【물질전달】 2강. 함수율

2강. 함수율(moist content)

 

추천글 : 【물질전달】 물질전달 목차 

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1. 함수율 [본문]

2. 평형함수율 [본문]

3. 함수율의 측정 [본문]

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1. 함수율 [목차]

⑴ 함수율 표시법

① 습량 기준 함수율(wet basis moisture content)

 

 

○ M_w : 습량 기준 함수율

○ W_w : 물의 무게

○ W_d : 물을 제외한 나머지 무게

② 건량 기준 함수율(dry basis moisture content)

 

 

○ M_d : 건량 기준 함수율

○ W_w : 물의 무게

○ W_d : 물을 제외한 나머지 무게

③ 상호 환산식

 

 

④ 건조 시 전체 중량이 변하므로 건량 기준 함수율이 많이 사용됨

⑤ 100 - 함수율(%)을 고체율이라고 함

⑵ 직접 측정법

① 상압정온 건조법 : 대기압 하에서 수분을 증발시켜 건조 전후의 무게차이로 함수율을 구하는 방법

○ 건조온도가 낮은 경우 : 잔류 수분 존재

○ 건조온도가 높은 경우 : 재료에 화학변화 발생

○ (참고) 미국 농공학회 기준 : ASAE/ASABE S352

② 감압건조법 : 압력을 낮추어 높은 온도를 가하지 않는 계측법

○ 장점 1. 고온에서 변질하기 쉬운 재료 측정 가능

○ 장점 2. 휘발 성분이 많은 경우 정확하게 측정 가능

③ 적외선 가열건조법 : 적외선 램프의 복사열로 수분을 증발시켜 건조 전후의 무게차이로 함수율을 구하는 방법

○ 장점 1. 상당히 빠름

○ 장점 2. 무게 센서와 마이크로컴퓨터를 통해 함수율을 자동으로 측정

○ 예 : CMB25 moisture analyzer

④ 유전 가열건조법 : 전자레인지로 건조하는 계측법

⑤ 증류법 : 가열하여 증류시키는 계측법

⑥ Karl Fisher 법 : 시약으로 수분을 적정하는 방법

○ 과정 : 분말 / 박편 시료 → 메탄올에 침작 → 물 추출 → KF 시약 적정

○ 장점 : 수분 이외의 휘발성분을 포함하는 경우에도 정량 가능

○ 단점 : 거짓 양성 (예 : 비타민 C, 히드라진 유도테, 케톤, 과산화물, 금속 산화물). 비용해성 식품에 적용 불가

○ KF 시약 : 요소(I₂), 이산화황(SO₂), 피리딘

○ 가장 널리 사용 

⑶ 간접 측정법

① 직류저항식 수분계

② 전기저항식 단립수분계

③ 고주파 저항식 수분계

④ 고주파 용량식 수분계

⑤ 시설용 전량수분계

 

 

2. 평형함수율 [목차]

⑴ 개요

① 평형함수율(EMC, equilibrium moisture content) : 재료 내부의 수증기압이 주위 공기의 수증기 분압과 평형을 이루었을 때의 함수율

② 평형상대습도(ERH, equilibrium relative humidity) : 평형을 이루었을 때 주위 공기의 상대습도

③ 방습 평형함수율(desorption EMC) : 수분을 잃으면서 평형에 이르렀을 때 평형함수율

④ 흡습 평형함수율(absorption EMC) : 수분을 얻으면서 평형에 이르렀을 때 평형함수율

⑵ 평형함수율 곡선(EMC curve)

 

출처 : 이미지 클릭

 

Figure. 1. 평형함수율 곡선^]

 

① 정의 : 일정 온도에서 상대습도 또는 수분활성도(water activity)와 평형함수율의 관계를 나타낸 곡선

② 방습 평형함수율이 흡습 평형함수율보다 항상 높음 : 수분의 관성 때문

○ 방습 평형함수율 : 수분은 증발하기보다 가만히 있으려고 함

○ 흡습 평형함수율 : 수분은 흡착하기보다 공기 중에 있으려고 함

③ 이력현상(hysteresis effect) 

○ 정의 : 방습-흡습 사이클에서 수분이 재료 내부에 머무르는 현상 

⑶ 평형함수율 모델

① Henderson 모델

 

 

② Chung-Pfost 모델

 

 

③ Clausius-Clapeyron 모델 : 수분 증발잠열에 관한 식

 

 

○ P_v : 재료 내부 수증기압

○ P_S : 자유수 포화수증기압

○ h_fg : 자유수의 증발잠열

○ h_fg' : 재료 내부의 수분의 증발잠열

④ 온도가 증가할수록 평형함수율 감소

⑤ 상대습도가 증가할수록 평형함수율 증가

⑷ 평형함수율 측정 : 염류 포화용액을 통해 평형상대습도를 형성

 

온도(℃)	LiCl	CH3COOK	MgCl2	K2CO3	Mg(NO3)2	KI	NaCl	KCl
20	11.3	23.1	33.1	43.2	54.4	69.9	75.5	85.1
30	11.3	21.6	32.4	43.2	51.4	67.9	75.1	83.6
40	11.2	20.4	32.6	43.1	48.4	66.1	74.7	82.3

Table. 1. 평형함수율 측정

 

⑸ 수분활성도(A_w, water activity)

① 정의

 

 

○ P_S : 동일 온도에서 물의 포화수증기압

○ P_v : 식품 중의 수증기 분압

○ ERH 관계식 : 재료 내부의 수증기압은 공기 중의 수증기 분압과 동일하므로

② 물의 존재상태와 수분활성도

○ 수분활성도 ＜ 0.2 : 화학흡착수

○ 수분활성도 = 0.2 ~ 0.9 : 물리흡착수

○ 수분활성도 ＞ 0.9 : 반흡착수

○ 수분활성도 ＞ 1 : 자유수

③ 미생물의 활동은 전체 수분량보다 수분활성도에 영향

○ 대부분 곰팡이류는 0.7 이하에서 번식 중지

○ 이스트는 0.8 이하에서 번식 중지

○ 박테리아는 0.9 이하에서 번식 중지

○ 산화반응속도는 0.4에서 최저, 0.6에서 최대

○ 물이 적은 경우 반응에 필요한 이온의 수가 적음

○ 물이 많으면 반응에 참가하는 O₂의 접근이 제한

○ 산화반응속도 정도는 위 두 논점의 트레이드오프

 

 

3. 함수율의 측정 [목차]

⑴ 고주파 저항식 함수율 측정

① 함수율이 낮을 경우 감도가 높은 비파괴 측정이 가능함

② 함수율이 높을 경우 고주파 정전 용량식보다 정밀도가 떨어짐 

⑵ 고주파 정전 용량식 함수율 측정 

① 실험식 

 

 

입력 : 2019.09.23 23:13