JP2022510262A - ハロアミン及びハロアミン溶液を製造する方法 - Google Patents

ハロアミン及びハロアミン溶液を製造する方法 Download PDF

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Abstract

ハロゲンオキシアニオンの量を減少させたハロアミン溶液を製造する方法であって、(a)溶液等のハロゲン含有酸化剤のオンサイト生成と、(b)ハロゲン含有酸化剤を窒素源とオンサイトで反応させ、それによってハロアミン溶液を製造することとを含む、方法。【選択図】なし

Description

[関連出願の記載]
この出願は特許協力条約に基づく国際出願であって、2018年11月30日付で出願された米国非仮出願番号第62/773,819号の利益を主張し、2018年6月28日付で公開され、Buckman Laboratoriesに譲渡された米国特許出願公開第2018/0177191号に関し、2018年1月31日付で出願された米国仮出願第62/624,186号に関するものである。上記の全ての文献の内容は、それらの全体が引用することにより本明細書の一部をなす。
[発明の分野]
本発明は、殺生物剤として有用なクロラミン等のハロアミンを製造する方法に関する。本発明はまた、過塩素酸イオン、塩素酸イオン、亜塩素酸イオン、及び/又は臭素酸イオン、亜臭素酸イオン若しくは過臭素酸イオン等の有害なハロゲンポリオキシアニオンの量を減少させたハロアミン溶液に関する。
ハロアミン、特にモノクロラミン(MCA)の殺生物性溶液は、乳業、食品及び飲料産業、パルプ及び製紙業、石油及びガス産業、果物及び野菜の加工業、様々な缶詰工場、養鶏業、牛肉加工業、及び他の様々な食品加工用途を含む多くの産業において、微生物の増殖の制御に多大な関心を生み出している。
ハロアミンは、希アンモニア溶液又は少なくとも1つのアンモニウム塩又は他の窒素源を少なくとも1つのハロゲン含有酸化剤と反応させることによって形成され得る。必要な親試薬は、濃縮液として一般的に入手可能である。親溶液は通常、ハロアミン生成器の近くに貯蔵され、規定の割合で合わされて殺生物剤処理を形成する。残念ながら、貯蔵は親溶液内の活性物質(actives)の分解を招く。ハロゲン含有酸化剤の分解は、反応物の適切な比率を維持することが困難となるのに加えて、亜塩素酸イオン、塩素酸イオン、過塩素酸イオン、及び/又は臭素酸イオンを含む類似する臭素イオン等の有害なハロゲンポリオキシアニオンの蓄積をもたらす。
ハロゲンオキシアニオンを、一般に次の式で表すことができる:
Figure 2022510262000001
(式中、Xは、最大n個の酸素原子と結合したフッ素、塩素、臭素、ヨウ素、及びアスタチン等のハロゲン原子である)。本発明の対象となるハロゲンオキシアニオンを、酸素原子数の増加順に以下の通り列挙することができる。
Figure 2022510262000002
2個以上の酸素原子を含有するハロゲンオキシアニオン、又はハロゲンポリオキシアニオンは、特にヒトの健康に有害であることがわかっている。例えば、過塩素酸イオン及び塩素酸イオンは、甲状腺のヨウ素取り込みを阻害することがわかっているため、特に軽度又は中等度のヨウ素欠乏症の小児にとって健康上の懸念となる可能性がある。臭素酸イオンはin vitro及びin vivoでの変異原性が認められ、1986年のEPA発癌物質リスク評価ガイドラインでヒトに対しておそらく発癌性がある物質として分類されている。
この理由で、様々な規制当局が、或る特定の用途におけるハロゲンポリオキシアニオンの存在を制限又は禁止している。市販されているハロゲン含有酸化剤溶液は、貯蔵中に形成されるかなりの量のハロゲンポリオキシアニオン(最終的に製造されるハロアミン溶液に含まれる)を含有するため、ハロアミンのハロゲン含有前駆物質を製造する他の方法が必要とされている。
したがって、ハロゲンポリオキシアニオンの量を減少させたハロアミン溶液を製造する方法に対する当該技術分野におけるニーズがある。ハロゲンポリオキシアニオン等の有害化合物の量を減少させたハロアミン溶液に対する当該技術分野におけるニーズもある。
本発明は、これらのニーズに対する解決策を提供する。
本発明は、ハロゲンポリオキシアニオンの量を減少させたハロアミン溶液を製造する方法であって、(a)ハロゲン含有酸化剤溶液のオンサイト生成と、(b)ハロゲン含有酸化剤溶液を窒素源とオンサイトで反応させ、それによってハロアミン溶液を製造することとを含む、方法を提供する。別の実施の形態では、両方の反応を単一の工程に合わせることができる。
本発明はまた、測定可能な量のハロゲンポリオキシアニオンのないハロアミン溶液を提供する。
本発明の更なる目的、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明を見直すことで明らかになる。
気体塩素の供給源を用いて得られた希次亜塩素酸塩溶液からのモノクロラミンの製造を示す図である。FAC-遊離活性塩素。 電解的に生成された塩素ガスを用いて得られた希次亜塩素酸塩溶液からのモノクロラミンの製造を示す図である。 ブライン又は海水の電解槽を用いて得られた希次亜塩素酸塩溶液からのモノクロラミンの製造を示す図である。 中間タンクを使用しないモノクロラミンの製造を示す図である。 限定されるものではないが、1)塩素ガス、2)電解塩素ガス生成器、又は3)電解次亜塩素酸塩生成器を使用するものの群から選択された多数の供給源から同時又は断続的に得られた希次亜塩素酸塩溶液からのモノクロラミンの製造を示す図である。
本発明は、ハロゲンポリオキシアニオンの量を減少させた、好ましくは実質的にハロゲンポリオキシアニオンを含まない、殺生物性ハロアミン溶液のオンライン製造に関する。例えば、形成された溶液は、20重量%未満の塩素酸イオン等のハロゲンポリオキシアニオン、例えば、10重量%未満、若しくは5重量%未満、若しくは1重量%未満、若しくは0.1重量%未満、若しくは0.01重量パーセント未満、若しくは0.0001重量パーセント未満の塩素酸イオン等のハロゲンポリオキシアニオンを含有するか、又は測定可能な量の何らのハロゲンポリオキシアニオン若しくは塩素酸イオンを含まない。本発明の方法は、塩素酸イオン等のハロゲンポリオキシアニオンの存在に関連するヒトの健康へのリスクを効果的に低減又は排除するハロアミン生成物を提供する。
本発明を、多くの場合、ハロアミンとしてのモノクロラミン(正:monochloramine)を具体的に参照して、本明細書に記載する。しかしながら、本発明は、他のクロラミン及びブロマミン(モノブロマミン等)等の他のハロアミンにも適用可能であると理解される。また、本発明は、使用されるハロゲン含有前駆物質に応じて、及びナトリウム塩又は別の出発化合物を使用するかどうかに応じて、塩素酸アニオン又は類似の臭素酸アニオンの量を減少させる。該方法は、全てのハロゲンポリオキシアニオンを減少させることができ、好ましくはいかなる種類のハロゲンポリオキシアニオンも含まないハロアミン溶液を製造することができる。
殺生物性ハロアミンの中で最も一般的であるクロラミン溶液は、漂白剤(次亜塩素酸ナトリウムの溶液、NaOCl)とアンモニア含有溶液を組み合わせることによって製造することができる。殺生物性クロラミンのうち最も有効であるモノクロラミンの形成は、以下の全体的な反応に従って進行する。
Figure 2022510262000003
アンモニア含有溶液は、カルバミン酸アンモニウム溶液、臭化アンモニウム溶液、及び硫酸アンモニウム溶液等の間で変化してもよい。例えば、アンモニウム塩を含む任意の所望の窒素源を使用することができる。市販の漂白剤は、或る一定濃度の次亜塩素酸イオンを送達することが意図される。しかしながら、貯蔵の間、次亜塩素酸イオン(OCl-)は、下記の不均化反応を経て、亜塩素酸イオン(ClO2 -)等の塩素ポリオキシアニオンの形成を伴って分解し、更に塩素酸イオン(ClO3 -)へと分解する。
Figure 2022510262000004
Figure 2022510262000005
全体的な反応:
Figure 2022510262000006
過塩素酸イオンは、次亜塩素酸イオンと塩素酸イオンとの相互作用の結果として形成される:
Figure 2022510262000007
室温(25℃)では、市販の漂白剤(12重量%~13重量%)中の次亜塩素酸塩の約50%が150日~160日以内に分解する。塩素酸イオンは、市販の漂白剤中に20%もの高い割合で存在する最も豊富な分解生成物であり、溶液中では、任意のハロゲンオキシアニオンは利用可能な金属カチオンによってバランスが取られ、鉄又はマンガン等の遷移金属のカチオンが存在する場合、10倍超の次亜ハロゲン酸塩の分解の増加を加速する。
本発明は、ハロゲンポリオキシアニオンの含有量を有意に減少させるハロアミンを製造する方法を提供する。特に、本発明の方法は、望ましくない副生成物の塩素酸アニオンが少ないin-situで製造された次亜塩素酸塩を使用する。望ましくない塩素酸アニオンが形成されないように、製造された次亜塩素酸塩を直接、直ちに使用することができる。
本発明で使用される次亜塩素酸塩は、塩素ガスを苛性ソーダと反応させることを含む多くのin-situ法を用いて、又は塩素化ヒダントイン(例えば、1,3-ジブロモ-5,5-ジメチルヒダントイン、1,3-ジクロロ-5,5-ジメチルヒダントイン、又は1-ブロモ-3-クロロ-5,5-ジメチルヒダントイン)化合物を水と反応させることにより、又は塩化ナトリウム溶液の電気分解により製造され得る。或る特定の実施形態では、電気分解又は電流を溶液に通すことは、上記の方法のどの段階でも使用されず、例えば、塩素又は次亜塩素酸塩を製造するために使用されない。アンモニア含有成分は、次いで、次亜塩素酸ナトリウムと反応し、殺生物特性を有するモノクロラミンに変換する。
アンモニア含有成分とin-situ生成された次亜塩素酸ナトリウムの反応を制御することで、次亜塩素酸ナトリウムのモノクロラミンへの定量的な変換(すなわち、少なくとも約95パーセント、好ましくは少なくとも約97パーセントの反応収率)を達成することができる。反応の制御は、ジクロラミン及び三塩化窒素等の望ましくない副生成物の製造を避けることができる。
例えば、(a)過剰量のアンモニアを使用することができるか、若しくは少なくとも過剰な次亜塩素酸塩を使用しなくてもよい、及び/又は(b)アルカリ性pH、好ましくは少なくとも約10~約11を使用することができる。これらの反応制御により、次亜塩素酸ナトリウムのモノクロラミンへの変換は約95パーセント、又は97%以上となり得る。製造されたモノクロラミン溶液は、例えば、0.0001重量%~10重量%又は0.05重量%~5重量%又は0.05重量%~2重量%のMCAを含むことができる。
図1に示す本発明の一実施形態では、次亜塩素酸塩溶液は、塩素ガスをアルカリ溶液と反応させることによって製造される。任意の所望のアルカリ溶液を使用することができる。塩素ガスは圧縮された形態で提供され得る。塩素ガスの反応は、例えばガス供給源から下流の貯蔵タンクに結果として蓄積された次亜塩素酸塩溶液を用いる連続的若しくは断続的なプロセスを使用して、及び/又はかかる中間タンク内で塩素ガスをアルカリ水と混合することにより行われ得る。次亜塩素酸塩の濃縮溶液を調製する必要はない。実際には、0.5g/L~25 g/L、又は1 g/L~25g/L又は2 g/L~10 g/L又は1g/L~5 g/Lの範囲の次亜塩素酸塩の濃度を有する希釈溶液のみが有利に必要とされる。かかる濃度は、最も一般的な市販の125 g/L次亜塩素酸塩溶液の5倍超低い。次亜塩素酸塩タンクの容積及び滞留時間を選択して、次亜塩素酸塩溶液の適切な保持時間を確保し、塩素酸イオンの形成を回避する必要がある。
アンモニウムイオン含有溶液は、例えば、アンモニア、アンモニア水、硫酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、塩化アンモニウム、及びフッ化アンモニウムを含む任意の適切なアンモニウム源を用いて別のタンクで調製することができる。アンモニアの供給源は、多くの異なるアンモニア含有成分によって提供され得る。例えば、アンモニア源は、BuckmanLaboratories(テネシー州メンフィス)から市販されており、合計7.59%のアンモニアを含有するアンモニア含有化合物のブレンドである、Busan(商標)1474製品であってもよい。
図2に示す本発明の別の実施形態では、苛性物質、水、及び塩素ガスの混合物から得られた希次亜塩素酸塩溶液を用いて適切なクロラミン溶液を製造し、塩素ガスは電解的に生成される。次亜塩素酸塩溶液は、中間タンクに最小限の体積で蓄積され、及び/又はクロラミン生成器に直接供給される。
図3に示す本発明の更に別の実施形態では、電解生成器/電解槽によって即座に送達された希次亜塩素酸塩溶液を用いて適切なクロラミン溶液が製造される。適切な電解槽は、フロリダ州ノースマイアミビーチのElectrolyticTechnologies Systems LLC、ニューメキシコ州アルバカーキのMIOXCorporation、又はオランダ国ドレンテ州ローデンのVDHProducts等の供給業者から市販されている。電解槽は、ナトリウムブライン(saltbrine:ソルトブライン)又は海水を使用して次亜塩素酸塩溶液を製造する。電解槽の出力を、9~12、11~12等の適切なpHに任意に調整することができ、苛性物質及び水が中間タンクに蓄積されるか、又はクロラミン生成器に直接供給され得る。或いは、次亜塩素酸塩溶液は、中間タンク内での時間を伴わずに、クロラミン生成器に直接供給され得る。
更に別の実施形態では、図4に示すように、クロラミン生成反応を単一の工程に合わせる。かかる方法では、中間の上流段階で塩素ガス又は次亜塩素酸塩溶液を製造するために、電気分解又は電流を溶液に通すことを使用しない。
更に別の実施形態では、本発明は、図5に示すように、1つ以上又は全ての上記の構成を備えるシステムを用いて実現され得る。そのため、希次亜塩素酸塩溶液を、限定されるものではないが、塩素ガス、電解塩素ガス生成器、又は電解次亜塩素酸塩生成器を用いるものの群から選択された多数の供給源から同時又は断続的に得ることができる。
本発明は、上記の方法のいずれかを用いて、次亜塩素酸塩溶液等のハロゲン含有酸化剤溶液のオンサイト生成を提供し、その後、このハロゲン含有酸化剤溶液を直ちに用いて、殺生物性ハロアミンを製造することができる。貯蔵期間を伴わない次亜塩素酸塩溶液のかかる即時変換は、塩素酸イオン等の有害なハロゲンポリオキシアニオンの形成を排除する。幾つかの実施形態では、貯蔵期間はなく、その他では、中間タンクでの短い貯蔵期間(例えば、1時間未満)を使用することができる。かかる短い滞留時間は、特に本発明に使用することができる低濃度の次亜塩素酸塩溶液を用いると、有害な塩素酸イオンの形成を減少又は排除する。
本発明で製造されるクロラミン等のハロアミン及びその溶液は、かかる殺生物剤が使用される場所であればどこでも使用することができる。例えば、食品加工及び衛生産業における殺生物性ハロアミンの用途が知られている。本発明は、特に、デンプン及び砂糖工場、醸造業、バイオエタノール工場、石油ガス産業、及びスイミングプール等の塩素酸イオン又は他のハロゲンポリオキシアニオンの存在について規制されるものを含む、現在の全てのハロアミン用途で使用され得る。
本発明は、食品加工業において特に有用である。本発明の柔軟な方法は、製造されたクロラミン溶液中で可能な限り低い塩素酸イオンレベルをもたらす。
有利には、電解生成器の代わりに、又はそれと組み合わせて、次亜塩素酸塩の供給源としての気体塩素の使用を含む、次亜塩素酸塩を製造する多くの異なるオンサイト法を使用することができる。また、次亜塩素酸塩溶液の電解生成の代わりに又はそれに加えて、塩素ガスの単独電解生成器を使用することができる。
本発明は、滞留時間が短い(例えば、48時間未満、又は24時間未満、又は1時間未満、又は30分未満、又は15分未満、又は1分未満、例えば、1分~48時間又は15分~24時間)任意の中間次亜塩素酸塩タンクを使用することができる点で柔軟性がある。さらに、市販の次亜塩素酸塩生成器は、次亜塩素酸塩の生成に実際に利用されている方法に関係なく、使用することができる。
実施例1
デンプンを付加価値の高い食品及び栄養製品へと加工する施設における微生物汚染の処理について、本発明の実施形態を試験した。ハロアミン製造ユニットを、図2に提供する図表に従って、電解塩素ガス生成器を利用して設置した。生成器からの気体塩素を水酸化ナトリウム溶液と合わせて、貯蔵タンク内に次亜塩素酸塩溶液を約1時間の滞留時間で形成した。タンク内の遊離活性塩素濃度は、2 g/L~9 g/Lの範囲内であった。タンク内の塩素酸イオン含有量は、遊離活性塩素1 kgあたり100 mg~500 mgの範囲内であった。製造されたハロアミン溶液は、非常に少ない量のハロゲンポリキシアニオンを含有した。加工デンプンにおいて測定された塩素酸イオン濃度は0.7 mg/L未満であった。
本発明は、或る特定の実施形態を特に参照して記載されているが、発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、変形及び変更を行うことができる。
図1
Ammonium source (ammonium sulfate,chloride, fluoride, etc..) アンモニウム源(硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、フッ化アンモニウム等)
10-40% solution 10%~40%溶液
Water 水
0.05-2% solution 0.05%~2%溶液
Chlorine gas 塩素ガス
Water + Caustic 水+苛性物質
Hypochlorite Tank 次亜塩素酸塩タンク
FAC content 1-25 g/L FAC含有量1 g/L~25 g/L

図2
Ammonium source (ammonium sulfate,chloride, fluoride, etc..) アンモニウム源(硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、フッ化アンモニウム等)
10-40% solution 10%~40%溶液
Water 水
0.05-2% solution 0.05%~2%溶液
Chlorine gas 塩素ガス
Caustic 苛性物質
Brine ブライン
Hypochlorite tank 次亜塩素酸塩タンク
FAC content 1-25 g/L FAC含有量1 g/L~25 g/L
Impurities (OCl3 -,OCl4 -, etc.) 不純物(OCl3 -、OCl4 -等)

図3
Ammonium source (ammonium sulfate,chloride, fluoride, etc..) アンモニウム源(硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、フッ化アンモニウム等)
10-40% solution 10%~40%溶液
Water 水
0.05-2% solution 0.05%~2%溶液
Hypochlorite tank 次亜塩素酸塩タンク
FAC content 1-25 g/L FAC含有量1 g/L~25 g/L
Caustic 苛性物質
Brine or Sea Water ブライン又は海水

図4
NaCl/NH4Cl Solution NaCl/NH4Cl溶液
NaOH Solution NaOH溶液
Constant Current Generator 定電流発生器
Electrolysis Cell 電解セル
Monochloramine Solution To Treatment System 処理システムへのモノクロラミン溶液

図5
Ammonium source (ammonium sulfate,chloride, fluoride, etc..) アンモニウム源(硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、フッ化アンモニウム等)
10-40% solution 10%~40%溶液
Water 水
0.05-2% solution 0.05%~2%溶液
Chlorine gas 塩素ガス
Water + Caustic 水+苛性物質
Hypochlorite Tank 次亜塩素酸塩タンク
FAC content 1-25 g/L FAC含有量1 g/L~25 g/L
Caustic 苛性物質
Brine or Sea water ブライン又は海水
Impurities (OCl3 -,OCl4 -, etc.) 不純物(OCl3 -、OCl4 -等)
Caustic + Water 苛性物質+水

Claims (23)

  1. ハロゲンポリオキシアニオンの量を減少させたハロアミン溶液を製造する方法であって、(a)ハロゲン含有酸化剤溶液のオンサイト生成と、(b)該オンサイト生成されたハロゲン含有酸化剤溶液を窒素源とオンサイトで反応させ、それによってハロゲンポリオキシアニオンの量を減少させた該ハロアミン溶液を製造することとを含む、方法。
  2. 前記ハロアミンが、モノクロラミン(MCA)を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記ハロゲン含有酸化剤溶液が、次亜ハロゲン酸塩を含有する、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記ハロアミン溶液が、5重量%未満のハロゲンポリオキシアニオンを含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記窒素源が、アンモニア、アンモニア溶液、又はアンモニウム塩である、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記オンサイト生成が、塩素ガスをアルカリ溶液と反応させることを含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記オンサイト生成が、ハロゲン化ヒダントイン化合物を水と反応させることを含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記オンサイト生成が、塩化ナトリウム溶液の電気分解を含む、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記オンサイト生成が、塩素ガスを電解的に生成し、該塩素ガスを苛性物質及び水の混合物と反応させることを含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記ハロゲン含有酸化剤溶液が、次亜塩素酸塩である次亜ハロゲン酸塩を含有する、請求項1~9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記ハロゲン含有酸化剤溶液が、1g/L~25 g/Lの次亜塩素酸塩濃度を有する希釈溶液である、請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記オンサイト生成が、海水又はナトリウムブラインの電気分解を含む、請求項1~11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記ハロアミンのオンサイト生成が単一の工程で行われ、該工程では、中間上流段階で塩素ガス又は次亜塩素酸塩溶液を製造するために電気分解又は電流を溶液に通すことを用いない、請求項1~12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記オンサイト生成された溶液を、貯蔵せずに、ハロアミン生成器に直接供給し、前記窒素源と反応させる、請求項1~13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記オンサイト生成された次亜塩素酸塩又は次亜ハロゲン酸塩の溶液を中間タンクに最大24時間蓄積させた後、クロラミン生成器に供給し、前記窒素源と反応させる、請求項1~14のいずれか一項に記載の方法。
  16. オンサイト生成された次亜ハロゲン酸塩溶液をただちに使用して前記ハロアミンを製造し、これにより、2個以上の酸素原子を含有するハロゲンオキシアニオンの形成を排除する、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記オンサイト生成が電気分解を用いない、請求項1~16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記オンサイト生成が、オンサイト電解生成器から製造されていない塩素ガスをアルカリ溶液と反応させることを含む、請求項1~17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 請求項1~18のいずれか一項に記載の方法によって得られるクロラミン溶液。
  20. 1重量%未満の2個以上の酸素原子を含有するハロゲンオキシアニオンを含むクロラミン溶液。
  21. ハロゲンポリオキシアニオンを含まないモノクロラミン(MCA)を含む溶液。
  22. 測定可能な量のハロゲンポリオキシアニオンを含有しないハロアミン溶液。
  23. 殺生物剤としての請求項19~22のいずれか一項に記載の溶液の使用。
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