1

Curs 5

Difuzie, permeaţie, migraţie

Ambalaje si design in

industria alimentara

Difuzie

Amestecuri înăuntrul cărora există diferenţe de concentraţie

→ concentraţiile tind să se omogenizeze (egalizeze)

→ prin acţiunea agitaţiei moleculare.

Difuzie = deplasarea moleculară a componentelor unui amestec, forţa

motoare fiind diferenţa de concentraţie.

Legea lui Fick: cantitatea de substanţă care difuzează în unitatea de

timp prin unitatea de arie corespunde unui vector proporţional cu

gradientul concentraţiei.

dx

dCDN −=

2

Difuzie

dx

dCDN −=

D = coeficientul de difuzie (dimensional L2·T-1).

Pentru amestecuri de gaze → concentraţiile pot fi înlocuite cu

presiunile parţiale:

Semnul “-” → difuzia are loc în sensul scăderii concentraţiei.

Difuzia încetează când diferenţa de concentraţie dispare (dC=0).

RT

pC A

A =

Permeaţie

Permeaţia = fenomenul de transport al unei substanţe printr-un

ambalaj, dintr-o parte în alta a acestuia.

Permeabilitatea = viteza cu care substanţa trece prin polimer.

Studiul permeaţiei → strict legat de ambalajele polimerice.

- desorbţia substanţei la suprafaţa polimerului

Mecanismul prin care are loc permeaţia presupune 3 etape:

- absorbţia substanţei respective în polimer

- difuzia substanţei prin polimer urmând, în principiu,

direcţia gradientului de concentraţie

3

Permeaţie

Thomas Graham studiază permeaţia CO2 prin membrane polimerice.

Fluxul reprezintă cantitatea (volumul) de material transportat în

unitatea de timp prin unitatea de suprafaţă

Fluxul de gaz (J) este proporţional cu diferenţa de presiune parţială între

cele două feţe ale filmului (∆p) şi invers proporţional cu grosimea

filmului (d).

d

pPJ

∆⋅=

Permeaţie

Coeficientul de permeabilitate P = volumul de vapori/gaze ce trece

în unitatea de timp prin unitatea de arie a unui film polimeric

având grosimea egală cu unitatea, la o diferenţă de presiune egală

cu unitatea.

Coeficientul de permeabilitate depinde de temperatură după o

ecuaţie de tip Arrhenius:

[ ]Pascm

cmcmP

atmK

××

×=

2

)1,273(3

RTEaePP/

0

−⋅=

Ordin de mărime: 10-11 ÷ 10-16.

4

Permeaţie

Permeaţie

Coeficientul de permeabilitate P este produsul dintre coeficientul de

difuzie D şi coeficientul de solubilitate S al gazului/lichidului în

membrană.

SDP ⋅= [ ]s

cmD

2

=Pacm

cm]S[

3

)atm1,K273(3

×=

Ambalaj multicomponent → nu se mai poate vorbi de un flux → ci de

un debit de gaz/vapori ce intră sau iese.

∑∑ ⋅==i

ii

i

i JAQQ

5

Permeaţie

Factorii ce influenţează permeabilitatea sunt:

- solubilitatea şi difuzivitatea substanţei respective

- tipul polimerului

- tipul grupelor laterale ale polimerului

- polaritatea

- cristalinitatea

- umpluturile

- aditivii (plastifianţii)

- umiditatea

Permeaţie

Factorii ce influenţează permeabilitatea sunt:

- substanţa respectiva (solubilitatea şi difuzivitatea)

- tipul polimerului

- tipul grupelor laterale ale polimerului

- polaritatea

- cristalinitatea

- umpluturile

- aditivii (plastifianţii)

- umiditatea

6

PermeaţieFactori ce influenţează permeabilitatea:

- cristalinitatea

0

5

10

15

20

25

30

55 60 65 70 75 80 85

cristalinitate

Co

ef

perm

eab

ilit

ate

Oxigen

Azot

CO2

Permeaţie

Factori ce influenţează permeabilitatea:

- dimensiunea permeantului

- exemplu din tabelul de coef de permeatie

7

Permeaţie

- existenţa unor pori.

Permeabilitatea unui material poate prezenta variaţii în diferite

locuri ale aceluiaşi ambalaj:

- grosimea diferită a peretelui ambalajului

Trebuie ţinut cont de sistemele de închidere → de obicei diferite de

ambalajul propriu-zis → au permeabilităţi diferite de acesta.

Migraţia - transportul unei substanţe din ambalaj (polimer) în

aliment, sau invers, din produs în ambalaj.

Metode de determinare a permeabilităţii

A. Permeaţia într-un container etanş (metoda presiunilor diferite).

- celulă metalică cu două camere, separate de membrana

polimerică.

Varianta A1:

- camera 2: se măsoară creşterea de presiune p2 în timp (este de

preferat ca iniţial camera să fie vidată).

- camera 1: trece un debit de gaz cu presiunea parţială p1

- o cantitate mică din gaz trece prin membrana polimerică (A, d)

http://en.labthink.com/en-us/literatures/

8

Metode de determinare a permeabilităţii

Varianta A2:

- camera 2: conţine absorberi, ce absorb tot gazul trecut prin

membrană, menţinând presiunea parţială p2=0

1pA

d

t

m

p

dJP

⋅⋅

∆

∆=

∆⋅=

Θ⋅=6

2dD

- se determină gravimetric cantitatea de gaz ce a traversat

membrana

Metode de determinare a permeabilităţii

B. Permeaţia în curent de gaz (metoda presiunilor egale)

- camera 1: trece un curent de gaz, de ex. Oxigen la presiune normala,

sau un gaz purtator - azot, la presiune normală, conţinând gazul

de studiat (CO2, O2) la presiunea parţială p1.

21

2

21 pp

d

A

1

p

pf

pp

d

At

m

p

dJP

−⋅⋅=

−⋅

⋅=

∆⋅=

- după atingerea stării staţionare, se poate determina presiunea parţială

a gazului de test în cea de-a doua cameră p2.

- camera 2: trece un debit cunoscut f (cm3/s) de azot pur, care preia

gazul ce a traversat membrana → intră într-un detector de CO2 (O2)

http://en.labthink.com/en-us/literatures/

9

Efecte nedorite ale permeatiei/migratiei

Efecte nedorite ale permeatiei/migratiei

Absorbţia compuşilor aromatizanţi de către polietilenă

- concentraţia de limonen este redusă substanţial într-un ambalaj

aseptic de tip tetra-pak, chiar după câteva zile de stocare.

- în cazul stocării unui suc de portocale în ambalaj de polietilenă

dublu-strat au fost constatate pierderi semnificative de limonen,

neral, geranial, octanal şi decanal

- absorbţia compuşilor aromatizanţi în PE creşte odată cu creşterea

lanţului de carbon.

10

Efecte nedorite ale permeatiei/migratiei

Absorbţia compuşilor volatili dintr-un iaurt de băut

aromatizat artificial într-un pahar de PE

- compuşii cu lanţ scurt de carbon rămân preponderent în faza apoasă a iaurtului de băut

- compuşii cu lanţ mediu de carbon (până la 8) s-au regăsit atât în faza apoasă a

iaurtului de băut cât şi în ambalaj

- compuşii cu catenă mare de atomi de C, cu ramificaţii, sau cu structură complexă tind

să fie absorbiţi de ambalajul din PE (contribuţia lor la gustul produsului este redusă)

- esterii, mai ales cei cu masă moleculară mare, sunt susceptibili de a fi absorbiţi de

ambalajul de PE

- absorbţia diferenţiata a compuşilor volatili → echilibrul aromatizanţilor

iaurtului este perturbat

- compuşii adăugaţi de către producător pentru potenţarea gustului sunt absorbiţi

în timp de ambalaj → nu vor produce efectul aşteptat de producător asupra

gustului final, la consumator.

Efecte nedorite ale permeatiei/migratiei

Absorbţia compuşilor volatili dintr-un iaurt de băut

aromatizat artificial într-un pahar de PE