음료에서 공정관리의 효율화를 위한 총 가스의 측정

여기에서는 소프트 드링크의 탄산 주입시 공기가 미치는 영향을 자세하게 설명하였습니다. 여기에서는 가스의 화학적 이론의 일반적인 이해와 가스가 액상에 얼마나 용해되는가를 이해하시기 바랍니다. 이것은 탄산 주입에서 공기가 미치는 영향과 현재 많이 사용하는 탄산 측정방법의 결점을 이해하는데 중요합니다.

용해가스의 기본 이론 ( Basic theory of dissolved gases )

가스의 이론과 액상에서 가스들의 상호작용과 가스 법칙이 어떠한 관계가 있는가.

가스의 법칙

가스의 법칙 중 하나는 가스들은 각 가스별로 작용을 합니다 . 즉 각 가스는 개별적인 압력을 가지는데, 이것을 가스의 분압 (P i) 이라고 합니다. 각 가스의 분압은 누적되어 가스의 총압력을 나타냅니다. 이것이 우리가 알고 있는 가스 분압의 Dalton’s 법칙입니다:

      P total = S i P i = P1 + P2 + P3 ..

예를 들어 공기를 보면, 질소와 산소의 비율이 약 80/20 입니다. 따라서,

      AIR = 80 % N₂ + 20% O₂

총압력이 1 bar 라고 가정하면 :

      P total = 1 bar = 14.5 psi

분압은 80/20 비율과 동일하게 분배됩니다:

      P total = 0.8 bar N₂ + 0.2 bar O₂

Boyle, Charles 과 Gay Lussac 또한 일찍이 가스의 이론을 연구하였으며 압력, 온도와 체적의 관계를 정립하였습니다. 이 들의 이론을 조합하여 가스 상수법칙이 (Ideal Gas Low) 나타났습니다:

      PV = nRT

가스상의 연구에 부가하여, 액상에 가스의 용해 분야에서 관심을 갖게 되었습니다. 가스는 액상에 계속하여 용해되며, 또한 액상에서 기화가 계속되는데, 액상에서 증발한 가스의 분압과 액상에 녹아 들어간 가스의 분압이 같을 때까지 계속됩니다.

      Pi(vap) <-----> Pi(liq)

     가스의 분압은 액상과 기체 상의 압력이 평형이 될때까지 이동합니다.

액체 위의 가스 분압과 액상의 가스 분압이 평형이 되었을 때, 이 용액은 현재의 조건에서 가스가 포화되었다고 합니다.

      Pi(vap) = Pi(liq)

Henry 법칙에서 액상에 용해된 가스의 확산은 (fi) 분자량에 (xi) 비례합니다:

      fi = kxi

희석 용액에서 분자량은 (xi) 농도에 비례합니다. 따라서,

      fi = k'Ci

Ci 는 가스의 농도입니다 . 부연하면, 낮은 압력에서는 가스의 확산은 가스의 분압 (Pi) 과 같습니다.

      Pi @ Ci

     가스의 분압은 용해된 가스의 농도에 비례

예를 들면, 물 위에서 공기를 20 ^oC, 1 bar 대기 조건이라고 하면

      P total = 14.5 psi = 1 bar

      P total = 0.8 bar N₂ + 0.2 bar O₂

공기가 포화되면 ( 분압은 가스별로 평형 ) 산소의 분압은 물위와 물 속에서 0.2 bar 로 같습니다. 공기 중의 산소의 분압과 용해된 산소의 분압은 같아 질지라도 용존 농도는 20% 이하입니다. 헨리의 법칙을 사용하여 계산하면, 상기의 조건에서 용존 산소의 실제 농도는 약 9 ppm 입니다.

      0.2 bar = P O₂ @ C O₂ = P O₂ / k’ ~ 9 ppm

물 위의 산소의 농도는 20% 또는 200,000 ppm( 용적대비 ) 이 용존된 농도는 9ppm (mg/l) 입니다. 사실 이 엄청난 차이는 물에서 산소의 용해도가 낮기 때문입니다. 용해도는 가스의 종류와 액상의 온도에 따라서 달라집니다. 액상에서 가스용해는 아래의 헨리의 법칙과 거의 일치합니다:

      C i = P i * S i (temp)

      - C i = 용존된 가스 농도

      - P i = 가스의 분압

      - S i (temp) = 용해 상수

청량음료에 용해된 가스는 탄산, 산소 질소입니다. 물 속에서의 이러한 가스들의 서로 다른 용해도를 이해하기 위하여, 동일한 온도와 압력 조건에서 비교를 하면;

      100 % 산소가 1 bar & 0^oC 에서 평형되면 ~ 70 ppm 용존산소

      100 % 질소는 1 bar & 0^oC 에서 평형되면 ~ 30 ppm 용존 질소

      100 % 탄산가스는 1 bar & 0^oC 에서 평형되면 ~ 3370 ppm = 1.7 V/V CO₂

위에서 보듯이 CO₂ 는 O₂ 나 N₂ 보다 물속에서 훨씬 잘 녹습니다. 또한 산소는 질소보다 두 배 정도 용해가 잘됩니다.

용해도에 영향을 주는 것은 분압, 온도 그리고 용해된 고형물의 함량에 따라 달라집니다.

      가스의 분압이 증가하면 ­ 가스의 용해도도 증가

      용존 가스의 온도가 증가하면 ­ 동일한 압력 하에서는 용존 가스의 농도는 감소

      용해된 고형물이 증가하면 ­ 액중의 용존 가스의 용해는 감소