제품내 산소 측정

맥주에서의 용존산소 농도 OFF-line 측정

양조산업에서의 용존산소 농도 측정은 종종 휴대용 측정기로 파이프나 병으로 부터 맥주를 뽑아 내어 센서가 있는 Chamber로 흘러 들어가게하여 측정하기도 한다. 이러한 형태의 측정을 우리는 Off-line(공정외)측정이라고 한다. 이것은 In-line측정(센서를 파이프에 직접 끼워 넣는다.)과 다른 한가지 중요한 점이 있는데 이는 맥주가 대기압 하에서 배수관으로 흘러 들어간다는 점이다. 라인의 압력에서 대기압으로의 압력저하는 센서의 앞이나 뒤에서 일어 날 수 있다. 다음에 보여 주는 것은 이 두경우에 얻는 결과가 달라질 것이고 정확한 측정은 센서 뒤에서 압력이 저하하는 경우에만 얻어질 수 있다는 것이다

맥주가 라인이나 병으로부터 V ml/min로 흘러나와 일정한 용존가스의 분압과 용해도가 기호 P_i와 S_i로 표기된다고 하자. 헨리의 법칙에 의하면 가스의 용존농도는 P_i * S_i이고, 따라서 가압된 맥주가 흐르며 운반하는 가스의 유입량은 P_i * S_i * V이다.

맥주가 압력이 저하된 기구를 통과한 후에는 부유가스 기포의 포말이 생기게 되나 물질 불변의 법칙은 맥주가 V ml/min로 흐르고, 또한 가스가 Q(이를 테면)ml/min로 흐르게 된다. 우리는 가스와 액상에서 평형상태가 이루어진다고 가정한다. 가스상의 성분 i의 새로운 분압을 P¹_i라 하면 포말에의 이성분의 총유입량은 아래와 같다.

     V * S_i * P¹_i + Q * P¹_i/RT

기포에 의해 운반된 성분 i의 유입량을 계산하기 위해 Ideal Gas법칙을 응용하고, R은 가스의 상수 그리고 T는 절대온도이다.

또다시 물질불변의 법칙에 의하여 성분 i의 유입량은 감압의 결과에도 변하지 않으므로

     V * S_i * P¹_i + Q * P¹_i/RT

가압된 맥주와 감압된 시스템에서의 용존가스의 분압간에 이 관계식은 포말에서의 평형상태에관한 우리의 가정이 유효하다면 이산화탄소, 산소, 질소뿐만 아니라 다른 모든 성분에도 적용된다.

특히 Po₂는 가압된 맥주에서의 산소의 분압이고 압력저하가 센서의 뒤에서 일어나기만 한다면 측정기에 의해 측정될 수 있다. 다른 한편으로는 P¹o₂는 포말에서의 산소의 분압으로서 압력 강하가 센서 앞에서 일어나면 측정기에 의해 측정될 수 있다. 이 두가지 측정사이에 어떤 상이한 점이 존재하는가를 알려면 1+Q/(So₂* VRT)의 인수를 아는 것은 그러므로 매우 중요하다.

이 계산을 하기 위하여 가스포말이 대기압에서의 순수 이산화탄소라고 한번 더 가정한다. 이것이 대부분의 경우 매우 실제적이다. 그리하면,

     Q/V = S_CO2 RT (P_CO2 - 1)

그리고

    P_O2 = P ¹_O2[ 1 + S_CO2/S_O2 ( P_CO2 - 1)]

그런데 이산화탄소는 산소보다 물에 용해가 잘된다 ; 25 ⁰C에서

    S_CO2/S_O2 = 26.5

예를 들어 P_CO2 = 2 bars (절대압)라면

    P_O2/P¹_O2 = 27.5

위와 같이 주어진 가정에 전제하면 포말에서 측정된 산소 농도는 산소가 액상에서 이산화탄소 포말로 되어 상실되므로 27.5 배의 분압 차이라는 요인으로 인해 너무 작은 수치가 될 것이다.

이 결과는 압력강하가 측정에 미치는 드라마틱한 영향을 보여준다. 물론 그이유는 산소가 물에 적게 녹는다는 것과 압력강하시 가스상으로 증발하는 까닭입니다.