CN101163400B - 维持乙内酰脲化聚合物处于杀生物活性状态的含苯甲酸组合物 - Google Patents

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Abstract

一种含有苯甲酸和三氯异氰尿酸的片剂。该片剂在水中提供游离有效氯以保持含N-卤胺的聚合物的杀生物性，而不会使水由于高氯含量而不能饮用。该片剂可用于具有含N-卤胺聚合物的筒的水净化设备，以提供安全的饮用水。

Description

维持乙内酰脲化聚合物处于杀生物活性状态的含苯甲酸组合物
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2005年3月30日的美国临时申请No.60/667,207的权益，其特别以参考方式并入本文。
发明领域
本发明涉及水净化系统，包括使用含有杂环胺侧基的聚合物的系统，所述聚合物例如具有乙内酰脲和卤代乙内酰脲侧基的聚苯乙烯；及维持所述聚合物处于杀生物活性状态的组合物和方法。
发明背景
已知杂环N-卤胺(halamine)基团具有杀生物性质，可以用于水净化。与聚苯乙烯聚合物相连的杂环N-卤胺基团描述在Worley等人的美国专利第5,490,983号中。Worley等人的美国专利第6,548,054号中描述了具有类似杂环N-卤胺侧基的交联聚苯乙烯聚合物。交联聚苯乙烯聚合物通常以“珠粒(bead)”或颗粒提供，其没有’983专利中描述的粉末形式的所述聚合物有关的问题。
珠粒可购自Vanson HaloSource of Redmond，Washington。这两篇专利中描述的典型杂环胺基是乙内酰脲基。当乙内酰脲基具有与乙内酰脲的一个或两个氮原子键合的氯原子或溴原子时，乙内酰脲是杀生物的。’054专利描述了使用多种游离有效氯源(例如次氯酸钠、次氯酸钙、二氯异氰尿酸钠)从非杀生物的聚苯乙烯乙内酰脲(PSH)聚合物产生杀生物的卤代聚苯乙烯乙内酰脲(HPSH，一种N-卤代乙内酰脲化聚合物)聚合物。然而随着时间，在受处理介质中由于与生物需求(biodemand)相接触，卤素原子耗尽的结果是杀生物的HPSH聚合物转化成非杀生物的PSH聚合物。然而，PSH聚合物具有被卤素再负荷(recharge)或再卤代以恢复其抗微生物特性的能力。
’054专利描述了一旦聚合物丧失其杀生物效力就使用工业强度液体漂白剂的浓缩溶液通过卤化PSH聚合物而使PSH聚合物再负荷。已经测定了’054专利溶液中卤素水平是如此的高浓度，以至于当在水处理装置中原位使用时，随后提供的净化水是不可饮用的，需要进行大量的后处理以去除过量的卤素以使净化水可饮用。
在滤水器中使用HPSH聚合物的缺点之一是一旦卤素从HPSH聚合物中耗尽，必须通过使卤素耗尽的PSH聚合物再负荷而补充卤素，或者整个PSH聚合物块必须被丢弃并更换新鲜HPSH聚合物。到现在为止，还没有实用的替代方案在水处理系统中使PSH聚合物再负荷或更换它。用新鲜HPSH聚合物更换卤素耗尽的PSH聚合物增加了水处理系统的基本费用和运行费用。使丧失杀生物效力的PSH聚合物再负荷要求水处理系统停用。脱机将PSH聚合物再负荷成HPSH聚合物产生了相当可观的无法工作的时间和系统复杂性。
HPSH聚合物的另一个缺点是在使用过程中杀生物效力下降。由于HPSH聚合物中卤素的消耗，HPSH聚合物的杀生物效力降到低于通常要求的杀生物性能标准，例如美国环境保护局(EPA)6对数去除克雷伯氏菌和4对数去除脊髓灰质炎病毒的标准。尽管杀生物效力的下降是预期的，因为卤素被生物需求所消耗，该降低效力发生的速度对例如在家庭滤水器或作为应急供水中的HPSH聚合物的实际应用产生了一些困难。希望将HPSH聚合物技术应用到商业产品的产品设计者和工程师必须增加HPSH聚合物的初始量以达到期望的产品性能期限，或者增加系统复杂性，允许脱机使PSH聚合物再卤化。
Bridges等人的美国专利申请公开No.2005/0104034，特别以参考方式并入本文，描述了一种能够在水中以低浓度范围释放游离有效氯和/或游离有效溴的片剂。当含有低浓度氯或溴的水半连续或连续地与杀生物N-卤代乙内酰脲化聚合物接触时，该聚合物能够维持正常杀生物活性。然而，低浓度的卤素并不会使水不能饮用。Bridges的申请还描述了一种在保持N-卤代乙内酰脲化聚合物杀生物有效性同时，向N-卤代乙内酰脲化聚合物补充卤素的方法。虽然Bridges的申请确实提供了一种有用的片剂和方法，需要更新的在延长时间洗脱(elute)均一浓度的片剂，其还具有延长的贮存期并且总体上是温度稳定的。本发明提供了这些优点并具有额外的益处。
发明概述
本发明的一个实施方式是一种含有苯甲酸和三氯异氰尿酸的片剂，其能够达到游离有效氯浓度，在N-卤代乙内酰脲化聚合物在水中持续发挥抗微生物的杀生物有效性的同时补充N-乙内酰脲化聚合物的氯，并且不会使水因高水平氯而不适合饮用。相应地，本发明的片剂消除了再负荷或替换N-卤代乙内酰脲化聚合物的需求。此外，本发明的片剂与不含有苯甲酸和三氯异氰尿酸的片剂相比，在高温时较为不易腐败，并提供均一的游离有效氯(FAC)释放速率。本发明进一步提供一种保持N-卤代乙内酰脲化聚合物上杀生物有效的卤素负荷而不会不利地影响水质的方法，并且由于片剂保持N-卤代乙内酰脲化聚合物不耗尽卤素的能力，消除了再负荷或替换N-卤代乙内酰脲化聚合物的需求。
本发明的一个实施方式，通过将氯供给待用聚合物处理的水，用低浓度游离有效氯处理N-卤代乙内酰脲化聚合物。氯由片剂中的三氯异氰尿酸供给。之后将含氯的水与N-卤代乙内酰脲化聚合物接触，由此保持聚合物的杀生物性。水中的氯单独可能不足以杀死微生物，然而，N-卤代乙内酰脲化聚合物将对许多微生物有效。游离有效氯是指水中可以利用以与杂环胺上的氮原子键合的氯。除保持N-卤代乙内酰脲化聚合物处于杀生物活性状态之外，片剂在高温时化学稳定，与氯源相容；提供均一的时间释放曲线；满足慢性和急性毒理学限制以使长期消费者消费成为可能；且成本适合商业生产。片剂的使用期限据估计为(但不限于)处理约40升至约1,000升水。
片剂包含三氯异氰尿酸(TCCA)和苯甲酸。尽管本发明可在片剂的上下文进行讨论，该术语的使用不应解释为限制本发明。任何能够提供相似益处的固相物品均可使用。在一个实施方式中，片剂可仅包括TCCA和苯甲酸，或者在另一个实施方式中，片剂还可包含一种或多种可有助于制备片剂或增加水营养价值的化合物。附加组分，例如为达到促进制备片剂或其他物品的目的而可包括在内的硬脂酸镁，不认为对游离有效氯从片剂释放具有实质影响。根据本发明，当根据以下结合附图9描述的试验程序进行测试时，室温下(大约20℃)在水中片剂可释放约0.1ppm(mg/L)至约3ppm(mg/L)的氯。除非另有说明，FAC的测定使用附图9的装置进行，并且FAC用ppm(mg/L)单位表示。
一个实施方式是一种片剂，其包括苯甲酸和TCCA的协同组合，和仅那些其它化合物，例如硬脂酸镁，所述其它化合物不会实质上影响片剂温度稳定并能够递送基本上均一水平氯的基本特征。在一个实施方式中，片剂基本上由苯甲酸和三氯异氰尿酸组成。在另一实施方式中，片剂基本上由约4％至约10％的三氯异氰尿酸和约90％至约96％的苯甲酸组成，以重量计。
附图简述
本发明的上述方面和很多附带的优点将变得更容易认识到，因为当与附图相结合时，参考以下详细说明将更好理解它们，其中：
附图1是测试片剂FAC洗脱曲线的装置的示意图。
附图2是根据本发明一个实施方式的片剂的贮存期特征的示意图。
附图3是根据本发明一个实施方式的片剂的贮存期特征的比较的示意图。
附图4是根据本发明一个实施方式的片剂的贮存期特征的比较的示意图。
附图5是根据本发明一个实施方式的片剂FAC洗脱曲线的比较的示意图。
附图6是根据本发明一个实施方式的片剂FAC洗脱曲线的比较的示意图。
附图7是根据本发明一个实施方式的片剂FAC洗脱曲线的比较的示意图。
附图8是根据本发明一个实施方式的片剂FAC洗脱曲线的比较的示意图。
附图9是根据本发明一个实施方式的片剂FAC洗脱曲线的比较的示意图。
优选实施方式详述
苯甲酸，也已知为苯羧酸(C7H6O2)，广泛用作抗微生物食品添加剂和调味剂/辅剂。意想不到的是，当与TCCA组合时苯甲酸已经证明在保持N-卤代乙内酰脲化聚合物处于杀生物有效状态而无需再负荷聚合物的方法中是有用的。  当用于美国专利申请公开号No.2005/0098506和2005/0072729描述的水净化装置时，含有苯甲酸和三氯异氰尿酸的片剂也将是有用的；这两件申请均特别以参考方式并入本文。
在一个实施方式中，根据本发明制备的片剂，包含约5％至约5.5％重量的TCCA和约94.5％至约95％重量的苯甲酸。在一个实施方式中，该片剂是约1/2英寸直径的锐边圆形片剂，并且其总重量约450mg至约500mg。具有该形状的片剂使用实验室carver press(Parr PelletPress，Parr Instruments Co.)制备。片剂的硬度为约40牛顿(使用Erweka型测试仪TBH 30测定)。除非另有说明，此处所述的片剂采用相同的实验室carver press制备。
在另一实施方式中，根据本发明制备的片剂，含有约9％至约5.5％重量的TCCA和约91％至约94.5％重量的苯甲酸。该片剂是约1/2英寸直径的斜边圆形平面片剂，并且其总重量约600mg至约700mg。具有该形状的片剂使用商业上可购得的试验压片装置(pilot tablettingunit)(Kilian单冲压操作台型号#SP300)制备。片剂的硬度为约40至80牛顿(Erweka TBH30)。
在另一实施方式中，根据本发明制备的片剂，含有约4％至约10％重量的TCCA和约90％至约96％重量的苯甲酸。
根据本发明制备的片剂，在约室温(20℃)条件下在流动水中提供约0.1ppm至约4ppm(mg/L)浓度的游离有效氯。
图1图解说明了用于测定流动水中来自物品如片剂的游离有效氯的典型装置。该实验装置包括供水池100。供水池100与供水泵104的抽吸侧相连。管线102将供水池100与供水泵104的抽吸侧相连。
供水泵104泵送水通过控制阀106。控制阀106计量由供水泵104泵向室128的水量。来自控制阀106的水流动通过管线108。来自管线108的水流入管线114。管线114输送计量量的水到室128中。室128包括隔室118。隔室118可包含物品134，例如根据本发明制造的片剂，或用于比较试验的其他片剂。室128包括第二隔室120，其旨在盛装杀生物珠粒。第二珠粒隔室120为测试留空。因此，不同物品的游离有效氯可通过读取流出室128的水流中的卤素浓度来测定。测试环境通常控制在室温(约20℃)并且水温也为约20℃。总的水流量可通过供水池100中水平面下降或安装计量装置以集中总的水流来测定。
相当出乎意料的是，含有苯甲酸和TCCA的片剂在升高温度下稳定。温度稳定性是指，在处于高于室温的温度下一段时间后，片剂不实质性丧失其提供游离有效氯的能力。该特征的展示显示于附图2-4中。
相当出乎意料的是，含有苯甲酸和TCCA的片剂的另一优点是，片剂具有在水中提供均一浓度FAC的能力。此处所用的均一可包括在片剂洗脱曲线中FAC瞬时读数的轻微变化，然而，总体洗脱曲线大体上在上界和下界之内，以至于任何FAC瞬时读数基本上不偏离中值。该特征的展示显示于附图5-7中。
苯甲酸具有其他优势，例如，发现当使用苯甲酸和TCCA时，并不需要通常用于许多制剂中的润滑剂，例如硬脂酸镁。单独使用苯甲酸和TCCA不会遇到贴片(picking)或其他通常压片制备问题。不希望受理论束缚，推测单独的苯甲酸提供的润滑性类似于其他润滑剂。
实施例
实施例1
在高至50℃温度下苯甲酸和TCCA的贮存期测试
参考附图2，贮存于约50℃的含有400mg苯甲酸，50mgTCCA的片剂，当与相同组成但在室温下(约20℃)贮存相同长时间的片剂相比时，提供大致相同的游离有效氯。片剂贮存于塑料容器中，之后密封。室温片贮存于避光小室中。高温片剂贮存于约50℃的暗色对流烘箱。在不同的时间间隔(以天计)测量游离有效氯(FAC)。测试包括将片剂从贮存处放置到装有4升室温去离子水的烧杯中。将烧杯和片剂置于实验室磁力搅拌器上，缓慢混合水直至片剂溶解。从烧杯中取出水样，使用HACH 4000U分光光度计(方法8021)以N，N-二乙基苯二胺(DPD)试剂测量样品中的FAC。保持在室温(约20℃)的片剂和保持在50℃的片剂在整个测试过程中提供的FAC为4升中约30ppm，指示在约50℃温度下TCCA基本上很少降解至无降解。
实施例2
苯甲酸与多种氯源的贮存期测试对比
附图3显示了含400mg苯甲酸、25mg TCCA及2.1mg(0.5％)硬脂酸镁的片剂的进一步实施方式。经受50℃贮存温度时苯甲酸/TCCA/硬脂酸镁片剂递送的FAC保持基本相同的时间延长至近50天。与苯甲酸、TCCA和硬脂酸镁片剂相比，含有替代TCCA的次氯酸钙和苯甲酸的相同重量和相同氯可用性的片剂，在高温显示出提供FAC能力的丧失。附图3显示四个试验。两个试验用苯甲酸、TCCA和硬脂酸镁片剂进行，两个试验用苯甲酸和次氯酸钙片剂进行。相似片剂的数据相互关联非常好，因此附图3显示重叠的数据点。用Carver Press(Parr PelletPress，Parr Instruments Co.)经相同的1/2英寸直径的模具和压机制备含有次氯酸钙和苯甲酸的片剂，但含有90mg次氯酸钙和600mg苯甲酸，并在大约50℃温度下贮存。以合适的时间间隔(以天计)从贮存处取出片剂。通过将片剂置于装有4升室温去离子水的烧瓶中测定游离有效氯。将烧杯和片剂置于实验室磁力搅拌器上，并混合水直至片剂完全溶解。从烧杯中取出水样，使用HACH 4000U分光光度计(方法8021)以N，N-二乙基苯二胺(DPD)试剂测量FAC。如附图2中所示，即使在50℃贮存近50天，由苯甲酸和TCCA制备的片剂所提供的FAC量并未实质性减少，而在50℃贮存25天后具有苯甲酸和次氯酸钙的片剂基本上丧失了产生FAC的全部能力。
实施例3
TCCA与各种材料的贮存期测试对比
含苯甲酸、TCCA和硬脂酸镁的片剂的FAC测量再次显示于附图4中，以便与其他制剂对比。含有400mg苯甲酸、25mgTCCA和2.1mg硬脂酸镁的片剂在约50℃下显示温度稳定大约50天(可能更长时间)。相比之下，120mg羟丙基甲基纤维素(HPMC)、25mg TCCA和480mg连二磷酸钙的片剂在约5天之内丧失了所有产生游离有效氯的能力。令人吃惊的是，由968mg石膏(硫酸钙)和32mg TCCA制备的片剂，与苯甲酸/TCCA/硬脂酸镁片剂相比，仅显示出轻微降低的温度稳定性。然而，石膏/TCCA片剂的洗脱曲线不类似于苯甲酸/TCCA片剂理想。还值得注意的是，大约0.5％的硬脂酸镁基本上不影响片剂游离有效氯的释放速率。附图4显示了五个试验。两个试验是用石膏和TCCA的片剂进行，两个试验是用羟丙基甲基纤维素和TCCA的片剂进行。相似片剂的数据相互关联非常好，因此附图4显示重叠的数据点。
实施例4
苯甲酸和TCCA片剂均一洗脱曲线的展示
附图5显示了与仅含有25mg TCCA的片剂的FAC时间释放曲线相比，含有400mg苯甲酸和25mg TCCA的片剂的FAC时间释放曲线。苯甲酸/TCCA片剂为用实验室carver press(Parr Pellet Press，ParrInstruments Co.)制备的1/2英寸直径的片剂。两种片剂中的TCCA量相同。如附图5所示，与仅含有TCCA的片剂相比，苯甲酸/TCCA片剂在水中提供了基本均一的FAC浓度。如附图5中可见，与仅含有TCCA的片剂相比，由TCCA和苯甲酸制备的片剂能够在较长时期提供游离有效氯。此处的显著意义是，25mg的TCCA中洗脱出的氯可由苯甲酸的引入而延长。通过引入苯甲酸，苯甲酸/TCCA片剂能够将游离有效氯洗脱从仅含TCCA的片剂的10升容量扩大至约50升。另外，不同于仅含TCCA的片剂，由苯甲酸/TCCA片剂提供的FAC水平既满足在水中维持N-卤代乙内酰脲化聚合物杀生物活性所需的FAC水平，也符合美国环境保护局(USEPA)确立的游离氯推荐最大污染浓度(MCL)(4ppm)。因此，苯甲酸/TCCA片剂可用于持续保持N-卤代乙内酰脲化聚合物的杀生物活性，而不会导致水由于水中高氯浓度不可饮用，不需使用氯清除剂。
实施例5
苯甲酸和TCCA片剂均一洗脱曲线的展示
附图6将结合附图5描述的苯甲酸/TCCA片剂的时间释放曲线与使用实验室carver press(Parr Pellet Press，Parr InstrumentsCo.)制备的425mg仅含TCCA的1/2英寸直径片剂的时间释放曲线进行了比较。片剂的大小和形状相同以确定表面积是否影响洗脱速率。如附图6中所示，与仅含TCCA的片剂相比，苯甲酸/TCCA片剂提供了均一的FAC洗脱曲线。不同于425mg仅含TCCA的片剂，由苯甲酸/TCCA片剂提供的FAC水平既满足在水中足以维持N-卤代乙内酰脲化聚合物的杀生物活性所需的FAC水平，也符合美国环境保护局(USEPA)确立的游离氯推荐最大污染浓度(MCL)(4ppm)。因此，本发明的片剂可用于持续保持N-卤代乙内酰脲化聚合物的杀生物活性，而不会导致水由于水中高氯浓度不可饮用，不需使用氯清除剂。
如上实施例4和5中证明，TCCA的量和片剂的大小不是创建提供可接受FAC洗脱曲线的片剂的决定因素。如附图5中显示的结果所证明，FAC洗脱中的控制因素不是TCCA的量。如附图6中所证明，苯甲酸/TCCA片剂的表面积无法解释有利的FAC洗脱曲线。
对一些其他片剂制剂进行游离有效氯洗脱试验，改变TCCA和/或苯甲酸组分的量，甚至排除所述组分。令人吃惊的是，与苯甲酸/TCCA片剂的洗脱曲线相比，没有其他与苯甲酸组合的卤素源提供适当的洗脱曲线。如上所述，令人吃惊的是，与苯甲酸/TCCA片剂的洗脱曲线相比，没有其他与TCCA组合的赋形剂提供适当的洗脱曲线。附图7显示使用除TCCA之外的各种卤素源和除苯甲酸之外的各种赋形剂，片剂的FAC洗脱曲线。提供附图5和6的苯甲酸/TCCA片剂的洗脱曲线用于对比。表1列出了所述片剂制剂的量和组分。
表1其他制剂
  片剂 直径 标称硬度   卤素源的量     赋形剂的量
  (1)苯甲酸+次氯酸钙 1/2英寸 40牛顿   90mg次氯酸钙     600mg苯甲酸
  (2)TCCA∶CaO∶氰尿酸 1/2英寸 40牛顿   30mg TCCA     *570mg氰尿酸*30mg氧化钙(CaO)
  (3)石膏(CaSO4)+TCCA 1/2英寸 40牛顿   40mg TCCA     600mg CaSO4*1/2H2O
  (4)TCCA∶偏磷酸钠∶HPMC 1/2英寸 40牛顿   28mgTCCA     *540mg氰尿酸*60mg羟丙基甲基纤维素
  (5)苯甲酸钙∶苯甲酸∶次氯酸钙 1/2英寸 40牛顿   60mg次氯酸钙     *300mg苯甲酸*300mg苯甲酸钙
表1中的所有片剂均使用Carver Press(Parr Pellet Press，Parr Instruments Co.)以1/2英寸模具和冲头制备，与用于制备苯甲酸/TCCA片剂的相同。片剂(1)类似用于上述温度稳定性研究中的片剂。片剂(2)由已知与TCCA相容并用于制备其他目的的片剂的有机和无机化学物质制备。片剂(3)使用了无机黏结剂硫酸钙，其通常用于制备熟石膏。据信，片剂(3)将避免TCCA从片剂中迅速洗脱。片剂(4)使用在用于药物制剂的多种片剂的制备中常规的赋形剂。片剂(5)含有苯甲酸的盐-苯甲酸钙，以测试质子化羧基(在苯甲酸中)和苯甲酸盐(苯甲酸钙)之间的比较。其他苯甲酸盐例如苯甲酸钠和苯甲酸镁被认为不适合，因为这些盐易溶于水，表现出的性质不同于苯甲酸钙和苯甲酸。如附图7所示，表1中的片剂没有展示出如同含苯甲酸和TCCA的片剂的洗脱曲线那样长的洗脱曲线，任何其他片剂也不具有如同含苯甲酸和TCCA的片剂的洗脱曲线那样均一的洗脱曲线。
需特别注意的是片剂(1)和片剂(5)之间的对比。附图8显示了这两种片剂的洗脱曲线。对这两种片剂而言，洗脱曲线的持续时间均不如苯甲酸/TCCA片剂的洗脱曲线那样长。令人吃惊的是，含质子化羧酸基的苯甲酸与苯甲酸钙相比，洗脱FAC近两倍体积，这一结果是惊人的，因为苯甲酸和苯甲酸钙均微溶于水，并且预期钙盐会洗脱相同的FAC(如果不洗脱更多FAC的话)。
实施例6
苯甲酸和TCCA片剂洗脱速率比例缩放的展示
对含苯甲酸和TCCA的片剂发现的另一优点是，峰洗脱速率可按比例增大或缩小。如附图9中显示，将苯甲酸和TCCA片剂的重量增至两倍(2X)或三倍(3X)，同时保持相同的1/2英寸直径及5％TCCA：95％苯甲酸的比例，引起峰洗脱速率增加而不影响洗脱曲线的持续时间。这就允许通过增加片剂的整体重量来调节洗脱曲线，而保持TCCA和苯甲酸的比例相同。
尽管图解和说明了本发明的优选实施方式，需要理解的是，可进行各种变化而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于保持含N-卤胺的聚合物的杀生物性的片剂，其含有苯甲酸和三氯异氰尿酸。
2.权利要求1的片剂，还含有硬脂酸镁。
3.权利要求1的片剂，含有5％至9％的三氯异氰尿酸和95％至91％的苯甲酸，以重量计。
4.权利要求1的片剂，含有5％至5.5％的三氯异氰尿酸和94.5％至95％的苯甲酸，以重量计。
5.权利要求1的片剂，其中所述片剂在高至50℃的温度下是化学上稳定的。
6.权利要求1的片剂，其中所述片剂还含有压片辅料。
7.权利要求1的片剂，其中所述片剂的硬度为40至80牛顿。
8.权利要求1的片剂，还含有0.5％的硬脂酸镁，以重量计。
9.权利要求1的片剂，含有4％至10％的三氯异氰尿酸和90％至96％的苯甲酸，以重量计。
10.保持含N-卤胺的聚合物的杀生物性的方法，包括将含N-卤胺的聚合物与具有低于4mg/L游离有效氯浓度的水接触，其中游离有效氯由含苯甲酸和三氯异氰尿酸的片剂提供。
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