ES2304164T3 - Polvo de hierro, uso como aditivo para alimentos, aditivo para alimentos y metodo para confeccionar polvo de hierro. - Google Patents
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Abstract
Polvo de hierro consistente esencialmente de un polvo de hierro reducido teniendo partículas irregularmente formadas, donde el polvo de hierro tiene una proporción AD:PD menor que 0.3, donde AD es la densidad aparente en g/cm3, y PD es la densidad de partícula en g/cm3, el área superficial específica de las partículas de polvo está sobre 300 m2/kg tal como fue medido por el método BET y donde el tamaño promedio de la partícula está entre 5-45 µm.
Description
Polvo de hierro, uso como aditivo para
alimentos, aditivo para alimentos y método para confeccionar polvo
de hierro.
La presente invención concierne a la
fortificación de alimentos y piensos. Más específicamente la
invención concierne a un polvo de hierro, el cual es adecuado como
aditivo para alimentos y piensos y el cual puede ser producido de
forma económicamente rentable.
El hierro es un elemento traza esencial en la
nutrición animal y humana. Es un componente del heme en la
hemoglobina y de la mioglobina, los citocromos y varias enzimas. El
papel principal del hierro es su participación en el transporte,
almacenaje y utilización del oxígeno. Una dieta balanceada
normalmente cubrirá la necesidad de hierro mediante el consumo de
productos alimenticios ricos en hierro tales como vegetales, carnes
y cereales. Una importante fuente de hierro son los cereales tales
como la harina de trigo. Sin embargo en los métodos modernos de
producción de harina de trigo la capa rica en hiero del grano de
trigo es eliminada. Esto resulta en que hoy el contenido de hierro
de la harina de trigo sea inferior que el de la harina de trigo
producida antes. La deficiencia de hierro es también una
consecuencia de la malnutrición la cual prevalece especialmente en
los países en desarrollo. Como una dieta con muy bajo contenido de
hierro contribuye al bajo peso al nacer, perjudica el crecimiento y
el desarrollo cognitivo en niños y causa fatiga en adultos hay una
necesidad de adicionar hierro a la dieta. Los mayores efectos de un
programa de fortificación con hierro serán por supuesto alcanzados
cuando el hierro se adicione al alimento que la mayoría de las
personas come diariamente.
El método más difundido es la fortificación con
hierro de los productos de cereales tales como harina de trigo,
harina de maíz, hojuelas de maíz etc pero otros muchos productos
también son fortificados.
El hierro puede ser adicionado al alimento y el
pienso de formas muy diferentes. El hierro metálico puede ser usado
como sales inorgánicas de hierro, tal como sulfato de hierro, y como
sales orgánicas, tales como gluconato de hierro o fumarato de
hierro. Hay básicamente tres tipos diferentes de hierro elemental
para la fortificación alimenticia, nombrados hierro reducido o
hierro esponja, hierro carbonil e hierro electrolítico.
El hierro reducido es producido por una
reducción de óxido de hierro molido con hidrógeno o monóxido de
carbono a elevada temperatura seguido por la quebradura y molienda
de la torta de hierro reducido. El hierro reducido es producido ya
sea del mineral de hierro o de cascarilla de laminación. La pureza
del producto está dictada por la pureza del óxido de hierro. Estos
productos tienen la más baja pureza de los polvos de hierro de
calidad alimenticia cuando son comparados con los polvos
electrolíticos o carbonil. La impureza más común en los polvos de
hierro producidos por cualquier proceso de reducción es el oxígeno,
la mayor parte del cual se presenta como una fina película de óxido
en la superficie. Las impurezas básicas incluyen carbono, magnesio,
aluminio, silicio, fósforo, azufre, cromo, manganeso, níquel y
cobre, muchas de las cuales están presentes como óxidos. El tamaño
de la partícula es irregular y esta es porosa y consiste en un
número de pequeños granos equiaxiales.
Los polvos de hierro carbonil consisten en
partículas, las cuales son mucho más finas que las partículas de
otros polvos de hierro. Estos polvos son producidos por tratamiento
de hierro reducido con monóxido de carbono bajo calor y presión. El
hierro pentacarbonil resultante es luego descompuesto bajo
condiciones controladas produciendo un polvo de hierro y gas
monóxido de carbono. A estas alturas la mayor impureza es el carbono
y una reducción adicional en hidrógeno líquido es necesaria para
eliminar la mayor parte del carbono. El polvo tiene partículas en
un rango de tamaño desde 0.5 a 10 \mum de diámetro y es de alta
pureza. Las partículas se acercan a la esfericidad en la forma y
son muy densas y suaves. La estructura de las partículas está
caracterizada por capas concéntricas dispuestas a la manera de la
piel de cebolla. El proceso carbonil es costoso.
El hierro electrolítico es producido por
deposición electrolítica de un metal duro y quebradizo que es
mecánicamente desmenuzado. La forma de la partícula del polvo de
hierro electrolítico es irregular, dendrítica tipo helecho, de la
cual recibe su alto factor superficial.
Una característica importante de los compuestos
contenedores de hierro usados como aditivo para alimentos es la
biodisponibilidad del hierro, es decir, cuán eficientemente el
hierro es absorbido por el cuerpo. De los polvos de hierro usados
hoy para el enriquecimiento los alimentos y piensos, los polvos
carbonil y electrolítico tienen la más alta biodisponibilidad pero
los costos de producción de estos polvos son altos comparados con
los costos de producción para los polvos de hierro reducidos. Un
polvo de hierro reducido puro, el cual tenga una alta
biodisponibilidad y el cual pueda ser producido de forma
económicamente rentable podría por consiguiente ser atractivo y es
el objeto de la presente invención.
La valoración de la biodisponibilidad puede ser
ejecutada de diferentes maneras tales como estudios in
vitro, estudios en animales o estudios en humanos. La
biodisponibilidad de los polvos de hierro tanto como la de otros
compuestos de hierro es usualmente medida en relación al sulfato de
hierro.
De acuerdo a la invención ha sido ahora hallado
que una biodisponibilidad satisfactoria del hierro puede ser
obtenida con un polvo de hierro reducido teniendo partículas
irregularmente formadas, donde el polvo de hierro tiene una
proporción AD:PD menor que 0.3, donde AD es la densidad aparente en
g/cm^{3} y donde PD es la densidad de partícula en g/cm^{3}.
Adicionalmente el área superficial específica de las partículas de
polvo debe estar por encima de 300, preferiblemente sobre 400
m^{2}/kg tal como fue medida por el método BET, y el tamaño
promedio de la partícula debe estar entre 5 y 45, preferiblemente
entre 5 y 25 \mum.
Una cantidad fortificante de tal polvo
(aproximadamente de 1 a 200 ppm) debe ser incluida en un producto
alimenticio o pienso.
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El óxido de hierro usado como material de inicio
puede ser hematita natural (Fe_{2}O_{3}). Otra alternativa es
usar el tipo de óxidos de hierro los cuales son obtenidos como
subproductos de los procesos de regeneración ácida. Con el objeto
de obtener un producto que tenga las propiedades deseadas el tamaño
de partícula del material de partida preferiblemente no debe
exceder de 55 \mum.
La reducción del material de partida es
ejecutada con gas hidrógeno o una mezcla de carbono y gas hidrógeno.
Preferiblemente la reducción es ejecutada en un horno de cinta a
temperaturas por encima de 1100ºC. Una característica importante es
que la reducción es ejecutada de tal manera que el producto
resultante está en forma de un polvo o una torta ligeramente
sinterizada la cual puede fácilmente ser molida sin impacto alguno o
con sólo un ligero impacto sobre la forma de la partícula y otras
propiedades.
Un proceso para la producción de un polvo de
hierro esponjoso con propósitos metalúrgicos es revelado en la
patente GB 704026. Esta patente enseña que con el objetivo de
obtener tal polvo el tamaño de partícula del material de partida
debe estar por debajo de 150 \mum (100 mesh) y no exceder el del
producto final. Además es revelado que el material de partida puede
ser reducido con agentes reductores sólidos o gaseosos a una
temperatura a la que son formadas tortas de hierro esponjoso
sinterizadas. Después de enfriar las tortas sinterizadas son
desmenuzadas al tamaño deseado. A manera de ejemplo es revelado
específicamente que un concentrado de magnetita es reducido con
carbón de leña a una temperatura de 1000ºC.
Otro proceso de reducción es revelado en la
patente US 5 713 982. Este proceso es preferiblemente ejecutado de
tal manera que el polvo de óxido de hierro es calentado gradualmente
hasta aproximadamente 1200ºF (649ºC), luego hasta aproximadamente
1400ºF(760ºC) y finalmente hasta aproximadamente 1500ºF
(816ºC) en una atmósfera reductora. El hidrógeno es preferiblemente
usado como atmósfera reductora. De acuerdo a este proceso conocido,
un polvo de hierro, las partículas del cual son redondeadas, es
obtenido. Este conocido polvo está establecido para ser usado en
procesos de moldura por inyección.
De acuerdo a la presente invención ha sido
hallado que, con el objeto de obtener una tasa de disolución
satisfactoria y biodisponibilidad, las partículas de hierro
obtenidas después de la reducción deben tener una forma irregular.
Ha sido hallado que la característica crítica puede ser obtenida
ejecutando la reducción del polvo de óxido de hierro a una
temperatura algo superior y/o con tiempos de calentamiento más
prolongados que los que son revelados en la patente US. Como
ejemplo una combinación de carbono y gas hidrógeno puede ser usada
como agente reductor a una temperatura de cerca de 1000ºC. Las
condiciones exactas para la preparación de polvos de hierro
teniendo partículas irregularmente formadas pueden ser determinadas
por un experto en el arte.
Una característica importante y crítica del
polvo es el poro y la forma irregular y consecuentemente la baja
densidad aparente, AD, la cual ha sido hallado que debe ser
preferiblemente menor que 2 g/cm^{3}. Además, los poros del polvo
deben estar abiertos, facilitando la penetración del jugo gástrico
dentro de las partículas de hierro dando una tasa de disolución del
hierro suficientemente alta. Un bajo grado de apertura en la
porosidad es manifestada en un valor de densidad de partícula
cercano al valor de la verdadera densidad del hierro, que es
aproximadamente 7.86 g/cm^{3}. Ha sido entonces hallado que la
relación entre AD y PD debe ser menor que 0.3.
Como es usada aquí la densidad de partícula, PD,
es medida usando un aparato picnómetro, el cual permite al líquido
fluir dentro de los poros abiertos de las partículas de hierro en un
contenedor de volumen definido bajo condiciones controladas. La
densidad de partícula se define como la masa de la partícula
dividida por el volumen de la partícula, incluyendo los poros
interiores cerrados. Fue usado como fluido líquido 5% de una
solución de etanol al 99.5%. El peso del picnómetro, el picnómetro
incluyendo la muestra de polvo de hierro, y el picnómetro
incluyendo la muestra de polvo de hierro rellena con el fluido
penetrante hasta el volumen definido fueron medidos. Como el
volumen definido del picnómetro y la densidad del fluido penetrante
son conocidas la densidad de partícula puede entonces ser
calculada.
El tamaño de partícula de las partículas de
polvo de hierro es también un parámetro que influye en la tasa de
disolución. Una partícula de tamaño muy grueso influirá
negativamente en la tasa de disolución y una partícula muy fina del
polvo de hierro incrementa el riesgo de explosiones de polvo durante
la manipulación. Una tasa de disolución suficientemente alta es
obtenida cuando el tamaño promedio de la partícula está entre 5 y 45
preferiblemente entre 5 y 25 \mum.
Como método para la evaluación de la
biodisponibilidad del polvo de hierro hemos usado un método
incluyendo los pasos de disolver los 50 g de polvo de hierro en
ácido clorhídrico a pH 1 y 37ºC. La cantidad de hierro disuelto es
medida después de 30 minutos y es reportada como tasa de disolución
en la Tabla 2 abajo. De acuerdo a la presente invención ha sido
hallado que el polvo de hierro debe tener una tasa de disolución en
ácido clorhídrico a 37ºC y pH 1 de al menos 40% por peso luego de 30
minutos.
Aunque descrita particularmente con referencia a
aplicaciones alimenticias es obvio que el polvo de hierro de
acuerdo a la presente invención puede ser usado en otros campos
donde una disolución rápida es requerida.
La invención es además ilustrada por los
siguientes ejemplos no limitantes.
Este ejemplo revela un proceso para la
preparación de polvo de hierro, el cual tiene alta biodisponibilidad
medida por la tasa de disolución y el cual puede ser usado como
fortificación de alimentos o piensos.
La hematita con un tamaño de grano de
5-20 \mum fue mezclada con carbón que tiene un
tamaño de grano menor que 1 mm. La cantidad de carbón adicionado
fue del 12% del peso. La mezcla obtenida fue reducida en un horno
aproximadamente a 1000ºC. Gas hidrógeno fue adicionado al final del
horno y forzado a fluir en una dirección contraria al flujo del
material hematita. La cantidad de gas hidrógeno adicionada fue de
610 m^{3}/ton de hierro reducido. La torta obtenida de hierro
esponjoso fue triturada con cuidado en un molino común y tamizada
en un enrejado de 325 mesh.
La figura 1 es una microfotografía del polvo de
hierro producido.
El proceso de acuerdo al ejemplo 1 fue repetido
pero la reducción fue ejecutada con hidrógeno solamente y el
material de partida usado fue un óxido de hierro el cual ha sido
obtenido como subproducto de regeneración ácida.
La figura 2 es una micro fotografía del polvo de
hierro producido de acuerdo a este ejemplo.
Una comparación entre los nuevos polvos A y B de
acuerdo a los ejemplos de arriba 1 y 2, respectivamente, y los
polvos de hierro usados actualmente para la fortificación de
alimentos es revelada a continuación, donde la Tabla 1 enumera los
tipos de polvos y la Tabla 2 las propiedades de estos polvos.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Los contenidos de As, Hg y Pb en los polvos de
acuerdo a la invención estuvieron por debajo de los límites
críticos aceptados en los polvos de hierro para la fortificación de
alimentos.
Claims (10)
1. Polvo de hierro consistente esencialmente de
un polvo de hierro reducido teniendo partículas irregularmente
formadas, donde el polvo de hierro tiene una proporción AD:PD menor
que 0.3, donde AD es la densidad aparente en g/cm^{3}, y PD es la
densidad de partícula en g/cm^{3}, el área superficial específica
de las partículas de polvo está sobre 300 m^{2}/kg tal como fue
medido por el método BET y donde el tamaño promedio de la partícula
está entre 5-45 \mum.
2. Polvo de acuerdo a la reivindicación 1, donde
el área superficial específica de las partículas de polvo está
sobre 400, preferiblemente sobre 450 y más preferiblemente sobre 500
m^{2}/kg y el tamaño promedio de la partícula es de
5-25 \mum.
3. Polvo de acuerdo a la reivindicación 1 ó 2,
donde la proporción AD:PD es menor que 0.27, preferiblemente menor
que 0.25.
4. Polvo de acuerdo a cualquiera de las
reivindicaciones 1-3, donde el polvo de hierro tiene
una tasa de disolución en ácido clorhídrico a 37ºC y pH 1 de al
menos 40% por peso después de 30 minutos.
5. Uso de un polvo de acuerdo a cualquiera de
las reivindicaciones 1-4 en alimentos, piensos o
bebidas.
6. Un material fortificado que comprende un
alimento o bebida y una cantidad fortificante de un polvo de hierro
reducido de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones
1-4.
7. Método para la producción de un polvo de
hierro reducido como se define en cualquiera de las reivindicaciones
1-4 que comprende los pasos de
- -
- proporcionar un material de partida de polvo de óxido de hierro que tiene un tamaño de partícula menor que 55 \mum.
- -
- reducir dicho polvo a una temperatura menor que 1100ºC a una torta porosa sinterizada.
- -
- triturar y tamizar la torta obtenida a un polvo que tiene el tamaño de partícula deseado.
8. Método de acuerdo a la reivindicación 7,
donde el óxido de hierro es seleccionado de un grupo consistente
de hematita natural (Fe_{2}O_{3}) y óxidos de hierro los cuales
son obtenidos como subproductos de procesos de regeneración
ácida.
9. Método de acuerdo a cualquiera de las
reivindicaciones 7 u 8 donde la reducción es ejecutada con gas
hidrógeno o una mezcla de carbono y gas hidrógeno.
10. Método de acuerdo a cualquiera de las
reivindicaciones 7-9, donde la reducción es
ejecutada en un horno de cinta.
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