9. Regulacija vlažnosti T. H. Powers and W. J. Calvo, Multisorb Technologies, USA
9.2
Uvod
Sušenje je verovatno jedan od najstarijih načina konzervacije hrane. Umotavanje stvari koje su sušene, kako bi se zaštitile od valge je takoĎe jedan od najranijih načina pakovanja namernica. Čak i u današnje vreme se troše velike količine resursa, kako bi se pronašli novi načini pakovanja koji će uspeti proizvode da sačuvaju od valge. Neki od najstarijih materijala koji su se koristili za kontrolisanje vage se koriste i danas: glina, so, minerali i biljni ekstrakti koji imaju veliki afinitet prema vodi. Glina se koristi već vekovima, vlažna glina da očuva proizvode vlažnim, a sauva da učuva proizvode suvim. TakoĎe važnost soli je velika, nije bitno da li se koristi kod hrane ili biljnih namernica da veže vlagu ili se koristi u suvoj stanju da apsorbuje vlagu. Ekonomski gubici koje valga može da nanese mogu biti izuzetno veliki, ne spominjući štetu koju može da izazove po zdravlje u odreĎenim delovima sveta usled kvaranja hrane, te postoje propisi za držanje hranljivih namernica suvim. UtvrĎeno je da čak do 25% namernica na svetskom nivou se gubi svake godine, zbog kvarenja namernica usled lošeg pakovanja, prevelike vlage i nedovoljnog ili lošeg hlaĎenja. Jedan od prvih materijala koji se koristili za apsorbovanje vlage, a i dan danas ima široku rasprostranjenost je glina. Jeftina je, dostupna i zahteva minimalni proces dorade. Silika gel je najpopularniju adsorber zbog svoje dostupnosti, čistoće i beline koja ukazuje na čistoću. Drugi silikati takoĎe imaju široku primenu u obliku prirodnih zeolita i sintetizovani oblici koji se nazivaju molekularnim sitima. Koriste se zbog svoje selektivnosti i njihove sposobnosti da održe stvari izuzetno suvim. Mnogi drugi minerali su takoĎe opisani u daljem tekstu.
9.2
Silika gel
9.2.1 Poreklo Poreklo silika gela počiva na svakoj plaži i dnu reke na svetu. Pesak je početna sirovina za proizvodnju slika gela. Pesak predstavlja relativno čist kristalizovan siliciijum dioksid. Da bi se proizveo silika gel, pesak se prvo stavlja u jak alkalni rastvor. Nakon toga se vrši filtracija, taloženja, neutralizacije, ponovno ispiriranje i sušenje, dobija se amorfni silikon dioksid. To predstavlja silika gel, koji treba samleti i klasifikovati kako bi bio spreman za upotrebu. 9.2.2 Sastav Silika gel proizveden na ovaj način je potpuno amorfan (nekristalizovan), bez prisustva kristala silikon dioksida, koji se smatra lošim. Ali ima ostataka soli, obično oko 0,5% i to u obliku Na2SO4 (natrijum-sulfat), pH vrednost blizu neutralne uglavnom u granicama od 4 do 8 pH. Procena se može izvesti lako, pripremanjem smese koja sadrži 10% silika gela umućenog sa destilovanom vodom, koja se ekstraktuje dva sata, potom se meri provodljivost, pH vrednost i kiselost kod ostatka smeše.
9.2.3 Čistoća i regulative: EU, FCC, USP Dozvoljeno je korišćenje silika glea kao desikanta u hranljivim namernicama i farmaceutskim proizvodima po regulativama Evropse Unije. US Food Chemical Codex sadrži u sebi studiju koja odreĎuje način i pravila upotrebe silika gela kod namernica za ishranu, dok US Pharmacopoeia odreĎuje pravila za korišćenje u farmaceutske svrhe. 9.2.4 Adsorpcioni profil Adsorpciona moć silika gela, kao i kod drugih adsorbera, proporcionalno zavisi od ravnotežnog stanja vlažnosti (ERH) i temperature okruženja. U cilju da se sagledaju adsorpcione karakteristike obično se crtaju adsorpcione izoterme pri 25°C (sl.9.1). Kao što se može videti, kapacitet adsorpcije silika gela iznosi 3-4% pri relativnoj vlažnosti od 10% i raste do 30 % za relativnu vlažnost 90%. Vreme pri kojem silika gel postiže svoj pun kapacitet (zasićenost), pri različitim relativnim vlažnostima je prikazan na sl. 9.2. Može se primetiti da se vreme saićenja kreća u uskim granicama, dok se kapacitet adsorpcije varira u velikoj meri
Slika 9.1: Adsorpcione izoterme pri 25°C
9.2.5 Regeneracija Silika gel se može regenerisati i koristiti neodreĎeno vreme. Sa ponovljanje adsorpcije i regeneracije, dolazi do osimapanja nekih delova što smanjuje njegovu upotrebljivost. Potpuna regeneracija je moguća pri zasićenošću za manje od 2% vlage pri 150°C u trajanju od tri sata. Dok se 75-80% kapaciteta asbsopcione moći može regenerisati pri temperaturi od 115-120°C u trajanju od 6 sata. Mikrotalasna regeneracija je takoĎe moguća pri slaboj snazi (<400 W).
9.2.6 Pakovanje i aplikacija Silika gel se kao i drugi desikanti, se najčešće pakuje u vrećicama i kesicama. Materijali za izradu kesica su veoma različiti od papirnih kesica, netkanih matrijala (obloženih i neobloženih), propustljivih ili mikro-perforiranih filmova. Polu krute kapsule različitih konstrukcija su dostupne sa različitom poroznošću i propustljivošću. Obično se silika gel proizvodi u obliku smole za punenje kalupa ili ekstrudiranje. Spisak stvari za koje se koristi silika gel je prevelik da bi se ceo navodio. Tu se uključuju hranljive namirnice, farmaceutski preparati, medicinski i dijagnostički aparati, tekstili, kožni proizvodi, zapakovani elektronski uraĎaji itd.
Slika 9.2: Intenzitet adsorpcije i kapacitet adsorpcije pri 20,40 i 80% RV
9.3
Glina
9.3.1 Poreklo i sastav Skoro sve vrste i tipovi gline kada su potpuno suvi imaju neke adsorpcione sposobnosti. Gline koje se koriste u komercijalne svrhe spadaju u grupu Bentonita. Najčešće korišćena vrsta je Montmorilonit. Glina se u principu sastoji od silikata metala, sulfata u manjem delu i fosfata. 9.3.2 Kapacitet i uslovi korišćenja Ruda gline se aktivira za upotrebu putem pažljivog sušenja. Kapacitet adsorpicije se kreće u granicama od 25-30% težine suve materije pri sobnoj temeraturi i niže. Iznad 35°C glina počinje da se suši i otpušta vlagu. Najveća korisnost gline se postiže pri umerenim uslovima. 9.3.3 Adsorpcija / desorpcija Adsorpcioni kapacitetet varira u zavisnosti od sastava i porekla. Slika 9.3 prikazuje adsorpcione karakteristike gline iz posebnog rudnika u Oklahomi, poznat kao Oklahoma 1. Adsorpcija vlage je relativno brza, čak i pri malim relativnom vlažnostima. Kao što se može
videti na sl. 9.3, glina će u roku od nekoliko sati da adsorbuje kompletnu količinu vlage koju može da usvoji. 9.3.4 Pakovanje i aplikacija Glina predstavlja desikant koji se koristi u mnogim industrijama naročito tamo, gde je potrebna masovna primena. Pakovanje se vrši u vidu presvlake na rolni papira, na ojačanom papiru, perforiranog laminiranog papira. Velika pakovanja za više od 1 kg mogu se pakovati u fabričke kese koje se posle zašivaju. Kao što je navedeno u prethodnom tekstu, brzina usvajanja vlage je često mnogo brža nego što je potrebno za pojedine slučajeve. Kako bi se rešio ovaj problem i produžilo vreme apsorbovanja, moguće je odabrati pakovanje od posebnog materijala sa smanjenom (ograničenom) propustljivošću. U cilju otvrĎivanja razlika izmeĎu jedne vrste gline i druge vrste gline koje se koriste kao desikanti, američka vojska je utvrdila standardnu jedinicu za adsorpciju. U novembru 1963, Departman Odbrane je izdao MIL-D-3464D, standardkoji propisuje pakovanje i korišćenje desikanata, kod ambalaže i statičke dehumidacije. Tri godine kasnije, MIL-D3464D je služio za stvaranje jedinstvenog standarda po kome se mogu porediti različiti desikanti u različitim oblastima: kapacitet adsorpcije i intenzitet adsorpcije, prašnaste karakteristike pakovanja, jačina i korozivna svojstva i veličine čestica desikanta. Posle deset godina 1973, je izdat DOD sa specifikacijama za čišćenje, sušenje, konzervaciju i pakovanja stvari, opreme i materijala kako bi se zaštitili od korozije, mehaničkih i fizičkih oštećenja i drugih vidova degradacije. MIL-D-3464D i MIL-P-116 su dugo vremna bili jedini izvor informacija za inženjere koji se bave pakovanjem. Snaga ovih standarda leži u njihovj definisanosti uniformnih jedinica za kapacitet sušenja, omogućavajući poreĎenje efikasnosti desikanata na uniformnoj skali.
Slika 9.3: Adsorpcija - vreme
9.4
Molekularna sita
9.4.1 Sastav i čistoća Molekularna sita se sastoje iz natrijuma, kalijuma, kalcijuma, magnezijum i aluminijum silikata. Ovi elementi sačinjavaju stabilnu makrostrukturu sa postojanim porama. 9.4.2 Tipovi i osobine Molekularna sita se uglavnom razlikuju na osnovu veličine pora, koja se iskazuje u angstromima (10-10 m). Najčešće korišćena tip sita je 4A, čija je nominalna veličina pora 4 angstroma. Druge često korišćene vrste sita su 3A i 5A. Specijalna vrsta sita je 13X , sa nominalnom veličinom pora od ~ 10 angstroma. Slike 9.4 i 9.5 prikazuju adsorpcione sposobnosti sita tipa 4A i 13X pri izabranim uslovima relativne vlažnosti. 9.4.3 Selektivna adsorpcija Zadržavanje i selekcija izmeĎu različitih slojeva adsorbera je proporcionalna u zavisnosti od njihovog polariteta i molekularne veličine. Ovo je obrazloženje za sam naziv „molekularna sita“. Selektivna sposobnost posebnog tipa sita da adsorbuje posebne vrste molekula zavisi od jedinjenja koja su još prisutna u situ npr., jedinjenja veće elektronegativnosti će zadržati manje elektronegativna jedinjenja čije su čestice iste veličine. 9.4.4 Adsorpcija vlage Prema tome u vlažnom okruženju, voda će se raširiti kao i svako drugo jedinjenje. Kapacitet adsorpcije molekularnog sita u vlažnom okruženju će najčešće biti popunjen vodom. Kao rezultat, za primenu molekularnih sita kao desikanta se koristi najčešće sito tipa A4, jer su veličine pora pogodne za vodu i polaritet takvih sita privlači molekule vode. Ove karakteristike ujedinjene daju situ tipa A4 veliki afinitet prema vlazi čak i pri niskim relativnim vlažnostima. Kao što se može videti na sl. 9.4 i 9.5, tip sita 4A može da adsorbuje 10% svoje težine, pri relativnoj vlažnosti ispod 10%. Ovo omogućuje da se vlažnost u zatvorenim prostorijama održava na manje od 1% RV sa odgovarajućim kvalitetom molekularnih sita.
Slika 9.4: Adsorpcione izooterme često korišćenih tipova molekularnih sita
Slika 9.5: Adsorpcione izoterme sličnih tipova molekularnih sita
9.5
Humetantske soli
Često korišćen i ekonomičan način za kontrolisanje vlažnosti u vlažnim uslovima je korišćenje humetantskih soli. Takve se soli će adsorbovati vlagu sve dok u potpunosti nepreĎu u rastvor. Takav rastvor se sastoji od soli u čvrstvom stanju i rastvora soli. Takav rastvor će biti zasićen rastvor, sa ravnotežnim vlažnostima svake komponente posebno. 9.5.1 Natrijum – hlorid (NaCl) Kao primer, zasićeni rastvor obične kuhinske soli (natrijum – hlorida) će imati ravnotežnu vlažnost od ~ 75%. Posledica ovog je da natrijum – hlorid neće adsorbovati vlagu u slučaju da je relativna vlažnost okoline < 75%. 9.5.2 Magnezijum – hlorid (MgCl2) Slično kao i kod natrijum – hlorida, zasićeni rastvor magnezijum holorida ima ravnotežnu vlažnost od 35%. Posteje mnogobrojne tabele u različitim priručnicima, koje prikazuju ravnotežne vlažnosti za mnogobrojne tipove soli pri datim temperaturama. Walxer je definisao zavisnost izmeĎu ravnotežne vlažnosti i temperature za najčešće korišćene humektanske soli i objavio konstante za njegovu jednačinu (Wahler-ova jednačina). Dakle obično je moguće odrediti tip soli, koji će održavati vlažnost u datim granicama u nekom sitemu ili pakovanju neke stvari koja se želi zaštititi. 9.5.3 Kalcijum sulfat (CaSO4) Neke soli, posebno soli sulfata, će usvajati vodu u tačno odreĎenim molarnim odnosima. Neke soli, kao što je kalcijum sulfat imaju više hidratacionih stanja. Anhidrit prilikom zagrevanja
na 130°C do 160°C može da usvoji ½ mola vode, čime se dobija gipsni prah, dok daljim dodavanjem 2 mola vode dolazi do očvršćavanja praha i dobijaju se gipsane ploče. Mnoge soli onda mogu da prime u sebe vlagu zasićenja. Njihova upotrebljivost kao adsorbera vlage zavisi od kinetike adsorbovanja vlage u odreĎenim uslovima. Mogu se izvesti odreĎeni eksperimenti kako bi se napravio pravi izbor.
9.6
Nepovratna adsorpcija
Blisko povezano sa vezanom vodom u hidratnim solima je dodatak vode vezanih za alaklne metale i okside prelaznih metala. U ovom slučaju voda reaguje sa oksidom, kako bi stvorila odvojeno jedinjenje. Reakcija može biti reverzibilna samo ako se doda odreĎena količina energije koja je dovoljna da razdvoji jedinjenje. Kako se razlaganje odvija pri temperaturama koje su daleko više nego što se mogu ostvariti u praktičnim uslovima, adsorpcija se smatra ne reverzibilnom. 9.6.1 Kalcijum – oksid (CaO) Primer ovakve vrste koji se najčešće pojavljuje je kalcijum – oksid. Predstavlja produk visoko – temperaturnog razlaganja krečnjaka koji sadrži kalcijum – karbonat (CaCO3). CaO je principijelno najpoznatiji po njegovoj primeni u poljoprivredi i poznat je kao negašeni kreč. Kalcijum – oksid reaguje sa vodom prema sledećoj reakciji: CaO + H2O → Ca (OH)2 Kao rezultat ove reakcije se dobija kalcijum – hidroksid, koji se takoĎe koristi u poljoprivredi i poznat je kao gašeni kreč. Kao bi se izvršila reverzibilna reakcija potrebno je podići temperaturu do 600°C. Njegova primena kao desikanta zavisi od iste reakcije. Zbog izuzetno velike količine energije koja treba da se uloži, sa praktičnog gledišta ova reakcija se smatra ne reverzibilnom. Kao što se može zaključti, produkat je poprilično alkalan. Mada tehnički predstavlja korozivni produk i iritantan je za kožu, nije naročito opasan za upotrebu zbog svoje slabe rastvorljivosti (0,06g/100cc vode). Kalcijum oksid se principijelno koristi na mestima gde je potrebno ostvariti izuzetno nisku vlažnost. U zatvorenim sistemima moguće je ostvariti milioniti deo procenta sa odreĎenom količinom kacijum oksida. TakoĎe je dobar desikant, jer može da usvoji 28% od svoje mase. Kalcijum oksid se koristi za jako zahtevna pakovanja, naročito za zapečaćene elektronske komponente koje su predviĎene da traju godinama. Treba imati na umu da kalcijum – hidroksid, takoĎe dobor adsorbuje ugljen – dioksid (CO2). Zbog toga, ako se kalcijum oksid koristi kao desikant u okruženju u kome ima dosta ugljen – dioksida on će adsorbovati CO2, a pri tom procesu će otpuštati vodu. Prilikom njegovo primene ovo se ne postavlja kao tema, jer se pakovanje pri njegovoj primeni zapečati pri normalnim atmosverskim uslovima (< 0,03% CO2). Na sl. 9.6 može se videti da linija kalcijum – oksid u prašnostom obliku raste do nekih 27% količine adsorbovane vlage u odnosu na njegovu počenu masu, a tada se može videti nagli skok povećanja mase na preko 40%. Ovaj drugi korak odgovara adsorbovanju ugljen – dioksida. Može se primetiti da kalcijum – oksid može adsorbuje svoj pun kapacitet, čak i ako su vrednostima RV manje 10%.
Druga kriva prikazuje kalcijum – oksid zapakovan u samolepljivu etiketu koja je zapečaćena dok je omot sa prednje strane napravljen o mikroperforiranog materijala koji omogućuje kontak izmeĎu valge spolja i kalcijum – oksida. Mikroperforirani materijal usporava difuziju vlage te zbog toga kriva ima konstantan nagib.
Slika 9.6: Adsorpcione karakteristike kalcijum – oksida 9.6.2 Magnezijum – oksid i barijum – oksid TakoĎe slično ponašanje se može videti i kod magnezijum – oksida i barijum – oksida. Nešto su sporiji adsorpcije ali barijum – oksid može da smanji vlažnost u zatvorenom sistemu do 1 ppm. Njegova primena je ograničena zbog specifičnih karakteristika.
9.7
Planiranje zaštite od valge
Vlaga koja je zarobljena unutar pakovanja sa hranom ili curi unutar pakovanja prilikom transporta može da ima štetne efekte. Ako se ne odstrani, ta vlaga će biti adsorbovana od strane proizvoda ili će se kondenzovati, što će dovesti do pojave razmnožavanja plesni, buĎi i gljivica. Na primer, ako je čvrst materijal jako rastvorljiv u vodi (premaz šećera), prodiranjem vlage u ambalžu će dovesti do nepovratne migracije vlage u napomenuti sloj. Odabir pravog desikanta predstavlja jeftinu sigurnost da neće doći do kvarenja proizvoda, a samim tim će se poboljšati kvalitet proizvoda. 9.7.1 Izvori vlage u pakovanjima Oni koji se bave pakovanjem prehrambenih proizvoda, dolaze do zbunjujućeg problema prilikom odabira pravog desikanta (sredstvo za adsorbovanje vlage), zato što je regulacija vlažnosti kompleksan problem. Preciznije, kao izvor vlage u pakovanjima ili kontenerima može takoĎe da potiče od: a) od samog proizvoda, b) bilo kog materijal ( filc, pena, papir itd.) i c) prodiranje kroz samu zaštitnu ambalažu pakovanja. Sa ciljem kako bi se odabrao pravi desikant, vlaga unutar pakovanja (zarobljena vlaga) i valaga u okruženju u kome se nalazi zapakovan proizvod se moraju posebno razmatrati.
Vlaga u okružejnu Temperatura i relativna vlažnost su dva najuticajnija faktora okoline, koji utiču na postojanost proizvoda i moraju se kontrolisati, kako bi se postavili optimalni uslovi za očuvanje kvaliteta proizvoda. Pre odabira pravog desikanta, kao imperativ se postavlja poznavanje uslova u kojima će se proizvod transportovati i skladištiti. Dalje treba primetiti da prilikom pakovanja unutar zapakovanog proizvoda će vladati isiti uslovi kao i u prostoriji u kojoj je izvršeno pakovanje. Vlaga koja se nalazi u vazduhu može da bude definisana relativnom vlažnošću vazduha, koja se izražava kao odnos parcijalnog pritiska vodene pare datog stanja i maksimalnog parcijalnog pritiska vodene pare na graničnoj krivoj. Najkorisnija informacija koja se dobija merenjem temperature i vlažnosti vazduha predstavlja tačka rose i predstavlja tačku kada se stvarni i maksimalni parcijalni pritisak vodene pare izjednačavaju. Kako temperatura opada, opada i pritisak zasićene vodene pare. Bilo koji dalji pad temperature će izazvati povećanje kondezacije, jer je količina vode u vazduhu dostigla kritičnu tačku (stanje vazduha se nalazi na graničnoj krivi). Dobar desikant će adsorbovati vodenu paru iz vazduha u pakovanju, smanjujuće relativnu vlažnost do tačke gde neće više dolaziti do pojave kondezacije, odnosno neće dozvoliti pojavu vrednosti relativne vlažnosti koja će izazvati kondezovanje vlage pri uslovima, na kojima će biti izloženo pakovanje. Jedno od osnovnih pravila, kako bi se obezbedila adekvatna zaštita je projektovanje pakovanje i desikanta da održe relativnu vlažnost vazduha unutar pakovanja u granicama od 1012% pri sobnoj temperaturi od 21°C (70°F). Vlaga unutar pakovanja Vlaga koja se nalazi unutar pakovanja, može se definisati kao odnos vlage koju sadrži proizvod u odnosu na svoju suvu materiju. U ravnotežnim uslovima (nema razmene vlage proizvoda sa okolinom), pritisak vodne pare unutar pakovanja se naziva “aktivnost vode” i obeležava se sa Aw. Preciznije aktivnost vode se može odrediti jednaćinom:
gde je:
– parcijalni pritisak vode koja se nalazi na površini proizvoda - pritisak zasićenja pri temperaturi proizvoda
Ravnotežna vlažnost prestavlja vrednost aktivnosti vode izražene u pocentima. Prednost ove definicije Aw, jeste u tome što definiše vlagu koja može aktivno da se razmenjuje izmeĎu samog proizvoda i njegove okoline. Aktivnost vode može da obezbedi bolji informacijiju, nego ukupna sadržaj vlage u proizvodu kada se posmatra stabilnost hrane. Može se direktno uporediti sa relativnom vlažnošću okoline kako bi se sprečilo stvrdanjavanje praškastih materijala (kao što su šećer u prahu ili so). U zatvorenim pakovanjima desikant će adsorbovati vlagu iz svih izvora. Neke plastike (nilon), pena, papir, drvo, filc, koža i poliester mogu da sadrže vlagu u sebi. Drvo, koža i papir mogu da sadrže do 14% ili više, a neke do 10%. Vlaga koju sadrže ti materijali se može osloboditi usled sušenja vazduha od strane desikanta koji adsorbuje vlagu iz vazduha ili usled povećanja temperature. Količina vlage koju adsorbuje desikant zavisi od: a) koliko jako je vlaga vezana za proizvod (hemiski ili fizički vezana vlaga), b) tip i količina desikanta koji se koristi, c) koliko je vode već oadsorbovano od strane desikanta i d) temperatura.
Osnovna svrha regulacije vlage u namernicama je da se smanji aktivnost vode, a time se smanjuje pojava i razvijanje mikroorganizama, kao što su plesni i kvasci koji se pojavljuju na namirnicama sa povišenom vlažnošću (kao što su gotove namernice za jelo tj. MREs). Šta više, kod higroskopnih namirnica svaka promena temperature će izazvati razmenu vlage izmeĎu namernice i okolnog vazduha ili gasa koji je okružuje. Razmena vlage će trejati sve dok se ne izjednače parcijalni pritisci vlage na površini proizvoda i vlage u okolnom vazduhu ili drugom gasu. Prodor valge: teorisko razmatranje Desikanti, se najčešće odabiraju na osnovu testova koji se rade za tačno propisane uslove koji se očekuju tokom primene. MeĎutim, ispitvanja trajnosti hrane mogu da oduzmu mnogo vremena, što ih čini i skupim. Zbog toga je potrebno da se odredi koliko vlage ima u pakovanju pre testa ili tokom testa stabilnosti proizvoda. Koeficijen difuzije vlage (MVTR), je definisan kao količina vodene pare koja prolazi kroz jedan kvadratni metar testiranog materijala u zadatim uslovima (temerature i relativne vlažnosti) za 24 h i obrnuto je proporcionalan debljini materijala. Ako su MTRV (obično je izražen u gvode/m2/h), ukupna površina materijala (m2) i dužina vremena skladištenja poznati, može se odrediti količina vlage koja će difundovati. Ova vrednost predstavlja količinu vlage koju desikan treba da odstrani, kako ne bi došlo do kodezovanja ili propadanja proizvoda tokom dužeg vremena izliženosti uslovima sa visoke vlažnosti. Koeficijent difuzije, predstavlja konstantu materijala koja odreĎuje količinu gasa koja će proći kroz poznatu površinu, poznate debljine materijala u odreĎenom vremenu, sa zadatom razlikom parcijalnih pritisaka. Koeficijent varira u zavisnosti od temperature. Koeficijen difuzije za materijale koji se koriste za pakovanje ptoizvoda se uglavnom mogu dobiti od dobavljača ili proizvoĎača materijala ili u tabelama za koeficijente difuzije za različite materijale. Objavljene vrednosti koeficijenta nisu samo za paokvanja materijala koji se želi zaštititi, već se mogu naći i koefijenti materijala za pakovanje desikanata (npr. kesice za pakovanje silika gela). Koeficijent difuzije može biti pretvoren u intenzitet difuzije koji je definisan u zavisnosti od porekla difuzije vlage (razlika koncentracija vlage ili razlika parcijalnih pritisaka). Parcijalni pritisci vodene pare se nalaze u termodinamičkim tablicama. Ulazak valge (npr. mgvode/dan) kroz zidove pakovanja za date uslove relativne vlažnosti unutar pakovanja je odreĎen upotrebom opšteg materijalnog bilansa: Kretanje H2O = Apkg ∙ Ppkg ∙ (Cout - Cin) Gde je: Apkg - površina pakovanja Ppkg – intezitet provoĎenja vlage materijala koji je korišćen za pakovanje Cout – koncentracija vode u okolini Cin – koncentracija vode unutar pakovanja Intenzitet provoĎenja materijala koji se koristi za pakovanje mora da bude prilagoĎen prema debljini materijala i prema razlici parcijalnih pritisaka. Količina vlage koja će ući unutar pakovanja tokom njegovog roka trjanja zavisi najviše od tipa pakovanja (čvrsta, fleksibilna itd.) i materijala koji su korišćeni za pakovanje. Na primer različiti materijali za fleksibilna pakovanja imaju različite koeficijente difuzije. Prolaz vode u fleksibilna pakovanja se može samo grubo proceniti iz takvih podataka. To je zato što u tabelama sa podacima za difuziju nije uračunat prolaz vlage kroz mesto gde je pakovanje zapečaćeno. Desikanti se uglavnom biraju na osnovu
rezultata testova koji se sprovode za tačno odreĎeno pakovanje. MeĎutim neka rigoroznija testiranja oduzimaju vreme i koštaju dosta. 9.7.2 Proces odabiranja desikanta Kako bi se postigao što bolji rezultat prilikom odabira desikanta, moraju se uzeti u obzir karakteristike dostupnih desikanata i materijala za pakovanje. Uslovi pri kojima se dobija optimalana zaštita proizvoda i očuvanje njegovih karakteristika se dobijaju eksperimentalno i proučavanjem dostupnih literaturnih podataka. Kod poroznih desikanata, voda se odstranjuje iz unutrašnjosti pakovanja ili višeslojnom adsorpcijom, gde se tanki slojevi molekula vode vezuju za površinu desikanta ili kapilarnom kondezacijom, pri čemu se pore desikanta napune sa vodom. Kod višeslojne adsorpcije, površina desikanta je velika, te zbog velike poroznosti može da adsorbuje velike količine vode. MeĎutim dolazi do pojave kapilarne kondezacije zato što maksimalni parcijalni pritisak pri zasićenju se samnjuje u malim pora zbog površinskog napona koji vlada u njima. Kapilarna kondezacija se može pojaviti i u porama upakovanog proizvoda. Mogu se pojaviti štetni rezultati usled kondezacija vlage koja će se pojavati pri vlažnostima manjim nego što je previĎeno prilikom razmatranja unutrašnjosti pakovanja.Od vitalne važnosti za odabir količine i oblika pakovanja desikanta je razmatranje pakovanja u kome će vršiti transport (kontener) i skladištenje. Pre nego što se izvrši odabiranje desikanta, treba da se definiše veličina i fleksibilnost strukture bočnih ivaca pakovanja (kontenera). Tri najbitnija parametra koja se moraju razmatrati prilikom odabira desikanta su: relativna vlažnost, kapacitet desikanta (adsorbera) i intezitet adsorbovanja vlage. 1. Relativna vlažnost Poznavanje maksimalnog i minimalno nivoa vlažnosti, koji bi trebao da se održava može da pomogne prilikom odabira pravog desikanta. Test trajnja proizvoda koji obavlja proizvoĎač uglavnom utvrĎuje maksimalnu vlažnost koja ne sme da se pojavi tokom roka trajanja proizvoda. To znači da podatak o maksimalnoj vlažnosti koja ne sme da se pojavi tokom roka trajanja proizvoda predstavlja bitan podatak koji se mora uzeti u obzir. Taj podatak obezbeĎuje informaciju o maksimalnoj količini vlage koju čist desikant treba adsorbuje tokom veka trajanja proizvoda i omogućuje usvajanje minimalne količine čistog desikanta. Efekat residualne valge, koju najčešće daje proizvožač desikanata se takoĎe mora uzeti u obzir. Često se propisuje i minimalna vlažnost koja treba da se održi kako bi se izbegli problemi, koji se pojavljuju usled isušenja proizvoda. 2. Kapacitet adsorpcije Kapacitet adsorpcije se računa izjednačavanjem masa vlage koje su uključene. Ukupna vlažnost (Wtot) se izračunava sabiranje vlažnosti vazduha unutar pakovanja (Whs), dostupne rezidualne vlažnosti unutar zapakovanog proizvoda (Wrm) i količine vlage koja uĎe u pakovanje tokom roka trajanja proizvoda (Win). Wtot = Whs + Wrm + Win Whs je rezultat slobodne zapremine prostora unutar pakovanja i apsolutne vlažnosti vazduha okruženja u kome se vrši pakovanje. Doprinos Whs u Wtot je zanemarljiv, zato što se teži da prilikom projektovanja pakovanja slobodan prostor unutar pakovanja bude što manji i pakovanje se vrši uglavnom u kontrolisanoj atmosveri sa smanjenom vlažnošću vazduha. Wrm predstavlja
količinu vlage koju desikant može da desorbuje iz upakovanog proizvoda tokom njegovog roka trajanja. Ova količina zavisi od nekoliko faktora: kinetike i termodinamike procesa desorbovanja vlage iz samog upakovanog proizvoda, kao i ukupne vlage koju proizvod sadrži posle proizvodnje. 3. Intenzitet adsorpcije Treći parametar na koji treba obratiti pažnju prilikom razmatranja desikanta je intezitet adsorpcije. Na primer, silika gel može da smanji relativnu vlažnost u zatvorenom konteneru sa 20% na skoro 0% za otprilike sat vremena. U stvarnim uslovima proizvodnje, proizvod koji se pakuje uvek sadrži rezidualnu vlagu (zaostala valga). Ova vlaga treba da bude adsorbovana od strane desikanta, čime se usporava proces adsorpcije. TakoĎe treba primetiti kada se poveća sadržaj rezidualne vlage, kapacitet adsorpcije opada. U veći slučajeva kinetika desorpcije vode iz proizvoda je sporija od kinetike adsorpcije desikanta. Zbog toga reakcija desorpcije vlage iz proizvoda predstavlja ograničavajući faktor za ukupnu desorpciju. Ovaj fenomen neutrališe razlike izmeĎu brzina reakcija desikanata i produžuje vreme trajanja reakcije.
9.8
Trendovi razvoja
Upravlanje i održavanje vlažnosti dobija sve veći zančaj, kako polje pakovanja proizvod sve više doživljava ekspanziju. Više nije potrebno samo održati proizvode suvim, već oni moraju da budu dovoljno suvi da održe stabilnost ali ne i previše suvi da se nebi naškodilo strukturi proizvoda na makro i na molekularnom nivou. Te stoga održavanje vlažnosti prelazi u kontrolisanje aktivnosti vlage. Sve više dolazi se do zapažanja da kod nekih zatvorenih sistema voda nije jedina isparljiva substanca koja vrši degradaciju proizvoda. Isparljive organske komponente, posebno iz grupe haloalkana (freoni itd.), kao i isparljive kiseline, aldehidi i alkoholi su takoĎe prisutne komponente. Desikanti će verovatno morati da se mešaju sa drugim adsobentima ili da se udružuju sa drugim jedinjenjima koja će moći selektivno da za sebe vezuju druga jedinjenja, a ne vodu. Konačno, veći značaj je dat selektivnosti adsorbera. Mnogo šira lepeza molekularnih sita postaje dostupna. Nove tehnologije se razvijaju u oblasti sitetike, i proučavaju se neki novi biosintetički sistemi. Pravac razvoja se kreće u razvijanju više specijalizovanih i multifunkcionalnih adsorbera. Ovaj trend će se sigurno nastaviti i postoje velike šanse da će sve više da se ubrzava njihov razvoj.
