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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

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

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Транспортировка ионов через мембрану определяется тремя принципами:

- влиянием электрического поля (установленного токогенератором);

- градиентом концентрации каждого из веществ по обе стороны мембраны;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Разделение двух электродов мембраной обеспечивает три важных изменения обработанной воды:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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