음료에서 공정관리의 효율화를 위한 총 가스의 측정

탄산가스 주입시 공기의 영향

앞에서도 언급하였듯이, 탄산음료나 맥주의 탄산 주입은 대부분 제품의 온도와 총압력 측정을 근거로 하여 결정합니다. 청량음료에서 총압력이 탄산만의 압력이라는 가정은 틀린 것입니다. 총압력은 사실은 4 종류 가스 분압입니다 : 탄산 압력 (P_CO2), 질소 압력 (P_N2), 산소 압력 (P_O2) 그리고 물의 증발 압력 (P_H2O) 입니다.

엄밀히 말하면:

      P_total * P_CO2

     P_total = P_CO2 + P_N2 + P_O2 + P_H2O

대부분의 압력 / 온도 탄산가스 환산표는 물의 증발압을 (P_H2O) 고려합니다. 그러나, 환산표는 공기의 함량인 질소와 산소의 압력은 (P_N2+ P_O2) 고려하지 않습니다. 공기의 분압은 (P_N2 + P_O2) 총 압력에 (P_total) 영향을 미칩니다. 공기가 총압력에 얼마나 영향을 미치는지는 뒤에서 설명하겠습니다.

보통 탄산 제품의 가스들은 매우 다양합니다. 대략적인 농도는 아래와 같습니다 :

     용존 가스

     2 to 4 V/V CO₂ : ~ 4000 to 8000 ppm

     2 to 6 ppm N₂

     1 to 3 ppm O₂

     헤드스페이스 가스

     92에서 96 % CO₂

     2에서 6 % N₂

     0.5에서 2 % O₂

     0.5에서 1 % water vapor

아래의 보기는 공기의 영향에 따른 탄산 농도의 압력/온도 계산의 오류입니다:

      압력/온도에 따른 탄산 측정에서는
      38 psig @ 68 ^oF --> 압력/온도 표에서 --> 3.02 V/V

      P_total = P_CO2 + P_N2 + P_O2 + P_H2O

      물의 증발압 = PH2O = 0.36 psi @ 68 ^oF (20 ^oC)

      만약 용존 산소의 농도가 1 ppm인 경우 (DO₂) --> 산소의 분압 (PO₂) = 0.36 psi

      공기에서의 질소대 산소의 비가 약 4/1이므로

      질소/산소의 분압 또한 4/1입니다.

      P_N2 = 4(P_O2) = 4 (0.36) = 1.44 psi

      P_total = gauge pressure (psig) + absolute pressure (psia)

      P_total = 38 psi + 14.5 psi = 52.5 psia

      P_total = 52.5 psi = P_CO2 + P_O2 + P_N2 + P_H2O

      공기의 분압 = P_air

      P_air = P_O2 + P_N2 = 0.36 psi + 1.44 psi = 1.8 psi

      실제 탄산만의 압력은 = P_CO2

      P_CO2 = P_total - P_N2 - P_O2 - P_H2O

      P_CO2 = 52.5 psi - 1.44 psi - 0.36 psi - 0.36 psi = 50.3 psi

      P_CO2 = 50.3 psi --> from CO2 solubility table -->

      실제 탄산 (CO₂ ) 농도 = 2.91 V/V CO₂

      공기/총압력 오류 = air pressure / total pressure

      오류 = P_air / P_total = 1.8 psi / 52.5 psi = 3.4 %

      압력/온도 환산표에 의한 탄산의 농도 = 3.02 V/V

      실제 탄산 농도는 2.91 V/V 입니다.

      공기가 있는 경우 탄산의 농도 오류는 0.1 V/V 입니다.

따라서 압력/온도 탄산 측정은 탄산음료에 있는 공기에 의한 오류가 20 ^oC 에서:

      용존 산소가 (DO₂ )1 ppm 이면 약 3%의 오류

      - 실제 탄산의 농도는 약 0.1 V/V 낮게 지시

      용존 산소가 (DO₂ )2 ppm 이면 약 6%의 오류

      - 실제 탄산의 농도는 약 0.2 V/V 낮게 지시

나타날 수 있는 오류를 하나 더 예를 들면,

품질 보증 부서에서 탄산소다 캔 제품 2 개를 각각 압력과 온도를 읽습니다(44 psig @ 20 ^oC). QA 부서는 두개가 같다고 말 합니다 …

Can # 1 --> 44 psig @ 20 ^oC --> 3.50 V/V (on P/T water table)
Can # 2 --> 44 psig @ 20 ^oC --> 3.61 V/V (on P/T soda table)

두개의 서로 다른 표를 사용은 탄산 농도를 다르게 하는 중요한 원인이 됩니다. 서로 다른 표의 편차 가능성은 제품의 총압력이 실제로는 몇 개 가스의 분압이기 때문입니다. 이 제품이 각각의 총 압력이20 ^oC에서 44 psig일지라도 실제 탄산의 농도는 다릅니다. 이론적으론 총압력이 같다 할지라도 (44 psig @ 20 ^oC) 캔 제품의 용존 가스의 농도는:

압력/온도 환산표의 편차는 탄산 농도의 결과치를 다르게 하는 원인입니다. 총 압력이 똑 같을 지라도 공기의 분압에 따라서 실제 탄산의 농도는 다를 수 있습니다. 아래의 그래프는 온도/압력 탄산농도와 실제 탄산 농도에 공기가 미치는 영향을(용존 산소의 비례와 연계하여) 나타냅니다:

아래의 데이터는 탄산음료의 on-line 가스 측정 시스템에서 수치입니다. 이 실례는 공정상에서 탈기 장치의 효력이 서서히 떨어지고 있을 때입니다. 용존 산소와 연계하여: 압력/온도 탄산 농도와 실제 탄산의 농도 비교 값입니다.

Plus Time	Pressure / Temperature CO2 (V/V)	True CO2 (V/V)	DO2 (ppm)
0.33	3.00	2.97	0.28
0.67	3.00	2.97	0.27
1.00	2.98	2.95	0.27
1.33	2.99	2.96	0.27
1.67	2.98	2.95	0.28
2.00	3.00	2.97	0.34
2.33	3.00	2.96	0.40
2.67	3.01	2.96	0.54
3.00	3.01	2.94	0.69
3.33	3.02	2.94	0.79
3.67	3.02	2.93	0.95
4.00	2.99	2.90	0.94
4.33	3.00	2.91	0.95
4.67	3.03	2.92	1.09
5.00	3.00	2.89	1.08
5.33	2.99	2.88	1.09
5.67	3.00	2.87	1.28
6.00	3.01	2.84	1.75
6.33	3.01	2.82	1.87
6.67	3.03	2.77	2.61
7.00	3.04	2.77	2.74
7.33	3.03	2.75	2.84
7.67	3.02	2.74	2.84
8.00	3.02	2.72	3.05
8.33	3.01	2.70	3.15
8.67	3.02	2.69	3.26
9.00	3.01	2.67	3.39

앞에서의 데이터를 시간에 따른 그래프 상으로 표시하면 아래와 같습1니다.

그래프 상에서 탈기 장치의 고장으로 인하여 용존 산소의 농도가 증가하는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 산소 분압의 증가는 실제 탄산 농도의 ( 탄산의 분압 ) 순차적인 감소의 원인이 됩니다. 그러나 온도 / 압력 탄산 농도는 거의 변함이 없습니다. 이것은 총 압력이 (P _CO2 + P _N2 + P _O2) 변하지 않기 때문입니다.

맥주의 탄산 주입에서 산소와 질소의 영향은 탄산음료보다 보통은 적습니다 . 이것은 사실 맥주는 일반적으로 총압력이 산소와 질소의 분압으로부터 받는 영향이 적기 때문입니다. 또한 맥주에서는 산소와 질소의 비율이 공기의 비율과 다릅니다. 산소와 질소의 비교에 관한 자세한 사항은 다음 장에서 설명하기로 합니다.