MÉTODO DINÂMICO DE ISOTERMA POR PONTO DE ORVALHO VS. OUTROS MÉTODOS
O método DDI (Dynamic Dewpoint Isotherm) usado pelo AquaLab VSA (Vapor Sorption Analyzer) é uma forma única de obter isotermas. Como outros métodos de isotermas, ele fornece informações sobre a relação entre a atividade da água (aw) e a umidade. No entanto, é a singularidade do método DDI e as informações que ele fornece que o tornam único.
OS MÉTODOS DO DESSECADOR E DVS
Os métodos de isotermas tradicionais dependem do equilíbrio da amostra com valores conhecidos de atividade de água (aw) e em seguida, da medição da umidade de equilíbrio da amostra. Isso é feito mais facilmente colocando a amostra em uma câmara selada sobre soluções saturadas de sal. Diferentes níveis de atividade de água (aw) são alcançados usando diferentes sais. Ajustar uma mistura de ar úmido ou seco enquanto monitora a atividade da água (aw) com um sensor também pode ser usado para controlar.
Diferentes níveis de atividade de água (aw) são alcançados alterando a proporção de ar seco para úmido. Alguns instrumentos são programados para alterar automaticamente a atividade da água (aw) em uma progressão dinâmica passo a passo, geralmente chamada de DVS (Dynamic Vapor Sorption).
Assim, a amostra é mantida em cada nível de atividade de água (aw) até que o peso se estabilize antes de passar para a próxima atividade de água (aw). O verdadeiro equilíbrio entre a amostra e a fonte de vapor requer um tempo infinitamente longo. Na prática, o equilíbrio é assumido quando o peso se estabiliza em um nível tolerável. Aumentar tolerância à mudança de peso acelerará o processo de equilíbrio, mas os valores da atividade de água (aw) se tornarão mais incertos.
O MÉTODO DDI
O método DDI mede diretamente a atividade da água (aw) enquanto rastreia gravimetricamente o peso, de modo que não há dependência do equilíbrio para a atividade de água (aw) predefinida. Isso é muito diferente de todos os outros métodos de isotermas. A adsorção ocorre quando o ar úmido saturado passa sobre a amostra. A dessorção é realizada à medida que o ar seco passa sobre a amostra. Após uma mudança de aproximadamente 0,015aw, o fluxo de ar é interrompido e uma leitura instantânea do processo de sorção é obtido através da medição direta da atividade de água (aw) e do peso.
O método é dinâmico porque a atividade da água (aw) muda constantemente durante o teste. A amostra não precisa se equilibrar com atividades de água (aw) conhecidas porque está sendo medida diretamente usando o método estabelecido de ponto de orvalho por espelho resfriado. As vantagens do método DDI são o aumento da velocidade de análise, uma vez que a amostra não precisa esperar pelo equilíbrio com uma atividade de água (aw) conhecida e um nível de resolução inigualável. Além disso, apenas água e dessecante são necessários para executar a isoterma.
COMPARANDO OS MÉTODOS
A natureza dinâmica do método DDI pode apresentar problemas ao tentar comparar isotermas por DDI com isotermas criadas usando outros métodos, especialmente o método do dessecador onde os tempo de equilíbrio pode ser de semanas a meses. Para a maioria dos tipos de amostras, especialmente amostras com rápida difusão de vapor, a penetração do vapor de água em toda a amostra é rápida e as isotermas de DDI para esses tipos de produtos serão comparáveis a outros métodos.
A Figura 1 ilustra que o método DDI produz resultados para Celulose Microcristalina (MCC) que são comparáveis aos resultados do projeto COST-90 (Wolf et al., 1985). Além disso, a Figura 2 indica que o método DDI produz uma isoterma de trabalho para o amido de milho comparável aos métodos tradicionais de isoterma por dessecador e por DVS.
No entanto, para amostras com taxas de difusão lentas, o movimento da umidade através da amostra é lento e a difusão completa da umidade para dentro e para fora da amostra pode ser lenta o suficiente para dar a aparência de equilíbrio de vapor na câmara de leitura durante a análise da atividade da água (aw). Na realidade, a umidade não teve tempo de ser totalmente absorvida pela amostra. Isotermas para esses tipos de amostras desenvolvidas pelo método DDI podem ter valores menores de umidade durante a adsorção e maiores valores de umidade durante a dessorção do que isotermas obtidas por outros métodos, resultando em maiores níveis de histerese aparente.
Uma melhor concordância com outras isotermas pode ser alcançada, ao usar o método DDI, reduzindo o tamanho da amostra e diminuindo a taxa de fluxo de ar úmido ou seco para permitir mais penetração de umidade em amostras de difusão lenta.
OS MÉTODOS DEVEM SER COMPARADOS?
Pode haver aqueles que ficam preocupados quando os resultados do método DDI não correspondem aos resultados dos métodos tradicionais e argumentam que os valores de umidade produzidos pelo método DDI não são valores de umidade de equilíbrio verdadeiros. No entanto, como todos os métodos de isotermas podem atingir diferentes estados de matriz, nenhum dos quais pode ser o verdadeiro equilíbrio, é difícil determinar qual método é o mais correto. É importante entender que enquanto os métodos DDI, DVS e dessecador podem produzir isotermas de sorção, o método DDI é fundamentalmente diferente e pode ser adequado considerar o DDI como uma análise diferente e única.
Além disso, enquanto para muitas amostras os métodos dão os mesmos resultados, como ilustrado nas Figuras 1 e 2, é quando eles não concordam que os resultados podem ser os mais interessantes.Para alguns materiais, o valor de umidade em uma determinada atividade de água (aw) será muito diferente após semanas de tempo de equilíbrio do que após exposição rápida a alta ou baixa umidade.
Alterações físicas que dependem do tempo, podem ocorrer à medida que um produto se equilibra em diferentes níveis de atividade de água ao longo de semanas e podem não ocorrer ao usar o método DDI, por ser muito mais rápido. Os métodos produzem resultados diferentes porque são inerentemente diferentes. Para esses tipos de materiais, seria inadequado comparar os métodos porque eles fornecem informações diferentes.
Isso não significa que o método DDI esteja errado e os outros métodos estejam certos. De fato, a natureza dinâmica do método DDI pode realmente fornecer uma compreensão mais perspicaz das características de sorção desse tipo de produto em condições reais, uma vez que as amostras raramente são expostas a mudanças na umidade em progressão gradual, mas em progressão dinâmica.
O VALOR DO MÉTODO DDI
A natureza dinâmica do método DDI também permite a geração rápida (24 ou 48 horas) com um nível sem precedentes de resolução de dados, praticamente impossível em outros métodos de isotermas (pois tomaria um período de tempo irreal). Esta alta resolução elimina a necessidade de extrapolação ou interpolação e fornece uma visão detalhada dos eventos de sorção.
A Figura 3 ilustra as isotermas de sorção de leite em pó seco por pulverização geradas usando o método do dessecador e o método DDI. Os valores de umidade diferem entre os dois métodos por causa das mudanças associadas ao tempo que transcorreu durante o longo tempo de equilíbrio no método do dessecador. Além disso, as restrições de tempo e trabalho limitam o número de pontos de dados gerados pelo método do dessecador e a interpolação usando a equação GAB é necessária para completar a curva. Por outro lado, a resolução do método DDI produz uma curva completa e a interpolação por modelo não é necessária.
De fato, usar um modelo de curva suave para caracterizar a isoterma perderia os resultados mais importantes da análise. Os dados DDI indicam que importantes mudanças na matriz estão ocorrendo, ilustradas por mudanças bruscas nas taxas de sorção, em 0,42aw, 0,559aw e 0,724aw.
Se apenas os dados do método do dessecador e os dados ajustados ao modelo GAB estivessem disponíveis na Figura 3, seria impossível identificar qualquer uma das transições. Isso explica por que anteriormente era a opinião de muitos que os dados de isotermas não poderiam ser usados para identificar pontos de transição de fase, como a transição vítrea. No entanto, as transições de fase são identificáveis nos dados do método DDI.
CONCLUSÃO
O método DDI é uma maneira única de obter isotermas sorção que podem fornecer informações valiosas anteriormente não obtidas através de outros métodos. Para muitos produtos, o método DDI gera isotermas comparáveis a outros métodos.
No entanto, para outros tipos de produtos, especialmente aqueles que sofrem alterações de fase dependentes do tempo, o método DDI pode fornecer resultados diferentes de outros métodos, pois fornece informações de sorção diferentes. Finalmente, a alta resolução do método DDI permite observar eventos de sorção anteriormente não observáveis.
REFERÊNCIAS
- Warburton,S., andS.W.Pixton. 1978. The Moisture Relations of Spray Dried Skimmed Milk. Journal of Stored Products Research 14:143-158.
- Wolf,W., W.E.L.Spiess, and G.Jung. 1985. Standardization of Isotherm Measurements (cost-project 90 and 90 BIS). p. 661-679. In D.Simatos, and J.L.Multon (ed.) Properties of Water in Foods in Relation to Quality and Stability. Martinus Nijhoff, Boston.
- Xin Yu. 2007. Investigation of moisture sorption properties of food materials using saturated salt solution and humidity generating techniques. Ph.D. thesis, University of Illinois at Urbana-Champaign.