Czym jest analizator wilgotności? Jak wypadają w porównaniu wagi, suszarki, miareczkowanie i technologia NIR?

Woda znajduje się prawie wszędzie i często ma kluczowe znaczenie dla kontrolowania konsystencji, jakości, bezpieczeństwa oraz innych cech wyrobów gotowych.

W gałęziach przemysłu, gdzie produkty są sprzedawane na wagę, błędne zrozumienie zawartości wilgoci może prowadzić do oddawania produktów o wartości milionów dolarów za bezcen lub powodować katastrofalne awarie wyrobów.

W związku z tym wielu producentów – począwszy od branży spożywczej, aż po przemysł drzewny – musi wiedzieć, ile wilgoci zawiera dana substancja. Ponadto wielu producentów, zwłaszcza w branży spożywczej, farmaceutycznej i konopnej, jest zobowiązanych przepisami rządowymi do mierzenia zawartości wilgoci.

Z pomocą przychodzą analizatory wilgotności: urządzenia, które obliczają ilość wody w materiale poprzez zbadanie małej próbki.

Metody a urządzenia

Istnieje kilka klas przyrządów pomiarowych zawartości wilgoci. Każda klasa wykorzystuje inną metodę pomiaru, a każda metoda ma swoje mocne i słabe strony.

Termograwimetria, nazywana czasem stratą suszenia (od skrótu oznaczającego „pomiar ubytku masy podczas suszenia”), jest najbardziej powszechną i znaną metodą. Termograwimetria polega na podgrzaniu próbki, a następnie wywnioskowaniu zawartości wilgoci poprzez porównanie jej masy przed suszeniem z masą po suszeniu. Metoda ta zakłada, że woda jest jedyną substancją, która odparuje podczas suszenia, choć nie zawsze tak jest.

Inne metody określają zawartość wilgoci poprzez badanie reakcji próbki na bodźce takie jak światło czy prąd elektryczny, a następnie wykorzystują wynik do wyznaczenia poziomu wilgoci.

Starannie dobieraj metody i analizatory zawartości wilgoci

Teoretycznie pomiar zawartości wilgoci wydaje się prosty – zważyć, wysuszyć, zważyć ponownie, a różnica pomiędzy obi最优 waginami mówi, ile wilgoci było w próbce, prawda?

Niestety nie. Czasami woda w substancji jest tak silnie związana z resztą jej składu, że gdy próbujesz usunąć tylko wodę, odparowują również inne substancje lotne. Niemal niemożliwe jest odróżnienie utraconej wody od innych substancji lotnych.

W innych sytuacjach próby usunięcia wilgoci (zazwyczaj w wysokich temperaturach) mogą zmienić skład chemiczny próbki, dosłownie tworząc w niej więcej wody.

Jeśli zdecydujesz się zrezygnować z termograwimetrii w nadziei uniknięcia tych problemów, wkrótce natkniesz się na toksyczne substancje chemiczne stosowane w miareczkowaniu oraz dryf kalibracyjny spektroskopii w bliskiej podczerwieni (NIR). A to dopiero początek – czeka Cię więcej.

Uzyskanie naprawdę precyzyjnego, wiarygodnego pod względem naukowym pomiaru zawartości wilgoci może być trudne, ale nie niemożliwe, o ile dobrze rozumiesz swój materiał badany i dobierzesz do niego odpowiednią metodę oraz przyrząd.

Poniżej znajdziesz krótkie wprowadzenie do każdej klasy przyrządów oraz wskazówki, jak najlepiej je wykorzystać.

(podpis: Rysunek liniowy suszarki laboratoryjnej używanej do analizy wilgoci i określania zawartości wilgoci w laboratoriach nauki o żywności)

Suszarki laboratoryjne

Termograwimetryczna analiza wilgoci z użyciem suszarki laboratoryjnej to najbardziej tradycyjny sposób pomiaru zawartości wody, który pozostaje oficjalną metodą referencyjną dla wielu organów regulacyjnych, w tym AOAC i USP.

Jest to jednak również metoda najbardziej pracochłonna i czasochłonna – w tym przypadku to użytkownik jest prawdziwym „analizatorem wilgoci”, a piec stanowi jedynie źródło ciepła. Oficjalne metody AOAC (które są typowe dla większości oficjalnych metod) wymagają wykonania poniższych kroków w różnych wariantach, w zależności od rodzaju próbki:

1. Wysusz puste naczynie na próbki w określonej temperaturze przez trzy godziny
2. Przenieś naczynie do eksykatora w celu schłodzenia
3. Po schłodzeniu naczynia wsyp i rozprowadź określoną ilość próbki
4. Umieść naczynie wraz z próbką z powrotem w suszarce w określonej temperaturze na kilka godzin
5. Wyjmij wysuszoną próbkę wraz z naczynkiem i umieść je w desykatorze do schłodzenia.
6. Po schłodzeniu ponownie zważ naczynko z próbką.
7. Oblicz zawartość wilgoci za pomocą określonego wzoru.

Suszarki laboratoryjne są powszechnie stosowane w laboratoriach nauki o żywności i kontroli jakości. Wymagają dbałości o szczegóły oraz znacznego nakładu pracy manualnej, ale przy prawidłowym użytkowaniu mogą zapewnić precyzyjne wyniki o jakości referencyjnej. W przeciwieństwie do wielu poniższych metod, suszarki pozwalają na suszenie wielu próbek jednocześnie – choć nadal konieczne jest schłodzenie i zważenie każdej z nich osobno.

Wagi wilgotnościowe

Analizatory wilgotności (wagi wilgotnościowe) wykorzystują te same zasady termograwimetryczne co suszarki, ale automatyzują proces ważenia i mierzą tylko jedną próbkę naraz.

Zamiast utrzymywać źródło ciepła i mechanizm ważący w osobnych miejscach, wagi wilgotnościowe łączą w jednym urządzeniu wagę, miejsce na próbkę oraz grzałkę (zazwyczaj żarówkę halogenową). Po umieszczeniu próbki przez użytkownika i wybraniu programu suszenia, urządzenie ogrzewa próbkę w określonej temperaturze i przez zadany czas.

Ponieważ waga jest wbudowana, użytkownicy nie muszą wielokrotnie wyjmować i ważyć próbki – urządzenie wykonuje to automatycznie. Powszechnie stosowane halogenowe źródło ciepła szybko osiąga wysokie temperatury, a ze względu na to, że wagi wilgotnościowe mieszczą tylko jedną próbkę, niewielka komora nagrzewa się błyskawicznie.

Aby uniknąć typowych pułapek związanych z wagami wilgotnościowymi, ostrożnie wybierz swoje urządzenie i uważnie skonfiguruj program suszenia. Kontrola temperatury jest często problemem – dążąc do krótkiego czasu suszenia, wiele wag zbytnio nagrzewa się w zbyt krótkim czasie i po prostu przypala próbki, tworząc zwęgloną skorupę, która zamyka resztki wilgoci w środku, zmienia strukturę chemiczną próbki i zniekształca ostateczne wyniki (nie wspominając o uciążliwym zapachu w laboratorium).

Mikrofalowe analizatory wilgotności

Mikrofalowe analizatory wilgotności, będące stosunkowo nowym rozwiązaniem w tej kategorii, reprezentują kolejną metodę „termograwimetryczną” opartą na pomiarze ubytku masy podczas suszenia. Zamiast używać energii podczerwonej do nagrzewania próbek, analizatory te bombardują je mikrofalami, ogrzewając zawartą w próbce wodę i powodując jej odparowanie.

Laboratoryjne analizatory mikrofalowe potrafią bardzo szybko podgrzewać próbki, szczególnie te o dużą zawartością wilgoci. Z tego powodu cieszą się dużą popularnością przy pomiarach cieczy i past, takich jak jogurty, sery czy produkty mleczne.

Ponieważ koncentrują się one na substancjach płynnych i pastowatych, przygotowanie jakiejkolwiek próbki, która nie jest jeszcze w stanie płynnym, zazwyczaj wymaga zmielenia jej na pastę i rozsmarowania na podkładce przed rozpoczęciem testu – proces ten może jednak nieumyślnie zmienić zawartość wilgoci w próbce.

Analizatory mikrofalowe nie sprawdzają się najlepiej w przypadku próbek o niskiej zawartości wilgoci, ponieważ mają tendencję do ich przypalania.

Titratory

Miareczkowanie metodą Karla Fischera, nazwane na cześć naukowca, który wynalazł ją w 1935 roku, mierzy niezwykle małe ilości wilgoci. W większości przypadków jest to najdokładniejsza metoda pomiaru zawartości wilgoci, dlatego często stosuje się ją w przemyśle farmaceutycznym i petrochemicznym, gdzie nawet śladowe ilości wilgoci mogą mieć ogromne znaczenie.

Miareczkowanie to złożony proces. Analizatory wilgotności Karla Fischera działają poprzez wymieszanie próbki z odczynnikiem chemicznym, który reaguje z wodą. Po zakończeniu reakcji titrator może określić ilość wody za pomocą elektrody. Miareczkowanie może trwać od kilku do ponad 30 minut, w zależności od stopnia kompatybilności próbki z wymaganymi rozpuszczalnikami oraz od tego, czy konieczne jest zastosowanie procedur zastępczych.

Precyzja miareczkowania wiąże się z pewnymi kosztami. Urządzenia jednoprzyciskowe znacznie uprościły ten proces, jednak do prawidłowego przygotowania testów, doboru odpowiednich odczynników, obsługi niebezpiecznych chemikaliów oraz interpretacji wyników nadal wymagana jest stosunkowo rozległa wiedza z zakresu chemii i analityki laboratoryjnej.

Spektroskopia w bliskiej podczerwieni (NIR)

NIR to pośrednia metoda pomiaru zawartości wilgoci, która nie wymaga suszenia, ważenia, mieszania chemikaliów ani nawet dotykania próbki.

Technologia NIR polega na naświetlaniu próbek światłem z określonego zakresu spektralnego. Ponieważ poszczególne cząsteczki wchodzą w interakcję ze światłem w odmienny sposób, na podstawie pomiaru ilości światła odbitego z powrotem przez próbkę można wyciągnąć wnioski dotyczące zawartej w niej wilgoci.

Ponieważ technologia NIR pozwala na szybki odczyt bez dotykania lub w jakikolwiek sposób wpływania na próbki, jest często stosowana na liniach produkcyjnych do szybkiego monitorowania wilgotności w trakcie procesu przetwórczego.

NIR jest metodą pośrednią, co oznacza, że wymaga regularnej kalibracji względem metody odniesienowej – którą często okazuje się jedna z wyżej wymienionych metod pomiarowych. Odczyty urządzeń NIR zazwyczaj utrzymują wariancję na poziomie 1,5 odchylenia standardowego lub mniejszym w stosunku do metody odniesienia użytej do kalibracji.

Wybór odpowiedniego analizatora

Istnieje tylko kilka niezawodnych metod analizy wilgotności, ale na rynku dostępna jest niezliczona liczba analizatorów wilgotności. Wybierając urządzenie, należy najpierw określić, która metoda – miareczkowanie, NIR czy termograwimetria – jest właściwa dla Państwa potrzeb, a dopiero potem przejść do wyboru konkretnego instrumentu.

Nawet w ramach jednej metody analizatory występują w najróżniejszych kształtach i rozmiarach. Jedne stawiają na szybkość kosztem precyzji, inne mierzą coś więcej niż tylko zawartość wilgoci, a niektóre potrafią zautomatyzować pomiar wielu próbek jednocześnie.

Zastanów się, jakie konkretne funkcje są Ci potrzebne w analizatorze, a następnie dokonaj wyboru pod kątem swojego zastosowania.

Uzyskaj pełny obraz sytuacji

Dowiedz się wszystkiego o tym, jak lepsze pomiary zawartości wilgoci mogą zoptymalizować Twoje plony, zwiększyć zyski i poprawić jakość produktów — wszystko w jednym miejscu.

Stworzone z myślą o branży konopnej, przetwórstwa spożywczego oraz farmaceutycznej.

‍