Каждое дезинфицирующее средство применялось в течение 1 недели дважды за период испытаний. В течение каждой недели испытаний первый и второй дни недели использовались в качестве дней контрольных измерения (дезинфицирующий агент не применялся), а в дни 3, 4 и 5 применялась дезинфицирующая обработка.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Эксперимент 1. Семь программ очистки доильных аппаратов с использованием горячих или холодных растворов, содержащих различные уровни гидроксида натрия, с добавлением гипохлорита натрия или перекиси водорода в некоторых программах испытаний (таблица 1), сравнивались по эффективности поддержания низких уровней TBC и LPC в молоке.
Программа очистки 3 (P3-mipCIP, использован холодным раствор и горячий (70 °C) раствор) с кислотной промывкой, заменяющей моющее средство во второй половине дня, показала значительно более низкие уровни TBC (1040 КОЕ/мл), чем T1 (продукт P3-mipCIP, использован холодным) (1920 КОЕ/мл) (P<0,05) и T4 (Hypral SP использован горячий (70 °C) раствор)(1720 КОЕ/мл) (P<0,07), и более низкие уровни, чем полученные при использовании других программ очистки (Таблица 2). Выявлены значительные различия значений LPC между программами очистки T1 (14 КОЕ/мл), T3 (12 КОЕ/мл) и T6 (Multisan CF, использован холодный раствор)(11 КОЕ/мл) по сравнению с T4 (44 КОЕ/мл ) и T7 (Parlorsan NC, использован холодный раствор) (44 КОЕ/мл) (P<0,05). Контрольная программа очистки (T5) (Liquid Gold, используется горячий (70 °C) раствор), содержавшая смесь гидроксида натрия и гипохлорит натрия, показала незначительные отличия TBC и LPC от всех других программ очистки. Однако диапазон полученных значений LPC был больше при некоторых программах «холодной» очистки [T1 (0–2700 КОЕ/мл); T6 (0–2600 КОЕ/мл)] по сравнению с программами очистки с использованием горячих растворов [T2 (P3-mipCIP, используется горячие растворы) (0–790 КОЕ/мл); T3 (0–360 КОЕ/мл); T5 (0–610 КОЕ/мл)]. Самые низкие значения TBC были при ежедневной горячей очистке для T3 (3500 КОЕ/мл) и T5 (4300 КОЕ/мл) в сравнении с T1 (6700 КОЕ/мл); T6 (6300 КОЕ/мл) и T7 (9400 КОЕ/мл). Не было никаких существенных различий TBC между программами очистки (P>0,05) для проб из молочного танка. Однако контрольная программа очистки (T5) имела численно самый низкое значение TBC (4280 КОЕ/мл), за которым следовали программы T4 (6600 КОЕ / мл) и T3 (6760 КОЕ / мл), а системы холодной очистки имели самые высокие показатели TBC из проб, взятых в молочном танке: Т1 (9160 КОЕ/мл) и Т6 (9200 КОЕ/мл). Программа очистки, включавшая ежедневную кислотную очистку (T3), имела значительно более низкий показатель LPC по сравнению с Т1, Т4, Т6 и Т7 (Р<0,05). Время обора проб молока показало значительную корреляцию как на показатель TBC, так и на показатель LPC: пробы, взятые при утренней дойке имели более низкий TBC (1450 КОЕ / мл), чем пробы, взятые при вечернем доении (1680 КОЕ/мл) (P<0,01). Точно так же время отбора проб оказывало влияние на значения LPC: 39 КОЕ/мл вечером в сравнении с 14 КОЕ/мл утром (P<0,001).
Наблюдалась значительная корреляция (P <0,05) между местоположением доильного помещения и TBC, при этом ферма A имела более низкий TBC (1170 КОЕ / мл), чем ферма B (1660 КОЕ / мл) или C (1950 КОЕ / мл).
Значительное увеличение значения TBC наблюдалось на пластиковых поверхностях между 1 и 3 неделями при использовании программ очистки T1, T2, T6 и T7 (P<0,05), но различия для программ очистки T3, T4 и T5 были не существенными (таблица 3). Общее количество бактерий не увеличилось значительно на прокладках (диапазон от 100 до 140 КОЕ/мл) и на поверхностях из нержавеющей стали (диапазоне от 100 до 260 КОЕ/мл).
Эксперимент 2: Определялись средние значения TBC и LPC молока после обработки воды, применяемой для предварительного ополаскивания, дезинфицирующими агентами, указанными в Таблице 4. Существенные различия значений TBC и LPC проб молока, отобранных вначале и после трёх доек, не обнаружены.
Наиболее низкие значения TBC наблюдались в образцах молока с молочной линии после применения всех четырех дезинфицирующих агентов использованных в воде для предварительного промывания (P<0,01). Количественное снижение TBC между обработками не было значительным (P>0,05). Обработка PA11 (надуксусная кислота из расчета 0,688 мл/л) привела к увеличению уровня LPC, при использовании PA21 (надуксусная кислота из расчета 1,313 мл/л) и QAC наблюдалось снижение уровня LPC после санации.
Гипохлорит натрия имел значительно более высокие уровни TХM после санации (P<0,01). Высокая бактериальная обсемененность (в среднем 174 х 103 КОЕ/мл) наблюдались на пластиковых поверхностях до применения всех дезинфицирующих средств. Включение PA11, PA21 или гипохлорита натрия в качестве дезинфицирующего средства в промывную воду значительно снижало показатель TBC на этих пластиковых поверхностях (P<0,01) (Таблица 4).
Воздействие оксихлорных контаминантов на здоровье человека
Использование окислителей в процессах CIP-очистки приводит к появлению разнообразных побочных продуктов, влияние которых связывают с многочисленными последствиями для здоровья. Токсикология хлоратов и других хлорных побочных продуктов является областью возрастающего интереса из-за широкого распространения этих микроконтаминантов в пищевых продуктах.
Главные оксихлорные контаминанты и связанные с ними биологические риски с установленными рекомендациями, основанными на санитарно-гигиенических нормативах (TDI, ADI и ARfD) и нормативное значение MRL, приведены в таблице 1 (данные European Food Safety Authority).
MRL — maximum residue level (максимальный остаточный уровень)
Окислительный стресс
В кишечнике происходит взаимное превращение хлорита, хлората и хлорида, и было обнаружено, что оно вызывает окислительный стресс в организме. Организм имеет множество антиоксидантных механизмов для защиты своих клеток от этого процесса, в основным является глутатион (GSH) окислительно-восстановительный цикл. Однако, когда окислительный стресс слишком высок, защитный механизм не справляется, и в результате наносится существенный вред клеткам, который затрагивает протеины, липиды и аминокислоты. Кровь особенно чувствительна к окислительному стрессу, в результате его воздействия гемоглобин может быть окислен до метгемоглобина. Таким образом, клеточные мембраны могут подвергаться окислительному сшиванию белка цитоскелета клеток — спектрина и перекисному окислению липидов, приводящему к внутрисосудистому гемолизу.
Метгемоглобин образуется, когда Fe-центр дезоксигемоглобина окисляется от двухвалентного (Fe2+) до трехвалентного (Fe3+) состояния, как показано на рисунке 2, снижая его способность действовать как транспортное средство для переноса кислорода посредством изменения его способности обратимо связываться с кислородом. Это изменение вызывает тканевую гипоксию и метаболический ацидоз. Кроме того, метгемоглобин инициирует механизм воспалительного каскада, стимулируя высвобождение хемокинов интерлейкин-6, интерлейкин-8 и гликопротеина Е-селектина, которые вызывают высвобождение цитокинов и молекул клеточной адгезии, усиливая тем самым воспалительный ответ. Это может привести к острому повреждению почек и почечной недостаточности в случаях хронического воздействия, точный механизм которого еще не был ясно определён.
Младенцы гораздо более чувствительны, чем взрослые, к этой внутриклеточной индукции метгемоглобина. Это связано с относительной разницей редуктазы метгемоглобина в эритроцитах у новорожденных, поскольку эритроциты плода гораздо более чувствительны к восстановителям и потому, что у плода повышенная потребность в кислороде. Большую долю гемоглобина у детей составляет этот фетальный гемоглобин, который более легко окисляется до метгемоглобина, чем взрослый гемоглобин. Кроме того, растущую обеспокоенность вызывает то, что на 95-м процентиле установленное допустимое ежедневное потребление (TDI) для хлората было превышено во всех обследованиях «младенцев» и «малышей» в исследовании 2014 года.
Развитие плода
Исследованиями, проведенными в 2012 году в Италии, установлено, что наличие повышенных уровней хлорита и хлората (> 700 мкг / л) приводит к значительному увеличению факторов риска дефектов мочевыводящих путей, расщелины неба, расщелины позвоночника и дефектов брюшной стенки для плодов матерей, подвергшихся воздействию высоких уровней хлората и хлорита во время беременности.
Торможение функций щитовидной железы
Хлорат и его окисленная форма перхлорат (ClO4—) ингибируют белок NIS (sodium/iodide symporter), обнаруженный в щитовидной железе и других тканях, который необходим для синтеза гормонов щитовидной железы трийодтиронина (Т3), который регулирует рост и клеточный метаболизм, и тироксина (Т4), который превращается в трийодтиронин в периферической ткани. NIS играет ключевую роль в пути производства этих гормонов посредством транслокации йодида в фолликулярные клетки, которые образуют тиреоглобулин. Белок тиреоглобулин подвергается расщеплению с выделением T3 и T4, в процессе, который регулируется гипофизом.
Химическое действие хлората сходно с действием перхлората, который хорошо известен как токсикант щитовидной железы. Перхлорат является гораздо более сильным ингибитором функций щитовидной железы, чем хлорат, поскольку он обладает более высокой аффинностью поглощения NIS. Перхлорат конкурентно ингибирует поглощение йодида NIS из-за сходства ионного радиуса и заряда, при этом аналогичные результаты получены для ионов близкого размера, таких как тиоцианат.
Хотя подавление гормонов щитовидной железы не является проблемой для большинства взрослых так как у них есть определённый запас накопленных гормонов щитовидной железы, у младенцев таких запасов гормонов щитовидной железы нет. Это означает, что они полностью зависят от ежедневного поступления гормонов щитовидной железы, чтобы удовлетворить потребности своего организма. Любое ингибирование щитовидной железы приведет к снижению уровня Т4 в сыворотке, а острый дефицит приведет к измеримым неврологическим и когнитивным нарушениям. Присутствие хлорных побочных продуктов в продуктах питания, потребляемых группами с дефицитом йода в группе риска, также повышает риск вышеупомянутых последствий для здоровья как в моделях острого, так и хронического воздействия.
Неорганические производные хлора, попадая с пищей в организм человека, приводят гематотоксическим и нефротоксическим эффектами и к угнетению функций щитовидной железы. Наличие таких негативных последствий побудили установить обязательные лимиты для хлоритов и хлоратов в пищевых продуктах. Особые опасения вызывает наличие таких контаминатов в детском питании из-за повышенной восприимчивости детей к указанным токсическим эффектам, при этом следует учитывать, что молочные продукты часто являются основном ингредиентом в большинстве смесей кормления. В целом, более 600 летучих и нелетучих побочных продуктов были выявлены исследователями, изучавшими процессы очистки и дезинфекции с использованием хлорсодержащих продуктов на пищевых производствах.
Анализ хлоратов и перхлоратов. Механизмы, участвующие в образовании неорганических хлорированных побочных продуктов.
Анализ молока, как жидкого, так и сухого, и других молочных продуктов сложен из-за ряда технических проблем. Молочные продукты содержат ряд компонентов, таких как белки, жиры и сахара, которые могут мешать проведению корректного анализа. Большинство аналитических методов включают стадию осаждения белка, например, добавлением органического растворителя, смешивающегося с водой, и кислоты. Жиры могут быть удалены из молока центрифугированием или твердофазной экстракцией.
В результате дезинфекции с использованием хлорсодержащих продуктов в результате реакций окисления образуются неорганические соединения хлора. Хлор способен образовывать большое количество окисленных неорганических побочных продуктов в следствии способности подвергаться окислительно-восстановительным реакциям.
Хлориты образуются в результате реакции двух частей гипохлорита и являются лимитирующей стадией образования хлората. В проведенных исследованиях кинетики реакции разложения растворов гипохлорита обнаружено, что хлорат образуется в концентрированных растворах гипохлорита во время их изготовления и хранения в результате следующих реакций:
OCl— + OCl— ➔ ClO2— + Cl—
OCl— + ClO2 ➔ ClO3 + Cl—
Было обнаружено, что при увеличении концентрации гипохлорит-иона в два раза скорость разложения возрастает в четыре раза, что делает его реакцией второго порядка. Таким образом, рекомендуется разбавлять растворы гипохлорита в два раза, что снижает концентрацию ионов гипохлорита и приводит к снижению скорости разложения. Условия хранения концентрированных растворов гипохлорита представляют собой серьезную проблему, поскольку скорость разложения пропорциональна молярности раствора. Рекомендуется, чтобы гипохлорит натрия хранился в сильнощелочных условиях при значениях рН более 12, это предотвращает быстрое разложение и обеспечивает достаточные концентрации гипохлорит-ионов.
Гидроксид натрия добавляется во время производства средств на основе гипохлорита натрия для обеспечения щелочной среды в которой разложение гипохлорита минимизировано до его окисленных продуктов разложения. Большинство чистящих средств, выпускаемых в США и Европейском Союзе, предназначенных для использования в системах CIP, содержат смесь гидроксида натрия (от 15 % до 20 %) и гипохлорита натрия (от 3 % до 9 %) при pH приблизительно 13 ед. pH.
Хлорноватистая кислота, протонированная форма гипохлорита, которая определяет процесс дезинфекции, представляет собой слабую кислоту с pKa7,5 при 25 °C. Следует понимать то, что лишь при рН ниже 7,5 хлорноватистая кислота является доминирующим активным веществом по сравнению с гипохлорит-ионом, который является доминирующей формой при рН выше 7,5. Скорость разложения активного хлора увеличивается по мере того как среда становится более щелочной, что обусловлено нарушением термодинамической стабильности ионов гипохлорита и, теоретически, может приводить к разложению имеющихся побочных продуктов хлорита и хлората. Эти оксигалогениды подвергаются дальнейшим реакциям с образованием более термодинамически стабильных оксигалогенидов и могут дополнительно реагировать с образованием перхлоратов, как показано ниже:
ClO— + ClO2— ➔ ClO3— + Cl—
ClO3— + ClO— ➔ ClO4— + Cl—
Перхлорат-ион обнаруживается в растворах гипохлорита натрия, и, подобно хлорат-иону, концентрация перхлората со временем увеличивается. Скорость образования перхлората является реакцией второго порядка, зависящей от концентрации гипохлорита и хлората.
OCl— + ClO3— ➔ ClO4— + Cl—
d[ClO4—]/dt ➔ kClO-4[OCl—][ClO3—]
Имеется иная схема разложения гипохлорита без образования оксихлоридов, когда происходит разложение гипохлорита до кислорода и хлорида. Такая схема реализуется в присутствии определенных ионов металлов, при температурах выше 30 °C, при кислотном pH и в результате воздействия ультрафиолетового излучения.
Использование хлорсодержащих моющих средств для очистки и дезинфекции технологического оборудования на молоко-товарных фермах и молочных заводах приводит к загрязнению молока и молочных продуктов хлоратами и другими оксихлорными контаминантами. Хлораты и другие виды оксихлорных соединений в продуктах, как установлено, влияют на усвоение йода организмом человека и образование метгемоглобина, при этом новорожденные и малолетние дети подвержены наиболее высокому риску, в группу риска попадают также беременные и кормящие матери, которым йода нужно почти в два раза больше, чем обычному взрослому человеку. Вице-председатель Российской ассоциации эндокринологов, директор института клинической эндокринологии ФГБУ «Эндокринологический научный центр» Минздрава России Галина Мельниченко обращает внимание на то, что «У плода до 16 недели нет своей щитовидной железы, зато буквально с первых дней жизни эмбриону необходим мамин гормон – тирoксин. В противном случае могут возникнуть проблемы с развитием зрения, слуха. Тяжелый йододефицит чреват умственной отсталостью малыша. Хотя даже легкая степень нехватки йода приводит к тому, что уровень IQ ребенка будет на 10 — 15 пунктов ниже, чем у сверстников из благополучных в плане йода регионов. Чаще всего речь идет об IQ ниже 100, рассеянности, дефиците внимания, заторможенности».
Введение
Хлорат (ClO3—) и другие производные соединения хлора в последние годы стали серьёзной проблемой для пищевой промышленности, и особенно для предприятий по производству напитков и молочной продукции. Некоторые соединения хлора обладают высокой антимикробной активностью и, поэтому, их традиционно используют на фермах и на пищевых производствах с целью дезинфекции. Традиционно соединения хлора, используемые как средства дезинфекции, широко использовались для обеспечения надлежащего санитарно-гигиенического состояния пищевых производств в последние 200 лет благодаря своей высокой эффективности и низкой цены; однако образование хлорированных контаминантов как результат их использовании вызывает обеспокоенность у органов, регулирующих условия производства пищевых продуктов в развитых странах.
Качественная очистка оборудования для переработки и хранения молока имеет большое значение для предотвращения инфекционных заболеваний связанных с риском микробной контаминации молока, и хлорсодержащие средства широко используются для предотвращения указанных рисков в молочной промышленности.
Хлораты чаще всего являются побочным продуктом процессов очистки или дезинфекции. Такие побочные продукты образуются уже на фермах. Следует обратить внимание на то, что использование воды на всех стадиях молочного производства также является точкой риска. Очистка воды с помощью газообразного хлора (Cl2), диоксида (ClO2) или гипохлорита (ClO—) является в настоящее время обычной практикой. Поэтому следует проанализировать каким образом химический состав воды влияет на риск перекрестной контаминации молочной продукции.
Дезинфицирующие средства на основе хлорноватистой кислоты
Активный хлор, то есть хлор в той форме, которая легко доступна для химической реакции с микроорганизмами, обычно используется в процессах дезинфекции в форме газообразного хлора или гипохлорита (ClO—). В этих формах хлор является сильным окислителем и быстро вступает в реакцию с большим количеством химических соединений. Чаще всего такие соединения, например, сероводород (H2S), марганец (II), железо (II), сульфит (SO32-), бромид (Br—), йодид (I—) и нитрит (NO2) являются восстановителями. Упомянутые соединения могут действовать как катализаторы, способствуя образованию и сохранению хлорсодержащих побочных продуктов в составе пищевого сырья или готовой продукции.
Дезинфицирующие средства на основе гипохлорита натрия (NaClO) эффективны против широкого спектра микроорганизмов, включая грамположительные и грамотрицательные бактерии, споры бактерий и вирусы. В отличии от хлора, продукты на основе гипохлорита натрия легче транспортировать и хранить в местах использования. Для растворов гипохлорита хлорат является первичным побочным продуктом разложения, а динамика увеличения его количества в растворе определяется как условиями хранения, прежде всего температурой и воздействием ультрафиолетового диапазона естественного освещения, а также длительностью хранения продукта до использования.
Установлено, что в продуктах на основе гипохлорита натрия концентрация хлорита обычно находится в диапазоне от 135 до 310 мкг/л, а концентрация хлората в диапазоне от 1,67 до 13,35 мг/л.
Гипохлорит натрия является причиной образования такого опасного побочного продукта дезинфекции как трихлорметан (ТХМ), также называемый хлороформом. Максимальный уровень ТXМ в питьевой воде составляет 0,1 мг/кг. В ЕС нет MRL, установленного для содержания ТХМ в пищевых продуктах. Германия, однако, установила ограничение для продуктов питания на уровне требований к питьевой воде. Кроме того, были рекомендованы целевые уровни <0,03 и <0,002 мг/кг в масле и молоке, соответственно.
Диоксид хлора
Диоксид хлора представляет собой почти полностью мономерную систему свободных радикалов. Газообразный диоксид хлора в высоких концентрациях является потенциально взрывоопасным, Попытки разработки технологий его хранения под высоким давлением, отдельно или в смеси с другими газами, пока не увенчались успехом. Поэтому диоксид хлора, как и озон, в настоящее время производят в месте его использования.
Хотя диоксид хлора обычно используется для обработки воды, его также применяют и для дезинфекции технологического трубопроводов и оборудования. Диоксид хлора образует значительно меньше вредных побочных продуктов дезинфекции чем гипохлориты и хлор, его антимикробная активность проявляется в более широком диапазоне рН, поэтому он является хорошей альтернативой для использования в пищевой промышленности.
Диоксид хлора не подвергается интенсивному гидролизу в воде. Было обнаружено, что нейтральные или кислые разбавленные водные растворы диоксида хлора относительно стабильны при хранении в закрытых контейнерах в прохладном и защищенном от прямых солнечных лучей месте. Диоксид хлора имеет степень окисления +4, которая находится между степенью окисления хлорита (+3) и хлората (+5). Диоксид хлора может разлагаться до хлорита в отсутствие окисляемых веществ и среде оснований; растворяясь в воде, диокисид хлора медленно разлагается с образованием хлорита и хлората:
2ClO2 + H2O ➔ ClO2— + ClO3— + 2H+
Разложение диоксида хлора приводит к образованию неорганических соединений, в том числе хлорита, хлората и хлорид-ионов. От 50 % до 70 % образовавшихся побочных продуктов представляют собой хлориты.
Диоксид хлора может участвовать в широким спектре окислительно-восстановительных реакций, например, в окислении йодид-иона, сульфид-иона, железа (II) и марганца (II). Диоксид хлора является хорошим акцептором электронов и не подвергается реакциям замещения в присутствии структур C – H или N – H. Для диоксида хлора характерны окислительные процессы (в отличие от газообразного хлора, который может подвергаться реакциям окисления и электрофильного замещения), именно это свойство объясняет отсутствие образования хлорорганических соединений.
Промышленный синтез диоксида хлора обычно выполняется с использованием водного раствора хлорита натрия и гипохлорита:
2ClO2— + HClO + H+ ➔2ClO2— + Cl— + H2O
Однако, когда эту реакцию проводят в эквимолярной реакции между хлоритом и гипохлоритом, реакция дает хлорат-ион.
ClO2— + HClO + H+ ➔ClO3— + Cl— + H+
Вышеуказанная реакция распространена в производственных средах, где используются повышенные концентрации хлора, сдвигающие равновесие реакции вправо, увеличивая потребление хлорита. Альтернативным путем промышленного производства диоксида хлора является использование соляной кислоты (HCl), что приводит к снижению образования хлората.
5NaClO + 4HCl ➔ 4ClO2 + 5NaCl + H2O
Реакция взаимодействия диоксида хлора и органических веществ природного происхождения (NOM — natural organic matter) также может привести к образованию хлорита.
* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: dmshe@ippcaas.cn;
Tel.: +86 1062890876; Fax: +86 1062816909.
Received: 30 January 2010; in revised form: 24 February 2010 / Accepted: 8 March 2010 / Published: 16 March 2010
Аннотация: В центре внимания этой работы было определить наиболее дешевый растворитель из числа дизельного топлива, керосина, сульфолана или смеси сульфолана и циклогексанола для приготовления циануровой кислоты гетероциклизацией мочевины. Чтобы получить более высокий выход, эффект катализаторов (натриевых, аммонийных, кальциевых и циннковых солей) и температуры в пределах (160-220) °С на тримеризацию мочевины также были тщательно изучены. Мы создали оптимальные реакционные условия и в дальнейшем подтвердили расширением масштабов наших экспериментов.
Ключевые слова: циануровая кислота; мочевина; жидкая фаза; выход продукции
Введение
Циануровая кислота (2,4,6-трихлор-1,3,5-триазин или изоциануровая кислоты) является ключевым промежуточным соединением для синтеза различных органических соединений, включая эпоксидные смолы, хлорированные дериваты, синтетические моющие средства, антиоксиданты, красители, пестициды, противоопухолевые агенты и прочие продукты. Кроме того, сырье для многих новых продуктов, таких как трихлоризоциануровая кислота (TCCA), 1,3,5-три-2-пропенил-1,3,5-триазин-2,4,6-(1H,3H,5H)-трион (TAIC), триглицидилизоцианурат (TGIC) и трикарбоксиэтил изоцианурат (TCIC). Эти новые продукты хорошо известны и широко используются в химическом машиностроении, легкой промышленности, в электрических приборах, в машиностроении, при изготовлении пряжи и сельском хозяйстве [1-4].
Циануровая кислота представляет собой белое кристаллическое вещество, с температурой плавления (145-148) °С и температурой кипения 190 °С. Были зарегистрированы различные методы синтеза циануровой кислоты. Эти методы можно разделить на два типа. Один метод включает производство циануровой кислоты из мочевины в качестве исходного материала, а другой включает полимеризацию хлорциана или переработкой HCN и Cl в присутствии катализатора [5]. Из этих двух методов, использование мочевины является наиболее используемой, экономичной и удобной технологией, так как он дает возможность получать более качественные продукты с наилучшим выходом продукции. Кроме того, эту технологию проще мультиплицировать с целью увеличения объемов изготовления с использованием стандартных аппаратов химической промышленности.
Есть два способа получения циануровой кислоты из мочевины. Одним из них — нагрев мочевины при высокой температуре (≥ 250 °С) без растворителя, а другой тримеризации мочевины в растворителе, с катализатором или без него [6-9]. Первый способ имеет следующий недостаток: при переходе продукта реакции из твердой фазы в жидкую фазу и обратно в твердую фазу, он может быть агглютинироваться или затвердевать и прилипать к нагретой поверхности аппарата или теплообменника, в результате чего качество продукта снижается и может быть повреждено оборудование [4]. Также, полученный продукт не может быть использован непосредственно без последующей очистки в химическом производстве. Если сравнить первый способ со вторым, то последний является экологически более чистым, безопасным и дешевым, полученная продукция может быть использована непосредственно, без очистки, но этот способ имеет одно слабое место: при высокой точке кипения растворитель необходимо регенерировать после использования несколько раз, и некоторые из используемых потенциально дорогих растворителей, таких как сульфолан, тетраэтиленгликоль диметиловый эфир, бутилкарбитол и циклогексанол могут быть потеряны.
В нашем исследовании, процедура для тримеризации мочевины в растворителе получила дальнейшее развитие (Схема 1).
Схема 1
Мы попытались определить наиболее дешевый растворитель, такой как дизельное топливо или керосин для тримеризации мочевины и циануровая кислота была получена с использованием указанных растворителей имеющих высокую температурой кипения. В попытке улучшить выход продукции были проведены исследования влияний катализаторов на процесс при наших условиях эксперимента, мы получили результаты отличные от полученных Кавахара и Теджима [7], в их экспериментах циануровую кислоту получают путем нагревания мочевины в присутствии гидридов щелочных металлов, амидов щелочных металлов, а также солей щелочных металлов в органических растворителях. Например, мочевину обрабатывали NaH в тетраэтиленгликоле метилового эфира при 150 °С в течение 5 часов, что дало 99 % циануровой кислоты, тогда как без NaH было получено 0 % циануровой кислоты [7]. В нашем исследовании, выбранные нами катализаторы для реакции не улучшили намного выход продукции. Влияние температуры на результат также было тщательно изучено, и установленные оптимальные условия реакции были подтверждены в наших последующих широкомасштабных экспериментах.
Результаты и обсуждение
Учитывая, что тримеризации мочевины должно происходить при высокой температуре [11,12], при нагревании мочевины или биурета в инертном растворителе (сульфолан, 4-хлор-m-крезол, 3-метилсульфолан, эфир 2-метоксиэтила) и лучше при температуре выше 180 °C [11], наши первоначальные усилия были сосредоточены на растворителе, который будет использоваться. Первыми были испытаны три вида отдельных растворителей: керосин (растворитель со слабым запахом парафина, номер CAS64742-47-8, температура кипения ≈ (220-270) °С, дизель (светлое дизельное топливо, номер CAS 68334-30-5, температура кипения ≈ (250-400) °С, сульфолан, а также одна смесь растворителей — сульфолана и циклогексанола (табл. 1). Был получен хороший выход циануровой кислоты (88,7 % и 80,5 %, соответственно) при использовании керосина и дизеля при 180 °С (табл. 1).
Таблица 1
Вероятно, наиболее благоприятным условием для формирования циануровой кислоты является использование растворителя более низкой полярностью, таким образом, использование неполярных растворителей типа керосина и дизеля лучше, чем полярных растворителей типа сульфолана и циклогексанола. Керосин и дизель также недороги и, вероятно, могут быть подвергнуты переработке.
Далее мы исследовали влияние температуры реакции (табл. 2).
Таблица 2
Результаты экспериментов показывают, что высокий выход продукта (88,9 %) получают при 190 °С. Температуры от 180 °С до 210 °С дают различные выходы циануровой кислоты, но реакция завершается быстрее при 210 °С. Процесс, казалось бы, может быть ускорен при более высоких температурах, однако выход продукции в данном случае не увеличивался. При температуре реакции выше 210 °C, мочевина может быть потеряна, хотя реакция проводилась под вакуумом и выход продукции уменьшался. Чтобы подтвердить данный факт холодная ловушка была помещена между реактором и насосом, и мочевина белого цвета была обнаружена в ловушке. Было обнаружено интересное явление: в начале процесса реакции из-за присутствия нерастворенных исходных материалов раствор был мутный, но к середине реакции смесь постепенно становилась прозрачной и к окончанию реакции снова мутной снова в результате появления нерастворимых веществ.
Наше исследование показало незначительное изменение выхода продукции в присутствии протестированных каталитических частиц (табл. 3).
Таблица 3
Наибольший выход (82,4 %) был получен в присутствии (NH4)2SO4. Различные катализаторы привели к маленькому изменению выхода продукции. Этот результат, как видно, имеет отличие от условий, когда мочевина нагревается напрямую без растворителя, в этом случае многие виды солей могут ускорять реакцию и увеличивать выход циануровой кислоты. В наших экспериментах, когда циануровую кислоту получают в органическом растворителе, катализатор не способствует увеличению выхода циануровой кислоты или ускорению скорости протекания реакции. Возможно, соли способствовали расплавлению системы при более низкой температуре и облегчали реакцию циклизации мочевины в твердом состоянии без растворителя. Возможно есть другие причины для незначительного влияния тестируемых катализаторов на выход циануровой кислоты, поэтому этот вопрос нуждается в дальнейшем изучении.
Эксперимент
Общее
Все химические вещества имели градацию «реактивы» и использовались в том виде как были приобретены. 1H-NMR (300 MHz) и 13C-NMR (75 MHz) спектры регистрировались на спектрометре Bruker AC-P300 с использованием CDCl3[1] в качестве растворителя; TMS[2] соответствовал внутреннему стандарту. ИК-спектры были определены на приборе FTS-185 с использованием тонких плёнок. Все реакции проводили в предварительно высушенной стеклянной посуде (150 °C, 4 ч) охлаждённой в потоке сухого воздуха.
Синтез циануровой кислоты показан на схеме 1. Мочевина (20 г) с (или без) катализатора была добавлена к растворителю (40 мл) находящемуся в круглодонной колбе. Смесь перемешивали при 150 °С, помещали в вакуум (10 мм рт. ст.) и затем нагревали при (160-220) °C. Реакцию контролировали с помощью индикаторной бумаги рН для тестирования эмиссии NH3. После того когда индикаторная бумага рН больше не изменяла цвет реакцию считали завершенной. Реакционную смесь охлаждали до 80 °С, помещали в воду (15 мл) и перемешивали в течение 1 часа для осаждения продукта. Полученный сухой твердый продукт нагревали до 150 °С в течение 2 часов, чтобы удалить кристаллизационную воду и получить чистую циануровую кислоту. Структура продукта была подтверждена температурой плавления, инфракрасным, 1H-NMR и 13C-NMR спектрами.
Выводы
Установлено, что жидкофазный синтез циануровой кислоты из мочевины со стабильно высоким выходом по удобной и дешевой технологии можно осуществлять с использованием керосина в качестве растворителя.
Благодарности
Это исследование во время его проведения было поддержано Национальной научной и технологической программой в период реализации Одиннадцатого пятилетнего плана (проект №2006BAF07B03).
Ссылки и примечания
1. Patil, S.P.; Padmanabhan, D. A facile preparation of (2,4,6-14C)-cyanuric acid under solvent-free conditions. J. Label Compd. Radiophar. 2002, 45, 539–542.
2. Zeng,Y.F. The application of cyanuric acid in chemical industry. Fine Chem. Ind. 1987, 2, 42–47.
3. Onoda, H.; Takenaka, A. Influence of addition of urea and its related compounds on formation of various neodymium and cerium phosphates. Mater. Chem. Phys. 2003, 82, 194–198.
4. Qiu, Y.; Gao L. Blue-emitting cyanuric acid–melamine complexes from urea thermolysis. Mater. Res. Bull. 2005, 40,794–799.
5. Gerd, F.; Janna, G.; Klapotke, Thomas M.K.; Burkhard, K. Synthesis, properties and dimerization study of isocyanic acid. Z. Naturforsch. B Chem. Sci. 2002, 57, 19–24.
6. Chun, H.; Min, S.S.; Methods and devices for preparing biuret and cyanuric acid. CN Pat. 10117296, 2008.
7. Shinichi, K.; Takahiro T. Preparation of isocyanuric acid from urea. JP Pat. 04364173, 2008.
8. Arakelyan, A.A.; Meliksetyan, A.A. Improvement of the production of cyanuric acid. Khim. Prom. 1988, 7, 442.
9. Jakub, D.; Lubomir, H. Method of manufacturing cyanuric acid. PL Pat. 166711, 1995.
10. Ohata, Y.; Aihara, M. Method for producing cyanuric acid. US Pat. 39, 53443, 1976.
11. Sidner, B. Preparation of cyanuric acid. US Pat. 35, 63987, 1971.
12. Jie, Y.; Gongying, W. Preparation of biuret in solvent. Fine Chem. Ind. 1987, 2, 42–47.
В конце 1700-х годов в Германии произошел ряд вспышек болезни, которая, как казалось, была связана с употреблением некоторых сортов колбас. В 1817 году немецкий невролог Юстинус Кернер, исследуя эти случаи, обнаружил стержнеобразные клетки. В 1897 году бельгийский профессор биологии Эмиль ван Эрменгем опубликовал вывод об эндоспорообразующем организме, который он выделил из испорченной ветчины. Биологи классифицировали открытие ван Эрменгема вместе с другими известными грамотрицательными формирующими споры микроорганизмами в род Bacillus.
В 1924 году Ида А. Бенгсон отделила микроорганизмы ван Эрменгема от группы Bacillus и назначила их новому роду Clostridium. По классификации классификации Бенгтсон Clostridium содержал все анаэробные эндоспорообразующие стержнеобразные бактерии, за исключением рода Desulfotomaculum.
Антимикробная активность гипохлорита натрия зависит от pH раствора (рис.1). Видно, что наибольшую антимикробную активность гипохлорит натрия проявляет в том случае, когда рН раствора находится в диапазоне от 7,0 до 4,5 ед. рН.
Зависимость доли HOCl в растворе гипохлорита натрия от pH раствора
Рис.1
Параметры инактивации различных микроорганизмов, в зависимости от концентрации, pH, температуры раствора и экспозиции приведены далее…
В 1786 году французcкий химик Клод Луи Бертолле (1748-1822), через 13 лет после открытия хлора Карлом Шееле, пропуская этот газ через воду, продемонстрировал отбеливающий эффект полученных растворов. Построенное в 1778 году на берегах Сены небольшое химическое предприятие «Societe Javel», находившееся в предместье Парижа, которым в то время руководил Леонард Албан (Leonard Alban), адаптировало «бертолетов процесс» для промышленного производства отбеливающей жидкости. В создании «Societe Javel» участвовал младший брат короля Людовика XVI граф д’Артуа (1757-1836) и несколько дворян королевского двора. В 1787 году процесс был модифицирован, и вместо растворения хлора в воде с образованием очень активного, но, нестабильного раствора хлорноватистой кислоты, стали проводить реакцию пропуская хлор через раствор поташа (карбоната калия). Полученный раствор получил название «Eau de Javel». В 1820 году Антуан-Жермен Лабаррак (1777-1850) первым стал использовать раствор каустической соды, в результате получив водный раствор гипохлорита натрия, названный им «Eau de Labarraque». C конца девятнадцатого века гипохлорит натрия начинают активно использовать и как дезинфицирующее средство.
Гипохлорит натрия оказывает сильное деструктивное действие практически на все конструкционные материалы. Это обусловлено его окислительными свойствами. Способность гипохлорита натрия вызывать питтинговую коррозию нержавеющей стали надо учитывать при выборе как средств очистки, так и их концентраций рабочих растворов, которые используются для очистки оборудования и трубопроводов. Допустимые уровни активного хлора в рабочем растворе необходимо контролировать перед каждым использованием и величина этого показателя должна находится в пределах от 150 до 320 ppm. Но, по возможности, использование средств на основе гипохлоритов должно быть ограничено, т.к. потенциального вреда от использования таких средств больше, чем реальной пользы.
Вред и риски
На фотографиях, сделанных автором этой заметки на одном предприятии, видны результаты периодического (2-4 час/сут.) воздействия 5 % гипохлорита натрия при нормальной температуре на 2-х ммлист нержавеющей стали маркиaisi 304в течении 60 дней. За это время образовались не только питтинги, но сквозные дыры диаметром до 1,5 мм.
Доступные литературные данные позволяют предположить, что первым полученным дезинфектантом был хлор (Cl). Впервые он был описан в 1774 году Карлом Вильгельмом Шееле (1742-1786), шведским химиком и фармацевтом, который примерно в 1772 году первым выделил кислород, а в 1774 году – хлор. В своей книге «Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer» (1777) Шееле утверждал, что наша атмосфера состоит из двух газов, кислорода, который поддерживает горение и азота, который горение ингибирует – эта работа Шееле предшествовала открытию кислорода Джозефом Пристли на 2 года.
Шееле родился в городе Штральзунде в Померании (Северная Германия). В четырнадцать лет он поступил учеником к аптекарю в городе Гетеборг (Швеция). После окончания учебы, он переехал сначала в Мальмё, а затем в 1770 году в Уппсалу. Ему предлагали академические должности в Германии и Англии, но он выбрал работу в собственной аптеке в небольшой деревне Чёпинг располагавшейся на берегу озера Меларен к западу от Стокгольма.
Открытие хлора, названного так из-за его зеленовато-желтого цвета, по-гречески χλωρός – зелёный, наверное, наиболее важное открытие Шееле. С 1774 г. хлор признается наиболее эффективным и быстродействующим дезинфицирующим веществом уничтожающим широчайший спектр микроорганизмов. Другим важным открытием Шееле было обнаружение модификации некоторых солей серебра под действием света – через 50 лет этот эффект стал использоваться для изготовления фотоэмульсий.
