von schwierigen Proben in der schnellsten Trockenwaage der Welt mit Mikrowellen- und Halogenstrahlung

Ulf Sengutta

Einleitung
In praktisch allen Produktionsprozessen der Lebensmittelindustrie sind der Feuchtigkeits- oder Feststoffgehalt des Eingangs-, Zwischen- und Endprodukts ein wesentliches Qualitätsmerkmal und ein bedeutender Kostenfaktor. Es gilt also, die Materialfeuchte bzw. den Trockenmasse-Gehalt möglichst genau und gleichmäßig auf dem optimalen Wert zu halten, der oft als „goldene Mitte“ zwischen Produkteigenschaften und Produktkosten vom Betrieb ermittelt wurde oder durch übergeordnete Bestimmungen und Normen festgelegt ist.

Dieses stellt an die begleitende und überwachende Analytik spezielle Anforderungen, wie z.B. hinsichtlich der Schnelligkeit, der Einbindung in Informationssysteme, Verlagerung der Messung vom analytischen Labor hin zum Produktionsort, robuste Apparaturen sowie einfache Handhabung durch teilweise nur angelerntes Personal. Ferner spielt der Kostenaspekt eine große Rolle bezüglich der Amortisation bei der Anschaffung der entsprechenden Analysensysteme.

Je nach Verfahrensablauf eröffnet der Einsatz eines Schnellanalysen-Systems eine Reihe von Einsparungsmöglichkeiten im Rahmen der Feuchte- bzw. Trockenmasse-Messung:

  • Bessere und gleichmäßigere Qualität der Ausbeute durch exakte Messung und Regelung des „Stoffhaushalts“ in engen Toleranzen
  • Verkürzung des Prozesses durch kürzere Wartezeiten und somit die Verkürzung von Kesselbelegungszeiten
  • Schutz vor Ausschuss durch schnelle Kontrollen = Erhöhung der Ausbeute
  • Verbesserung der Energiebilanz durch schnelle und genaue Steuerung des Verfahrens

Anforderungen an das Messverfahren
Das zu wählende Messverfahren muss für diese Anforderungen in einem weiten Bereich an Feuchte von 0,1 % bis zu 99,99 % präzise und schnell (in wenigen Minuten) einsetzbar sein. Zudem sollen geringfügige Änderungen der Produktzusammensetzung keine negativen Auswirkungen auf das Messergebnis haben. Ferner muss sich das Messgerät von jedermann, auch Mitarbeitern außerhalb des Labors, einfach und in wenigen Arbeitsminuten pro Messung bedienen lassen. Indirekte Messverfahren wie z.B. die NIR-Spektrometrie ermöglichen tatsächlich kürzeste Bestimmungszeiten, die Messung unmittelbar über dem Produktstrom und damit die automatische Regelung des Prozesses. Sie ermitteln die Feuchtigkeit jedoch indirekt, d. h. über den Umweg einer physikalischen Messgröße. Alle indirekten Verfahren müssen daher produktbezogen und sehr aufwendig kalibriert werden, d. h. sie sind nur für Messungen an Produkten geeignet, die bezüglich ihrer chemischen Struktur und physikalischen Eigenschaften bekannt und homogen sind und über lange Zeit unverändert verarbeitet werden. So erschweren z.B. Schwankungen in der Produktfarbe, der Körnung, der Oberflächenbeschaffenheit oder der Schüttdicke und -dichte eine exakte Messung. Direkte Messverfahren wie z.B. die Trockenschrankmethode oder die Mikrowellen-Trocknung müssen nicht produktspezifisch kalibriert werden und reagieren längst nicht so kritisch auf Veränderungen der Produkteigenschaften. Problematisch ist die Zeitintensität der klassischen Analyse mit dem Trockenschrank. Da das Ergebnis häufig erst Stunden später nach Analysenbeginn vorliegt, können schnelle Entscheidungen und ein Eingreifen in die laufende Produktion nicht erfolgen. Über den gesamten Feuchtebereich von 0,1 ‒ 99,9 % gewährleistet die iPower-Trocknungswaage Smart 6 von CEM bei typischen Trocknungszeiten von 2 min. eine deutliche Analysenzeitverkürzung bei gleichbleibender analytischer Güte und stellt somit eine Alternative zur etablierten konventionellen Technik dar.

Universelle Mikrowellen-Trocknung mit Halogenstrahlung = iPower
Die schnellste direkte Messmethode für Feuchte und Feststoff ist die Mikrowellen- Trocknung. Nahezu alle festen, pastösen und flüssigen Produkte lassen sich mittels Mikrowellenstrahlung erwärmen. Bei der iPower-Trocknung werden die polaren Wassermoleküle der Probe (Käse, Saucen, Senf, Mayonnaise, Wurst, Trockenfutter, Milchpulver und ähnliches) einem fokussierten Mikrowellenfeld bei gleichzeitiger Strahlungswärme ausgesetzt, was besonders bei sensitiven Proben, wie z.B. zuckerhaltigen Proben, zu sehr präzisen Messwerten führt.

Typische Anwendungen finden man daher in der Nahrungsmittelindustrie bei Milch- und Fleischprodukten, Soßen, Mayonnaisen, Milchpulver, Käse, Süßwaren, Konzentraten und allen flüssigen bis pastösen Materialien. Im Smart 6 wird das Probengut auf ein saugfähiges Probenträgermaterial gegeben und auf die im Smart 6 eingebaute Waage gelegt. Der Trocknungsverlauf ist direkt an die Erwärmung des Probengutes gekoppelt, so dass hier die Gefahr einer Zersetzung (z.B. bei Kohlenhydraten) der Probe minimiert ist. Ein Temperatursensor regelt die iPower Einkoppelung zur Trocknung und verhindert ein Zersetzen der Probe bei gleichzeitiger kontinuierlicher Wägung. Damit kann das Smart 6 auch für sensible Proben wie Marzipan, Molkekonzentrate, zuckerhaltige Produkte, Konzentrate aus Kaffeekapseln und Stärke … etc. eingesetzt werden. Um die gleiche Genauigkeit zu ermöglichen, die nach den DIN-Methoden mit Trockenschrank und Analysenwaage erreichbar ist, wurde das Smart 6 mit einer eingebauten Waage mit einer Auflösung von 0,0001 g ausgestattet. Diese eingebaute Analysenwaage nimmt ständig das Probengewicht auf und sorgt während des Trocknungsvorganges für die Abschaltung bei Gewichtskonstanz nach wenigen Minuten Messdauer. Der entstandene Wasserdampf wird über ein Ventilationssystem schnell aus dem Probenraum transportiert. Zu den Anforderungen einer kurzen Messzeit und einer hohen Präzision kommt in der Praxis zudem die Frage der Vergleichbarkeit mit der „Standardmethode Trockenschrank“ oder der Karl-Fischer-Titration zum Tragen. Hier zeigen Untersuchungen, dass mit dem Smart 6 vergleichbare richtige Ergebnisse mit höherer Präzision erzielt werden und diese Technologie deshalb uneingeschränkt als Verbesserung der Trockenschrankmethode angesehen wird. Zusätzlich kann die Proben ID mittels Bar Code Reader erfasst werden, die Bedienung erfolgt über einen Touch Screen, der auch die Trocknungskurven darstellt und Videos für die Handhabung und Einarbeitung beinhaltet.

Praktischer Einsatz
Für die Produktion bedeutet dieses: Das Smart 6 kann direkt am Produktionsort aufgestellt werden, eine Probe wird entnommen und ins Smart 6 gegeben. Wenige Minuten später liegt das Ergebnis vor und es können ggf. Maßnahmen zur Nacharbeitung des Produktansatzes getroffen werden bzw. die Freigabe zum Abfüllen erteilt werden. Durch diese Schnellanalytik kann die Kesselbelegungszeit deutlich verkürzt werden, was wiederum erhöhte Produktion und somit erhöhten Ertrag zur Folge hat. Mit derartigen Maßnahmen ergeben sich drastische Einsparpotentiale in der Produktionsüberwachung, die die Anschaffung eines Smart 6 innerhalb weniger Monate amortisiert. Außerdem stellen derartige Technologien eine Festigung des Produktionsstandortes dar.

Zusammenfassung
Der Umfang der Aufgaben in der Prozesskontrolle hat sich in vielen Industriezweigen in den letzten Jahren nicht zuletzt auch aufgrund geänderter Gesetzgebung deutlich geändert. Jetzt sind vermehrt Analysensysteme gefragt, die vor Ort oder direkt im Betrieb (At-Line) eingesetzt werden können.

Vor allem muss bei diesem Einsatzgebiet ein besonderes Maß an Sicherheit und Bedienerkomfort berücksichtigt werden. Hier bietet sich gerade ein universelles Mikrowellen-/Halogen-Trocknungssystem (iPower) zur Feuchtebestimmung bei Gehalten von 0,1 % bis über 99 % an und ist besonders einfach zu handhaben. Daraus ergeben sich neben der Sicherstellung einer gleichbleibenden Qualität zudem erhebliche Einsparpotentiale für die unterschiedlichsten Industriezweige.

Mehr Infos: https://www.youtube.com/watch?v=AxbPr2bgJgo

Kontakt:
CEM GmbH
Pionier und Marktführer in der
Mikrowellen-Labortechnik
Carl-Friedrich-Gauß-Straße 9
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Tel.: 02842 9644 0
Fax: 02842 9644 11
E-Mail: ulf.sengutta@cem.com
www.feuchte-bestimmung.de

Ausgabe Mai/Juni 2019 „Der Lebensmittelbrief/ernährung aktuell”