IT202100014912A1 - Miscela bifasica di idrogeno ed anidride carbonica - Google Patents
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Description
Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: ?MISCELA BIFASICA DI IDROGENO ED ANIDRIDE CARBONICA?
La presente invenzione riguarda dispositivi per la gassatura di bevande con miscele bifasiche di idrogeno e anidride carbonica.
Introduzione
Le propriet? benefiche dell?idrogeno in medicina e per le prestazioni sportive sono riportate in numerosi lavori scientifici.
Il danno tissutale derivante da processi infiammatori e / o da esercizio fisico intenso ? caratterizzato da stress ossidativo dovuto ad un aumento delle specie reattive dell'ossigeno (ROS), perossido di idrogeno (H2O2), anione superossido (O2-; ? OH), ONOO- [1], molecole che interferiscono con la normale omeostasi cellulare provocando una diminuzione dei segnali fondamentali per la sopravvivenza cellulare e inducendo l'apoptosi. Recenti prove hanno dimostrato che H2 ? un potente agente antiossidante, antiapoptotico e antinfiammatorio e quindi pu? avere potenziali applicazioni mediche. L'idrogeno consente un'azione scavenging e contrasta gli effetti dei radicali [2,3]. Prove recenti hanno dimostrato gli effetti terapeutici pleiotropici dell' H2 molecolare in una variet? di modelli di malattie animali e in clinica[3,4,5]. L'idrogeno ha portato miglioramenti nei pazienti con diabete, sindromi metaboliche e regolazione del colesterolo [3,8-10]. Si ? inoltre dimostrato preventivo e curativo dei danni cutanei dovuti alla radiazione solare o ad altri eventi degenerativi della pelle [11-14]; migliora la qualit? della vita dei pazienti sottoposti a radioterapia [3,15] o affetti da disturbo depressivo maggiore [16]. L'idrogeno ha mostrato propriet? neuroprotettive in modelli murini di malattie neurodegenerative [17,18,19]. Recenti studi hanno dimostrato che l'assunzione di acqua idrogenata migliora la resistenza all'affaticamento muscolare negli atleti, migliora il picco di ossigenazione e induce un recupero fisico pi? veloce grazie ad un significativo aumento dell'ATP; NAD / NADPH e una diminuzione simultanea dei i metaboliti di scarto e ROS [3,20-24]. L'importanza che sta assumendo l'idrogeno ? confermata dall'elevato numero di sperimentazioni cliniche in corso [25].
L?idrogeno pu? essere inspirato come miscela di gas o assunto disciolto in bevande. La dissoluzione pu? essere fatta per gorgogliamento dell?idrogeno o per miscelazione fra gas e liquido usando diversi dispositivi.
L?infiammabilit? di H2 pregiudica l?uso di molte degli attuali dispositivi di gassatura. Una soluzione a questo problema consiste nella diluizione dell?idrogeno con gas inerti in modo che la sua concentrazione scenda al di sotto dei limiti che classificano la miscela come infiammabile, il pi? utilizzato di tali gas ? l?anidride carbonica (CO2) gi? ampiamente utilizzata nel campo delle bevande e delle acque minerali.
Un ostacolo all?utilizzo di miscele di anidride carbonica e idrogeno ? il fatto che la CO2 ? un gas liquefatto sotto pressione e, quindi, una miscela omogenea costituita da H2 e CO2 pu? essere preparata sino ad una pressione pari alla tensione di vapore della CO2 per un data temperatura: a pressioni pi? elevate, infatti la CO2 inizierebbe a liquefare costituendo due fasi nel contenitore. Le pressioni massime per ottenere una miscela in cui l?H2 e la CO2 sono perfettamente miscelati (miscela a composizione omogenea) sono di circa 35 bar, a 0?C, e di 26,5 bar a -10?C, temperatura abitualmente usata come base di calcolo nel campo di preparazione delle miscele.
Tenendo conto di queste massime pressioni utilizzabili, per ottenere una miscela omogenea si pu? calcolare che un contenitore da 1 litro pu? contenere una miscela di CO2 ed H2 contenente al massimo 71 g di CO2, a -10?C, o 97,7 g a 0?C. Ponendo una massa maggiore di CO2 il gas nel contenitore inizia a liquefare costituendo cos? una fase liquida ed una gassosa.
La bassa quantit? di miscela che pu? essere immessa per unit? di volume del contenitore ? un importante ostacolo all?uso economico di tale miscela. Ad esempio, le usuali cartucce di gas usate per gli apparecchi casalinghi di gassatura dell?acqua, che attualmente contengono circa 400 g di CO2, potrebbero contenere solo circa 30-35 g di miscela CO2- H2: questo ipotizzando che l?idrogeno contenuto sia in modesta concentrazione percentuale, altrimenti il contenuto sarebbe ancora inferiore.
E? quindi evidente il beneficio economico che si potrebbe ottenere se fosse possibile avere una miscela di H2 e CO2 in fase liquida, in quanto il contenuto per unit? di volume tornerebbe ad essere simile a quello della sola CO2 liquefatta.
L?idrogeno si distribuisce per? differentemente nelle due fasi e non ? nota la solubilit? dell?idrogeno nella fase liquida di CO2.
Descrizione dell?invenzione
Si ? ora trovato che, consentendo la formazione di due fasi, liquida e gassosa, ? possibile introdurre in un contenitore una determinata quantit? di miscela H2-CO2 affinch? vi sia sufficiente idrogeno nella miscela prelevata dalla fase liquida per essere utilizzata per produrre bevande con idrogeno disciolto. E? cos? anche possibile impedire che la miscela raggiunga concentrazioni di idrogeno superiori alle concentrazioni che, secondo le vigenti normative, renderebbero infiammabile la miscela prelevata dal contenitore . Preparando la miscela H2-CO2 in condizioni bifasiche ? possibile inserire nel contenitore la massima quantit? di CO2 consentita dalle norme. L?impiego della CO2 in fase liquida consente di introdurre per unit? di volume del contenitore una quantit? massima di CO2 pari all?attuale limite di normativa, corrispondente a 750 g per litro geometrico del contenitore. La quantit? di CO2 e quindi di miscela che ? possibile stoccare nel contenitore per unit? di volume ? 8-10 volte quella stoccabile in fase gas, differenza che ? estremamente importante per un utilizzo economico (preparazione, trasporto, quantit? di contenitori) della miscela H2-CO2.
L?invenzione riguarda pertanto un dispositivo per la gassatura di bevande che comprende un contenitore di una miscela di idrogeno e anidride carbonica e di mezzi per l?erogazione di detta miscela nella bevanda da gassare, caratterizzato dal fatto che l?anidride carbonica ? sia in fase gas, sia in fase liquida e l?idrogeno ? parzialmente disciolto nella fase liquida e parzialmente in fase gassosa.
La concentrazione di idrogeno nella fase liquida ? compresa fra 0,05 mol/mol e 8,02% mol/mol, preferibilmente fra 0,05 mol/mol e 2% mol/mol. Concentrazioni pi? elevate possono essere preparate in base all?uso che si intende fare della miscela.
Per contenitore si intende una bombola per gas o comunque qualunque contenitore che possa reggere la pressione della CO2 e che rispetti le norme del settore.
I contenitori possono essere di modeste dimensioni, ad esempio delle cartucce da pochi cm<3>, di medie dimensioni, ad esempio bombolette o bombole da 100 cm<3 >sino a 50 litri di volume, o di grandi dimensioni, ad esempio dai 50 litri sino a 250 m<3>. Possono anche essere usati contenitori criogenici convenzionali in grado di contenere la miscela sino a -78?C.
La temperatura di stoccaggio della miscela non ? comunque limitante, in quanto condiziona solo la quantit? di idrogeno che pu? essere disciolta nella fase liquida della CO2 ed il coefficiente di ripartizione fra la fase liquida e la fase gas.
Il coefficiente di ripartizione dell?H2 nelle fasi gas e liquida della CO2 ? stato determinato sperimentalmente utilizzando due tipi di contenitore: bombole e contenitori criogenici.
Si ? trovato che, utilizzando concentrazioni di H2 di 2% mol/mol, 4% mol/mol e 8% mol/mol, ove queste concentrazioni sono calcolate sull?intera massa di CO2 presente nel contenitore, la concentrazione di idrogeno a 20?C presente nella fase liquida ? circa 4,5 volte inferiore a quella presente nella fase gas.
Ad esempio, dosando idrogeno al 2% mol/mol in CO2, avendo un volume occupato del 50% dal gas e del 50% dal liquido, la concentrazione nella fase liquida era circa dello 0,9% mol/mol e scendeva sino a 0,3% circa durante l?utilizzo, nella fase finale ancora in presenza della fase liquida.
La stessa prova eseguita con la concentrazione al 4% ed all?8% mol/mol di H2 in CO2 ha confermato una quasi proporzionalit? della concentrazione di H2 disciolta, rispettivamente circa del 2% e del 3,5%.
La stessa proporzione ? mantenuta anche nella fase gassosa, una volta terminata la fase liquida.
Nella tabella 1 sono riportati, a titolo di esempio, i valori ottenuti nelle prove sperimentali.
Tabella 1
La concentrazione dell?idrogeno nella fase gassosa, prima del prelievo dalla fase liquida, ? risultata rispettivamente per le miscele con 2% mol/mol; 4% mol/mol; 8% mol/mol, pari a 6% mol/mol; 11,5% mol/mol; 12,5% mol/mol. La variabilit? dei risultati ? dovuta agli errori sperimentali.
E? quindi possibile ottenere una concentrazione dell?idrogeno nella fase liquida sufficientemente elevata per ottenere, una volta disciolta la miscela in un liquido, il raggiungimento della massima solubilit? dell?idrogeno prima o contemporaneamente che sia raggiunta la massima solubilit? della CO2 in acqua.
La solubilit? della CO2 in acqua ? infatti (a 20?C) pari a 1,7 g/l, quella dell?idrogeno ? pari a 1,6 mg/l: fra le due solubilit? vi ? quindi un rapporto di circa 1000.
E? quindi importante che la miscela H2-CO2 sia coerente a questo rapporto oppure abbia un rapporto ancora pi? favorevole all?H2.
Conoscendo questo rapporto si evince che una concentrazione utile di H2 nella fase liquida della CO2 ? pari allo 0,1% e, conoscendo la ripartizione fra la fase gassosa e la fase liquida trovata sperimentalmente, si evince che la miscela iniziale deve essere dosata avendo una concentrazione pari a circa 0,20% mol/mol di H2. Sempre considerando i dati sperimentali, sapendo che la concentrazione di H2 nella fase liquida diminuisce durante il prelievo di circa 2,5-3 volte, si ottiene che la concentrazione del dosaggio iniziale deve essere pari a circa 0,6% mol/mol di H2 in CO2: infatti la concentrazione pari allo 0,1% deve essere conseguita alla fine del prelievo della fase liquida.
Conoscendo quindi i valori di ripartizione sopra riportati, che inducono nella fase liquida una concentrazione di poco meno della met? di quella teorica immessa nella miscela e conoscendo la variazione della concentrazione di H2 durante il prelievo, risulta che le concentrazioni industrialmente interessanti hanno un rapporto H2-CO2 iniziale di 1000/6.
Questo significa che ? possibile preparare una di miscela di H2-CO2 contenente 0,6% mol/mol di H2 per usi di gassatura industriale, ad esempio di acqua, essendo ancora sicuri che l?idrogeno giunga a saturare il liquido prima che giunga a saturazione anche con la CO2. Concentrazioni diverse di H2 non sono comunque precluse essendo dipendenti dalla solubilit? dell?idrogeno e della CO2 rispetto al liquido che si desidera saturare.
Le prove sperimentali mostrano che ? possibile preparare una miscela in un contenitore avente una concentrazione iniziale di idrogeno del 2% mol/mol, calcolata sulla massa totale di CO2, in modo che si possa raggiungere la concentrazione di saturazione dell?idrogeno nel liquido in cui disciogliere l?idrogeno ed in modo che, anche nella fase di utilizzo finale quanto la fase liquida della miscela ? esaurita, nella fase gasosa non si arrivi a superare una predeterminata concentrazione; ad esempio questa concentrazione potrebbe essere dell?8,02% mol/mol, ovvero la concentrazione che, se immessa in aria, determinerebbe un?atmosfera infiammabile secondo le norme attuali.
Il prelievo della miscela dal contenitore ? eseguita prelevando dapprima la fase liquida e, quando questa ? esaurita, prelevando la fase gassosa. Quest?ultima fase potrebbe, a scelta dell?utilizzatore, anche non essere prelevata, se giudicata dall?utilizzatore avente una concentrazione di idrogeno troppo elevata, in quanto al termine della fase liquida si verifica un salto della concentrazione di idrogeno nella miscela, che ne aumenta repentinamente la concentrazione. Il non utilizzo della fase gassosa non pregiudica il vantaggio di utilizzo della miscela in fase liquida in quanto la quantit? di miscela che rimane nel contenitore ? solo una frazione del 5-15% in massa di tutta la quantit? dei gas immessi nel contenitore. Il vantaggio di utilizzo della miscela in fase liquida rimane comunque di pi? di sette volte superiore a quella dell?utilizzo di un contenitore riempito di miscela solo in fase gassosa omogenea.
Il prelievo della miscela dalla fase liquida pu? essere eseguito o prelevando dal basso del contenitore (ad esempio, nel caso di una bombola o bomboletta, ponendola con la valvola in basso e prelevando), o mantenendo la bombola in posizione normale, cio? con la valvola in alto, ma dotando la valvola di un tubo pescante che arriva a prelevare sino al fondo del contenitore.
Questa seconda soluzione ? la pi? frequente nell?attuale tecnica di uso delle miscele in fase liquida pur non rimanendo affatto preclusa la prima soluzione, cio? con bombola capovolta e valvola senza pescante, specie per contenitori di modesta capacit?.
Lo stesso prelievo dalla fase liquida potrebbe, in certe applicazioni, non essere utilizzato, preferendo iniziare lo spillamento della miscela dalla fase gas. Questa soluzione non ha impatto, evidentemente, sulla quantit? di miscela utilizzabile ma ha un importante impatto sulla variabilit? delle concentrazioni di idrogeno che si prelevano nel tempo.
Nella tabella 2 seguente ? riportata la variabilit? di una miscela costituita dal 2% mol/mol di H2 in CO2 nel caso il prelievo avvenga sempre dalla fase gassosa.
Tabella 2
Le tabelle di solubilit? sono riportate come esempio, essendo evidente che esse possano essere costruite per ogni temperatura di interesse e per ogni coefficiente di riempimento della CO2, ovvero per ogni grado di riempimento in massa per unit? di volume.
Claims (9)
1. Un dispositivo per la gassatura di bevande che comprende un contenitore di una miscela di idrogeno e anidride carbonica e di mezzi per l?erogazione di detta miscela nella bevanda da gassare, caratterizzato dal fatto che l?anidride carbonica ? sia in fase gassosa sia in fase liquida e l?idrogeno ? parzialmente disciolto nella fase liquida e parzialmente in fase gassosa.
2. Un dispositivo secondo la rivendicazione 1 in cui la concentrazione di idrogeno nella fase liquida ? compresa fra 0,05 mol/mol e 8,02% mol/mol.
3. Un dispositivo secondo la rivendicazione 2 in cui la concentrazione di idrogeno nella fase liquida ? compresa fra 0,05 mol/mol e 2% mol/mol.
4. Un dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3 in cui il contenitore ? una bombola o un contenitore per gas criogenici liquefatti.
5. Un dispositivo secondo la rivendicazione 4 in cui il contenitore ? dotato di una valvola con tubo pescante che si estende sino al fondo del contenitore.
6. Un dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4 in cui i mezzi per l?erogazione comprendono una valvola per il prelievo della miscela in fase liquida ed una valvola per il prelievo in fase gas.
7. Un dispositivo secondo la rivendicazione 6 in cui i mezzi per l?erogazione comprendono due valvole contrapposte collocate nella parte alta e nella parte bassa del contenitore.
8. Un dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4 in cui i mezzi per l?erogazione consentono il prelievo dalla sola fase gassosa.
9. Un dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8 per gassatura di acqua, di acqua minerale, vini o bevande alcooliche, bevande analcooliche.
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Also Published As
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