ES2205123T3 - Produccion de mezclas gaseosas a base de oxido nitrico. - Google Patents

Abstract

METODO PARA LA PRODUCCION DE UNA CORRIENTE DE GAS QUE CONTENGA OXIDO NITRICO ADECUADA PARA EL TRATAMIENTO DE ESTADOS PATOLOGICOS Y QUE COMPRENDE LAS SIGUIENTES FASES: (A) PONER EN CONTACTO UN GAS DE ALIMENTACION QUE CONTIENE OXIGENO Y NITROGENO, OXIGENO Y AMONIACO U OXIGENO, NITROGENO Y AMONIACO CON UN CATALIZADOR QUE PROVOCA LA REACCION DE AMONIACO Y OXIGENO PARA FORMAR OXIDO NITRICO A UNA TEMPERATURA ENTRE 300 APROXIMADAMENTE Y 1200 (GRADOS) C APROXIMADAMENTE, CON LO QUE SE OBTIENE UNA MEZCLA DE GASES QUE CONTIENE OXIDO NITRICO Y DIOXIDO DE NITROGENO; (B) PASAR DICHA MEZCLA DE GASES A TRAVES DE UN LECHO DE ADSORBENTE QUE ADSORBE PREFERENTEMENTE DIOXIDO DE NITROGENO, PRODUCIENDO ASI UNA CORRIENTE SUSTANCIALMENTE CONTINUA DE GAS PRODUCIDO SUSTANCIALMENTE SIN DIOXIDO DE NITROGENO.

Description

Producción de mezclas gaseosas a base de óxido nítrico.

Este invento está relacionado con la producción de compuestos gaseosos con óxido nítrico y, más concretamente, con un aparato portátil y los procesos para la producción de gases mezcla de óxido nítrico, oxígeno y nitrógeno para su uso en aplicaciones médicas.

Recientemente se ha descubierto que el óxido nítrico juega un papel importante en procesos vitales de seres humanos y animales. Por ejemplo, ayuda a mantener la presión sanguínea dilatando los vasos sanguíneos, y mata a invasores exteriores en el sistema inmunológico del cuerpo. Los estudios indican que se pueden obtener beneficios extraordinarios al administrar pequeñas dosis de óxido nítrico a pacientes que sufren de ciertas enfermedades o dolencias. Es particularmente interesante la perspectiva de reducir vasoconstricción pulmonar en pacientes de pediatría con enfermedades congénitas de corazón complicadas con hipertensión arterial pulmonar, haciendo que los pacientes inhalen aire enriquecido de oxígeno y conteniendo concentraciones muy pequeñas de óxido nítrico.

El óxido nítrico es un gas relativamente estable en estado puro o mezclado con un gas inerte, como el nitrógeno o el argón. Sin embargo, cuando se mezcla con oxígeno reacciona rápidamente para formar dióxido de nitrógeno, que es una sustancia altamente tóxica para los humanos. El dióxido de nitrógeno reacciona con el agua para formar ácidos nítrico y nitroso, los cuales, si son inhalados, pueden causar graves edemas pulmonares, neumonía ácida o incluso la muerte. Debido al carácter altamente tóxico del dióxido de nitrógeno, generalmente se purifica el óxido nítrico destinado a ser inhalado por humanos para eliminar todo el dióxido de nitrógeno que se encuentra inicialmente en el óxido nítrico producido como consecuencia del proceso de creación, y el producto ya purificado se almacena y envía en un entorno libre de oxígeno que previene la consecuente generación de dióxido de nitrógeno en el envase en el que se almacena o envía.

El óxido nítrico se administra generalmente a los pacientes diluyendo un concentrado gaseoso de nitrógeno y óxido nítrico, conteniendo unas 1000 ppm (partes por millón) de óxido nítrico con oxígeno o un gas portador de aire enriquecido con oxígeno para producir un gas destinado a ser inhalado que contenga óxido nítrico en la concentración deseada (normalmente entre 0.5 y 200 ppm, en base al volumen total del gas para inhalar). El concentrado se suministra normalmente in grandes cilindros que resultan incómodos y poco convenientes a los pacientes que lo usan en casa o estando de viaje.

La patente U.S. Patent No. 5396882 revela un dispositivo para la creación de óxido nítrico sometiendo una corriente de aire a la descarga de un arco eléctrico. Este método implica el uso de un equipo caro y complejo y produce el óxido nítrico de manera intermitente. Más aún, la descarga eléctrica también provoca la aparición de ozono, que debe ser eliminado de la mezcla gaseosa antes de ser administrada al paciente.

El invento está destinado a proporcionar un aparato portátil y métodos para producir una corriente continua de una mezcla gaseosa de óxido nítrico sin
producir ozono como subproducto.

De acuerdo con el invento, una corriente continua de gas conteniendo óxido nítrico para ser inhalado por pacientes médicos se genera en el mismo lugar en el que se va a utilizar. En una materialización general del invento, el gas conteniendo el óxido nítrico es producido al poner en contacto una corriente mezcla de oxígeno y nitrógeno u oxígeno y amoníaco, u oxígeno, nitrógeno y amoníaco a través de un lecho de catalizadores a temperaturas de al menos 300ºC y hasta unos 1200ºC, siendo los catalizadores causantes de la reacción entre el oxígeno y uno o ambos del nitrógeno y el amoníaco para producir el óxido nítrico. El producto gaseoso que sale del lecho de catalizadores entra en el paso de purificación para eliminar el dióxido de nitrógeno de la mezcla resultante. El proceso se lleva preferiblemente a cabo de forma sustancialmente constante para producir una sustancialmente continua corriente de gas que contiene óxido nítrico, la cual está sustancialmente libre de dióxido de nitrógeno y contiene una concentración sustancialmente continua de óxido nítrico.

La reacción que sintetiza el óxido nítrico se lleva preferiblemente a cabo a una temperatura de al menos unos 500ºC, y aún mejor a una temperatura que oscile entre unos 500 y unos 1200ºC.

En una materialización idónea del invento, el gas para la reacción es aire. En una segunda materialización idónea, el gas de la reacción sería una combinación de un gas que contenga oxígeno, preferiblemente seleccionado de entre aire, aire enriquecido de oxígeno, aire enriquecido de nitrógeno, u oxígeno sustancialmente puro, y amoníaco. Cuando el gas de la reacción es una combinación de gas conteniendo oxígeno, y amoníaco la reacción sintética se produce en unas condiciones que hacen que la reacción del amoníaco en el gas de reacción sea sustancialmente total.

El catalizador para la síntesis del óxido nítrico es preferiblemente un metal noble catalítico del Grupo VIII, preferiblemente uno como el platino, el paladio, el iridio, el rodio o combinaciones de dichos metales nobles catalíticos. Los metales nobles catalíticos del Grupo VIII se pueden usar en combinación con otros metales del Grupo VIII como el níquel, el cobalto o el hierro.

El gas resultante del reactor portátil para la síntesis de óxido nítrico es tratado para eliminar todo dióxido de nitrógeno formado durante la reacción sintética. Esto se consigue por adsorción, usando un elemento que adsorba preferentemente el dióxido de nitrógeno de la síntesis gaseosa del óxido nítrico. En una configuración ideal, la purificación del óxido nítrico se lleva a cabo seleccionando como elemento adsorbente entre gel de sílice, zeolitas hidrófoba o una mezcla de ellos.

El gas que contiene el óxido nítrico purificado puede ser mezclado con aire u oxígeno para producir la mezcla gaseosa con la concentración deseada de óxido nítrico.

El invento proporciona un método conveniente para asegurar una corriente de aire o gas enriquecido con oxígeno que contenga una cantidad terapéutica de óxido nítrico en el lugar en el que se va a usar. El proceso se puede llevar a cabo, por ejemplo, en una sala de hospital o en la casa de un paciente.

Para una mejor comprensión del invento, se harán ahora algunas referencias, a modo de ejemplos, a los dibujos que se acompañan y que ilustran el aparato para una óptima configuración del invento.

Sólo el equipo y las líneas necesarias para comprender el invento han sido incluidos en el dibujo. Las unidades principales del equipo que usa el sistema son un reactor portátil de óxido nítrico, A y un purificador portátil de gas óxido nítrico, B.

El reactor A es cualquier modelo portátil de reactor capaz de soportar reacciones químicas a altas temperaturas. El reactor A está rellenado con un metal noble catalítico del grupo descrito anteriormente. El reactor A presenta una línea entrada de gas 2 en su lado de entrada y una línea 4 de salida del gas óxido nítrico producido en su lado de salida. La línea de alimentación de gas 2 puede ser conectada a una fuente de aire u otro gas que contenga oxígeno adecuado y nitrógeno o una mezcla gaseosa que contenga oxígeno y amoníaco, y opcionalmente nitrógeno, como por ejemplo una mezcla de aire y amoníaco gaseoso.

Opcionalmente, se puede proporcionar una fuente de gas de amoníaco a través de una línea 6. La línea 6 puede unirse a la línea 2, como se ve en la ilustración, o se puede conectar directamente al reactor A.

También se proporcionan mecanismos de calor para calentar el gas de la reacción o el lecho catalítico hasta una temperatura lo suficientemente alta para producir la deseada reacción que resulta en óxido nítrico dentro del reactor A. Como se muestra, el mecanismo de calor toma forma de intercambiador de calor 8, que puede ser un horno u otro dispositivo adecuado de intercambio de calor. De forma alternativa, el reactor A puede incorporar dispositivos de calor tales como una resistencia eléctrica o bobinas de inducción de calor.

La línea 4 para el gas producido con óxido nítrico conecta la salida del reactor A y el refrigerador 10, que sirve para enfriar el gas producido hasta una temperatura adecuada, que sin ser vital suele oscilar entre los 0 y los 100ºC. La salida del gas producido en el refrigerador 10 se conecta al terminal de entrada del purificador B. El purificador B es cualquier unidad portátil de adsorción de gas, que contiene una sustancia adsorbente que adsorbe con mayor efectividad el dióxido de nitrógeno que el óxido nítrico.

Como se ha dicho anteriormente, este invento usa unidades de adsorción de gas por su capacidad para adsorber dióxido de nitrógeno usando un material seco, poco costoso y que adsorbe las partículas. Estos materiales son fácilmente adaptables a unidades portátiles e igualmente fáciles de reemplazar cuando están gastados. El adsorbente usado en esta creación puede ser cualquier sustancia que adsorba con mayor efectividad dióxido de nitrógeno que óxido nítrico. Adsorbentes adecuados incluyen tamices moleculares de las estructuras tipo FAU, MFI y MEL, incluyendo zeolita empobrecida de alúmina por un proceso de "desaluminación", y tamices moleculares sintetizados directamente sin introducir grupos de alúmina en la estructura de enrejado. Estos tamices moleculares empobrecidos de alúmina incluyen zeolitas "desaluminadas" de tipo Y (DAY), ZDM-5, ZSM-11 y ZMS-20, todos ellos con un porcentaje atómico de silicio a alúmina de al menos unos 100. Las zeolitas preferidas de este grupo incluyen la zeolita 5A, 13X y 4A empobrecidas de alúmina, y las zeolitas tipo Y empobrecidas de alúmina. Las idóneas son las zeolitas tipo Y empobrecidas de alúmina, la zeolita ZSM-5, la zeolita ZSM-11, la zeolita ZSM-20 y mezclas de estas. Detalles de estos y otros adsorbentes similares y su uso como purificadores de óxido nítrico se encuentran en la patente US Patent Specification No. 5,417,950, cuyo contenido se incluye aquí a modo de referencia.

Otros adsorventes viables para este invento son adsorbentes de metal sin cationes, incluyendo gel de sílice, alúmina, y zeolitas sintéticas de metal sin cationes como las zeolitas de tipo A, X e Y; y zeolitas naturales, como la mordenita, la faujasita, la chabasita, etc. De este grupo, los adsorbentes más adecuados son el silicio, la alúmina y las zeolitas de tipo A, X e Y. El adsorbente idóneo de este grupo es el gel de sílice. Cuando se dice "de metal sin cationes" o "sustancialmente libres de cationes de metal" en referencia a un adsorbente quiere decir que el adsorbente sólo contiene una cantidad residual de cationes de metal. Estos adsorbentes y su uso para purificar óxido nítrico están expuestos en la patente US Patent Specification No. 5 514 204, y se citan aquí a modo de referencia.

A pesar de que los adsorbentes del purificador B pueden ser regenerados sometiéndolos a reducción por presión o aumento de temperatura, es generalmente más fácil y menos costoso desechar los adsorbentes gastados y reemplazarlo por uno nuevo. Como la cantidad de dióxido de nitrógeno extraída del óxido nítrico es tan pequeña, suele estar en un promedio de entre 1 y 100 ppm, el adsorbente suele tener una vida útil de bastantes meses.

El vapor de agua contenido en la corriente de gas producida suele ser adsorbido por los adsorbentes. El dióxido de nitrógeno reacciona con el agua adsorbida para formar ácido nítrico o ácido nitroso, que puede destruir la microestructura del adsorbente y acortar su vida útil. Por lo tanto, es preferible eliminar la humedad del gas producido con óxido nítrico antes de llegar a la fase de limpieza del dióxido de nitrógeno. Cualquier agente secante convencional, como la alúmina, puede servir para el lecho secante.

La salida del purificador B se conecta a la línea 12 del gas producido. En el esquema ilustrado en el dibujo, la línea de mezcla de oxígeno 14 y la línea de inyección de humedad 16 están conectadas a la línea 12.

En el proceso de trabajo del invento, tal y como se muestra en el sistema ilustrado en el dibujo, una entrada de gas compuesto - que puede ser un gas con oxígeno y nitrógeno, como aire, o una mezcla de amoníaco y un gas con oxígeno - se introduce en el sistema por la línea 2. De forma alternativa, el gas de amoníaco puede ser introducido aparte en el sistema a través de la línea 6. La mezcla pasa por el calentador 8, dónde se calienta hasta alcanzar la adecuada temperatura de reacción, por ejemplo unos 500ºC. La mezcla de gas calentado entra en el reactor A y pasa a través del lecho de catalizadores que contiene. Cuando la mezcla de gas caliente entra en contacto con el catalizador el amoníaco y el oxígeno reaccionan para formar la mezcla con óxidos de nitrógeno, siendo una mezcla predominantemente compuesta de óxido nítrico y dióxido de nitrógeno.

La temperatura en el reactor A y el período de tiempo que la mezcla de gas en reacción pasa en contacto con el catalizador debe ser la adecuada para que prácticamente todo el amoníaco que entró se convierta en óxidos de nitrógeno. Se puede apreciar que la cantidad de óxido nítrico in el gas producido dependerá, en gran medida, de la cantidad de amoníaco que contenga el gas, y en menor medida, de la cantidad de óxido nítrico producido por la reacción del nitrógeno y el oxígeno. En las condiciones en que permanece el reactor A, el amoníaco y el oxígeno reaccionan con mayor celeridad que el nitrógeno y el oxígeno, y ya que la reacción entre amoníaco y oxígeno es cuantitativa, la cantidad de óxido de nitrógeno en el gas producido puede ser controlado regulando la concentración de amoníaco en el gas de entrada.

El gas producido, que se compone principalmente de aire, aire enriquecido de oxígeno, u oxígeno; y que contiene óxido nítrico y dióxido de nitrógeno, sale del reactor A a través de la línea 4 y entra a continuación en el separador B. Como se cita arriba, el separador B es un adsorbente. Estas unidades son bien conocidas y no requieren una descripción detallada. El separador es una unidad de adsorción, ya que la adsorción no requiere el uso de líquidos ni de equipos complejos y costosos. Al pasar por el separador B, prácticamente toda la humedad y el dióxido de nitrógeno es adsorbido del gas. Si se usa un adsorbente hidrófobo, como la zeolita "desaluminada" del grupo Y, en el separador la humedad no será sustancialmente eliminada del gas.

El gas que sale del separador B, ya sustancialmente libre de dióxido de nitrógeno, puede ser diluida con aire u oxígeno si se desea. Esto se consigue introduciendo el aire u oxígeno en el gas a través de la línea 14. Se puede introducir humedad en el gas producido usando la línea 16, que puede consistir en un vaporizador de agua u otro medio similar. De forma alternativa, se puede introducir aire húmedo en el gas producido a través de la línea 14, en cuyo caso la línea 16 es innecesaria.

Como el oxígeno reacciona rápidamente con el óxido nítrico para formar dióxido de nitrógeno, es importante que el gas producido de la línea 12 sea administrado al paciente dentro de un espacio muy breve de tiempo, por ejemplo, en menos de 2 segundos desde que el gas sale del separador B. El gas puede ser administrado al paciente usando cualquier equipo estándar, y dicho equipo no forma parte del presente
invento.

El aparato que usa el invento es portátil. El gas de entrada es introducido por la línea 2 desde contenedores presurizados, como bombonas de gas, o, si se usa aire como vehículo principal para el gas, se puede usar un fuelle para proporcionar aire a la presión deseada. En este último caso, el amoníaco se puede introducir en el aire desde un contenedor presurizado. Las unidades portátiles suelen mantenerse lo más simples y compactas posibles, para minimizar los requisitos de servicio.

Se pueden usar equipos convencionales para controlar y regular automáticamente el flujo de gases dentro del sistema, de forma que puede automatizarse para funcionar eficientemente de forma continua.

Para ilustrar aún más el invento se propone el siguiente ejemplo hipotético, en el que, salvo indicación, las partes, tantos por ciento y proporciones están en base a los volúmenes.

Una mezcla de gas compuesta por 5.39 cc/min de amoníaco, 6.74 cc/min de oxígeno y 4.52 l/min de nitrógeno pasa a través del reactor catalítico a presión ambiental y 850ºC. El catalizador es una gasa de 5 capas de aleación de platino, con un diámetro de unos 2.5 cm y que contiene un 90% de platino, un 5% de rodio y un 5% de paladio. El gas producido es enfriado a su salida del reactor hasta temperatura ambiente y secado haciéndolo pasar a través de un condensador y un lecho de alúmina. El efluente del lecho de secado pasa por un lecho adsorbente de gel de sílice. El gas purificado contendrá unas 998 ppm de óxido nítrico y generalmente menos de 1ppm de dióxido de nitrógeno aproximadamente.

El ejemplo anterior ilustra el uso beneficioso del sistema de este invento para producir un gas basado en oxígeno con óxido nítrico, para ser administrado a pacientes.

Claims (10)

1. Un método para producir una corriente de gas conteniendo óxido nítrico para tratamiento médico en el lugar en el que va a usarse, siguiendo los siguientes pasos:

(a)

proporcionar un aparato portátil que incluye un envase con un reactor portátil y un purificador portátil;

(b)

Poner en contacto un gas compuesto por oxígeno y nitrógeno, oxígeno y amoníaco, u oxígeno, nitrógeno y amoníaco con un catalizador en el interior del envase del reactor que provoca la reacción del amoníaco y el oxígeno para formar el óxido nítrico a una temperatura que oscila entre unos 300 y unos 1200º C, produciendo así una mezcla gaseosa que contiene óxido nítrico y dióxido de nitrógeno en el envase del reactor;

(c)

Hacer pasar dicha mezcla gaseosa por un lecho de adsorbentes que adsorberá principalmente el dióxido de nitrógeno, produciendo una corriente sustancialmente continua de gas sustancialmente limpio de dióxido de nitrógeno en el purificador.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 en el que el gas de entrada es aire.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2 en el que el gas de entrada se compone de aire y amoníaco y el gas producido está sustancialmente limpio de amoníaco.

4. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior que además incluye mezclar el gas producido y sustancialmente limpio de dióxido de nitrógeno con oxígeno.

5. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior que además incluye introducir humedad en el gas producido y sustancialmente limpio de dióxido de nitrógeno.

6. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior en el que el catalizador es un metal noble del grupo VIII.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6 en el que el catalizador es platino, paladio, iridio, rodio o mezclas de estos.

8. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior en el que el adsorbente es un adsorbente intercambiable de metal sin cationes, seleccionado de entre gel de sílice, alúmina, zeolitas o mezclas de estos.

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 en el que el adsorbente es un adsorbente deficitario de alúmina seleccionado de entre zeolita del tipo Y, zeolita ZSM-5, zeolita ZSM-11, zeolita ZSM-20 y mezclas de estas.

10. Aparatos portátiles para proporcionar una corriente continua de un gas compuesto de oxígeno y óxido nítrico a un paciente por un proceso como los de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 incluyendo:

(a)

una cámara catalítica, en forma de envase portátil de un reactor, conteniendo un catalizador que convierte una mezcla de alimentación compuesta por oxígeno y nitrógeno, oxígeno y amoníaco, u oxígeno, nitrógeno y amoníaco en óxido nítrico a una temperatura de reacción que oscila entre unos 300 y unos 1200ºC, teniendo la cámara catalítica una entrada de gas para la alimentación y una salida para el gas producido con el óxido nítrico;

(b)

medios para calentar el gas de alimentación hasta la temperatura de reacción;

(c)

un envase portátil de adsorción para la purificación del gas producido y que contiene el óxido nítrico, eliminando el dióxido de nitrógeno de ahí en adelante, conteniendo el envase de adsorción un adsorbente que adsorbe con mayor eficacia el dióxido de nitrógeno que el nitrógeno, el oxígeno o el óxido nítrico, y que consta de una entrada que comunica fluidamente con la salida de gas de la cámara catalítica y una salida para el producido y purificado gas con el óxido nítrico;

(d)

medios de administración, en fluida comunicación con la salida de gas para el resultante gas purificado, para administrar a un paciente el resultante gas con óxido nítrico purificado; y

(e)

medios para mover el gas a través de la cámara catalítica, el envase de adsorción y los medios de administración.