Dans le monde de la production de boissons, les fabricants partagent un objectif commun : assurer une qualité optimale à leurs produits finis. Le contrôle de la qualité joue un rôle crucial dans les activités des producteurs de boissons, en mettant l'accent sur la conformité, la réputation de la marque, la réduction des coûts et l'amélioration continue.
La surveillance du dioxyde de carbone dans les boissons est cruciale pour le contrôle de la qualité, en particulier dans les étapes finales du processus de production des boissons. Qu'il s'agisse de bière, de boissons non alcoolisées, d'eau minérale ou de vin mousseux, la teneur en dioxyde de carbone doit être contrôlée afin de produire et de maintenir la meilleure qualité possible et d'assurer la satisfaction du client.
Surveiller le niveau de dioxyde de carbone signifie mesurer la quantité de gaz dioxyde de carbone dissous dans le liquide. Deux unités courantes sont utilisées à cet effet : volumes (vol.) et grammes par litre (g/L). Un volume représente 1 L de CO2 dissous dans 1 L de boisson, ce qui équivaut à 1,96 g/L. (Ashurst, et al., 2017)
Le dioxyde de carbone conditionné provient principalement de la phase liquide. Les boissons sont gazéifiés soit par des carbonateurs industriels (par exemple, des boissons gazeuses, de l'eau minérale, de la bière) soit par fermentation naturelle (par exemple, de la bière, du vin mousseux).
Dioxyde de carbone dans les boissons
Quel est le rôle du dioxyde de carbone ?
Le dioxyde de carbone est un paramètre de qualité clé dans la production de boissons, en particulier du point de vue du consommateur. Il donne à la boisson sa fraîcheur et son effervescence caractéristiques. De plus, cela améliore la saveur et l'arôme. Le dioxyde de carbone est également crucial pour garantir le goût de la bière et la formation de la mousse idéale. De plus, il agit comme un conservateur et présente des effets inhibiteurs d'oxydation, améliorant la durée de conservation et réduisant la croissance microbiologique à l'intérieur du contenant de boisson. (Azeredo et al. 2016)
Le dioxyde de carbone dans les boissons reste stable pendant une longue période. Puisque le dioxyde de carbone est un gaz très stable et non réactif, il ne réagira pas avec le matériau d'emballage ou les ingrédients de la boisson elle-même. Il ne se consomme ni ne se génère dans le récipient de boisson après le remplissage. Une diminution du dioxyde de carbone ne se produit que par une perte vers l'atmosphère environnante via le matériau d'emballage (par exemple, PET) ou le bouchon.
Mesurer le dioxyde de carbone
Lois fondamentales des gaz
Il existe trois lois fondamentales des gaz qui définissent la mesure des gaz dissous : Dans ce cas, CO2 en solution.
Loi des gaz parfait
La loi des gaz parfait est utilisée pour calculer l'effet de la température et de la pression sur la concentration de CO2 :
Pour rendre la loi des gaz idéaux plus visuelle, elle peut être interprétée comme une seringue fermée avec un manomètre attaché (figure 1) :
Figure 1 : Visualisation de la loi des gaz parfait via une seringue fermée avec manomètre attaché.
La loi de Henry
La loi de Henry a été postulée par William Henry. Il est dit : "La quantité de gaz dans un volume donné de solvant est proportionnelle à la pression du gaz avec laquelle le solvant est en équilibre." Il est défini comme :
En convertissant cette loi des gaz pour l'industrie des boissons, la concentration de dioxyde de carbone dans la boisson est proportionnelle à la pression partielle de dioxyde de carbone dans l'espace de tête du conteneur de boisson. Les solubilité respectives sont le facteur proportionnel.
La loi de Dalton
La loi de Dalton a été observée empiriquement en 1801 par John Dalton et stipule que dans un mélange de gaz non réactifs, la pression totale exercée est égale à la somme des pressions partielles des gaz individuels. Il est défini comme :
La pression totale dans un conteneur de boisson est créée par la pression partielle du dioxyde de carbone, de l'azote et de l'oxygène considérés comme de l'air, ainsi que par les vapeurs d'eau et une petite quantité d'autres gaz.
Ces lois des gaz sont la base des méthodes de mesure suivantes.
Méthodes de mesure
La concentration de dioxyde de carbone dans les boissons peut être mesurée avec différentes technologies. Les plus pertinentes sont les suivantes :
Méthode physico-chimique (méthode de pression/température ou méthode d'expansion multiple de volume)
Méthode optique (méthode de spectroscopie IR par réflectance totale atténuée)
Les électrodes basées sur la méthode de Severinghaus sont une alternative à faible coût pour le secteur privé et ne sont pas utilisées dans l'industrie des boissons. Les dispositifs de mesure basés sur les deux méthodes physico-chimiques sont couramment utilisés dans le contrôle de la qualité du produit emballé et dans la ligne de production. La méthode d'expansion multiple de volume, en revanche, permet aux producteurs de boissons de mesurer sélectivement le dioxyde de carbone dans les boissons, indépendamment des autres gaz dissous, comme l'air ou l'azote.
Cependant, les conditions qui contribuent à la précision doivent être prises en compte, notamment une procédure standard d'opération appropriée, la géométrie et la conception du capteur, l'environnement et l'étalonnage/réglage.
Méthode de l'expansion multiple de volume
La plupart des instruments et procédés de laboratoire facilitent la méthode classique p/T d'analyse du CO2 selon la loi de Henry, qui définit la relation entre la concentration du gaz dissous et sa pression de saturation à une température donnée. La méthode d'expansion multiple de volume est une redéfinition de cette méthode qui ajoute une seconde expansion de volume, en utilisant le fait que la solubilité du CO2 dans les boissons est significativement plus élevée que la solubilité d'autres gaz tels que l'air dissous, l'oxygène ou l'azote.
Les dispositifs de mesure basés sur la spectroscopie d'absorption infrarouge (IR) mesurent la concentration de dioxyde de carbone dans l'espace de tête d'un conteneur de boisson translucide, comme des bouteilles en PET ou en verre. C'est une technique non destructive, ce qui signifie qu'elle ne nécessite pas le transfert de liquide dans une chambre de mesure. Par conséquent, il peut être utilisé pour effectuer des tests de conservation sur une période prolongée en utilisant la même bouteille. Un faisceau IR est transmis à travers l'espace libre de la bouteille. La quantité de lumière atteignant le détecteur est mesurée. En fonction de l'absorption détectée à une certaine longueur d'onde, la quantité de CO2 dans l'espace libre et le liquide peuvent être calculées (en supposant qu'un équilibre a été établi avant la mesure).
Méthode de mesure optique (méthode par réflectance totale atténuée)
La méthode de réflexion totale atténuée (ATR) est principalement intégrée dans un capteur utilisé dans la ligne de production. La méthode est basée sur l'absorption de la lumière infrarouge à la surface d'un cristal. Un faisceau de lumière infrarouge passant à travers un cristal est réfléchi à la surface interne en contact avec l'échantillon, comme le montre la Figure 2.
Figure 2 : CO2 principe de mesure via ATR infrarouge.
L'absorption IR se produit dans la couche superficielle de l'échantillon sur le cristal. L'intensité des bandes d'absorption spécifiques du faisceau réfléchi est mesurée par un détecteur et la concentration de CO2 correspondante est calculée. Comme l'eau et divers composants de boissons absorbent également la lumière, des mesures de référence sont nécessaires pour déterminer avec précision la teneur en CO2 dans les boissons. L'utilisation d'un faisceau de référence permet le calcul précis du dioxyde de carbone dans les boissons, indépendamment de la composition de la boisson.
Points de contrôle du dioxyde de carbone dans le processus de production
La carbonatation de la boisson est souvent l'une des dernières étapes avant la boisson finale. Le tableau suivant résume les étapes de production des boissons gazeuses courantes au cours desquelles les concentrations de dioxyde de carbone sont mesurées.
Table 1 : Étapes clés incluant la mesure du dioxyde de carbone tout au long de la production de boissons gazeuses courantes.
Industrie
Étape de production
Description
impact
Boissons gazeuses
Mélange et carbonatation
Différents ingrédients sont mélangés dans des proportions précises. Le dioxyde de carbone gazeux est dissous dans un liquide.
Le manque de dioxyde de carbone entraîne une réduction de la pétillance et une durée de conservation potentiellement plus courte. L'excès de dioxyde de carbone entraîne des coûts de production inutiles.
Emballage et conditionnement
Le mélange de boissons gazeuses est prêt à être conditionné en bouteilles, en canettes et en fûts. Après le remplissage, l'emballage est scellé et étiqueté.
Un mauvais remplissage entraîne une perte de dioxyde de carbone, ce qui conduit à une production hors spécifications.
Stockage
Les produits emballés sont stockés dans des entrepôts avant d'être distribués, période durant laquelle il faut éviter les pertes de CO2.
Un mauvais remplissage entraîne une perte de dioxyde de carbone, ce qui conduit à une production hors spécifications.
Bière
Analyse de la fermentation
Le moût refroidi est transféré dans des cuves de fermentation où la levure est ajoutée. Pendant la fermentation, le CO2 est produit par la levure ajoutée.
Un niveau de dioxyde de carbone hors tolérance indique un problème avec la levure ajoutée, et par conséquent, avec la teneur finale en alcool.
Assemblage des bières
Les lots de bière sont mélangés (si nécessaire) pour créer un produit unifié et améliorer la perception des consommateurs.
Le dioxyde de carbone hors spécifications provoque, entre autres, une mousse et un goût indésirable.
Emballage
Le mélange de boissons gazeuses est prêt à être conditionné en bouteilles, en canettes et en fûts. Après le remplissage, l'emballage est scellé et étiqueté.
Un mauvais remplissage entraîne une perte de dioxyde de carbone, ce qui conduit à une production hors spécifications.
Stockage
Les produits emballés sont stockés dans des entrepôts avant d'être distribués, période durant laquelle il faut éviter les pertes de CO2.
Un mauvais remplissage entraîne une perte de dioxyde de carbone, ce qui conduit à une production hors spécifications.
Vin pétillant
Stockage et maturation
Lors de la seconde fermentation du vin, du dioxyde de carbone est produit par la levure et le sucre ajoutés. Ce processus prend des mois.
Le dioxyde de carbone hors spécification provoque une expérience consommateur indésirable.
Carbonatation
Le vin peut également être carbonaté via un carbonateur industriel.
Mélange et embouteillage
Le vin mousseux est prêt à être rempli dans des bouteilles à bouchons ou capsules et étiquetées.
Un mauvais remplissage entraîne une perte de dioxyde de carbone, ce qui conduit à une production hors spécifications.
Un facteur significatif pour la durée de conservation est le conteneur choisi pour la boisson gazeuse. Alors que la bière est principalement conditionnée dans des bouteilles en verre et des canettes, environ 70 % des boissons non alcoolisées en Europe étaient conditionnées dans des bouteilles en PET en 2020 (Unesda, 2024). Les canettes de boisson ne permettent pas l'entrée d'oxygène ni la perte de dioxyde de carbone. Étant donné que le verre possède d'excellentes propriétés de barrière aux gaz, la perte de dioxyde de carbone des bouteilles en verre dépend du type de fermeture, capsule ou bouchon (Jaime et al., 2022).
Il est particulièrement difficile pour les bouteilles en PET de maintenir le niveau de dioxyde de carbone spécifique au produit dans le contenant de boisson pendant toute la durée de conservation. Le dioxyde de carbone diffuse à l'extérieur, tandis que l'oxygène diffuse à l'intérieur de la bouteille. Une mesure sélective du dioxyde de carbone dissous est essentielle pour comprendre ce processus car une concentration réduite de CO2 dissous entraîne un goût plat du produit et un risque accru de croissance de bactéries et de moisissures (Azeredo et al. 2016). D'autre part, la teneur en oxygène qui augmente lentement peut oxyder les ingrédients naturels de la boisson, ce qui finit par influencer le goût de la boisson.
Figure 3 : L'augmentation de l'oxygène et la diminution du dioxyde de carbone à l'intérieur d'une bouteille en PET au fil du temps.
Influences sur les mesures de dioxyde de carbone
Les instruments basés sur la méthode d'expansion multiple de volume sont moins affectés par les facteurs externes par rapport à d'autres techniques. Certains facteurs contribuant à la précision et à la reproductibilité sont résumés dans le tableau suivant :
Tableau 2 : Facteurs influençant la mesure du dioxyde de carbone et leur origine.
Facteur
Quelle est la cause de l'erreur ?
Pourquoi ?
1.
Étalonnage/ ajustement
Ajustement incorrect
Des appareils de mesure mal réglés donnent de fausses lectures de pression et de température, entraînant de mauvaises concentrations de dioxyde de carbone.
2.
Pression d'alimentation basse au dispositif de remplissage
Bulles dans la chambre de mesure.
Si des bulles sont présentes dans la chambre de mesure après le remplissage, la lecture de la pression est défectueuse et les données sur le dioxyde de carbone sont inexactes.
3.
Préparation d'échantillon
Distribution du dioxyde de carbone
Certaines techniques nécessitent une certaine préparation de l'échantillon afin d'effectuer des mesures précises. Par exemple, pour mesurer le dioxyde de carbone dissous, il est nécessaire de secouer le conteneur 15 fois horizontalement afin d'équilibrer l'échantillon.
4.
Composition de l'échantillon
Solubilité du dioxyde de carbone
La solubilité est un facteur crucial dans le calcul de la concentration deCO2. Utiliser un facteur de solubilité incorrect conduit à un résultat de mesure inexact.
5.
Nettoyage
résidus
Les résidus dans la chambre de mesure diminuent le volume de la chambre de mesure et augmentent la lecture de la pression en conséquence. De plus, le capteur de température et de pression peut être influencé par des résidus.
Facteur d'influence : Préparation de l'échantillon
Le contenu global de dioxyde de carbone reste constant dans un conteneur de boisson fermé idéal. En fonction de la manière dont le colis a été manipulé et de la manière dont il a été préparé, on peut s'attendre à des niveaux différents de dioxyde de carbone. Après avoir rempli le conteneur de boisson, presque aucun dioxyde de carbone n'est dans l'espace libre. Juste après le remplissage, le CO2 commence à migrer dans l'espace libre. Le processus de migration dépend de divers facteurs, par ex. la température et la composition du produit. Pour générer des résultats de mesure répétables et représentatifs, des conditions répétables sont requises. Par conséquent, générer un équilibre entre l'espace de tête et la phase liquide par agitation est essentiel.
Figure 4 : CO2 distribution dans une boisson avant et après la préparation de l'échantillon.
Mesurer la concentration de CO2 dans une bouteille de 1,5 L de boisson gazeuse non secouée révèle l'étendue du gradient à l'intérieur d'un contenant de boisson :
Figure 5 : CO2 mesures avec différentes profondeurs d'immersion de PFD Plus d'une bouteille de cola de 1,5 L à ~17 °C. Appareils de mesure utilisés : CarboQC Classic et CboxQC At-line.
La migration du dioxyde de carbone dans l'espace libre commence à l'interface liquide/gaz. La diffusion du dioxyde de carbone dans le liquide est plus lente que la migration dans l'espace de tête. Par conséquent, un gradient entre la concentration de CO2 en haut et en bas de la phase liquide peut être observé.
De plus, la température de l'échantillon mesuré joue un rôle important, comme le montre la Figure 4. Plus la température est élevée, plus la capacité de l'eau à capturer le dioxyde de carbone dissous est faible. Le CO2 migrera dans l'espace de tête et modifiera la concentration de CO2 dissous. Pour générer des résultats de mesure hautement répétables, le tempérage du contenant de la boisson devrait faire partie de la préparation de l'échantillon (voir la Figure 4).
Facteur d'influence : Préparation de l'échantillon
La solubilité du dioxyde de carbone dans l'eau dépend fortement d'autres composants dissous, comme le saccharose, le sirop de maïs à haute teneur en fructose, l'alcool ou les arômes, ainsi que la température et la pression. Plus le contenu en sucre et/ou en oxygène est élevé, plus la solubilité du dioxyde de carbone est faible. Puisque la solubilité est, selon la loi de Henry, un facteur proportionnel dans le calcul de la concentration de CO2, la solubilité correcte doit être utilisée. Dans le tableau 3, une compilation des composants dissous et du dioxyde de carbone calculé est présentée. Utiliser le mauvais facteur de solubilité peut entraîner une erreur allant jusqu'à 0,4 g/L (0,2 vol.).
Tableau 3 : Compilation des types de boissons, composant déterminant la solubilité et la concentration de CO2. L'échantillon d'eau minérale a été mesuré à 23,7 °C avec un CboxQC At-line et les résultats convertis en différents types de boissons.
Le dioxyde de carbone dissous influence également d'autres paramètres de mesure. La teneur en sucre et l'extrait apparent dans la bière, en particulier, dépendent de la concentration de CO2 de l'échantillon. Les deux paramètres sont calculés en fonction de la densité de la boisson. Idéalement, le CO2 contenu et la densité sont mesurés simultanément. Mesurer d'abord le contenu en CO2, suivi du dégazage et de la détermination de la densité, conduira également aux résultats de mesure souhaités. Le nombre de composants dissous, comme le sucre, les arômes, les acides et l'alcool, sont des paramètres de qualité cruciaux dans les boissons. Les paramètres physiques - à savoir la densité et/ou l'indice de réfraction - peuvent être utilisés pour calculer une quantité totale de tous les solides et liquides dissous. En ce qui concerne les boissons gazeuses non alcolisés, la densité est souvent utilisée comme paramètre de mesure de choix. Le dioxyde de carbone dissous augmente la densité de la boisson. Pour calculer la teneur réelle en sucre, qui inclut tous les composants dissous, une densité corrigée par le CO2doit être utilisée. Afin d'illustrer l'influence du dioxyde de carbone dissous dans les boissons sur sa densité, le Tableau 4 montre la densité mesurée, la densité corrigée au CO2, le niveau de dioxyde de carbone et les contenus en sucre calculés correspondants.
Tableau 4 : Densité mesurée, la densité corrigée par le CO2, le niveau de dioxyde de carbone et le contenu en sucre calculé correspondant pour les boissons gazeuses non alcoolisés courantes à 23 °C.
Types de boissons
CO2 Conc [g/l]
Masse volumique [g/cm³]
Taux de sucre [°Brix]
Masse volumique après correction du CO2 [g/cm³]
CO2Taux de sucre [°Brix]
Différence de teneur en sucre [°brix]
Eau minérale
6.10
1.00029
0.54
0.99889
0.18
0.30
Boisson bien-être
3.35
1.01048
3.15
1.00976
2,97
0,19
Boisson gazeuse au goût de citron
4.55
1.03102
8.27
1.03010
8.04
0.23
Boisson gazeuse au goût d'orange
4.00
1.04105
10.71
1.04028
10.52
0.18
Cola
6.31
1.04170
10.87
1.04044
10.56
0.36
Applications
Outre les applications typiques qui mesurent principalement la concentration de dioxyde de carbone dissous en ligne, sur le terrain ou en laboratoire dans l'industrie des boissons (par exemple, les boissons gazeuses, la bière et le vin), il existe un besoin constant de mesurer le dioxyde de carbone dans diverses autres applications.
La demande de mesures appropriées du dioxyde de carbone augmente, en raison du changement climatique et de la nécessité de trouver des processus pour prévenir, convertir ou stocker le dioxyde de carbone généré industriellement. Entre autres, les activités de recherche sur le stockage du dioxyde de carbone dans le fond marin nécessitent une mesure précise du dioxyde de carbone dans l'eau saline pour calculer un taux d'évasion du dioxyde de carbone caché (Flohr et al., 2021).
De plus, les industries et les institutions travaillant avec des espèces marines vivantes nécessitent une mesure continue du dioxyde de carbone dans l'eau pour garantir des conditions de vie appropriées. Ces industries et institutions comprennent :
Aquariums pour usage public et privé
Institutions de recherche
Aquaculture de poissons et de moules
Les mesures de dioxyde de carbone dans la phase gazeuse sont largement importantes dans de nombreuses industries et applications, comme l'industrie automobile, l'industrie de la culture des plantes et les mesures de la qualité de l'air.
Conclusion
Dans le cadre du contrôle de la qualité, la mesure du dioxyde de carbone dissous dans les boissons est une exigence fondamentale. Ce paramètre critique revêt une grande importance en raison de son impact substantiel sur le produit final et sa stabilité pendant la durée de conservation.
En contrôlant efficacement cette variable, les producteurs de boissons peuvent maintenir des normes de qualité supérieure, réduire les coûts et répondre de manière cohérente aux attentes des clients. Les processus de carbonisation et d'emballage peuvent être optimisés et les erreurs détectées immédiatement pendant la production grâce à une surveillance continue du dioxyde de carbone dissous.
Les fabricants investissent dans des instruments qui permettent d'effectuer des mesures sélectives, exactes et précises pour répondre aux exigences et aux demandes. Des technologies de pointe comme la méthode d'expansion de volume multiple ou la méthode de réflexion totale atténuée sont indispensables pour atteindre la précision et l'exactitude nécessaires.
Ces capteurs peuvent être utilisés sur la ligne, sur le planché de production ou dans un environnement de laboratoire, ce qui permet d'obtenir une vue d'ensemble de toute la chaîne de production.
Pour plus d'informations sur l'oxygène dans les boissons, voir l'article correspondant du wiki Anton Paar : Oxygène dans les boissons.
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