в пробирки исследуемых агентов в разных концентрациях. 0,2%-ные маточные растворы марганца (Mn(II)Cl₂×4Н₂О) и железа (Fe(II)SO₄×7H₂O) в деионизированной воде фильтруют в стерильных условиях с использованием 0,2 мкм фильтров с системой распыления. В каждую пробирку добавляют 25 мкл культуры Bacillus, не содержащей спор, далее пробирки выдерживают при 45°С (перемешивание-вращение при 100 об/мин). Количества аэробных бактерий и аэробных спор в каждой пробирке определяют после выдержки в течение различных промежутков времени. Количество аэробных бактерий определяют с помощью способа фильтрации, тогда как количество аэробных спор определяют из пастеризованных образцов (пастеризация 20 мин, при 80°С), используя чашечный способ подсчета (определение количества микроорганизмов посевом на чашках Петри в обоих случаях, при 45°С, 3 дня).

Результаты проведенного исследования представлены на Фиг.2. Обнаружено, что в контрольном образце, не содержащем добавок, за исключением распыленного крахмала, споры не образуются после 24 часов выдержки, после 29 часов выдержки были обнаружены споры в количестве 190 спор в мл. В то же время количество аэробных бактерий (на Фиг.2 не показано) составляет 110000 КОЕ/мл и частота споруляции составляет меньше чем 0,17%. Исходя из указанных результатов, можно сделать вывод, что условия для споруляции в размолотой массе являются не очень благоприятными. Добавление металлов способствует споруляции. Например, добавление к размолотой массе 0,4 млн^-1 Mn(II) и 1,5 млн^-1Fe(II) приводит к образованию зрелых спор уже в течение 24 часов. К концу исследования (время выдержки 29 часов) количество спор составляет 9000 КОЕ/мл и увеличение количества спор по сравнению с контрольным образцом составляет 98%, частота споруляции составляет 10%. Добавление хелатирующего агента (DTPA) в количестве 12,5 млн^-1 (в качестве активного агента) уменьшает споруляцию на 79%, в то время как добавление 17,5 млн^-1 хелатирующего агента приводит к полному ингибированию споруляции.

Пример 2

Согласно приведенному ниже лабораторному исследованию влияние исследуемого продукта С, содержащего диспергирующий агент и DTPA, на споруляцию бацилл, выделенных из картоноделательной машины, изучают в условиях, соответствующих условиям размалывающей системы. Композиция исследуемого продукта С является следующей: 40% (масса/объем) пентанатриевой соли диэтилентриаминпентауксусной кислоты, 2% (масса/объем) глюконата натрия и 2% (масса/объем) нафталинсульфоната (полимер, полученный конденсацией нафталинсульфокислоты и формальдегида). Исследование проводят так, как описано в Примере 1, за исключением того, что инокулят культивируют при +45°С без добавления распыленного крахмала к размолотой массе.

Результаты исследования представлены на Фиг.3 и 4. Согласно указанному исследованию в контрольном образце (контрольный образец - размолотая масса без добавок) образуется 32000 спор/мл, таким образом, частота споруляции составляет 3,2%. Это предполагает, что условия в указанной размолотой массе являются более благоприятными для споруляции бацилл, чем в образце размолотой массы, используемом в исследовании согласно Примеру 1. Как можно увидеть на Фиг.3, исследуемый продукт С является нетоксичным для бацилл, но однако он явно уменьшает споруляцию (Фиг.4). Например, в случае добавления исследуемого продукта в количестве 10 млн^-1 (4,4 млн^-1 активного агента) к размолотой массе споруляция составляет только 30 КОЕ/мл. На основании этих результатов можно сделать вывод, что споруляция уменьшается приблизительно на 99,9% при добавлении 10 млн^-1 исследуемого продукта, в то время, как добавление 20 млн^-1 приводит к полному ингибированию споруляции (<10 КОЕ/мл). Частота споруляции составляет 0,3%, 0,17% и <0,0024% при добавлении 10, 15 и 20 млн^-1исследуемого продукта соответственно.

Пример 3

Согласно приведенному ниже лабораторному исследованию изучают влияние двухвалентного марганца и двухвалентного железа, DTPA, исследуемого продукта С, содержащего диспергирующий агент, и DTPA на споруляцию бацилл, выделенных из размолотой массы картоноделательной машины. Исследование проводят так, как описано в Примере 2.

Результаты исследования представлены на Фиг.5 и 6. Согласно указанному исследованию количество спор в контрольном образце (контрольный образец -размолотая масса без добавок) после 24 часов составляет 25000 спор/мл, таким образом, частота споруляции составляет 2,3%. Это предполагает, что условия в указанной размолотой массе без добавок являются более благоприятными для споруляции бацилл. Добавление двухвалентных переходных металлов к размолотой массе приводит к удваиванию количества образовавшихся спор, т.е. частота споруляции становится равной 4,2%. Фиг.5 демонстрирует, что ни DTPA, ни исследуемый продукт С не являются токсичными для бацилл. Фиг.6 демонстрирует, что добавление 12 млн^-1 DTPA (как активного агента) уменьшает как споруляцию на 99,4%, так и частоту споруляции (до 0,11%). Однако исследуемый продукт С является более эффективным, добавление его в количестве 8 млн^-1 (как продукта) уменьшает споруляцию на 98,4% (частота споруляции 0,06%), в то время, как добавление его в количестве 12 млн^-1 уменьшает споруляцию на 99,7% (частота споруляции составляет только 0,016%). Полученные результаты позволяют сделать вывод, что более эффективно споруляция ингибируется при использовании смеси диспергирующего агента и DTPA (исследуемый продукт С), чем при использовании только DTPA.

Пример 4

Согласно приведенному ниже лабораторному исследованию изучают влияние двухвалентного марганца и железа и исследуемого продукта С, содержащего диспергирующий агент и DTPA, на споруляцию бацилл, выделенных из размолотой массы картоноделательной машины. Исследование проводят так, как описано в Примере 2.

Результаты исследования приведены на Фиг.7. Согласно указанному исследованию первые созревшие споры появляются в контрольном образце (размолотая масса без добавок) через 11 часов после начала эксперимента. Через 24 часа количество спор в контрольном образце составляет 101000 спор/мл, частота споруляции 45%. Это предполагает, что условия в указанном образце размолотой массы являются очень благоприятными для споруляции. В этих условиях при добавлении Mn(II)+Fe(II) частота споруляции больше не увеличивается, однако при добавлении металлов ускоряется созревание спор. Добавление 5 млн^-1 исследуемого продукта С (2,2 млн^-1 активного агента) приводит к задержке споруляции: после 11 часов в образце присутствуют незрелые споры и после 25 часов споруляция уменьшается на 99% по сравнению с контролем (Фиг.7). Споруляцию полностью ингибируют добавлением 10 млн^-1 исследуемого продукта С (частота споруляции <0,06%).

Пример 5

Согласно этому исследованию образец отбирают из башни для разбавленной размолотой массы картоноделательной машины, образец фракционируют, им заполняют 10 пробирок и в каждую пробирку добавляют различное количество исследуемого продукта С. Пробирки инкубируют при 45°С, затем после выдержки в течение разных промежутков времени определяют количество аэробных бактерий и спор. Во время исследования споруляция в разбавленной размолотой массе протекает медленно, на что указывает количество спор, составляющее 50 КОЕ/мл для всех образцов, которое является начальным уровнем. На следующее утро (т.е. через 43 часа) в необработанных образцах обнаруживается большое количество зрелых спор. Результаты представлены в Таблице. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что исследуемый продукт С не оказывает никакого эффекта на количество аэробных бактерий (продукт, не содержащий биоцид). Однако споруляция уменьшается в значительной степени при добавлении 15 мг/л и ингибируется при добавлении ≥20 млн^-1. После указанных измерений ко всем образцам добавляют 0,3 млн^-1 Mn(II) и 0,9 млн^-1 Fe(II). Добавление указанных металлов значительно увеличивает споруляцию, тем самым демонстрируя, что марганец и железо являются факторами, влияющими на споруляцию.

Пример 6

Это исследование проводят для сравнения разных хелатирующих агентов. Образцы отбирают из башни для размолотой массы машины, изготовляющей упаковочный картон для пищевой промышленности. Образцами размолотой массы наполняют 6 пробирок. В одну из пробирок не добавляют никаких добавок, в две другие добавляют исследуемый продукт А, в оставшиеся три добавляют исследуемый продукт D и все пробирки инкубируют 1 день при 45°С (температура в башне для размолотой массы указанной машины). В качестве активного хелатирующего агента продукт А включает диэтилентриаминпентацис-метиленфосфокислоту (DTPMPA 45%), а продукт D включает N-бис-(1,2-дикарбоксиэтилокси)-этил)аспарагиновую кислоту (AES 25%). Культивирование осуществляют в стандартной среде Plate Count Agar, определение количества микроорганизмов определяют посевом на чашках Петри: общее количество аэробных бактерий при +45°С, аэробных спор при +37°С. Результаты представлены на Фиг.8 и 9.

В начале эксперимента (0 часов) размолотая масса содержит бактериальные споры в количестве 140 КОЕ/мл (Фиг.8). В необработанном образце в течение одного дня культивирования при 45°С количество спор увеличивается до 1085 КОЕ/мл. Фиг.8 демонстрирует, что добавление 35 млн^-1 продукта А полностью блокирует бактериальную споруляцию (не образуется ни одной новой споры), а добавление 25 млн^-1 заметно уменьшает образование спор по сравнению с необработанным образцом. Продукт D также уменьшает количество спор, но даже высокие его концентрации не приводят к полному блокированию спорообразования.

Приведенные выше результаты демонстрируют, что другие хелатирующие агенты, отличные от DTPA, также могут предотвращать образование спор. И напротив, ни один из исследуемых агентов не уменьшает количество аэробных бактерий, находящихся в вегетативном состоянии, и, таким образом, механизм воздействия на предотвращение образования спор не является биоцидным (Фиг.9).

Пример 7

Производственные испытания осуществляют с использованием картоноделательной машины, производящей трехслойный упаковочный картон, используемый в пищевой промышленности. Задачей настоящего исследования является уменьшение количества спор аэробных бактерий в готовом картоне. Исследуемый продукт С добавляют непрерывно в мешательный бассейн (начало размалывающей системы) со скоростью 6 л/ч. Количество спор аэробных бактерий определяют во всей размалывающей системе (следуя потоку от мешательного бассейна до башни для размолотой массы и в конечном итоге до емкости для дозирования размолотой массы) и во всей готовой продукции до, в течение и после испытания. В дни, предшествующие исследованию, количество спор в размолотой массе увеличилось от 2,5 до 4,5 раз во время прохождения потока размолотой массы через систему, и в результате составило 210-460 спор на 1 мл размолотой массы, находящейся в емкости для дозирования размолотой массы. Во время исследования количество спор постепенно уменьшалось. Например, на 3-й день исследования количество спор оставалось тем же самым на протяжении всей размалывающей системы. Таким образом, пока размолотая масса оставалась в размалывающей системе, образования новых спор не происходило. Затем исследование приостанавливают на один день, что приводит к увеличению количества спор в емкости для дозирования размолотой массы в 3,5 раза и, логически рассуждая, к увеличению содержания спор в готовой продукции. В заключение, исследование приводит к 70%-му уменьшению количества спор аэробных бактерий в готовом картоне, используемом в пищевой промышленности.

Реферат

Способ относится к предотвращению или замедлению образования бактериальных ! спор в размалывающей системе картоно- или бумагоделательной машины. Способ заключается в уменьшении содержания переходных металлов в размолотой массе до уровня, неблагоприятного для споруляции. Предпочтительно бактериальные клетки, присутствующие в размалывающей системе картоно- или бумагоделательной машины, по существу не уничтожались в процессе технологической операции, используемой для уменьшения содержания переходных металлов. Способ касается также получения упаковочного картона или упаковочной бумаги, характеризующегося низким содержанием бактериальных спор, при котором для получения упаковочного картона или упаковочной бумаги используют размолотую массу, в которой уменьшают содержание переходных металлов до уровня, неблагоприятного для споруляции. Техническим результатом является снижение бактериальных спор в размалывающей системе картоноделательной машины. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Формула

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что хелатирование осуществляют с использованием хелатирующего агента следующей общей формулы:

где р представляет собой 0 или целое число от 1 до 10,
R₃, R₄, R₅, R₆, R₇ независимо друг от друга представляют собой водород или алкильную цепь, содержащую от 1 до 6 атомов углерода и содержащую активный хелатирующий лиганд, такой, как карбоксильная, фосфоновая или гидроксильная группа, или его соли.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что хелатирование осуществляют с использованием хелатирующего агента следующей общей формулы:

где q представляет собой целое число от 3 до 10,
R₃, R₄, R₅, R₆ независимо друг от друга представляют собой водород или алкильную цепь, содержащую от 1 до 6 атомов углерода и содержащую активный хелатирующий лиганд, такой, как карбоксильная, фосфоновая или гидроксильная группа, или его соли.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что хелатирование осуществляют с использованием хелатирующего агента следующей общей формулы:

где R₈ представляет собой водород или алкильную группу, содержащую от 1 до 6 атомов углерода, или алкильную цепь, содержащую от 1 до 6 атомов углерода и содержащую карбоксильную, фосфоновую или гидроксильную группу,
R₉ представляет собой водород, гидроксильную группу, фосфоновую группу, карбоксильную группу, алкильную цепь, содержащую от 1 до 6 атомов углерода и содержащую одну или две карбоксильные группы, и
R₁₀ представляет собой водород, гидроксильную группу, карбоксильную группу, алкильную группу, содержащую от 1 до 6 атомов углерода, или алкильную цепь, содержащую от 1 до 6 атомов углерода и содержащую карбоксильную группу, или его соли.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что хелатирование осуществляют с использованием хелатирующего агента следующей общей формулы:

,
где R₁₁ представляет собой:
водород,
алкильную цепь, содержащую от 1 до 30 атомов углерода,
алкильную цепь, содержащую от 1 до 30 атомов углерода и содержащую от 1 до 10 карбоксильных групп, связанных с указанной цепью, или их солей с щелочными или щелочноземельными металлами,
алкильную цепь, содержащую от 1 до 30 атомов углерода и содержащую от 1 до 10 сложноэфирных групп, образованных карбоновой кислотой и связанных с указанной цепью,
полиэтоксилированную углеводородную цепь, содержащую от 1 до 20 этоксильных групп, или
амид карбоновой кислоты, содержащий от 1 до 30 атомов углерода, где N-R₁₁-связь представляет собой амидную связь,
R₁₂ и R₁₃ представляют собой водород, ион щелочного металла или ион щелочноземельного металла или алкильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода,
r представляет собой 0 или 1 и
s представляет собой 0 или 1, или его соли.