Medición selectiva de CO 2 en bebidas carbonatadas con el nuevo Método de Expansión Múltiple de Volumen.

Transcripción

1 Medición selectiva de CO 2 en bebidas carbonatadas con el nuevo Método de Expansión Múltiple de Volumen. G. Murer y J. Gautsch, Anton Paar GmbH, Graz, Austria. Un nuevo método de medición permite determinaciones rápidas y precisas del contenido de CO 2 en bebidas carbonatadas sin la influencia de otros gases disueltos. El instrumento de medición basado en este nuevo método es portátil, resistente y fácil de utilizar. Es ideal para control de calidad en laboratorios y para control aleatorio en producción. Es bien conocido que el contenido de CO 2 tiene una fuerte influencia en el sabor de las bebidas alcohólicas y no alcohólicas. Por esta razón, así como por seguridad del producto, la medición precisa del contenido de CO 2 es una tarea importante en la producción y control de calidad de bebidas. Un nuevo método de medición y el instrumento basado en él evita los errores de los métodos convencionales de medición de CO 2. El nuevo instrumento CarboQC esta libre de la influencia de otros gases disueltos tales como el oxígeno y el nitrógeno, no requiere que la muestra fluya durante la medición, es rápido, libre de deriva y requiere únicamente un volumen mínimo de muestra. Métodos convencionales de medición de CO 2. Los métodos tradicionales de presión / temperatura miden la presión total sobre el líquido y determinan el contenido de CO 2 a partir de este valor. Cuando otros gases estan presentes en la bebida carbonatada, los instrumentos que utilizan este principio miden un contenido de CO 2 más alto que el contenido actual disuelto. Cuando se llevan a cabo mediciones en bebidas carbonatadas embotelladas utilizando los principios clásicos de presión / temperatura, la influencia de otros gases se reducida por la purga (venteo). Sin embargo, esto incrementa la incertidumbre de la medición debido a que una cantidad indefinida de CO 2 se pierde también. La purga no puede ser llevada a cabo en bebidas enlatadas debido a que el espacio de cabeza en las latas es generalmente demasiado pequeño. Esto significa que se da un error porque no es posible efectuar la purga, lo que ocasiona, que haya la influencia de otros gases cuando se efectúa la medición en bebidas enlatadas. Otros instrumentos convencionales basados en presión / temperatura utilizan una expansión simple de la cámara de medición para reducir la influencia de otros gases disueltos. La muestra es ingresada dentro de la cámara correspondiente la cual es posteriormente sellada y expandida al mismo tiempo. Estos instrumentos disminuyen la influencia de otros gases disueltos independientemente del tipo de envase de la bebida, sin embargo no pueden eliminar totalmente el error de medición correspondiente.

2 Los métodos basados en membranas utilizan membranas permeables al gas las cuales son más permeables para el CO 2 que para otros gases. Algunos sistemas reducen la influencia de otros gases disueltos en los resultados de medición por medio de la utilización de un gas de transporte o sensores selectivos de gas. Los sensores de membrana consumen CO 2 y por lo tanto requieren un flujo constante de muestra durante la medición. Cambios en el flujo de la muestra o cambios que ocurren frecuentemente en la permeabilidad al gas de la membrana causan errores de medición y hacen necesario el reajuste frecuente. Antecedentes. Todos los métodos existentes para la determinación del contenido de CO 2 disuelto estan basados en la Ley de Henry, en la cual, el contenido de CO 2 disuelto en el líquido es proporcional a la presión parcial del CO 2 sobre el líquido. La ecuación 1 muestra que la precisión en la determinación del contenido de CO 2 (Cco2) depende de dos factores: la precisión en la determinación de la presión parcial de CO 2 (pco 2 ) y la precisión del coeficiente de absorción de CO 2 (ξco 2 ) para la muestra de la bebida. cco 2 = pco 2 * ξco 2 Ecuación 1 Para poder aplicar la ecuación 1, la presión parcial de CO 2, (pco 2 ) debe ser determinada en el estado de equilibrio entre la fase líquida y gaseosa. El coeficiente de absorción de CO 2 (ξco 2 ) no es constante, sino que depende de la temperatura y de los ingredientes disueltos en la bebida (1). Por medio de la Ley de Dalton conocemos que la presión total (ptot) medida sobre el líquido es la suma de las presiones parciales: ptot = pco 2 + ph 2 O + palc + po 2 + pn Ecuación 2 Para la determinación precisa del contenido de CO 2, únicamente la presión parcial de CO 2 debería ser utilizada en el cálculo. Las otras presiones parciales que completan la presión total medida (ptot) deben ser eliminadas. Con el método de presión / temperatura, la presión de vapor del agua (ph 2 O) puede ser aproximada adecuadamente como una función de la temperatura y corregida automáticamente. Esto también aplica a la presión de vapor del alcohol (palc) en las bebidas alcohólicas. Las presiones parciales de otros gases en la bebida (po 2 + pn 2 ) pueden alcanzar cantidades considerables y causar errores sustanciales en la medición de CO 2. Por ejemplo: en casi todas las bebidas, hay una presión parcial de nitrógeno de 0.2 bar (2.9 libras / pulgada cuadrada) o superior. Si el efecto de esta presión parcial sobre la medición de presión / temperatura no esta reducida, habrá un error de medición de al menos 0.4 g/l o 0.2 Vol CO 2.

3 El nuevo Método de Expansión Múltiple de Volumen. El nuevo método de Expansión Múltiple de Volumen (2), en adelante abreviado como método EMV, elimina completamente las presiones parciales de otros gases disueltos de la medición total de presión. La figura 1 muestra el modelo de un sistema para un envase de bebida o una cámara de medición de CO 2. Este proporciona un cálculo para la presión de equilibrio que ocurre si, por ejemplo, el volumen o la temperatura cambian. Esto es importante no únicamente para el método EMV, sino para contestar otras preguntas relevantes como: Cuánto se incrementa la presión dentro de una botella de bebida durante la pasteurización? Qué porcentaje del contenido de Oxígeno total en un envase de bebida está disuelto y que porcentaje está en el espacio de cabeza? Cuánto cambia el contenido de CO 2 en la bebida dependiendo del volumen del espacio de cabeza en el envase cuando la temperatura cambia? Como un primer paso en el entendimiento del método EMV, se muestra como las presiones de equilibrio de los gases disueltos en la bebida se comportan cuando el volumen disponible en una cámara de medición o recipiente para bebida es incrementado y el equilibrio es generado. Para simplificar la explicación, los dos gases O 2 y N 2 se combinan y se les refiere como aire. Esto es posible en las bebidas carbonatadas debido a que la solubilidad del O 2 y el N 2 es 50 veces menor que la solubilidad del CO 2 y suficientemente similar (3). La figura 2 utiliza la fórmula dada en la figura 1 para calcular las presiones parciales de CO 2 y aire dependiendo del incremento en el volumen. En esta representación simplificada, se asume una temperatura constante de 15 C (60 F). Para una representación detallada, un diagrama tridimensional con la temperatura como la tercera dimensión sería requerido. La figura 2 muestra que la presión parcial de CO 2 decrece sólo ligeramente con el incremento en la expansión del volumen. Esto es debido a la elevada solubilidad del CO 2 y a la gran cantidad de CO 2 presente en la bebida. En contraste, la presión parcial del aire decrece drásticamente con el incremento en la expansión del volumen. Esto es debido a la muy baja solubilidad del aire y la pequeña cantidad resultante de aire en la bebida. La figura 3 muestra el error en la determinación del contenido de CO 2 dependiendo de la expansión de volumen y de la saturación del aire de la muestra. A una saturación del aire de 100% le corresponde una presión del aire de bar (14.7 libras/ pulgada cuadrada). Con una expansión de volumen mayor decrece el error causado por el aire disuelto debido a que la presión parcial del aire decrece mucho más que la presión parcial de CO 2 (refiérase a la figura 2). Los instrumentos que utilizan una expansión simple de una cámara de medición toman ventaja de este efecto para disminuir la influencia del aire disuelto. El método EVM se basa en esto y elimina completamente la influencia por medio de la aplicación de expansiones de volumen múltiples de la cámara de medición.

4 La figura 4 muestra el principio del Método de Expansión Múltiple de Volumen para eliminar la influencia del aire disuelto. El contenido de CO 2 es medido a dos diferentes expansiones de volumen de la cámara de medición, por ejemplo, a 10 y 30%. Si los dos resultados son iguales, no esta presente aire disuelto y por lo tanto no se requiere corrección. El aire disuelto provoca que el segundo valor sea más bajo que el primero. La diferencia entre los dos resultados es utilizada para calcular la corrección la cual elimina completamente la influencia del aire. El instrumento de medición CarboQC CO 2. Anton Paar a desarrollado un nuevo instrumento de medición para CO 2 basado en el Método de Expansión Múltiple de Volumen. La figura 5 muestra el instrumento denominado CarboQC junto con el mecanismo semiautomático de llenado para botellas y latas. El CarboQC es portátil y tiene protección contra salpicaduras, una carcaza robusta de plástico la cual resiste las rudas condiciones de la línea de producción de bebidas. El mecanismo de llenado perfora la tapa de la botella o la base de la lata y provoca la entrada de la bebida a la cámara de medición utilizando aire comprimido. El mecanismo de llenado requiere el suministro de aire comprimido, el CarboQC trabaja con baterías o conectado a un eliminador de baterías y no necesita otros materiales auxiliares. Para mediciones de tanques o de la línea de producción, el mecanismo de llenado no se requiere. El instrumento se conecta a través de una manguera y el llenado se logra a través de la presión proporcionada por el mismo sistema (hasta un máximo de 10 bar / 145 libras por pulgada cuadrada). Utilizando como fuente de energía las baterías, varios cientos de mediciones pueden llevarse a cabo antes de requerir la recarga. En el laboratorio, el CarboQC puede trabajar permanentemente conectado al eliminador de baterías. Una medición requiere al menos de 100 ml (3.5 onzas fluidas) de muestra. En las mediciones de rutina, una muestra es reemplazada por la siguiente. La medición se inicia presionando un botón y es controlada por el instrumento. El agitador magnético incorporado a la cámara de medición ayuda al reemplazo de la muestra medida y al llenado, libre de burbujas, de la cámara con muestra nueva. La temperatura de medición esta en el intervalo de 3 a +30 C (27 a 86 F). Después de un tiempo típico de llenado de 30 segundos, la cámara de medición se cierra automáticamente y el flujo de la muestra se detiene. Un pistón incrementa el volumen de la cámara de medición y la rápida rotación del agitador magnético asegura un equilibrio de presión y temperatura entre la fase líquida y la fase gaseosa. Para calcular el contenido de CO 2, la presión de equilibrio y la temperatura son primeramente determinadas a una expansión de volumen de 10% y posteriormente a 30%. Partiendo de estas mediciones, el instrumento calcula la corrección requerida debida a la influencia de otros gases y automáticamente se visualiza en la pantalla el contenido de CO 2 corregido. El llenado de la muestra y la medición toman menos de dos minutos.

5 El CarboQC es suministrado con ajuste de fabrica y puede ser utilizado inmediatamente. Las verificaciones periódicas y cualquier ajuste necesario al punto cero se llevan a cabo con agua de la llave. Para el intervalo de medición de 0 hasta 12 g/l (6 Vol), el CarboQC tiene una repetibilidad extremadamente buena (0.01 g/l / Vol) y reproducibilidad (0.05 g/l / Vol). El sensor de presión absoluta suministra resultados que son independientes de la altitud y condiciones climáticas. El CarboQC esta libre de derivas y no depende del flujo de la muestra o de su temperatura. El instrumento de medición tiene dos interfaz para conectar una impresora y / o PC. Pueden ser almacenados hasta 100 valores para una lectura posterior. Puede elegirse entre muchas unidades diferentes. Presionando un botón se selecciona el método adecuado para el tipo de bebida. Pueden incorporarse algoritmos para el cálculo de CO 2 especificados por el usuario y todos los ajustes estan protegidos por palabra clave (password). Resumen. El nuevo CarboQC es un instrumento para la medición de CO 2 portátil y resistente el cual utiliza el Método de Expansión Múltiple de Volumen para eliminar la influencia de otros gases disueltos en la medición de CO 2. El instrumento es altamente preciso, sencillo de operar, requiere un bajo volumen de muestra y proporciona resultados rápidos. Es ideal para el control de calidad de bebidas en el laboratorio y para el control aleatorio en bebidas contenidas en tanques y en la línea de producción. Bibliografía. (1) Rammert, M., Pahl, M.H.: Die Loslichkeit von Kohlendioxid in Getranken, Brauwelt 12, (2) Austrian patent AT B, otras patentes pendientes. (3) D Ans/Lax Taschenbuch fur Chemiker und Physiker, Springer Verlag, Berlin Traducción al español: Ing. Carlos G: Rodríguez y Cos R. Anton Paar México México, D.F., a 4 de noviembre del 2003.

6 m 1G = p 1G *V 1G *M/(R*T 1G *Z 1 ) Masa de gas en volumen V 1G m 1L = p 1L *V 1L * ξ 1 Masa de gas dissuelto en volumen líquido V 1L Status iniciál: antes del cambio de volume / temperatura / solubilidad; ningun equilibrium (p 1G p 1L, T 1G T 1L ) o equilibrium (p 1G = p 1L, T 1G =T 1L ) entre fases m 2G = p 2 *V 2G *M/(R*T 2 *Z 2 ) Masa de gas en volumen V 2G m 2L = p 2 *V 2L * ξ 1 Masa de gas dissuelto en volumen líquido V 2L Status final: depues del cambio de volumen / temperatura / solubilidad; equilibrium entre fases m 2G +m 2L = m 1G + m 1L Calculación de la presión de equilibrium p 2 : p 2 = p 1G * V V 1G 2 G * M * M /( R * T /( R * T 1G 2 * Z ) 1 * Z ) p V 1L 2 L * V * ξ 2 1L * ξ 1 Nota: p... Presión de gas o saturación [bar] V... Volumen [l] T... Temperatura [K] M... Masa molar [g/mol] Z... Factor de Compresión [-] R... Constante de gas [l*bar/(k*mol)] ξ... Coeficiente de apsorpción de gas [g/(l*bar)] Fig. 1: Calculación de la presión de equilibrium en un sistema con fase líquida y fase de gas.

7 Presión parcial vs. expansión de volumen Presión [cualquier unidad ] CO2 Aire % Expansión de volumen Fig. 2: Presión parcial de CO 2 y dependencia de expansión de volumen. CO2 error dependiente de la saturación de aire vs. expansión de volumen g/l CO2 error % Expansión de volumen 10% Aire sat. 20% Aire sat. 30% Aire sat. Fig. 3: El error en el contenido de CO 2 determinado dependiente de la expansión del volumen y de la saturación de aire.

8 Método de Expansión Múltiple de Volumen g/l CO2 error Medición 2. Medición Diferencia? 0.00 Corrección! % Expansión de volumen Fig.4: Método de expansión multiple de volumen para eliminar la influencia del aire dissuelto. Fig. 5: El instrumento medidor de CO 2 CarboQC de Anton Paar con el dispositivo de perforación para botellas y latas

9 Fig. 6: La cámara de medición y la pantalla del CarboQC