Spontaneous liberation of carbon dioxide from beer and gushing.

Abstract

Šavel, J. -Košin, P. -Brož, A.: Samovolný únik oxidu uhličitého z piva a gushing. Kvasny Prum . 59, 2013, č . 2, s . 33-40 . Únik oxidu uhličitého z láhve po jejím otevření se měřil jako časová závislost unikajícího plynu, nebo objem vynesené kapaliny přes okraj láhve . Výsledky potvrzují význam pevných částic a vazby plynů na jejich povrchu při samovolném úniku oxidu uhličitého z piva a sycené vody, která neobsahuje hydrofobiny . Tento mechanismus se může uplatnit u anorganických i organických látek včetně celulosy a aktivního uhlí, které lze považovat za tepelně degradovanou celulosu . Malé částice celulosy mohou být součástí piva, a k jejich vzniku může přispívat i napadení zrn plísní . Rozpad stěn zrn sladu se může urychlit prorůstáním plísní za tvorby nano-a mikročástic celulosy . Rychlost uvolňování oxidu uhličitého závisí na dalších faktorech, jako jsou jeho koncentrace, přítomnost dalších plynů (např . vzduchu), teplota, mechanický pohyb, složení piva a zásoba plynů vázaných na povrchu nerozpustných částic . Uplatňuje se také koncentrace mikrobublinek a rychlost jejich stoupání, neboť při pohybu v kapalině se difuzí obohacují oxidem uhličitým a tím snižují jeho koncentraci v roztoku . Měření objemu unikajícího CO 2 může sloužit ke studiu faktorů indukujících, nebo potlačujících gushing .Šavel, J. -Košin, P. -Brož, A.: Spontaneous liberation of carbon dioxide from beer and gushing. Kvasny Prum . 59, 2013, No . 2, p . 33-40 . Release of carbon dioxide from beer bottle after its opening was measured as the rate of gas liberation or the liquid volume displacement from the bottle . Results confirm the importance of solid particles and gases that are bonded on their surfaces during spontaneous liberation of carbon dioxide from beer and carbonated water, which does not contain any hydrofobins . Such a mechanism can be applied to inorganic and organic substances including cellulose and activated charcoal, which can be considered as thermally degraded cellulose . Small cellulose particles may be part of the beer, and their formation may also be enhanced by mold infection of grains . The degradation of malt grain walls can be accelerated by penetration of fungi that might produce nano and microparticles of cellulose . Rate of carbon dioxide liberation also depends on other factors, such as its concentration, the presence of other gases (e .g . air), the temperature, mechanical movement, beer composition and the supply of gases bounded to the surface of insoluble particles in beer . Its role also has the concentration of microbubbles and the speed of their movement, at which microbubbles can be enriched by diffusion of CO 2 , of which concentration in the liquid declines . Measurement of CO 2 liberation rate can be helpful during studies of factors inducing or suppressing gushing . Als die Zeitabhängigkeit des entweichenden Gases oder der austretenden Flüssigkeit aus der Mündung einer geöffneten Flasche, wurde das Entweichen des Karbondioxids gemessen . Die Ergebnisse haben die Bedeutung der festen Teilchen und...

The Gushing Experience—A Quick Overview

“…With sudden temperature increase, the gaseous CO 2 is less soluble in the solution (beer or any other liquid) and erupts from the bottle. In addition, CO 2 pressure in the bottle (liquid phase) is high, and on opening, the pressure falls in order to equilibrate with partial CO 2 pressure in the air (gaseous phase), resulting in spontaneous over-foaming [57].…”

The tendency of beer to gushing initiated by various time of bottle shaking.

“…There are quite different opinions on testing conditions e�g� the Stroh Brewery test uses one day shaking followed by 15 min of rest which is considered to be sufficient so that further shaking does not increase gushing amount� According to other authors up to two weeks shaking is required� There are also differences in the desired CO 2 content in wort or beer, which varies from 5 to 9 g/l (Casey, 1996)� The structure of colloidal particles and their ability to bind the gas microbubbles changes during beer storage� This process can be also affected by the temperature and mechanical movement of the particles� In the original works "winter" and "summer" gushing is distinguished according to storage temperature and the vertical and horizontal position of the bottles� Winter gushing was induced by cooling of bottles in a horizontal position in the presence of metals and air (Amaha and Kitabatake, 1981;Casey, 1996)� Gushing intensity is expressed by the amount of liquid overflowed from the bottle after its opening, which is sometimes related to the volume of beer in the bottle� Tendency to gushing of beer is usually called gushing potential� Gushing is associated with the escape rate of CO 2 from carbonated beverages, which allows to measure the gushing potential even if the beer does not overflow from the bottle (Šavel and Košin, 2014)� The typical symptoms of it are just filling the bottle neck with foam after its opening, creation foam caps on the bottle rim or beer sparkling of beer poured in a glass� Beer gushing potential can vary substantially even within individual batches but also alternatively between individual lager tanks and local influences including technological process differences in the same brewery may also play role� This fact allows reduce the risk of gushing by blending beer from individual storage tanks prior to filtration and bottling (Brož and Košin, 2012)� In the previous article we described the volumetric, gravimetric and manometric measurement of CO 2 escape from beer� Both inorganic and organic solids could act as gushing initiators, which lost this activity in the dependence on degree of their wetting� The ideal model initiator was the rubber stopper, which intensively liberated CO 2 after inserting it into the beer (Šavel and Košin, 2013;2014)� Although the artificially induced escape of CO 2 from the beer was always caused by larger particles of solid materials of natural or artificial origin, the causes of gushing beer after filtration and bottling are not yet satisfactorily explained� This article deals with the factors which influence the test results and try to propose a mechanism of gushing formation� ■ ■ 2 MATERIAL AND METHODS…”

“…The total amount of CO 2 in the closed bottle comprises a gas in different phases according to the relationship: where m is the total quantity of CO 2 in the bottle, m d is CO 2 amount dissolved in the liquid m μ is its amount in the microbubbles dispersed in a liquid, m b is the amount of CO 2 bound to the solid particles and m g is amount of CO 2 in the bottle headspace� If the equilibrium is disturbed the ratio between these individual parts changes� After opening the bottle the amount of CO 2 present in the foam must be also included� The same mass balance may be applied to other gases which can initiate gushing such as nitrogen or oxygen present in the bot-Náchylnost piva k přepěňování vyvolanému různou dobou třepání láhve v pivu, neboť tvorba a rozklad peroxidu vodíku během stárnutí piva jsou všeobecně známé� Do láhve také může vnikat vzduch a naopak z ní unikat CO 2 vlivem netěsnosti uzávěru� Rychlost výměny plynů mezi fázemi také určuje průběh gushingu� 3.6 Kinetický model přenosu CO 2 rozpuštěného v sycené kapalině do hrdla láhve V předchozím sdělení (Šavel a Košin 2013;2014) byl navržen model zásoby plynu v pevném nebo pružném zásobníku s určitou kapacitou a odporem jeho výpustní cesty, který se v makroměřítku shoduje např� s chováním widgetu, uvolňujícího iniciační plyn při náhlém poklesu tlaku, ale při jeho velmi pomalém poklesu se tento účinek ztrácí� Při elektrickém, nebo pneumatickém modelování je toto chování vyjádřeno modelem RC (Resistence Capacity), podle kterého plyn uniká různou dobu při jakémkoliv tlaku plynu, převyšu-jícím okolní tlak� Model vysvětluje chování nasyceného roztoku CO 2 po otevření láhve, neboť po skokovém poklesu tlaku se snaží unikající CO 2 dosáhnout rovnovážné hodnoty tlaku po novém uzavření láhve� V pivu v otevřené láhvi klesne koncentrace CO 2 na hodnotu odpovídající rozpustnosti plynu při atmosférickém tlaku� V obou případech se však únik CO 2 zpravidla zastaví na pseudorovnovážné poloze ještě před dosažením konečné rovnováhy� Bouřlivý únik CO 2 z roztoku po otevření láhve je analogií varu při dosažení dostatečného tlaku vodních par, což opět zprostředkují nukleační pevné částice� Dokonale čistá voda začne vřít až při vý-razně vyšší teplotě, než je bod varu� Pára naproti tomu ihned uniká z Papinova vzorce po nadzvednutí pojistného ventilu� Také postupné ustavování pseudorovnováhy tlaku uvnitř zavře-né láhve při jejím opakovaném převracení vyhovuje tomuto modelu� Ustálený pseudorovnovážný tlak lze narušit pouze dalším pohybem láhve� Po zahájení přestupu plynu do další pseudo-nebo skutečné rovnováhy lze přestup plynu popsat jednoduchou kinetickou rovnicí ve tvaru:…”

“…kde p je aktuální parciální přetlak CO 2 s pseudorovnovážnou hodnotou p* nad kapalinou, K je kinetická konstanta přestupu CO 2 z mikrobublin v kapalné fázi do plynového prostoru s objemem V nad kapalinou� Hodnota pseudorovnovážného i rovnovážného přetlaku p je rovněž silně závislá na teplotě, jak odpovídá závislosti rozpustnosti CO 2 na teplotě a tlaku� Řešením rovnice je exponenciální průběh přetlaku v čase (Šavel a Košin, 2014)� Po otevření láhve při normálním atmosférickém tlaku je přetlak p 0 = 0 a po dosažení rovnovážného přetlaku je p* = p eq � Přestože rozdí-ly přetlaků v závorkách jsou měřeny přetlakovým manometrem, jsou tyto hodnoty číselně shodné s rozdílem odpovídajících absolutních tlaků CO 2 � Konstanta K zahrnuje jak parametry přestupu plynu z jeho zásob-níku v mikrobublinách, tak přestup CO 2 původně rozpuštěného v kapalině do mikrobublin� Mikrobubliny se mohou vytvořit na pevném povrchu, na částicích přítomných v kapalině, nebo se po odtržení od pevného povrchu samostatně vznášejí v kapalině� Na hodnotu K má vliv přítomnost látek, snižujících pevnost vazby mikrobublinek k povrchu pevných částic� Při přenosu plynu do uzavřeného prostoru, např� hrdla láhve je do vztahu (1) nutné zahrnout objem hrdlového prostoru V� Stupeň přesycení roztoku proti atmosférickému tlaku využívá poměru absolutních tlaků: , kde s je tzv� stupeň přesycení roztoku proti normálnímu tlaku, P eq je absolutní tlak CO 2 , P atm je normální atmosférický tlak 101,3255 kPa, p atm je přetlak CO 2 proti atmosférickému tlaku a je proto nulový� Ustavení pseudorovnovážného tlaku odpovídá doplnění modelu prvkem oboustranného přetlačného ventilu, který může do zásobní-ku vpouštět, nebo z něj odpouštět plyn při změnách okolního tlaku až po dosažení kritické hodnoty tlaku nutného k jeho otevření� Podle tohoto modelu je možné zásobník plynu na částicích "nabít" při opakovaném kolísání tlaku kolem rovnováhy třepáním a naopak ho "vybít" při skokovém tlakovém poklesu na novou hodnotu, např� po otevření láhve� Ventil se také může otevřít vnějším silovým impulsem, např� překonáním "aktivační energie" pohybem kapaliny po jejím nalití, což rovněž odpovídá novému ustavení pseudorovnováž-ného tlaku� tle� Oxygen may also be formed by oxidation reduction processes in beer through the formation and decomposition of hydrogen peroxide during beer aging� Air can also enter the bottle under its crown and CO 2 escape from it� Rate of gas exchange between the gas and liquid phase therefore also determines the course of gushing� 3.6 Kinetic model of CO 2 transfer between carbonated liquid and bottle headspace In a previous article (Šavel and Košin, 2013;2014) we have proposed a model of gas in rigid or elastic container with a capacitance and output resistance� This macro model responds to the behavior of the widget from which gas is released at sudden headspace pressure drop, but this effect disappears when the gas escape is slow� Electric or pneumatic modeling uses so called RC (Resistance Capacity) model, which describes the gas escape at any gas pressure exceeding the ambient atmospheric pressure�…”