説明

有機リン誘導体及びその脱共役剤としての使用

本発明は、式(1)(nは、4〜20、好ましくは5〜10からなる数であり、mは0〜10、好ましくは0〜1の数であり、Yは陰イオンである。)の有機ホスホニウム誘導体に関するものである。
また、本発明は、同誘導体の製造方法及び水溶液系での細菌バイオマスの増殖を制御する方法であって、上記有機ホスホニウム誘導体から選択される脱共役剤の有効量を該水溶液系に添加し又は該水溶液系と接触させることを含む方法に関するものでもある。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、有機ホスホニウム誘導体、それらの製造方法及びそれらの脱共役剤としての使用に関する。
【0002】
本発明は、水性系、特に廃水処理場での細菌バイオマス制御の範囲内での使用を目的とした脱共役剤並びにこれらの脱共役剤の使用及びこれらの脱共役剤の使用方法に関するものである。
【背景技術】
【0003】
分子の脱共役活性は、有機分子の生物学的分解により廃水のバイオマス生成量を減少させると共に細菌細胞の精製活性を維持するように細菌細胞のエネルギーに作用することにある。細胞の呼吸に関与する生化学及び機構の詳しい内容は、例えば「Biochemistry」,第3版,著者:Lubert Stryer,編者:W.H.Freemen & Company,New York,USA,1998及び「General Microbiology」,第3版,著者:Roger Y.Stanier,Michael Doudoroff及びEdward A.Adelberg,編者:Macmillan,1971で議論されている。
【0004】
細菌増殖に対する分子の脱共役活性は、結局のところ、細菌のエネルギーのアンバランスによって誘導される酸素の過剰消費により表される。
【0005】
この分子の脱共役活性は、活性汚泥の生産源で有意な減少を可能にする廃水処理場(以下、フランス語の略語のSTEPで示す)での適用に興味が持たれる。
【0006】
バイオマス生産、すなわち、廃水処理の際の活性汚泥の生成は、廃水中における栄養物の消費に由来する。呼吸過程によって栄養物が酸化され、そしてこれがエネルギーを放出し、このエネルギーは、微生物により細胞分裂の範囲内で利用され得る。ここで、栄養物の消費は、酸化的リン酸化現象により細菌細胞膜でのプロトンの流れを誘導する。この流れは、プロトン勾配を確立させ、それ自体がADP+PからATP(アデノシン三リン酸)の合成を可能にするプロトンポンプを作動させる。ATPは、細胞過程(細胞分裂を含む)の間に細胞にエネルギーを与える。
【0007】
仮に、このエネルギー放出を避けることができたとしたら、エネルギー生成を抑制することでバイオマス生成量が減少すると考えられる。
【0008】
脱共役は、ATPの形態でのエネルギー供給の形成の阻害に相当する。脱共役剤は、炭素消費のエネルギー収率を減少させると同時に、CO2に酸化される炭素の割合を増加させる。したがって、脱共役は、少量のバイオマス生産と、より多量の酸素消費とによって表される。
【0009】
廃水処理中に生産される細菌バイオマスは、除去するのに費用がかかるため、バイオマスの減少により除去費用の削減となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】「Biochemistry」,第3版,著者:Lubert Stryer,編者:W.H.Freemen & Company,New York,USA,1998年
【非特許文献2】「General Microbiology」,第3版,著者:Roger Y.Stanier,Michael Doudoroff及びEdward A.Adelberg,編者:Macmillan,1971年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明の目的は、効率が生物汚泥のその生産源での生成量の低下、すなわち、都市廃水処理場の曝気槽において少なくとも30%の低下により測定される脱共役分子を提案することである。
【0012】
本発明の別の目的は、効率が基準分子THPS(テトラキスヒドロキシメチルホスホニウム)の効率(生物汚泥生成量の減少効率が国際特許出願WO2004/113236に示されている)と実質的に等しい又はそれよりも大きい脱共役分子を提案することである。
【0013】
本発明の別の目的は、非生物分解性及び生物分解性がTHPSよりも迅速ではない、THPSの代わりとなる脱共役分子を提案することである。ただし、該分子は、環境問題を引き起こす非分解性ではない。
【0014】
最後に、本発明の別の目的は、毒性及び生態毒性プロファイルが満足のいくものであり、かつ、STEPに使用するのに適した脱共役分子を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【0015】
これらの目的及び他の目的は、次の一般式(1)の有機ホスホニウム誘導体に関する本発明により達成される:
【化1】

式中:
nは、4〜20、好ましくは5〜10からなる数であり、
mは、0〜10、好ましくは0〜1からなる数であり、そして
Yは、陰イオン、好ましくは塩化物、硫酸、リン酸又は臭化物陰イオンである。
【0016】
本発明の好ましい化合物について、nは5〜10からなり、mは0又は1であり、そして、Yは塩化物、硫酸、リン酸又は臭化物陰イオンである。
【0017】
本発明のさらに好ましい化合物について、nは8であり、mは0又は1である。
【0018】
また、本発明は、次の工程を含む、上記有機ホスホニウム誘導体の製造方法に関するものでもある:
(a)以下の反応スキームに従って、不活性雰囲気下で塩化テトラキス(ヒドロメチル)ホスホニウムとソーダなどの強塩基とを反応させてトリスヒドロキシメチルホスフィンを得ると共にホルムアルデヒドを除去し:
【化2】

(ここで、Xは陰イオンを表す);
(b)α,ω−ジハロゲノアルキレンと工程(a)で得られた反応物とを反応させ、そして対応するアルキレンジホスホニウムを得、
【化3】

(c)随意に、上記反応スキームに従って、工程(b)で得られたアルキレンジホスホニウムを過剰のジハロゲノアルキレン及びトリスヒドロキシメチルホスフィンと反応させてホルムアルデヒドの脱離によりトリホスホニウム又はポリホスホニウムを得る:
【化4】

X、Y、n及びmは、上記式(1)について与えた意味を有する。
【0019】
また、本発明は、水性系での細菌バイオマスの増殖を制御する方法であって、次の一般式(1)の有機ホスホニウム誘導体:

(式中:
nは4〜20、好ましくは5〜10からなる数であり、
mは、0〜10、好ましくは0〜1からなる数であり、そして
Yは、好ましくは塩化物、硫酸、リン酸、酢酸及び臭化物イオンよりなる群から選択される陰イオンである。)
から選択される脱共役剤の有効量を該水性系に添加し又は該水性系と接触させることを含む方法に関するものでもある。
【0020】
さらに好ましくは、nは8であり、mは0又は1である。
【0021】
また、本発明は、水性系での細菌バイオマスの増殖を制御する方法であって、上記有機ホスホニウム誘導体から選択される脱共役剤の有効量を該水性系に添加し又は該水性系と接触させることを含む方法に関するものでもある。
【0022】
水性系に添加される有機ホスホニウム誘導体の有効量は、100mg/Lまで、例えば50mg/Lまで、例えば30mg/Lまでに相当することができる。
【0023】
好ましくは、水性系に添加される有機ホスホニウム誘導体の有効量は、0.0001mg/L〜100mg/L、0.005mg/L〜50mg/L、例えば0.01mg/L〜30mg/L、例えば0.05mg/L〜10mg/Lに相当する。より好ましくは、有機ホスホニウム誘導体の有効量は、0.1〜10mg/L、例えば0.5mg/L〜7.5mg/L、例えば1〜5mg/Lに相当する。
【0024】
脱共役剤用途における有機ホスホニウム誘導体は、廃水処理に従来から使用されている次の化学物質の1種以上:界面活性剤;消泡剤;スケール防止剤;腐食防止剤;殺生物剤;凝集剤;固/液分離促進剤;及び分散剤と共に処方できる。
【0025】
好ましくは、水性系は、産業廃水又は都市廃水を処理するために使用される廃水処理場である。この施設は、有機汚染物質を消費させ、かつ、再利用又は環境への廃棄に好適な水を生じさせるために微生物を好気的無酸素方法(例えば脱窒)で使用することによって、産業プロセス(例えば、紙生産、食品産業、化学工業)及び/又は住宅、公共施設並びに同様の施設から廃水を回収する。
【発明を実施するための形態】
【0026】
したがって、本発明は、水性系での細菌バイオマスの増殖を制御する方法であって、上記脱共役剤の有効量を該水性系に添加する又は該水性系と接触させることを含む方法を提供する。
【0027】
好ましい実施形態では、本発明は、水性系での細菌バイオマスの増殖を制御する方法であって、上記脱共役剤の有効量と該細菌バイオマスとを直接接触させることを含む方法を提供する。この方法を適用するにあたっては、脱共役剤から最適の効率を得るために、一定時間内に最大容量の活性汚泥と脱共役剤とを接触させることが推奨される。
【0028】
例えば、研究室での生物パイロット試験について、水中での脱共役剤と細菌バイオマスとの直接接触は、「瞬間投与」又は「瞬間混合」(フラッシュ混合ともいう)という表現で呼ばれている。
【0029】
脱共役剤を、汚泥を含むバイオリアクターにただ単に直接添加したに過ぎない場合には、脱共役剤はこのバイオリアクター内に存在する他の材料と相互作用し、有機ホスホニウム誘導体の作用が実質的に低減するため、この薬剤の効率が実質的に低下することが分かった。
【0030】
さらに、該有機ホスホニウム誘導体の有効量は、前記水性系の汚泥中に存在する固形物(乾燥物又はDMとして表す)1グラム当たり0.1〜100mg、好ましくは0.5〜100mg/g、例えば1〜50mg/g、例えば2〜10mg/gに相当することができる。
【0031】
次の実施例は、本願発明を例示するものであって、その範囲を限定するものではない。
【実施例】
【0032】
例1:
工程(a)トリスヒドロキシメチルホスフィン溶液の合成
真空蒸留装置を備え、予め窒素下で不活性化された完全撹拌反応器に、次のものを仕込む:
80%THPC(塩化テトラキス(ヒドロメチル)ホスホニウム)を滴定し、かつ、150gのTHPC(0.63mol)を含有する溶液;
この混合物を5〜15℃に冷却する;
385gの8%ソーダ溶液を、温度を5〜15℃に制御しつつ3時間以内に注ぐ;
この注入の終了時に、この反応混合物を10℃で12時間にわたり保持する;
形成されたホルムアルデヒドを、水/ホルムアルデヒド混合物を15〜30℃の温度及び<10mbarの圧力で蒸留することにより除去する;
970gのエタノールを添加し、そして同じ条件下で蒸留を実施してホルムアルデヒドを使い果たす;
NaClの沈殿を回収し、そして蒸留後に反応生成物を分析する:
分析:93.5%のTHP/3%のTHPO/3.5%のTHPC。
【0033】
例2:
工程(b)及び(c):ホスホニウム(式(1):n=8、m=0又は1)の合成
例1で製造された反応生成物を、真空蒸留装置を備え、予め不活性化された完全撹拌反応器に導入する。
温度を45〜55℃に制御しながら、111.8gの1,8−ジヨードオクタンを30分以内に注ぐ。
この反応媒体は二相性であり、塩の沈殿が観察される(NaI/NaCl)。
50℃で50時間保持した後に、この反応媒体をろ過したところ、得られた生成物は淡黄色の透明な溶液であり、これから 次のNMR分析(核磁気共鳴)を有する665gの質量を抽出する:
31P NMR分析
3%THPO
3%THP
14%THPC
ジホスホニウム及びトリホスホニウムの次のモル組成に従う78%のホスホニウム誘導体:
【化5】

n=8
87%
【化6】

n=8
13%。
【0034】
例3:
工程(a)トリスヒドロキシメチルホスフィン溶液の合成:
真空蒸留装置を備え、予め窒素下で不活性化された完全撹拌反応器に、80%THPC(塩化テトラキス(ヒドロメチル)ホスホニウム)を滴定し100gのTHPC(0.42mol)及び水(50g)を有する溶液を仕込む;
この混合物を5〜15℃に冷却する;
228gの8%ソーダNaOH溶液を3時間以内に5〜15℃の温度に制御しつつ注ぐ;
この注入の終了時に、10℃を12時間にわたり維持する;
形成されたホルムアルデヒドを、15〜30℃の温度及び10mbar未満の圧力で水/ホルムアルデヒド混合物を蒸留することによって除去する;
786gのエタノールを添加し、そしてこの反応混合物を同じ条件下で蒸留してホルムアルデヒドを使い果たす;
NaClの沈殿が観察される。
【0035】
例4:
工程(b)及び(c):ホスホニウム(式(1):n=6、m=0又は1)の合成
例3で製造された反応生成物を、真空蒸留装置を備え、予め不活性化された完全撹拌反応器に、温度を45〜55℃に制御しつつ導入する;
111.8gの1,6−ジヨードヘキサンを30分以内に注ぎ、そして温度を45〜55℃に制御する;
得られた反応媒体は二相性であり、そして塩の沈殿が観察される(NaI/NaCl);
この反応混合物の温度を15%のTHPCを存在させつつ50℃で30分間保持する;
10℃の温度で、30gの8%NaOHを添加する;
温度を40℃に設定する;
14.5gの1,6−ジヨードヘキサンを注入する;
反応媒体を50℃で12時間にわたり保持する;
この反応混合物を10℃に冷却し、続いて多孔度3のフリットでろ過する;
形成されたホルムアルデヒドを、水/ホルムアルデヒド混合物を15〜30℃の温度及び<10mbarの圧力で蒸留することにより除去する;
そして、400gのエタノールを添加し、そして同じ条件下で蒸留してホルムアルデヒドを使い果たす。
10℃の温度で、15gの8%NaOHを添加する;
温度を40%に設定する;
10gの1,6−ジヨードヘキサンを注入すると同時に、この反応混合物を50℃で12時間保持する;この反応媒体を10℃に冷却し、続いて多孔度3のフリットでろ過する;形成されたホルムアルデヒドを、水/ホルムアルデヒド混合物を15〜30℃の温度及び<10mbarの圧力で蒸留することにより除去する;
続いて350gの水を添加し、そして同じ条件下で蒸留してホルムアルデヒドを使い果たす;
得られた生成物は淡黄色の透明な溶液であり、これから327.7gの質量を取り出す;取り出された水性相を酢酸エチルで3回洗浄する(AcOEt 350g)。
洗浄された水性相をロータリーエバポレーターで脱溶媒和させ、そして284gの淡黄色の溶液が得られ、次の核磁気共鳴分析を行う:
31P NMR分析
1.6%THPO
3%THPC
次の組成の95%ホスホニウム誘導体:
【化7】

n=6
60%
【化8】

n=6
40%。
【0036】
例5:
oxytop(商標)スクリーニング試験での有機ホスホニウム誘導体による活性汚泥減少の検出:
脱共役化学剤によるスラッジ生成の減少を呼吸計で評価するために(脱共役剤の特徴的な性質である酸素過剰消費を測定するために)、合成培地と、脱共役剤に特に感受性のある細菌株とを含むoxytop(商標)試験技術を使用する。これらのモデル細菌株(特にSchinella granuli菌株)は、特にSTEPの活性汚泥を代表するものである。というのは、これらの細菌株は、曝気槽内において活性汚泥から単離されるからである。
使用する方法及び装置は、参考として引用されるWO2004/113236号の例3に記載されたものである。Schinella granuli株は、この方法における接種材料として使用した(これは、活性汚泥を使用したWO2004/113236の例3とは異なる)。
【0037】
このスクリーニング試験で得られた結果を以下の表1にまとめる。これらは、コントロール(脱共役剤を含まないもの)に対する脱共役パーセントとして表される。これは、例2について、0.05mg/Lで、脱共役剤を含まないコントロールに対して18%の酸素過剰消費を有することを意味する。THPS(テトラキス(ヒドロメチル)ホスホニウムスルフェート)は、oxitop(商標)呼吸試験において、3ppmの指定濃度について16±8%の脱共役効果を発揮する。ここで、脱共役因子に関して95%のTHPS信頼区間は、[1022]である。この値は、26 Oxitop(商標)試験で得られた結果から算出されたものである。
【0038】
【表1】

【0039】
これらの誘導体が良好な効率を示すかなり狭い濃度範囲が、例2で合成されたホスホニウム誘導体で観察される。
【0040】
この濃度範囲は、低濃度での脱共役効果の活性化、その後僅かな抑制、続いて5ppm付近で得られる毒性(指定濃度)を示す場合が多い。
【0041】
THPSで得られるのと同じ桁の脱共役効果が観察される(16±8%、すなわち、3ppmのTHPSによる26 Oxitop(商標)試験で得られた平均値)。例2のトリホスホニウム及びジホスホニウムの混合物は、0.1〜2ppmからなる比較的低い濃度範囲で再現可能で有意な脱共役効果を与える。最適濃度は、およそ15%の効果で1ppmにあるように思われる。
【0042】
例6
Chemostat(商標)生物パイロットでの有機ホスホニウム誘導体による活性汚泥減少の検出
上記例2の分子で対処された合成排水と共に連続的に供給される生物パイロットでの試験から、汚泥生成量の減少に及ぼす有意な脱共役効果が示される。生物パイロットは、5リットルの容積を有し、かつ、連続的に曝気される;約7日の汚泥年齢を得るために、生物パイロットのパージを毎日行う(週末を除く)。生物パイロットに、St−Fons(フランス)の都市STEPからの活性汚泥を播種した。汚泥の短い順化期間後に、例2の分子での処理を参考として引用するWO2004/113236号の例1にも記載されたフラッシュ混合方法に従って実施する。
【0043】
3ヶ月間続くフラッシュ混合方法に従う脱共役物質の全注入期間から、次の結果が得られた:
【0044】
【表2】

【0045】
汚泥生成量の減少について例2の化合物の、特に2.3ppmでの良好な効率が、未処理コントロールと比較して20%よりも僅かに大きい減少率で観察される。
【0046】
補完試験(今回は、上記例2の化合物の2つの異なる等級を使用する(以下、例21及び例22aという))から、1ヶ月で次の結果が得られた:
【0047】
【表3】

【0048】
例22の化合物は、27.6%の汚泥生成量の減少及び26%の増殖速度の減少で良好な効率を示す(これは、この濃度で、汚泥の生成能力を変更しないことを確認するものである)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
次の一般式(1)の有機ホスホニウム誘導体:

式中:
nは、4〜20、好ましくは5〜10からなる数であり、
mは、0〜10、好ましくは0〜1からなる数であり、そして
Yは陰イオンである。
【請求項2】
nが5〜10からなり、mが0又は1であり、Yが塩化物、硫酸塩、リン酸塩又は臭化物陰イオンであることを特徴とする、請求項1に記載の誘導体。
【請求項3】
nが8であり、mが0又は1であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の誘導体。
【請求項4】
水性系での細菌バイオマスの増殖を制御する方法であって、請求項1〜3のいずれかに記載の有機ホスホニウム誘導体から選択される脱共役剤の有効量を前記水性系に添加し又は該水性系と接触させることを特徴とする方法。
【請求項5】
前記脱共役剤の有効量が0.001〜100mg/Lからなることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記脱共役剤の有効量が0.005〜50mg/Lからなることを特徴とする、請求項5に記載の方法。
【請求項7】
前記脱共役剤の有効量が0.01mg/L〜30mg/Lからなることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
【請求項8】
前記脱共役剤の有効量が0.1mg/L〜10mg/Lからなることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
【請求項9】
前記脱共役剤の有効量が0.5mg/L〜7.5mg/Lからなることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
【請求項10】
前記脱共役剤の有効量が1mg/L〜5mg/Lからなることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
【請求項11】
前記脱共役剤の有効量が、前記水性系の汚泥中に存在する固形物(乾燥物として表す)1g当たり0.1mg〜100mgからなることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
【請求項12】
前記脱共役剤の有効量が前記水性系の汚泥中に存在する固形物1g当たり1mg〜50mgからなることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項13】
前記脱共役剤の有効量が、前記水性系の汚泥中に存在する固形物1g当たり2mg〜10mgからなることを特徴とする、請求項12に記載の方法。
【請求項14】
前記水性系が産業廃水又は都市廃水の処理を目的とした廃水処理場であることを特徴とする、請求項4〜13のいずれかに記載の方法。
【請求項15】
次の工程:
(a)以下の反応スキームに従って、不活性雰囲気下で塩化テトラキス(ヒドロメチル)ホスホニウムとソーダのような強塩基とを反応させてトリスヒドロキシメチルホスフィンを得ると共にホルムアルデヒドを除去し:
【化1】

(ここで、Xは陰イオンを表す);
(b)α,ω−ジハロゲノアルキレンと工程(a)で得られた反応生成物とを反応させて、対応するアルキレンジホスホニウムを得、
【化2】

(c)適宜、次の反応スキームに従って、工程(b)で得られたアルキレンジホスホニウムと過剰のジハロゲノアルキレン及びトリスヒドロキシメチルホスフィンとを反応させてトリホスホニウム又はポリホスホニウムを得ると共に、ホルムアルデヒドを脱離させること:
【化3】

(ここで、X、Y、n及びmは上記式(1)において与えた意味を有する。)。

【公表番号】特表2013−505279(P2013−505279A)
【公表日】平成25年2月14日(2013.2.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−530206(P2012−530206)
【出願日】平成22年9月8日(2010.9.8)
【国際出願番号】PCT/EP2010/063140
【国際公開番号】WO2011/036052
【国際公開日】平成23年3月31日(2011.3.31)
【出願人】(508076598)ロディア オペレーションズ (98)
【氏名又は名称原語表記】RHODIA OPERATIONS
【住所又は居所原語表記】40 rue de la Haie Coq F−93306 Aubervilliers FRANCE
【Fターム(参考)】