Come scegliere il sensore di attività dell'acqua giusto per i vostri campioni

I composti volatili, i campioni oleosi e i laboratori di controllo qualità ad alto rendimento richiedono sensori differenti. Ecco come funzionano i sensori a specchio refrigerato, a diodi laser sintonizzabili, a capacità ed elettrolitici resistivi e qual è il contesto di applicazione ideale per ciascuno.

Queste quattro tecnologie coprono la quasi totalità delle misurazioni dell'attività dell'acqua nei laboratori alimentari e farmaceutici. La scelta di quella corretta dipende da tre domande:

1. Il campione contiene composti volatili? 
2. Il campione è grasso, rivestito o sigillato? 
3. Quante letture sono necessarie e con quale rapidità?

Ogni misurazione inizia nello stesso modo

Indipendentemente dal sensore, si sigilla un campione rappresentativo all'interno di una camera, lasciandolo in equilibrio con l'aria sovrastante. L'acqua si muove tra il campione e lo spazio di testa finché la pressione di vapore non si stabilizza. Anche il campione e la camera devono raggiungere la stessa temperatura, poiché qualsiasi differenza tra i due si traduce in un errore.

Tutto ciò che differenzia le quattro tecnologie avviene nella fase successiva, quando il sensore legge lo spazio di testa.

Cosa li differenzia

La prima distinzione è tra metodi primari (diretti) e secondari (indiretti). I sensori diretti misurano una proprietà fisica del vapore acqueo stesso. I sensori indiretti rilevano una variazione elettrica in un materiale che ha assorbito umidità, correlando poi tale variazione all'umidità relativa. Ciò comporta tre differenze pratiche: 

• Le accuratezze dichiarate variano da ±0,003 a_w a ±0,015 a_w, un intervallo più ampio rispetto alla maggior parte delle tolleranze di processo. 
• I tempi di lettura variano da circa cinque minuti a più di 30. 
• La tolleranza per i composti volatili è quella che varia maggiormente, ed è solitamente il fattore determinante nella scelta del sensore.

Quattro tipi di sensori di attività dell'acqua

1. Punto di rugiada a specchio refrigerato

Un sensore a specchio refrigerato misura direttamente la temperatura del punto di rugiada nello spazio di testa. Lo strumento raffredda un piccolo specchio fino alla comparsa delle prime gocce di condensazione. Un sistema ottico rileva questo momento, un secondo sensore legge la temperatura della camera e lo strumento calcola l'attività dell'acqua a partire da entrambi i valori.

Poiché si basa sulla relazione termodinamica tra punto di rugiada e pressione di vapore, questo è un metodo primario. Non richiede calibrazione, ma solo una verifica periodica rispetto a uno standard salino. È inoltre il più rapido e preciso dei quattro, con un valore di ±0,003 a_w in circa cinque minuti.

Ideale per: la maggior parte dei campioni alimentari e farmaceutici, e per qualsiasi laboratorio che richieda contemporaneamente velocità e precisione. Fare attenzione ai composti volatili, che tendono a co-condensare sullo specchio.

2. Diodo laser sintonizzabile

Un sensore a diodi laser sintonizzabili misura la quantità di vapore acqueo presente nello spazio di testa. Emette un raggio a infrarossi attraverso l'aria sopra il campione a una lunghezza d'onda inferiore a un nanometro, calibrata sull'isotopo dell'acqua più abbondante. Le molecole d'acqua assorbono parte di tale energia, mentre alcoli, glicoli, solventi e componenti di oli essenziali non lo fanno. Lo strumento rileva l'attenuazione del raggio e calcola di conseguenza l'attività dell'acqua.

Anche questo è un metodo primario ed è l'unico che consente letture accurate in presenza di elevate concentrazioni di volatili. L'accuratezza dichiarata è di ±0,005 a_w.

Ideale per: oli essenziali, sistemi aromatizzanti, liquori e qualsiasi formulazione in cui i composti volatili rappresentino un ingrediente principale anziché una traccia.

3. Capacità

Un sensore capacitivo deduce l'attività dell'acqua utilizzando un polimero igroscopico. Due elettrodi sono posizionati ai lati di un dielettrico polimerico. Man mano che il polimero assorbe vapor d'acqua, la sua costante dielettrica aumenta e la capacità varia. Lo strumento mette in relazione tale variazione con l'umidità relativa dello spazio di testa.

Poiché effettua una stima anziché una misurazione diretta, questo sensore richiede una calibrazione regolare e presenta un intervallo di accuratezza più ampio, pari a ±0,015 a_w. Inoltre, richiede più tempo rispetto al punto di rugiada per fornire una lettura. Alcuni composti danneggiano irrimediabilmente il polimero e un'esposizione prolungata all'etanolo provoca una deriva irreversibile che alla fine rende necessaria la sostituzione del sensore.

Ideale per: I sensori capacitivi possono rappresentare una valida opzione intermedia per campioni con un contenuto moderato di sostanze volatili e un pratico riscontro rispetto alla lettura del punto di rugiada.

4. Elettrolitico resistivo

Anche un sensore elettrolitico resistivo deduce l'attività dell'acqua a partire da una variazione elettrica. Una soluzione elettrolitica separa due sottili astine di vetro dotate di elettrodi metallici. Man mano che l'elettrolita assorbe il vapor d'acqua, i gruppi ionici si dissociano e l'impedenza varia. Lo strumento mette in relazione tale variazione con l'umidità relativa.

Questi sensori necessitano di filtri protettivi per resistere alle sostanze volatili e composti differenti richiedono filtri specifici. Tali filtri rallentano notevolmente i tempi di lettura.

Ideale per: Impianti tradizionali e screening a basso volume. La gestione dei filtri lo rende poco adatto a set di campioni eterogenei.

I quattro sensori a colpo d'occhio

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Composti volatili

Il nostro laboratorio ha testato più di 20 ingredienti comunemente utilizzati con questi tipi di sensori e il modello è stato confermato. Gli ingredienti non volatili vengono letti con precisione da un sensore a punto di rugiada. Acido citrico, acido malico, acido ascorbico e glicerina hanno fornito misurazioni pulite fino al 100%.

L'interferenza è risultata proporzionale alla concentrazione. Etanolo, isopropanolo e acido acetico sono rimasti entro limiti di errore accettabili al di sotto dell'1% in massa, superandoli nettamente al 3%. Il glicole propilenico ha generato interferenze solo oltre il 5%. Gli oli essenziali non diluiti rappresentano un altro caso: chiodi di garofano, menta piperita, limone e rosmarino hanno compromesso direttamente lo specchio.

La regola riguarda la concentrazione, non la presenza. Sostanze volatili in tracce in un prodotto finito raramente creano problemi a un sensore a punto di rugiada. Le sostanze volatili come ingrediente principale richiedono invece un laser a diodi sintonizzabili.

Campioni oleosi e grassi

La presenza di olio di per sé non è il problema, lo è la tensione di vapore. La glicerina è viscosa e viene letta con precisione alla massima concentrazione da un sensore a punto di rugiada, poiché evapora a malapena a temperatura ambiente. Gli oli essenziali sono fluidi e volatili e compromettono lo stesso sensore in una singola analisi.

Pertanto, non chiedetevi quanto sia grasso il campione, bensì se la sua fase oleosa sia fissa o volatile. Creme spalmabili a base di frutta secca, cioccolato e snack fritti possiedono matrici di oli fissi e si misurano bene tramite punto di rugiada, sebbene un elevato contenuto di grassi rallenti l'equilibrio. Gli oli di agrumi, gli oleoresine di spezie e i concentrati aromatici richiedono un laser.

In entrambi i casi, pulite la camera. I residui di un campione oleoso possono causare errori nella misurazione successiva.

Laboratori di QA ad alto volume

Tre fattori determinano la produttività e solo uno di essi è la lettura in sé.

Il tempo di lettura è il fattore più evidente. Uno strumento a punto di rugiada restituisce un risultato completamente in equilibrio in circa cinque minuti, un tempo sufficiente per controlli sulla linea di produzione alla maggior parte delle velocità operative.

La modellazione predittiva riduce ulteriormente questo tempo. I dispositivi AQUALAB sono in grado di fornire un valore finale dell'attività dell'acqua in circa 60 secondi e di segnalare i campioni al di fuori dei limiti operativi nello stesso intervallo. Un minuto è sufficiente per rilevare una temperatura del forno o una velocità del nastro anomale prima che il lotto debba essere rilavorato, e la lettura completa in equilibrio rimane comunque disponibile quando è necessaria per la documentazione di rilascio. Una velocità di questo livello modifica ciò che un team di QA può fare, poiché la principale fonte di incertezza nella produzione non è una lettura errata, ma l'effettuarne un numero insufficiente.

La calibrazione è il secondo fattore. Una misurazione con specchio raffreddato si basa sulla temperatura, quindi non richiede alcuna calibrazione, ma solo la verifica rispetto a uno standard di sale. I sensori che deducono l'attività dell'acqua da una proprietà elettrica richiedono invece una ricalibrazione periodica, e tale procedura comporta tempi di inattività del laboratorio.

Il recupero è il terzo fattore. Un sensore che deve essere pulito, filtrato o spurgato tra diversi tipi di campione costa molto più tempo di quanto ne richieda la lettura stessa.

Rilevare entrambi i valori contemporaneamente

Alcuni strumenti rilevano il contenuto di umidità e l'attività dell'acqua dallo stesso campione nella stessa analisi, e questo aspetto merita di essere preso in considerazione, sebbene le due misurazioni rispondano a domande diverse. Il contenuto di umidità indica quanta acqua contiene un prodotto. L'attività dell'acqua indica invece la disponibilità di tale acqua, che è il parametro in grado di prevedere la crescita microbica e la stabilità a scaffale. 

Due prodotti con un contenuto di umidità identico possono comportarsi in modo completamente diverso. Se le vostre specifiche richiedono entrambi i valori, l'impiego di un solo strumento e di una singola preparazione del campione risulta preferibile all'uso di due dispositivi per ciascuno. Le nostre guide approfondiscono in che modo le due misurazioni differiscono e come valutare un analizzatore di umidità.

Cosa riconoscono gli standard

I metodi riconosciuti, tra cui AOAC 978.18 e ISO 18787, si basano sulla stessa relazione, ovvero che l'attività dell'acqua è pari all'umidità relativa di equilibrio dello spazio di testa divisa per 100. Entrambi consentono il rilevamento diretto e indiretto. I requisiti di accuratezza restringono il campo nella pratica, in particolare laddove un risultato debba dimostrare che un prodotto si trova a o al di sotto di 0,85 a_w.

Dove si posiziona AQUALAB

Gli strumenti AQUALAB utilizzano sensori a specchio freddo a punto di rugiada e a diodi laser accordabili perché entrambi misurano direttamente il vapor d'acqua. Uno rileva la pressione di vapore, l'altro la sua concentrazione. Nessuno dei due deduce un risultato da un materiale soggetto a deriva, assorbimento o degrado.

Per la maggior parte dei campioni, il punto di rugiada offre la massima precisione e la risposta più rapida. Nei casi in cui prevalgono i composti volatili, il laser rappresenta l'unica opzione affidabile. Insieme coprono quasi tutte le misurazioni di un laboratorio alimentare o farmaceutico.

In che modo Attività dell'acqua misurano effettivamente un campione e perché i metodi primari (diretti) sono più efficaci di quelli secondari (indiretti).

Il processo di misurazione

Indipendentemente dallo strumento o dalla tecnologia dei sensori, tutte Attività dell'acqua iniziano allo stesso modo. Un campione rappresentativo viene inserito in una camera di misurazione sigillata, dove viene lasciato raggiungere l’equilibrio con l’aria presente nello spazio di testa sovrastante. Durante questo processo di equilibratura, le molecole d’acqua si spostano tra il campione e l’aria fino a quando la pressione di vapore (o densità di vapore) nello spazio di testa raggiunge un valore stabile. Una volta raggiunto l’equilibrio, Attività dell'acqua determinata utilizzando una delle quattro tecnologie di sensori, suddivise in due metodi primari (diretti) e due metodi secondari (indiretti).

Metodi primari (diretti)

I metodi primari misurano una proprietà fisica fondamentale del vapore d'acqua stesso — ovvero la sua pressione di vapore o la sua concentrazione — anziché dedurre Attività dell'acqua un effetto elettrico secondario. Ciò li rende intrinsecamente più accurati e meno soggetti a derive, contaminazioni o interferenze.

Sensore a specchio freddo a punto di rugiada. Un sensore a specchio freddo a punto di rugiada misura direttamente la temperatura del punto di rugiada dell'aria in equilibrio sopra il campione. Un piccolo specchio viene raffreddato fino alla formazione delle prime goccioline microscopiche di condensa sulla sua superficie. Un sistema ottico rileva l'inizio della condensazione identificando la temperatura del punto di rugiada, mentre un sensore separato misura la temperatura ambiente della camera. Utilizzando queste due temperature, lo strumento calcola l'umidità relativa — e di conseguenza l'attività dell'acqua — del campione. Poiché si basa sulla relazione termodinamica fondamentale tra punto di rugiada e pressione di vapore, la tecnologia a specchio freddo è considerata un metodo primario e diretto per la misurazione dell'attività dell'acqua ed è ampiamente riconosciuta come la tecnica più accurata per campioni non volatili.

Sensore a diodi laser accordabili (TDL). Un sensore a diodi laser accordabili misura direttamente la concentrazione di molecole di vapor d'acqua nello spazio di testa. Il sensore emette un raggio laser a infrarossi finemente calibrato attraverso l'aria sopra il campione. La lunghezza d'onda del laser, inferiore a un nanometer di ampiezza, è sintonizzata specificamente sull'isotopo più abbondante dell'acqua. Le molecole di vapor d'acqua assorbono una porzione dell'energia del laser, mentre altri composti volatili — tra cui alcoli, benzina, solventi organici e glicole propilenico — non interferiscono con la misurazione. Misurando l'attenuazione del raggio laser, lo strumento determina direttamente la concentrazione di vapor d'acqua e calcola l'attività dell'acqua. Poiché misura direttamente la densità del vapor d'acqua anziché affidarsi a variazioni delle proprietà elettriche, il diodo laser accordabile è anch'esso considerato un metodo primario e diretto, oltre a essere l'unica tecnologia di sensori in grado di misurare accuratamente l'attività dell'acqua in campioni contenenti concentrazioni significative di composti volatili.

Metodi secondari (indiretti)

I metodi secondari non misurano direttamente il vapore acqueo. Essi deducono invece Attività dell'acqua variazione di una proprietà elettrica del materiale sensibile man mano che questo assorbe umidità. Questi metodi possono essere utili, ma sono generalmente più soggetti a deriva del sensore, contaminazione e interferenze rispetto ai metodi diretti.

Sensore capacitivo. I sensori capacitivi determinano l'attività dell'acqua in modo indiretto misurando le variazioni delle proprietà elettriche di un polimero igroscopico. Il sensore è costituito da due elettrodi separati da un materiale dielettrico polimerico. Man mano che il vapor d'acqua del campione viene assorbito dal polimero, la sua costante dielettrica aumenta, provocando una variazione della capacità del sensore. Lo strumento correla questa variazione di capacità all'umidità relativa dello spazio di testa e calcola quindi l'attività dell'acqua. Poiché la misurazione è dedotta da variazioni di una proprietà elettrica anziché da una misurazione diretta della pressione o della concentrazione del vapor d'acqua, i sensori capacitivi sono considerati un metodo secondario e indiretto.

Sensore elettrolitico resistivo. Anche i sensori elettrolitici resistivi misurano l'attività dell'acqua in modo indiretto attraverso variazioni delle proprietà elettriche. Il sensore è costituito da due sottili bacchette di vetro con elettrodi metallici separati da una soluzione elettrolitica. Quando il vapor d'acqua viene assorbito dall'elettrolita, i gruppi funzionali ionici si dissociano, modificando l'impedenza elettrica (resistenza) del sensore. Questa variazione di impedenza viene correlata all'umidità relativa dello spazio di testa, consentendo allo strumento di stimare l'attività dell'acqua. Analogamente ai sensori capacitivi, i sensori elettrolitici resistivi sono considerati metodi secondari e indiretti poiché si basano su risposte elettriche anziché misurare direttamente il vapor d'acqua.

Perché AQUALAB utilizza sensori a punto di rugiada e sensori a laser a diodi sintonizzabili

Gli strumenti AQUALAB utilizzano principalmente le tecnologie dello specchio raffreddato per il punto di rugiada e del laser a diodo sintonizzabile (TDL), poiché si tratta di metodi diretti e primari per misurare Attività dell'acqua. Entrambi i sensori quantificano direttamente lo stato termodinamico dell’acqua nello spazio di testa — sia misurando la pressione di vapore attraverso il punto di rugiada, sia misurando direttamente la concentrazione di vapore acqueo con la spettroscopia laser. Al contrario, i sensori elettrolitici capacitivi e resistivi rappresentano metodi secondari, poiché deducono Attività dell'acqua variazioni delle proprietà elettriche dei materiali sensibili. Sebbene questi metodi indiretti possano fornire misurazioni utili, sono generalmente più soggetti a deriva del sensore, contaminazione e interferenze rispetto alle tecniche di misurazione diretta impiegate da AQUALAB.

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