ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕЛАНИНА В ВОДЕ Российский патент 2018 года по МПК C02F1/66 C02F1/58 C07B41/02 C25B3/04 C02F103/08 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к использованию меланина в воде. Одна из областей такого использования включает способы уменьшения и регулирования закисления воды. В частности, один из вариантов осуществления настоящего изобретения относится к способу уменьшения закисления воды, в частности морской воды, путем приведения воды в контакт, по меньшей мере, с одним меланиновым материалом с целью катализа реакции между водой, диоксидом углерода (СО₂) и/или бикарбонатом с образованием глюкозы, сахарозы или других органических соединений, увеличивающих рН воды и уменьшающих закисление воды. В другом аспекте, благодаря настоящему изобретению возможно поддержание рН воды на заданном уровне, основанном на окружающих условиях, просто путем приведения меланинового материала в контакт с водой или удаления его из воды. В другом аспекте, один из вариантов осуществления настоящего изобретения относится к синтезу аминокислот или сложных органических молекул на основании СО₂ или глюкозы, сахарозы или других органических соединений.

Увеличение количества СО₂ в атмосфере, вызванное, главным образом, сжиганием ископаемых топлив, стало причиной значительного уменьшения рН океанической воды, обычно называемого закислением океанической или морской воды. Более конкретно, закисление океана происходит из-за того, что присутствующий в атмосфере газообразный СО₂ абсорбируется и растворяется в морской воде, вызывая ряд химических реакций, которые, в конечном итоге, приводят к уменьшению рН океанической воды. А именно, после растворения атмосферного СО₂ в океанической воде происходит следующая серия химических реакций:

СО_{2(атмосф.)} ↔ СО_2(водн.)+Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺+НСО₃^- ↔ 2Н⁺+СО₃^2-

В результате обмена газом между атмосферой и океаном устанавливается равновесие между содержанием СО₂ в поверхностных водах и содержанием СО₂ в атмосфере. Растворенный в воде газообразный СО₂ вступает в реакцию с водой с образованием углекислоты (Н₂СО₃), которая затем диссоциирует, теряя ионы водорода, с образованием ионов бикарбоната (НСО₃^-) и карбоната (СО₃^2-). В результате, при увеличении концентрации СО₂ в атмосфере, концентрации водного СО₂, ионов бикарбоната и водорода проявляют тенденцию к увеличению, тогда как рН и концентрация карбонат-ионов проявляют тенденцию к уменьшению. Поглощение океаном СО₂ может составлять до трети антропогенного СО₂ (т.е. СО₂, образующегося в результате деятельности людей), выбрасываемого в атмосферу. Другими словами, увеличение концентрации атмосферного СО₂ смягчается благодаря поглощению СО₂ океаном. Этот феномен в достаточной степени подтвержден данными полевых наблюдений. Для понимания влияния изменения химизма океанов и процесса закисления океанической воды на морские экосистемы ученые более трех десятилетий изучали влияние выбросов СО₂ на океаническую экосистему и продолжают наблюдать за закислением мирового океана.

Было обнаружено, что в результате закисления океана изменяется состав морской воды и биогеохимические циклы многих элементов и соединений. Для фотосинтезирующих водорослей и морской травы насыщение океанической воды СО₂ может действительно оказаться благоприятным. Однако многими исследователями обнаружены проблемы, которые закисление океана создает для морской флоры и фауны. Было показано, что закисление окружающей среды отрицательно влияет на некоторые кальцифицирующиеся виды, включая устриц, двустворчатых моллюсков, морских ежей, мелководные кораллы, глубоководные кораллы и известковый планктон. Одним из хорошо изученных эффектов является снижение параметров насыщения карбонатом кальция, затрагивающее множество образующих раковины морских организмов в диапазоне от планктона до бентических моллюсков, иглокожих и кораллов. В лабораторных экспериментах в условиях повышения содержания СО₂ многие кальцифицирующиеся виды испытывают ослабление кальцификации снижение скорости роста.

Со времени начала промышленной революции рН поверхностных океанических вод вследствие закисления океана снизился на 0,1 единицы рН, что соответствует, приблизительно, 30% увеличению кислотности морской воды. В прогнозах на будущее указывается, что океаны будут поглощать СО₂ с большей скоростью и станут еще более кислыми, если не будут приняты меры по ограничению выбросов СО₂ в атмосферу.

На сегодняшний день предлагаемые действия по смягчению и регулированию закисления океанов фокусируются на снижении выбросов антропогенного СО₂ с целью стабилизации концентраций СО₂ в атмосфере и океанах и максимальном увеличении способности морской флоры и фауны к восстановлению и адаптации к повышенной концентрации СО₂ с использованием обычных практик морского природопользования, таких как снижение загрязнения и чрезмерных промыслов. Однако стабилизация концентрации СО₂ в атмосфере на безопасном уровне на сегодняшний день недостижима. Кроме того, традиционные, пассивные практики природопользования оказались неэффективными в отношении влияния СО₂ в повышенной концентрации. Также были предложены некоторые альтернативные физические, биологические, химические и гибридные способы консервации, однако, серьезная оценка потенциальной эффективности, стоимости, безопасности и масштаба применения таких способов еще предстоит.

Кроме этого, предложено множество схем, направленных на нейтрализацию закисления морской воды СО₂ посредством добавления в морскую воду основных карбонатных или силикатных минералов и их производных. Однако, хотя такие химические способы широко применяются в солоноводных аквариумах для поддержания в здоровом состоянии кораллов, моллюсков и ракообразных, потенциальная безопасность и рентабельность таких подходов применительно как к локальному, так и глобальному закислению океанов до конца еще не исследована.

Таким образом, было бы желательным отыскание способа и системы для снижения и регулирования рН морской воды с целью сдерживания закисления океанов и ослабления его подтвержденных негативных последствий.

Также было бы желательным образование из глюкозы или СО₂ органических соединений, таких как аминокислоты или жиры. Как хорошо известно специалистам в данной области, для надлежащего питания живых организмов необходимы разнообразные органические соединения, в том числе аминокислоты, жиры и другие, которые могут быть получены из растений и мяса. Традиционно, для получения таких съедобных молекул необходимо сеять и собирать урожай или выращивать сельскохозяйственных животных, для чего требуются масштабные уборочные работы, обширные животноводческие фермы, массовое использование инсектицидов для защиты растений, удобрений, гербицидов и т.д., а также большое количество воды.

Следовательно, было бы желательно отыскание способа и системы для выработки органических соединений, таких как аминокислоты, жиры и т.п., из глюкозы или СО₂ в сочетании с уменьшением закисления и регулированием рН морской воды.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Один из вариантов осуществления настоящего изобретения относится к способу уменьшения закисления воды. Этот способ, вообще, включает приведение, по меньшей мере, одного меланинового материала в контакт с водой с целью катализа комплекса химических реакций, происходящих в морской воде и в некоторой степени влияющих на рН морской воды. В частности, приведение, по меньшей мере, одного меланинового материала в контакт с водой обеспечивает катализ реакции между водой, СО₂ и/или бикарбонатом благодаря свободной химической энергии, выделяемой меланином. В результате этих реакций образуются соединения, такие как глюкоза, сахароза, пируват и т.п., сходные с углеводами, которые, в свою очередь, повышают рН воды. В другом аспекте, благодаря настоящему изобретению возможно регулирование изменения рН и концентрации глюкозы в массе воды либо путем приведения меланинового материала в контакт с водной массой, либо, если нужно, путем удаления из нее с целью поддержания заданного уровня рН.

Способы снижения и регулирования закисления воды особенно значимы для обработки морской воды, закисленной в результате происходящих естественным путем или искусственно инициированных реакций, повышающих содержание свободных ионов водорода в воде. Одним из примеров таких реакций является абсорбция атмосферного СО₂ и соответствующий процесс закисления океанической воды, как описано выше.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один меланиновый материал заключен в конструкцию из, по меньшей мере, одного инертного материала. В соответствии с другим предпочтительным вариантом изобретения, по меньшей мере, один меланиновый материал выбран из природного меланина или искусственного меланина.

Более конкретно, варианты осуществления изобретения относятся к способам регулирования рН водных масс, таких как пресная вода, океаническая вода и даже сточные воды. Более конкретно, изобретение относится к способу снижения закисления или стимулирования ощелачивания или нейтрализации кислотно-щелочного баланса водных масс с использованием меланина, его прекурсоров, производных или аналогов, внедренных в инертный материал, через который может проходить только вода. Благодаря свойственной меланину способности к диссоциации, преобразованию молекулы воды и превращению световой энергии в свободную химическую энергию возможно такое изменение кислотно-щелочного баланса воды, которое приближает рН к нейтральному. Следовательно, если подлежащая обработке вода имеет кислую реакцию, ее контакт с меланиновым материалом вызывает сдвиг рН воды в сторону щелочной реакции. Однако, если подлежащая обработке вода имеет щелочную реакцию, ее контакт с меланиновым материалом вызывает сдвиг рН к более нейтральной величине, приблизительно равной 7,0. Тип свободной химической энергии, выделяемой меланином, вызывает воспроизводство химических реакций, наблюдаемых в природе, которые, однако, до сих пор не удавалось провести искусственно, таких как преобразование СО₂, растворенного в воде, в глюкозу или другие соединения, и которые спонтанно происходят исключительно редко. Свободная химическая энергия, выделяемая меланином, вызывает тенденцию к снижению энтропии окружающей среды, что, в свою очередь, стимулирует развитие жизни. Меланин порождает такое снижение энтропии уникальным образом, а именно путем диссоциации и преобразования молекулы воды.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеизложенная сущность изобретения, а также следующее далее его подробное описание станут более понятны при прочтении в сочетании с прилагаемыми чертежами. Для пояснения изобретения на чертежах показаны варианты его осуществления, которые на сегодняшний день являются предпочтительными. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается только представленными схемами и средствами.

На чертежах:

на фиг. 1 приведена сделанная при помощи микроскопа при 40-кратном увеличении фотография поверхности меланинового материала, внедренного в блок оксида кремния и кальция, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 2 приведена сделанная при помощи микроскопа при 40-кратном увеличении фотография поверхности меланинового материала, внедренного в блок оксида кремния, алюминия и кальция, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения; и

на фиг. 3 приведена фотография различных образцов ткани из искусственных волокон, которая ранее была погружена в воду, демонстрирующая влияние меланина и воды на ткань, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Все патенты и публикации, на которые делается ссылка в настоящем документе, включаются в него путем ссылки. Если не приведено иное определение, все технические и научные термины, использованные в настоящем документе, имеют обычное значение, известное специалистам в той области, к которой принадлежит данное изобретение. В других случаях определенные использованные в настоящем документе термины имеют значение, определенное в описании.

Следует отметить, что в данном описании и прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа (употребленные в тексте на английском языке с артиклями «а», «an» и «the») соотносятся и со множественным числом, если контекст явно не указывает на иное.

В контексте настоящего документа термин «меланиновый материал» означает меланин, прекурсоры меланина, производные меланина, аналоги меланина и варианты меланина, в том числе природный и искусственный меланин, эумеланин, феомеланин, невромеланин, полигидроксииндол, аломеланин, гуминовую кислоту, фулерены, графит, полииндолхиноны, ацетиленовую сажу, пирроловую сажу, индоловую сажу, бензоловую сажу, тиофеновую сажу, анилиновую сажу, полихиноны в гидратированной форме, сепиомеланины, допа (диоксифенилаланин) сажу, дофаминовую сажу, адреналиновую сажу, катехоловую сажу, 4-аминкатехоловую сажу, простые линейные, алифатические или ароматические; или их прекурсоры, такие как фенолы, аминофенолы или дифенолы, индольные полифенолы, хиноны, семихиноны или гидрохиноны, Л-тирозин, Л-допамин, морфолин, орто-безнохинон, диморфолин, порфириновая сажа, птериновая сажа и оммохромовая сажа.

В контексте настоящего документа термин «инертный материал», когда он используется в отношении материала для встраивания, по меньшей мере, одного меланинового материала, означает любой материал, совместимый с меланином, но не вступающий в химическую реакцию с меланином. Предпочтительно, инертный материал является материалом, который не растворяется в воде. Примерами инертных материалов являются кремний, оксид кремния, кальций, алюминий и полиэтилен.

В контексте настоящего документа термин «морская вода», используемый применительно к воде, означает воду в любом водоеме, в частности в море или океане, или любую воду, происходящую из моря или океана. Море или океан может быть естественным или искусственным.

В контексте настоящего документа термин «закисление», используемый применительно к воде, означает изменения кислотно-щелочного баланса воды, которые в конечном счете приводят к увеличению содержания в воде свободных ионов водорода (т.е. к снижению рН). Увеличение содержания в воде свободных ионов водорода может быть результатом естественных или инициируемых искусственно реакций, таких как поглощение водой атмосферного СО₂.

В одном из вариантов своего осуществления изобретение относится к электрохимической системе и способу восстановления нейтрального кислотно-щелочного баланса воды и, тем самым, уменьшения закисления воды, содержащей растворенные газообразный СО₂, бикарбонат и другие производные карбоната. Способ уменьшения закисления включает приведение, по меньшей мере, одного меланинового материала в контакт с обогащенной СО₂ водой. Более конкретно, в способе настоящего изобретения может быть использован только один или, в качестве альтернативы, множество меланиновых материалов. В одном из вариантов осуществления изобретения контакт между водой и меланиновым материалом приводит к катализированию реакции между водой, СО₂ и/или бикарбонатом, в результате которой образуются органические соединения, такие как глюкоза, которые восстанавливают кислотно-щелочной баланс воды, повышая рН воды. В катализируемых аналогичным образом реакциях, в зависимости от молекул, присутствующих в массе воды, подлежащей обработке, могут образовываться другие органические соединения, такие как сахароза, пируват и аминокислоты. Образование глюкозы (С₆Н₁₂О₆) по реакции между водой и СО₂ можно представить следующим уравнением реакции:

6СО₂+6Н₂О → С₆Н₁₂О₆+6О₂

В отсутствие меланинового материала СО₂ и вода претерпевали бы описанную выше серию обратимых реакций с образованием, тем самым, нестабильного карбоната и производных карбоната, которые, в конечном счете, превращались бы в СО₂. Однако присутствие меланинового материала и, более конкретно, энергии, выделяемой меланиновым материалом, катализирует превращение водного СО₂ в органические соединения, такие как глюкоза, сахароза и т.п. Подобные соединения стабильны и с трудом поддаются диссоциации, тем самым ограничивая образование свободных ионов водорода, карбоната и его производных. Более конкретно, концентрация ионов водорода снижается, отчасти, потому, что глюкоза присоединяет ионы водорода. Более низкая концентрация ионов водорода в воде приводит к уменьшению закисления (т.е. ощелачиванию) воды.

Приведенная выше реакция, более конкретно, описанная выше диссоциация молекул воды в присутствии меланина может начаться в течение отрезка времени от нескольких пикосекунд до нескольких наносекунд после первоначального контакта с меланиновым материалом. Время, необходимое для того, чтобы изменение рН воды стало заметным или измеримым, отражающим поддающееся обнаружению изменение кислотно-щелочного баланса воды, зависит от различных факторов, таких как объем подлежащей обработке воды, начальные концентрации СО₂, бикарбоната и глюкозы, используемый объем меланинового материала. В одном из вариантов осуществления изобретения, влияние меланинового материала на воду может наблюдаться как постепенное изменение цвета воды.

При растворении СО₂ в воде наступает химическое равновесие с различными формами карбоната (Н₂СО₃, НСО₃^- и СО₃^2-). Концентрация различных форм карбоната намного меньше, чем концентрация СО₂. Однако меланиновый материал способен катализировать дополнительные реакции между СО₂, водой и одной или несколькими формами карбоната, в которых образуется глюкоза, и выделяется кислород, как описано выше. Примерами этих реакций являются

H₂CО₃+5CО₂+5H₂О → C₆H₁₂О₆+6О₂

HCО₃^-+H⁺+5CО₂+5H₂О → C₆H₁₂О₆+6О₂

H₂CО₃+HCО₃^-+H⁺+4CО₂+4H₂О → C₆H₁₂О₆+6О₂

Следует понимать, что вода может происходить из любого источника, такого как, например, водопроводная вода, бутилированная вода или природная вода, такая как дождевая вода и морская вода. В предпочтительном варианте осуществления изобретения вода является морской водой (в настоящем документе также именуемой океанической водой). В одном из вариантов осуществления изобретения вода находится в резервуаре. Резервуар может иметь любой размер и форму. К примерам пригодных резервуаров относятся, помимо прочего, фляга, ведро или водоем. В другом варианте осуществления изобретения вода не ограничена резервуаром, напротив, во время контакта с меланиновым материалом она является свободно текущей. Примерами воды, не ограниченной резервуаром, являются, помимо прочего, вода в море, океане, озере, реке, ручье, заливе и т.п. Такие свободно текущие массы воды могут быть встречающимися в природе или искусственными.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, меланиновый материал выбран из меланина, прекурсоров меланина, производных меланина, аналогов меланина и вариантов меланина. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения меланиновый материал выбран из природного меланина и искусственного меланина. Меланин может быть синтезирован из аминокислотных прекурсоров меланина, таких как Л-тирозин. Однако меланиновый материал может быть получен любым способом, известным в области, к которой относится настоящее изобретение, включая синтезированные химически меланиновые материалы и меланиновые материалы, выделенные из природных источников, таких как растения и животные.

Меланиновый материал может контактировать со всей водой или частью воды. В том из вариантов осуществления изобретения, в котором вода содержится в резервуаре, меланиновый материал, вообще, погружен в центр массы воды так, что он контактирует со всей водой (т.е. со всем объемом воды в резервуаре). В другом варианте осуществления изобретения, в котором вода содержится в резервуаре, меланиновый материал размещен на поверхности воды, так что он контактирует только с частью воды в резервуаре, но не растворен в ней. В том варианте осуществления изобретения, в котором вода не ограничена резервуаром (т.е. является свободно текущей), меланиновый материал может быть либо погружен под поверхность воды так, что он контактирует со всем объемом воды, либо размещен на поверхности воды так, что он контактирует только с частью воды.

Предпочтительно, меланиновый материал непосредственно не контактирует с водой, тогда можно регулировать скорость растворения меланинового материала. В одном из вариантов осуществления изобретения меланиновый материал внедрен в конструкцию из, по меньшей мере, одного инертного материала (далее именуемую «меланиновая форма»), тем самым предотвращается непосредственный контакт молекул меланина с водой, и существенно снижается скорость растворения и разложения молекул меланина в воде. Таким образом, меланиновый материал может осуществлять ощелачивание воды в течение нескольких десятков лет.

Следует понимать, что меланиновая форма может иметь любые размеры или форму. Например, меланиновая форма, вообще, может быть плоской, иметь форму цилиндра, эллипса, пирамиды, сферы, прямоугольника, куба и т.п. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения размеры и общая геометрия меланиновой формы выбираются в зависимости от объема воды, подлежащей обработке.

В одном из вариантов осуществления изобретения с водой контактирует только одна меланиновая форма. В другом варианте осуществления изобретения множество меланиновых форм приводят в контакт с водой с целью снижения ее закисления. Следует понимать, что скорость уменьшения закисления воды зависит от множества факторов, каждый из которых может быть при необходимости отрегулирован в расчете на достижение заданного снижения кислотности. Например, снижением кислотности можно управлять путем измерения размеров, формы и/или площади поверхности меланиновой формы; используемого количества меланиновых форм; количества меланинового материала, внедренного в каждую форму; объема обрабатываемой воды; начальной концентрации бикарбоната и СО₂ в обрабатываемой воде и т.п. В одном из вариантов осуществления изобретения меланиновая форма может постоянно находиться в контакте с водой, так как меланин может выполнять свою функцию в течение сотен лет.

В одном из вариантов осуществления изобретения меланиновая форма состоит, предпочтительно, на 1-99% об. из меланинового материала, более предпочтительно, на 3-30% об. из меланинового материала. Количество инертного материала в меланиновой форме составляет, предпочтительно, от 1 до 99% об., более предпочтительно, от 50 до 85% об.

В одном из вариантов осуществления изобретения меланиновая форма объемом 1 кубический сантиметр, содержащая 15% об. меланинового материала, является эффективной для обработки 50 мл воды. Однако следует понимать, что состав, общий объем/размер, форма и т.п. меланиновой формы могут быть изменены в зависимости от многих факторов, таких как параметры (т.е. уровень загрязнения, давление, температура и т.д.) подлежащей обработке воды, количество света, падающего на подлежащую обработке воду, глубина, на которой в подлежащей обработке воде размещена меланиновая форма, заданное изменение величины рН и концентрации глюкозы.

Инертный материал или материалы могут представлять собой любой материал, совместимый с меланиновым материалом и не оказывающий отрицательного воздействия на свойства меланинового материала. К примерам таких материалов относятся, помимо прочего, алюминий, кремний, оксид кремния, кальций, золото, серебро, полиэтилен, стекло и поликарбонат. Как показано на фиг. 1-2, в одном из вариантов осуществления изобретения меланиновая форма включает два или более инертных материала, а именно оксид кремния и кальций, и имеет форму блока.

По меньшей мере, один меланиновый материал может быть внедрен в инертный материал любым уже известным или еще подлежащим разработке способом. В одном из вариантов осуществления изобретения меланиновый материал внедрен в инертный материал посредством адгезии. В другом варианте осуществления изобретения меланиновый материал внедрен в инертный материал посредством сжатия.

В одном из иллюстративных примеров меланиновая форма, представляющая собой блок и включающая меланиновый материал, внедренный в оксид кремния, может быть изготовлена путем соединения инертного материала (например, порошкообразного оксида кремния), очищенной воды и меланинового материала в контейнере кубической формы, изготовленном из неактивного материала. Эти компоненты смешивают друг с другом и оставляют смесь для отверждения в контейнере, чтобы затвердевшая смесь имела форму контейнера. Предпочтительно, меланиновый материал добавляют в концентрации 5 г/л очищенной воды. Предпочтительная концентрация инертного материала в меланиновой форме составляет от 50 до 95% об., более предпочтительно, от 50 до 85% об. Следует понимать, что этим способом меланиновой форме может быть придана любая форма просто путем измерения формы контейнера. Также следует понимать, что порошкообразный оксид кремния может быть заменен любым другим надлежащим инертным материалом. Также следует понимать, что концентрация меланина в очищенной воде и концентрация инертного материала в меланиновой форме могут быть при необходимости изменены так, чтобы соответствовать задачам конкретного варианта применения.

Способ уменьшения закисления воды путем улучшения кислотно-щелочного баланса воды, более конкретно, путем приведения воды в контакт с меланиновой формой, может быть осуществлен при любой температуре, в которой меланин, в соответствии с известными данными, остается устойчивым, предпочтительно, приблизительно от -150 до 500°С. Температура кипения 3%-ного водного раствора меланинового материала составляет, приблизительно, 200°С. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, способ уменьшения закисления воды более эффективен, если его осуществляют при температуре в диапазоне от -40 до 100°С, предпочтительно, от 0 до 50°С, более предпочтительно, от 12 до 30°С, наиболее предпочтительно, при комнатной температуре (приблизительно, 25°С). Следует понимать, однако, что предпочтительная температура может изменяться с изменением экспериментальных условий, таких как давление, количество света, количество воды, наличие в воде загрязняющих веществ, и заданного снижения рН.

В одном из вариантов своего осуществления настоящее изобретение позволяет повысить рН обрабатываемой массы воды на 0,1-1 единицу рН. Предпочтительно, рН обрабатываемой меланиновой формой или формами массы воды возрастает на величину от 0,1 до 0,6 единицы рН. Специалистам в данной области понятно, что величина измерения рН массы воды может изменяться в зависимости от пропорции использованного меланина по отношению к массе подлежащей обработке воды.

Для определения рН воды может быть использован любой способ, известный в области, к которой относится изобретение, например при помощи индикаторной бумаги или рН-метра. рН воды может увеличиться на любую величину, любое такое увеличение рН может быть зафиксировано путем сравнения рН воды до приведения в контакт, по меньшей мере, с одним меланиновым материалом и рН воды после приведения в контакт, по меньшей мере, с одним меланиновым материалом, при этом рН воды после приведения в контакт, по меньшей мере, с одним меланиновым материалом больше, чем рН воды до приведения в контакт, по меньшей мере, с одним меланиновым материалом.

Кроме того, для определения концентрации органического соединения (например, глюкозы, сахарозы, пирувата и т.п.) в воде может быть использован любой способ, известный в области, к которой относится изобретение. Например, концентрация глюкозы может быть определена посредством испытания с использованием индикаторной бумажной полоски или спектрофотометра. Концентрация глюкозы (или другого органического соединения) может увеличиваться на любую величину в зависимости от таких факторов, как предшествующие физико-химические условия в воде, природа любых растворенных в воде соединений и т.п. Любое такое увеличение может быть зафиксировано путем сравнения концентрации органического соединения (например, глюкозы) в воде до контакта, по меньшей мере, с одним меланиновым материалом и концентрации глюкозы в воде после контакта, по меньшей мере, с одним меланиновым материалом, при этом концентрация глюкозы в воде после контакта, по меньшей мере, с одним меланиновым материалом больше, чем концентрация глюкозы в воде до контакта, по меньшей мере, с одним меланиновым материалом. Любое такое увеличение концентрации глюкозы существенно, так как реакция между СО₂ и водой, в которой образуется глюкоза, не является спонтанной. Таким образом, увеличение концентрации глюкозы может служить мерой катализа этой реакции меланиновым материалом. Хотя в приведенном выше описании идет речь об образовании глюкозы, следует понимать, что могут образовываться и другие органические соединения, такие как сахароза или пируват, и для определения концентрации таких органических соединений в воде могут быть использованы аналогичные способы.

Кроме того, в маловероятном случае, когда меланиновый материал оказывается опасным для окружающей морской среды, меланиновый материал может быть удален. Однако следует понимать, что меланин легко расщепляется эукариотическими или прокариотическими клетками. Таким образом, если живые организмы, естественным образом присутствующие в окружающей морской среде, проглотят меланиновый материал, они будут способны надлежащим образом его метаболизировать с минимальными негативными побочными эффектами, если таковые вообще проявятся, поэтому меланиновый материал, по сути, не оказывает отрицательного воздействия на окружающую морскую среду.

Способы регулирования кислотно-щелочного баланса воды и, тем самым, уменьшения закисления воды в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, предпочтительно, предусматривают наличие только воды и меланиновой формы. А именно, поскольку меланин поглощает фотонную энергию света видимой и невидимой части спектра, для образования глюкозы и повышения рН воды не нужно дополнительного подвода энергии. Таким образом, не нужно сложных установок или технического обслуживания. Однако следует понимать, что, если нужно, может быть использован дополнительный источник света. Кроме того, поскольку меланин относится к наиболее стабильным соединениям, известным человеку, и характеризуется периодом полураспада, оцениваемым как порядка миллионов лет, до необходимости замены меланиновый материал может использоваться в течение десятков лет.

Далее изобретение описано со ссылкой на экспериментальные примеры. Следует понимать, однако, что изобретение не ограничивается точными экспериментальными параметрами и результатами, приведенными ниже.

ПРИМЕРЫ

Эксперимент 1

Глюкоза была получена из бикарбоната путем помещения относительно небольшой меланиновой формы в водный раствор бикарбоната с концентрацией от 1 до 10%. Меланиновая форма была произведена путем внедрения меланина в смесь кальция и оксида кремния с исключением присутствия гидроксил-ионов в соотношении 70% об. кальция и оксида кремния к 30% об. 3%-ного водного раствора меланина. Было приготовлено множество серий таких образцов. После выдерживания небольших меланиновых форм в образцах раствора бикарбоната в течение, приблизительно, одного часа наблюдалось увеличение рН на, приблизительно, 0,1-0,6 единицы. Однако следует понимать, что на достигаемое увеличение рН можно влиять путем измерения конкретных параметров, таких как размер, форма и объем меланиновой формы и давление, температура и начальная концентрация глюкозы в воде.

Эксперимент 2

В другом эксперименте меланиновые формы объемом 1 кубический сантиметр были изготовлены с использованием инертных компонентов, таких как кремний, оксид кремния, кальций и/или алюминий. Меланиновые формы содержали 1% об. меланина и 99% об. инертного материал. Десять таких меланиновых форм поместили в водный раствор бикарбоната, приготовленный путем смешивания 100 г бикарбоната и 1600 мл воды. Через 48 часов измерили концентрацию глюкозы, которая составила, в среднем, 8 г глюкозы на 100 мл воды.

Эксперимент 3

В другом эксперименте меланиновые формы объемом 1 кубический сантиметр, состоящие из оксида кремния и кальция с внедренным в них меланиновым материалом, изготовили следующим образом. Раствор, содержащий 3% об. меланина, и две объемных части оксида кремния и кальция объединили с образованием раствора, содержащего 1% об. меланина и 99% об. инертного материала. Затем раствор подвергли обработке, направленной на испарение воды и последующее отверждение образовавшейся меланиновой формы. Девять таких меланиновых форм поместили в резервуары, каждый из которых содержал 250 мл дистиллированной воды. В качестве контрольных образцов также приготовили шесть резервуаров, содержащих 250 мл дистиллированной воды, но без меланиновых форм. рН каждого образца воды измеряли периодически в течение 16 дней, а именно, через день. В таблице 1 приведены результаты измерения рН контрольных образцов. В таблице 2 приведены результаты измерения рН образцов дистиллированной воды, в которых находились меланиновые формы, именуемых экспериментальными образцами.

Таблица 1

КО* 1 день 3 день 5 день 8 день 10 день 12 день 14 день 16 день 1 7,02 6,99 6,13 7,04 6,72 6,59 6,84 6,7 3 6,98 6,92 5,61 6,31 5,90 5,49 5,9 5,75 5 7,01 7,01 6,52 6,53 6,47 6,57 6,66 6,67 7 7,03 7,00 5,30 6,44 5,77 5,62 5,89 5,67 9 6,99 6,98 5,60 6,46 5,88 5,85 6,12 6,01 11 7,03 7,03 5,65 6,00 5,75 5,57 5,83 5,58 Среднее 7,01 6,99 5,80 6,46 6,08 5,95 6,21 6,06

*КО - контрольный образец

Таблица 2

ЭО* 1 день 3 день 5 день 8 день 10 день 12 день 14 день 16 день 2 11,59 11,62 12,12 12,20 12,21 12,30 12,29 12,19 4 11,60 11,54 12,18 12,23 12,20 12,36 12,34 12,31 6 11,62 11,76 12,18 12,23 12,24 12,32 12,30 12,30 8 11,72 11,70 12,14 12,25 12,25 12,36 12,32 12,22 10 11,86 11,84 12,16 12,23 12,24 12,33 12,33 12,30 12 11,58 11,52 12,16 12,24 12,23 12,32 12,27 12,29 Среднее 11,66 11,66 12,16 12,23 12,23 12,33 12,31 12,27

*ЭО - экспериментальный образец

Как показано в таблице 2, измеренное среднее значение рН для всех экспериментальных образцов на 1 день составляло 11,66. Как показано в таблице 1, измеренное среднее значение рН для всех контрольных образцов на 1 день составляло 7,01. Следовательно, относительно высокая средняя величина рН экспериментальных образцов по сравнению с контрольными образцами явно соотносится с наличием меланиновых форм. Со временем средняя величина рН экспериментальных образцов возрастает, достигая максимума 12,33 спустя 11 дней. Средняя величина рН экспериментальных образцов на 16 день составляет 12,27. Ожидается, что влияние меланина на водные растворы карбоната будет продолжаться много лет, к тому же, без необходимости подвода энергии. С другой стороны, средняя величина рН контрольных образцов имеет тенденцию к увеличению со временем, достигая минимума средней величины рН, равной 5,80, спустя 4 дня и конечной средней величины рН, равной 6,06, на 16 день.

В ходе экспериментов, проведенных с растворами, которые не были должным образом стерилизованы, конечная концентрация глюкозы была низкой, а концентрация нитрита увеличилась. В конце эксперимента растворы оставались достаточно прозрачными.

Количество химической энергии, выделяемой в ходе реакции меланина с обогащенной СО₂ водой, вообще, лежит в относительно узком диапазоне. Характерным свойством меланина является саморегуляция в зависимости от количества энергии, присутствующей в окружающей среде. Когда в окружающей среде имеется большое количество энергии, выделение энергии меланином уменьшается. И наоборот, если количество энергии в окружающей среде невелико, выделение энергии меланином увеличивается. Поскольку это природная химическая энергия, понятно, что влияние выделившейся химической энергии на экосистему не является опасным или, по меньшей мере, преимущества перевешивают отрицательные побочные эффекты.

Эксперимент 4

В другом эксперименте приготовили три группы резервуаров с дистиллированной водой по пять резервуаров в каждой. Резервуары первой группы оставили как есть в качестве контрольной группы. В каждый резервуар поместили ткань из синтетических волокон. Синтетические волокна содержали 50% вискозы и 50% полиэфира. Такой синтетический материал часто оказывается в водных бассейнах и является источником загрязнения. В каждый резервуар второй группы поместили семь меланиновых форм, завернутых в такой же материал из искусственных волокон. В каждый резервуар третьей группы поместили семь форм, состоящих из оксида кремния/кальция/алюминия (инертных) и не содержащих меланинового материала, завернутых в такой же материал из искусственных волокон.

Затем все резервуары закрыли (например, бакелитовой пробкой), измерили базовый уровень рН и подвергли стерилизации путем подвода тепла. А именно, каждый резервуар нагревали, приблизительно, 5 минут, оставляли, примерно, на 30 секунд, снова нагревали, приблизительно, 2 минут, оставляли, примерно, на 30 секунд, затем подвергали 4 циклам 30-секундного нагревания с последующим 10-секундным перерывом, наконец, подвергали 4 циклам 10-секундного нагревания с последующим 10-секундным перерывом. Затем за резервуарами наблюдали в течение трех месяцев, на протяжении которых периодически, а именно, через день, измеряли рН и насыщение кислородом каждого образца воды. В таблице 3 приведены результаты измерения рН контрольных образцов. В таблице 4 приведены результаты измерения рН образцов дистиллированной воды, в которых находились меланиновые формы, именуемых экспериментальными образцами. В таблице 5 приведены результаты измерения рН образцов дистиллированной воды, в которых находились инертные формы (без какого-либо меланинового материала), именуемых сравнительными образцами.

Таблица 3: Контрольные образцы

Базовый рН 2 дня 4 дня 7 дней 9 дней 11 дней 18 дней 30 дней 36 дней 45 дней 1 6,42 6,99 6,55 6,22 6,22 6,15 6,18 7,15 6,47 8,22 2 6,28 6,83 6,02 6,04 6,33 6,04 6,21 7,04 6,58 8,28 3 6,18 7,03 6,18 6,86 6,85 6,7 6,83 6,95 7,28 8,54 4 6,27 6,99 6,34 6,81 6,82 6,70 6,89 6,65 6,89 8,09 5 6,65 6,96 6,14 6,08 6,18 6,04 6,32 6,43 6,52 7,85 Ср. 6,36 6,96 6,25 6,40 6,48 6,34 6,49 6,84 6,75 8,20

Таблица 4: Экспериментальные образцы

Базовый рН 2 дня 4 дня 7 дней 9 дней 11 дней 18 дней 30 дней 36 дней 45 дней 1 11,60 12,36 12,50 12,54 12,54 12,63 12,66 12,60 12,50 12,63 2 11,68 12,25 12,49 12,62 12,61 12,63 12,66 12,61 12,50 12,62 3 11,61 12,32 12,50 12,51 12,56 12,61 12,64 12,56 12,50 12,61 4 11,58 12,41 12,49 12,52 12,54 12,62 12,67 12,54 12,50 12,60 5 11,66 12,31 12,49 12,57 12,58 12,61 12,62 12,54 12,47 12,55 Ср. 11,63 12,33 12,49 12,55 12,57 12,62 12,65 12,57 12,49 12,60

Таблица 5: Сравнительные образцы

Базовый рН 2 дня 4 дня 7 дней 9 дней 11 дней 18 дней 30 дней 36 дней 45 дней 1 11,51 12,26 12,39 12,44 12,44 12,45 12,49 12,42 12,38 12,49 2 11,49 12,23 12,32 12,41 12,43 12,44 12,49 12,42 12,35 12,45 3 11,57 12,26 12,33 12,44 12,44 12,50 12,51 12,44 12,37 12,49 4 11,56 12,23 12,38 12,43 12,44 12,48 12,50 12,45 12,37 12,49 5 11,52 12,21 12,29 12,42 12,43 12,49 12,50 12,45 12,37 12,49 Ср. 11,53 12,24 12,34 12,43 12,44 12,47 12,50 12,44 12,37 12,48

Как показано в таблицах 3-5, измеренная средняя величина рН для всех экспериментальных образов была последовательно больше измеренной средней величины рН для всех сравнительных образцов и последовательно и существенно больше, чем для всех контрольных образцов. Следовательно, относительно высокая средняя величина рН экспериментальных образцов по сравнению с контрольными образцами и сравнительными образцами явно соотносится с присутствием меланинового материала. Также было обнаружено, что меланину свойственна саморегуляция путем либо увеличения, либо уменьшения рН в соответствии с условиями окружающей среды.

Кроме того, как ясно показано на фиг. 3, ткань из синтетических волокон в контрольных образцах (контрольная группа, на фотографии крайняя справа) осталась, по существу, без изменений даже после пребывания в воде в течение трех месяцев. Ткань из синтетических волокон в сравнительных образцах (сравнительная группа, на фотографии в середине) проявляла признаки незначительного разрушения волокон. Напротив, ткань из синтетических волокон в экспериментальных образцах, снабженных содержащими меланин формами (экспериментальная группа, на фотографии крайняя слева), проявляла признаки существенного разрушения и разложения синтетических волокон. Считается, что причиной разложения волокон является рост микроорганизмов, таких как грибки, на поверхности ткани вследствие присутствия меланинового материала. То есть меланиновый материал стимулирует рост микроорганизмов, которые используют синтетические волокна в качестве источника углерода для своего роста. По существу, было обнаружено, что присутствие меланина в воде стимулирует развитие водной флоры и фауны (например, микроорагнизмов), которые, в свою очередь, облегчают разрушение синтетических волокон, часто загрязняющих водоемы.

Эксперимент 5

В другом эксперименте приготовили три группы резервуаров с дистиллированной водой. В резервуарах первой группы присутствовали только меланиновые формы. В резервуарах второй группы меланиновые формы находились в присутствии бикарбоната (НСО₃^-). В резервуарах третьей группы меланиновые формы находились в присутствии глюкозы (С₆Н₁₂О₆). Все резервуары закрыли и наблюдали за ними в течение некоторого времени.

Через восемь (8) дней в резервуарах первой группы не было заметного изменения цвета. Вода в резервуарах второй группы приобрела отчетливый желтый оттенок, тогда как вода в резервуарах третьей группы стала насыщенного желтого цвета. При помощи спектрофотометра измерили количество света, поглощаемого каждым образцом. Полученный методом спектрофотомерии спектр поглощения соответствовал длинам волн от 180 до 300 нм и для второй, и для третьей групп, при этом образцам второй группы соответствовали менее интенсивные пики, что указывает на присутствие органических соединений в резервуарах второй и третьей групп.

Через двадцать два (22) дня в резервуарах первой группы видимых изменений цвета все еще на наблюдалось. Вода в резервуарах второй группы приобрела более насыщенный желтый оттенок, тогда как вода в резервуарах третьей группы приобрела молочный вид, что указывает на присутствие аминокислот и других органических соединений, которые могут быть синтезированы из глюкозы. Для третьей группы спектрофотометрически получен спектр поглощения в диапазоне от 180 до 300 нм с пиком, примерно, на 280 нм, согласующийся с присутствием триптофана. Резервуары третьей группы не выделяли неприятного запаха.

Образование съедобных органических соединений из СО₂ и глюкозы экспоненциально увеличивает возможности производства пищи, более конкретно, пищи, которая не загрязнена пестицидами и гербицидами, которая получена без использования удобрений и без непроизводительного расходования воды. Потребность в сборе урожаев или умерщвлении животных для получения съедобного комплекса органических молекул, следовательно, может быть существенно уменьшена, и, тем самым, ослаблена нагрузка на невозобновляемые ресурсы. В другом аспекте, подобные органические соединения могут быть высушены и использованы в качестве биотоплива.

Специалистам в данной области понятно, что в описанные выше варианты осуществления изобретения и примеры могут быть внесены изменения, не выходящие за рамки широкого понимания его идеи. Следовательно, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными описанными вариантами его осуществления, напротив, подразумевается, что оно охватывает все модификации в рамках сущности и объема изобретения, определенных в прилагаемой формуле изобретения.

Группа изобретений может быть использована для нейтрализации закисления обрабатываемых природных вод – пресных, морских, океанических. Способы регулирования закисления воды включают приведение по меньшей мере одного меланинового материала в контакт с водой и катализ реакции между водой, СО₂ и/или бикарбонатом, в результате чего образуется глюкоза и повышается рН обрабатываемой воды. По достижении заданного рН воды по меньшей мере один меланиновый материал удаляют из воды. Меланиновый материал выбирают из группы, состоящей из меланина, прекурсоров меланина, производных меланина и аналогов меланина искусственного или природного происхождения, при этом меланиновый материал может быть внедрен по меньшей мере в один инертный материал. Способы регулирования рН воды предназначены в основном для обработки морской воды, закисленной в результате естественных или искусственно вызванных реакций, способствующих увеличению концентрации свободных ионов водорода в воде, например в результате абсорбции водой атмосферного диоксида углерода. Изобретения обеспечивают эффективное восстановление кислотно-щелочного баланса обрабатываемых вод. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 3 ил., 5 табл., 5 пр.

1. Способ увеличения рН воды, содержащей по меньшей мере один компонент из растворенного СО₂, бикарбоната и других производных карбоната, при этом способ включает:

приведение по меньшей мере одного меланинового материала в контакт с водой, при этом меланиновый материал катализирует реакцию между водой и по меньшей мере одним компонентом из растворенного СО₂, бикарбоната и других производных карбоната, в результате чего образуется глюкоза и увеличивается рН воды,

при этом меланиновый материал выбран из группы, состоящей из меланина, прекурсоров меланина, производных меланина и аналогов меланина.

2. Способ по п. 1, в котором рН воды возрастает на величину от 0,1 до 0,6 единицы рН после приведения в контакт по меньшей мере с одним меланиновым материалом.

3. Способ по п. 1, в котором вода является соленой водой.

4. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере один меланиновый материал является искусственным меланином или природным меланином.

5. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере один меланиновый материал присутствует в виде меланиновой формы, содержащей по меньшей мере один меланиновый материал, внедренный по меньшей мере в один инертный материал.

6. Способ по п. 5, в котором размеры меланиновой формы согласуются с объемом воды.

7. Способ по п. 5, в котором по меньшей мере один инертный материал выбран из группы, состоящей из алюминия, кремния, оксида кремния, кальция, золота и серебра.

8. Способ по п. 5, в котором по меньшей мере один меланиновый материал внедрен по меньшей мере в один инертный материал путем сжатия.

9. Способ по п. 5, в котором по меньшей мере один меланиновый материал внедрен по меньшей мере в один инертный материал посредством адгезии.

10. Способ по п. 1, в котором в воде имеются искусственные волокна и в котором по меньшей мере один меланиновый материал вызывает разложение синтетических волокон спустя некоторое время.

11. Способ по п. 10, в котором синтетические волокна представляют собой смесь 50% вискозы и 50% полиэфира.

12. Способ регулирования рН воды, при этом способ включает:

приведение по меньшей мере одного меланинового материала в контакт с водой, при этом меланиновый материал выбран из группы, состоящей из меланина, прекурсоров меланина, производных меланина и аналогов меланина,

при этом, если исходный рН воды до контакта по меньшей мере с одним меланиновым материалом меньше 7,0, присутствие по меньшей мере одного меланинового материала вызывает увеличение исходного рН; и

при этом, если исходный рН воды до контакта по меньшей мере с одним меланиновым материалом больше 7,0, присутствие по меньшей мере одного меланинового материала вызывает уменьшение исходного рН.

13. Способ по п. 12, в котором исходный рН воды возрастает на величину от 0,1 до 0,6 единицы рН после приведения в контакт по меньшей мере с одним меланиновым материалом.

14. Способ по п. 12, в котором вода является соленой водой.

15. Способ по п. 12, в котором по меньшей мере один меланиновый материал является искусственным меланином или природным меланином.

16. Способ по п. 12, в котором по меньшей мере один меланиновый материал присутствует в виде меланиновой формы, содержащей по меньшей мере один меланиновый материал, внедренный по меньшей мере в один инертный материал.

17. Способ по п. 16, в котором по меньшей мере один инертный материал выбран из группы, состоящей из алюминия, кремния, оксида кремния, кальция, золота и серебра.

18. Способ по п. 16, в котором по меньшей мере один меланиновый материал внедрен по меньшей мере в один инертный материал путем сжатия.

19. Способ по п. 16, в котором по меньшей мере один меланиновый материал внедрен по меньшей мере в один инертный материал посредством адгезии.

20. Способ по п. 12, в котором вода содержит по меньшей мере один компонент из растворенного СО₂, бикарбоната и других производных карбоната и в котором по меньшей мере один меланиновый материал катализирует реакцию между водой, СО₂ и производными карбоната, при этом производные карбоната выбраны из группы, состоящей из Н₂СО₃, НСО₃^- и СО₃^2-.

21. Способ производства органических соединений из воды, содержащей по меньшей мере один компонент из бикарбоната и глюкозы, при этом способ включает:

приведение по меньшей мере одного меланинового материала в контакт с водой, при этом меланиновый материал катализирует синтез органических соединений из бикарбоната или глюкозы,

при этом меланиновый материал выбран из группы, состоящей из меланина, прекурсоров меланина, производных меланина и аналогов меланина.

22. Способ по п. 21, в котором органические соединения включают по меньшей мере одно соединение из аминокислот и жиров.