Czujniki tlenowe wpływają na poprawę jakości i smaku produktu

Czujniki tlenowe wpływają na poprawę jakości i smaku produktu

RAP. APL., CZ.2: CZUJNIKI AMPEREROMATRYCZNE I OPTYCZNE W BROWARNICTWIE
Czujniki tlenowe wpływają na
poprawę jakości i smaku produktu
CZĘŚĆ 2: Pomiar, kalibracja, konserwacja
Wprowadzenie
Nawet najlepszy chmiel, zboże czy woda nie zagwarantują wysokiej jakości piwa bez monitoringu
poziomu stężenia tlenu w procesie warzenia. Poziom tlenu, choć trudny do kontrolowania, można
z użyciem odpowiedniego sprzętu precyzyjnie monitorować, umożliwiając uzyskanie produktu o
odpowiednich walorach smakowych i długim okresie przydatności do spożycia.
Mając ponad 40-letnie doświaczenie w pomiarach tlenu w przemyśle browarniczym, firma Hach (we
współpracy z marką Orbisphere) ma dobre podstawy do oceny technik zarówno amperometrycznych
jak i optycznych. Ta dwuczęściowa seria aplikacji pozwala porównać wiarygodność wyników pomiaru
stężenia tlenu uzyskanych za pomocą amperometrycznych i/lub optycznych czujników rozpuszczonego tlenu (DO)1,2
CZĘŚĆ 1 obejmuje najważniejsze informacje dotyczące wyboru czujnika tlenu, w tym:
• Wpływ utleniania na proces warzenia piwa
• Amperometryczne i optyczne czujniki tlenu
• Warunki procesu wywierające wpływ na pomiar stężenia tlenu
CZĘŚĆ 2, poza omówionymi w części pierwszej informacjami dotyczącymi utleniania, zawiera
najważniejsze informacje na temat dokładności pomiaru oraz codziennej obsługi, w tym:
• Zero rzeczywiste czujników tlenu
• Kalibracja czujnika
• Dryft i stabilność czujnika
• Czas odpowiedzi
• Konserwacja czujnika
RAP. APL., CZ.2: CZUJNIKI AMPEREROMATRYCZNE I OPTYCZNE W BROWARNICTWIE
Dokładność punktu zerowego
Jak pokazano na Rys.1, metoda amperometryczna pozwala uzyskać fizyczny punkt zera rzeczywistego (brak tlenu oznacza
brak sygnału). Choć większość systemów amperometrycznych wykazuje dryft od punktu zerowego i wymaga przeprowadzania regularnej kalibracji zerowej, wyjątkowa konstrukcja czujników Orbisphere firmy Hach gwarantuje stabilność punktu
zerowego pomimo upływu czasu. Obserwacje przeprowadzone zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i w przemyśle
spożywczym pokazały, że czujniki amperometryczne pozwalają uzyskać dokładność wynoszącą ± 0,1 ppb. I odwrotnie –
parametrem, który charakteryzuje się największą zmiennością w przypadku technologii optycznej jest wartość uzyskana
przy braku tlenu.
przesunięcie fazowe Ф (stopnie)
Prąd (nA-µA)
Kalibrację zerową wykonuje się zwykle ekspozycję czujnika na gaz pozbawiony tlenu, na przykład azot (N2) 99,999 % lub
dwutlenek węgla (CO2) 99,999 %. Dokładność punktu zerowego jest powiązana bezpośrednio z dokładnością kalibracji
zerowej, zależnej od: jakości próbki kalibracyjnej (± 0,4 ppb), braku przecieku podczas konfiguracji kalibracji oraz jakości
sygnału czujnika. Dokładność, jakiej można oczekiwać w przypadku tej kalibracji, wynosi ± 1 ppb. Stabilność tej technologii
w czasie została omówiona poniżej.
Sygnał amperometryczny
a
pO2 (mbar)
b
Wykres Sterna–Volmera dot. zachowania sie sygnału
optycznego
pO2 (mbar)
Rys.1: Różnice w zachowaniu się surowego sygnału w porównaniu z sygnałem uzyskanym w obecności tlenu dla obu typów czujników
Kalibracja
Podczas, gdy do określenia nachylenia krzywej wynikającego z „zera rzeczywistego” czujnik amperometryczny Orbisphere
wymaga jedynie prostej kalibracji jednopunktowej w powietrzu, dla większości innych czujników amperometrycznych konieczne jest przeprowadzanie regularnej kalibracji punktu zerowego i nachylenia krzywej. Jak wspomniano wcześniej, najbardziej zmiennym parametrem w technologii optycznej jest wartość w sytuacji braku tlenu. W związku z tym, że pozostałe
parametry definiujące przesunięcie fazowe wykazują zwykle nieznaczną zmianę wraz z upływem czasu, najważniejszym
parametrem podlegającym regulacji jest punkt zerowy.
Kalibracja, wymagająca określonej konfiguracji i określonej próbki kalibracyjnej, zapewnia dokładność wynoszącą ± 1 ppb.
W połączeniu z fabrycznie zdefiniowanymi parametrami określającymi krzywą przy wysokich poziomach tlenu, ogólna
dokładność wynosi w przybliżeniu ± 1 ppb lub ± 2 % zmierzonej wartości (w zależności od tego, która z tych wartości jest
większa).
Stabilność w czasie
Dokładność wszystkich urządzeń pomiarowych ulega z czasem pogorszeniu. Dlatego też co jakiś czas należy przeprowadzać ich kalibrację; im niższy dryft, tym mniejsza częstotliwość serwisowania lub kalibracji. Z wyjątkiem czujnika amperometrycznego Orbisphere, charakteryzującego się brakiem dryftu punktu zerowego, we wszystkich pozostałych czujnikach
amperometrycznych występuje dryft zarówno punktu zerowego, jak i nachylenia krzywej, stąd wymagają one regularnej
kalibracji. W przypadku stosowania w przemyśle browarniczym częstotliwość kalibracji pozostałych czujników amperometrycznych wynosi zwykle od 1 do 3 miesięcy, natomiast czujnik Orbisphere wymaga jedynie kalibracji w powietrzu, wykonywanej podczas przeprowadzanej dwa razy w roku konserwacji.
RAP. APL., CZ.2: CZUJNIKI AMPEREROMATRYCZNE I OPTYCZNE W BROWARNICTWIE
Istniejące systemy optyczne wymagają kalibracji raz na dwa lata3.Warunkiem uzyskania takiej częstotliwości jest jednak
praca systemu przez zaledwie 12 godzin w ciągu dnia (przez pozostałą część doby system jest wyłączony) i konfiguracja
zapewniająca uzyskiwanie danych co 30 sekund. W rzeczywistości systemy pracują nieprzerwanie i dostarczają pomiary
co 5 sekund. Powoduje to z czasem delikatny dryft, który należy skorygować, przeprowadzając co sześć miesięcy nową
kalibrację lub korektę offsetu.
Czas odpowiedzi
Czas odpowiedzi czujnika amperometrycznego określa się na podstawie przenikalności tlenu przez membranę pomiarową.
Czujniki stosowane w przemyśle browarniczym wykrywają zwykle 90 % zmian parametrów próbek w ciągu 30 – 60 sekund.
Co więcej, czujniki wyposażone w elektrodę zabezpieczającą, która chroni przed tlenem obecnym w elektrolicie czujnika,
charakteryzują się lepszym czasem odpowiedzi (do dwóch razy krótszym) w przypadku niskich stężeń tlenu. W niedawno
opublikowanym artykule pojawiła się informacja o 10-sekundowym czasie odpowiedzi (t90) od powietrza do punktu zerowego w przypadku czujników optycznych.3 Dotyczy to wyłącznie fazy gazowej, kiedy to gaz N2 wypycha tlen z elementu
luminescencyjnego (matryca barwnika).
Dane pomiarowe ujawnione ostatnio przez Weihenstephan Research Center for Brewing wskazują na szybszy czas odpowiedzi na zmianę w kierunku wyższego stężenia tlenu w piwie w przypadku czujnika amperometrycznego Orbisphere
(t90 = 45 s) niż w przypadku zastosowania innego systemu optycznego (t90 = 70 s).4
Wymagania związane z konserwacją
Pomimo tego, że konserwacja czujników amperometrycznych była zawsze uznawana za kłopotliwą, czyszczenie i serwisowanie większości nowoczesnych czujników jest dość proste. Czujnik Orbisphere A1100 jest sprzedawany z opatentowanymi i wstępnie zamocowanymi zestawami membran, które zawierają elektrolit pozwalający ograniczyć czas wykonywanej
co pół roku konserwacji do zaledwie trzech minut. Konserwacja czujnika amperometrycznego musi być przeprowadzana w
regularnych odstępach czasu z powodu zabrudzenia czujnika i zużywania się elektrolitu.
Czujniki optyczne nie wymagają takiej konserwacji, a głowica czujnika jest zwykle czyszczona podczas procesu CIP. Jedyna czynność konserwacyjna polega na wymianie elementu optycznego co 1–2 lata zależnie od warunków procesu.
Zainstalowane czujniki optyczne Orbisphere M1100, działające w trybie ciągłym i dostarczające pomiary co pięć sekund
(bez konieczności wyłączania w przypadku braku przepływu piwa), wymagają kalibracji nie częściej niż dwa razy w roku.
Dodatkowo większy zakres pomiarowy czujnika M1100 pozwala obecnie na wykonywanie pomiarów zarówno w wysokich,
jak i niskich brzeczkach.
Wniosek
Orbisphere M1100
Orbisphere A1100
dO (ppb)
temperatura (°C)
Temperatura (M1100)
czas (min)
Rysunek 2: Czas odpowiedzi czujnika
W przypadku piwa szybki czas odpowiedzi zależy przede
wszystkim od wymiany tlenu pomiędzy próbką a elementem luminescencyjnym, jak również od dokładnego pomiaru temperatury.
Okazuje się, że czas odpowiedzi najnowszego czujnika
optycznego do pomiaru stężenia tlenu w piwie jest równy
czasowi odpowiedzi czujników amperometrycznych (patrz
Ilustracja 2). Podobnie, wartości tlenu są takie same jak
zmierzone czujnikami amperometrycznymi (poniżej 3 ppb).
RAP. APL., CZ.2: CZUJNIKI AMPEREROMATRYCZNE I OPTYCZNE W BROWARNICTWIE
Orbisphere A1100, amperometryczny czujnik do pomiaru tlenu
rozpuszczonego
Spis literatury
1. Dunand F.A., Ledermann N., Hediger S., PowerPlant Chemistry 2006, 8(10), str.603
2. Dunand F.A., Ledermann N., Hediger S., Haller M., Weber C., PowerPlant Chemistry 2007, 9(9), 518
3. Verkoelen F.; Brewing and Beverage Industry International, 2007, N° 1, 16.
4. Titze J., Walter H., Jacob F., Friess A., Parlar H.; Brewing Science, 2008, March/April, 66.
DOC043.60.30306.Sep15
Orbisphere M1100, optyczny czujnik do pomiaru tlenu
rozpuszczonego