Въглероден диоксид – характеристика и особености

СО₂ е основен компонент за газираните напитки. На него се дължи тяхната пенливост, игривост, ряз и свежест, катализира процесите на съзряване на напитката. СО₂ се използва за насищане в количества до 10 g/dm³ - най-често от 3 - 6 g/dm³.

В химично отношение СО₂ е неактивен, може да реагира само при високи температури от порядъка на 240 - 250°С. Обаче във водни разтвори и в среди с киселинни свойства много реакции на СО₂ протичат самопроизволно, в резултат на което може да се срещне в свободно състояние или свързан. Във водна среда е установено следното равновесие:

СО₂ ^газ ↔ СО₂ ^{разтвор} + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^- ↔ Н⁺ + СО₃^2-

Концентрацията на Н₂СО₃ зависи от концентрацията на разтворения СО₂ която от своя страна, се намира в пряка зависимост от равновесното налягане на СО₂ и газовата фаза. Концентрацията на въглеродната киселина, както на дисоциираната, така и на недисоциираната в наситени разтвори е около 1 ÷2 % от общото съдържание на СО₂. Въглеродната киселина, която се намира в равновесие с бикарбонатния анион, се нарича равновесна. Тя е неактивна и не влиза в химични реакции с други съставки. Свободната въглеродна киселина, която не участва в установената дисоциация, е химически активна и лесно встъпва във взаимодействие с други съставки. Тази свободна киселина се нарича още агресивна или активна.

Равновесието на отделните елементи на разтвореният във водата и напитките СО₂ зависи до голяма степен от съдържащата се в тях бикарбонатна твърдост, както и от наличието на други соли. Повишеното солево съдържание на водата води до повишени разходи на СО₂ по време на насищането с него, поради реагирането му с част от тези соли. Затова при производството на газирани напитки е добре да се използва омекотена вода.

Свободната въглеродна киселина заедно с останалите съставки на безалкохолните напитки и минералните води създава своеобразните органолептични показатели - вкус, аромат, пенливост и други на напитките. Свързването на свободната въглеродна киселина с всички съставки на дадена напитка в едно хармонично цяло е резултат на нейната каталитична активност, многократно да ускорява процесите на тяхното взаимодействие. В резултат се постига бързо съзряване и образуване на оформен вкус и аромат.

Свежият вкус и по-силно проявеният кисел тон на напитките се дължат на недисоциираните органични киселини и на свободната въглеродна киселина. Пенливостта и игристите свойства в газираните напитки настъпват при изменение на динамичното равновесие на формите на СО₂ съдържащи се в тях при филтриране, дехерметизация, транспортиране и др. Различните форми на СО₂ съдържащи се в газираните води са терапевтично и лечебно средство при взаимодействие с другите им съставки.

Механизъм на разтваряне на СО2 във вода

Насищането на водата с СО₂ е известно като сатурация, карбонизация или импрегнация. Характерно за този процес е, че СО₂ доведен в съприкосновение с водата в затворено пространство, се разтваря в нея. Механизмът на разтваряне на газа се характеризира с факта, че СО₂ дифундира през граничен газообразен и течен слой, отделящ течността от газа и се абсорбира от течността, тоест разтваря се в нея.

При дифузията на газа в течната фаза част от него се връща обратно в газовата среда - десорбция. В резултат, след време, се установява определено равновесие между газа, разтворен в течността, и газа над него. При достигане на това равновесие за единица време се разтваря толкова газ, колкото се отделя от течната фаза. Количеството на газа в двете фази се намира в зависимост най-вече от налягането и температурата в системата. Граничните повърхности оказват основно съпротивление при абсорбционния процес, а най-голямо съпротивление оказва контактната повърхност. В основната маса на всяка отделна фаза газовата концентрация е постоянна, което се дължи на конвективните токове във всяка една от фазите. Поради особеностите на граничните повърхности конвективните токове между двете фази не се получават. Придвижването на газовите молекули в зоната на затворената система се извършва бавно и се определя от разликата в концентрациите на СО2 в газовата и течната фаза:

∆CCO₂ = C^газCO₂ - C^{течност}CO₂

С – концентрация

С течение на времето разликата в концентрациите намалява, което понижава скоростта на дифузия:

C^газCO₂ ≈ C^{течност}CO₂ ; ∆CCO₂ → 0

Процесът на дифузия - естествено разтваряне е бавен, около 5 - 6 часа.

Количеството CO₂ , дифундирал през граничната повърхност в течността, и неговата скорост са равно пропорционални на контактната повърхност между фазите, на разликата в концентрациите и на парциалното налягане на газа и са обратно пропорционални на температурата на течността. За интензификация на процеса е необходимо да се осигуряват най-малко две условия – голяма контактна повърхност и максимална разлика в концентрациите на газа в двете фази.

Разтворимостта на CO₂ може да се изрази и в масови проценти, т.е. количеството газ в грамове, разтворени в 100g течност.
За дадена температура и концентрация на CO₂ в течността съществува напълно определено парциално налягане за него над разтвора и обратно. Въз основа на тази зависимост е създаден манометричен метод за определяне на концентрацията на CO₂ в напитките, т. е. определяйки налягането и температурата, се отчита концентрацията на CO₂ в тях.

Фактори влияещи върху разтворимостта на CO₂

Този масообменен процес зависи от редица фактори, част от които влияят върху количеството на CO₂ а други влияят качествено за по-бързо достигане на равновесие.

Влияние на температурата

Абсорбцията на CO₂ преминава през бавно протичащия процес на хидрация.

CO₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ + Q

Процесът е екзотермичен, т.е. протича с отделяне на, макар и малко количество топлина. Според принципа на Льо Шателие всяка система, която се намира в равновесие, се стреми при външно въздействие да се измени така, че да намали това въздействие. За да се осъществява процесът в посока разтваряне на CO₂ (надясно по реакцията) трябва да се отвежда топлина тоест зависимостта между температурата и разтворимостта на CO₂ е обратно пропорционална. Колкото по-ниска е температурата на водата, толкова по-голямо количество газ ще се разтвори в нея. Препоръчваните температури за газиране на водата са 3 ÷ 6°С. Ако се работи при по-висока температура се налага използване на по-високо налягане, което е нежелано и води до повишаване на загубите на CO₂ в производството.

За охлаждане на водата в промишлеността се използват различни системи – директно изпаряване на амоняк, ледена вода, солов разтвор и други.

Влияние на налягането

Повишаването на налягането води до увеличаване на налягането в газовата фаза и концентрацията в нея. Това довежда до повишаване разликата в концентрациите на CO₂ в двете фази, т.е. до ускоряване на процеса. Зависимостта между разтовримостта на CO₂ и налягането е право пропорционална. В практиката се използва 0,2 ÷ 0,6 МРа като тенденциите са да се намалява налягането, при което става насищане. Има редица ограничителни условия, които налагат това като, здравина на опаковката, безопасност по време на работа, загуби на CO₂ и други.

Влияние на разтворените вещества

Наличието на разтворени в течността вещества води до създаване на определено осмотично налягане, което има негативно влияние върху разтворимостта на CO₂. Част от разтворените вещества реагират с агресивната въглеродна киселина, което води до нежелан разход на CO₂.
Съществено значение има наличието във водата на бикарбонати. Газирането на твърда вода е по-трудно, защото съдържа НСО₃^- . Именно затова отстраняването на временната твърдост на водата е важно за разтворимостта на CO₂ .
По принцип всякакъв вид соли пречат на насищането с CO₂ . Сама някои колоиди във водата могат да допринесат за повишаване на разтворимостта му, ако осигуряват адсорбция на CO₂ и неговите съединения.

Най-разпространената практика при производството на газирани безалкохолни напитки е да се газира омекотена вода, която се смесва с готовия сироп за получаване на готова напитка.

Влияние на наличието на други газове

Водата, както всяка течност, има определена абсорбционна способност по отношение на газове при определена температура и налягане, тоест сумата от парциалните налягания на разтворените газове е константа. Наличието на едни газове в течността намалява разтворимостта на други. Съдържанието на въздух във водата намалява разтворимостта на СО₂ в нея.

Във всички съвременни технологични линии насищането на водата с СО₂ се предшества от нейното деаериране. Обезвъздушаването се провежда в апарати, наречени деаератори. Трябва да се осигури освобождаване поне на 70 - 80% от разтворения въздух във водата, за да може тя успешно да се газира.