Le dioxyde de carbone (CO2) est une substance omniprésente, présente naturellement dans l'eau, les sols et l'atmosphère. Il est également produit par les activités humaines, principalement par la combustion de charbon, de pétrole et de gaz naturel. La compréhension de ses propriétés, notamment sa masse volumique en fonction de la température et de la pression, est cruciale dans divers domaines, allant de la production de boissons à la sécurité incendie.
Dans le monde de la production de boissons, les fabricants partagent un objectif commun : assurer une qualité optimale à leurs produits finis. La surveillance du dioxyde de carbone dans les boissons est cruciale pour le contrôle de la qualité, en particulier dans les étapes finales du processus de production des boissons. Le dioxyde de carbone est un paramètre de qualité clé dans la production de boissons, en particulier du point de vue du consommateur. Il donne à la boisson sa fraîcheur et son effervescence caractéristiques. De plus, cela améliore la saveur et l'arôme.
Le dioxyde de carbone est également crucial pour garantir le goût de la bière et la formation de la mousse idéale. De plus, il agit comme un conservateur et présente des effets inhibiteurs d'oxydation, améliorant la durée de conservation et réduisant la croissance microbiologique à l'intérieur du contenant de boisson. (Azeredo et al.) Surveiller le niveau de dioxyde de carbone signifie mesurer la quantité de gaz dioxyde de carbone dissous dans le liquide. Deux unités courantes sont utilisées à cet effet : volumes (vol.) et grammes par litre (g/L). Un volume représente 1 L de CO2 dissous dans 1 L de boisson, ce qui équivaut à 1,96 g/L.
La carbonatation de la boisson est souvent l'une des dernières étapes avant la boisson finale. Le dioxyde de carbone conditionné provient principalement de la phase liquide. Puisque le dioxyde de carbone est un gaz très stable et non réactif, il ne réagira pas avec le matériau d'emballage ou les ingrédients de la boisson elle-même. Il ne se consomme ni ne se génère dans le récipient de boisson après le remplissage. La concentration de dioxyde de carbone dans les boissons peut être mesurée avec différentes technologies.
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Les électrodes basées sur la méthode de Severinghaus sont une alternative à faible coût pour le secteur privé et ne sont pas utilisées dans l'industrie des boissons. Les dispositifs de mesure basés sur les deux méthodes physico-chimiques sont couramment utilisés dans le contrôle de la qualité du produit emballé et dans la ligne de production. La plupart des instruments et procédés de laboratoire facilitent la méthode classique p/T d'analyse du CO2 selon la loi de Henry, qui définit la relation entre la concentration du gaz dissous et sa pression de saturation à une température donnée. Les dispositifs de mesure basés sur la spectroscopie d'absorption infrarouge (IR) mesurent la concentration de dioxyde de carbone dans l'espace de tête d'un conteneur de boisson translucide, comme des bouteilles en PET ou en verre.
C'est une technique non destructive, ce qui signifie qu'elle ne nécessite pas le transfert de liquide dans une chambre de mesure. Par conséquent, il peut être utilisé pour effectuer des tests de conservation sur une période prolongée en utilisant la même bouteille. Un faisceau IR est transmis à travers l'espace libre de la bouteille. La quantité de lumière atteignant le détecteur est mesurée. La méthode de réflexion totale atténuée (ATR) est principalement intégrée dans un capteur utilisé dans la ligne de production. La méthode est basée sur l'absorption de la lumière infrarouge à la surface d'un cristal. L'absorption IR se produit dans la couche superficielle de l'échantillon sur le cristal. L'intensité des bandes d'absorption spécifiques du faisceau réfléchi est mesurée par un détecteur et la concentration de CO2 correspondante est calculée.
Comme l'eau et divers composants de boissons absorbent également la lumière, des mesures de référence sont nécessaires pour déterminer avec précision la teneur en CO2 dans les boissons.
| Industrie | Étape de Production | Description | Impact |
|---|---|---|---|
| Boissons Gazeuses | Mélange et Carbonatation | Différents ingrédients sont mélangés dans des proportions précises. Le dioxyde de carbone gazeux est dissous dans un liquide. | Le manque de dioxyde de carbone entraîne une réduction de la pétillance et une durée de conservation potentiellement plus courte. L'excès de dioxyde de carbone entraîne des coûts de production inutiles. |
| Boissons Gazeuses | Emballage et Conditionnement | Le mélange de boissons gazeuses est prêt à être conditionné en bouteilles, en canettes et en fûts. Après le remplissage, l'emballage est scellé et étiqueté. | Un mauvais remplissage entraîne une perte de dioxyde de carbone, ce qui conduit à une production hors spécifications. |
| Boissons Gazeuses | Stockage | Les produits emballés sont stockés dans des entrepôts avant d'être distribués, période durant laquelle il faut éviter les pertes de CO2. | Un mauvais remplissage entraîne une perte de dioxyde de carbone, ce qui conduit à une production hors spécifications. |
| Bière | Analyse de la Fermentation | Le moût refroidi est transféré dans des cuves de fermentation où la levure est ajoutée. Pendant la fermentation, le CO2 est produit par la levure ajoutée. | Un niveau de dioxyde de carbone hors tolérance indique un problème avec la levure ajoutée, et par conséquent, avec la teneur finale en alcool. |
| Bière | Assemblage des Bières | Les lots de bière sont mélangés (si nécessaire) pour créer un produit unifié et améliorer la perception des consommateurs. | Le dioxyde de carbone hors spécifications provoque, entre autres, une mousse et un goût indésirable. |
| Bière | Emballage | Le mélange de boissons gazeuses est prêt à être conditionné en bouteilles, en canettes et en fûts. Après le remplissage, l'emballage est scellé et étiqueté. | Un mauvais remplissage entraîne une perte de dioxyde de carbone, ce qui conduit à une production hors spécifications. |
| Bière | Stockage | Les produits emballés sont stockés dans des entrepôts avant d'être distribués, période durant laquelle il faut éviter les pertes de CO2. | Un mauvais remplissage entraîne une perte de dioxyde de carbone, ce qui conduit à une production hors spécifications. |
| Vin pétillant | Stockage et maturation | Lors de la seconde fermentation du vin, du dioxyde de carbone est produit par la levure et le sucre ajoutés. Ce processus prend des mois. | Le dioxyde de carbone hors spécification provoque une expérience consommateur indésirable. |
| Vin pétillant | Carbonatation | Le vin peut également être carbonaté via un carbonateur industriel. | |
| Vin pétillant | Mélange et embouteillage | Le vin mousseux est prêt à être rempli dans des bouteilles à bouchons ou capsules et étiquetées. | Un mauvais remplissage entraîne une perte de dioxyde de carbone, ce qui conduit à une production hors spécifications. |
Un facteur significatif pour la durée de conservation est le conteneur choisi pour la boisson gazeuse. Alors que la bière est principalement conditionnée dans des bouteilles en verre et des canettes, environ 70 % des boissons non alcoolisées en Europe étaient conditionnées dans des bouteilles en PET en 2020 (Unesda, 2024). Les canettes de boisson ne permettent pas l'entrée d'oxygène ni la perte de dioxyde de carbone. Il est particulièrement difficile pour les bouteilles en PET de maintenir le niveau de dioxyde de carbone spécifique au produit dans le contenant de boisson pendant toute la durée de conservation. Le dioxyde de carbone diffuse à l'extérieur, tandis que l'oxygène diffuse à l'intérieur de la bouteille. Une mesure sélective du dioxyde de carbone dissous est essentielle pour comprendre ce processus car une concentration réduite de CO2 dissous entraîne un goût plat du produit et un risque accru de croissance de bactéries et de moisissures (Azeredo et al. 2016).
Les instruments basés sur la méthode d'expansion multiple de volume sont moins affectés par les facteurs externes par rapport à d'autres techniques.
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| Facteur | Quelle est la cause de l'erreur ? | Pourquoi ? |
|---|---|---|
| 1. Étalonnage/ajustement | Ajustement incorrect | Des appareils de mesure mal réglés donnent de fausses lectures de pression et de température, entraînant de mauvaises concentrations de dioxyde de carbone. |
| 2. Pression d'alimentation basse au dispositif de remplissage | Bulles dans la chambre de mesure. | Si des bulles sont présentes dans la chambre de mesure après le remplissage, la lecture de la pression est défectueuse et les données sur le dioxyde de carbone sont inexactes. |
| 3. Préparation d'échantillon | Distribution du dioxyde de carbone | Certaines techniques nécessitent une certaine préparation de l'échantillon afin d'effectuer des mesures précises. Par exemple, pour mesurer le dioxyde de carbone dissous, il est nécessaire de secouer le conteneur 15 fois horizontalement afin d'équilibrer l'échantillon. |
| 4. Composition de l'échantillon | Solubilité du dioxyde de carbone | La solubilité est un facteur crucial dans le calcul de la concentration de CO2. Utiliser un facteur de solubilité incorrect conduit à un résultat de mesure inexact. |
| 5. Nettoyage | résidus | Les résidus dans la chambre de mesure diminuent le volume de la chambre de mesure et augmentent la lecture de la pression en conséquence. |
Le contenu global de dioxyde de carbone reste constant dans un conteneur de boisson fermé idéal. En fonction de la manière dont le colis a été manipulé et de la manière dont il a été préparé, on peut s'attendre à des niveaux différents de dioxyde de carbone. Après avoir rempli le conteneur de boisson, presque aucun dioxyde de carbone n'est dans l'espace libre. Juste après le remplissage, le CO2 commence à migrer dans l'espace libre. Le processus de migration dépend de divers facteurs, par ex. la température et la composition du produit. Pour générer des résultats de mesure répétables et représentatifs, des conditions répétables sont requises.
La migration du dioxyde de carbone dans l'espace libre commence à l'interface liquide/gaz. La diffusion du dioxyde de carbone dans le liquide est plus lente que la migration dans l'espace de tête. De plus, la température de l'échantillon mesuré joue un rôle important. Plus la température est élevée, plus la capacité de l'eau à capturer le dioxyde de carbone dissous est faible. Le CO2 migrera dans l'espace de tête et modifiera la concentration de CO2 dissous. La solubilité du dioxyde de carbone dans l'eau dépend fortement d'autres composants dissous, comme le saccharose, le sirop de maïs à haute teneur en fructose, l'alcool ou les arômes, ainsi que la température et la pression. Plus le contenu en sucre et/ou en oxygène est élevé, plus la solubilité du dioxyde de carbone est faible. Puisque la solubilité est, selon la loi de Henry, un facteur proportionnel dans le calcul de la concentration de CO2, la solubilité correcte doit être utilisée.
L'échantillon d'eau minérale a été mesuré à 23,7 °C avec un CboxQC At-line et les résultats convertis en différents types de boissons.
| Types de boissons | Composant de boisson déterminant la solubilité | CO2 Conc. [g/L] |
|---|---|---|
| Eau minérale | 0 ° Brix | 6.13 |
| Boissons Diet | 0 °Brix à 3 °Brix | 6.06 |
| Boissons à sucre moyen | 3 °Brix à 8 °Brix | 5.89 |
| Boissons riches en sucre | 8 °Brix à 12 °Brix | 5.73 |
| Bière | 10 °Plato à 14 °Plato | 5.90 |
| bière forte | > 14 °Plato | 5.78 |
| Vin pétillant | 9 % v/v à 13 % v/v | 5.72 |
Le dioxyde de carbone dissous influence également d'autres paramètres de mesure. La teneur en sucre et l'extrait apparent dans la bière, en particulier, dépendent de la concentration de CO2 de l'échantillon. Les deux paramètres sont calculés en fonction de la densité de la boisson. Idéalement, le CO2 contenu et la densité sont mesurés simultanément. Mesurer d'abord le contenu en CO2, suivi du dégazage et de la détermination de la densité, conduira également aux résultats de mesure souhaités.
Le nombre de composants dissous, comme le sucre, les arômes, les acides et l'alcool, sont des paramètres de qualité cruciaux dans les boissons. Les paramètres physiques - à savoir la densité et/ou l'indice de réfraction - peuvent être utilisés pour calculer une quantité totale de tous les solides et liquides dissous. En ce qui concerne les boissons gazeuses non alcolisés, la densité est souvent utilisée comme paramètre de mesure de choix. Le dioxyde de carbone dissous augmente la densité de la boisson. Pour calculer la teneur réelle en sucre, qui inclut tous les composants dissous, une densité corrigée par le CO2doit être utilisée.
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À l'état de gaz, le dioxyde de carbone est incolore, inodore et aisément liquéfiable. Sa température critique se situe à 31,06 °C. À l'état solide, la neige carbonique est produite par brusque détente de CO2 sous pression. Lors de sa projection à l'air libre, elle est à la température de - 78,5 °C. À la température de - 56,6 °C et à la pression absolue de 5,2 bar, le gaz se présente sous les trois états : solide, liquide et gazeux. Ce point particulier est baptisé « point triple ». Entre - 56,6 °C et + 31,06 °C (point critique) peuvent exister les états gazeux et liquide, celui-ci également sous une pression de plusieurs bars. Elle varie en fonction des températures et des pressions.
La vaporisation de 1 kg de dioxyde de carbone solide ou liquide produit un volume gazeux de plus de 500 litres à + 15 °C sous pression atmosphérique. Le dioxyde de carbone se dissout partiellement dans l'eau pour former un acide faible : l'acide carbonique. La quantité dissoute augmente avec la pression, mais diminue quand s'élève la température. Entre 2 000 et 5 000 °C, le dioxyde de carbone se décompose en CO et en oxygène. La molécule de CO2 est très stable, mais à quelques centaines de °C, une réaction se produit avec les métaux, réducteurs d'oxygène, notamment les alcalins et le titane.
Le dioxyde de carbone a de nombreuses applications industrielles et commerciales :
À forte concentration, le dioxyde de carbone est principalement un gaz asphyxiant qui peut entraîner la mort. Les risques sont amplifiés par sa densité élevée, le gaz s’accumulant dans les parties basses des locaux. Tous les ans, des morts surviennent, dans les régions viticoles, après les vendanges, la fermentation et le décuvage lors du nettoyage des cuves vides de jus mais pas de dioxyde de carbone, inodore et incolore.
L'état supercritique n'existe pas dans la vie de tous les jours, mais sa connaissance est importante. Un fluide supercritique est une substance à une température et une pression au-dessus de son point critique, où les phases liquide et gazeuse ne peuvent pas être distinguées. Le point critique est à 31,06°C et 73,825 bar. Il présente des propriétés intermédiaires entre l'état gazeux et l'état liquide. C'est le cas par exemple de la densité ou de la viscosité. Une propriété reste différente suivant les états et permet leur distinction dans certain cas : l'indice optique. La plupart des substances chimiques possèdent des indices optiques différents entre la phase liquide et la phase solide. supercritique et il n'y a plus qu'une seule phase, le ménisque disparaît.
L'état supercritique à de nombreuses applications. Par exemple, pour faire du café décaféiné, il faut trouver des solvants qui extraient la caféine des grains de café. Longtemps que cela, on utilisait le benzène. Des propriété cancérigènes certaines. Le benzène est maintenant remplacé par du CO2 supercritique.
Il n'est pas nécessaire d'aller au-delà de notre atmosphère pour trouver un cas géologique du domaine supercritique. Il y a de l'eau qu'à la surface de la Terre, il y en a aussi dans la Terre. Par exemple, sont des minéraux porteurs d'eau. Les zones de subduction déstabilisent et libèrent leur eau. solidus et donc une fusion plus facile de ce manteau hydraté. déshydrate à une pression de 2000 MPa , une pression largement supérieure à la pression critique de l'eau.
Nous voyons bien que l'état supercritique extrait plus facilement la plupart des éléments.Les zones de subduction ne sont pas les seules régions où l’eau peut être sous forme libre dans la Terre. l’eau circule dans la croûte continentale, une eau qui peut être rapidement à l’état supercritique. avec la surface) et même à plus faible profondeur dans le cas d'une eau soumise à la pression lithostatique. Cet état permet un maintient en solution de nombreux éléments, comme Si et S, par exemple. supérieure sous forme de filons de quartz de sulfures divers.
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