CN102725043A - 富含镁的饮用水 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生产富含镁的饮用水的系统，其包括水循环流经的镁化合物床。这种对健康有益的水含有10-500mg/l的镁以及其它的有益健康的盐，但不含有钠。

Description

富含镁的饮用水

技术领域

本发明涉及一种提供富含镁的饮用水的系统，其包括循环流经镁化合物床的闭路水流回路，以及为水流提供新水并从水流中取出富含镁的水的开路水流回路。所提供的为富含镁的有益健康的饮用水。

背景技术

镁与钙、钾、钠同属于体内最丰富的四种金属元素。镁元素缺乏所导致的疾病是复杂多样的，通常伴有多种代谢和营养障碍。镁元素缺乏的临床表现是厌食、恶心、呕吐、嗜睡、无力、性格改变、抽搐、震颤和肌肉颤动[The Merck Manual,17th Ed.(1999)]。低镁血症，即血浆镁减少，可导致神经肌肉兴奋。镁元素缺乏可能发生于体液损失、肾脏排泄过多，也可能与营养缺乏、腹泻、糖尿病、胰腺炎等相关。镁缺乏可能进一步导致低钙血症和由此产生的一切严重的症状。研究发现，对于各种身体状况的人，饮用缺乏镁的水的人通常都更容易生病，主要是心血管疾病。

优选通过饮水完成食品中供应的每日所需的全部镁。建议成年人每天摄入200至400毫克的镁[The Merck Manual,17^th Ed.(1999)]，有时更多。然而，自来水经常含镁量少，例如，美国大型城市的自来水经常含镁小于10mg/L的[Azoulay A.et al.:J.Intern.Med.16(2001)168-75]。因此，现代预防医学和健康营养原则，将需要较高的镁摄入量，其中最容易通过饮用镁含量较高的矿泉水或其它瓶装水来实现。许多市售瓶装水镁含量非常低，而且，一些瓶装水，以及一些自来水，含有太多钠[同上]，其在健康饮食中应保持尽可能低。因此，本发明的目的是提供以镁强化、低钠含量的饮用水。

欧洲专利EP 1460042涉及通过溶解镁盐、优选为混合碳酸镁和碳酸钾来生产镁含量较高的饮用水的方法。该复杂的系统包括许多分隔室和独立的预溶解步骤，其中加入其它阳离子，如钾。美国专利US 6,761,289涉及用于在压力范围为30至70个大气压的压力下，提供碳酸氢钙和碳酸氢镁的溶液的压力容器，其进一步含有添加剂如钠盐。这种高压力的技术太复杂，并提供适度的镁离子浓度。US2005/0255174涉及到准备碳酸氢镁，其包括混合悬浮于苏打水内的碳酸镁。该复杂系统在搅拌悬浮液、控制基体粉末的剂量、以及调整pH值等方面都存在问题。因此，本发明的另一目的是提供一种向饮用水中补充镁、而没有现有技术缺点的方法。

本发明的另一目的是提供一种方法，其能够提供以镁强化的饮用水的商业供应量。

本发明的进一步的目的是提供一种制造高浓度镁离子、但低浓度其它阳离子的饮用水系统。

本发明的进一步的目的是提供一种非加压、技术简单的用于提供有益健康的饮用水的系统。

本发明的另一目的是提供含有至少500mg/L碳酸氢镁的饮用水。

本发明的其它目的和优点，将在说明书中进一步叙述。

发明内容

本发明提供了一种生产富含镁的饮用水的方法，其包括步骤：i)提供镁化合物床；ii)泵送水流通过所述床；iii)注入二氧化碳(CO₂)至所述水流;从而获得碳酸氢镁的水溶液。根据本发明的方法，其进一步包括测量所述水流的电导率。所述床通常在流动贯穿的反应器中是封闭的，其中所述水流溶解二氧化碳，进一步地，当其流经所述床，溶解所述镁化合物，产生碳酸氢镁溶液。该反应器可以是色谱柱的形式，并具有定位适当的入口和出口。在根据本发明的方法的优选实施方式中，所述碳酸氢镁溶液流经所述床循环，其中所述水流形成闭合回路，其包括所述床，以及进一步的确保所需循环流率的泵。所述回路包括入口以及出口，通过该入口新水注入所述水流，所述溶液通过该出口取出并收集，以提供富含镁的饮用水；其中所述入口和所述出口形成开路回路，其进一步任选地包括一个或两个泵，确保所需的注入流率，其低于所述需要的循环流率；所述入口和所述出口可能位于，例如，所述反应器之外。所述二氧化碳从气缸中通过注射手段注入，确保优良气体散布于所述水流；其包括出口，确保所需的气体流量等于或大于水、二氧化碳、镁化合物反应所需的化学计算量，以提供碳酸氢镁。该超过的量，可能为，至少10%。所述循环流率大于所述注入的流率，例如，大约是高于所述注入流率的十倍。所述开路回路进一步包括入口，通过该入口，向所述富含镁的饮用水加入另一组分。所述其它组分可以从例如盐、矿物质、健康促进材料、味道或口感呈现材料、消毒剂组成的组中选择。值得注意的是，碳酸氢镁不提供任何味道或口感。与所述水流接触的所有材料应该是可以接受的供人食用的接触性饮用水。在本发明的一方面中，不向水流中加钠，并提供了基本上不含钠的饮用水，或者可选地，钠保持为低浓度，例如大约10ppm或更少。在本发明的优选实施方式中，提供了用于制造富含镁的饮用水的方法，其包括控制浓度的镁，其包括：i)提供氧化镁(MgO)床;ii)泵送水流通过所述氧化镁床;iii)注入二氧化碳(CO₂)至所述水流;从而获得控制浓度的碳酸氢镁的水溶液。该浓度可为至少0.006克/升。本发明可提供含镁浓度高达250ppm的饮用水。在不同的情况中，并且根据需要，本发明可提供含镁浓度高于250ppm的饮用水。本发明可从任意值到任意其它值提高水中镁的含量；例如，本发明可用于提高包含大约10ppm或30ppm的镁的水，其可能从除去离子的水提供，的镁含量；或者其可用于提供镁含量高达50ppm或者镁含量高达100ppm或者镁含量高达130ppm的饮用水，其可能从具有低盐含量的水提供。

根据本发明的富含镁的水中的镁浓度可能以至少为200ppm的浓度包括溶解的镁。所述溶解的镁可能具有大约为250ppm的浓度。

本发明还涉及一种用于生产有益健康的、富含镁的饮用水的设备和系统，其包括：i)基本上封闭的水流回路，包括镁化合物床，水流流经该镁化合物床；确保所需的循环流率的泵;ii)用于将二氧化碳(CO₂)加入至所述水流的注射装置;iii)开流回路，其包括用于注入新水至所述水流的入口，以及用于将镁丰富的水从所述水流中取出的出口，并进一步包括泵送装置以确保所需的注水流率小于所述需要的循环流率；iv)用于提供所述镁化合物的新鲜部分至所述床的装置;用于连续测量所述水流中的电导率的电导仪;v)调节装置，用于从所述电导仪中接收电导率数据，并控制所述注入流率，任选地控制所述循环流率，以确保所述水流中溶解有所需量的镁。根据本发明的设备和系统可能包括用于多种有用的组分至水性中间物或者至最终产品的处理装置。这种组分可能用于消毒该中间物或者产品、加入额外的盐、加入有益健康的材料或盐、加入需要的味道或口感至该产品。在本发明的优选方面中，本发明的设备包括，氧化镁床，例如熔融MgO。

本发明提供有益健康的饮用水，其包括至少10毫克/升、优选为至少200毫克/升的镁。本发明可提供富含镁的饮用水，其包括大约500毫克/升的镁或更多。根据本发明的饮用水可能包括浓度从30毫克/升至3000毫克/升或更多的碳酸氢镁。本发明可能提供富含镁的健康饮用水，其可任选地不含钠，并可任选地进一步包括额外的有益健康的盐。这种盐可能包括碘、氟、钙和其他元素。该健康的饮用水可能与各种添加剂被任何便携式装置包装，以提供有益健康的矿泉水。

附图说明

通过下文的实施例及参考附图，本发明的上述及其它特点和优势，将更加明显，其中：

图1是本发明一实施方式中制造富含镁的饮用水的设备示意图;

图2是现有条件下两个温度下的二氧化碳的溶解度曲线;

图3是氧化镁的溶解度随温度的变化曲线;

图4是本发明系统中电导率随镁离子浓度的变化曲线；图4A是自来水，图4B是去离子水；

图5为表1。

具体实施方式

如今，人们已发现供人类饮用的高度富含镁的水，可以在工业规模上以易于管理的过程，通过使用由碳化水溶解的氧化镁流经反应器取得。此外，人们已发现，除了注入新水和收集产品的回路，如果向系统中加入第二回路，名义上包括流经MgO床的水流快速循环的回路，溶解过程更加有效。当描述本发明时涉及镁化合物床，或者简单地说床，其优选为1200°C以上熔融的、烧结的或煅烧制造的氧化镁颗粒床，或者包括氢氧化镁或碳酸镁的颗粒或小块形式的床。

因而本发明涉及用于生产富含镁的饮用水的系统和工艺，其包括至少两个回路：闭合回路包括含镁的水通过镁化合物床优选为氧化镁床的循环；开路回路连接于闭合回路，其包括新水到系统中的流动和从系统中收集富含镁的水。为了本说明的目的，当涉及包括闭合曲线的大量流动时，使用术语“闭合回路”，而在其它情况下，使用术语“开路回路”。另一回路，连接到所述闭合回路，包括从气缸到水流的二氧化碳的流动，通过入口流进水流，优选为通过位于靠近床的通风口流进水流。整个过程可以通过利用电导率的测量自动操作，其中电导率的测量可提供用于调节回路中流率的反馈。

另一方面，本发明提供富含镁的饮用水。值得注意的是，美国城市的自来水中的镁含量一般介于1至10毫克/升(1-10ppm)，最高值低于30ppm。美国和欧洲的瓶装水的镁含量从未超过130ppm[Azoulay A.et al.:J.Intern.Med.16(2001)168-75]。本发明可以提供含镁浓度从10ppm到200ppm的饮用水。本发明，在另一方面，可以提供含镁浓度超过200ppm的饮用水。在优选的实施方式中，本发明提供了含镁浓度从150ppm到250ppm的有益健康的饮用水。在其它优选的实施方式中，本发明提供了含镁浓度从200ppm到300ppm的含镁丰富的水。在另一优选实施方式中，本发明提供了含镁浓度从150ppm到300ppm的饮用水，其任选地包括钙，并且进一步任选地包括低钠含量。这里，钠含量低于50ppm被视为低钠含量。可将钙加入富含镁的水中，或者根据本发明向水中添加镁之前水中已经含有钙。在本发明的饮用水中，钙可能如同美国的自来水，浓度从1到100ppm，或者在一些矿泉水中浓度从100到600ppm。本发明可提供有益健康的饮用水类型，其增加镁和选自钙、铁、钾、碘、氟、锌中的其它元素，或阴离子如磷酸。该水可以任何类型的便携式装置包装，该产品可增加维生素。

本发明的方法和设备包括在流经的反应器中溶解氧化镁。在优选的实施方式中，该反应器包括氧化镁床，碳化水流通过该床流过。在优选的实施方式中，该水流在第一流动回路(闭合回路)中被泵送并流经氧化镁床循环，新水从第二流动回路(开路回路)注入，并从该第二流动回路收集，其中，通过第一流动回路的流率大于通过第二流动回路的流率。在一种布置中，在试用中测试的，流率的比率为10。

在下面的实施例中将进一步描述和说明本发明。

实施例

材料和设备

使用去离子水。在一些示范中使用自来水。使用1mm筛过滤的熔融氧化镁。

直径为10厘米和高度为150厘米的PVC柱，在不同高度配备有五个水龙头，用于允许柱中液体停留时间的影响评估。该柱中填充了3.5公斤的熔融氧化镁至32厘米高。该水以不同的速率注入柱中。二氧化碳从气缸中注入，其流量由阀门控制，二氧化碳管道的入口位于柱的底部。循环流增加了溶液中的镁。所使用的系统方案显示于图1。

电导率可以有利地用于确定溶液中的(图4)镁离子浓度。该测试表明，通过柱的水的流率在6至48升/小时的范围内是合适的;通常采用30升/小时。该循环流增加了氧化镁的溶解速率：一般是约200升/小时。CO₂/水的比值的增加，增加了镁的溶解速率至极限值，但是另一方面，多余的二氧化碳不必要地损失了。在注水速率为24升/小时的情况下，用于溶解Mg(O)至250ppm浓度的最低的二氧化碳量约12升/小时的CO₂(见图5中的表)。通常情况下，注入速率为12升/小时，接近对应略高于化学计量的量。在试验开始时，固体的高度保持不变约为30厘米，在长期试验中，随着反应的进行，这个高度达到大约初始高度的一半。

以大于大气压的压力注入二氧化碳提供了较高的镁溶解率，但随着CO₂压力的增加，镁离子浓度的增加是渐进的，并涉及减少的二氧化碳的消耗效率。然而，本发明的系统，也是在更高的CO₂压力下，使水含有丰富的镁。

过程控制

测量电导率。水的流动以及停留时间，由电导率测量来控制。CO₂在水中的溶解度随着CO₂的压力增加而增加，并随着温度升高而降低，如图2所示。MgO根据以下公式溶解：

MgO+2CO₂+H₂O→Mg(HCO₃)₂                  (1)

镁离子浓度和电导率之间的线性关系，如图4所示来确定;其显示了以自来水(没有添加的镁的电导率650μ电阻值)以及去离子水的校准;相对于有关方法的范围显示该测量，即约200ppm的镁。温度对电导率的影响约为1.8％/1°C。在结果的校准修正中，这种影响是中性的。

以下参数在确定富含镁的水的生产速率中非常重要：

-水流：水流涉及停留时间，其表现为主导参数。

-循环：循环水流的实现允许稳定的电导率和流程的测量。进一步需要大循环(大约10:1的比率，即循环流率和新水注入流率的比率)以达到250ppm的镁离子浓度。

-CO₂/水的比值必须是这样的，二氧化碳略高于由方程(1)所表示的反应的化学计量。进一步增加的二氧化碳仅有微弱的作用。

-温度：本实施例涉及温度范围10至25°C的水。在给定的二氧化碳压力下，MgO的溶解度随温度的升高而降低，然而通常的工作条件下不会达到CO₂的饱和。在这些条件下，温度的影响是这样，较高的温度溶解较多的镁元素—每1°C约增加3.6％。对于校准的测量系统，温度对电导率的影响假定是“中性”的。

-柱中固体的高度：该参数涉及停留时间，但其也影响流体力学行为。HCO₃和镁(见表1)之间的重量比约为5，对应于理论上的摩尔比2(见上面的方程(1))。

本发明的扩展操作

通过监测当温度和流量不恒定时的条件下的上述参数，对本发明的稳健性进行评估。循环流率保持不变为200升/小时。经过温度效应修正后，计算的镁离子浓度相对稳定，约为250ppm。

修正后的电导率仍然非常稳定。电导率控制水流，以及停留时间，使它们不变。当电导率范围在1960±20μ电阻值(温度稳定，约为27°C)，测量的镁浓度为：280±3ppm。

通过关闭循环，该试验继续。降低水的流率以补偿MgO降低的水平(约一半注入的MgO溶解)。它证实了该方法主要是由停留时间控制。关闭循环需要流动的强烈下降。

停留时间和循环对于该方法具有重要作用。没有循环的话，镁的溶解率更低，好像是循环增加了系统中的紊流，以及因此从固体表面的扩散率。循环流率的进一步增加，没有提高氧化镁的溶解率。增加的CO₂/水的比值具有更微弱的影响，以及该方法的实际设计可能涉及CO₂流直接流向水流。对于通过电导测量且带有温度校准的有效控制，温度的影响可以是“中性的”。

在长期试验结束时，MgO的重量是初始的一半。可被水流携带的微粒的最大尺寸可通过使用Stokes方程(F=6πrηv)进行估算，对于本系统中的球形颗粒和速率200升/小时，估算为直径大约70微米。这将意味着，初始尺寸大约为1000微米左右，超过99.9％的MgO可以在携带之前溶解。原料中的不溶性杂质含量非常低，它们可能通过使流率突然增加来消除，并在柱出口的打磨物过滤器(polishing filter)去除。

该试用使用直径10厘米的柱，其可填充至约30厘米高，但进一步考虑为填充至1.2米高的柱。该方法的可行性被证明：主要参数是柱内水的停留时间，并需要循环流率(本工作中循环流率和注入流率之间的10:1的比值)，而CO₂/水的比值的影响较低，温度增加导致氧化镁的溶解增加约3.5％/1°C。本领域的技术人员在规模工业过程的基础上，可提供对于较大单位的设计。

虽然已根据具体实施例，对本发明进行描述，还可能有许多修改和变化。因此可以理解，在附加的权利要求的范围内，本发明可实现为不限于具体描述。

Claims (16)

1.一种生产富含镁的饮用水的方法，其包括：

i)提供镁化合物床;

ii)泵送水流通过所述镁化合物床;

iii)在所述水流中注入二氧化碳;

从而获得碳酸氢镁的水溶液。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括测量所述水流的电导率。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述镁化合物是氧化镁；所述氧化镁床在流动贯穿的反应器中是封闭的；所述水流流经所述氧化镁床时溶解二氧化碳和所述镁化合物，产生碳酸氢镁溶液。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述碳酸氢镁溶液循环流经所述镁化合物床；所述水流是一种闭合回路，其包括所述镁化合物床和确保所需循环流率的泵。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述回路包括入口和出口，通过入口在所述水流注入新水，通过出口从所述水流中取出并收集所述溶液，以提供富含镁的饮用水；其中，所述入口和所述出口形成开路回路，其进一步任选地包括一个或两个泵，以确保所需的注入流率，该注入流率低于所需循环流率。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述二氧化碳从气缸中通过注射手段注入，确保气体细密地散布于所述水流；其包括出口，确保所需的气体流量等于或大于水、二氧化碳、镁化合物反应所需的化学计算量，以提供碳酸氢镁。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述循环流率大约高于所述注入流率的十倍。

8.如权利要求5所述的方法，其中，所述开路回路进一步包括向所述富含镁的饮用水加入另一组分的入口。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述组分选自于如下一组：盐、矿物质、健康促进物质、味道或风味物质。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所有使用的原料均能够用于供人食用的饮用水，而且基本上不含钠。

11.如权利要求1所述的制造富含镁的饮用水的方法，其包括至少10ppm的浓度的镁，其包括：

i)提供氧化镁床;

ii)泵送水流通过所述氧化镁床;

iii)在所述水流中注入二氧化碳；

从而获得浓度为至少0.006克/升的碳酸氢镁的水溶液。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述富含镁的水具有可控的镁离子浓度。

13.一种生产富含镁的饮用水的设备，其包括：

i)基本上为闭路的水流回路，其包括水流流经的镁化合物床和确保所需的循环流率的泵;

ii)用于将二氧化碳加入至所述水流的注射装置;

iii)开路回路，其包括用于注入新水至所述水流的入口，以及用于将含镁丰富的水从所述水流中收集的出口，并进一步包括泵送装置以确保所需的注水流率小于所述需要的循环流率；

iv)用于提供所述镁化合物的新鲜部分至所述床的装置;

v)用于连续测量所述水流中的电导率的电导仪;

vi)调节装置，用于从所述电导仪中接收电导率数据，并控制所述注入流率，任选地控制所述循环流率，以确保所述水流中溶解有所需量的镁。

14.如权利要求13所述的用于制造有益健康的、富含镁的饮用水的设备，其中所述床包括氧化镁。

15.一种有益健康的饮用水，其包括至少10毫克/升、优选为至少200毫克/升的镁。

16.如权利要求15所述的饮用水，其富含镁，而且基本上不含钠，任选地进一步包括其它额外的有益健康的盐。

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