Способ обогащения воды кислородом посредством электролитического процесса, вода или напиток, обогащенные кислородом, и их применение - RU2492146C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к воде или напитку, обогащенным кислородом (O₂), способу их получения и применению.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Мировое потребление бутилированной воды постоянно увеличивается, причем потребители желают получать воду, обладающую хорошими органолептическими показателями и высоким качеством (присутствие минералов, отсутствие хлора и вредных веществ). Рынок воды и напитков, называемых функциональными, постоянно растет.

Быстрыми темпами растет потребление щелочной воды в Японии. Хотя приводимые научные доказательства являются пока слабыми, эта вода привлекает своим вкусом, способностью снижать повышенную кислотность некоторых телесных жидкостей (желудочного сока, крови), улучшать кулинарные свойства некоторых продуктов питания (чай, рис, хлеб). Эту воду чаще всего получают электролитическим способом, при котором применяют электролизеры с двумя электролитическими отделениями (одно для анода и другое для катода), разделенными мембраной. При этом способе воду при необходимости фильтруют через активированный уголь (для исключения частиц, остаточного хлора) без изменения ее минерального состава и затем подвергают электролизу, в результате которого получают два потока (основный и кислотный), из которых отбирают только основный (щелочную воду). Такие электролизеры выпускают, например, компании NICHIDEN и JAPAN CARLIT.

Однако научно обоснованных доказательств пользы применения такой щелочной воды не существовало.

Кроме того, интерес может представлять предложение потребителям воды/функциональных напитков, полезных для здоровья, в частности, для улучшения физической формы, повышения переносимости физических нагрузок и способности к физическому восстановлению.

Задачей настоящего изобретения является получение воды, обогащенной кислородом. Кислород необходим для функционирования тканей и органов, причем при физических нагрузках их потребность в кислороде повышается. В обогащенной кислородом воде кислород является биологически доступным, и его поглощение организмом было доказано авторами изобретения. Эта обогащенная кислородом вода позволяет значительно увеличить приток кислорода к тканям, улучшить физическую форму, выдерживать физическую нагрузку в течение более продолжительного периода, повысить переносимость нагрузки, способность к восстановлению организма и, наконец, предотвратить дегидратацию.

Вода, обогащенная кислородом, уже была заявлена в предшествующем уровне техники. Например, можно назвать заявку на патент США US 2006/0273043 и все заявки на патент США того же семейства, поданные Mr. Bagley. В этой заявке на патент США описан способ получения перенасыщенной кислородом структурированной щелочной воды, имеющей отрицательный окислительно-восстановительный потенциал. При этом способе воду сначала подвергают предварительной обработке с помощью последовательности фильтров (0,5-5-10 мкм), затем фильтруют через активированный уголь, обрабатывают УФ (ультрафиолетом) и O₃ (озоном), а затем подвергают структурированию посредством магнитной обработки. Эта предварительная обработка не изменяет минеральный состав воды, но применение озона может приводить к образованию опасных побочных продуктов (броматов). Затем воду подвергают электролизу для получения щелочной воды с отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом. Применяют электролизер с разделенными анодным и катодным отделениями. На этапе электролиза получают два потока (основный и кислотный), из которых отбирают только основный поток (кислотный (анодный) поток является побочным продуктом, который может применяться при изготовлении чистящих средств). Затем вводят кислород. Вводимый кислород получают с помощью воздушного компрессора, который питает генератор кислорода. Затем кислород перед введением очищают (уголь) и активируют посредством намагничивания (магниты). Дополнительно осуществляют введение кислорода медицинского качества.

Описанный способ предпочтительно включает в себя прохождение воды через коническую систему («cone system») для улучшения смеси вода/кислород и затем через змеевик («coil system»), который также позволяет получить однородную смесь воды и кислорода (при необходимости добавляют также озон). Такие системы приводят к слишком большим временным затратам, не позволяющим применять их в промышленном производстве. Кроме того, применение озона может приводить к образованию побочных продуктов. Следует также заметить, что этот способ приводит к значительным потерям воды, поскольку содержимое анодного отделения является побочным продуктом, не имеющим применения в той же области техники.

Таким образом, описанный способ позволяет получить воду, обогащенную кислородом, причем кислород, присутствующий в воде в результате введения, имеет отрицательный окислительно-восстановительный потенциал (приблизительно - 170 мВ, однако эталонный электрод не указан).

Другой способ получения воды, обогащенной кислородом, описан в международной заявке на патент WO 2006/023876. Более конкретно, эта заявка описывает способ и устройство для получения воды с повышенной растворимостью кислорода (ESW - от англ. «enhanced-solubility water»). Его принцип основан на электромагнитной обработке воды с помощью импульсов тока. После проведения испытаний, позволяющих оценить этот способ, представляется, что он неприемлем по следующим причинам:

- Формирование побочных продуктов под действием электролиза: броматов BrO₃^-, хлоратов ClO₃^-, хлора Cl₂, гипохлорита ClO^-, гипохлористой кислоты HClO, озона O₃, тригалометанов ТНМ (от англ. «trihalomethane»). Эти вещества являются строго регламентированными вследствие их токсичности или канцерогенности. Они систематически образуются при электролизе воды, так как ионы Cl^- и Br^- исходно присутствуют в воде до электролиза. Таким образом, эти вещества постоянно присутствуют в питьевой, поверхностной или родниковой воде, и очень слабых концентраций этих веществ, порядка мг/л для хлоридов и мкг/л для бромидов, достаточно для формирования неприемлемых уровней содержания побочных продуктов. Этот эффект может быть ослаблен в зависимости от типа применяемого электрода, но не может быть устранен. Таким образом, вода, полученная способом, описанным в этой заявке, не соответствует нормативным документам на бутилированную воду. Кроме того, при тех же испытаниях некоторые из хлорных побочных продуктов создавали неприятные запахи и привкусы, неприемлемые для потребителя.

- Одновременное образование O₂ и H₂. При электромагнитной обработке протекают реакции, приводящие к выделению O₂ на аноде и H₂ на катоде. Два этих газа образуются в стехиометрическом соотношении, допускающем осуществление экзотермической и взрывоопасной реакции: H₂+¹/₂O₂→H₂O (реакции, применяемой в топливных элементах). Для снижения риска авторы изобретения осуществляют удаление H₂ с помощью вытяжной трубы, расположенной на емкости «116» и соединенной с продувкой фильтрованным воздухом. Представляется затруднительным обеспечить полное удаление образованного водорода без потери значительной части O₂, образованного посредством электролиза. Таким образом, промышленное применение этой технологии может оказаться опасным из-за сосуществования в системе двух этих газов.

- Частичный захват O₂, образованного электролизом: давление и температура воды в емкости «116» составляют, соответственно, 2 бар (относительного давления) и 1°C. Для этих значений в результате продолжительного контакта воды с продувкой воздуха для удаления H₂, присутствующего в емкости, концентрация O₂, растворенного в воде в равновесном состоянии, составляет от 35 до 40 мг/л. Это равновесное значение получено по закону Генри и достигается независимо от действия электролиза. Или, в соответствии с тем же патентом, это соответствует значениям обогащения, полученным при продолжительности электролиза от 3 до 4 часов (от 28 до 35 мг/л растворенного O₂). При этих условиях, очевидно, что весь кислород, присутствующий в воде после обработки, не образован посредством электролиза, а является суммой O₂, перенесенного в эту емкость продувкой воздухом, и O₂, образованного электролизом.

- Стабильность O₂, растворенного в воде: заявлено, что эта стабильность превосходит стабильность, полученную посредством введения O₂, но разница не указана. Все наши сравнительные испытания показывают, что O₂, полученный посредством электролиза и O₂, полученный посредством введения, имеют одинаковую стабильность. Напротив, экспериментальная стабильность оказывается выше теоретической, поскольку уменьшение количества растворенного O₂ наблюдается в течение приблизительно 20 дней, а не нескольких часов, как это предполагает теория (см. Пример 2 на стабильность).

- Описанные клинические испытания не соответствуют принятой практике измерений (отсутствие контроля выдыхаемого газа; отсутствие количественного анализа молочной кислоты в плазме, позволяющего определить достижение испытуемым предела его физических возможностей). Таким образом, научная ценность, результаты и заключения этих испытаний находятся под вопросом.

- Оба описанных электрода, анод и катод, изготовлены из массивного (т.е. цельного, без полостей) титана с платиновым покрытием. Себестоимость таких электродов слишком высока для возможности их промышленного применения.

- Способ имеет низкую общую производительность: помимо значительных потерь O₂ (частично теряемого одновременно с H₂), способ требует рециркуляции продолжительностью от 3 до 4 часов до получения готового продукта.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, специалисты в данной области техники желают получить экономически целесообразный и пригодный для промышленного применения способ получения воды, обогащенной кислородом. В частности, авторы настоящего изобретения стремились разработать способ электролиза, позволяющий эффективно обогащать воду кислородом (O₂), при этом исключая формирование побочных продуктов, в частности, галогенированных побочных продуктов.

Первой задачей настоящего изобретения является создание способа обогащения воды кислородом посредством электролиза, включающего в себя следующие последовательные этапы:

a) электролиз минерализованной воды, освобожденной от ионов Cl^- и Br^-, в электролизере, содержащем анод и катод, разделенные газонепроницаемой мембраной, проницаемой для электрических зарядов;

b) получение воды, обогащенной кислородом, из анодного отделения электролизера;

c) обратное введение воды, вышедшей из катодного отделения электролизера и освобожденной от водорода, в воду, обогащенную кислородом, полученную на этапе (b);

d) упаковывание воды, полученной на этапе (c).

Под «кислородом» подразумевается кислород, непосредственно усваиваемый клетками, имеющий химическую формулу O₂.

Обогащение кислородом представляет собой добавление кислорода O₂ в воду, таким образом, чтобы количество растворенного кислорода составляло более 10 мг/л, предпочтительно более 50 мг/л, наиболее предпочтительно более 100 мг/л.

Под упаковыванием подразумевается вся система хранения и/или распределения воды, позволяющая, помимо прочего, сохранять свойства этой воды. Таким образом, упаковывание обеспечивает возможность потребления этой воды человеком.

Выражение «вода, освобожденная от ионов Cl^- и Br^-» означает, что вода содержит менее 0,2 мг/л хлорид-ионов и менее 3 мкг/л бромид-ионов.

Катод является электродом, на котором осуществляется восстановление, а анод является электродом, на котором осуществляется окисление.

Способ в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что в электролизере два электрода, катод и анод, разделены газонепроницаемой мембраной, проницаемой для электрических зарядов (в частности, катионов). Применение такой мембраны позволяет избежать всякого совместного существования водорода H₂ и кислорода O₂, создающего опасность взрыва.

Транспортировка ионов через мембрану определяется тремя принципами:

- влиянием электрического поля (установленного токогенератором);

- градиентом концентрации каждого из веществ по обе стороны мембраны;

- осмотическим давлением, вызывающим прохождение воды для разбавления наиболее концентрированной стороны.

Мембрана, применяемая в способе в соответствии с настоящим изобретением, позволяет удерживать кислород O₂ на стороне анода, а водород H₂ на стороне катода. В то же время, она обеспечивает транспортировку ионов из одного отделения в другое, в частности, транспортировку протонов H⁺. Предпочтительно применяемая мембрана является катионной мембраной, допускающей предпочтительное прохождение катионов. Она может пропускать все катионы или являться селективной для одновалентных катионов (через мембрану могут проходить только одновалентные катионы). Предпочтительно, применяемая мембрана допущена к применению в пищевой промышленности.

Можно применять любую (органическую) мембрану, обеспечивающую выполнение этой функции. Например, можно назвать мембрану под торговым наименованием Nation®, выпускаемую компанией DuPont de Nemours. Эта катионная мембрана представляет собой сополимер из сульфонированного тетрафторэтилена, во влажном состоянии обладающий высокой способностью к транспортировке протонов (H⁺) и при этом имеющий хорошее механическое и термическое сопротивление. Кроме того, она демонстрирует хорошее сопротивление окислению и некоторым химическим продуктам (хлор, натрий). Можно также назвать мембраны под торговым наименованием Neosepta®, выпускаемые компанией Tokuyama, в частности, мембраны Neosepta® гаммы СМХ, например, CMX-Sb и CMX-S. Мембраны Neosepta® гаммы СМХ представляют собой симметричные, неориентированные катионные мембраны на основе сополимера стирена и дивинилбензола. Мембрана Neosepta® гаммы CMX-Sb является плотной стандартной катион-неселективной мембраной, допущенной к применению в пищевой промышленности и значительно менее дорогой, чем мембрана Nation. Мембрана Neosepta® CMX-S является селективной к одновалентным катионам мембраной, допущенной к применению в пищевой промышленности в Европе; вопрос о применении в пищевой промышленности США находится на рассмотрении.

Растворимость газа в воде может быть определена по закону Генри. В соответствии с этим законом при постоянной температуре и насыщении количество газа, растворенного в жидкости, прямо пропорционально давлению, производимому этим газом на жидкость. Например, в одном литре воды при парциальном давлении кислорода 1 бар при температуре 0°C может быть растворено 49,1 мл O₂, а при температуре 50°C может быть растворено только 20,9 мл O₂.

По этой причине предпочтительно, чтобы вода, подвергающаяся электролизу, имела температуру, позволяющую обеспечить удержание кислорода O₂, образовавшегося в воде. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, воду, освобожденную от ионов Cl^- и Br^-, охлаждают до температуры от 1 до 10°C, прежде чем под давлением (предпочтительно составляющим 6·10⁵ Па) направить в электролизер. На этапе электролиза предпочтительно поддерживают температуру воды от 1 до 10°C.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения входящий поток воды разделяют на две ветви с одинаковым расходом, каждая из которых проходит через одно из двух отделений, анодное или катодное. Эти два отделения разделены органической газонепроницаемой мембраной, проницаемой для электрических зарядов, как описано выше. В зависимости от типа электролизера, может быть целесообразным осуществлять рециркуляцию в каждом из отделений. Такая рециркуляция может обеспечить регулирование температуры с помощью теплообменника, а также автоматическое регулирование прикладываемой электрической мощности в зависимости от желаемого уровня содержания кислорода. Электролиз обеспечивает обогащение кислородом анодного потока и образование водорода в катодном потоке. Образовавшийся водород удаляют по мере его образования с помощью мембранного модуля из полого волокна, действующего в частичном вакууме, предпочтительно с продувкой азотом. В этом мембранном модуле из полого волокна применяют водонепроницаемые мембраны, проницаемые для газа. Применение этого модуля позволяет удалять растворенный водород. На выходе из блока электролиза две ветви вновь соединяются, образуя смесь с нейтральным pH, обогащенную кислородом O₂ и освобожденную от H₂ (автонейтрализация). Автонейтрализация представляет собой добавление воды, вышедшей из катодного отделения, из которой был извлечен растворенный водород, к воде, вышедшей из анодного отделения, предпочтительно в соотношении 1:1.

Быстрая рециркуляция с каждой стороны мембраны приводит к оптимизации эффективности получения газа / использования поверхности электрода. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления способа для каждой ветви находят рециркуляционный контур, расход которого от 2 до 20 раз превышает номинальный расход установки, что позволяет улучшить гидравлические показатели в электролизере: улучшение смеси воды и газа (турбулентный поток), удаление пограничного слоя газа, который может формироваться на поверхности электрода. Рециркулирующая вода на входе в электролизер смешивается с водой, еще не прошедшей этап электролиза. Однако эта циркуляция является необязательной. Более предпочтительным является целенаправленное создание условий давления и температуры, позволяющих избежать формирования газовых пробок. В таком случае рециркуляция становится ненужной.

На этапе электролиза поддерживают давление, составляющее 6·10⁵ Па. Установленная потеря давления предпочтительно составляет менее 1·10⁵ Па.

Общий расход воды на входе и выходе электролизера предпочтительно варьируется от 10 до 50 л/час. Рециркуляционный расход может составлять 120 л/час.

Способ в соответствии с настоящим изобретением не требует, чтобы оба электрода (анод и катод) были изготовлены из массивного титана с платиновым покрытием. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения только анод является электродом из массивного титана с платиновым покрытием. Катод может являться обычным катодом из нержавеющей стали, что значительно снижает общую стоимость способа (полученная экономия составляет приблизительно 20% от общей стоимости установки). К тому же, преимущество электрода из нержавеющей стали состоит в том, что его можно применять в пищевой промышленности (в отличие от других электродов).

Давление воды на входе анода и катода регулируют; его необходимо уравновесить во избежание деформации газонепроницаемой мембраны в электролизере. Вода циркулирует между двумя электродами по обе стороны мембраны. Электроды подвергают воздействию электрического тока, который генерирует источник питания постоянного тока заданной силы (от 10 до 35 А). Результирующее напряжение зависит от проводимости воды (температура, природа и количество минеральных солей: подвижность, заряды), от расстояния между двумя электродами и от типа применяемой мембраны. В рассматриваемых испытаниях напряжение варьируется от 8 до 45 B.

Применение воды, освобожденной от ионов Cl^- и Br^-, исключает образование галогенированных веществ (в частности, хлорированных и бромированных) и других побочных продуктов электролиза. Таким образом, способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет получить воду, обогащенную кислородом, свободную от нежелательных веществ (обычно образующихся при электролизе воды (питьевой, поверхностной, родниковой), не прошедшей предварительную обработку), в частности, броматов BrO₃^-, хлоратов ClO₃^-, хлора Cl₂, гипохлорита ClO^-, гипохлористой кислоты HClO, озона O₃ и тригалометанов. Среди галогенированных веществ, хотя они встречаются в воде значительно реже, следует также избегать присутствия йодид-ионов I^-, чтобы полностью исключить образование таких побочных продуктов, как йод I₂ или йодаты IO₃^-.

Однако для осуществления электролиза вода, освобожденная от ионов Cl^- и Br^-, должна содержать растворенные соли (именно растворенные соли являются носителями электрических зарядов и, таким образом, позволяют осуществить электролиз).

Вода, освобожденная от ионов Cl^- и Br^-, предпочтительно является водой, прошедшей этап деминерализации с целью удаления ионов Cl^- и Br^-, а затем этап реминерализации (добавление чистых солей). Элементами, особенно значимыми на этапе деминерализации, являются хлориды и бромиды, из которых в процессе анодного окисления образуются хлорные и бромные окислители. Базовая вода может являться родниковой, грунтовой или поверхностной водой, в том числе водопроводной.

Перед этапом деминерализации вода может быть подвергнута одной или нескольким умягчающим обработкам посредством прохождения через ионообменную смолу для удаления солей жесткости (кальций и магний) и дехлорированию (при необходимости) посредством прохождения через патрон с активированным углем.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения на этапе (a) применяют реминерализованный пермеат, полученный после этапа (a1) обратного осмоса воды и затем этапа (a2) реминерализации. Таким образом, способ в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно содержит предварительный этап (a1) обработки воды посредством обратного осмоса, таким образом, чтобы получить пермеат, освобожденный от ионов Cl^- и Br^-; затем предварительный этап (a2), следующий за этапом (a1), реминерализации пермеата, полученного на этапе (a1), причем этап a), таким образом, осуществляют с этим реминерализованным пермеатом.

Обратный осмос является способом отделения жидкой фазы посредством прохождения через полуселективные мембраны под действием градиента давления. Течение осуществляется непрерывно тангенциально по отношению к мембране. Часть воды, подлежащая обработке, разделяется мембраной на две части с различной концентрацией:

- одна часть проходит через мембрану (пермеат (фильтрат, который образуется при обратном осмосе); вода, освобожденная от ионов Cl^- и Br^-);

- другая часть не проходит через мембрану (ретентат) и содержит молекулы или частицы, удержанные мембраной, а именно практически все минералы, в частности ионы Cl^- и Br^-.

Размеры модуля обратного осмоса должны соответствовать признанным техническим правилам в зависимости от характеристик неочищенной воды. Обратному осмосу может предшествовать предварительная обработка (фильтрации, стерилизация, деконтаминация), позволяющая оптимизировать его осуществление.

Предпочтительно проводимость полученного пермеата составляет менее 10 мкС/см (микро-Сименс/см). Таким образом, эта деминерализованная вода является очень чистой. Максимальные уровни содержания хлоридов и бромидов составляют, соответственно, 0,2 мг/л и 3 мкг/л.

Фазу деминерализации можно также осуществить с помощью более старой технологии, чем обратный осмос. Среди таких технологий можно отметить дистилляцию или прохождение воды через ионообменные смолы. Технологией, пригодной для осуществления деминерализации, является также электродиализ.

Этап реминерализации (пермеата) позволяет осуществить реакцию электролиза. Речь идет о добавлении пищевых минеральных солей, освобожденных от хлорида и бромида.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения желаемая проводимость варьируется от 200 до 1000 мкС/см, в зависимости от желаемой минерализации готового продукта. В качестве примеров пригодных солей можно назвать, в частности, следующие: NaHCO₃, Na₂SO₄, Na₃PO₄, Na₂HPO₄, NaH₂PO₄, KHCO₃, K₃PO₄, K₂HPO₄, KH₂PO₄, K₂SO₄, MgSO₄, CaSO₄, Ca(H₂PO₄)₂, CaHPO₄, Са₅(PO₄)₃ОН. Крайне важно исключить смешивание солей, содержащих бикарбонаты, с солями кальция или магния во избежание осаждения карбонатов кальция или магния в катодном отделении в результате повышения pH. В частности, добавляют пищевые соли Na₂SO₄ и Na₃PO₄, 12 H₂O. При необходимости pH воды можно изменять посредством применения соединений, хорошо известных специалистам в данной области техники, в частности, посредством добавления сильной кислоты или углекислого газа. В частности, можно довести pH воды до pH 7.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения можно повысить желаемую проводимость до значений, превышающих 1000 мкС/см, таким образом, чтобы оптимизировать эффективность электролитического получения кислорода. В соответствии с предположением о том, что проводимость готового напитка ниже, чем проводимость воды, проходящей через электролизер, можно понизить эту проводимость посредством последующего разведения деминерализованной водой.

Разделение двух электродов мембраной обеспечивает три важных изменения обработанной воды:

- изменение pH по обе стороны мембраны (окисление анодной стороны и ощелачивание катодной стороны);

- миграция ионов через мембрану; таким образом, может быть изменена ионная композиция анодной и катодной сторон;

- потери воды из-за трудности применения в качестве сырья содержимого катодной стороны, имеющего высокий pH и насыщенного H₂.

Таким образом, в способе в соответствии с настоящим изобретением предпочтительным является обратное введение в оксигенированную воду, полученную на этапе (b), воды из катодного отделения электролизера, освобожденной от водорода. Таким образом, способ в соответствии с изобретением предпочтительно включает в себя дополнительный этап (c) обратного введения воды из катодного отделения электролизера, освобожденной от водорода, в воду, обогащенную кислородом, полученную на этапе (b). Дополнительный этап (c) позволяет осуществить автонейтрализацию вслед за этапом электролиза. После электролиза образовавшийся в катодной ветви водород удаляют по мере его образования, например, с помощью мембранного модуля из полого волокна, в котором поддерживают частичный вакуум предпочтительно с продувкой азотом. На выходе из блока электролиза две ветви (анодная и катодная, освобожденная от водорода) воссоединяются, образуя смесь с нейтральным pH, обогащенную O₂ и освобожденную от H₂. Такая автонейтрализация позволяет исключить потери воды и ионные потери, вызванные миграцией ионов по обе стороны мембраны, и, таким образом, контролировать минеральный состав полученной воды. Дополнительный этап (c) позволяет также уравновесить давление по обе стороны мембраны, разделяющей два отделения - анодное и катодное. Автоматическое уравновешивание давления увеличивает срок службы мембраны, устраняя деформации, связанные с разницей давлений с двух сторон.

Если речь идет о напитке, кислом по природе (pH<3), кислотность на аноде не является проблемой. Тем не менее, автонейтрализация упрощает способ, поскольку позволяет использовать весь поток воды, входящий в модуль.

Способ в соответствии с настоящим изобретением также может включать в себя дополнительный этап (a3) дегазации воды, предшествующий этапу (a) электролиза и при необходимости следующий за этапом (a2). Таким образом, кислород, растворенный в воде в соответствии со способом, является кислородом, полученным исключительно посредством электролиза.

Способ может включать в себя последний этап, состоящий в дополнении, при необходимости, состава воды, обогащенной кислородом, посредством добавления в нее ингредиентов, которые нельзя подвергать реакции электролиза из-за опасности необратимой деградации. Речь может идти о минеральных солях, в том числе формах хлоридов, или об органических соединениях, необязательно в форме солей, например, обычных ингредиентах напитков: сахарах, подсластителях, ароматизаторах, кислотах, консервантах, витаминах, растительных экстрактах, соках, белках, волокнах.

Таким образом, способ предпочтительно включает в себя последующий этап (e) получения готового состава, включающий в себя добавление к воде, обогащенной кислородом посредством электролиза, минералов и других обычных ингредиентов напитка. Такая вода может быть дополнена витаминами, минеральными или органическими солями, белками, растительными экстрактами и любыми другими натуральными или синтетическими соединениями, совместимыми с O₂. Таким образом получают напиток. На этапе (d) можно вводить ретентат обратного осмоса, полученный на этапе (а1), в обогащенную кислородом воду, полученную на этапе (b) или (c). Этот этап позволяет сохранить минеральный состав исходной воды. Это предполагает, что оборудование для осмоса сконструировано таким образом, который обеспечивает такое повторное использование ретентата, и что в воду для упрощения ее фильтрации обратным осмосом не вводят какой-либо химический продукт (хелатного типа).

Полученные таким образом воду или напиток затем предпочтительно упаковывают. Перед упаковыванием вода или напиток могут проходить этап стерилизации (например, ультрафиолетовым облучением). После получения готового продукта воду или напиток, обогащенные кислородом, предпочтительно хранят под давлением при температуре от 5 до 10°C для минимизации потерь кислорода при розливе напитка. Присутствие кислорода придает готовому продукту свойства газированного продукта. Его розлив (бутилирование) предпочтительно предъявляет те же требования: изобарометрическая разливочная машина и специальная упаковка - бутылка из полиэтилентерефталата (ПЭТ), обладающего барьерными свойствами по отношению к газам (например, многослойный ПЭТ или ПЭТ со специальным покрытием), емкость из стекла или типа алюминиевой бутылки.

На фиг.1 и 2 представлен способ в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения. Подлежащую обработке воду А (городскую водопроводную воду, поверхностную воду, родниковую воду, минеральную воду) подвергают деминерализации обратным осмосом (1). Перед этим она может пройти предварительную обработку (0), например, фильтрацию и/или стерилизацию, и/или деконтаминацию. На выходе из модуля обратного осмоса пермеат А1, воду, освобожденную от хлорид-ионов и бромид-ионов, отбирают и затем реминерализуют (2) посредством добавления солей (NaHCO₃, Na₂SO₄, Na₃PO₄, Na₂HPO₄, NaH₂PO₄, KHCO₃, K₃PO₄, K₂HPO₄, KH₂PO₄, K₂SO₄, MgSO₄, CaSO₄, Са(H₂PO₄)₂, CaHPO₄, Са₅(PO₄)₃ОН). Реминерализованную воду А2, по-прежнему освобожденную от хлорид-ионов и бромид-ионов, переносят к электролизеру (3). Предварительно она может пройти этап удаления газа (в частности, кислорода). Перед входом в электролизер воду А2 или А'2 разделяют на две ветви, одна из которых направлена к анодному отделению (соединенному с положительным полюсом генератора) (3b), а другая направлена к катодному отделению (соединенному с отрицательным полюсом генератора) (3а). Растворенный водород, содержащийся в ветви С, выходящей из катодного отделения, удаляют. Анодная ветвь (A3) и катодная дегидрогенированная (С') соединяются (автонейтрализация, А4). В электролизере могут быть предусмотрены рециркуляционные контуры (обратное введение части анодной (A3) и катодной-дегидрогенированной (С') ветвей перед электролизером, но после разделения на две ветви). Затем, вода А4, обогащенная кислородом, проходит этап (4) получения воды, то есть добавления всех ингредиентов, необходимых для получения воды или напитка и, в частности, ингредиентов, которые нельзя подвергать электролизу. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения ретентат В, полученный на этапе обратного осмоса, вводят обратно в воду А4 на этапе (4) получения. Затем, воду или напиток А5 упаковывают (5), в частности, посредством розлива.

Следует заметить, что способ может быть осуществлен поточно и не требует применения резервуара.

Все применяемые устройства и элементы, в частности, мембраны и электроды, допущены к применению в пищевой промышленности.

Способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет получить воду, в частности, обогащенную кислородом (кислород O₂, растворенный в воде, является прямым продуктом электролиза). Таким образом, способ в соответствии с изобретением может предпочтительно отличаться тем, что вода, полученная на этапах (b), (c) и (d), содержит, по меньшей мере, 100 мг/л растворенного кислорода при температуре от 5 до 10°C и давлении 6·10⁵ Па. Предпочтительно после этапа (с) автонейтрализации полученная вода содержит 150 мг/л растворенного O₂ при температуре от 5 до 10°C и давлении 6·10⁵ Па.

Способ обеспечивает непрерывное, а не периодическое, получение воды, обогащенной кислородом, без потерь воды.

После получения готового продукта полученные воду или напиток, обогащенные кислородом, предпочтительно хранят под давлением при температуре от 5 до 10°C для минимизации потерь кислорода при розливе напитка.

Авторы изобретения установили, что через 3 часа после открытия бутылки (или упаковки) воды или напитка, обогащенных кислородом, уровень содержания O₂, растворенного в воде или напитке, составляет 90% или более от исходного уровня содержания до открытия. Такая превосходная стабильность наблюдается для воды или напитка, обогащенных кислородом, как посредством введения O₂, так и способом в соответствии с настоящим изобретением (электролизом). Это делает очевидным сходное поведение кислорода при обоих способах обогащения (введении или электролизе).

При нормальном потреблении этой воды или напитков, т.е. в течение 3 часов после открытия бутылки, рассматриваемая потеря кислорода составляет менее 10% от исходного значения до открытия. Для полной десорбции перенасыщающего кислорода требуется несколько дней, 23 дня в соответствии с Примером 2.

Вода или напиток в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно содержат до открытия, или при открытии бутылки или упаковки, по меньшей мере, 100 мг/л растворенного кислорода. Предпочтительно вода в соответствии с настоящим изобретением содержит в продажной упаковке, по меньшей мере, 100 мг/л растворенного O₂, и даже, по меньшей мере, 110 мг/л растворенного O₂, при внутреннем давлении, варьирующемся от 1,5·10⁵ до 2,5·10⁵Па (1,8·10⁵ Па), и при температуре окружающей среды.

Окислительно-восстановительный потенциал не изменяется в рамках способа электролиза в соответствии с настоящим изобретением, поскольку два отделения (анодное и катодное) смешиваются после удаления водорода на выходе из электролизера. Это значит, что окислительно-восстановительный потенциал при способе введения O₂ и при способе электролиза, разработанном авторами изобретения, отличается незначительно.

Настоящее изобретение также относится к воде или напитку, обогащенным кислородом, которые могут быть получены способом в соответствии с настоящим изобретением и в которых растворенный кислород является доступным для митохондрий в клетках и может использоваться ими. Растворенный кислород, который может быть получен способом в соответствии с изобретением, позволяет повысить скорость митохондриального дыхания, даже если уровень содержания кислорода достиг равновесной концентрации (атмосферное pO₂), т.е. 10 мг/л. В частности, при ограничивающей концентрации кислорода вода или напиток в соответствии с настоящим изобретением позволяют поддерживать более высокую скорость потребления кислорода и, таким образом, более высокое производство энергии в виде АТФ (аденозинтрифосфат), чем наблюдаемые при применении другой воды (обычной воды или воды, обогащенной кислородом посредством введения), при той же концентрации O₂ (даже при 10 мкмоль/л = 0,32 мг/л).

При исследовании in vitro наличия перекиси водорода в митохондриях (см. Пример 3) авторы изобретения в действительности доказали, что мышечные митохондрии способны использовать кислородный комплекс, присутствующий в обогащенной воде.

Вода или напиток, обогащенные кислородом, полученные способом в соответствии с настоящим изобретением, являются доступными для митохондрии. Интересно, что авторы изобретения установили, что, когда кислород в растворе становится фактором, ограничивающим функционирование митохондрии, скорость митохондриального дыхания, измеренная при функционировании только одного акцептора кислорода (комплекс IV), является более высокой при применении воды в соответствии с изобретением, то есть воды, обогащенной кислородом посредством электролиза, по сравнению с контрольным образцом воды (обычная вода или вода, обогащенная кислородом посредством введения). Этот результат наводит на мысль о том, что кислород, растворенный в этой форме, является более доступным для митохондрии, что позволяет им поддерживать более высокую скорость потребления кислорода и, следовательно, более высокое производство энергии при ограничивающей концентрации кислорода.

Вода или напиток, обогащенные кислородом, которые могут быть получены способом в соответствии с настоящим изобретением, отличаются также тем, что они позволяют увеличить производство митохондриями энергии в форме АТФ при интенсивных физических нагрузках или когда приток кислорода становится ограничивающим, как у больных артериитами.

Вода или напиток, обогащенные кислородом, которые могут быть получены способом в соответствии с настоящим изобретением, отличаются также тем, что они позволяют увеличить приток O₂ к тканям и органам. Они также позволяют повысить гидратирующую способность воды посредством увеличения ее поглощения и прохождения во внутрисосудистое пространство.

Таким образом, настоящее изобретение также относится к воде или напитку, обогащенным кислородом, которые могут быть получены способом в соответствии с изобретением, отличающимся тем, что они позволяют повысить поглощение и/или удержание воды организмом и упростить/улучшить гидратацию, и/или предотвратить дегидратацию.

При исследовании, проведенном in vivo на свиньях (см. Пример 4), авторы изобретения действительно доказали, что вода, обогащенная кислородом, если она получена способом в соответствии с настоящим изобретением, позволяет увеличить артерио-венозную разницу по O₂.

Артерио-венозная разница по О₂ соответствует разнице между концентрациями O₂ в артериальной и венозной крови, она показывает количество O₂, потребленное тканями, и находится в прямой зависимости от интенсивности окислительного обмена. Если мышца потребляет большое количество O₂, повышается артерио-венозная разница в этой мышце.

Кроме того, при этом исследовании, авторы изобретения также доказали, что вода, обогащенная кислородом способом в соответствии с изобретением, приводит к повышению тканевого парциального давления кислорода, измеренного в коже. Таким образом, вода, обогащенная кислородом способом в соответствии с изобретением, приводит к увеличению притока O₂ к коже.

Потребление O₂ (потребляемый объем O₂ измеряют в л·мин^-1кг^-1) повышается с увеличением физической нагрузки и варьируется в зависимости от возраста, пола и физиологического состояния испытуемого. При физической нагрузке нагруженные органы потребляют больше O₂, чем в состоянии покоя. После нагрузки организм продолжает потреблять больше O₂, чем в состоянии покоя, до достижения равновесного состояния; этот механизм называют «кислородной задолженностью».

Таким образом, вода и напиток, обогащенные кислородом, в соответствии с настоящим изобретением, позволяют улучшить физические показатели человека (или животного).

Изобретение также относится к энергетическому напитку, содержащему воду или напиток, обогащенные кислородом, в соответствии с настоящим изобретением.

Этот напиток может содержать помимо воды в соответствии с изобретением все элементы, обычно добавляемые в напиток, например, сахар, подсластители, ароматизаторы, кислоты, консерванты. В этот напиток могут также входить витамины, минеральные соли, органические соли, соки, белки, растительные экстракты, волокна и любые другие натуральные или синтетические соединения, совместимые с водой.

Напиток или воду в соответствии с изобретением можно, в частности, применять для энергетической поддержки, активизирующей поддержки и/или для помощи в восстановлении здоровья и физической формы, для улучшения физических показателей, повышения переносимости нагрузки и/или способности выдерживать нагрузку в течение более продолжительного периода. Таким образом, напиток или вода в соответствии с изобретением, в частности, предназначены для спортсменов - любителей и профессионалов. Их можно применять при занятиях спортом в закрытых помещениях (в частности, фитнесом) или любым спортом, требующим физической выносливости, для улучшения результатов и/или обеспечения способности выдерживать нагрузку в течение более продолжительного периода, и/или улучшения переносимости нагрузки, и/или помощи в восстановлении.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На фиг.1 представлена схема способа в соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2 представлена схема способа в соответствии с более полным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.3 представлена схема электролизера.

На фиг.4 представлена десорбция кислорода в зависимости от времени, прошедшего после открытия бутылки, содержащей воду, обогащенную кислородом способом электролиза воды в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.5 представлена десорбция кислорода в зависимости от времени, прошедшего после открытия бутылки, содержащей воду, обогащенную кислородом посредством введения чистого кислорода.

На фиг.6А представлено максимальное митохондриальное дыхание (объем V в мкмоль O₂/мин/г в пересчете на сухую массу) в зависимости от концентрации кислорода (выраженной в мкМ O₂), активирующей комплекс дыхательной цепи (n=6).

На фиг.6 В представлено максимальное митохондриальное дыхание (объем V в мкмоль O₂/мин/г в пересчете на сухую массу) в зависимости от концентрации кислорода (выраженной в мкМ O₂), активирующей только комплекс IV дыхательной цепи митохондрий (n=6).

На фиг.7 представлено изменение артерио-венозной разницы по кислороду (АВР O₂) в трех группах: контрольной, электролиза и введения.

На фиг.8A представлены относительные изменения объема циркулирующей плазмы в трех группах (электролиза, контрольной и введения) с анализом относительных изменений уровней содержания гемоглобина и гематокрита (в процентах).

На фиг.8B представлены относительные изменения объема циркулирующей плазмы в трех группах (электролиза, контрольной и введения), определенные по осмолярности (в ммоль·кг^-1).

На фиг.9 представлено изменение in vivo у свиней показателей транскутанного парциального давления кислорода (ТС PO₂ - от англ. «transcutaneous partial pressure of oxygen») в трех группах (контрольной, электролиза, введения).

Приведенные ниже примеры, иллюстрирующие настоящее изобретение, не являются ограничивающими.

ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример 1: Способ получения воды, обогащенной кислородом

(а1) Деминерализация

Этап деминерализации включает действие нескольких выполняющих отдельных операции модулей, объединенных в одно целое.

- Охлаждение питьевой воды из водопровода с помощью пластинчатого теплообменника с замороженной водой.

Разница температур составляет приблизительно -10°C.

- Насос высокого давления.

- Станция умягчения воды, состоящая из двух умягчителей и двух солевых баков.

- Станция фильтрации:

1 фильтр грубой очистки 100 мкм;

3 фильтра с активированным углем для дехлорирования и одновременного снижения содержания органических веществ;

3 фильтра 1 мкм для окончательной фильтрации.

- 1 многокамерный насос из нержавеющей стали 316L на входе в осмотический фильтр.

- 1 станция обратного осмоса:

5 корпусов высокого давления, оснащенных 4-дюймовыми мембранами (например, мембранами, имеющимися в продаже под торговым наименованием BWLE 4040).

Осмотический фильтр оборудован игольчатыми вентилями для регулирования расхода удаляемого и рециркуляционного потоков, манометрами на входе/выходе и кондуктометром на пермеате.

- 1 станция стерилизации (UVc (ультрафиолет С), доза Uvc 60 мДж/см² для расхода, составляющего 2,5 м³/час).

Затем полученную таким образом деминерализованную воду направляют через циркуляционный контур к резервуару с регулируемой температурой объемом 3,5 м³.

(а2) Реминерализация

Были испытаны различные соли, по отдельности или в смеси. Пищевые соли, выбранные для реминерализации очищенной воды, включают в себя следующие соли:

- Динатрий сульфат, или Na₂SO₄; европейский код Е514;

-Тринатрий фосфат, или Na₃PO₄, 12 Н₂О; европейский код Е339.

После добавления солей pH реминерализованной воды составляло от 10,6 до 10,7. Нейтрализацию до pH 7 осуществляли посредством добавления пищевой ортофосфорной кислоты (85% extrapur; европейский код Е338).

Результаты анализов воды, осуществленных на разных стадиях способа, приведены ниже в таблице 1.

Тип бутылки: стекло

Объем: 500 мл

(а) Электролиз

*Оборудование

- Буферный резервуар 3,5 м³.

- Центробежный насос.

- Водяной охладитель.

- Пластинчатый теплообменник.

- Контакторы с мембранами из полого волокна.

- Модуль электродиализа, оборудованный анодом из титана с платиновым покрытием, катодом из нержавеющей стали 304 и мембраной, проницаемой для электрических зарядов, для катионов и непроницаемой для газа, типа CMX-Sb (гамма Neosepta, производитель Tokuyama).

- Многопараметровый анализатор растворенного кислорода + зонд (O₂).

- Многопараметровый анализатор растворенного газа: O₂, O₃, H₂ + специальные зонды (O₃) и (H₂).

- Стерилизатор УФ-С 254 нм (номинальный расход: 0,75 м³/час).

- Изобарометрическая разливочная система, состоящая из выдерживающего давление резервуара-хранилища с температурой, регулируемой через двойной кожух, и изобарометрической разливочной машины.

- Газовый фильтр 0,2 мкм.

* Порядок выполнения работы

Реминерализованную воду направляют к насосу, обеспечивающему давление подачи 6·10⁵ Па на входе в блок электролиза. Чтобы ограничить нагрев воды, вызванный насосом, воду затем охлаждают, пропуская через пластинчатый теплообменник в противотоке с контуром охладителя, что позволяет поддерживать температуру воды от 4 до 8°C.

Игольчатый вентиль обеспечивает тонкую регулировку давления подачи в блок электродиализа на уровне приблизительно 6·10⁵.

Затем удаляют остаточные растворенные газы с помощью двух последовательных мембранных контакторов посредством создания частичного вакуума (0,045·10⁵ Па) с помощью водоструйного насоса. Место отбора проб, соединенное с анализатором, оснащенным кислородным зондом, позволяет измерить остаточный кислород. Содержание остаточного растворенного кислорода составляет менее 1 мг/л при максимальном расходе воды 50 л/час. При расходе воды свыше этого значения деаэрационная способность мини-модулей не позволяет получить таких низких значений содержания растворенного кислорода.

Контур циркуляции воды разделяется на две ветви для питания катода и анода электролизера. Расход воды вход/выход варьируется от 10 до 50 л/час для обеих ветвей (анод + катод). Давление воды на входе анода и катода регулируют; их необходимо уравновесить во избежание деформации газопроницаемой мембраны в электролизере.

Вода циркулирует между двумя электродами по обе стороны мембраны. Электроды подвергают воздействию электрического тока, который генерирует источник постоянного тока заданной силы (от 10 до 35 А). В рассматриваемых испытаниях напряжение варьируется от 8 до 45 В.

На выходе катода контактор с мембранами из полого волокна позволяет удалить водород, произведенный в результате реакции электролиза. Этот контактор работает при частичном вакууме - 0,8·10⁵ Па и легкой продувке азотом. Он обеспечивает 10-кратное снижение содержания растворенного водорода (с 2,5 мг/л до 0,2 мг/л). Извлеченный водород отводят и обрабатывают для исключения взрывоопасности.

На каждой из ветвей находится рециркуляционный контур, обеспечивающий улучшение гидравлических показателей в электролизере: улучшенное смешивание воды и газа (турбулентный поток), удаление пограничного слоя газа, который может формироваться на поверхности анода. Шестеренчатый насос обеспечивает рециркуляцию, регулируемую расходомером. Рециркуляционный расход составляет приблизительно 120 л/час. Такая рециркуляция не является обязательной. Более предпочтительным является целенаправленное создание условий давления и температуры, позволяющих избежать формирования газовых пробок. В таком случае, рециркуляция становится ненужной. Воду смешивают с реминерализованной водой, еще не прошедшей этап электролиза, на входе в электролизер. Принимая во внимание давление на входе в систему, рециркуляционные контуры обеспечивают обратными клапанами. Помимо улучшения гидравлических показателей, контур также обеспечивает повышенное обогащение кислородом.

Выходной расход (исключая рециркуляцию) измеряют с помощью расходомеров, и его можно регулировать с помощью игольчатых вентилей. Давление в каждой из ветвей также измеряют с помощью стрелочных манометров для оценки потери давления в электролизере. Давление в каждой из ветвей составляет 6·10⁵ Па; потеря давления составляет менее 1·10⁵ Па.

Затем две ветви, анодную и катодную, вновь смешивают, что обеспечивает четыре преимущества:

- автонейтрализацию между ионами H⁺и OH^-, полученными соответственно на аноде и катоде. Таким образом, результирующий рН является нейтральным;

- исключение возможных изменений минерального состава, связанных с переносом ионов по обе стороны мембраны;

- восстановление исходного количества воды, обеспечивающее превосходную производительность;

- автоматическое уравновешивание давления по обе стороны мембраны, предотвращающее усталость мембраны и повышающее ее срок службы.

В действительности, с каждой стороны мембраны происходит следующая окислительно-восстановительная реакция:

- Окисление на аноде (соединенном с положительным полюсом генератора): 2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-

- Восстановление на катоде (соединенном с отрицательным полюсом генератора): 4H₂O+4e^-→2H₂+4OH^-,

что в целом соответствует реакции 2H₂O→2H₂+O₂.

Измерения pH и проводимости с каждой стороны мембраны дают следующие результаты:

Анод pH=2,4 Х=1300 мкСм/см

Катод pH=11,6 X=1400 мкСм/см

Высокие значения проводимости являются результатом присутствия ионов H⁺ или OH^-.

Проводимость снижается в результате автонейтрализации.

Измерения, проведенные на воде после автонейтрализации, показывают следующие результаты:

pH=7,1-7,2 X=750-770 мкСм/см

Растворенный O₂=140-160 мг/л

Такое значение содержания кислорода позволяет обеспечить уровень содержания растворенного кислорода в конечной упаковке (например, бутылке), составляющий, по меньшей мере, 100 мг/л.

Затем воду стерилизуют ультрафиолетовым излучением и хранят в выдерживающем давление резервуаре при достаточном давлении кислорода (2,2·10⁵ O₂), чтобы ограничить или предотвратить всякую дегазацию/десорбцию.

ПРИМЕЧАНИЕ: Наполнение резервуара-хранилища осуществляют под давлением. В резервуаре-хранилище поддерживают температуру 5°C посредством прохождения замороженной воды через двойной кожух.

* Электролизер

Способ в соответствии с настоящим изобретением можно применять с двумя конфигурациями электродов: плоскими или цилиндрическими электродами. Применяемый электролизер содержит:

- систему крепления пакета деталей, составляющих электролизер;

- два обработанных блока из полипропилена, обеспечивающих распределение воды по обе стороны мембраны;

- одну пару прокладок из этилвинилацетата (ЭВА), расположенных позади каждого из электродов;

- одну пару прокладок из сшитого полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), расположенных перед каждым из электродов и позволяющих направлять поток воды, обеспечивая его контакт с электродами;

- одну пару ажурных разделителей, поддерживающих расстояние между электродом и мембраной;

- два электрода: один (1) анод, питаемый от положительного полюса, и один (1) катод, питаемый от отрицательного полюса генератора постоянного тока. Каждый из электродов имеет единую поверхность, площадь которой составляет приблизительно 6 дм²;

- одну газонепроницаемую мембрану, проницаемую для катионов, позволяющую отделить анодное отделение от катодного.

Схема электролизера представлена на фиг.3.

Катод изготовлен из нержавеющей стали 304, которая позволяет снизить стоимость способа по сравнению с использованием катода из массивного титана с платиновым покрытием. Полученная экономия составила приблизительно 20% от общей стоимости установки. Кроме того, такой катод позволяет смешивать потоки, как описано выше, поскольку электрод из нержавеющей стали допущен к применению в пищевой промышленности, в отличие от прочих электродов.

Анод также является электродом, допущенным к применению в пищевой промышленности. Применяют анод из титана, покрытого тонким слоем платины. Среди изготовителей можно назвать компанию De Nora. Титан обладает превосходной проводимостью, а платина образует защитный противоокислительный слой. При использовании анода необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности. Плотность тока является одним из ограничивающих факторов: можно работать при плотности, составляющей 30 мА/см², но не следует превышать 100 мА/см² из-за опасности ускорения деградации электродов.

Применяемая мембрана отличается газонепроницаемостью, что позволяет удерживать кислород O₂ на стороне анода и водород H₂ на стороне катода.

В качестве примера имеющихся на рынке мембран, пригодных для применения, можно назвать, в частности, следующие мембраны:

- Nation®: выпускается компанией DuPont de Nemours, имеет широкое применение в изготовлении топливных элементов. Эта катионная мембрана представляет собой сополимер сульфонированного тетрафторэтилена, во влажном состоянии обладающий высокой способностью к транспортировке протонов (H⁺) и при этом имеющий хорошее механическое и термическое сопротивление. Ее сопротивление окислению и некоторым химическим продуктам (хлор, натрий) выше, чем у мембран Neosepta®. Однако ее стоимость заметно превышает стоимость последних.

- Neosepta®: мембраны СМХ представляют собой симметричные, неориентированные катионные мембраны на основе сополимера стирена и дивинилбензола. Их производит компания Tokuyama.

- CMX-Sb: плотная стандартная катион-неселективная мембрана, допущенная к применению в пищевой промышленности и значительно менее дорогая, чем мембрана Nation®. Именно эту мембрану применяли в ходе испытаний.

- CMX-S: мембрана, селективная к одновалентным катионам. Допущена к применению в пищевой промышленности в Европе, вопрос о разрешении FDA (от англ. «Food and Drug Administration», Федеральное управление США по контролю качества продуктов питания, напитков и лекарственных препаратов) находится на рассмотрении.

В общем, условия очистки ограничены сопротивлением анода и мембраны. Возможно применение следующих продуктов:

- HCl или HNO₂0,1 N;

- NaOH 0,1 N при 40°C макс.;

- неионные поверхностно-активные вещества типа Ultrasil^® 130 от компании Ecolab;

- Oxonia^® active, смесь перекиси водорода и перуксусной кислоты: 1% при 30/40°C.

Значения окислительно-восстановительных потенциалов:

Деминерализованная вода и реминерализованная вода: +180 мВ (электрод Ag/AgCl) или +390 мВ с контрольным водородным электродом.

Вода, обогащенная O₂ до 100 мг/л посредством введения: +180 мВ (электрод Ag/AgCl) или +390 мВ с контрольным водородным электродом.

Вода, обогащенная O₂ до 100 мг/л посредством электролиза: +145 мВ (электрод Ag/AgCl) или +355 мВ с контрольным водородным электродом.

Пример 2: Измерение стабильности растворенного кислорода

Этот пример показывает анализ стабильности растворенного кислорода после открытия бутылки. Таким образом, речь идет о характеризации кинетики дегазации напитка при открытии бутылки.

Порядок выполнения работы

Порядок выполнения работы основан на желании протестировать характерные продукты, полученные в ходе промышленного изготовления напитков. Таким образом, каждая серия образцов была отобрана из одной абсолютно однородной партии изготовления, при идентичных характеристиках упаковки: формат и геометрия бутылок, материал, пробка, объем верхнего пространства (т.е. объем газа, расположенного над водой в закрытой бутылке).

a. Определение продукта:

Образцы состояли исключительно из питьевой воды, минеральный состав которой был отрегулирован, и кислорода.

b. Состав:

Базовая вода, примененная для получения образцов, является питьевой водой. Эта питьевая вода была обогащена кислородом посредством способа электролиза в соответствии с настоящим изобретением (см. Пример 1) или посредством введения чистого O₂.

Состав готовой воды приведен в таблице 2.

c. Контейнер:

Применяли упаковку, идентичную применяемой на промышленной линии (стеклянная бутылка объемом 750 мл и соответствующая корончатая пробка). Эти условия гарантировали нулевую проницаемость упаковки на протяжении всего срока хранения продукта, т.е. 9 месяцев.

Стеклянные бутылки очищали, затем ополаскивали водой Milli-Q и высушивали. Эти бутылки закупоривали корончатыми пробками 26 мм. Предварительно корончатые пробки стерилизовали гамма-излучением. Бутилирование продуктов и окончательное закупоривание осуществляли в регулируемой газовой среде.

а. Кинетика десорбции - принцип

После изготовления образцов их хранили минимум 48 часов при температуре проведения испытания: это время соответствует времени температурной стабилизации и уравновешивания газа между жидкой фазой и верхним пространством. Целенаправленно установленная температура проведения испытаний составляла 20°C, чтобы приблизить условия испытаний к условиям потребления.

Три первых бутылки анализировали перед открытием, чтобы установить, что уровень содержания растворенного газа достиг равновесия. Затем все бутылки открыли одновременно при стабильных и контролируемых условиях окружающей среды. Бутылки оставались открытыми на протяжении всего эксперимента.

При t=0 и затем через регулярные интервалы в течение 23 дней 2 бутылки из каждой исследуемой серии отбирали и анализировали. В соответствии со способом измерения растворенного О₂ перед осуществлением анализа необходимо повторно укупорить каждую из бутылок новой пробкой. Этот этап повторного укупоривания занимает всего несколько минут перед проведением анализа. Каждый из анализов являлся разрушающим и проводился два раза. На всем этапе стабилизации бутылок и проведения испытаний условия окружающей среды стандартизировали (температура окружающей среды, вибрации).

e. Материалы и способы

Анализ растворенного кислорода осуществляли посредством полярографических измерений с помощью устройства для отбора проб посредством просверливания бутылки.

Бутылку просверливали и помещали в атмосферу азота, давление которого поддерживали на уровне 4 бар, для выталкивания жидкости в измерительную камеру при расходе 60 мл/мин. Газом-носителем являлся азот, поскольку он обладает очень низкой растворимостью в воде и не искажает результаты анализа.

Датчик кислорода состоит из двух электродов, платинового катода и серебряного анода, причем оба электрода находятся в щелочном электролите (KCl), отделенном от среды измерения газопроницаемой мембраной.

Между двумя электродами поддерживали постоянное напряжение, вызывая восстановление присутствующего в среде кислорода. Ток, генерируемый окислительно-восстановительной реакцией, пропорционален количеству присутствующего в среде кислорода и, таким образом, парциальному давлению кислорода.

Результаты

Испытания проводили на четырех сериях бутылок, содержимое которых было получено способом в соответствии с настоящим изобретением и способом введения чистого кислорода. Для каждого из способов 4 серии соответствуют 4 различным значениям растворенного кислорода (40, 70, 100, >100 мг/л).

Эти результаты ясно показывают медленное снижение уровня содержания растворенного кислорода (см. фиг.4 и 5).

Пояснения к фиг.4 (образцы, полученные посредством электролиза воды) и фиг.5 (образцы, полученные посредством введения чистого кислорода):

■ Серия 1 ≈ 40 ppm (миллионных долей)

Δ Серия 2 ≈ 70 ppm

♦ Серия 3 ≈ 100 ppm

× Серия 4>100 ppm

Жирная линия соответствует концентрации O₂ при нормальном насыщении (10 мг/л).

Эти фигуры демонстрируют очень медленную десорбцию растворенного (посредством электролиза или введения) кислорода после открытия бутылок. Для достижения полного равновесия с окружающим воздухом (10 мг/л) в обоих случаях требуется 23 дня.

Для серий 3 и 4, в которых исходный уровень составляет 100 мг/л, моментальные потери при открытии составляют от 5 до 10 мг/л и остаются ниже 10 мг/л в течение 3 часов после открытия. Эти потери составляют 20 мг/л через 24 час.

Таким образом, при обычном потреблении напитков, т.е. в течение 30 минут после открытия бутылки, рассматриваемая потеря кислорода составляет значительно менее 10% от исходного значения перед открытием.

Полная десорбция перенасыщающего кислорода происходит через 23 дня.

Анализ

В течение 3 часов после открытия бутылки с напитком, обогащенным кислородом, уровень содержания растворенного О₂ в напитке остается равным 90% или более от исходного уровня до открытия.

Такая превосходная стабильность может казаться неожиданной с точки зрения законов физики, которые определяют перенос газа между жидкостью и находящейся над ней газовой средой (в частности, закона Генри). Тем не менее, такое поведение напитка определяется некоторыми факторами.

Напитки, обогащенные О₂, подобны газированному напитку, который упаковка, благодаря своему механическому сопротивлению, позволяет сохранять в состоянии равновесия по отношению к парциальному давлению О₂, превосходящему атмосферное давление.

Открытие бутылки нарушает это равновесие в результате потери внутреннего давления и возвращения к атмосферному давлению. Это нарушение равновесия выражается в возрастающей потере растворенного O₂.

Однако десорбцию излишка растворенного O₂ замедляют следующие факторы:

- ограниченная поверхность обмена между жидкостью и воздухом, находящимся над ней в бутылке;

- слабая подвижность О₂ в жидкости по направлению к освобожденной поверхности;

- образование слоя воздуха, обогащенного кислородом, в непосредственной близости от поверхности жидкости, локально повышающего парциальное давление O₂.

Эти эксперименты ясно показали сходное поведение кислорода при двух способах обогащения (электролиз и введение).

Выводы

Результаты показывают, что при обычном потреблении этих напитков, т.е. в течение 3 часов после открытия бутылки, рассматриваемая потеря кислорода остается менее 10% от исходного значения перед открытием. Для полной десорбции перенасыщающего кислорода требуется 23 дня.

Пример 3: Исследование in vitro доступности перекиси водорода для митохондрий и ее использования митохондриями.

Задачей настоящего исследования являлось:

1) продемонстрировать тот факт, что кислород, добавленный в воду посредством электролиза (H₂O D), является доступным для мышечных митохондрий и может использоваться ими;

2) снизить концентрации кислорода при измерении митохондриального дыхания, чтобы приблизиться к концентрациям О₂, воспринимаемым митохондриями in vivo.

Были испытаны два дыхательных раствора (R), приготовленных из воды двух разных видов:

Раствор R-A: контрольная вода (концентрация O₂: 10 мг/л)

Раствор R-D: вода, обогащенная O₂ посредством электролиза, но с концентрацией, аналогичной контрольной воде (атмосферное pO₂), т.е. 10 мг/л.

Испытывать воду, обогащенную O₂ посредством введения, не требуется, поскольку при указанной концентрации 10 мг/л она не отличается от контрольной воды.

Протоколы

Дыхание волокон

Эта технология позволяет исследовать свойства популяции митохондрий in situ. Волокна (от 5 до 10 мг по массе в сыром состоянии) помещают в термостатированную (+22°C) дыхательную камеру, содержащую 3 мл дыхательного раствора, обогащенного кислородом, и потребление ими кислорода непрерывно регистрируют с помощью электрода Кларка, соединенного с компьютером.

Протокол 1:

Воздействие раствора, обогащенного кислородом, на Vмах мышечных волокон (10 мг волокон):

Волокна вводят в термостатированную (22°C) дыхательную камеру, и потребление ими кислорода измеряют в растворе R-A или в растворе R-D. Через 6 минут регистрации осуществляют добавление АДФ (аденозиндифосфат) (2 мМ), которое позволяет получить максимальную скорость дыхания волокон (Vмах). Коэффициент акцепторного контроля (ACR - от англ. «acceptor control ratio») рассчитывают как отношение Vмах к V₀. Он является хорошим показателем функционального состояния митохондрий и определяет стимуляцию дыхания акцептором (АДФ), а также позволяет произвести оценку соотношения между окислением и фосфорилированием в растворе, обогащенном кислородом.

Волокна потребляют кислород в растворе R в течение 1 часа, после чего их извлекают, высушивают и взвешивают.

По окончании эксперимента можно измерить кинетику Vмах в Зависимости от концентрации кислорода в резервуаре, чтобы выявить вероятное «количественное» воздействие (повышение сродства митохондрий к кислороду) раствора R-D на Vмах при высокой концентрации кислорода, а также при незначительно повышенной.

Протокол 2:

Влияние раствора, обогащенного кислородом, на комплекс IV дыхательной цепи митохондрий

Комплекс IV является конечным акцептором кислорода в дыхательной цепи митохондрий. Начало этого протокола совпадает с началом протокола 1, различия появляются после измерения Умах или после введения АДФ; добавляют ингибитор комплекса I, который ингибирует митохондриальное дыхание, затем добавляют сукцинат, позволяющий измерить митохондриальное дыхание посредством прохождения через комплекс II. Следующим этапом является введение в камеру донора электронов (субстраты TMPD (N,N,N',N'-тетраметил-п-фенилендиамин)-аскорбат) непосредственно в комплекс IV для стимуляции митохондриального дыхания через цитохромоксидазу (комплекс IV, конечный акцептор кислорода).

Результаты, соответствующие максимальному митохондриальному дыханию (объем V в мкмоль O₂/мин/г в пересчете на сухую массу) в зависимости от концентрации кислорода (выраженной в мкМ O₂) при активации комплекса дыхательной цепи (n=6) - А или при активации только комплекса IV дыхательной цепи митохондрий (n=6) - В представлены, соответственно, на фиг.6А и 6В (значения ±SEM, *p<0,05 по сравнению с раствором R-A, **p<0,01 по сравнению с раствором R-A). Белым цветом обозначены результаты, полученные для раствора R-A, а черным - для раствора R-D.

На фиг.6A и 6B ясно видно, что мышечные митохондрий способны использовать кислородный комплекс, присутствующий в растворе R-D, что отвечает первой задаче настоящего исследования.

На фиг.6A и 6B представлены скорости митохондриального дыхания в зависимости от снижения концентрации кислорода в дыхательной камере. Умах соответствует максимальному митохондриальному дыханию, стимулированному посредством добавления АДФ для наиболее высокой концентрации O₂.

Фиг.6A не показывает значимой разницы между двумя растворами. Это говорит о том, что, если заставить функционировать комплекс дыхательной цепи, между двумя растворами не имеется значимой разницы в кинетике митохондриального дыхания.

Интересно, что фиг.6B показывает, что при изолировании комплекса IV (конечного акцептора кислорода) дыхательной цепи и при ограничивающей концентрации кислорода (от 140 мкМ кислорода) скорость митохондриального дыхания в растворе R-D становится выше, чем в растворе R-A, причем эта разница становится значимой, после того, как концентрация кислорода в дыхательной камере достигает 100 мкМ O₂ (раствор R-D допускает повышение от +27% при 100 мкМ O₂ и до +65% при 40 мкМ O₂ по сравнению с раствором R-A).

Таким образом, вода, обогащенная кислородом способом в соответствии с настоящим изобретением, является абсолютно доступной для митохондрий. Интересно, что, когда кислород в растворе становится фактором, ограничивающим функционирование митохондрий, скорость митохондриального дыхания, измеренная при функционировании только конечного акцептора кислорода (комплекс IV), повышается при применении воды в соответствии с настоящим изобретением, т.е. воды, обогащенной кислородом посредством электролиза, по сравнению с контрольной водой. Этот результат говорит о том, что растворенный кислород в этой форме является более доступным для митохондрий, что позволяет им поддерживать более высокую скорость потребления кислорода и, таким образом, более высокое производство энергии в форме АТФ при ограничивающей концентрации кислорода в среде.

Пример 4: Исследование in vivo на свиньях

Исследование проводили на свиньях небольшого размера (породы «крупная белая»): 8 свиней в группе с применением воды, обогащенной кислородом посредством электролиза (Элект.), 6 в контрольной группе с применением воды без добавления кислорода (Контр.) и 6 в группе с применением воды, обогащенной кислородом посредством введения (Введ.).

Группа Элект. потребляла воду, полученную способом электролиза в соответствии с настоящим изобретением (см. Пример 1). Группа Введ. потребляла воду, обогащенную кислородом посредством введения чистого О₂.

Готовый состав трех типов воды приведен в таблице 3.

Объем введенной воды составлял 10 мл·кг^-1. После Т0 окончания внутрижелудочного введения взятие проб осуществляли на: 2¹/₂, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 75, 90, 105 и 120-й минутах. Двумерный дисперсионный анализ с учетом повторных измерений и апостериорный тест Тьюки проводили с учетом измерений, осуществленных на: 5-й, 10-й, 15-й, 30-й, 60-й и 90-й минутах после внутрижелудочного введения.

Оценка артерио-венозной разницы

Артерио-венозная разница, выраженная в относительных значениях, является значительно более низкой на 15-й минуте в группе Электролиза по сравнению с Контрольной группой (фиг.7, таблица 4), тенденция наблюдается вокруг этой точки для измерений, осуществленных на 10-й и 30-й минутах. Значительная разница наблюдается также на 90-й минуте между водой, обогащенной O₂, и контрольной (фиг.7, таблица 4).

Пояснение к фиг.7: Оценка артерио-венозной разницы по кислороду (АВР O₂) в трех группах. Результаты выражены в относительных значениях к базовому образцу. Значимая разница наблюдается на 15-й (p<0,05) и 90-й (p<0,01) минутах между группами Электролиза и Контрольной, а также на 90-й (p<0,05) минуте между группами Введения и Контрольной.

Изменения в плазменном компартменте

Изменения объема в плазменном компартменте определяли по относительным изменениям уровня содержания гемоглобина и гематокрита, а также с помощью измерения осмолярности. Флуктуации выражены относительно времени введения ноль (фиг.8A и 8B), имеется значимая разница между группой электролиза и двумя другими экспериментальными ситуациями через 15 и 30 минут в отношении относительных изменений осмолярности (Таблица 5).

Пояснения к фиг.8A и 8B: Относительные изменения плазменного объема в трех группах (электролиз - черный, контрольная - белый и введения - серый). Эти изменения определяют с одной стороны, посредством анализа относительных изменений уровней содержания гемоглобина и гематокрита (Фиг.8A, в процентах), с другой стороны, по осмолярности (Фиг.8B, в ммоль·кг^-1), рассчитанной на образцах крови, взятых на 5-й, 15-й, 30-й, 60-й и 120-й минутах. Значимое изменение осмолярности (*p<0,05) наблюдается между группой Электролиза (n=3) и двумя другими группами на 15-й и 30-й минутах.

Выводы

После внутрижелудочного введения воды, обогащенной O₂, значимые различия артерио-венозной разницы по кислороду (АВР O₂) наблюдаются между группами электролиза и контрольной (таблица 4, фиг.7). При анализе трех типов воды вода, обогащенная O₂ посредством введения, расположена между контрольной и обогащенной посредством электролиза. Однако через первые 90 минут после приема вода, обогащенная O₂ посредством введения, не показывает значимой разницы АВР O₂ по сравнению с контрольной группой.

Очень скоро после приема для двух типов воды, обогащенной O₂, наблюдается гемодилюция. Это наблюдение подтверждено несколькими независимыми параметрами: изменениями уровней содержания гемоглобина и гематокрита, применяемыми для расчета относительных изменений плазменного объема, а также изменениями плазменной осмолярности (фиг.8A и 8B). Представляется, что этому эффекту способствует присутствие O₂ в воде вне зависимости от способа насыщения кислородом (электролиз, введение). Однако представляется, что этот эффект является количественно более значительным при применении воды, обогащенной O₂, полученной посредством электролиза, по сравнению с водой, обогащенной O₂ посредством введения.

Пример 5: Исследование in vivo на свиньях транскутанного парциального давления кислорода (ТС PO₂)

Материалы и способы

Исследования осуществляли на свиньях небольшого размера (породы «крупная белая»). Были образованы три группы: группа под названием «группа Электролиза» состояла из 14 свиней, которые потребляли воду, обогащенную кислородом способом электролиза в соответствии с настоящим изобретением (см. Пример 1), группа под названием «группа Введения» состояла из 14 свиней, которые потребляли воду, обогащенную кислородом способом введения чистого O₂, и группа под названием «Контрольная группа» состояла из 14 свиней, которые потребляли воду без кислорода.

Кожный зонд для измерения тканевого PO₂ (ТС PO₂) (монитор Tina TCM4 от компании Radiometer, Копенгаген) был два раза калиброван по окружающему воздуху. Затем электрод, нагретый до 45°C, помещали в мышцу квадрицепса после выбривания и обезжиривания кожи спиртовым раствором. Вводили воду в объеме 10 мл·кг^-1. Окончательный состав трех типов воды приведен в таблице 6.

Каждые 5 минут в течение 20 минут, предшествовавших внутрижелудочному введению продуктов (Т0), и на 2¹/₂, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 75, 90, 105 и 120-й минутах после Т0 окончания внутрижелудочного введения осуществляли измерения ТС PO₂. Затем значения ТС PO₂ выражали в изменении мм рт.ст. по сравнению с базовым образцом (среднее 4 значений, полученных в течение 20 минут, предшествовавших Т0).

Двумерный дисперсионный анализ с учетом повторных измерений и апостериорный тест Тьюки проводили с учетом измерений, осуществленных на: 5-й, 10-й, 15-й, 30-й, 60-й и 90-й минутах после внутрижелудочного введения.

Результаты

Хотя метаболические выделения анестезированных животных продолжались более 90 минут, значения, полученные по прошествии 90 минут, не представлены на чертеже.

Значимая разница наблюдается между группой электролиза и двумя другими группами (контрольной и введения). Кроме того, начиная с 2,5-й минуты, в группе Электролиза наблюдается значимое повышение ТС PO₂ по сравнению с контрольной группой (фиг.9, таблица 7). Эта разница остается значимой на протяжении всего эксперимента. Кроме того, на 90-й минуте значимое повышение ТС PO₂ наблюдается в группе Электролиза по сравнению с группой Введения (фиг.9, таблица 7). И наоборот, между группой Введения и Контрольной группой никакой разницы ТС PO₂ не наблюдается (фиг.9, таблица 7).

Выводы

После внутрижелудочного введения воды, обогащенной O₂, между группой Электролиза и двумя другими группами (Контрольной и Введения) наблюдается значимая разница величины парциального давления O₂, измеренного через кожу (ТС PO₂). Из разных способов обогащения кислородом (электролиз и введение) только обогащение кислородом посредством электролиза позволяет получить воду, способную значительно повысить парциальное давление O₂, измеренное через кожу (ТС PO₂).

Реферат

Изобретение относится к воде или напитку, обогащенным кислородом посредством электролитического процесса, и способу их получения. Способ обогащения воды кислородом посредством электролиза включает в себя следующие последовательные этапы: a) электролиз минерализованной, но освобожденной от ионов Clи Brводы, в электролизере (3), в котором анод и катод разделены газонепроницаемой мембраной, проницаемой для электрических зарядов; b) получение воды, обогащенной кислородом, из анодного отделения электролизера (3b); c) обратное введение воды, вышедшей из катодного отделения электролизера (3a) и освобожденной от водорода, в воду, обогащенную кислородом, полученную на этапе (b); d) упаковывание (5) воды, полученной на этапе (c). Технический результат - получение воды или напитка, в котором кислород является биологически доступным. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил., 7 табл., 4 пр.

Формула