Cómo funcionan los sistemas ópticos de medida de oxígeno disuelto?
En este post se explica muy bien cómo funciona un sistema de medida de oxígeno disuelto basado en la amortiguación dinámica de la fluorescencia, y que usa la ecuación de Stern- Volmer para relacionar la medida con la presión parcial de oxígeno en la solución, en concreto de la empresa Hach famosa durante muchos años por sus medidores de oxígeno Orbisphere y que ha incluido esta tecnología en una nueva gama de medidores de alta resolución
La relación de Stern-Volmer , , [ 1 ] nos permite explorar la cinética de una fotofísico intermolecular proceso de desactivación.
Procesos tales como la fluorescencia y la fosforescencia son ejemplos de intramolecular procesos de desactivación (enfriamiento rápido). Un intermoleculardes activación es donde la presencia de otras especies químicas puede acelerar la tasa de descomposición de un producto químico en su estado excitado. En general, este proceso puede ser representado por una ecuación simple:
[ 3 ]
La extinción se refiere a cualquier proceso que reduce la fluorescencia la intensidad de una sustancia dada. Una variedad de procesos puede resultar en extinción, como el estado excitado reacciones, la transferencia de energía, complejo de la formación y la desactivación colisional. Como consecuencia, la extinción es a menudo dependiente en gran medida depresión y temperatura . Molecular oxigeno , yoduro de iones y acrilamida[ 1 ] son quenchers químico común. El ion cloruro es un conocido inhibidor de la fluorescencia para la fluorescencia quinina. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] El templado plantea un problema para métodos espectroscópicos no instantánea, como fluorescencia inducida por láser .
El enfriamiento se hace uso de en optodos sensores; por ejemplo, el efecto de extinción de oxígeno en ciertas complejos de rutenio complejos permite la medición de la saturación de oxigeno en solución. El templado es la base de Foster de transferencia de energía de resonancia (FRET) ensayos. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Temple y desatenuación tras la interacción con un objetivo específico de biología molecular es la base para agentes de contraste ópticos activables para imagen molecular . [ 8 ] [ 9 ]
Mecanismos de temple
Emisión del donante y el extintor absorción solapamiento espectral
Transferencia de energía de resonancia de Förster
Hay unos pocos mecanismos diferentes por los cuales la energía se puede transferir no radiactivamente (sin absorción o emisión de fotones) entre dos colorantes, un donante y un aceptor. Transferencia de energía de resonancia de Forster (FRET o FET) es un mecanismo de enfriamiento dinámico porque la transferencia de energía se produce mientras el donante es en el estado excitado. FRET se basa en clásicos interacciones dipolo-dipolo entre la transición dipolos del donante y aceptor y es extremadamente dependiente de la distancia donador-aceptor, R , cayendo a una velocidad de 1 / R6 . FRET depende también de la superposición espectral donante-aceptor (véase la figura) y la orientación relativa de los donantes y aceptores momentos dipolares de transición. FRET puede ocurrir normalmente en distancias de hasta 100 Å.
Transferencia de electrones Dexter
Dexter (también conocido como intercambio o transferencia de energía de colisión) es otro mecanismo de enfriamiento dinámico. Transferencia de energía Dexter es un fenómeno de corto alcance que cae exponencialmente con la distancia (proporcional a e - R ) y depende de la superposición espacial de donador e inhibidor de orbitales moleculares. En la mayoría de situaciones donante fluoróforo-extintor–aceptor, el mecanismo de Förster es más importante que el mecanismo de Dexter. Con ambos Förster y transferencia de energía de Dexter, las formas de los espectros de absorción y fluorescencia de los colorantes son sin cambios.
Exciplejo
Formación (complejo de estado excitado) es un tercer mecanismo de enfriamiento dinámico.
Atenuación estática
El mecanismo de transferencia de energía restante es atenuación estática (también referido como contacto de atenuación). Atenuación estática puede ser un mecanismo dominante para algunas sondas indicadoras-extintor. A diferencia de enfriamiento dinámico, atenuación estática se produce cuando las moléculas forman un complejo en el estado fundamental, es decir, antes de que ocurra la excitación. El complejo cuenta con sus propias características únicas, tales como ser fluorescente y tener una única absorción espectro . Agregación tinte es a menudo debido a hidrofobicas efectos las moléculas de colorante se juntan para minimizar el contacto con el agua. Colorantes aromático plano que coinciden para la asociación a través de fuerzas hidrofóbicas pueden mejorar atenuación estática. Las altas temperaturas y adición de agentes tensioactivos tienden a perturbar la formación del complejo del estado fundamental.
Dos muestras de quinina disuelto en agua con un láser violeta (izquierda) iluminar ambos. Normalmente quinina fluoresces azul, visible en la muestra derecha. La muestra de la izquierda contiene iones cloruro que apaga la fluorescencia de la quinina, por lo que la muestra de izquierda no se muestra fluorescente visible (la luz violeta es sólo dispersa la luz láser).
La calidad de un vino está influenciada de forma determinante por su contenido de oxígeno. Dependiendo de la concentración de oxígeno disuelto, pueden tener lugar procesos de oxidación que afectan negativamente al vino: intensificación del color; formación y multiplicación de microorganismos; pérdida de frescor y aroma; y rápido envejecimiento.
Por otra parte, sobre todo el vino tinto necesita cierta cantidad de oxígeno durante el proceso de maduración, para su desarrollo. Cuando tiene un olor desagradable (formación de sulfuro de hidrógeno) y la estructura de los taninos parece seca y poco atractiva, deberá agregarse más oxígeno al vino tinto joven. Esto sucede normalmente justo después de la fermentación. Durante la fase de llenado, sin embargo, no se deberá agregar más oxígeno.
Importancia del análisis de oxígeno
Sean cuales sean las circunstancias, el conocimiento exacto de la concentración de oxígeno en el vino es de máxima importancia. Sobre todo porque la adición y el consumo de ácido sulfuroso (conservante y antioxidante) dependen principalmente de la cantidad de oxígeno disuelto. La determinación de oxígeno antes de la fase de llenado simplifica, por lo tanto, la correcta dosificación de dióxido de azufre. Lo ideal sería alcanzar la fase de llenado con 0,2–0,5 mg/l de oxígeno disuelto.
El control de oxígeno es determinante en el vino para evitar procesos de oxidación que le afectan negativamente.
Con los medidores electroquímicos digitales HQD, ahora es posible controlar el contenido de oxígeno del vino con el mismo instrumento en los más diversos lugares de medida: en el barril, en el depósito o en la botella. El electrodo de oxígeno LDO de Hach, que no requiere mantenimiento, suministra resultados de medida exactos en cuestión de segundos. Gracias a la nueva tecnología LDO, las sustancias presentes en el vino no influyen en el valor; no importa si la medida se efectúa en un vino tinto, rosado o blanco, o si existen turbidez. Hasta 500 valores medidos se pueden almacenar en el HQD y/o simplemente imprimirlos o transferirlos a un PC. A propósito, el HQD también puede determinar pH y conductividad si está provisto de los electrodos correspondientes.
El HQD presenta una característica especial: la determinación de oxígeno con LDO in situ (por ejemplo en el barril o en el depósito). Además del electrodo estándar habitual, existe disponible un electrodo de exterior, robusto, con un cable de hasta 30 m de largo. La sonda impermeable, en una carcasa de acero, es resistente al impacto y se puede sumergir en el medio a analizar desde cierta distancia sin dificultad.
El HQD también puede determinar el pH si está provisto de los electrodos correspondientes.
Se puede concluir que el controlar la entrada intencionada o no intencionada de oxígeno durante la elaboración, el almacenamiento y el llenado del vino con lleva muchas ventajas:
· Mayor estabilidad de los vinos blancos y rosados
· Proceso de fermentación completo y satisfactorio
· Estabilización del color y la estructura de los vinos tintos
· Control del "perfil aromático" de los vinos blancos y rosados
· Reducción de la cantidad de antioxidante (ácido sulfuroso)
· Los clientes reciben un vino con unas propiedades sensoriales óptimas
· Se evitan las reclamaciones
tablas y gráficos de importancia de valores de oxigeno
He conseguido con éxito, eliminar el oxígeno de un vino blanco de la variedad chardonnay
Acudí reclamado por uno de los propietarios de la bodega, para que investigara qué le podía pasar a su vino blanco. Este vino presentaba a la hora de embotellar un aroma muy intenso y afrutado. Apenas pasados dos meses, cada vez tenía menos intensidad, y a la vuelta de unos meses más, incluso recuerdos de evolución.
El caso, estaba claro para mí: había un problema de exceso de oxígeno al embotellar.
Lo primero sería constatar, que efectivamente el vino tenía oxígeno disuelto, para ello contaba la bodega con un oxímetro de ultima generación Hach HQ30 con infrarrojos.
Usando dicho oxímetro, la sorpresa para la bodega, fue averiguar que su vino ya tenía un contenido de 5,5 mg/litro de oxígeno.
Una cantidad cercana a la saturación, cuando la recomendación es no embotellar por encima de 1 mg/litro.
Este oxígeno es consumido por el sulfuroso aproximadamente 5 mg/l de sulfuroso, por cada 1mg/litro de oxígeno disuelto.
Es decir: que si embotellaba con 30 mg/litro de sulfuroso libre, al cabo del tiempo, y por efecto del oxígeno, el vino se quedaría con un contenido de unos 5 mg/litro de sulfuroso. El vino, al no estar protegido, tendrá problemas de pérdida de fruta y evolución.
Entonces, nos planteamos dos preguntas:
1.-¿Porqué tiene tanto oxígeno este vino?
2.-¿Qué podemos hacer para eliminarlo?
La respuesta a la primera pregunta la tiene el enólogo de la bodega, ya que, con buen criterio, intenta trabajar las lías de fermentación durante unos meses, para ganar mas manteca y dulzor, pero lo que gana por un lado, también lo esta perdiendo por otro, añadiendo oxígeno disuelto al vino.
Esta incorporación de oxígeno se debe al intentar mover las lías con bomba, porque hasta la mejor bomba (que para mí es una bomba moino), incorpora en mayor o menor medida un contenido en oxígeno, que el vino irá consumiendo poco a poco, con la lógica disminución del sulfuroso.
Además de esto, hay algunos trucos, que hay que manejar como:
-Tener la manguera de aspiración lo más corta posible, es decir: colocar la bomba cerca del depósito de donde sacaremos el vino.
Después la impulsión, puede ser todo lo larga que la bomba sea capaz de impulsar.
-Inertizar el depósito donde queremos llevar el vino, y también el circuito de bomba y mangueras, esto normalmente se hace con carbónico.
También se puede hacer llenando todo el circuito con agua.
-Acompañar al vino con una dosis pequeña de nitrógeno, según vaya pasando el vino.
La segunda pregunta ¿qué podemos hacer para eliminarlo? el trabajo realizado fue el siguiente:
Hacer pasar todo volumen del depósito, para otro depósito con una bomba que nos daba un caudal de 10.000 litros/hora.
Contábamos con la ayuda de una cerámica, y con la experiencia y la formación que nos había dado el haber trabajado con vinos de baja graduación (osmosis inversa).
Y con un record especial para conectar la cerámica, a la manguera y a la bomba.
También necesitábamos unos metros de manguera. Los metros suficientes para mantener en contacto el vino con el nitrógeno unos seis segundos. Esto dependerá del diámetro de manguera y de la velocidad de la bomba. En este caso con 9 metros de circuito fue suficiente.
Los cálculos para saber cuanto nitrógeno necesitamos incorporar son los siguientes:
Sabemos que para eliminar 2 mg/litro de oxígeno, necesitamos un 5% de nitrógeno.
El caudal de la bomba es de 10.000 litros/hora o lo que es lo mismo 166,66 litros/minuto.
El 5% de estos 166,66 es 8,33 litros/minuto
El difusor tiene un caudal de 16 litros/minuto a 3 bar.
Así que manteniendo el difusor a 3 bar eliminaríamos alrededor de 4 mg/litro de oxígeno.
El trabajo fue todo un éxito, con un solo trasiego, jugando con la presión del manómetro del difusor, y comprobando con el oxímetro en el deposito que se estaba llenando, en una hora, habíamos conseguido eliminar unos 5 mg/litro de oxígeno. Asimismo, logramos quedarnos en un nivel entre 0,4 y 0,5 mg/litro.
Nos llevamos una muy agradable impresión de este trabajo, y el vino podrá pasar largo tiempo en botella, mejorando día a día, con una buena protección.
-Creo que se limitan muchas oxidaciones desde la entrada de la uva si conectamos el mismo sistema de inyección de nitrógeno en la tubería que vacía la bandeja de la prensa, mejor aun si también lo hacemos desde la bomba de vendimia. Esto es sencillo y mucho más barato que comprar una prensa hermética. En todo caso propongo que quién disponga de oxímetro, compruebe esta vendimia si la inyección inicial de N2 reduce sensiblemente el oxígeno en el mosto comparando varias cubas recién llenas.
-Es muy importante conservar el CO2 de la fermentación todo lo posible y retirarlo justo antes del embotellado.
Se ha olvidado una fuente de oxígeno disuelto importante, el espacio de cabeza de las botellas, entre el vino y el corcho. Para un volumen de aire de 10 ml, habrá 2 ml de O2, que son unos 3 mg, que como se disolverá en una botella de 3/4 de litro serán 4mg/l solamente en el espacio de cabeza. El vino en reposo consume todo el oxígeno en un máximo de 10 días, por lo que los trabajos con las lías no debería afectar al OD en el embotellado. El problema de oxígeno es que con cualquier movimiento de vino se incorpora alrededor de 4mg/l. Si el vino lo sulfitas y lo dejas en reposo unos 10 días el valor de OD será 0. Te recomiendo no utilizar un pulmón para la embotelladora y embotellarlo directamente del depósito, o bien dejarlo reposar los 10 días en el depósito desde el que lo vayas a embotellar.
figura 1 equipo HQ 30 CON SONDA DE OXIGENO Y PH
Autor:
Alejandro Cangi