JP2020520339A - 複合構造体および同複合構造体を形成する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
そのため、製造業では、真空包装やガス置換包装(MAP)のようなさまざまな技術を利用して、包装内のO2濃度を制限している。これらの技術は費用のかかる投資を必要とし、包装された食品中のO2を完全に除去することはいまだに不可能であり得る。通常、パッケージの残留濃度は約0.5%〜3%であり、時間とともに外部環境からO2がパッケージ内に浸透することを完全に防ぐことは不可能である。酸素捕捉剤は、包装内のO2濃度を低減し、そして低レベルのO2濃度を維持するために必要である。
以下の詳細な説明は、例示として、本発明を実施することができる特定の詳細および実施形態を示す添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分詳細に説明されている。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用して構造的および論理的変更を行うことができる。いくつかの実施形態を1つ以上の他の実施形態と組み合わせて新しい実施形態を形成することができるため、種々の実施形態は必ずしも相互排他的ではない。
種々の実施形態の文脈において、数値に適用される「約」または「およそ」という用語は、正確な値と合理的な分散とを包含する。
アクティブ包装(Active packaging)とは、外部環境に対する不活性バリア以外の望ましい機能を備えた包装システムを指し、それにより包装された食品の品質、保存期間、安全性が向上する。
種々の実施形態において、複合構造体は形状が実質的に球形であってもよい。複合構造体は、粒子、例えばナノ粒子であってもよい。現在の文脈において、ナノ粒子は、1000nm未満の直径を有する粒子であり得る。
シード添加剤は、100重量パーセントとみなされる炭素源(例えば、グルコース源)の質量に対して、0.01重量パーセント(wt%)〜10重量パーセント(wt%)の範囲、例えば0.1重量パーセント〜0.5重量パーセントの範囲から選択される任意の1つの値の濃度を有してもよい。言い換えれば、シード添加剤は、炭素源に対して0.01重量%〜10重量%、または0.1重量%〜0.5重量%の範囲から選択される任意の1つの値であり得る。シード添加剤の質量の1つ以上の炭素源の質量に対する比は、0.01:100〜10:100(例えば0.1:100〜0.5:100)の範囲であり得る。例えば、グルコース源への0.1重量%〜0.5重量%の添加物は、100グラムのグルコースあたり0.1グラム〜0.5グラムの添加物を指す。
180℃で測定される圧力は、約135ポンド毎平方インチ(PSI)(0.93MPa)〜約150ポンド毎平方インチ(PSI)(1.03MPa)であり得る。210℃で測定された圧力は、約265ポンド毎平方インチ(PSI)(1.82MPa)〜約280ポンド毎平方インチ(PSI)(1.93MPa)であり得る。
種々の実施形態において、得られた混合物は、水素と窒素の混合物の環境で加熱されてもよい。水素は、100%とみなされる窒素に対して1体積%〜10体積%の任意の1つの値であり得る。言い換えれば、水素と窒素の比率は1:100〜10:100の範囲であり得る。種々の実施形態において、水素は窒素に対して5体積%であってもよい。
種々の実施形態は、本明細書に記載の任意の1つの方法に従って形成された複合構造体を提供し得る。
水熱処理プロセスは、0〜1時間の滞留時間で180〜210℃の温度範囲で起こり得る。加熱時間を除く合成時間は、0分〜30分であり得る。撹拌速度は、均一な球状粒子を提供するために、0rpm〜200rpm、好ましくは10〜100rpm、さらに好ましくは10〜50rpmであり得る。反応あたりの溶液の量は、1〜3リットル、好ましくは1.5〜2.5リットルであり得る。種々の実施形態は、10ml〜10リットル規模の、または100リットル以上のその他の同様の圧力反応器を使用してもよい。180℃で測定される圧力は、約135PSI(0.93MPa)〜約150PSI(1.03MPa)であり得る。210℃で測定される圧力は、約265PSI(1.82MPa)〜約280PSI(1.93MPa)であり得る。
グルコース分子はD−(+)−グルコースであってもよい。種々の実施形態において、D−(+)−グルコースは一定に維持されてもよく、リン酸一カリウム(0.1%〜1重量%)などのシード添加剤が添加されてもよい。形成された炭素粒子はそれぞれ、サイズまたは直径範囲が50nm〜1μmの球状であり、収率は20%を超え、例えば20%〜80%、例えば約50%である。種々の実施形態において、250nm未満のサイズまたは直径を有する炭素粒子を得るために、リン酸一カリウム(KH2PO4)の添加がない場合、炭素ナノ粒子の収率は10%未満であり得る。
図6は、種々の実施形態に従うリン酸一カリウム(KH2PO4)の添加の効果を実証する、リン酸一カリウム(KH2PO4)の重量パーセント(wt%)の関数としての炭素球のサイズ(ナノメートルまたはnm)のプロットである。リン酸一カリウム(KH2PO4)が0重量パーセント(wt%)の場合、リン酸一カリウム(KH2PO4)を添加せずに炭素球が形成され、一般に低収率でより大きなものとなる。図6は、同じプロセス条件で、KH2PO4塩の炭素球のサイズに調整する影響の傾向を示している。KH2PO4を0.1重量%添加すると、すべてのシナリオで炭素球のサイズが小さくなる。KH2PO4は、炭素球形成に対してより多くの種を生成するための触媒として働き、したがってサイズを縮小し、収率を改善し得る。高収率で小さな炭素ナノ粒子を達成するための範囲が存在し得る。同様のサイズの炭素ナノ粒子の生産収率におけるKH2PO4の影響を図7に示す。図7は、種々の実施形態に従う、異なる水熱条件下で、リン酸一カリウム(KH2PO4)を添加する、または添加しない場合の、炭素粒子の収率を示す表である。KH2PO4の添加による収率の増加率(%)は、少なくとも20%、特定の水熱条件下では少なくとも60%になる場合がある。
図8Fは、種々の実施形態に従って、グルコサミンを添加せずに調製された鉄−炭素(Fe/C)ハイブリッド粒子の走査型電子顕微鏡(SEM)画像を示す。図8Gは、種々の実施形態に従って、グルコサミンを添加しない鉄−炭素(Fe/C)ハイブリッド粒子の透過型電子顕微鏡(TEM)画像を示す。図8Fおよび8Gに示されている粒子には、80重量パーセントの鉄が含まれている。図8Eおよび8GのTEM画像は、グルコサミンの添加に伴い、より小さな鉄ナノ粒子が得られることを示している。
KH2PO4を使用しない対照実験:Sigma Aldrich社から入手した180gのD−(+)−グルコース(>99.5%、GC)を1500mlの脱イオン水に溶解し、室温で30分間攪拌した。次に、混合溶液をParr高圧反応器(容量3.75リットル)に移した。反応器を30〜180分の間、180℃〜200℃に加熱し、次に室温まで冷却した。次に、それぞれが9000rpmで15分間の遠心分離により、粒子を脱イオン水で3回洗浄した。
KH2PO4を添加した場合と添加しない場合のFe/Cハイブリッド粒子の酸素捕捉性能。
炭素粒子上のFe濃度を変更することにより、異なる捕捉速度および捕捉能力を備えたFe/Cを調製した。直径300nmの炭素ナノ粒子は、0.1%のKH2PO4を使用して210℃での水熱プロセスによって調製した。遠心分離による精製後、調製されたままの炭素粒子を、硝酸鉄(III)九水和物を含む水溶液に加え、室温で30分間撹拌した。グルコサミン(Feの20重量%)を混合物に加え、懸濁液を700rpmで一晩撹拌した。噴霧乾燥機を使用してサンプルを乾燥させた。次に、異なるFe含有量のFe/Cを管状炉に入れ、不活性環境下で5℃/分のランプ速度で800℃まで加熱した。サンプルを約800℃で3時間保持した。
図11は、時間(時間)の関数としての酸素濃度(パーセントまたは%)のプロットであり、5日間にわたり種々の実施形態に従う異なる鉄含有量を有する複合粒子の酸素捕捉性能を示す。
300nmの炭素ナノ粒子を硝酸鉄(III)九水和物溶液と混合し(Feの供給率は50重量%)、噴霧乾燥プロセスを使用して乾燥した。次に、不活性環境下で、異なる温度(500〜900℃)にて、異なる期間(3〜12時間)の間、管状炉内でサンプルをアニールした。
300nmの炭素ナノ粒子を硝酸鉄(III)九水和物溶液と混合し(Feの供給率は50重量%)、噴霧乾燥プロセスを使用して乾燥させた。次に、異なるFe含有量のFe/Cを管状炉に入れ、フォーミングガス中で5℃/分のランプ速度で800℃まで加熱した。
300nmの炭素ナノ粒子を硝酸鉄(III)九水和物溶液と混合し(Feの供給率は50重量%)、噴霧乾燥プロセスを使用して乾燥した。次に、不活性環境下で、異なる温度(500〜900℃)で異なる期間(3〜12時間)、管状炉でサンプルをアニールした。炉のランプ速度は5℃/分に設定されている。その後、サンプルをアルゴン下で周囲温度まで冷却してから、管状炉から取り出した。合成されたままのナノ構造化Fe/C粒子をNaCl(Fe/Cの7.5wt%)を含む水溶液と混合し、不活性環境下、オーブン内でサンプルを乾燥した。酸素捕捉試験は、100%に対して異なる湿度で実施し、その性能を図17に示す。図17は、種々の実施形態に従う、異なる湿度での複合粒子の鉄(Fe)のグラム(g)当たりの最大捕捉能力を示す表である。
図20は、時間(時間)の関数としての吸収された酸素(鉄のグラム当たりの立方センチメートルまたはcm3/gFeにて)のプロットであり、種々の実施形態に従う複合粒子の酸素捕捉性能を経時的に示している。図20は、リン酸カリウム(KH2PO4)を使用しない場合、Fe/C粒子が最大捕捉性能に達するのに約2日かかり、Fe/C粒子が捕捉性能に達するのに8時間しかかからないことを示している。
種々の実施形態は、酸素捕捉に関連して、食品、飲料、および医薬品の包装に潜在的な用途を有し得る。
Claims (21)
- 1つ以上の複合構造体を形成する方法であって、前記方法は、
水熱プロセスを介して炭素源から1つ以上の炭素構造体を形成することと、
前記炭素構造体上に鉄を導入して、炭素と鉄を含む1つ以上の複合構造体を形成することと、
を含む方法。 - 前記1つ以上の炭素構造体の各炭素構造体は炭素粒子である、請求項1に記載の方法。
- 前記炭素源はバイオマス材料である、請求項1または請求項2に記載の方法。
- 前記バイオマス材料は、D−(+)−グルコース、D−(+)−グルコサミン塩酸塩およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるいずれか1つである、請求項3に記載の方法。
- 前記炭素源から1つ以上の炭素構造体を形成することは、前記炭素源にシード添加剤を導入することをさらに含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記シード添加剤はカリウム塩またはリン酸塩である、請求項5に記載の方法。
- 前記シード添加剤はリン酸一カリウムである、請求項5または請求項6に記載の方法。
- 前記シード添加剤を前記炭素源に導入することは、
炭素源を含む溶液を形成することと、
炭素源を含む溶液にシート添加剤を加えることと、
を含む、請求項5〜7のいずれか一項に記載の方法。 - 前記シード添加剤は、前記炭素源に対して0.1重量%〜10重量%の範囲から選択されるいずれか1つの値である、請求項5〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記水熱プロセスは、180℃〜から210℃の任意の温度範囲で実施される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記1つ以上の複合構造体に含まれる鉄は、1つ以上の複合構造体に含まれる炭素に対して1重量%〜80重量%の範囲から選択される任意の1つの値である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 鉄を前記1つ以上の炭素構造体上に導入して1つ以上の複合構造体を形成することは、
鉄塩を適切な溶媒に溶解して前駆体溶液を形成することと、
前駆体溶液と1つ以上の炭素構造体を含む懸濁液とを混合して、得られる混合物を形成することと、
鉄塩および1つ以上の炭素構造体を含む得られる混合物を乾燥させることと、
を含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。 - 得られる混合物を乾燥する前に、同得られる混合物に凝集防止添加剤を加えることをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 凝集防止添加剤は、グルコサミン、メラミン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるいずれか1つである、請求項13に記載の方法。
- 凝集防止添加剤は、炭素粒子に対して1重量%〜50重量%の範囲から選択されるいずれか1つの値である、請求項13または請求項14に記載の方法。
- 鉄を1つ以上の炭素構造体に導入して、1つ以上の複合構造体を形成することは、さらに
熱分解プロセスで得られた混合物を加熱することにより鉄塩を還元することを含む、請求項12〜15のいずれか一項に記載の方法。 - 得られる混合物は、窒素、アルゴン、および水素と窒素との混合物からなる群から選択されるいずれかの環境で加熱される、請求項16に記載の方法。
- 得られる混合物は、水素と窒素との混合物の環境で加熱され、かつ
水素は、窒素に対して1体積%〜10体積%のいずれか1つの値である、請求項17に記載の方法。 - 水素は窒素に対して5体積%である、請求項18に記載の方法。
- 熱分解プロセスの温度は、500℃〜900℃の範囲から選択されるいずれか1つの値である、請求項16〜19のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1〜20のいずれか一項に従って形成された複合構造体。
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