Diseño y construcción de un sensor de permeabilidad de O2 y/o CO2 en envases con medición en lab view.

Introducción

En este proyecto de tesis, se describe características importantes de LabVIEW/DSC, una explicación paso a paso de la forma de trabajar con esta nueva herramienta de programación.

En este Proyecto se presenta un estudio del estado de la técnica de sensores de O2 y/o CO2. En este estudio se analizan los sensores basados en la medición de la permeabilidad oxígeno y dióxido de carbono en envases resultando estos una alternativa de medición con datos mas exactos. Además se aborda el diseño de un sistema de medida de permeabilidad y el desarrollo de un sensor para la determinación de la permeabilidad de oxígeno en envases plásticos. La fabricación de este sistema incluye el análisis, diseño y construcción de una cámara de medida para la colocación en su interior un sensor y posteriormente se obtienes los datos con el sistema Lab View. Así mismo se analiza el problema de la selección y fabricación del filme. Finalmente se realizaron las comprobaciones necesarias para evaluar el funcionamiento del sistema de medida e introducir las mejoras necesarias para su optimización. 

Los ensayos de permeabilidad al oxígeno permiten determinar las propiedades barrera de los envases plásticos necesarias para evitar la oxidación de los productos que contienen.Mediante estos ensayos se mide la velocidad de transmisión del oxígeno a través del material con el que se fabrica el film o lámina de plástico.La prueba de permeabilidad al oxígeno de los materiales de embalaje resulta importante para los proveedores de dichos materiales y empresas envasadoras de diferentes sectores como alimentación, farmacia y cosmética.

OBJETIVOS

Objetivo general

diseñar y construir un sensor de concentración de oxígeno y dióxido de carbono para la medición de la permeabilidad en envases con medición de lab view.

Objetivos específicos

En este proyecto se incluye desde el diseño de la cámara de medición, pasando por la construcción de un prototipo de la misma, hasta la obtención de la recta de calibrado y la comprobación de su correcto funcionamiento.

Modelar y/o automatizar datos mediante el sistema Lab View.

JUSTIFICACION

MARCO REFERENCIAL

A continuación se pretende introducir al lector en los diferentes tipos de sensores y dar una visión global del funcionamiento y las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos.La medición de la cantidad de oxígeno es un factor determinante para las muestras así como para diversos campos incluyendo aplicaciones medioambientales.Las características ideales de un sensor de oxígeno dependen de la aplicación, siendo las más importantes las siguientes [Cakin,2008]:

• Portabilidad• Amplitud de rango• Robustez• Simplicidad• Precisión• Bajo mantenimiento• Baja frecuencia de calibrado• Bajo coste• Respuesta rápida

Programación con lab view

El lenguaje de programación orientada a objetos de LabVIEW permite un ágil desarrollo del programa central, con un bajo nivel de complejidad y estructura organizada. El programa central es el encargado de la lógica de ejecución, es decir, que es en éste en dónde se dan las órdenes a las RTU para llevar a cabo cada uno de los procesos del sistema. De igual forma, en el programa de la Unidad Central se toman las decisiones con respecto a los elementos de control que intervienen en los procesos a los que se somete el agua.

Los nuevos envases flexibles tienen innumerables ventajas con respecto a los envases de cristal tradicionales: menor coste, adaptación a las necesidades del cliente, comodidad, seguridad sanitaria. Pero también tienen un punto débil, las propiedades barrera.El factor principal en el deterioro de los líquidos envasados es el oxígeno. Si el envase no desempeña bien la función barrera puede causar daños inimaginables derivados del deterioro del medicamento antes de la fecha de caducidad. Debido a

este problema se emplean antioxidantes, metal-quelantes y gases inertes para reducir al máximo la concentración de oxígeno en los envases, posponiendo y previniendo la oxidación del contenido. Frecuentemente se emplea un gas estable como el nitrógeno con pequeñas cantidades de dióxido de carbono como gas inerte, para desplazar el aire existente en la bolsa. Si la función barrera del envase no es suficientemente buena, se reduce la concentración del gas inerte e incrementa la del oxígeno, disminuyendo la protección del producto.

Son bien conocidas las propiedades barreras de los envases de vidrio, considerándose que gases y vapor de agua no puede permear a través de los mismos. Los envases plásticos flexibles no tienen esta capacidad barrera, por lo que es necesario realizar ensayos de permeabilidad a los gases y al vapor de agua.

Influencia de la velocidad de permeabilidad al nitrógeno

La permeabilidad del nitrógeno en envases flexibles para líquidos inyectados, siempre ha sido un factor de gran importancia. Pero, ¿cómo medir la permeabilidad de la membrana? En la actualidad únicamente los instrumentos analíticos basados en el método de diferencia de presión (según ISO 15105-1, ISO 2556, ASTMD 1434) pueden medir la permeabilidad de distintos gases como He, N2, Aire, O2, CO2, etc. Si se requiere controlar tanto la fuente de gas como el gas final (muchas veces inflamable, explosivo o tóxico), estos equipos son los ideales para medir la permeabilidad de forma directa, prestando especial atención a las medidas de seguridad.

Por otra parte, los instrumentos que emplean el método de igual presión no son aconsejables para ser utilizados con estos gases. Aunque esta técnica puede ser válida para medir la permeabilidad del dióxido de carbono de una membrana, no debería de ser utilizado para medir la del nitrógeno. Es por eso que los principales institutos y fabricantes de envases flexibles eligen el método de diferencia de presión para este tipo de envases.

Sin embargo, hay argumentos que defienden que el nitrógeno y el oxígeno tienen comportamiento de gases inorgánicos comunes, y poseen una ‘relación especial’ con la permeabilidad de las membranas empleadas, aplicando estimaciones matemáticas para el cálculo de la permeabilidad al nitrógeno a partir de la permeabilidad al oxígeno.Es un hecho, que existen innumerables factores que influyen en la velocidad de permeabilidad. Sin ir más lejos las propiedades de los gases y materiales, interacción entre ambos y por supuesto los factores medioambientales. Todo esto hace que el método de igual presión, basado en el cálculo de la permeabilidad del nitrógeno a partir de estimaciones no sea un método ni directo y ni preciso, recomendando equipos basados en métodos de diferencia de presión para la medida de permeabilidad en envases flexibles barrera para líquidos inyectados.

Valores de permeabilidad al O2 y CO2 de películas plásticas semipermeables

Las películas más empleadas para AM de productos hortofrutícolas están hechas

a partir de polímeros orgánicos de alto peso molecular (mayor a 106) que pueden tener

otros aditivos como plastificantes (glicerol y ftalato de dimetoxietilo) y estabilizantes

(cloro). Estas películas tienen un grosor menor a 0.254 mm y deben tener una

flexibilidad adecuada y proteger al producto de agentes externos. Los polímeros más

empleados en la elaboración de empaque para alimentos son los termoplásticos como el

poliestireno (PS), cloruro de polivinilo (PVC), polipropileno (PP), etileno-vinil acetato (EVA), nylon, polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de densidad media

(MDPE) y polietileno de alta densidad (HDPE). Muchos termoplásticos son derivados

químicos del etileno (Lefaux y Truhaut, 1972; Kader et al., 1989; Schlimme y Rooney,

1993). En la tablaVI se muestran valores de permeabilidad al O2 , CO2 y H2O de

diferentes películas poliméricas a diferentes temperaturas.