"MÉTODO PARA PREPARAR UM AMIDO RETICULADO"
A invenção diz respeito a um método para preparar um amidoreticulado, que compreende a reação de um material de amido com um agentede reticulação. A invenção além disso diz respeito ao uso de um amidoreticulado obtenível através do citado método em várias aplicações.
Vários métodos para reticulação de amido são conhecidos natécnica. Um material de amido pode ser reticulado mediante condiçõesalcalinas após dissolver ou dispersá-la em um meio aquoso, além dissocompreendendo um agente de reticulação. A maioria dos métodosconhecidos, entretanto, compreende o uso de condições úmidas.
Os maiores inconvenientes da reticulação mediante condiçõesúmidas incluem alto consumo de água e um alto consumo de energia durantea reação, em particular se a reação é efetuada em uma temperatura elevada,durante a qual a temperatura tem de ser mantida ativamente através de meioexterno, e em particular durante a secagem do produto reticulado e o excessode reagentes que tem de ser removido após a reação. Além disso, as altasquantidades de reagentes conduzem quer a um produto com uma altaquantidade de impurezas ou requerem um procedimento de purificaçãointensiva.
Na Patente US 2.884.413, um método é divulgado para apreparação de ésteres de ortofosfato de amido. Para preparar um fosfato dediamido, uma mistura de reação é preparada através de adição de um reagentede fosfato inorgânico de metal alcalino a uma pasta fluida de amido e daí emdiante a secagem da mistura para ajustar o teor de umidade do amido a cercade 5-20%. Em um método de acordo com USP 2.884.413, a mistura de reaçãoentão necessita ser submetida a uma temperatura entre IOO0C e 160°C a fimde deixar a dimerização do amido acontecer. Durante a reação a umidade édeixada evaporar.Como os métodos de reticulação, o método divulgado começaa partir de uma pasta fluida de amido. Esta pasta fluida de amido necessita sersecada, o que não só consome energia mas também consome o tempo. Alémdisso, equipamento extra é necessário para empregar a etapa de secagem (talcomo uma instalação de filtração), e equipamento para permitir a reaçãoocorrer acima de IOO0C. A alta temperatura durante a reticulação pode darsurgimento a degradação indesejável e monofosfatação do produto de amidoreticulado.
A CA 949965 descreve um método para a preparação deamido reticulado em que uma pasta semifluida úmida de amido é filtrada atéum teor de umidade de 40-50% e submetida a calor entre 40°C e 70°C. Taisteores de umidade ainda requerem pós-processo de secagem substancial e nãosão economicamente atrativos.
E um objetivo da presente invenção proporcionar um métodode reticulação alternativo, que é economicamente mais atrativo do que osprocessos conhecidos.
Surpreendentemente foi verificado que é possível preparar umamido reticulado em uma temperatura abaixo de IOO0C mediante condiçõessemi-secas. Conseqüentemente a invenção diz respeito a um método parapreparar um amido reticulado, que compreende a reação de um material deamido com um agente de reticulação, em que a reação acontece mediantecondições semi-secas em uma temperatura abaixo de 100°C.
Foi verificado que a reação acontece de uma maneira nãodegradativa e em uma taxa suficiente para permitir a implementação de um método de acordo com a invenção em uma escala industrial. Durante ummétodo de acordo com a invenção um material de amido permaneceextraordinariamente processável. Mais em particular, o material mostra umgrau surpreendentemente baixo de mancha, formação de grumo ou outraforma de contaminação durante o processamento.Além disso um método de acordo com a invenção éconsiderado muito robusto; a qualidade do produto é altamente previsível apartir dos parâmetros do processo escolhido. Outra vantagem é a estabilidadeda cor - devido as condições não degradativas - que pode ser percebidaatravés do preparo de um amido reticulado de acordo com a invenção.
As vantagens econômicas de um método de acordo com ainvenção incluem um baixo consumo de energia durante o emprego dométodo (temperatura de reação relativamente baixa, baixo teor de água), umtempo de processamento curto, as necessidades para o equipamento (semtanque de suspensão, filtros de vácuo), o baixo consumo de matérias primas(água, reagentes) e a baixa perda.
O termo condições semi-secas quando aqui usado diz respeitoas condições em que o material de amido por um lado contém pelo menosalguma água residual mas por outro lado o teor de água é muito baixo paraatuar como um solvente no qual o amido é dispersado.
A mistura de reação é aqui usada para descrever uma misturade amido, agente de reticulação, água e opcionalmente outros aditivos, para oprocessamento através de um método de acordo com a invenção.
Tempo de residência quando aqui usado é significado indicar otempo durante o qual a mistura de reação é deixada reagir até oprocessamento adicional. Uma ou mais etapas do processo que pode seguirinclui a terminação da reação, uma etapa de secagem, armazenagem e/ou umou mais processos de modificação.
O teor da umidade de equilíbrio é aqui usado para indicar oteor de umidade residual de um amido seco comercialmente disponível.
O material de amido pode compreender qualquer tipo deamido ou combinação de amidos diferentes e/ou derivados dos mesmos. Osamidos preferidos incluem amidos de trigo, amidos de milho, amidos desorgo, amidos de batata, amidos de arroz, amidos de tapioca, incluindoamilopectina, alta amilose e outras variedades dos mesmos. O material deamido pode também ser qualquer derivado de amido.
O amido pode ser purificado ou ele pode ainda contercomponentes usualmente presentes em um grânulo de amido, tais comoproteínas, ácidos graxos, etc.
Como estabelecido antes, o material de amido pode consistirde um amido de amilopectina, em particular um amido de amilopectina quetem um teor de amilopectina de pelo menos 90% em peso, baseado no amidoseco. Exemplos de tais amidos são o amido de milho ceroso, amido de trigoceroso, amido de batata amilopectina, amido de tapioca amilopectina, e/ououtro amido de alta amilopectina proveniente de um tubérculo, uma raiz e/ouum grão.
O agente de reticulação pode ser escolhido de qualquer agentede reticulação apropriado. Preferivelmente um ou mais compostos escolhidosdo grupo formado através de trimetafosfato (TMF), polimetafosfatos (porexemplo, hexametafosfato), epicloroidrina, POCI3, compostos bifenila, N5N,-dimetilol-imidzolidon-2 (DMEU), ácido adípico/ácido acético, cloretocianúrico são usados. Particularmente bons resultados foram alcançados comtrimetafosfato como um agente de reticulação.
A quantidade de agente de reticulação usado em um método deacordo com a invenção depende da especificação de produto desejada. Aquantidade de agente de reticulação é preferivelmente escolhida na faixa decerca de 10 mg a cerca de 50 g por kg de amido (baseado no peso do amidoem teor de equilíbrio de umidade), mais preferivelmente cerca de 100 mg acerca de 25 g por kg de amido (baseado no teor de equilíbrio de umidade doamido), e ainda mais preferivelmente cerca de 250 mg a 20 g por kg de amido(baseado no peso do amido em teor de equilíbrio de umidade).
Dependendo do grau desejado de reticulação e os parâmetrosde método escolhidos, tais como natureza do material do amido, agente dereticulação, temperatura, pH etc., as condições semi-secas podem serescolhidas dentro de uma ampla faixa.
Em uma realização preferida o teor de umidade é escolhidorelativo ao teor de umidade de equilíbrio do amido. O teor de umidade deequilíbrio que é o teor de umidade residual de um amido seco comercialmentedisponível. Preferivelmente pelo menos alguma umidade adicional éadicionada ao amido seco comercialmente disponível. Resultados satisfatóriosforam obtidos com um método, em que o teor de umidade durante a reação dereticulação está na faixa de cerca de 1-30 % em peso, preferivelmente 1-25 % em peso baseado no teor de amido seco, acima do teor de umidade deequilíbrio do amido. Resultados muito bons foram atingidos com um método,em que o teor de umidade durante a reação de reticulação está na faixa de 5-25 % em peso, baseado no teor de amido seco, acima do teor de umidade deequilíbrio. Em uma realização muito preferida o teor de umidade é cerca de 5- 20 % em peso acima do teor de umidade de equilíbrio. O mais preferido é umteor de umidade de cerca de 10-15 % em peso acima do teor de umidade deequilíbrio. Tal realização mostra entre outras coisas uma velocidade de reaçãomuito favorável, enquanto mantendo uma processabilidade muito satisfatóriado material do amido. A processabilidade muito satisfatória é inesperada, uma vez que em processos industriais conhecidos, as misturas que contêm amido,5-10 g de NaOH e 10-15 % em peso de água acima do teor de umidade deequilíbrio do amido podem ser muito pegajosas, tornando o processo difícil,por causa da obstrução de partes da instalação (por exemplo, um misturadorou um tubo) que vai ser empregada em um processo de reticulação.
Um método de acordo com a invenção pode ser executadodentre de uma ampla faixa de temperatura abaixo de 100°C. Em umarealização preferida a temperatura é escolhida na faixa de cerca de 5-75°C,mais preferivelmente na faixa de cerca de 15-55°C, ainda maispreferivelmente na faixa de cerca de 20-50°C. A temperatura ótima comrespeito a velocidade de reação depende da qualidade desejada do produto, anatureza do amido e outras condições de reação. Por exemplo, a reticulaçãode um amido de trigo pode acontecer particularmente rápido em umatemperatura de cerca de 45-55°C.
Em outra realização preferida a temperatura é escolhidarelativamente baixa, por exemplo, na faixa de 20-30°C. Uma razão particularpara empregar a invenção na faixa de 20-30°C pode ser o baixo consumo deenergia durante o processo. O calor desenvolvido da reação, pode sersuficiente para manter a temperatura, o que é uma vantagem considerávelsobre processos conhecidos para reticulação mediante condições semi-secas(efetuada em temperaturas de mais de 100°C) ou processos de reticulaçãoconhecidos em uma pasta semifluida (usualmente efetuada em umatemperatura de 35°C ou superior).
O tempo de residência é de grande influência nodesenvolvimento da reação; se o tempo de residência é aumentado, o pontofinal da reação pode ser atingido mais rápido. Em uma realização preferida, otempo de residência é escolhido na faixa de 0 hora a cerca de 6 horas, maispreferivelmente na faixa de cerca de 0,1-4 horas, ainda mais preferido cercade 0,5 a 2 horas. Se desejado, a mistura resultante pode ser armazenada semterminar a reação. Por conseguinte uma reação de reticulação pode continuar.Tal reação pós-processo é tipicamente completada dentro de um período de 3semanas ou menos, dependendo das condições do método de reticulação quetenha sido empregado e as condições de armazenagem.
Um método de acordo com a invenção é preferivelmenteefetuado mediante condições alcalinas, preferivelmente em um pH na faixa decerca de 8-13. Em uma realização particularmente preferida o pH é escolhidona faixa de cerca de 10-12. O valor de pH de uma mistura de reação semi-secacomo aqui usada pode ser determinado em uma dispersão aquosa da misturade reação. A determinação de pH é apropriadamente efetuada através dedispersão de 70 gramas (calculado como matéria seca absoluta, corrigida peloteor de umidade) do material de amido alcalino (a mistura de reação) em 150g de água desmineralizada e determinação do valor de pH real do solvente (afase aquosa) através de um medidor de pH (tal como um Radiômetro PHM82) em temperatura ambiente. O pH mediante condições semi-secas deve serinterpretado como o pH normal determinado no solvente (a fase aquosa) emtemperatura ambiente.
Em um método preferido de acordo com a invenção 3-12 g deNaOH (ou uma quantidade equivalente de outra base) por kg de amido sãousados (baseado no peso do amido em teor de umidade de equilibro). Em umarealização mais preferida 5-10 g de NaOH (ou uma quantidade equivalente deoutra base) por kg de amido são usados em uma realização ainda maispreferida 6-9 g de NaOH (ou uma quantidade equivalente de outra base).
As condições semi-secas podem ser atingidas através dequalquer meio convencional, por exemplo, através de mistura de amido comágua, agente de reticulação, amido e opcionalmente outros reagentes esecagem da mistura formada. É entretanto preferido adicionar água, ou umasolução aquosa que consiste de outros reagentes substancialmente aquantidade certa para estar presente durante a reação, para um amidocomercialmente seco em teor de umidade de equilíbrio. Isto pode por exemploser atingido através de pulverização de água ou solução aquosa sobre o amidoou através de adição de água ou gotículas de solução aquosa ao amido. Amistura é então preferivelmente homogeneizado durante a adição dasgotículas.
A reação de reticulação pode ser efetuada em um sistemaaberto, em que a água pode evaporar do sistema. Preferivelmente a reação dereticulação é efetuada em um sistema fechado, em que a evaporação de água éevitada.
Em uma realização preferida a mistura de reação éhomogeneizada durante pelo menos parte do método, mais preferivelmente éintensivamente homogeneizada. A homogeneização pode ser efetuada antese/ou durante a reação de reticulação. Em uma realização preferida, a misturade reação é intensivamente homogeneizada durante ou imediatamente após aadição dos reagentes (água, agente de reticulação, opcionalmente outrosaditivos), e a seguir armazenada sem homogeneização adicional durante areação de reticulação. Os procedimentos de homogeneização apropriados sãoconhecidos na técnica. Particularmente apropriada é a homogeneizaçãoatravés de um misturador Schugi ou um misturador Lõdige.
Depois que a reação foi completada a um grau suficiente, areação pode ser terminada. Dependendo do agente de reticulação e outrascondições, o profissional habilitado saberá como a reação pode ser terminada.Para muitos agentes de reticulação, uma terminação muito apropriada é aneutralização da mistura de reação por meio de um ácido. A reticulação deamido com um agente do tipo de fosfato, pode ser terminada através do ajustedo pH a um valor neutro ou ligeiramente ácido, por exemplo, a um pH de 6-6,5. O pH é preferivelmente ajustado com um ácido forte tais como ácidofosfórico (H3PO4), ácido sulfurico (H2SO4) ácido clorídrico (HCl) ou ácidonítrico (HNO3) e/ou com um ácido orgânico, por exemplo ácido cítrico, ácidofumárico etc.
O amido reticulado, obtido através de um método de acordocom a invenção, pode ser lavado, por exemplo, com água ou outro solvente,para remover reagentes residuais e/ou aditivos.
O amido reticulado pode também ser secado. Dependendo douso intencional, a secagem pode ser continuada até qualquer grau desejado,por exemplo, variando de alguns por centos em peso acima do teor deumidade de equilíbrio a um valor muito abaixo do teor de umidade deequilíbrio do amido reticulado.
O amido reticulado pode ser processado adicionalmente, semprimeiro terminar a reação ou após terminação da reação. Os exemplos deprocessamento adicional incluem por exemplo extrusão, secagem em tambor,autoclavação e qualquer (outro) processo em que o amido reticulado é exposto acalor, produtos químicos, energia mecânica ou uma combinação dos mesmos.
O uso de amidos reticulados é amplamente espalhado sobremuitas aplicações na indústria alimentícia e não alimentícia. Um amidoobtenível através de um método de acordo com a invenção pode por exemploser usado como um espessante em um pudim um caldo ou um tempero. Talamido usualmente terá um grau de reticulação relativamente baixo. O amidoreticulado, por exemplo, um amido derivatizado em hidroxietiléter reticulado,pode também ser usado como agente de espessamento em um material deconstrução baseado em gesso e/ou cimento. Um derivado de amido reticuladopode ser usado na indústria têxtil como componente para tinta têxtil, em que oamido reticulado pode atuar como um componente de espessamento e/oucomo um agente para melhorar o comportamento reológico da tinta.
Um amido reticulado, obtenível através de um método deacordo com a invenção pode ser usado como um fluido de perfuraçãotermoestável para a indústria petrolífera. Foi verificado que tal amido temcaracterísticas muito boas de termoestabilidade.
Um amido catiônico reticulado obtenível através da presenteinvenção pode por exemplo ser usado em um papel. Ele pode ser emparticular usado no processo de fabricação de papel durante a formação deuma rede de papel.
Um amido com um alto grau de reticulação, tendo grânulos deamido altamente rígidos pode ser usado como um pó de polvilhar, porexemplo, luvas cirúrgicas, ou como enchedor em tabletes de sabão.
O amido reticulado pode também muito apropriadamente serusado em um adesivo, por exemplo, em um adesivo de saco de papel. Asubstância seca de tal adesivo pode substancialmente consistir do amidoreticulado. Um amido reticulado de acordo com a invenção pode também serusado em aplicações farmacêuticas. Ele pode por exemplo ser usado para afabricação de um desintegrante para aplicações farmacêuticas, que realça adesintegração de um tablete em água.
A invenção será agora elucidada através dos seguintes exemplos.
Exemplo 1
A reticulação de amido com trimetafosfato de sódio em um estadoparcialmente seco.
O amido foi misturado em um misturador Schugi (Tipo:Flexomix) simultaneamente com uma solução aquosa de hidróxido de sódio,trimetafosfato de sódio (solução aquosa ou pó sólido) e água durante algunssegundos, depois coletado, secado a um teor de umidade desejado earmazenado em temperatura ambiente.
Opcionalmente a mistura foi processada em um misturador defita durante intervalos de tempo variáveis a fim de criar um tempo deresidência. Posteriormente a mistura foi coletada, e secada até o teor deumidade desejada, a seguir armazenada em temperatura ambiente.
O processo usado é esquematicamente mostrado nofluxograma da Figura 1.
O grau de reticulação foi determinado através de determinaçãoda viscosidade por meio de um viscosímetro de Fann.Determinação da viscosidade com um viscosímetro de Fann
A viscosidade Fann do amido reticulado foi determinada comoum indicador para o grau de reticulação. Uma viscosidade Fann baixa indicaum grau de reticulação alto; uma viscosidade Fann alta indica um grau dereticulação baixo.
A não ser que outra forma seja estabelecida, uma quantidadede 70 g de produto seco foi posta em suspensão em 150 g de água em umbéquer com um volume de 600 ml. O pH foi ajustado para 6,0 - 6,5 por meiode uma solução 5 M de ácido sulfurico. 250 ml de uma solução a 50% deisotiocianato de potássio foram adicionados e a mistura foi agitada com umagitador de lâmina de seis furos durante 15 minutos em 35 graus Celsius e 250rpm. A viscosidade foi determinada com um viscosímetro de Fann modelo 35SA em 300 rpm em 35°C, a não ser que outra forma seja estabelecida.
Os resultados são mostrados nos Exemplos a seguir. Os teoresde umidade mencionados nas Tabelas são teores de umidade total da mistura,incluindo o teor de umidade do equilíbrio dos amidos usados, a não ser queoutra forma seja estabelecida.
O teor de umidade do equilíbrio em 70% de Umidade Relativaé 19 % em peso para o amido de batata e 13 % em peso para amido detapioca, trigo e milho. Os números são os mesmos para as variedades deamilopectina desses amidos.
Exemplo 2
Variação da origem Botânica do amido processado
Diversos amidos foram processados conforme descrito noExemplo 1. O NaTMF foi adicionado como um pó sólido. Os produtos foramdiretamente coletados após o misturador, sem qualquer tempo de residência esecagem. Os amidos reticulados foram armazenados durante 1 dia emtemperatura ambiente antes de determinação da viscosidade Fann. Osresultados são mostrados na Tabela 1.
Tabela 1
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Exemplo 3
Variação do teor de Umidade em uma mistura baseada no amido de trigoUm amido de trigo foi tratado conforme descrito no Exemplo1 com 7,5 g/kg de NaOH, 30 g/kg de NaTMF (pó), e uma quantidade variávelde H2O acima do teor de umidade de equilíbrio. A mistura foi diretamentecoletada após o misturador, sem qualquer tempo de residência e secagem. Oproduto tratado foi armazenado em temperatura ambiente durante 6 horas antesde determinar a viscosidade Fann. Os resultados são mostrados na Tabela 2
Tabela 2
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Exemplo 4
Variações no Tempo de Residência
Um amido de trigo foi tratado conforme descrito no Exemplo1 com 7,5 g/kg de NaOH5 15 g/kg de NaTMF (solução), 25% de H2O. Otempo de residência foi variado. O amido reticulado foi secado a 14% -15%de H2O; e armazenado em temperatura ambiente durante 6 dias. Os resultadosda viscosidade Fann são mostrados na Tabela 3.
Tabela 3
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Exemplo 5
Variação da Temperatura na qual uma mistura baseada em amido de trigo éprocessada
Um amido de trigo foi tratado conforme descrito no Exemplo1 com 10 g/kg de NaOH, 30 g/kg de NaTMF (pó), 25% de H2O. O tempo deresidência foi ajustado para 0,5 e 1,0 horas; Durante este período atemperatura da mistura de reação foi variada conforme indicado na Tabela 4.Os produtos reticulados não sofreram uma etapa de secagem, e foramarmazenados em temperatura ambiente durante 20 minutos. Os resultados da
viscosidade Fann são mostrados na Tabela 4.Tabela 4
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Exemplo 6
A influência de pH durante a armazenagem
A reatividade mediante condições de armazenagem diferentes(pH alcalino versus neutro) de um amido (amilopectina) de batata foideterminada através de um processo conforme descrito mediante o Exemplo1. Duas misturas foram reagidas, cada uma consistindo de 7,5 g/kg de NaOH,30 g/kg de NaTMF, 35 % de H2O. O tempo de residência foi 45 minutos.Uma batelada foi neutralizada a pH 6,5 com HCl 6 N, no final do tempo deresidência. Daí em diante, ambas as bateladas de amido reticulado, foramsecadas a 18%-20% H2O, e armazenadas em temperatura ambiente durantediversos dias. Os resultados são mostrados na Tabela 5.
Tabela 5
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#: determinação Fann baseada em 50 g de matéria seca.
Exemplo 7
Vantagens econômicas em meio ambiente
Um cálculo foi feito de consumo de energia e água de ummétodo de acordo com a invenção em comparação com a maneira tradicionalde reticulação em uma suspensão. Os resultados são mostrados na Tabela 6.Tabela 6: comparação de tipo de processo.
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Aproximadamente oito vezes mais água são necessários paraefetuar a mesma reticulação em suspensão do que é necessário no processorelacionado a invenção.
Adicionalmente, no caso de produtos com um graurelativamente alto de reticulação, foi observado que para um processoparcialmente seco de acordo com a invenção metade da quantidade deNaTMF é necessária.
Além disso foi concluído da Tabela 6 que a quantidade deenergia necessária para a evaporação de água presente no bolo do filtro de umamido reticulado em uma suspensão é aproximadamente duas vezes tantoquanto mediante condições semi-secas.
Exemplo 8
Textura da mistura de reação
Uma batelada de amido, NaOH e reagente S (cloreto decloroidroxipropiltrimetilamônio) foi misturada em um vidro de béquer comágua para uma quantidade de 35 % em peso de água total. A misturaresultante ficou encaroçada e mostrou um alto grau de manchas na parede dovidro do béquer. A mistura ficou difícil de agitar.
Outra batelada do mesmo amido foi misturada com umasolução de água que consiste de NaOH e NaTMF para render uma quantidadefinal de 10 g de NaOH e 30 g de NaTMF por kg de amido e uma quantidadede 35 % em peso de água total. A mistura resultante ficou homogênea e nãomostrou mancha significante na parede do vidro do béquer. A mistura foisignificantemente mais fácil de agitar do que a mistura somente de amido,NaOH, reagente S e água.