Assorbimento dinamico del vapore 101: cosa, perché e come?

L'acqua è onnipresente. Chi studia il mondo fisico o produce materiali al suo interno sarà inevitabilmente costretto a riconoscere l'impatto dell'umidità sulle sostanze con cui lavora.

Più specificamente, l'acqua, sia quella contenuta nel materiale che quella che lo circonda, è un fattore cruciale nel determinare come e dove un prodotto o un materiale può essere utilizzato, quando si degraderà, di quali trattamenti o rivestimenti (se necessari) avrà bisogno o se dovrà essere completamente riformulato.

L'umidità non può essere ignorata: come è possibile misurarne e tenerne conto l'impatto?

Attraverso l'analisi dell'assorbimento di vapore.

Che cos'è l'assorbimento dinamico di vapore (DVS)?

L'obiettivo dell'analisi di assorbimento del vapore è quello di determinare la quantità di solvente (di solito acqua) assorbita o desorbita da un materiale e la velocità con cui ciò avviene.

Per scoprirlo, un campione del materiale viene posto in un ambiente in cui è possibile controllare e regolare la quantità di vapore solvente (umidità). Vengono quindi misurate le variazioni di peso del campione e utilizzate per calcolare la quantità di vapore che esso assorbe o desorbe.

L'assorbimento dinamico del vapore (DVS) è un metodo molto diffuso per analizzare l'assorbimento del vapore. Fino a pochi decenni fa, il metodo principale per l'analisi dell'assorbimento del vapore era un processo lento e manuale che prevedeva l'uso di essiccatori. Nel 1991, Daryl Williams ha sviluppato il DVS per ridurre l'enorme quantità di tempo e lavoro manuale necessari per ottenere dati significativi.

Come funziona l'assorbimento dinamico del vapore

Esistono diversi tipi di dispositivi DVS, ma la maggior parte di essi ha un meccanismo di funzionamento simile.

Un tipico dispositivo di assorbimento dinamico del vapore contiene un campione in una camera a temperatura controllata. Quindi utilizza aria umidificata o essiccata per portare la camera a un livello di umidità relativa prestabilito. Una volta che il campione raggiunge l'equilibrio (presunto in base al peso) con il livello di umidità relativa della camera, viene registrata la sua variazione di massa. Il dispositivo ripete quindi il processo con livelli di umidità relativa aumentati o diminuiti e registra ulteriori variazioni. Dopo aver raccolto i dati necessari, alcuni dispositivi DVS li utilizzano per generare un'isoterma.

Una volta preparato e inserito un campione, i dispositivi di assorbimento dinamico del vapore eseguono automaticamente l'analisi dell'assorbimento del vapore. Per registrare gli stessi dati prima dell'introduzione della tecnologia DVS erano necessari diversi essiccatori, una stanza con temperatura rigorosamente controllata e diverse settimane o mesi per ruotare i campioni attraverso diverse camere e registrare i risultati.

Quando e perché viene utilizzato l'assorbimento dinamico del vapore

I mercati competitivi e le normative più severe hanno spinto le aziende di settori molto diversi a studiare come i loro prodotti reagiscono alle condizioni ambientali. Probabilmente è per questo che, nei oltre 30 anni dalla sua invenzione, la tecnologia Dynamic Vapor Sorption è stata ampiamente adottata.

Oggi, l'analisi dell'assorbimento di vapore continua a diffondersi in nuovi settori industriali. L'analisi dell'assorbimento di vapore risponde più frequentemente a domande simili a queste:

• Quali condizioni causano l'agglomerazione, la formazione di grumi e l'inutilizzabilità o l'aspetto sgradevole di un materiale in polvere, sia esso un prodotto finito o una materia prima?
• In che misura un determinato materiale di imballaggio è in grado di proteggere un prodotto da condizioni di trasporto, climatiche o di stoccaggio sfavorevoli?
• Per quanto tempo il principio attivo di un prodotto farmaceutico, nutraceutico o integratore mantiene la sua efficacia se esposto a sbalzi di umidità come quelli presenti nell'armadietto dei medicinali del bagno?

Altre applicazioni più di nicchia includono il test degli effetti dell'umidità sui materiali compositi utilizzati nell'aviazione, nelle lenti a contatto e negli articoli per l'igiene personale e molti altri ancora.

Risultati e analisi DVS, parte 1: cinetica di assorbimento del vapore

I risultati di un test dinamico di assorbimento del vapore vengono spesso visualizzati in due modi diversi. Il primo, chiamato cinetica di assorbimento del vapore, riguarda esclusivamente i tempi. Rappresenta graficamente i livelli di umidità relativa nella camera e le variazioni di massa del campione nel tempo.

In altre parole, la cinetica di assorbimento mostra la velocità con cui il campione assorbirà e rilascerà acqua dall'ambiente circostante. È utile conoscerla nei casi in cui il tempo è un fattore critico, come negli studi sulla durata di conservazione accelerata.

Risultati e analisi DVS, parte 2: isoterme di assorbimento del vapore

L'altro modo per visualizzare i dati relativi all'assorbimento di vapore consiste nel rappresentare graficamente i dati relativi all'attività dell'acqua (umidità relativa) del campione su un asse e il peso (talvolta si utilizza invece il contenuto di umidità) sull'altro.

Queste isotermiche non sottolineano come il tempo influenzi il campione, ma mostrano come la massa o il contenuto di umidità cambino in relazione all'umidità relativa.

Le isoterme ad alta risoluzione di questo tipo consentono di identificare con facilità i punti esatti in cui si verificano transizioni indesiderate nella consistenza e nella qualità. Questi punti sono spesso definiti "limiti critici" e si manifestano come improvvisi aumenti o diminuzioni del contenuto di umidità o della massa. Queste informazioni sono fondamentali in molte situazioni di produzione alimentare:

• Nei prodotti secchi come le polveri, è importante rimanere al di sotto di un limite massimo per evitare la formazione di grumi e agglomerati, ma abbastanza alti da evitare che prodotti troppo secchi e sottopeso corrodano i margini di profitto.
• In uno snack a base di carne stagionata, la finestra limite critica dovrebbe idealmente essere sufficientemente bassa da impedire la proliferazione dei microbi, ma sufficientemente alta da garantire allo snack una consistenza umida e appetibile.
• Nei prodotti alimentari ad alto contenuto di umidità, come le barrette alla frutta, sono necessari determinati livelli di attività dell'acqua per prevenire la sineresi.

Spiegazione di adsorbimento, desorbimento e isteresi

È importante notare la differenza tra adsorbimento e desorbimento sia nella cinetica di assorbimento del vapore che nelle isoterme.

L'adsorbimento si riferisce al legame di un campione con l'umidità, che viene assorbita da un ambiente umido. Il desorbimento si verifica quando il campione rilascia umidità in un ambiente secco o essiccato.

Pochi materiali assorbono e rilasciano acqua allo stesso modo o alla stessa velocità. La differenza tra adsorbimento e desorbimento è chiamata isteresi.

L'isteresi è un concetto importante da ricordare. Ogni ciclo di adsorbimento/desorbimento che un materiale subisce modifica gli effetti dei cicli di adsorbimento/desorbimento futuri. Se un prodotto ha superato un punto di transizione, la sua struttura potrebbe subire un cambiamento irreversibile che non può essere annullato semplicemente asciugandolo nuovamente.

L'isteresi viene utilizzata principalmente per comprendere un prodotto, ma può anche essere utilizzata per valutare la capacità di ritenzione idrica di un prodotto, come nel caso di rivestimenti, umettanti o nuove formulazioni.

Interpretazione dell'isoterma DVS – un esempio

L'interpretazione dell'isoterma varia a seconda dell'applicazione, ma l'analisi dettagliata di un metodo può aiutare a concettualizzarne altri: in questo caso, un'analisi dei cambiamenti di fase indotti dal vapore nel latte in polvere essiccato a spruzzo.

Per ulteriori esempi su come interpretare le isoterme (per stimare la durata di conservazione, determinare l'efficacia dei film e dei rivestimenti idrorepellenti e altro ancora), guarda o leggi la trascrizione del nostro webinar, Comprendere le isoterme.

Il primo passo nell'interpretazione di questa isotermica per studiare i cambiamenti di consistenza è individuare i limiti critici di attività dell'acqua sopra menzionati, ovvero il punto in cui iniziano a verificarsi cambiamenti indesiderati nella consistenza.

L'utilizzo della derivata seconda di questa isoterma di assorbimento aiuta a evidenziare i picchi su questa curva. I picchi sono correlati ai livelli di attività dell'acqua in cui il contenuto di umidità aumenta più rapidamente.

In questo caso, è pari a 0,67 di attività dell'acqua. Ciò significa che un'attività dell'acqua pari a 0,67 o un'umidità relativa del 67% rappresentano un punto di transizione critico per questa polvere, in cui la sua consistenza subirà un cambiamento.

A bassi livelli di attività dell'acqua, il numero di siti di legame dell'acqua è limitato. Ma una volta raggiunto lo 0,67, il numero di siti aumenta e può legarsi una maggiore quantità di acqua. Man mano che il valore sale ulteriormente, iniziano a verificarsi gravi fenomeni di agglomerazione e formazione di grumi (in questo specifico prodotto). L'isoterma mostra esattamente dove si verificheranno questi fenomeni.

Assorbimento del vapore acqueo rispetto all'assorbimento del vapore organico

La maggior parte degli strumenti di assorbimento dinamico dei vapori è progettata per studiare le proprietà di assorbimento dell'acqua, mentre alcuni dispositivi analizzano anche l'interazione dei campioni con i vapori organici.

Gli obiettivi e i principi del processo rimangono invariati: apprendere come un campione assorbe e rilascia il vapore. In questi dispositivi, la camera del campione viene riempita con vapore organico, non vapore acqueo, a un livello di umidità predeterminato.

Il DVS con vapori organici è utilizzato più spesso dai ricercatori che sviluppano metodi di controllo dei processi chimici. Si è rivelato utile anche nell'aiutare l'industria farmaceutica a sviluppare principi attivi stabili e biodisponibili.

Strumenti dinamici per l'assorbimento di vapore

Un dispositivo DVS deve essere in grado di misurare la massa del campione ed esporlo ad aria umidificata o essiccata. Oltre a queste caratteristiche comuni, i dispositivi DVS variano notevolmente in termini di dimensioni, forma e capacità. Quando si acquista un dispositivo DVS, è opportuno considerare quanto segue:

• Dimensioni del dispositivo. Alcuni dispositivi da banco sono molto compatti (circa 30 centimetri cubi), mentre alcuni dispositivi multistazione possono occupare un intero banco di laboratorio o essere grandi quanto un armadio indipendente.
• Tempi di lettura. Alcuni dispositivi impiegano giorni per creare un'isoterma. Altri impiegano settimane. Valutate attentamente le vostre esigenze in termini di produttività prima dell'acquisto.
• Risoluzione dei dati. Senza una risoluzione isotermica sufficientemente elevata, è impossibile individuare con precisione i punti di transizione critici. Avete bisogno di cinetica di assorbimento a bassa risoluzione o di isoterme ad alta risoluzione?
• Dimensione del campione. Alcuni dispositivi DVS sono in grado di analizzare con precisione campioni di appena dieci milligrammi. Altri richiedono campioni più grandi per garantire un'analisi accurata.

Altri metodi di analisi dell'assorbimento di vapore

L'analisi tradizionale dell'assorbimento di vapore, eseguita lasciando equilibrare i campioni in essiccatori, viene ancora effettuata in alcuni laboratori e università, nonostante il lavoro e le attrezzature necessarie.

Chi sceglie questo metodo avrà bisogno di diverse camere climatiche, soluzioni saline sature e spazio per conservarle per un periodo piuttosto lungo. Dopo aver preparato i materiali e avviato il test, un tecnico di laboratorio dovrà prelevare campioni dalle camere, pesarli regolarmente e registrare le variazioni di massa fino al raggiungimento dei dati desiderati.

Questo metodo richiede uno sforzo costante nel tempo e potrebbe non fornire le informazioni dettagliate che altri metodi sono in grado di fornire.

Un'altra alternativa è il metodo Dynamic Dewpoint Isotherm (DDI), un miglioramento relativamente recente e poco conosciuto del metodo DVS. Mentre i dispositivi DVS imitano il metodo della camera climatica utilizzando il peso per valutare quando un campione ha raggiunto l'equilibrio a un determinato livello di umidità, il metodo DDI raggiunge l'equilibrio in base all'attività dell'acqua del campione.

I dispositivi DDI utilizzano aria umidificata o essiccata per modificare l'umidità relativa del campione con un intervallo prestabilito (0,01 aw o 1% RH), consentono alla camera di equilibrarsi al nuovo stato del campione, quindi registrano sia l'aw che il peso del campione. Questo processo, ripetuto più volte nell'arco di un paio di giorni, produce isoterme con 100-150 o più punti dati rispetto ai 5-10 del metodo DVS, evidenziando i punti di transizione e imitando le condizioni fluide del mondo reale.

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