ES2978169T3 - Procedimiento y aparato para la carbonatación instantánea en línea de agua mediante carga electrostática - Google Patents

Procedimiento y aparato para la carbonatación instantánea en línea de agua mediante carga electrostática Download PDF

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Abstract

Se proporciona un aparato de carbonatación para carbonatar un flujo de entrada mixto de dióxido de carbono y agua presurizados y refrigerados. Un primer cartucho está dispuesto dentro de la cámara de carbonatación, definiendo una red de micromalla porosa en comunicación fluida con el flujo de entrada y una cavidad central en comunicación fluida con el puerto de salida de la cámara de carbonatación. La red de micromalla está configurada para romper las cadenas de moléculas de agua que pasan a través de la red, para mejorar la unión entre las moléculas de agua y dióxido de carbono dentro del cartucho. La red también responde al flujo de moléculas de agua y dióxido de carbono que impactan y pasan a través de la red generando un campo polarizador pasivo que tiene una influencia polarizadora sobre las moléculas de agua para mejorar aún más. Se pueden proporcionar perlas dentro del cartucho para capturar y estabilizar las moléculas de dióxido de carbono para mejorar aún más la unión entre el agua y las moléculas de dióxido de carbono. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y aparato para la carbonatación instantánea en línea de agua mediante carga electrostáticaReferencia cruzada a solicitudes relacionadas
La presente solicitud reivindica prioridad sobre la Solicitud de Patente Provisional de EE. UU. No. 62/393.604, presentada el 12 de septiembre de 2016.
Antecedentes
El documento de patente DE 203 07 153 U1 describe un dispositivo, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, y un procedimiento para enriquecer gas o mezclas de gases en agua potable, que permiten obtener una mezcla uniforme de gas y agua utilizando una cantidad mínima de espacio de montaje y energía a la presión preliminar suministrada por las tuberías de agua doméstica.
El documento de patente DE 102007 014611 A1 describe un dispositivo para mezclar continuamente gases o mezclas de gases en agua, que comprende una unidad para mezclar gas y agua y una cámara de mezcla, que está limitado aguas arriba por un elemento de tobera que tienen líneas de suministro de agua y líneas de suministro de gas y que está limitado aguas abajo por una unidad de tamiz.
El documento de patente DE 102012 102467 A1 describe un dispositivo con un mezclador continuo que está provisto de un conector de corriente líquida, un puerto de gas conectado con una botella de dióxido de carbono y un puerto de descarga de corriente líquida.
La presente invención está dirigida a un procedimiento y aparato para mejorar la carbonatación de agua potable y bebidas para consumo, dando como resultado agua carbonatada y bebidas carbonatadas para consumo (mezclando agua carbonatada con jarabes). El agua carbonatada y otras bebidas carbonatadas generalmente se forman combinando agua fría a presión (HQO) y dióxido de carbono (CON) dentro de una cámara de metal o, en algunos casos, mezclándolas instantáneamente en línea, en un punto de dispensación.
Cuando la bebida carbonatada es producida en una instalación de producción de bebidas, la bebida carbonatada resultante se dispensa en botellas, latas u otros recipientes para su distribución. Algunas bebidas se producen con un nivel de carbonatación más alto que otras. El nivel de carbonatación varía de una bebida a otra. El nivel de carbonatación puede ser función del gusto del consumidor. También puede verse influenciado por el deseo de mantener la carbonatación en un cierto nivel durante un período de tiempo. Teniendo en cuenta la longevidad del CO<2>en las bebidas, se sabe que ciertos envases de PET (Tereftalato de Polietileno) (por ejemplo, botellas de plástico que contienen bebidas carbonatadas) pierden dióxido de carbono de sus paredes con el tiempo, lo que reduce drásticamente la duración de la carbonatación en las bebidas. Esto sucede porque, inicialmente la bebida carbonatada se mantiene bajo presión, y una vez que se abre una botella o lata, la carbonatación comenzará a disminuir a medida que las burbujas de dióxido de carbono se disipan de la bebida muy rápidamente debido a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente. Lo mismo ocurre con un dispensador de punto de uso (por ejemplo, una fuente de sodas) que combina, a altas presiones, el dióxido de carbono con el agua refrigerada para generar agua altamente carbonatada y mezcla el agua altamente carbonatada con jarabes dentro de la tobera dispensadora (por ejemplo, dispensador de postmezcla).
Es bien sabido que la solubilidad del dióxido de carbono gaseoso en agua se fija en 25 °C y presión atmosférica. Bajo estas condiciones límite, sólo una pequeña fracción del CO<2>en el agua existe como ácido carbónico y la mayoría del CO<2>en el agua no se convierte en ácido y permanece como CO<2>(ac.), es decir, el CO<2>(ac.) no está unido al agua. y puede liberarse rápidamente del agua. Para aumentar la cantidad de CO<2>disuelto en el agua (en el caso de que se deba generar agua gasificada) la Industria de Alimentos y Bebidas ha desarrollado un proceso que utiliza agua refrigerada, a baja temperatura, que se mezcla con gas a alta presión. De hecho, mezclar agua con dióxido de carbono a temperaturas inferiores a la congelación del agua (0 °C/32 °F) aumenta drásticamente la cantidad de dióxido de carbono (CO<2>ac.) que se retiene en el agua (enfriada). Aumentar la presión del gas dióxido de carbono mientras se mezcla con agua altamente presurizada (enfriada) es un paso adicional que la Industria de Alimentos y Bebidas utiliza comúnmente para amplificar el nivel de carbonatación en las bebidas. Por consiguiente, cuando se produce agua carbonatada, las soluciones utilizadas actualmente en la producción de bebidas son bajas temperaturas (cercanas a la congelación del agua, 0 °C) y altas presiones (más de 2757902 Pa (400 libras por pulgada cuadrada (psi))) tanto de líquido como de gas, así como en dispensadores de bebidas post-mezcla en el punto de uso.
En las bebidas carbonatadas típicas, se forman rápidamente burbujas de gas cuando se dispensa la bebida. Bajo presión atmosférica y a temperatura ambiente, las burbujas de gas (CO<2>) crecen dentro de la solución de agua hasta que se liberan rápidamente de la superficie de la bebida, lo que da como resultado una bebida “plana” en un período de tiempo relativamente corto. A fin de producir agua altamente carbonatada adecuada para beber en un vaso abierto, es necesario disolver una mayor cantidad de dióxido de carbono en agua y evitar que el gas se disuelva rápidamente en la atmósfera.
Se entiende que el enlace eléctrico entre las moléculas de agua (H<2>O) y las moléculas de dióxido de carbono (CO<2>) es un factor dominante en la capacidad de mantener la cantidad de dióxido de carbono dentro del agua (en forma de ácido carbónico). Esta unión ayuda a permitir que el agua gasificada conserve su nivel de carbonatación durante un período de tiempo más largo después de ser dispensada. Desafortunadamente, se sabe que el enlace entre las moléculas de H<2>O y CO<2>es muy débil (es decir, las moléculas de agua prefieren unirse entre sí en lugar de unirse con las moléculas de dióxido de carbono). En general, existe una condición de equilibrio cuando una reacción química (enlace CO<2>/H<2>O) y su reacción inversa (separación CO<2>/H<2>O) ocurren a velocidades iguales. Ese equilibrio suele estar determinado por la presión parcial de CO<2>(gas) sobre el agua. Tanto las moléculas de agua como las de dióxido de carbono son moléculas polarizadas. Como se describe a continuación, la presente invención está dirigida a un procedimiento y aparato mediante el cual, además del uso de temperaturas (bajas) y presiones (altas) convencionales para proporcionar carbonatación, las cadenas extendidas de moléculas de agua se rompen y la polarización natural La cantidad de moléculas de agua y dióxido de carbono también aumenta para mejorar la unión entre las moléculas de agua (H<2>O) y las moléculas de dióxido de carbono (CO<2>). Esto produce agua más carbonatada, que conserva su nivel de carbonatación durante un período de tiempo más prolongado.
Mejorar la propiedad de polarización de las moléculas de agua y dióxido de carbono permite que las moléculas se orienten con mayor facilidad para lograr una mayor unión, particularmente en combinación con proporcionar un sustrato al cual las moléculas (particularmente las moléculas de dióxido de carbono pueden ser capturadas para facilitar la actividad de unión). Luego, la solución se puede carbonatar a un nivel más alto y retener ese nivel elevado de carbonatación durante más tiempo después de ser dispensada.
Al cargar y orientar electrostáticamente las polarizaciones de las moléculas de agua, y en menor medida de las moléculas de dióxido de carbono, se genera un mayor número de enlaces químicos entre las dos moléculas, lo que da como resultado mayores niveles de ácido carbónico (concentración de H<2>CO<3>) presente en el agua que, a su vez, se traduce en un nivel más bajo de pH en el agua gasificada resultante. Por ejemplo, en agua pura, el gráfico de Bjerrum muestra un pH de 5,7 en condiciones atmosféricas. Al mejorar la orientación de las moléculas polarizadas, se forman más enlaces dipolares entre las moléculas de agua y dióxido de carbono, lo que da como resultado un agua gasificada con un pH que puede alcanzar 3,6 pH o menos, bajo presión atmosférica (pCOa = 1 atm). Este mismo valor bajo de pH equivale a un nivel que usualmente daría lugar a un nivel de presión de CO<2>mucho más alto, es decir, en una parcela de Bjerrum, a un nivel de pCO<2>superior a 5 bares (500 kPa).
Como se describe más adelante, la presente invención proporciona una metodología y un aparato para mejorar el enlace entre el dióxido de carbono y las moléculas de agua, entre otras cosas, mitigando los enlaces entre las moléculas de agua, polarizando las moléculas de agua y luego orientando las moléculas de agua de modo que el dióxido de carbono Las moléculas tienen una mayor probabilidad de unirse con más moléculas de agua.
Breve sumario de la invención
Un aparato de carbonatación, que comprende las características de la reivindicación 1, está previsto para carbonatar un flujo de entrada mixto de dióxido de carbono presurizado y refrigerado y agua. Un primer cartucho está dispuesto dentro de la cámara de carbonatación, definiendo una red de micromalla porosa en comunicación fluida con el flujo de entrada y una cavidad central en comunicación fluida con el puerto de salida de la cámara de carbonatación. La red de micromalla está configurada para romper cadenas de moléculas de agua que pasan a través de la red, para mejorar la unión entre las moléculas de agua y dióxido de carbono dentro del cartucho. La red también responde al flujo de moléculas de agua y dióxido de carbono que impactan y pasan a través de la red generando un campo polarizador pasivo que tiene una influencia polarizadora sobre las moléculas de agua para mejorarlas aún más. Se proporcionan perlas dentro del cartucho para capturar y estabilizar las moléculas de dióxido de carbono para mejorar aún más la unión entre el agua y las moléculas de dióxido de carbono.
Se pueden utilizar múltiples cámaras de carbonatación, generalmente en una disposición en serie.
En una realización, el aparato de carbonatación se implementa como un par de cámaras de carbonatación, incluyendo la primera cámara de carbonatación una red de micromalla cilíndrica y la segunda cámara de carbonatación incluyendo una pluralidad de perlas dispuestas en su interior.
En otra realización, ambas cámaras de carbonatación incluyen una red de micromalla asociada dentro de la cámara de carbonatación, con la pluralidad de perlas dispuestas dentro del área definida por la red de micromalla. La red y las perlas pueden ser de tamaños similares o diferentes.
En una realización, las cámaras de carbonatación definen el volumen interno de entre 2 y 400 cm<3>.
Las redes de micromalla pueden estar formadas por hebras de acero inoxidable, de entre 2 y 100 |jm de diámetro, y que definen un área de malla abierta de entre 5 y 800 jm.
En una realización, la primera cámara de carbonatación incluye un cartucho que define una red de micromalla de 100 jm, que aloja las perlas de 5 mm de diámetro, donde la segunda cámara de carbonatación incluye un cartucho que define una red de micromalla de 400 jm y perlas que tienen un diámetro de entre 0,5 y 3 mm. Se espera que el flujo de entrada al aparato de carbonatación sea una presión de aproximadamente 1103161 Pa (160 psi) y un flujo de 5,6781 l/min (1,5 galones por minuto (GPM)). La entrada a la segunda cámara de carbonatación puede ser a una presión más baja de 448159 Pa (65 psi) y un caudal más bajo de 4,16394 l/min (1,1 GPM).
Se puede proporcionar un compensador de flujo de fluido a la salida de las cámaras de carbonatación, para reducir la presión y el caudal de las cámaras de carbonatación a una presión adecuada para la dispensación, por ejemplo, una presión de 103421 Pa (15 psi) y un caudal de 1,8927 l/min a 3,7854 l/min (0,5 a 1 GPM).
Breve descripción de los dibujos
Estas y otras características y ventajas de las diversas realizaciones descritas en la presente memoria descriptiva se entenderán mejor con respecto a la siguiente descripción y dibujos, en los que números similares se refieren y corresponden a partes similares en todas partes, y en los que:
La Figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra un proceso y un sistema de carbonatación de agua ejemplares de acuerdo con una realización de la invención;
La Figura 2 repite el diagrama de bloques de la Figura 1, que muestra niveles de presión y flujo ejemplares en todo el sistema y proceso;
La Figura 3 ilustra un aparato mezclador de H<2>O y CO<2>ejemplar;
La Figura 4a ilustra una realización de las cámaras de carbonatación;
La Figura 4b ilustra una segunda realización de las cámaras de carbonatación;
La Figura 5 es una vista en despiece ordenado de la cámara de carbonatación;
La Figura 6a es una vista en perspectiva en despiece ordenado de la cámara de carbonatación;
La Figura 6b es una vista en perspectiva en despiece ordenado de la cámara de carbonatación con perlas dispuestas con la red de micromalla;
Las Figuras 7a y 7b son vistas del filtro de malla utilizado en la cámara de carbonatación;
La Figura 8 ilustra una primera realización del compensador de flujo;
La Figura 9 es una vista en sección transversal del compensador de flujo mostrado en la Figura 8;
La Figura 10 es una vista desde un extremo del compensador de flujo mostrado en la Figura 8;
Las Figuras 11a y 11b son tablas de parámetros de carbonatación medidos asociados con una realización de la presente invención, en comparación con los sistemas de carbonatación contemporáneos y el agua carbonatada embotellada;
La Figura 12 es una vista en perspectiva de una segunda realización alternativa del compensador de flujo; y La Figura 13 es una vista superior del compensador de flujo que se muestra en la Figura 12.
Descripción detallada
En general, la presente invención modifica técnicas y aparatos previamente existentes para mejorar la carbonatación de agua u otras bebidas (es decir, utilizando baja temperatura y alta presión) con la adición de las técnicas y aparatos como se describe a continuación. Dichas técnicas y aparatos modificados están dirigidos a romper la estructura molecular de los compuestos de agua, mientras orientan las moléculas polarizadas de agua y dióxido de carbono para mejorar y multiplicar los enlaces entre el dióxido de carbono y las moléculas de agua como se describe con mayor detalle a continuación. En las realizaciones descritas, las técnicas y aparatos están diseñados y optimizados principalmente para su uso junto con un dispensador de soda/agua gasificada en el punto de uso.
De acuerdo con la presente invención, el agua se carbonata mediante el proceso y utilizando un sistema mostrado generalmente en las Figuras 1 y 2. El agua potable proviene de una fuente externa (suministro de agua) y se purifica para minimizar el total de sólidos disueltos. La reducción de sólidos disueltos también es eficaz para fusionar burbujas de dióxido de carbono y reducir la concentración de ácido carbónico. Purificar la fuente de agua ayuda aún más a mitigar el enlace entre las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono. Luego, el agua purificada se presuriza (con una bomba de agua) y se refrigera (dentro de un refrigerador) hasta aproximadamente una temperatura de congelación. En la presente realización, la bomba de agua suministra agua a un caudal de entre 0,75708 l/min y 18,927 l/min (0,2 y 5 GPM).
De acuerdo con el aparato de carbonatación 10, mostrado en las Figuras 1-3, luego se combinan corrientes de agua líquida refrigerada y gas dióxido de carbono bajo presión (entre 275790 Pa y 689475 Pa (40 y 100 psi)) en el aparato mezclador 40 (mostrado en Figura 3) que preferentemente crea una interferencia en la intersección de las corrientes, provocando la generación de un área de baja presión adyacente al(los) punto(s) de fusión, lo que resulta en un efecto Venturi. El efecto Venturi mejora el flujo de moléculas de dióxido de carbono hacia el aparato mezclador 40. Como se muestra en la Figura 3, se pueden usar uno o más limitadores de flujo (41) (en línea) para crear el(los) efecto(s) Venturi, para mejorar la absorción del gas dióxido de carbono en el agua que fluye.
La(s) tobera(s) de dióxido de carbono 43, 47 y la(s) tobera(s) de agua 45, 49 están dispuestas en la intersección de las corrientes y orientadas sustancialmente perpendiculares entre sí, para provocar que se cree un área de baja presión aguas abajo desde el punto en el que el dióxido de carbono y el agua se fusionan. Como se señaló anteriormente, el área de baja presión crea un efecto Venturi, mejorando el flujo de dióxido de carbono y agua y facilitando la mezcla de las moléculas de dióxido de carbono y agua hasta los niveles de carbonatación iniciales antes de la entrada a la(s) cámara(s) de carbonatación.
La mezcla mejorada de agua y dióxido de carbono facilita la funcionalidad de la(s) cámara(s) de carbonatación estabilizando el flujo hacia la primera cámara de carbonatación, evitando múltiples flujos laminares que pueden mitigar la unión de las moléculas de agua y dióxido de carbono en la primera cámara de carbonatación.
En otra realización alternativa, las toberas de suministro de agua 45, 49 y las toberas de suministro de dióxido de carbono 43, 47 están orientadas de tal manera que una o más de las toberas (por ejemplo, la tobera de dióxido de carbono 43, 47 está orientada para tener un borde delantero que coincide sustancialmente con el eje de flujo de la tobera de agua asociada 45, 49. Ese borde delantero puede además redondearse e inclinarse lejos del flujo de agua presurizada para mejorar el flujo a través de la cara de la tobera de dióxido de carbono inclinada resultante en una zona de baja presión más definida, lo que permite una mayor regulación del Venturi y, por lo tanto, del caudal, en respuesta al ajuste de la presión del agua que impacta sobre la tobera de dióxido de carbono inclinada.
Como se muestra además en las Figuras 1-3, la mezcla de agua y gas que fluye fuera de las cámaras de mezcla se hace pasar a través de una o más cámaras de carbonatación 20. En diversas realizaciones de cámara(s) de carbonatación, que se muestran más particularmente en las Figuras 4-7, las cámaras de carbonatación funcionan para romper cadenas de moléculas de agua; mejorar la orientación de las moléculas con respecto al flujo a través de la carbonatación; y capturar moléculas en una posición más estabilizada cuando están más disponibles para unirse con otras moléculas. Como se describe con mayor detalle a continuación, las moléculas de agua pueden polarizarse para estar más orientadas, por ejemplo, con átomos de hidrógeno dirigidos en la dirección del flujo, hacia las moléculas de dióxido de carbono capturadas. Esto facilita una mayor unión entre el agua y las moléculas de dióxido de carbono, produciendo altos niveles de carbonatación en el agua.
Como se muestra en las Figuras 4-7, una o más de las cámaras de carbonatación 20 están provistas de una red de micromalla metálica 31, 33 configurada y dimensionada para romper cadenas extendidas de moléculas, por ejemplo, moléculas de agua, en virtud del impacto físico en las redes de micromalla. Esa ruptura produce más moléculas de agua disponibles para unirse con las moléculas de dióxido de carbono en el curso del flujo, para mejorar aún más la unión entre las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono. Las moléculas pueden dirigirse además a un cuerpo o conjunto de perlas de vidrio (Figura 4b), que pueden estar dispuestas en la(s) cámara(s) de carbonatación 31, 33, que tienen una red de micromalla, como se muestra en las Figuras 4b y 6b, o en una cámara separada, como se muestra en la Figura 4a. Las perlas incluyen microirregularidades, en las que las moléculas, particularmente las moléculas más grandes de dióxido de carbono, pueden quedar atrapadas. Las moléculas de dióxido de carbono, estabilizadas en la superficie irregular de las perlas, son objetivos sustancialmente más estacionarios para las moléculas de agua más pequeñas, que luego pueden unirse al dióxido de carbono para formar ácido carbónico, que luego puede liberarse en el flujo de salida de la cámara de carbonatación. Se ha descubierto que el nivel resultante de unión entre el agua y las moléculas de carbonatación estabilizadas es sustancialmente mayor de lo que usualmente sería el caso cuando las moléculas de agua y dióxido de carbono se combinan simplemente bombeando dióxido de carbono en agua refrigerada y presurizada. Además, se ha descubierto que dicho bombeo por sí solo crea una forma más suelta de carbonatación, en la que hay más dióxido de carbono en una mezcla acuosa, es decir, no unido eficazmente con las moléculas de agua, de modo que la carbonatación se disipa con mayor facilidad con el tiempo.
Como se señaló anteriormente, el enlace entre las moléculas de carbono y las moléculas de agua puede, de acuerdo con la presente invención, mejorarse aún más mediante la polarización de las moléculas, de modo que las moléculas estén mejor orientadas para el enlace. Esta orientación se puede realizar de varias maneras. En una realización de la presente invención, la orientación de las moléculas se efectúa como resultado de un campo magnético polarizado creado pasivamente en la rejilla de micromalla, como consecuencia de la actividad de las moléculas de hidrógeno y las moléculas de dióxido de carbono cuando impactan, se rompen y pasar a través de la red de micromalla. Se entiende que dicha polarización pasiva de la red de micromalla da como resultado la extracción de electrones de la superficie aguas arriba de la red de micromalla (por ejemplo, que puede estar formada de acero inoxidable), creando una pequeña carga positiva temporal en la superficie aguas arriba de la red, con una carga más negativa en el lado aguas abajo de la red. Se cree que dicha polarización inducida ocurre de manera similar a la que ocurre cuando se frota una varilla de vidrio con un paño de seda, arrancando algunos electrones de la superficie de la varilla de vidrio y dándole temporalmente una carga positiva.
A medida que las moléculas de agua pasan a través de la red de micromalla, se cree que la carga en la red influye en que las moléculas de agua se orienten con el átomo de oxígeno con carga más positiva hacia la red y el átomo de hidrógeno con carga menos positiva lejos de la red, es decir, hacia la dirección del flujo, para unirse con las moléculas de dióxido de carbono en el flujo y/o capturadas y estabilizadas en la superficie de las perlas. Esta polarización pasiva, creada como consecuencia de la interacción de las moléculas y la red, mejora así el enlace dipolar entre las moléculas de agua y dióxido de carbono.
Alternativamente, la red de micromalla se puede implementar como un par de redes concéntricas conectadas a una fuente de tensión, para proporcionar polarización activa de las redes para mejorar la orientación de las moléculas de agua que pasan a través de la red. Como resultará evidente para los expertos en la técnica, la orientación particular del flujo de corriente a través de las redes se puede implementar de acuerdo con la polarización deseada de las moléculas de agua a medida que pasan a través de las redes.
Como se indicó anteriormente, la primera cámara de carbonatación puede incluir la red de micromalla, a través de la cual pasa la mezcla de agua y gas de entrada, está formada preferentemente por uno o más anillos independientes de micromalla metálica, como por ejemplo acero inoxidable. El paso del agua carbonatada a través de la red de micromalla rompe los compuestos de moléculas largas del agua mientras crea un campo electrostático débil debido al paso a alta velocidad de moléculas más polarizadas que, en un corto período de tiempo (menos de un segundo), Se mezclan moléculas más polarizadas del fluido (agua y dióxido de carbono), por lo que las cadenas cortas (rotas) de moléculas de agua tienen una mayor probabilidad de formar conexiones electrostáticas dipolo a dipolo con las moléculas de dióxido de carbono. En la presente realización, los campos eléctricos estáticos se autoinducen mediante el paso de moléculas polarizadas: creando inducción eléctrica. Otras realizaciones del mismo aparato pueden utilizar un proceso en el que los campos eléctricos se generan artificialmente externamente, a través de una fuente de alimentación de CC común, o múltiples fuentes de alimentación de CC, lo que da como resultado moléculas de agua y gas altamente polarizadas que se orientan inmediatamente, de acuerdo con el campo eléctrico generado en la red. Cualquiera que sea la solución adoptada (campo eléctrico inducido o generado artificialmente), el resultado es una alta polarización y orientación de las moléculas de líquido y gas. En el caso de campos eléctricos inducidos pasivamente, el campo eléctrico estático inducido no sólo contribuye a la polarización de las moléculas que transitan en su interior, sino que la polarización misma modifica el campo eléctrico que se genera.
Aunque se espera que el campo electrostático aquí generado por el paso de una molécula polarizada sea relativamente débil, el aumento resultante en la polarización de las moléculas de agua aumenta la probabilidad de formación de enlaces entre las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono. Esto se debe a que a medida que aumenta el grado de polarización de cada molécula de agua, aumenta el número total de moléculas de agua con un alto grado de polarización. Al romper las largas cadenas de moléculas y orientarlas gradualmente, en respuesta al campo electrostático, se produce un aumento en la formación (temporal) de ácido carbónico dentro del agua, y se ha descubierto que el agua resultante está más carbonatada. Además, se ha descubierto que las moléculas de agua retienen un enlace con las moléculas de dióxido de carbono que mitiga la dispersión de las moléculas de dióxido de carbono (es decir, el burbujeo, cuando el agua carbonatada se expone al aire durante la dispensación). A medida que aumentan los enlaces, la carbonatación en el agua es mayor y más duradera en el tiempo, ya que el agua carbonatada permanece en un vaso o botella abierta.
El campo electrostático creado por la malla metálica tiende a alinear las moléculas de agua con respecto al campo electrostático debido al carácter dipolar de las moléculas de agua. La alineación podría provocar una electroestricción longitudinal que provocaría que las moléculas de agua se volvieran más densas e incluyeran dilatación de la sección transversal. La electroestricción longitudinal y la dilatación de la sección transversal aumentan la probabilidad de que las moléculas de agua con carga parcialmente negativa interactúen con las moléculas de dióxido de carbono, que poseen restos de carbono con carga parcialmente positiva, y podrían estar presentes en el sistema, para formar moléculas estables de ácido carbónico.
En las realizaciones ilustradas, las redes de micromalla están formadas por hebras delgadas de acero inoxidable de aproximadamente 2 a 100 |jm de diámetro, que tienen un área de malla abierta de aproximadamente 5 a 800 |jm. Sin embargo, se anticipa que la red de micromalla puede estar formada por otros materiales, y el tamaño de las hebras/áreas de malla abierta puede variarse según sea adecuado para niveles de presión específicos, caudales, niveles deseados de carbonatación y otros factores.
Cuando el agua carbonatada se descarga de la primera cámara de carbonatación, la salida se comunica a la segunda cámara de carbonatación, donde se mejora aún más el nivel de carbonatación. Como se señaló anteriormente, mientras que la primera cámara de carbonatación puede incluir o no perlas, como se muestra en la Figura 3, la segunda cámara de carbonatación puede incluir además perlas de vidrio que tienen irregularidades superficiales microscópicas que pueden atrapar moléculas de agua y dióxido de carbono (aún en forma de (CO<2>ac.). Tal captura mitiga la actividad de las moléculas en el agua carbonatada, particularmente las moléculas más grandes de dióxido de carbono, lo que facilita que otras moléculas se combinen con las moléculas atrapadas. Las moléculas de agua altamente activas que quedan atrapadas en la superficie de las irregularidades del agua carbonatada. Las perlas de vidrio también se vuelven más disponibles para unirse con moléculas de dióxido de carbono libres, como sería el caso si las moléculas de agua fluyeran libremente en el agua carbonatada. De acuerdo con este proceso, las perlas de vidrio, que tienen diámetros específicos (a partir de 0,5 mm a 5 mm), sirven como catalizadores de superficie que funcionan aumentando el porcentaje de colisiones moleculares que tienen la orientación correcta para facilitar la unión.
Se prevé que, si el 10% de las colisiones tienen una orientación molecular favorable inicialmente, agregar catalizadores de superficie al flujo puede aumentar esa cifra al 30%. Esto significa que la velocidad a la que se forman enlaces entre las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono se triplicará (si todas las demás condiciones permanecen iguales). Esto significa que las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono tienen una probabilidad sustancialmente mayor de unirse cuando una de ellas está más estacionaria que la otra, en lugar de que ambas se muevan libremente.
En comparación con las moléculas de agua y dióxido de carbono, el catalizador de superficie tiene una enorme cantidad de superficie en relación con el tamaño de las moléculas de agua y dióxido de carbono. La superficie aparentemente lisa de las perlas de vidrio es bastante irregular a escala atómica. Esa irregularidad de la superficie sirve para capturar y, por lo tanto, estabilizar las moléculas de agua. Esto mejora la capacidad de las moléculas compatibles con el agua para unirse a las moléculas de agua capturadas.
Las irregularidades de la superficie en las perlas de vidrio pueden coincidir con, o ser compatibles de otro modo con, la forma o el espaciado de las moléculas de dióxido de carbono y/o las moléculas de agua. De este modo, por ejemplo, una molécula de dióxido de carbono puede chocar contra la superficie de la perla de vidrio y adherirse a la misma. Una vez que el dióxido de carbono ya no se mueve libremente, aumenta dramáticamente la probabilidad de una colisión bien orientada con una molécula de agua, es decir, en la que la molécula pueda unirse. De esta forma, el catalizador de superficie ayuda a producir más ácido carbónico y menos moléculas de dióxido de carbono libres, lo que da como resultado una carbonatación que persiste durante un período de tiempo mucho más prolongado.
Una vez unidas, el impacto de otras moléculas en colisión puede liberar las moléculas de ácido carbónico atrapadas de la superficie de las perlas de vidrio. Las moléculas de agua o de dióxido de carbono, atrapadas pero libres, también pueden ser liberadas o soltadas. Sin embargo, se espera que la liberación de moléculas carbonatadas sea de mínima importancia ya que es probable que otra molécula transitable quede atrapada rápidamente. Una vez que una molécula de agua y una molécula de dióxido de carbono se unen por puentes de hidrógeno para formar ácido carbónico, se retienen con mayor facilidad en agua carbonatada. Esto conduce a una bebida carbonatada que permanece carbonatada durante más tiempo y conserva el perfil de sabor preferido. En la realización actualmente preferente, el aparato de carbonatación 10 incluye dos cámaras de carbonatación 20, como se representa en las Figuras 1 y 2. Sin embargo, otras realizaciones pueden contener un número diferente de cámaras de carbonatación, por ejemplo, tres o más. Las cámaras de carbonatación pueden tener varias dimensiones. En una realización actualmente preferente, cada cámara de carbonatación posee un volumen interno de entre 2 y 400 centímetros cúbicos.
La Figura 4 ilustra el aparato de carbonatación 20, que incluye las cámaras de carbonatación 21 y 23. La cámara de carbonatación 21 define un interior que tiene una red de micromalla cilíndrica. La cámara de carbonatación 23 define un interior que tiene una pluralidad de perlas de vidrio dentro de la red. En el flujo de entrada a través de la cámara de carbonatación 21 pasa a través del puerto de entrada 22 y sale del puerto de salida 24. El flujo a través de la cámara de carbonatación número dos pasa a través del puerto de entrada 26 y sale del puerto de salida 28.
El aparato de carbonatación 20 mostrado en la Figura 4b incluye cámaras de carbonatación 31 y 33. La cámara de carbonatación 31 define un interior que tiene una micromalla 35 de 100 |jm y una pluralidad de perlas de vidrio de 5 mm dispuestas dentro de la cámara de carbonatación 31. La cámara de carbonatación 33 define una red de micromalla de 400 jm, dentro de la cual hay una pluralidad de perlas de vidrio de 1 a 3 mm.
Las Figuras 5 y 6 ilustran una vista en despiece ordenado de una cámara de carbonatación 23 ejemplar, que tiene una porción de tapa 25, una porción de base 29 y un cartucho 27 dispuesto dentro de una cámara definida por la porción de tapa 25 y la porción de base 29.
El cartucho 27 define una red de micromalla 34 alrededor de la cámara interior 33, en la que se pueden disponer las perlas de vidrio. El cartucho 27 está dispuesto en acoplamiento de sellado fluido con la tapa 25, mediante el acoplamiento del miembro de sellado 35 a la pared lateral 57 de la tapa 25. Como se muestra en la Figura 6b, se puede proporcionar una rejilla abierta 39 en un extremo del cartucho 27, para facilitar el flujo de fluido entre el interior del cartucho 27 y el puerto de entrada de la cámara de carbonatación, para facilitar el flujo de fluido a través y alrededor de las perlas.
El flujo de fluido que entra y sale de las cámaras de carbonatación se puede variar para entrar o salir del cartucho a través del puerto superior o el puerto lateral, como se puede ilustrar mediante una comparación de las trayectorias de flujo en las Figuras 6a y 6b.
En la realización actualmente preferente, cada cámara de carbonatación tiene una geometría sustancialmente cilíndrica, como se muestra en las Figuras 4-7. Cada cámara de carbonatación define una región cilíndrica hueca en la que se dispone una red de micromalla cilíndrica de material metálico. El agua que ingresa a la primera cámara de carbonatación pasa a través de las redes de micromalla y luego se comunica a la siguiente (segunda) cámara de carbonatación. La primera cámara de carbonatación puede incluir o no perlas de vidrio y se espera que la segunda cámara de carbonatación incluya perlas de vidrio, como se ilustra en las Figuras 4a, 4b y 6b. Las perlas de vidrio preferentemente flotan libremente dentro de la cámara de carbonatación, dentro de la red de micromalla. La segunda cámara de carbonatación puede incluir una red similar a la primera cámara de carbonatación, pero preferentemente con una red de micromalla más fina y perlas de menor diámetro, como se muestra en la Figura 4b. La construcción y funcionalidad de las cámaras de carbonatación y el compensador de flujo se describen con mayor detalle a continuación.
La salida de agua carbonatada de la segunda cámara de carbonatación se puede comunicar a un compensador de flujo, que se describe con mayor detalle a continuación. En las Figuras 8-10 y 12-13 se exponen diferentes realizaciones de compensadores de flujo adecuados. Alternativamente, el compensador de flujo se puede implementar mediante aparatos disponibles comercialmente, como el compensador de flujo Everpure EV312493 o el compensador de control de flujo en línea CM Becker (número de modelo D1235).
La salida de agua carbonatada de la segunda cámara de carbonatación usualmente tiene un nivel de carbonatación más alto que la salida de la primera cámara de carbonatación, a pesar de que el flujo de las moléculas permanece sustancialmente indiscriminado. Los compensadores de flujo funcionan para reducir el flujo turbulento y aumentar el flujo semilaminar del agua altamente carbonatada, reduciendo instantáneamente la presión de la mezcla a la presión atmosférica. El compensador de flujo funciona adicionalmente para regular la presión y el flujo del agua carbonatada a niveles adecuados para la entrada a un dispensador de punto de uso, por ejemplo, a una presión de 103421 Pa (15 psi) y un caudal entre 1,8927 l/min y 6,05664 l/min (0,5 a 1,6 GPM). En las Figuras 8-10 y 12-13 se muestran diferentes realizaciones de un compensador de flujo útil junto con la presente invención.
En la realización mostrada en las Figuras 8-10, el compensador de flujo 80 consiste en un cuerpo alargado 85 que tiene tres elementos distintivos: (i) primero un área de restricción de flujo 81, seguida inmediatamente por (ii) un área de expansión 83 que tiene, en la mayoría de los casos, (iii) un elemento aireador 85. El compensador de flujo incluye además una carcasa exterior 87 en la que se inserta un cuerpo alargado (regulador). El agua carbonatada entra en la carcasa exterior 87 del compensador de flujo y fluye circunferencialmente alrededor del cuerpo extendido 82 por medio de un canal que se extiende entre el cuerpo extendido 82 y la carcasa exterior 87 hacia la salida 86 del compensador 80. La rotación del cuerpo extendido 82 hacia la cubierta exterior 87 sirve como limitador de flujo variable.
Otras realizaciones pueden incluir un compensador que funcione utilizando los mismos principios físicos (reduciendo la presión y estabilizando el flujo) pero con una geometría diferente. La realización mostrada en las Figuras 12-13 incluye un compensador de flujo 90 en el que un limitador de flujo 91, colocado aguas abajo de las cámaras de carbonatación, es seguido por una cámara de expansión 93 y un aireador 95. El compensador de flujo 90 puede ser implementado en el aparato dispensador, a fin de dispensar flujos estables de agua gasificada 92, jarabe 94 y/o agua caliente 96 y dispensarlos a presión atmosférica.
Los niveles de carbonatación y otras características de la salida de agua carbonatada del compensador de flujo se describen en la tabla expuesta en las Figuras 11a y 11b. Esas figuras comparan la producción de agua carbonatada de la presente invención con la producción medida de otros sistemas dispensadores disponibles comercialmente, así como con agua carbonatada de botellas de productos de agua carbonatada seleccionados.
Como se muestra en las Figuras 11a y 11b, el agua carbonatada producida de acuerdo con la presente invención exhibe un pH de 3,6, a presión atmosférica, y permanece altamente carbonatada durante un período de tiempo más largo que el que se ha encontrado que es característico de los otros productos probados comercialmente disponibles. Como tal, se ha descubierto que el nivel de carbonatación en la presente invención produce agua altamente carbonatada que tiene un alto nivel de estabilidad de carbonatación durante períodos de tiempo prolongados.
Los detalles que se muestran en la presente memoria descriptiva son a modo de ejemplo y tienen únicamente fines de discusión ilustrativa. Se presentan para proporcionar lo que se cree que es la descripción más útil y fácilmente comprensible de los principios y aspectos conceptuales de las diversas realizaciones de la metodología y aparato para proporcionar una bebida altamente carbonatada estabilizada. En este sentido, no se intenta mostrar más detalles de los necesarios para proporcionar una comprensión fundamental de las diferentes características de las diversas realizaciones y las descripciones proporcionadas con los dibujos para hacer evidente a los expertos en la técnica cómo pueden ser implementadas en la práctica.
Como tal, la descripción anterior se proporciona a modo de ejemplo y no de limitación. Dada la divulgación anterior, se determina que alguien experto en la técnica y el comercio podría idear variaciones dentro del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones. Esto incluiría varias formas de mejorar y estabilizar los niveles de dióxido de carbono en el agua. Además, las diversas características de las realizaciones divulgadas en la presente memoria descriptiva se pueden utilizar solas o en diversas combinaciones entre sí, como se especifica en las reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1.Aparato de carbonatación (10) para carbonatar un flujo de entrada mixto de moléculas de dióxido de carbono y moléculas de agua presurizadas y refrigeradas, comprendiendo el aparato:
a) una primera cámara de carbonatación (20, 21) que define un puerto de entrada (22), un puerto de salida (24) y una cámara central, estando el puerto de entrada de la primera cámara de carbonatación en comunicación fluida con el flujo de entrada mixto;
b) un primer cartucho (27) dispuesto dentro de la cámara central, definiendo el primer cartucho una superficie exterior porosa de una primera red de micromalla (31, 33) en comunicación fluida con el puerto de entrada de la primera cámara de carbonatación, y una cavidad central del primer cartucho en comunicación fluida con el puerto de salida de la primera cámara de carbonatación;
c) en el que el material de la primera red de micromalla (31, 33) está dimensionado y configurado para romper cadenas de moléculas de agua que pasan a través de la primera red de micromalla para mejorar la unión entre las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono dentro de la cámara central del primer cartucho;
d) en el que la primera red de micromalla está configurada para responder al flujo de moléculas de agua y moléculas de dióxido de carbono que impactan en y pasan a través de la primera red de micromalla generando un campo polarizador pasivo que tiene una influencia polarizadora sobre las moléculas de agua que pasan a través de la primera red de micromalla, para mejorar aún más la unión entre las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono dentro de la cámara central;
caracterizado porqueademás comprende:
e) una pluralidad de primeras perlas dispuestas dentro de la cámara central del primer cartucho (27), definiendo la pluralidad de primeras perlas una superficie exteriorcaracterizada porirregularidades de captura de moléculas formadas en la misma para capturar y estabilizar moléculas de dióxido de carbono en la superficie exterior de la misma para mejorar aún más la unión entre las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono dentro de la cámara central.
2.El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende:
f) una segunda cámara de carbonatación (23) que define un puerto de entrada (26), un puerto de salida (28) y una cámara central, estando el puerto de entrada de la segunda cámara de carbonatación en comunicación fluida con el puerto de salida de la primera cámara de carbonatación; g) un segundo cartucho dispuesto dentro de la cámara central, definiendo el segundo cartucho una superficie exterior porosa de una segunda red de micromalla en comunicación fluida con el puerto de entrada de la segunda cámara de carbonatación, y una cavidad central del segundo cartucho en comunicación fluida con el puerto de salida de la segunda cámara de carbonatación;
h) en el que la segunda red de micromalla está dimensionada y configurada para romper cadenas de moléculas de agua que pasan a través de la segunda red de micromalla para mejorar la unión entre las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono dentro de la cámara central del segundo cartucho; y
i) en el que la segunda red de micromalla está además formada y configurada para definir una superficie exterior que responde al flujo de moléculas de agua y moléculas de dióxido de carbono que impactan y pasan a través de la segunda red de micromalla generando un campo polarizador pasivo que tiene una influencia polarizadora en moléculas de agua que pasan a través de la segunda red de micromalla, para mejorar aún más la unión entre las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono dentro de la cámara central; y
j) una pluralidad de segundas perlas dispuestas dentro de la cámara central del cartucho, definiendo las segundas perlas una superficie exteriorcaracterizada porirregularidades de captura de moléculas para capturar y estabilizar moléculas de dióxido de carbono en la superficie exterior de las perlas para mejorar aún más la unión con las moléculas de agua dentro de la cámara central.
3.El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende:
f) una segunda cámara de carbonatación que define un puerto de entrada, un puerto de salida y una cámara central, estando el puerto de entrada de la segunda cámara de carbonatación en comunicación fluida con el puerto de salida de la primera cámara de carbonatación;
g) un segundo cartucho dispuesto dentro de la cámara central, definiendo el segundo cartucho una superficie exterior porosa de una segunda red de micromalla en comunicación fluida con el puerto de entrada de la segunda cámara de carbonatación, y una cavidad central del segundo cartucho en comunicación fluida con el puerto de salida de la segunda cámara de carbonatación;
h) en el que la segunda red de micromalla está dimensionada y configurada para romper cadenas de moléculas de agua que pasan a través de la segunda red de micromalla para mejorar la unión entre las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono dentro de la cámara central del segundo cartucho; y
i) en el que la segunda red de micromalla está además formada y configurada para definir una superficie exterior que responde al flujo de moléculas de agua y moléculas de dióxido de carbono que impactan y pasan a través de la segunda red de micromalla generando un campo polarizador pasivo que tiene una influencia polarizadora en moléculas de agua que pasan a través de la segunda red de micromalla, para mejorar aún más la unión entre las moléculas de agua y las moléculas de dióxido de carbono dentro de la cámara central; y
j) una pluralidad de segundas perlas dispuestas dentro de la cámara central del cartucho, definiendo las segundas perlas una superficie exteriorcaracterizada porirregularidades de captura de moléculas para capturar y estabilizar moléculas de dióxido de carbono en la superficie exterior de las perlas para mejorar aún más la unión con las moléculas de agua dentro de la cámara central.
4. El aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la primera y segunda cámaras de carbonatación (20, 21, 23) definen un volumen interno de entre 2 y 400 cm3.
5. El aparato de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la primera y segunda redes de micromalla (31, 33, 34) están formadas por hebras de acero inoxidable de entre 2 y 100 |jm de diámetro.
6. El aparato de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el tamaño de un área de malla abierta de la primera red de micromalla está entre 5 y 500 jm.
7. El aparato de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el tamaño de un área de malla abierta de la segunda red de micromalla está entre 100 y 800 jm.
8. El aparato de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la primera y segunda perlas tienen un diámetro de entre 0,5 y 5 mm; o en el que las primeras perlas tienen un diámetro de 5 mm; preferentemente en el que las segundas perlas tienen un diámetro de entre 0,5 y 3 mm.
9. El aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el primer cartucho define una red de micromalla de 100 jm y las primeras perlas definen un diámetro de 5 mm; y en el que el segundo cartucho define una red de malla de 400 jm y las segundas perlas definen un diámetro de entre 0,5 y 3 mm.
10. El aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la primera cámara de carbonatación está configurada para recibir el flujo de entrada mixto a una presión de 1103161 Pa (160 libras por pulgada cuadrada (psi)) y a un caudal de 5,6781 l/min (1,5 galones por minuto (GPM)).
11. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el aparato está configurado para proporcionar agua carbonatada en el puerto de salida de la segunda cámara de carbonatación a una presión de 448159 Pa (65 psi) y a un caudal de 4,16394 l/min (1,1 GPM).
12. El aparato de acuerdo con la reivindicación 3, que además comprende un aparato mezclador en comunicación fluida con el puerto de entrada de la primera cámara de carbonatación, teniendo el aparato mezclador un primer puerto de entrada en comunicación con una fuente de agua presurizada y refrigerada, y un segundo puerto de entrada en comunicación con una fuente de dióxido de carbono, estando configurado el aparato mezclador para mezclar el agua y el dióxido de carbono para formar el flujo de entrada con moléculas de agua y moléculas de dióxido de carbono libres en solución acuosa.
13. El aparato de acuerdo con la reivindicación 12, en el que el primer puerto de entrada del primer aparato mezclador está configurado para recibir el agua presurizada y refrigerada a una presión de 620528 Pa (90 psi) y un caudal de 6,81372 l/min (1,8 GPM); preferentemente en el que el segundo puerto de entrada del aparato mezclador está configurado para recibir el dióxido de carbono a una presión de 517106 Pa (75 psi).
14. El aparato de la reivindicación 1, en el que la primera red de micromalla es una red de micromalla metálica.
15. El aparato de la reivindicación 1, en el que la primera red de micromalla tiene una configuración cilindrica.
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