【技術資料】ビール・炭酸飲料のCO2測定による品質管理

INGOLD Leading Process Analytics 「ビールや炭酸飲料の鮮度を失わないために」 インライン CO2 測定による品質管理 ビール工場や炭酸飲料工場に設置されるインライ ン溶存 CO2 測定システムに求められる重要な点 に、「機器の稼働時間の長さ」と「正確な測定値」 があります。センサ接液部の完全性や装置へのエ ア供給の管理は、常に信頼できる測定データを得 るために必要な基本的条件です。センサに不具 合が発生した際に検知することができなければ、 装置の重大な損傷や、不正確な CO2 測定、製品の 廃棄などにつながりコストがかかります。このホワイ トペーパーでは、インテリジェントな自動センサ保護 機能によって、どのように測定システムのパフォーマン スが向上するかを説明します。 プラント・オペレータの課題 重要工程において溶存 CO2 濃度のモニタリングと コントロールを正しく行うことで、期待通りの製品 外観や泡立ちを実現することができます。工程中に インライン CO2 測定システムを設置すれば、プラン トオペレータは飲料中の CO2 濃度の情報をいつ でも、すぐに取得できるようになります。また、濃度 レベルが規格外になればシステムがアラートを出 してオペレータに通知してくれます。 ガス透過膜を用いた CO2 センサの信頼性は、次 の 2 つの要素によって決まります。1 つは、センサ のパージに必要なエア供給機器、そして、センサの 素子部分と被検液を隔てる CO2 透過膜の完全性 です。 White Paper

エアの供給には、ポンプ、バルブ、ホース、フィッティン 溶存 CO2 測定テクノロジー グなどの固定機器が必要であり、時にはセンサに一定 ここで説明する CO2 センサ（図 1 参照）は、熱伝導 の流量や品質のエアを継続して提供するためにフィ 率 (TC：Thermal Conductivity) によるガス測定の原 ルター・カートリッジが必要となる場合もあります。エ 理を応用しています。それぞれの気体の TC は既知 ア供給プロセスの故障でパージガス流量が基準以下 であり、気体の熱の伝えやすさを示しています。TC 測 に低下して CO2 測定値に変化が生じた場合、オペレ 定チップ（図 2 参照）に組み込まれた電子回路が、 ータはプロセス中の溶存 CO2 濃度が実際に変化した TC 値の測定を行います。 のか、見かけ上測定値が変化したのかを識別すること ができません。オペレータは誤って、CO2 投与量を調 整するかもしれません。このような状況がしばらく続 いてしまう可能性もあります。また、エア供給量が大き く低下してはじめて、原因を認識できる可能性もあり ます。このようなことは、明らかにプラントの効率を低 下させ、その結果飲料の品質も低下します。 膜の性能が低下した場合も同様です。膜の完全性 が低下し始めてより多くの CO2 が透過するようになる と、測定値が高くなるためオペレータは CO2 の添加 量を下げるという対処を行うでしょう。膜の完全性劣 化が進行するに従い、 測定値が上昇し続け、よう 図 2：気相と液相を分離する膜の内側に TC チップを内臓CO2 やくオペレーターはセンサが故障していたことに気が 付きます。そして、CO2 添加量の変更が正しい処置で 飲料に溶存している CO2 がセンサの膜を通じて拡散 はなかったことを認識します。交換前に膜が完全に機 すると、TC チップと接触している気体の組成を変化 能しなくなると、プロセス液が侵入してセンサ内部素 させます（図 3 参照）。その結果、TC 信号が溶存 CO2 子と接触し、故障の原因となります。 濃度に比例して変化します。 エアパージが必要な理由 液相と気相の間で CO2 濃度勾配が高くなると、膜 を通じた CO2 の拡散も速くなります。したがって、拡 ステンレス製ハウジ 散する力を可能な限り大きく一定に保つために、一 ング内に、電子部品 およびエアパージバ ルブを内蔵 パージガス（空気） 熱伝導率センサ エアパージ入口 エアパージ出口 プロセス接続 ガスチャンバ メンブレン CO2 透過膜付き センサキャップ シリコン スチールメッシュ CO2 図 1：熱伝導測定方式を採用した、メトラー・トレドの 図 3：液相中の CO2 が膜を通過し InPro 5500i インライン溶存 CO2 センサ TC チップがあるガスチャンバ内へ拡散 2 METTLER TOLEDO White Paper Safeguarding CO2 Measurements

定時間毎にエアパージを行い、センサ内の気相から メトラー・トレドの InPro 5500i インライン CO2 セン CO2 を取り除きます。つまり、測定サイクルは図のよう サは、これら二つの課題を解決するための技術（特 にエアパージと測定を繰り返し行う構成となり、測定 許申請中）を搭載しています。図 4 に示されているよ のステップでは任意の CO2 溶存濃度に対して特異的 うな一般的な信号曲線に対する制御アルゴリズムが な TC 信号曲線が得られます（図 4 参照）。 InPro 5500i ソフトウェア内で作動し、異常な動作があ れば検出します。また、エアパージの不具合や膜完全 自動センサ保護機能 性の初期不良を検出すると、測定システムが即座にア 明確な測定結果を得るには、TC チップが完全に機能 ラームを発し、迅速に対処できるようオペレーターに している必要があります。TC チップの動作環境を保証 考えられる原因を通知します。さらに、湿度が高くなる するには、エアパージ供給と膜の両方の完全性が非 と TC チップにおける特性電流が低下することから、 常に重要です。たとえば、測定システムに表示される ガスチャンバ内の湿度上昇を検出し、膜の不具合を早 CO2 の測定値は、図 5 に示されているようにパージガ 期に把握することができます。誤作動への対処が直ち ス流量に依存して変化します。前述の通り、パージガ に実施できない場合、その保護のために TC センサ ス流量がある限界値を下回ると、溶存 CO2 濃度が実 素子は自動的に遮断されます。こうすることで、センサ 際に変化しているのか、エア供給に不具合が発生して が故障して高いコストや長い修理期間がかかってしま いるのか区別をすることが難しくなります。 うことを避けることができます。パージガスやセンサ 膜の完全性モニタリングのためのアルゴリズムは、メ また、初期の段階でガス透過膜の完全性が失われて トラー・トレドのインテリジェントセンサマネジメント いると、センサ内への CO2 拡散量が大きくなり、さら (ISM) コンセプトの重要な要素であり、予測メンテナン に最悪のケースでは、プロセス液がセンサのガスチャ スを可能にして、センサの取り扱いを容易にする効率 ンバ内に漏れて、チップを損傷させることがあります。 的なツールです。 パージ 測定 パージ 測定 信頼性の高い領域 不安定な領域 10 秒 10 秒 10 秒 10 秒 ベースライン ベースライン 100 20 時間 パージガス流量 図 4：10 秒間のパージと 10 秒間の測定ステップで測定サイクルを構成 図 5：パージガス流量に対する溶存 CO2 測定値の依存性 White Paper METTLER TOLEDO 3 Safeguarding CO2 Measurements TC 信号 CO2 (g/L) 測定値

まとめ CO2 センサ InPro 5500 i の概要 特定のプロセスでは、飲料用インライン溶存 CO2 モ – CO2 を選択的に測定 ニタリングシステムが重要となります。熱伝導の原理 – ツ ーヘンハーゲン バリベント、トリ を利用した測定システムの信頼性は、パージガス供給 クランプおよび 28 mm M42 の 3 種類のプロセス接続の選択が可能 の安定性や、ガス透過膜の性能に依存します。メトラー – 衛 生的で、交換が簡単なメンブラキ ・トレドの InPro 5500i 溶存 CO2 センサは、稼働時間 ャップ をできるだけ長くしたいプロセス・エンジニアや、製品 – I SM センサの診断機能により、予防 品質を一定に保ちたい品質保証マネージャーの方々 的メンテナンスの計画が可能 に最適です。ISM の予測診断機能は、パージガス流量 – マ ルチパラメータ M400 およびマ の不足や、CO2 膜の完全性の低下を検出するための ルチチャンネル、マルチパラメータ M800 変換器に接続可能 ユニークかつ信頼性の高いソリューションを提供しま す。早期にアラームを受け取ることで、迅速に適切な 対処を行うことが可能となり、予期せぬダウンタイム を最小限に抑えて製品品質を守ることができます。 www.mt.com/InPro5500i InPro 5500i 溶存 CO2 センサは幅広いプロセス接続に対応 www.mt.com/pro 詳細情報はこちらをご覧ください メトラー・トレド株式会社　プロセス機器事業部 E-mail:sales.admin.jp@mt.com More information: 東京　TEL:03-5815-5512 FAX:03-5815-5522 ©05/2012 Mettler-Toledo K.K., www.mt.com 大阪　TEL:06-6266-1154 Printed in USA ●製品の仕様は予告なく変更することがありますので、あらかじめご了承ください Safeguarding CO2 Measurements