JPH10314309A - 酸化窒素ガス混合物を生成させるための方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化窒素ガス混合物を生成させるための方法
と装置を提供する。 【解決手段】 空気、酸素富化空気、または少量のアン
モニアを含有した空気を、高温にて貴金属触媒上に通す
ことによって、治療用の酸素−酸化窒素ガス混合物が得
られる。二酸化窒素を優先的に吸着する吸着剤床に酸化
窒素と少量の二酸化窒素を含有した生成物ガスを通し
て、ヒトに吸入剤として投与するのに適した酸化窒素含
有空気を生成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化窒素ガス混合
物の生成に関する。さらに詳細には、本発明は、医療用
途に使用するのに適した酸化窒素−酸素−窒素ガス混合
物の生成に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】最
近、酸化窒素がヒトや動物の生命過程において重要な役
割を果たすことが見いだされた。たとえば、血管を広げ
ることによって血圧を保持しやすくし、また体の免疫シ
ステムにおいて外からの侵入物を死滅させる。ある特定
の病気もしくは疾患に罹っている患者にわずかな投与量
の酸化窒素を投与することによって極めて大きな利点が
得られる、ということが幾つかの研究で示されている。
とりわけ重要なことは、肺動脈高血圧症によって複雑化
した先天的心疾患の小児科患者において、酸素富化空気
を含有した極めて低い濃度の酸化窒素を吸入させること
によって肺血管の収縮を少なくすると見込まれる点であ
る。

【０００３】酸化窒素は、高純度状態のとき、または不
活性ガス（たとえば、窒素やアルゴン）と混合したとき
は比較的安定なガスである。しかしながら、酸素と混合
したときには、酸素と速やかに反応して二酸化窒素（ヒ
トに対して毒性の高い物質）を形成する。二酸化窒素は
水と反応して硝酸と亜硝酸を形成し、これらは飲み込む
と、ひどい肺浮腫や酸肺炎を引き起こすことがあり、あ
るいは死に至ることもある。二酸化窒素は毒性が高いの
で、ヒトによる吸入用に使用すべく意図された酸化窒素
は、一般には精製を施して、製造プロセスの結果として
酸化窒素生成物中に最初に存在する二酸化窒素を除去
し、そしてその後に貯蔵容器または輸送容器において二
酸化窒素が生成しないよう、精製した生成物を、酸素を
含まない環境にて貯蔵・輸送する。

【０００４】酸化窒素は一般に、約１０００ｐｐｍの酸
化窒素を含有した窒素−酸化窒素濃縮ガスを、酸化窒素
を所望の濃度範囲（吸入ガスの全体積を基準として、通
常は約０.５〜２００ｐｐｍ）で含有する吸入ガスを生
成させるための酸素もしくは酸素富化空気のキャリヤー
ガスで希釈することによって患者に投与される。この濃
縮ガスは一般に、患者が自宅であるいは旅行中に使用す
るには扱いにくくて不便な大形ボンベとして供給され
る。

【０００５】米国特許第５,３９６,８８２号は、空気の
流れを電気アーク放電で処理することによって酸化窒素
を生成させるための装置を開示している。この方法で
は、複雑で高価な装置が使用され、酸化窒素が断続的に
生成される。さらに、電気放電の結果オゾンが生成さ
れ、ガスを患者に投与する前に、ガス混合物からオゾン
を除去しなければならない。

【０００６】本発明は、オゾンを副生物として生成させ
ることなく、酸化窒素のガス混合物の連続流れを生成さ
せる装置と方法を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、医療患
者に対する吸入剤として使用するのに適した酸化窒素含
有ガスの連続流れを、その使用すべき部位に生成させ
る。本発明の広い実施態様においては、酸素と窒素、酸
素とアンモニア、あるいは酸素と窒素とアンモニアを含
んだ混合流れを、少なくとも３００℃〜最高約１２００
℃の温度にて触媒床を通して接触させることによって、
酸化窒素含有ガスを生成させる。このとき前記触媒は、
窒素およびアンモニアの一方または両方と酸素との間の
反応を引き起こして酸化窒素を生成させるのに有効な触
媒である。触媒床を出るガス状生成物を精製工程に付し
て二酸化窒素を除去する。このプロセスは、実質的に一
定の濃度の酸化窒素を含んでいて、二酸化窒素を実質的
に含まない酸化窒素含有ガスの実質的に連続的な流れが
得られるよう、実質的に連続的な仕方で行うのが好まし
い。

【０００８】酸化窒素の合成反応は、少なくとも約５０
０℃の温度で行うのが好ましく、約５００〜約１２００
℃の範囲の温度で行うのが最も好ましい。

【０００９】好ましい実施態様においては、反応物ガス
は空気である。他の好ましい実施態様においては、反応
物ガスは、好ましくは空気、酸素富化空気、窒素富化空
気、または実質的に純粋な酸素から選ばれる酸素含有ガ
スとアンモニアとの組合せ物である。反応物ガスが酸素
含有ガスとアンモニアとの組合せ物である場合、反応物
ガス中のアンモニアの実質的に完全な反応を引き起こす
ような条件下で合成反応を行う。

【００１０】酸化窒素合成触媒は、好ましくは第ＶIII
族貴金属触媒であり、好ましくは白金、パラジウム、イ
リジウム、およびロジウム等の貴金属触媒、あるいはこ
れら貴金属触媒の組合せ物である。第ＶIII族貴金属触
媒は、他の第ＶIII族金属（たとえばニッケル、コバル
ト、または鉄）と組み合わせて使用することができる。

【００１１】酸化窒素合成反応器を出たガスは、合成反
応中に形成された二酸化窒素を取り除くよう処理され
る。こうした処理は、水スクラビング、ソーダ石灰の使
用による吸収、冷凍凝縮器（refrigerated condenser）
の使用、または酸化窒素合成ガスから二酸化窒素を優先
的に吸着するような吸着剤の使用による吸着、の１つ以
上によって行うのが好ましい。最も好ましい実施態様に
おいては、シリカゲル、疎水性ゼオライト、またはこれ
らの混合物から選ばれる吸着剤を使用した吸着によって
酸化窒素の精製を行う。

【００１２】精製した酸化窒素含有ガスを空気または酸
素とブレンドして、所望の酸化窒素濃度を有するガス混
合物を得ることができる。

【００１３】本発明は、治療量の酸化窒素を含有した空
気または酸素富化ガスの流れを、それが使用される部位
に供給するための簡便な方法を提供する。本発明の方法
は、たとえば病室や患者の自宅にて実施することができ
る。

【００１４】添付の図面は、本発明の方法を実施する上
で有用なシステムを示している。本システムに使用され
ている主要な装置ユニットは、酸化窒素反応器Ａと酸化
窒素ガス精製装置Ｂである。

【００１５】反応器Ａは、高温の化学反応を行うのに適
した、携帯可能ないかなる反応器容器でもよい。反応器
Ａには、前記したグループの貴金属触媒が充填されてい
る。反応器Ａには、入口側に供給ガス入口ライン２が、
そして出口側に酸化窒素生成物ガスライン４が設けられ
ている。供給ガスライン２は、空気、または他の適切な
酸素含有ガスや窒素含有ガス、または酸素とアンモニア
（および必要に応じて窒素）を含んだガス混合物（たと
えば、空気−アンモニアガス混合物）の供給源に連結す
ることができる。これとは別に、アンモニアガスの供給
源を、ライン６を介してシステムに別個に設けてもよ
い。ライン６は、図示のようにライン２に連結してもよ
いし、あるいは反応器Ａに直接連結してもよい。反応物
ガスまたは触媒床を、反応器Ａにおいて所望の酸化窒素
生成反応を引き起こすだけの充分に高い温度に加熱する
ための加熱手段も設けられている。図面においては、加
熱手段は熱交換器８の形をとっており、これは炉もしく
は他の適切な熱交換手段であってもよい。これとは別
に、反応器Ａに加熱手段（たとえば、電気抵抗加熱コイ
ルまたは誘導加熱コイル）を取り付けてもよい。

【００１６】酸化窒素生成物ガスライン４によって反応
器Ａの出口が冷却器１０に連結されており、この冷却器
は、生成物ガスを適切な温度（重要なことではないが、
一般には約０〜約１００℃の範囲）に冷却するよう機能
する。冷却器１０の生成物ガス出口端が精製装置Ｂの入
口端に連結されている。精製装置Ｂは、酸化窒素ガス流
れから二酸化窒素を除去することによって前記ガス流れ
を精製する、好ましくは携帯可能のいかなる装置であっ
てもよい。典型的かつ適切な精製装置は、ガス流れから
二酸化窒素を希薄硝酸として洗い落とす水スクラビング
装置；酸化窒素に影響を及ぼすことなくガス流れからの
二酸化窒素を中和する、たとえばソーダ石灰（水酸化ナ
トリウムと酸化カルシウムの混合物）等のアルカリ性物
質を収容した吸収ユニット；二酸化窒素を固化して、ガ
ス流れから二酸化窒素を取り除くための冷凍凝縮器；お
よび酸化窒素より二酸化窒素のほうをより強く吸着する
吸着剤物質を収容したガス吸着ユニット；を含む。

【００１７】前述したように、本発明において使用する
にはガス吸着ユニットが最も好ましい。安価で粒状の乾
燥吸着剤物質を使用して二酸化窒素を吸着できるからで
ある。これらの吸着剤物質は、携帯可能なユニットでの
使用に容易に適応でき、吸着剤が使用済みになったとき
に簡単に交換することができる。本実施態様において使
用される吸着剤は、酸化窒素より二酸化窒素のほうを容
易に吸着するいかなる物質でもよい。適切な吸着剤とし
ては、ＦＡＵ型構造、ＭＦＩ型構造、およびＭＥＬ型構
造のモレキュラーシーブ（脱アルミニウム処理によって
アルミナ非含有にしたゼオライトも含む）、およびアル
ミナ基を格子構造中に導入することなく直接合成される
モレキュラーシーブがある。アルミナ非含有のモレキュ
ラーシーブとしては、脱アルミニウム処理したゼオライ
トＹ（ＤＡＹ）、ＺＳＭ−５、ＺＳＭ−１１、およびＺ
ＳＭ−２０があり、いずれも少なくとも約１００のケイ
素対アルミニウム原子比を有している。このクラスの好
ましいゼオライトとしては、アルミニウム非含有のゼオ
ライト５Ａ、アルミナ非含有のゼオライト１３Ｘ、アル
ミニウム非含有のゼオライト４Ａ、およびアルミニウム
非含有のゼオライトＹがある。最も好ましいゼオライト
は、アルミニウム非含有のゼオライトＹ、ＺＳＭ−５ゼ
オライト、ＺＳＭ−１１ゼオライト、ＺＳＭ−２０ゼオ
ライト、およびこれらの混合物である。このような吸着
剤の詳細と、酸化窒素を精製する上での使用法について
は、米国特許第５,４１７,９５０号に開示されている
（該特許を参照のこと）。

【００１８】本発明において有用な吸着剤は金属カチオ
ンを含まない吸着剤であり、シリカゲル、アルミナ、金
属カチオンを含まない合成ゼオライト（たとえばゼオラ
イトＡ、ゼオライトＸ、およびゼオライトＹなど）、お
よび天然ゼオライト（たとえばモルデン沸石、フォージ
ャサイト、および斜方沸石など）がある。このタイプの
うちの好ましい吸着剤としては、シリカ、アルミナ、ゼ
オライトＡ、ゼオライトＸ、およびゼオライトＹなどが
ある。これらのうちの最も好ましい吸着剤はシリカゲル
である。吸着剤に関して述べている“金属カチオンを含
まない”および“実質的に金属カチオンを含まない”と
は、該吸着剤が痕跡量の金属カチオンしか含有していな
いということを意味している。これらの吸着剤、および
酸化窒素の精製におけるこれら吸着剤の使用について
は、１９９４年７月７日付け出願の同時係属中の米国特
許出願第２７１,５９２号に開示されている（該特許出
願を参照のこと）。

【００１９】精製装置Ｂ中の吸着剤は、減圧あるいは昇
圧にて処理することによって再生することができるが、
一般には、使用済みの吸着剤を廃棄して、新しい吸着剤
と交換するのがより簡単であり且つ原価効率が良い。酸
化窒素から除去される二酸化窒素の量は極めて少ないの
で（たとえば、通常は約１〜約１００ｐｐｍ）、吸着剤
は通常何ヶ月もの有効寿命を有する。

【００２０】生成物ガス流れ中の水蒸気は、一般には吸
着剤に吸着される。二酸化窒素が吸着水と反応して硝酸
または亜硝酸が形成され、これらが吸着剤のミクロ構造
を破壊し、その有効寿命を短くする。したがって、二酸
化窒素を吸着除去する前に、酸化窒素生成物ガスから水
分を除去するのが好ましい。この操作は、二酸化窒素吸
着剤の上流に乾燥器床（dryer bed）を挿入することに
よって行うことができる。この乾燥器床には、従来のい
かなる乾燥剤（たとえばアルミナ）でも使用することが
できる。

【００２１】精製装置Ｂの出口端は、生成物ガスライン
１２に連結されている。図示の実施態様においては、酸
素ブレンドライン１４と水分射出ライン１６がライン１
２に連結されている。

【００２２】図示のシステムで実施される本発明のプロ
セスにおいては、供給ガス混合物〔酸素と窒素を含有し
たガス（たとえば、空気、あるいはアンモニアと酸素含
有ガスとの混合物）でよい〕がライン２を介してシステ
ムに入る。これとは別に、アンモニアガスをライン６を
介してシステム中に別個に導入してもよい。本混合物を
熱交換器８に通し、このとき本混合物が所望の反応温度
（たとえば約５００℃）に加熱される。加熱されたガス
混合物が反応器Ａに入り、反応器中に収容されている触
媒床を通る。高温のガス混合物が触媒と接触すると、ア
ンモニアと酸素が反応して窒素酸化物の混合物が形成さ
れ、この混合物は、主として酸化窒素と二酸化窒素で構
成されている。反応器Ａ中の温度、および反応ガス混合
物が触媒との接触を維持する時間は、供給物中のアンモ
ニアの実質的に全てが窒素酸化物に転化されるようなも
のであるのが望ましい。生成物ガス中の酸化窒素の量
は、供給ガス中のアンモニアの量に大きく依存し、窒素
と酸素との反応によって生成される酸化窒素の量に対し
てはより少ない程度で依存する、と考えられる。反応器
Ａ中の条件下では、アンモニアと酸素のほうが、窒素と
酸素よりはるかに容易に反応し、またアンモニアと酸素
との間の反応は定量的であるので、生成物ガス中の窒素
酸化物の量は、供給ガス中のアンモニアの濃度を調節す
ることによって制御することができる。

【００２３】生成物ガス（主として、空気および酸素富
化空気もしくは酸素で構成されていて、酸化窒素と二酸
化窒素を含有）が、ライン４を介して反応器Ａを出て、
分離器Ｂに入る。前述したように、分離器Ｂは、水スク
ラバー、冷凍凝縮器、吸収装置、および吸着装置のいず
れであってもよい。これらのユニットは、いずれもよく
知られているので、詳細に説明する必要はない。好まし
い分離器は吸着装置ユニツトである。なぜなら、吸着
は、液体を取り扱う必要がなく、また複雑で高価な装置
を必要としないからである。生成物ガスが分離器Ｂを通
ると、水分と二酸化窒素の実質的に全てがガスから除去
される。疎水性の吸着剤（たとえば、脱アルミニウム処
理したゼオライトＹ）が分離器Ｂに使用されている場
合、水分は生成物ガスから実質的には除去されないであ
ろう。

【００２４】分離器Ｂを出たガス（二酸化炭素を実質的
に含まない）を、必要に応じて空気もしくは酸素で希釈
することができる。この操作は 、ライン１４を介して
空気または酸素をガス中に導入することによって行われ
る。水分は、ライン１６を介して水噴霧または他の適切
な手段によって生成物ガス中に導入することができる。
これとは別に、水分を含んだ空気をライン１４を介して
生成物ガス中に導入することもでき、この場合はライン
１６が不要となる。

【００２５】酸素は酸化窒素と速やかに反応して二酸化
窒素を形成するので、ライン１２中の生成物ガスを極め
て短い時間内で（たとえば、ガスが分離器Ｂを出た後、
２秒以内の程度で）患者に投与することが重要である。
ガスは、標準的な装置を使用して患者に投与することが
でき、こうした装置は本発明の一部を構成しない。

【００２６】本発明において使用される装置は、固定型
であっても携帯型であってもよい。どちらのケースにお
いても、加圧貯蔵容器（たとえばガスボトル）からライ
ン２に供給ガスを導入することができるし、あるいは空
気が主要なガスビヒクルとして使用される場合は、ブロ
アーを使用して空気を所望の圧力にて供給することがで
きる。後者のケースでは、加圧容器から空気中にアンモ
ニアを導入することができる。固定型のユニットが使用
される場合は、大形のガス容器および複雑な反応器と分
離器を使用できるが、携帯型ユニットの場合は、使用要
件を最小限に抑えるために、できるだけ単純且つコンパ
クトに保持するのが好ましい。

【００２７】完全に自動化して効率的な仕方で連続的に
作動できるよう、従来の装置を使用してシステム内のガ
スの流れを自動的にモニターし調節することは本発明の
範囲内であると考えられる。

【００２８】本発明はさらに、下記のような仮定的な例
によっても示される。特に明記しない限り、部、パーセ
ント、および比は容量基準である。

【００２９】５.３９ｃｃ／分のアンモニア、６.７４ｃ
ｃ／分の酸素、および４.５２リットル／分の窒素を、
周囲圧力および８５０℃にて触媒反応器に通す。触媒
は、約２.５ｃｍの直径を有していて、９０％の白金、
５％のロジウム、および５％のパラジウムを含有した５
層の白金合金ガーゼである。反応器から出た生成物ガス
を周囲温度に冷却し、凝縮器とアルミ乾燥床に通すこと
によって乾燥する。乾燥床からの流出物をシリカゲル吸
着床に通す。精製されたガスは、約９９８ｐｐｍの酸化
窒素と一般には約１ｐｐｍ未満の二酸化窒素を含有す
る。

【００３０】上記の例は、患者に投与するのに適した酸
素ベースの酸化窒素含有ガスを精製するための、本発明
のシステムの有益な使用を示している。

【００３１】特定の装置集成体および特定の実験に関し
て本発明を説明してきたが、これらの特徴は単に本発明
の代表的なものであって、種々の変形が可能である。た
とえば、本発明の実施態様のいずれにおいても、垂直容
器または水平容器を使用することができる。本発明の範
囲は、特許請求の範囲によってのみ限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施態様を実施するための装
置を示す概略図である。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ） 酸素と窒素、酸素とアンモニ
   ア、または酸素と窒素とアンモニアを含んだ供給ガス
   と、約３００〜約１２００℃の範囲の温度でアンモニア
   と酸素の反応を引き起こして酸化窒素を形成させる第Ｖ
   III族貴金属触媒とを接触させ、これによって酸化窒素
   と二酸化窒素とを含有するガス混合物を生成させる工
   程；および （ｂ） 二酸化窒素を優先的に吸着する吸着剤床に前記
   ガス混合物を通し、 これによって、実質的に一定の濃度の酸化窒素を含んで
   いて、二酸化窒素を実質的に含まない生成物ガスの実質
   的に連続的な流れを生成させる工程；を含む、医療状態
   の処置に適した酸化窒素含有吸入剤ガスの連続流れを生
   成させる方法。
2. 【請求項２】 前記供給ガスが空気である、請求項１記
   載の方法。
3. 【請求項３】 前記供給ガスが空気とアンモニアを含
   み、前記生成物ガスがアンモニアを実質的に含まない、
   請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】 二酸化窒素を実質的に含まない前記生成
   物ガスと酸素とをブレンドする工程をさらに含む、請求
   項１記載の方法。
5. 【請求項５】 二酸化窒素を実質的に含まない前記生成
   物ガスに水分を導入する工程をさらに含む、請求項１記
   載の方法。
6. 【請求項６】 前記触媒が白金、パラジウム、イリジウ
   ム、ロジウム、またはこれらの混合物である、請求項１
   記載の方法。
7. 【請求項７】 前記吸着剤が、シリカゲル、アルミナ、
   ゼオライト、およびこれらの混合物から選ばれる、交換
   可能な金属カチオンを含まない吸着剤である、請求項１
   記載の方法。
8. 【請求項８】 前記吸着剤が、脱アルミニウム処理した
   ゼオライトＹ、ゼオライトＺＳＭ−５、ゼオライトＺＳ
   Ｍ−１１、ゼオライトＺＳＭ−２０、およびこれらの混
   合物から選ばれるアルミニウム非含有吸着剤である、請
   求項７記載の方法。
9. 【請求項９】 （ａ） 酸素と窒素、酸素とアンモニ
   ア、または酸素と窒素とアンモニアを含んだ供給混合物
   を、約３００〜約１２００℃の範囲の反応温度にて酸化
   窒素に転化させる第ＶIII族貴金属触媒を収容した触媒
   チャンバー、このとき前記触媒チャンバーは、供給ガス
   のためのガス入口および酸化窒素含有生成物ガスのため
   のガス出口を有する； （ｂ） 前記供給ガスを前記反応温度に加熱するための
   手段； （ｃ） 二酸化窒素を取り除くことによって前記酸化窒
   素含有生成物ガスを精製するための吸着容器、このとき
   前記吸着容器は、窒素、酸素、および酸化窒素より二酸
   化窒素のほうを強く吸着する吸着剤を収容していて、前
   記触媒チャンバーのガス出口と流体連通関係にあるガス
   入口と、精製酸化窒素を含有した生成物ガスのためのガ
   ス出口とを有する； （ｄ） 精製酸化窒素を含有した生成物ガスを患者に投
   与するための、精製転化ガスのための前記ガス出口と流
   体連通関係にある分配手段；および （ｅ） 前記触媒チャンバー、前記吸着容器、および前
   記分配手段を通してガスを移動させるための手段；を含
   む、酸素／酸化窒素ガス混合物の連続流れを患者に供給
   するための装置。
10. 【請求項１０】 前記触媒が白金、パラジウム、イリジ
    ウム、ロジウム、またはこれらの混合物である、請求項
    ９記載の装置。
11. 【請求項１１】 前記吸着剤が、シリカゲル、アルミ
    ナ、ゼオライト、およびこれらの混合物から選ばれる、
    交換可能な金属カチオンを含まない吸着剤である、請求
    項９記載の装置。
12. 【請求項１２】 前記吸着剤が、脱アルミニウム処理し
    たゼオライトＹ、ゼオライトＺＳＭ−５、ゼオライトＺ
    ＳＭ−１１、ゼオライトＺＳＭ−２０、およびこれらの
    混合物から選ばれるアルミニウム非含有吸着剤である、
    請求項１１記載の装置。
13. 【請求項１３】 酸素もしくは空気と前記酸化窒素含有
    生成物ガスとをブレンドするための手段をさらに含む、
    請求項９記載の装置。
14. 【請求項１４】 前記酸化窒素含有生成物ガスに水分を
    導入するための手段をさらに含む、請求項９記載の装
    置。