PL205716B1

PL205716B1 - Biobójcza perełka, sposób wytwarzania biobójczej perełki polimeru i sposób dezaktywacji drobnoustroju wrażliwego na fluorowiec

Info

Publication number: PL205716B1
Application number: PL368936A
Authority: PL
Inventors: Shelby D. Worley; Yongiun Chen
Original assignee: Univ Auburn
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2010-05-31
Also published as: WO2003053142A3; US6548054B2; US6852312B2; US20030044377A1; EP1423008B1; DE60225024D1; CN1561162A; CN101228884A; CN101228884B; TWI301131B; PL368936A1; PT1423008E; BR0212325A; BR0212325B1; JP2005513202A; ATE385692T1; ZA200401967B; KR20040041604A; MY129073A; ES2301712T3

Description

Opis wynalazku

Dziedzina wynalazku

Wynalazek dotyczy biobójczej perełki, sposobu wytwarzania biobójczej perełki polimeru i sposobu dezaktywacji drobnoustroju wrażliwego na fluorowiec. Wynalazek ujawnia sposób wytwarzania, produkt i sposób stosowania silnie usieciowanego biobójczego polimeru polistyreno-N-fluorowcoaminowego. Biobójczy polimer wytwarza się w heterofazowych warunkach z uwagi na jego silnie usieciowany charakter, przy czym w jednej z postaci może on zawierać pory.

Tło wynalazku

Chociaż zsyntetyzowano wiele biobójczych polimerów (np. czwartorzędowe sole amoniowe, materiały fosfoniowe, fluorowcowane sulfonoamidy i biguanidy - patrz Trends Polym. Sci. 4: 364 (1996)) i zbadano ich dział anie biobójcze, wykazano, ż e stosunkowo nowa klasa, okreś lana jako cykliczne N-fluorowcoaminy charakteryzuje się doskonałymi właściwościami w odniesieniu do skuteczności biobójczej, długotrwałej stabilności i możliwości regeneracji po utracie skuteczności. Takim materiałem jest poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoina, będąca niedrogą pochodną polistyrenu, po raz pierwszy opisaną w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5490983, który niniejszym wprowadza się jako źródło literaturowe. Ostatnio pojawiły się kolejne ujawnienia odnośnie jej właściwości biobójczych, do wykorzystania w zastosowaniach dezynfekcyjnych w filtrach wody [patrz Ind. Eng. Chem. Res. 33:168 (1994; Water Res. Bull. 32:793 (1996); Ind. Eng. Chem. Res. 34:4106 (1995); J. Virology Meth. 66:263 (1997); Trends in Polym. Sci. 4:364 (1996); Water Cond. & Purif. 39:96 (1997)]. Polimer jest skuteczny w stosunku do szerokiego spektrum patogenów, obejmujących między innymi Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Candida albicans, Klebsiella terrigena, Legionella pneumophila i rotawirusy, co powoduje znaczące zmniejszenie w skali logarytmicznej czasu kontaktu do wielkości rzędu kilku sekund przy zastosowaniu do dezynfekcji wody. Ponadto jest on skuteczny przy wartościach pH co najmniej w zakresie 4,5 - 9,0 i w temperaturze co najmniej w zakresie 4 - 37°C, a ponadto może działać nawet w wodzie o wysokim zapotrzebowaniu chlorku z uwagi na obciążenie biologiczne.

Polimer biobójczy jest nierozpuszczalny w wodzie i związkach organicznych i w związku z tym nie będzie migrować w ciekłych ośrodkach. Zachowuje on trwałość przez długi okres czasu przy przechowywaniu w stanie suchym (trwałość co najmniej 1 rok w temperaturze otoczenia) i może być produkowany w skali przemysłowej. Na dodatek wszystkie otrzymane do tej pory dowody sugerują, że materiał jest nietoksyczny i w zetknięciu nie uczula ludzi ani zwierząt.

Liczne drobnoustroje, takie jak pewne bakterie, grzyby i drożdże mogą ułatwiać rozkład płynów ustrojowych, takich jak mocz i krew, albo tworzą błony biologiczne, które powodują nieprzyjemny zapach przydatnych pod innym względem produktów handlowych. Przykładowo wiadomo, że bakterie, takie jak Bacterium ammoniagenes i Proteus mirabilis wzmacniają rozkład mocznika z wytworzeniem drażniącego gazowego amoniaku, wedł ug mechanizmu obejmują cego katalizę enzymem ureazowym (patrz np. opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5992351). Wykazano, że wspomniany powyżej polimer (poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoina) skutecznie dezaktywuje Proteus mirabilis i tym samym ogranicza do minimum niepożądany zapach związany z gazowym amoniakiem (Zgłoszenie patentowe Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 09/685963, który wprowadza się jako źródło literaturowe). Ponadto polimer jest nierozpuszczalny w płynach ustrojowych, tak że nie migruje do powierzchni skóry, i zachowuje przydatność w takich zastosowaniach, jak jednorazowe pieluszki, wkładki dla osób nie trzymających moczu, bandaże, podpaski i wkł adki higieniczne.

Jednakże kompozycja poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny i jej zastosowanie jako środka biobójczego w filtrach do wody, opisane w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5490983 oraz jej zastosowanie do zwalczania nieprzyjemnego zapachu, opisane w zgłoszeniu patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 09/685963, dotyczą postaci materiału, który stanowił drobny proszek o znaczącym zapachu chloru. W takiej postaci materiał wykazywał skłonność do wywoływania nadmiernego ciśnienia wstecznego w zastosowaniach do filtracji wody, co spowalniało natężenie przepływu, a drobne cząstki mogły potencjalnie tworzyć aerozol w środowisku pracy, co stwarzało zagrożenie dla pracowników manipulujących materiałem. W związku z tym zaistniała potrzeba znalezienia sposobu wytwarzania materiału w postaci większych cząstek o mniejszej skłonności do ulatniania się chloru, ale przy zachowaniu biobójczej skuteczności.

PL 205 716 B1

Streszczenie wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest biobójcza perełka, charakteryzująca się tym, że zawiera:

polimeryczne łańcuchy o następującym wzorze chemicznym:

w którym,

X i X' oznaczają niezależnie atom chloru (Cl), bromu (Br) lub wodoru (H), z tym że co najmniej jeden z X i X' oznacza Cl lub Br; a

R¹ oznacza H lub metyl (CH3); przy czym stopień usieciowania perełki wynosi od 3% do 10%.

Korzystnie biobójcza perełka zawiera poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinę.

Korzystnie biobójcza perełka zawiera sól poli-1-chloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny z metalem alkalicznym lub wapniem, zwłaszcza z metalem alkalicznym wybranym z grupy obejmującej sód i potas.

Biobójcza perełka korzystnie zawiera mieszaninę poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny i soli poli-1-chloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny z metalem alkalicznym lub wapniem, zwłaszcza z metalem alkalicznym wybranym z grupy obejmującej sód i potas.

Biobójcza perełka korzystnie zawiera poli-1-chloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinę.

Korzystnie biobójcza perełka zawiera mieszaninę poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny i poli-1-chloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny.

Korzystnie biobójcza perełka zawiera poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinę.

Korzystnie biobójcza perełka zawiera sól poli-1-bromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny z metalem alkalicznym lub wapniem, zwłaszcza z metalem alkalicznym wybranym z grupy obejmującej sód i potas.

Biobójcza perełka korzystnie zawiera mieszaninę poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny i soli poli-1-bromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny z metalem alkalicznym lub wapniem, zwłaszcza z metalem alkalicznym wybranym z grupy obejmującej sód i potas.

Biobójcza perełka korzystnie zawiera poli-1-bromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinę.

Biobójcza perełka korzystnie zawiera mieszaninę poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny i poli-1-bromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny.

Przedmiotem wynalazku jest także sposób wytwarzania biobójczej perełki polimeru, charakteryzujący się tym, że: działa się na perełkę polistyrenu chlorkiem acetylu i disiarczkiem węgla w temperaturze 25°C w ciągu 2 godzin, z wytworzeniem perełki poli-4-winyloacetofenonu, przy czym perełka polistyrenu jest usieciowana co najmniej w około 5%; działa się na perełkę poli-4-winyloacetofenonu węglanem amonu i cyjankiem metalu alkalicznego oraz mieszaniną etanol/woda, w temperaturze 85°C w ciągu 14 godzin, z wytworzeniem perełki poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny;

oraz działa się na perełkę poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny chlorem lub bromem, z wytworzeniem biobójczej perełki polimeru.

Sposób korzystnie charakteryzuje się tym, że cyjanek metalu alkalicznego stanowi co najmniej jeden związek spośród cyjanku potasu i cyjanku sodu.

Przedmiotem wynalazku jest także sposób dezaktywacji drobnoustroju wrażliwego na fluorowiec, charakteryzujący się tym, że: łączy się polistyren usieciowany w co najmniej 5%, zawierający boczne grupy hydantoinowe, z materiałem absorpcyjnym, z wytworzeniem mieszaniny, w której co najmniej niektóre z grup hydantoinowych zawierają fluorowiec; oraz kontaktuje się mieszaninę z ośrodkiem zawierającym drobnoustrój wrażliwy na fluorowiec.

Przedmiotem wynalazku jest także sposób dezaktywacji drobnoustroju wrażliwego na fluorowiec, charakteryzujący się tym, że: umieszcza się polistyren usieciowany w co najmniej 5%, zawierający

PL 205 716 B1 boczne grupy hydantoinowe, w którym co najmniej niektóre z grup hydantoinowych zawierają fluorowiec, w urządzeniu filtracyjnym; oraz kontaktuje się z urządzeniem filtracyjnym ośrodek zawierający drobnoustrój wrażliwy na fluorowiec.

Korzystnie sposób charakteryzuje się tym, że ośrodek stanowi co najmniej jeden składnik spośród powietrza i wody.

Korzystnie w sposobie fluorowiec stanowi chlor, a zawartość chloru wynosi powyżej około 14% wag.

Korzystnie w sposobie fluorowiec stanowi brom, a ośrodkiem jest woda.

Korzystnie w sposobie zawartość bromu wynosi powyżej około 34% wagowych.

Wynalazek dotyczy więc sposobu wytwarzania, produktu i zastosowania nowych, silnie usieciowanych biobójczych hydantoin w filtrach do wody i powietrza i w postaci zmieszanej z materiałami absorpcyjnymi lub jako powłok zapobiegających wydzielaniu się przykrych zapachów powodowanych przez rozkład materiałów organicznych zawartych w płynach ustrojowych, na dywanach i włóknach tekstylnych oraz w filtrach powietrza itp.

Wynalazek ujawnia nowy sposób wytwarzania silnie usieciowanych biobójczych hydantoin z silnie usieciowanego polistyrenu. Odpowiedni stopień usieciowania wynosi ponad 5%. W takiej postaci hydantoinę wytwarza się raczej w postaci cząstek niż drobnego proszku. W jednej postaci cząstki mogą zawierać pory zwiększające skuteczność biobójcza. Z uwagi na silnie usieciowany charakter polimeru, reakcje mogą przebiegać w heterofazowych warunkach. W innej postaci obciążenie fluorowcem można regulować przez nastawianie pH stężenia fluorowca podczas etapu fluorowcowania.

W innym aspekcie wynalazek dotyczy nowej, silnie usieciowanej biobójczej hydantoiny.

Hydantoina zawiera polimeryczne łańcuchy o następującym wzorze chemicznym:

w którym

R¹ oznacza H lub metyl (CH3). Stopień usieciowania wynosi ponad 5%. W jednej z postaci hydantoinę można dostarczyć w postaci cząstki, przy czym cząstka jest w kształcie perełki. Jednakże inne postaci mogą dotyczyć silnie usieciowanej hydantoiny w dowolnym innym kształcie. W jednej postaci wymiar perełki wynosi ponad 100 μm lub około 100 - 1200 um. W innej postaci hydantoina zgodnie z wynalazkiem może zawierać pory, przy czym średnia wielkość porów wynosi ponad około 10 nm lub około 10 - 100 nm. Biobójcza hydantoina wytworzona sposobem według wynalazku stanowi silnie usieciowane polimery N-fluorowco-aminowe, poli-1,3-difluorowco-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinę, poli-1-fluorowco-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinę oraz pochodne w postaci soli z metalami alkalicznymi składników monofluorowcowych i ich mieszaniny, przy czym atomem fluorowca może być atom chloru lub bromu.

Biobójcza cząstkę wytworzoną zgodnie z wynalazkiem można stosować na różne sposoby, w celu osiągnięcia licznych zalet. W wyniku utworzenia zbioru wielu biobójczych cząstek, np. w urządzeniu filtracyjnym, można dostarczyć odpowiedni sposób dezaktywacji patogenicznych drobnoustrojów i wirusów zawartych w strumieniach wody lub powietrza w wyniku kontaktowania strumieni wody lub powietrza z filtrami. Biobójcze cząstki lub perełki, będą zapobiegać tworzeniu się lub ograniczać do minimum przykre zapachy w wyniku dezaktywacji na skutek kontaktu drobnoustrojów, które nasilają, na drodze enzymatycznej katalizy, rozkład składników organicznych w płynach ustrojowych do amoniaku lub innych drażniących materiałów. W jednym przypadku biobójcze perełki można zmieszać z materiałem absorpcyjnym z utworzeniem mieszaniny. Mieszaninę wprowadza się następnie do

PL 205 716 B1 dowolnego wyrobu, który będzie stykał się z płynami ustrojowymi, przy czym mieszanina będzie dezaktywować organizmy wrażliwe na fluorowiec. Biobójcza perełka wytworzona zgodnie z wynalazkiem, zapobiega powstawaniu lub ogranicza do minimum przykre zapachy na filtrach powietrza w wyniku dezaktywacji drobnoustrojów, takich jak te, które wydzielają zapach pleśni lub stęchlizny, jak również zapachy wydzielane przez dowolną ciecz lub aerozol, które mogą stykać się z powierzchnią perełek.

Szczegółowy opis korzystnej postaci

Wynalazek stanie się bardziej zrozumiały dzięki poniższemu szczegółowemu opisowi konkretnych postaci i włączonym przykładom.

W opisie „biobójczy polimer” dotyczy nowych N-fluorowcoaminowych polimerów, konkretnie poli-1,3-difluorowco-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny, poli-1-fluorowco-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny oraz pochodnych w postaci soli z metalami alkalicznymi składników monofluorowcowych i ich mieszanin, przy czym atomem fluorowca moż e być atom chloru lub bromu, choć nie ma to znaczenia ograniczającego, gdyż perełki dowolnego innego N-fluorowcoaminowego polimeru, porowate lub nieporowate, mogą zapewnić pewien stopień dezynfekcji i wykazywać zdolność ograniczania zapachu.

W opisie okreś lenie „perełka”, w liczbie pojedynczej lub mnogiej, dotyczy silnie usieciowanych polimerów polistyrenowych lub produktów ich reakcji. Perełki mogą mieć dowolną wielkość lub kształt, w tym kształt kulek przypominających perełki, ale mogą to być również cząstki o nieregularnym kształcie. Określenie „perełka” stosuje się wymiennie z cząstką.

W jednym aspekcie wynalazek dotyczy syntezy pierwszego zwią zku poś redniego, poli-4-winyloacetofenonu, przydatnego do wytwarzania silnie usieciowanych fluorowcowanych hydantoin, z uż yciem w jednym przypadku, porowatych pere ł ek silnie usieciowanego polistyrenu jako materiału wyjściowego do reakcji acylowania Friedela-Craftsa. Jednakże przydatny jest również dowolny inny silnie usieciowany polimer polistyrenowy. Uprzednio polistyren stosowany w tym etapie reakcji wykazywał minimalne usieciowanie, tak że był rozpuszczalny w rozpuszczalnikach do reakcji FriedelaCraftsa, takich jak disulfid węgla (opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5490983). Z uwagi na to, że reakcje chemiczne zazwyczaj przebiegają najlepiej, gdy wszystkie reagenty są rozpuszczone w rozpuszczalniku, aby zapewnić maksymalny kontakt reagentów, nieoczekiwanie okazało się, że w heterofazowej reakcji perełki silnie usieciowanego polistyrenu, nierozpuszczalne w disulfidzie węgla, będ ą dobrze reagować z chlorkiem acetylu w warunkach reakcji FriedelaCraftsa, z wytworzeniem perełek, w których poli-4-winyloacetofenon będzie tworzył się w całych porowatych perełkach.

W innym aspekcie wynalazek dotyczy heterofazowej reakcji perełek poli-4-winyloacetofenonu z węglanem amonu oraz cyjankiem (sodu lub potasu), z wytworzeniem perełek zawierają cych poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinę w całej ich porowatej strukturze, przydatną w wytwarzaniu silnie usieciowanych fluorowcowanych hydantoin. Uprzednio (opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5490983), minimalnie usieciowany poli-4-winyloacetofenon rozpuszczano w tym etapie w rozpuszczalniku, takim jak mieszanina etanol/woda, co prowadziło do powstania produktu w postaci drobnego proszku. Również w tym przypadku nieoczekiwanie okazał o się, że reakcja może przebiegać wydajnie z użyciem nierozpuszczonych porowatych perełek, prowadząc do produktu w postaci cząstek o wielkości podobnej do silnie usieciowanych perełek polistyrenowych.

W innym aspekcie wynalazek dotyczy heterofazowego fluorowcowania porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny, z wytworzeniem poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny lub poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny, albo ich monofluorowcowych pochodnych (protonowanych lub w postaci soli z metalem alkalicznym) lub dowolnej ich mieszaniny, w postaci perełek o właściwościach biobójczych, utrzymujących wielkość cząstek wyjściowych perełek z usieciowanego polistyrenu.

W innym aspekcie wynalazek dotyczy kontrolowania ilości biobójczego fluorowca kowalencyjnie związanego z pierścieniami hydantoiny na perełkach, poprzez stosowanie odczynnika fluorowcowego o kontrolowanym stężeniu i/lub przez nastawianie pH.

W innym aspekcie wynalazek dotyczy zastosowania pereł ek poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny i poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoin i ich monofluorowcowych pochodnych (protonowanych lub w postaci soli z metalem alkalicznym) oraz ich mieszanin, do dezaktywacji patogennych drobnoustrojów i wirusów w wodzie oraz do dezynfekcji powietrza i do dezaktywacji organizmów powodujących przykre zapachy.

PL 205 716 B1

W innym aspekcie wynalazek dotyczy silnie usieciowanej biobójczej perełki o nastę pują cym wzorze chemicznym:

w którym

X i X' oznaczają niezależnie atom chloru, bromu lub wodoru, z tym że co najmniej jeden z X i X' oznacza atom chloru lub bromu, a R¹ oznacza atom wodoru lub metyl. Nowość w przypadku biobójczej perełki stanowi to, że stosuje się wyjściowy związek, który stanowi silnie usieciowany polistyren o stopniu usieciowania powyżej 5%. Takie wyjściowe polimery polistyrenowe są dobrze znane. Jednakże dotychczas nie było znane ich zastosowanie do wytwarzania biobójczych związków według wynalazku. W jednej postaci perełki wytworzonej według wynalazku, perełka zawiera pory.

Wynalazek dotyczy także zastosowania nowego, silnie usieciowanego, porowatego N-fluorowcoaminowego biobójczego polimeru w celu dezaktywacji patogennych drobnoustrojów i wirusów w zastosowaniach do filtracji wody i powietrza, a tym samym zapewnienie, że woda i/lub powietrze będą bezpieczne w wykorzystaniu przez ludzi. Dotyczy on także zastosowania tego samego polimeru do dezaktywacji drobnoustrojów, takich jak bakterie, grzyby i drożdże, które mogą powodować nieprzyjemny zapach handlowych produktów, jakich jak jednorazowe pieluchy, wkładki dla osób nie trzymających moczu, bandaże, podpaski, wkładki higieniczne, gąbki, pokrycia materacy, wkładki do butów, wyściółki dla zwierząt, dywany, tkaniny i filtry powietrza, dzięki czemu produkty te będą wolne od nieprzyjemnych zapachów w normalnych warunkach użytkowania.

Perełki biobójczego polimeru do stosowania według wynalazku będą stosowane w jednym przypadku we wkładzie filtracyjnym przeznaczonym do dezynfekcji wody lub powietrza. Perełki biobójczego polimeru można np. zmieszać z materiałem absorpcyjnym, tak żeby udział biobójczego polimeru wynosił około 0,1 - 5,0 lub około 1,0% wag., w przypadku zastosowań związanych z płynami ustrojowymi, takich jak jednorazowe pieluchy, wkładki dla osób nie trzymających moczu, bandaże, podpaski, wkładki higieniczne, pokrycia materacy, wkładki do butów, gąbki i wyściółki dla zwierząt. W przypadku filtrów powietrza można zastosować techniki powlekania lub proste osadzanie cząstek biobójczego polimeru w dostępnym materiale filtracyjnym, w ilości około 0,1 - 2,0 lub około 0,5 - 1,0% wag. Jednakże dowolna ilość biobójczego polimeru wytworzonego zgodnie z wynalazkiem będzie wykazywać korzystne działanie biobójcze.

Sądzi się, że mechanizm, według którego biobójczy polimer realizuje działanie biobójcze, wynika z powierzchniowego kontaktu organizmu z grupami chlorowymi lub bromowymi kowalencyjnie związanymi z hydantoinowymi grupami funkcyjnymi polimeru. Atomy chloru lub bromu przenoszone są do komórek drobnoustrojów, gdzie mogą powodować dezaktywację według nie całkowicie zrozumiałego mechanizmu, ale prawdopodobnie obejmującego utlenianie podstawowych grup zawartych w enzymach obecnych w organizmach.

Uważa się, że wiele różnych urządzeń filtracyjnych, takich jak wkłady lub placki przekładkowe itp. można stosować z udziałem perełek biobójczego polimeru, wytworzonych zgodnie z wynalazkiem, od bardzo dużych jednostek w małych instalacjach do uzdatniania wody i w systemach dostarczania powietrza w dużych samolotach, hotelach i centrach zgromadzeń, do małych filtrów, które mogą być stosowane w karafkach używanych w gospodarstwie domowym oraz na kranach, a także w urządzeniach przenośnych w plecakach i do stosowania w warunkach polowych przez wojsko. Ponadto uważa się, że wiele różnych materiałów absorpcyjnych i wypełniaczy można stosować w połączeniu z biobójczym polimerem, aby ułatwić zapobieganie wydzielaniu się nieprzyjemnych zapachów. Dogodnie takie materiały będą umożliwiać kontaktowanie biobójczych cząstek z ośrodkiem zawierającym drobnoustroje, takim jak płyny, cząstki aerozolu i stałe zanieczyszczenia, przez wystarczająco długi

PL 205 716 B1 okres czasu, aby cząstki biobójczego polimeru mogły wejść w powierzchniowy kontakt z drobnoustrojami powodującymi powstawanie zapachów, oprócz pełnienia swych zwykłych funkcji chłonnych. Do takich materiałów należą, ale nie wyłącznie: pęczniejące glinki, zeolity, tlenek glinu, krzemionka, celuloza, ścier drzewny i superchłonne polimery. Materiał zwalczający zapachy może zawierać dodatkowe środki pomocnicze, takie jak dezodoranty, środki aromatyzujące, pigmenty, barwniki i ich mieszaniny, w celach kosmetycznych.

Znaczącą zaletę perełek biobójczego polimeru według wynalazku w stosunku do znanej technologii zwalczania zapachów stanowi to, że są one o wiele skuteczniejszymi środkami biobójczymi w stosunku do patogennych drobnoustrojów występujących w zastosowaniach medycznych, takich jak S. aureus i P. aeruginosa, niż handlowe środki biobójcze, takie jak czwartorzędowe sole amoniowe, tak że mogą spełniać podwójną rolę, czyli dezaktywację drobnoustrojów powodujących powstawanie zapachów, oraz chorobotwórczych patogenów. Z tego względu znajdą one szerokie zastosowanie w pomieszczeniach szpitalnych.

Należy zdawać sobie sprawę, że realizacja wynalazku dotyczy zapachów wydzielanych przez płyny pochodzące zarówno od ludzi, jak i od zwierząt, a także organizmów znajdujących się w wodzie i w powietrzu.

Należy podkreślić, że cząstki biobójczego polimeru, wytworzone zgodnie z wynalazkiem można otrzymywać jako cząstki o rozmaitej wielkości i kształcie, w zależności od wielkości i kształtu cząstek wyjściowego silnie usieciowanego materiału polistyrenowego. W jednym przypadku perełki są porowate w pewnym stopniu, co umożliwia prowadzenie na nich bardziej wydajnych heterofazowych reakcji, choć nieporowate perełki można również stosować, z tym że skuteczność biobójcza będzie wówczas niższa. W przypadku rozważanych zastosowań wielkość cząstek w postaci perełek biobójczego polimeru może wynosić około 100 - 1200 μm lub około 300 - 800 um. Taka wielkość cząstek zapewnia odpowiednią charakterystykę przepływu mikrobiologicznie zanieczyszczonych płynów bez ryzyka narażenia układu oddechowego pracowników na działanie drobnych cząstek w postaci aerozolu. Te dwa czynniki stanowią znaczące ulepszenie w stosunku do proszkowych wersji poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny lub poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny, ujawnionych w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5490983 i ich zastosowania do zwalczania zapachów, opisanego w zgłoszeniu patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 09/685963. W odniesieniu do rozważanych zastosowań wielkość porów w perełkach biobójczego polimeru może wynosić około 10 - 100 nm lub około 30 - 70 nm. Porowata struktura zapewnia dodatkową powierzchnię dla etapów heterofazowych reakcji, gdyż silnie usieciowane perełki są nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych i w wodzie. Dogodnie stopień usieciowania wyjściowego polistyrenowego materiału powinien wynosić około 3 - 10% wag., dla zapewnienia twardości i nierozpuszczalności lub około 5 - 8% wag., a nawet ponad 3% lub ponad 5%. Nieograniczające przykłady silnie usieciowanych, porowatych perełek polistyrenowych, które można stosować zgodnie z jedną postacią wynalazku, stanowią produkty dostępne z Suqing Group (Jiangyin, Jiangsu, ChRL) lub z the Purolite Company (Philadelphia, PA).

Zgodnie z jednym z aspektów wynalazku, w celu otrzymania silnie usieciowanej biobójczej hydantoiny, pierwszy etap obejmuje wytworzenie zawiesiny porowatych perełek silnie usieciowanego, polistyrenu w rozpuszczalniku Friedela-Craftsa, takim jak disulfid węgla, chlorek metylenu, nadmiar chlorku acetylu itp., a następnie reakcję z chlorkiem acetylu lub bezwodnikiem octowym itp., w obecności chlorku glinu lub chlorku galu w temperaturze wrzenia pod chłodnicą zwrotną. Wydzielony produkt, perełki poli-4-winyloacetofenonu, oczyszcza się przez obróbkę lodem/HCl, a następnie wrzącą wodą. Drugi etap reakcji według wynalazku obejmuje reakcję czystych perełek poli-4-winyloacetofenonu z cyjankiem potasu lub cyjankiem sodu i węglanem amonu lub dowolnym źródłem gazowego amoniaku w mieszaninie etanol/woda lub podobny rozpuszczalnik, w wysokociśnieniowym reaktorze mogącym zatrzymać gazowy amoniak powstały z węglanu amonu, przy czym w jednym przypadku reakcję prowadzi się w około 85°C, przy czym ciśnienie może zmieniać się wraz z ilością powstałego amoniaku. Otrzymuje się w ten sposób perełki poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny, które można oczyścić przez przemywanie wrzącą wodą. Trzeci etap reakcji według wynalazku obejmuje syntezę perełek biobójczego polimeru (poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny lub poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny) lub ich pochodnych monofluorowcowych w postaci protonowanej lub soli z metalem alkalicznym, przez poddanie perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny działaniu źródła wolnego chloru (np. gazowego chloru, podchlorynu sodu, podchlorynu wapnia, dichloroizocyjanuranu sodu itp.) lub wolnego bromu (np. ciekłego bromu, bromku sodu/peroksymonosiarczanu potasu itp.) w środowisku

PL 205 716 B1 wodnej zasady. Gdy stosuje się gazowy chlor, reaktor powinien być ochłodzony do temperatury około 10°C, aby ograniczyć do minimum niepożądane reakcje uboczne. Temperatura otoczenia może być stosowana w przypadku innych źródeł wolnego fluorowca, a reakcję można prowadzić w reaktorze lub in situ we wkładzie filtracyjnym napełnionym niefluorowcowanym prekursorem. Udział procentowy fluorowca na perełkach polimeru można ewentualnie regulować przez nastawianie pH. Przykładowo, przy pH 6-7 osiąga się maksymalne fluorowcowanie; natomiast przy pH w pobliżu 12 otrzymuje się monofluorowcowaną sól metalu alkalicznego. Przy pośrednich wartościach pH (7 - 11) otrzymuje się mieszaniny pochodnej difluorowcowej i monofluorowcowej. Wartość pH można nastawiać z użyciem kwasów, takich jak kwas chlorowodorowy lub octowy, albo zasad, takich jak wodorotlenek sodu lub węglan sodu. Wyższe zawartości wolnego chloru, powyżej 14% wag. chloru, są przydatne w zastosowaniach do dezynfekcji wody lub powietrza; natomiast pochodna monofluorowcowa lub jej sól z metalem alkalicznym jest przydatna w zastosowaniach do zwalczania zapachów. Natomiast w przypadku bromu zawartości ponad 34% są przydatne w zastosowaniach do dezynfekcji wody. Ale z uwagi na ulatnianie się bromu przy takich wysokich stężeniach, może być ona mniej przydatna w zastosowaniach w kontakcie z powietrzem.

Wynalazek jest bardziej szczegółowo opisany w poniższych przykładach, których zadaniem jest jedynie zilustrowanie wynalazku, gdyż dla specjalistów oczywiste są liczne modyfikacje i warianty.

P r z y k ł a d 1

Wytwarzanie chlorowanych perełek o maksymalnym obciążeniu chlorem

Porowate perełki polistyrenowe o stopniu usieciowania 5,6%, otrzymane z Suqing Group (Jiangyin, Jiangsu, ChRL), o wielkości cząstek w zakresie 250 - 600 μm i o wielkości porów około 50 nm, oczyszczono przez moczenie w acetonie przez 2 godziny w 25°C i przepuszczenie 2 porcji acetonu przez perełki na lejku filtracyjnym. Po wysuszeniu do stałej masy na powietrzu w 25°C, 50 g perełek przeprowadzono w zawiesinę w 300 ml disulfidu węgla w 500 ml kolbie i pozostawiono do spęcznienia na 15 minut. Następnie dodano 128,2 g bezwodnego chlorku glinu i mieszaninę mieszano przez 15 minut w 25°C. W trakcie ciągłego mieszania do kolby powoli dodano z wkraplacza mieszaninę mieszanin 59 g chlorku acetylu i 50 ml disulfidu węgla, w ciągu około 2 godzin, z utrzymywaniem temperatury 25°C. Mieszaninę ogrzewano w temperaturze wrzenia pod chłodnicą zwrotną przez 2 godziny. Produkt reakcji stanowiły porowate perełki poli-4-winyloacetofenonu. Etapy oczyszczania obejmowały obróbkę 600 ml mieszaniny lodu z HCl (2 części lodu/1 część HCl wagowo), następnie 5 porcjami po 600 ml wrzącej wody w odstępach 15 minutowych, a potem sączenie pod pompką ssawkową. Produkt na lejku filtracyjnym przemywano w sposób ciągły wrzącą wodą aż do otrzymania bezbarwnego przesączu i na koniec produkt wysuszono do stałej masy w 80°C. Otrzymano 64,4 g białych porowatych perełek poli-4-winyloacetofenonu; widmo w podczerwieni małej próbki perełek (roztartych na proszek) w pastylce KBr wykazało dominujące pasma przy 1601 i 1681 cm^-1, zgodne z widmem proszku poli-4-winyloacetofenonu, ujawnionym w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5490983, co stanowi oznakę wydajnej heterofazowej reakcji Friedela-Craftsa nierozpuszczalnych porowatych perełek z silnie usieciowanego polistyrenu.

Następnie 3,65 g porowatych perełek poli-4-winyloacetofenonu, 4,5 g cyjanku potasu, 14,4 g węglanu amonu i 80 ml mieszaniny etanol/woda (stosunek objętości 1:1) umieszczono w 300 ml wysokociśnieniowym reaktorze Parra. Mieszaninę poddawano reakcji w trakcie mieszania w 85°C przez 14 godzin. Produkt (porowate perełki poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylohydantoiny)) oczyszczono przez obróbkę 5 porcjami wrzącej wody, za każdym razem przez 15 minut, a następnie przepuszczanie wrzącej wody przez lejek filtracyjny aż do otrzymania bezbarwnego przesączu. Perełki wysuszono następnie na powietrzu w 80°C do stałej masy. Otrzymano 4,95 g białych porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny; widmo w podczerwieni małej próbki perełek (roztartych na proszek) w pastylce KBr wykazało dominujące pasma przy 1510, 1725 i 1778 cm^-1, zgodne z widmem proszku poli5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny, ujawnionym w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5490983, co stanowi oznakę wydajnej heterofazowej reakcji z nierozpuszczalnymi, porowatymi perełkami silnie usieciowanego poli-4-winyloacetofenonu.

Z kolei 5,0 g porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny przeprowadzono w zawiesinę w kolbie zawierającej 90 ml 1N wodorotlenku sodu i gazowy chlor powoli barbotowano przez zawiesinę utrzymywaną w temperaturze 10°C, aż roztwór stał się nasycony wolnym chlorem (zielony). Mieszaninę mieszano przez 1,5 godzin w 25°C bez dodatkowego wprowadzania gazowego chloru. Perełki odsączono i przemyto 5 porcjami po 50 ml wody i wysuszono na powietrzu. Otrzymano 6,5 g jasnożółtych, porowatych perełek poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny; widPL 205 716 B1 mo w podczerwieni małej próbki perełek (roztartych na proszek) w pastylce KBr wykazało dominujące pasma przy 1756 i 1807 cm^-1, zgodne z widmem proszku poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4-winylofenylo)hydantoiny, ujawnionym w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5490983, co stanowi oznakę wydajnej heterofazowej reakcji chloru z nierozpuszczalnymi perełkami silnie usieciowanej poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny. Jodometryczne/tiosiarczanowe miareczkowanie odważonej próbki pokruszonych perełek wykazało, że perełki zawierały 20,0% wag. chloru. Ponadto perełki zachowały swój kształt we wszystkich etapach reakcji i nieznacznie zwiększyły się (do 400-800 um) na skutek pęcznienia.

P r z y k ł a d 2

Biobójcza skuteczność chlorowanych perełek przy maksymalnym obciążeniu chlorem

Perełki otrzymane w przykładzie 1 zbadano pod względem działania biobójczego w stosunku do kilku patogenów zawartych w wodzie. W jednym teście około 3,9 g chlorowanych perełek umieszczono w szklanej kolumnie o średnicy wewnętrznej 1,3 cm na długości około 7,6 cm; objętość pustego złoża wynosiła 3,3 ml. Identyczną kolumnę z próbką niechlorowanych perełek przygotowano do zastosowania w celach kontrolnych. Po przemyciu kolumny wolną od zapotrzebowania wodą do wykrywanej zawartości wolnego chloru w odcieku poniżej 0,2 mg/litr, wodny roztwór 50 ml buforowanej fosforanem, wolnej od zapotrzebowania wody o pH 7,0, zawierającej 6,9 x 10⁶ CFU (jednostek tworzących kolonie)/ml Gram-dodatniej bakterii Staphylococcus aureus (ATCC 6538) pompowano przez kolumnę z natężeniem przepływu około 3,0 ml/s. Odciek zablokowano 0,02 N tiosiarczanem sodu przed wysianiem. Wszystkie bakterie zostały zdezaktywowane przy jednorazowym przejściu przez kolumnę, czyli nastąpiło 6,9-krotne zmniejszenie zawartości w skali logarytmicznej przy czasie kontaktu mniejszym lub równym 1,1 s. Ten sam wynik osiągnięto w przypadku Gram-dodatniej bakterii 0157:H7 Escherichia coli (ATCC 43895) przy stężeniu 8,5 x 10⁶ CFU/ml, czyli 7,0-krotne zmniejszenie zawartości w skali logarytmicznej przy czasie kontaktu mniejszym lub równym 1,1 s. W kolumnie kontrolnej zawierającej niefluorowcowane perełki nie osiągnięto zmniejszenia zawartości żadnej z bakterii przy czasie kontaktu 1,6 s przy zastosowaniu inokulum w takim samym stężeniu.

Wyniki w tym przykładzie wskazują, że porowate perełki całkowicie chlorowanej poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny wykazują znaczącą skuteczność w stosunku do różnych patogenów w roztworze wodnym i powinny doskonale nadawać się do dezynfekcji wody zawierającej te patogeny.

P r z y k ł a d 3

Wytwarzanie i badanie biobójczej skuteczności bromowanych perełek

5,0 g porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny, otrzymanych w sposób opisany w przykładzie 1 przeprowadzono w zawiesinę w kolbie zawierającej 50 ml 2 N NaOH. W trakcie mieszania zawiesiny 10,0 g ciekłego bromu wkroplono w 25°C w ciągu 10 minut. Wartość pH doprowadzono do 6,4 przez dodanie 4 N kwasu octowego i mieszaninę mieszano w 25°C bez wprowadzania dodatkowej ilości bromu przez 1 godzinę. Bromowane perełki odsączono i przemyto 5 razy porcjami po 100 ml wody wodociągowej i wysuszono na powietrzu w 25°C przez 8 godzin. Jodometryczne/tiosiarczanowe miareczkowanie wykazało, że perełki zawierały 36,8% wag. bromu. Widmo w podczerwieni małej próbki perełek (roztartych na proszek) w pastylce KBr wykazało dominujące pasma przy 1724 i 1779 cm^-1, zgodne z widmem proszku poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny, otrzymanej wcześniej z rozpuszczalnych pastylek polistyrenu, co stanowi oznakę wydajnej heterofazowej reakcji bromu z porowatymi perełkami nierozpuszczalnej, silnie usieciowanej poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny. Zaobserwowano również słabe pasmo przy 1602 cm^-1 wskazujące na obecność niewielkiej ilości monobromowanej soli sodowej. Pasmo to staje się dominujące (co wskazuje na to, że głównym produktem jest monobromowa sól sodowa), gdy reakcje bromowania przeprowadza się przy pH 8,5.

Przygotowano kolumnę wypełnioną silnie bromowanymi perełkami (objętość pustego złoża 3,1 ml), w sposób podobny do opisanego w przykładzie 2. Po przemyciu kolumny wolną od zapotrzebowania wodą do wykrywanej zawartości wolnego bromu w odcieku poniżej 1 mg/litr, wodny roztwór 50 ml buforowanej fosforanem, wolnej od zapotrzebowania wody o pH 7,0, zawierającej 6,9 x 10⁶ CFU (jednostek tworzących kolonie)/ml Gram-dodatniej bakterii Staphylococcus aureus (ATCC 6538) pompowano przez kolumnę z natężeniem przepływu około 3,0 ml/s. Odciek zablokowano 0,02 N tiosiarczanem sodu przed wysianiem. Wszystkie bakterie zostały zdezaktywowane przy jednorazowym przejściu przez kolumnę, czyli nastąpiło 6,9-krotne zmniejszenie zawartości w skali logarytmicznej przy czasie kontaktu mniejszym lub równym 1,0 s. Ten sam wynik osiągnięto w przypadku Gram-dodatniej

PL 205 716 B1 bakterii 0157:H7 Escherichia coli (ATCC 43895) przy stężeniu 8,5 x 10⁶ CFU/ml, czyli 7,0-krotne zmniejszenie zawartości w skali logarytmicznej przy czasie kontaktu mniejszym lub równym 1,1 s. W kolumnie kontrolnej zawierającej niefluorowcowane perełki nie osiągnięto zmniejszenia zawartości żadnej z bakterii przy czasie kontaktu 1,6 s przy zastosowaniu inokulum w takim samym stężeniu.

Wyniki w tym przykładzie wskazują, że porowate perełki całkowicie bromowanej poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny wykazują znaczącą skuteczność zarówno w stosunku do Gram-dodatnich, jak i Gram-ujemnych bakterii w roztworze wodnym i powinny doskonale nadawać się do dezynfekcji wody zawierającej te patogeny.

P r z y k ł a d 4

Regulowanie obciążenia chlorem porowatych perełek Przeprowadzono serię doświadczeń w celu ustalenia środków do regulacji obciążenia fluorowcem porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny. W doświadczeniach tych obciążenie regulowano dwoma sposobami przez nastawianie stężenia dodawanego fluorowca i nastawianie pH zawiesiny porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny.

Sposób wytwarzania perełek o bardzo wysokim obciążeniu chlorem (około 20% wag.) z zastosowaniem gazowego chlorku przedstawiono w przykładzie 1. Widmo w podczerwieni tych perełek (roztartych na proszek) w pastylce KBr wykazywało dominujące pasma przy 1756 i 1807 cm^-1 i brak dominującego pasma w okolicy 1600 cm^-1 charakterystycznego dla monochlorowanej soli sodowej, co oznacza, że pierścień hydantoiny zawierał atomy chloru związane z obydwoma jego atomami azotu.

Perełki o obciążeniu chlorem około 17% wag. otrzymano jednym z dwóch sposobów. Zgodnie z jedną procedurą 2,2 g porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny przeprowadzono w zawiesinę w 15 ml technicznego podchlorynu sodu (12,5% NaOCl) i 15 ml wody. Wartość pH doprowadzono do około 8,0 przez dodanie 2 N HCl. Zawiesinę mieszano w 25°C przez 1 godzinę, przesączono ją, przemyto 5 razy porcjami po 50 ml wody i wysuszono na powietrzu przez 8 godzin. Jodometryczne/tiosiarczanowe miareczkowanie wykazało, że obciążenie chlorem wyniosło 16,9% wag. Widmo w podczerwieni perełek (roztartych na proszek) w pastylce KBr wykazało znaczące pasma przy 1751 i 1805 cm^-1 i słabe pasmo w okolicy 1609 cm^-1, co wskazywało przede wszystkim na pochodną dichlorową, z tym że obecna była niewielka ilość soli sodowej pochodnej monochlorowanej. Przy zastosowaniu takiej samej techniki, ale z tą jedyną różnicą, że wartość pH obniżono do 8,8 za pomocą HCl, zmiareczkowana zawartość chloru wyniosła jedynie 13,3% wag., a widmo w podczerwieni zawierało znaczące pasma przy 1602, 1731 i 1801 cm^-1; dwa pasma o niskiej częstotliwości miały podobne natężenia, co wskazywało na mieszaninę pochodnej dichlorowej i znaczącej ilości soli sodowej pochodnej monochlorowej. Zgodnie z inną procedurą perełki najpierw poddano chlorowaniu do wyższego obciążenia, a następnie potraktowano zasadą co spowodowało częściowe powstanie soli sodowej. 8,1 g porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny przeprowadzono w zawiesinę w 50 ml technicznego podchlorynu sodu (12,5% NaOCl) i 100 ml wody. Wartość pH roztworu doprowadzono do około 6,5 przez dodanie 2 N HCl. Zawiesinę mieszano w 25°C przez 1 godzinę, przesączono, przemyto 5 razy porcjami po 100 ml wody i wysuszono na powietrzu przez 8 godzin. Jodometryczne/tiosiarczanowe miareczkowanie wykazało, że obciążenie chlorem wyniosło 19,0% wag. Widmo w podczerwieni perełek (roztartych na proszek) w pastylce KBr wykazało znaczące pasma przy 1751 i 1806 cm^-1 i prawie całkowity brak pasma w okolicy 1600 cm^-1, co wskazywało przede wszystkim na pochodną dichlorową. Następnie 2,8 g perełek namoczono w 60 ml 0,05 N NaOH w 25°C przez 5 minut, odsączono, przemyto 5 razy porcjami po 50 ml wody i wysuszono na powietrzu przez 8 godzin. Obróbka ta spowodowała spadek obciążenia chlorem do 15,5% wag. (pasma IR przy 1601, 1749 i 1804 cm^-1). Pasmo 1601 cm^-1 miało umiarkowane natężenie, ale było słabsze niż w przypadku opisanej powyżej próbki, obciążonej jedynie 13,3% chloru, co wskazuje na mniejszy udział soli sodowej monochlorowanej pochodnej w tej próbce. Natomiast, gdy 1,0 g tego samego materiału (19,0% wag. obciążenia chlorem) namoczono w 100 ml nasyconego roztworu NaHCO3, będącego o wiele słabszą zasadą niż NaOH, na 40 minut w 25°C, a następnie odsączono, przemyto 5 razy porcjami po 50 ml wody i wysuszono na powietrzu przez 8 godzin, otrzymane perełki wykazywały obciążenie chlorem 17,3% wag. (pasma IR przy 1607 (słabe), 1751 (silne) i 1806 (umiarkowane) cm^-1), co wskazuje, że perełki zawierały przede wszystkim dichlorową pochodną, ale również pewną ilość soli sodowej monochlorowej pochodnej.

Perełki o obciążeniu chlorem około 10% wag. można również otrzymać dwoma sposobami. Zgodnie z jednym sposobem 2,8 g porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny, chlorowanych przy pH 6,5 (do osiągnięcia obciążenia chlorem 19,0% wag.) namoczono w 60 ml 0,05 N NaOH na 20 minut w 25°C, po czym odsączono, przemyto 5 razy porcjami po 50 ml wody i wysuszono na

PL 205 716 B1 powietrzu przez 8 godzin. Otrzymano perełki o obciążeniu chlorem 10,8% wag. (pasma IR przy 1599 (bardzo mocne), 1728 (umiarkowane) i 1784 (słabe) cm^-1), co wskazuje, że perełki zawierały przede wszystkim sól sodową monochlorowanej pochodnej, ale także pewną ilość pochodnej dichlorowej. Zgodnie z drugą procedurą 6,2 g porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny mieszano z 50 ml technicznego 12,5% wag. NaOCl i 10 0 ml wody bez regulacji pH (wartość pH zawiesiny wynosiła 12,5) przez 45 minut (podobny wynik otrzymano po 5 minutach) w 25°C. Perełki następnie odsączono, przemyto 5 razy porcjami po 50 ml wody i wysuszono na powietrzu przez 8 godzin. Otrzymano perełki o obciążeniu chlorem 10,3% wag. (pasma IR przy 1598 (bardzo mocne), 1724 (umiarkowane) i 1784 (słabe) cm^-1), co wskazuje, że perełki zawierały głównie sól sodową pochodnej monochlorowej, ale również pewną ilość pochodnej dichlorowej, podobnie jak w przypadku pierwszej procedury. Nawet przy dużym nadmiarze stechiometrycznym wolnego chloru z NaOCl, perełki uległy chlorowaniu tylko do poziomu 10,3% przy naturalnym silnie zasadowym pH zawiesiny. W celu osiągnięcia wyższego obciążenia chlorem, konieczne jest obniżenie wartości pH.

Perełki o obciążeniu chlorem poniżej około 10% wag. można otrzymać przez obniżenie ilości wolnego chloru dostępnego do reakcji z perełkami. Przykładowo, próbki 1,0 g porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny poddano reakcji w trakcie mieszania z 3 różnymi objętościami nasyconego roztworu podchlorynu wapnia (1165 mg/litr wolnego Cl⁺) przez 1 godzinę w 25°C. Po odsączeniu, przemyciu wodą i wysuszeniu na powietrzu, próbki zmiareczkowano w celu oznaczenia ze zawartości chloru. Otrzymano następujące wyniki (ml roztworu Ca(OCl)2, % wag. Cl): 100, 6,8%; 150, 9,8%; 200, 10,2%. Widmo w podczerwieni próbki o obciążeniu 6,8% wag. zawierało bardzo mocne pasmo przy 1596 cm^-1 przyporządkowane soli wapniowej monochlorowanej pochodnej oraz dominujące pasma przy 1728 i 1782 cm^-1, które można przyporządkować nieprzereagowanej poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinie. Podobne wyniki otrzymano, gdy jako źródło wolnego chlorku zastosowano NaOCl w ilości mniejszej od stechiometrycznej.

Dowolną sól sodową monochlorowej pochodnej można przekształcić w jej postać protonowaną (porowate perełki poli-1-chloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny) przez dodanie rozcieńczonego kwasu po wydzieleniu soli. Przykładowo, 3,2 g opisanych powyżej perełek zawierających 10,3% wag. chloru zanurzono w 50 ml 0,6 N HCl na 3 minuty, w trakcie mieszania w 25°C. Po odsączeniu, przemyciu 5 razy porcjami po 50 ml wody i wysuszeniu na powietrzu przez 8 godzin w 25°C, próbkę zmiareczkowano i stwierdzono obciążenie chlorem 10,8% wag. Widmo w podczerwieni roztartych perełek zawierało dominujące pasma przy 1730 i 1791 cm^-1, ale silne, szerokie pasmo występujące przy 1598 cm^-1, odpowiadające soli sodowej monochlorowanej pochodnej zanikło, a pozostało jedynie słabe, ostre pasmo przy 1607 cm^-1 przyporządkowane pierścieniom aromatycznym rdzenia polistyrenowego.

W związku z tym % wag. fluorowca zawartego w biobójczych porowatych perełkach można kontrolować poprzez regulację ilości dodanego fluorowca i/lub przez regulację pH wodnej zawiesiny porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny. Ponadto monochlorową pochodną można wydzielić w postaci soli z metalem alkalicznym w wyniku obróbki zasadą lub w postaci protonowanego analogu w wyniku obróbki kwasem. Postać końcowego produktu ma istotne znaczenie w odniesieniu do przewidywanego zastosowania. Przy stosowaniu do dezynfekcji wody, zazwyczaj wymagany jest % wagowy chloru w zakresie 10 - 17%; natomiast przy stosowaniu do zwalczania zapachów wystarcza % wagowy chloru w zakresie 6 - 10%.

P r z y k ł a d 5

Biobójcza skuteczność perełek o średnim i niskim obciążeniu chlorem

Skuteczność porowatych perełek o średnim i niskim obciążeniu chlorem w stosunku do bakterii

S. aureus (ATCC 6538) oznaczano w teście kolumnowym opisanym w przykładzie 2. Przez 3,11 g perełek zawierających przede wszystkim sól sodową monochlorowanej pochodnej (10,2% wag. chloru) przy objętości pustego złoża 4,10 ml przepuszczono 50 ml preparatu S. aureus o stężeniu około 1,1 x 10⁷CFU/ml przy natężeniu przepływu 2,9 ml/s. Stwierdzono całkowite 7,1-krotne zmniejszenie stężenia w skali logarytmicznej przy czasie kontaktu w przedziale 1,4 - 2,8 s. W przypadku 3,02 g pereł ek zawierających przede wszystkim sól wapniową pochodnej monochlorowanej (6,8% wag. chloru) przy objętości pustego złoża 4,39 ml, przez które przepuszczono 50 ml preparatu S. aureus o stężeniu około 1,3 x 10⁷CFU/ml przy natężeniu przepływu 3,0 ml/s, całkowite 7,2-krotne zmniejszenie stężenia w skali logarytmicznej stwierdzono przy czasie kontaktu w przedziale 1,5 - 3,0 s. W przypadku 3,06 g perełek zawierających przede wszystkim monochlorowaną protonowaną pochodną (10,5% wag. chloru) przy objętości pustego złoża 3,84 ml, przez które przepuszczono 50 ml preparatu S. aureus o stężeniu około 1,1 x 10⁷ CFU/ml przy natężeniu przepływu 3,0 ml/s, całkowite 7,1-krotne zmniejszenie stężenia w skali logarytmicznej

PL 205 716 B1 stwierdzono przy czasie kontaktu 1,3 s. W związku z tym perełki z solą metalu alkalicznego pochodnej monochlorowej przy średnim i niskim obciążeni chlorem są w dalszym ciągu biobójcze przy krótkim czasie kontaktu, choć nie są tak skuteczne jak perełki o wysokim obciążeniu chlorem, opisane w przykładzie 2. Także protonowane postacie takich perełek wykazują działanie biobójcze przy nieco krótszym czasie kontaktu w porównaniu z ich analogami w postaci soli z metalami alkalicznymi.

P r z y k ł a d 6

Perełki o wyższym stopniu usieciowania

Porowate perełki polistyrenowe o stopniu usieciowania 8%, otrzymane z Purolite Company (Philadelphia, PA), o wielkości cząstek w zakresie 350 - 950 um i wielkości porów w zakresie 20 - 40 nm, zastosowano bez wstępnego oczyszczania. 20,8 g perełek przeprowadzono w zawiesinę w 150 ml disulfidu węgla i pozostawiono do spęcznienia na 15 minut w 25°C. Następnie dodano 53,4 g bezwodnego chlorku glinu i mieszaninę mieszano przez 15 minut w 25°C. W trakcie ciągłego mieszania do kolby powoli dodano z wkraplacza 23,6 g chlorku acetylu, w ciągu 45 minut, z utrzymywaniem temperatury 25°C. Mieszaninę ogrzewano w temperaturze wrzenia pod chłodnicą zwrotną przez 2 godziny. Produkt rekcji stanowiły porowate perełki poli-4-winyloacetofenonu. Etap oczyszczania obejmował obróbkę 600 ml mieszaniny lodu z HCl (2 części lodu/1 część HCl wagowo), a następnie 5 porcji po 600 ml wrzącej wody po 15 minut oraz filtracja pod pompką ssawkową. Produkt na lejku filtracyjnym przemywano w sposób ciągły wrzącą wodą aż do otrzymania bezbarwnego przesączu i na koniec produkt wysuszono do stałej masy w 80°C. Otrzymano 26,5 g białych porowatych perełek poli-4-winyloacetofenonu; widmo w podczerwieni małej próbki perełek (roztartych na proszek) w pastylce KBr wykazało dominujące pasma przy 1604 i 1683 cm^-1, zgodne z widmem proszku poli-4-winyloacetofenonu, ujawnionym w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5490983, co stanowi oznakę wydajnej heterofazowej reakcji Friedela-Craftsa nierozpuszczalnych porowatych perełek z silnie usieciowanego polistyrenu.

Następnie 11,0 g porowatych perełek poli-4-winyloacetofenonu, 13,5 g cyjanku potasu, 43,2 g węglanu amonu i 120 ml mieszaniny etanol/woda (stosunek objętościowy 1:1) umieszczono w 300 ml wysokociśnieniowym reaktorze Parra. Mieszaninę poddawano reakcji w trakcie mieszania w 85°C przez 14 godzin. Produkt (porowate perełki poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylohydantoiny)) oczyszczono przez obróbkę 5 porcjami wrzącej wody, za każdym razem przez 15 minut, a następnie przepuszczanie wrzącej wody przez lejek filtracyjny aż do otrzymania bezbarwnego przesączu. Perełki wysuszono następnie na powietrzu w 80°C do stałej masy. Otrzymano 14,7 g białych porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny; widmo w podczerwieni małej próbki perełek (roztartych na proszek) w pastylce KBr wykazało dominujące pasma przy 1509, 1724 i 1786 cm^-1, zgodne z widmem proszku poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny, ujawnionym w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5490983, co stanowi oznakę wydajnej heterofazowej reakcji z nierozpuszczalnymi, porowatymi perełkami silnie usieciowanego poli-4-winyloacetofenonu.

Z kolei 4,0 g porowatych perełek poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny przeprowadzono w zawiesinę w kolbie zawierającej 60 ml wody i 30 ml NaOCl o stężeniu 12,5% wag.; 2 N HCl zastosowano w celu doprowadzenia pH do 7,8. Mieszaninę mieszano przez 1 godzinę w 25°C i perełki odsączono i przemyto 5 porcjami po 50 ml wody i wysuszono na powietrzu przez 8 godzin. Widmo w podczerwieni małej próbki perełek (roztartych na proszek) w pastylce KBr wykazało dominujące pasma przy 1749 i 1806 cm^-1, zgodne z widmem proszku poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny, ujawnionym w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5490983, co stanowi oznakę wydajnej heterofazowej reakcji chloru z nierozpuszczalnymi perełkami silnie usieciowanej poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny. Jodometryczne/tiosiarczanowe miareczkowanie odważonej próbki pokruszonych perełek wykazało, że perełki zawierały 10,5% wag. chloru. Niższa zawartość procentowa chloru w porównaniu z zawartością stwierdzoną w perełkach opisanych w przykładzie 1 świadczy o wyższym stopniu usieciowania tych perełek i obecności pewnej ilości monochlorowanej pochodnej, a także poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny. Perełki zachowały swój kształt we wszystkich etapach reakcji i nieznacznie zwiększyły się (do 600 - 800 um) na skutek pęcznienia. Gdy porowate perełki poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny chlorowano z użyciem 12,5% wag. NaOCl bez nastawiania pH, zmiareczkowane obciążenie chlorem wynosiło 8,9% wag., a widmo w podczerwieni zawierało pasma przy 1600 (bardzo mocne) i 1718 (umiarkowane) cm^-1, co wskazuje na obecność soli sodowej pochodnej monochlorowej.

Test w kolumnie przeprowadzono z użyciem opisanych powyżej perełek zawierających 10,5% wag. chloru. W kolumnie umieszczono 3,26 g perełek; objętość pustego złoża wynosiła 2,83 ml. Całkowitą

PL 205 716 B1 dezaktywację (6,9 w skali logarytmicznej) S. aureus (ATCC 6538) osiągnięto przy jednokrotnym przejściu przez kolumnę przy czasie kontaktu mniejszym lub równym 1 s.

W związku z tym można wyciągnąć wniosek, że wyjściowy polistyren o różnym stopniu usieciowania i o zmiennej wielkości cząstek i porów można stosować z powodzeniem do dezynfekcji, pod warunkiem że stopień usieciowania jest wystarczający do tego, aby zapobiec rozpuszczaniu się perełek w dowolnym etapie reakcji.

P r z y k ł a d 7

Kontrola zapachu

Perełki otrzymane w sposób opisany w przykładzie 4 o różnym obciążeniu chlorem (16,5% - przede wszystkim poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoina; 10,2% - mieszanina pochodnej dichlorowej i soli sodowej pochodnej monochlorowej; 7,3% - przede wszystkim poli-1-chloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoina) oceniono pod względem ich skuteczności w zwalczaniu wydzielania amoniaku w wyniku dezaktywacji Proteus mirabilis.

Mieszanki 5 - 10 mg chlorowanych perełek i 1,0 g ścieru drzewnego (0,5 lub 1,0% wag. perełek) przygotowano przez zmieszanie w 200 ml wody destylowanej w mieszarce (Hamilton Beach 7 Blend Master Model 57100, nastawiony na ubijanie piany). Po przesączeniu pod próżnią, w wyniku której otrzymano wkładki ze ścieru drzewnego, oraz wysuszeniu na powietrzu w 25°C, próbki umieszczono na płytkach Petriego.

Przygotowano inokulum znane z powodowania wysokiego poziomu zapachu. Kompozycja zawierała 9 ml mieszaniny 25 ml uśrednionego moczu kobiety i 1,25 g mocznika oraz 1 ml wodnej zawiesiny Proteus mirabilis o stężeniu 1,3 x 10⁸ CFU/ml.

Każdą próbkę, w tym kontrolny ścier drzewny bez biobójczego polimeru, zaszczepiono 1 ml opisanej powyżej kompozycji i płytki Petriego po uszczelnieniu parafiną inkubowano w 37°C przez 24 godziny. W próbkach oznaczono następnie powstały amoniak za pomocą rurek Dragera (Fisher Scientific, Pittsburgh, PA i Lab Safety Supply, Janesville, WI), zdolnych do wykrywania amoniaku w zakresie 0,25 - 30 mg/litr. W próbkach kontrolnych oznaczone stężenie amoniaku wynosiło ponad 30 mg/litr, natomiast we wszystkich próbkach zawierających 0,5 i 1,0% chlorowanych perełek (7,3 - 16,5% wag. chloru) oznaczone stężenie amoniaku wynosiło poniżej 0,25 mg/litr.

Można stąd wyciągnąć wniosek, że porowate chlorowane perełki są wysoce skuteczne w zapobieganiu wydzielania amoniaku, a tym samym i nieprzyjemnego zapachu, nawet przy niskoprocentowych mieszankach z materiałem absorpcyjnym, takim jak ścier drzewny.

Claims

1. Biobójcza perełka, znamienna tym, że zawiera:

polimeryczne łańcuchy o następującym wzorze chemicznym:

w którym,

2. Biobójcza perełka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinę.

PL 205 716 B1

3. Biobójcza perełka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera sól poli-1-chloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny z metalem alkalicznym lub wapniem.

4. Biobójcza pere ł ka wedł ug zastrz. 3, znamienna tym, ż e metal alkaliczny jest wybrany z grupy obejmującej sód i potas.

5. Biobójcza perełka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera mieszaninę poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny i soli poli-1-chloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny z metalem alkalicznym lub wapniem.

6. Biobójcza pere ł ka wedł ug zastrz. 5, znamienna tym, ż e metal alkaliczny jest wybrany z grupy obejmującej sód i potas.

7. Biobójcza perełka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera poli-1-chloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinę.

8. Biobójcza perełka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera mieszaninę poli-1,3-dichloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny i poli-1-chloro-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny.

9. Biobójcza perełka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinę.

10. Biobójcza perełka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera sól poli-1-bromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny z metalem alkalicznym lub wapniem.

11. Biobójcza perełka według zastrz. 10, znamienna tym, że metal alkaliczny jest wybrany z grupy obejmują cej sód i potas.

12. Biobójcza perełka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera mieszaninę poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny i soli poli-1-bromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny z metalem alkalicznym lub wapniem.

13. Biobójcza perełka według zastrz. 12, znamienna tym, że metal alkaliczny jest wybrany z grupy obejmują cej sód i potas.

14. Biobójcza perełka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera poli-1-bromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoinę.

15. Biobójcza perełka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera mieszaninę poli-1,3-dibromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny i poli-1-bromo-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny.

16. Sposób wytwarzania biobójczej perełki polimeru, znamienny tym, że:

działa się na perełkę polistyrenu chlorkiem acetylu i disiarczkiem węgla w temperaturze 25°C w cią gu 2 godzin, z wytworzeniem perełki poli-4-winyloacetofenonu, przy czym perełka polistyrenu jest usieciowana co najmniej w około 5%;

działa się na perełkę poli-4-winyloacetofenonu węglanem amonu i cyjankiem metalu alkalicznego oraz mieszaniną etanol/woda, w temperaturze 85°C w ciągu 14 godzin, z wytworzeniem perełki poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny; oraz działa się na perełkę poli-5-metylo-5-(4'-winylofenylo)hydantoiny chlorem lub bromem, z wytworzeniem biobójczej perełki polimeru.

17. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że cyjanek metalu alkalicznego stanowi co najmniej jeden związek spośród cyjanku potasu i cyjanku sodu.

18. Sposób dezaktywacji drobnoustroju wrażliwego na fluorowiec, znamienny tym, że: łączy się polistyren usieciowany w co najmniej 5%, zawierający boczne grupy hydantoinowe, z materiałem absorpcyjnym, z wytworzeniem mieszaniny, w której co najmniej niektóre z grup hydantoinowych zawierają fluorowiec; oraz kontaktuje się mieszaninę z ośrodkiem zawierającym drobnoustrój wrażliwy na fluorowiec.

19. Sposób dezaktywacji drobnoustroju wrażliwego na fluorowiec, znamienny tym, że: umieszcza się polistyren usieciowany w co najmniej 5%, zawierający boczne grupy hydantoinowe, w którym co najmniej niektóre z grup hydantoinowych zawierają fluorowiec, w urządzeniu filtracyjnym; oraz kontaktuje się z urządzeniem filtracyjnym ośrodek zawierający drobnoustrój wrażliwy na fluorowiec.

20. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że ośrodek stanowi co najmniej jeden składnik spośród powietrza i wody.

21. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że fluorowiec stanowi chlor, a zawartość chloru wynosi powyżej około 14% wag.

22. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że fluorowiec stanowi brom, a ośrodkiem jest woda.

23. Sposób według zastrz. 22, znamienny tym, że zawartość bromu wynosi powyżej około 34% wag.