Leitfähigkeit und pH-Wert exakt bestimmen

Dipl. Ing. Hermann Hüter

Seit ca. drei Jahrzehnten wird in der Lebensmittelindustrie die Leitfähigkeit zur Steuerung von CIP-Anlagen erfolgreich genutzt. Zur Konzentrationsaufschärfung und zur Trennung von Wasser und Lauge sowie Säure und Wasser im Reinigungsrücklauf hat sie sich bestens bewährt (Abb.1).

Das kompakte induktive Leitfähigkeitsmesssystem Smartec S (Abb. 2) ist bereits mit vier Konzentrationskurven für Natronlauge (NaOH), Salpetersäure (HNO3), Schwefelsäure (H2SO4) und Phosphorsäure (H3PO4) in dem für CIP-Anlagen notwendigen Konzentrationsbereich ausgerüstet. Des Weiteren lassen sich nochmals vier Konzentrationstabellen für die jeweils im Einsatz befindlichen Reinigungsmittel eingeben. Damit ist eine sehr gute Überwachung und Einstellung der Reinigungsmittelkonzentration sicher gestellt.

Das wartungsfreie Messsystem ist selbstüberwachend und überprüft regelmäßig seine Sensor- und Bauteilefunktion. Kommt es zu einer Abweichung, gibt das Gerät über ein separates Relais sofort Alarm. Das polierte Edelstahlgehäuse ist in IP 67 ausgeführt und mit einer großen Profildichtung (EPDM) und einer Atmungsmembran bestückt. Damit ist Smartec S problemlos in Feuchträumen mit wechselnden Temperaturen einsetzbar. Die Konstruktion ist so gestaltet, dass das Gerät auch mit den in der Lebensmittel-industrie üblichen Hochdruckreinigern abgespritzt werden kann.

Bei verschiedenen Produktionsabläufen stellt sich das Problem, dass ein flüssiges Produkt durch ein anderes, ebenfalls flüssiges Medium, aus einer Rohrleitung verdrängt werden muss. Da eine Kolbenströmung nicht zu realisieren ist, ergeben sich zwischen beiden Medien stets sogenannte Misch- oder Übergangsphasen. In diesen Mischphasen erfolgt die Produkt/Wasser-Trennung über die Messung der elektrischen Leitfähigkeit. Im Gegensatz zu anderen Verfahren, wie Fluoreszenz- oder Trübungsmessung, ist es mit dieser Methode möglich, sowohl in klaren Medien (Wasser, Bier, Wein, Säfte), als auch in trüben Produkten (Milch, Jogurt, Würze, naturtrübe Fruchtsäfte) die Konzentrationsverläufe mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Da die Mischphase in einer Rohrleitung sehr schnell durchlaufen wird, ist es notwendig, einen schnell ansprechenden Messsensor mit einem ebenfalls schnell ansprechenden Temperaturfühler einzusetzen (Abb. 3). Der aus chemisch, mechanisch sowie thermisch hochbeständigem Peek (Polyetheretherketon) gespritzte Sensor ist fugenlos und ohne Hinterschneidungen, so dass eine biologische Reinfektion durch Nesterbildung ausgeschlossen ist. Zur schnellen Temperaturkompensation ist ein V4A-Temperaturfühler, der in kleiner 8 s t 90 erreicht, aus dem PEEK-Material herausgeführt. Die Sensoren können in einem Temperaturbereich von -5 °C bis +125 °C eingesetzt werden und sind bis 140 °C sterilisierbar.

Smartec S ist mit allen gängigen Prozessanschlüssen, wie Milchrohrverschraubung DN 50, Clamp 20, SMS 20, APV- und Variventflansch lieferbar. Auch spezielle Sterilanschlüsse sind als technische Sonderlösung möglich.

Für die Medientrennung hat der Smartec S die Messbereichsfernumschaltung, mit der es möglich ist, für vier Produkte individuell den Trennpunkt und den individuellen Temperaturkompensationsfaktor (a-Wert) festzulegen, um eine hochgenaue Trennung für jedes Medium zu gewährleisten.

Die Geräte sind standardmäßig sowohl mit 4…20 mA-Stromausgang und Hart-Protokoll, als auch mit den heute gängigen Busprotokollen, wie Profibus-PA, Profibus-DP und Fieldbus Foundation (in Vorbereitung) verfügbar.

Der pH-Wert ist einer der wichtigsten Parameter in der Produktion von Lebensmitteln. Er bestimmt die jeweilige Enzymaktivität. Die Endopeptidasen, die für den Eiweißabbau in der Maische beim Bierbrauen verantwortlich sind, benötigen beispielsweise ein pH-Milieu von pH 5,0. Das Labenzym, das bei der Käseproduktion die Milch dicklegt, benötigt einen Wert von pH 6,2.

Obwohl also der pH-Wert in der Lebensmittelproduktion ein wichtiger Regelparameter ist, wird er dennoch überwiegend nur im Labor und nicht inline im Prozess gemessen, was sehr ineffektiv und zudem teuer ist. Natürlich werden bei der Inline-Messung hohe Anforderungen an die Reinigbarkeit der in den Prozess eingebrachten Sensoren und Armaturen gestellt.

Im Gegensatz zur Labormessung wird hier die Glaselektrode den unterschiedlichsten Dauerbelastungen ausgesetzt. Chemische Einflüsse der heißen und kalten Säuren und Laugen der CIP-Reinigung dehydratisieren die pH-sensitive Schicht an der Glasmembran. Hohe Temperaturen beim Dampfsterilisieren lassen das Glas vorzeitig altern und führen so zu einem Verlust der Steilheit.

Referenzseitig kann das Diaphragma (meist Keramik) durch Fette und Proteine verblockt werden, was zu einer erheblichen Messwertverfälschung führen kann. Nicht komplett spritzwasserfeste Elektrodenstecker und Kabelverbindungen erzeugen immer wieder Störungen.

Moderne pH-Prozesselektroden wie die gelgefülllte Orbisint oder die mit flüssigem KCl gefüllte Ceraliquid (Abb. 4), besitzen eine pH-sensitive Prozess-Glasmembran, die im kalten, schwach sauren und sauren pH-Bereich des Produktes (z.B. Bier pH 4,4 bei 0 °C) sehr gut misst. Diese Glasmembran wird darüber hinaus durch die Säuren und Laugen der CIP-Anlagen nur wenig attackiert, d. h. ihr Säure- oder Alkalifehler liegt nach dem CIP-Reinigen bei max. 0,1 pH. Die spezielle Glasrezeptur gewährt eine lange Standzeit auch bei extrem unterschiedlichen Prozessbedingungen. Selbstverständlich sind diese Elektroden alle dampfsterilisier- oder autoklavierbar.

Orbisint, die gelgefüllte pH-Kombielektrode, ist mit einem sehr großflächigen Ringdiaphragma aus spezial gesintertem PTFE ausgerüstet. PTFE ist schmutzabweisend und behindert somit die Anlagerung von Fetten und Proteinen am Diaphragma. Des Weiteren ist durch die enorme Oberflächenerweiterung eine längere fehlerfreie Funktion des Referenzsystems gewährleistet.

Nicht immer ist die gelgefüllte Elektrode die adäquate Lösung im Prozess. Wenn es sich um schnell wechselnde pH-Sprünge oder um hoch protein- und fetthaltige Medien handelt, ist eine druckbeaufschlagte, flüssig gefüllte Elektrode besser geeignet. Ceraliquid, die flüssig gefüllte Kombielektrode, ist mit einem Zirkondioxid-Diaphragma bestückt, das durch ein patentiertes Produktionsverfahren eine konstante Porengröße aufweist und somit einen konstanten KCl-Durchfluss (0,65 ml/d) garantiert. Dieser Durchfluss ist wichtig, denn durch ihn wird das Diaphragma freigespült und somit eine driftfreie pH-Messung ermöglicht. Der austretende Elektrolyt birgt aufgrund seiner hohen Konzentration und der geringen Mengen kein Kontaminationsrisiko für das produzierte Lebensmittel.

Um wirklich korrekt den pH-Wert im Prozess zu bestimmen, ist es notwendig, gleichzeitig die Temperatur zu messen und die Temperaturkompensation mit dem aktuell gemessenen Wert durchzuführen. Daher sind sowohl die Orbisint- als auch die Ceraliquid-Elektroden mit einem integrierten PT 100-Temperaturfühler ausgerüstet, der direkt in der Elektrodenspitze hinter dem pH-sensitiven Glas sitzt. Dies hat den Vorteil, dass sowohl beim Messen, als auch beim Kalibrieren der wirkliche Temperaturwert erfasst wird und somit eine exakte Messung und Kalibrierung gewährleistet sind.

Feuchtigkeitsbrücken führen bei der hochohmigen pH-Messung immer sofort zu Kurzschlüssen. Das pH-Elektrodensteckersystem TOP 68 (Abb. 5) ist in IP 68 ausgeführt und somit mehr als nur spritzwassergeschützt. Die Abdichtung erfolgt über einen O-Ring auf dem Elektrodenkopf, der radial mit der Kupplung dichtet. Der Stecker und die Kupplung sind aus festem, hochbeständigen PPS-Material. Der Isolator, in dem die zwei, vier oder sechs Kontaktstifte eingearbeitet sind, ist aus weichem, hydrophoben PFA-Kunststoff. Dies ermöglicht ein spaltfreies Einbetten der Kontakte und erlaubt somit auch ein offenes Autoklavieren. Da PFA das Wasser abstößt und nur mikrofeine Tröpfchenspuren auf der Oberfläche verbleiben, kann es zu keiner Feuchtigkeitsbrücke kommen, wenn der Stecker beim Ein- oder Ausbauen einmal nass geworden sein sollte.

Um die pH-Sensoren in den Prozess einzutauchen, werden Wechselarmaturen eingesetzt, die mit entsprechenden Steuerungen eine Reinigung während des Prozesses, eine Wässerung während der Stillstandzeiten, ein Zurückziehen während der CIP-Phasen oder eine automatische Reinigung und Kalibrierung der pH-Sonde ermöglichen.

Die pH-Wechselarmatur Probfit CPA 465 (Abb. 6) ist aus poliertem Edelstahl gefertigt und mit allen in der Lebensmittelindustrie typischen Prozessadaptionen, wie Milch-rohradapter DN 50, Clamp 20-Adapter, APV- und Varivent-Adapter ausrüstbar.

Die Elektrode ist in einem metallischen Rohr geführt und mit einem O-Ring abgedichtet. Die pH-sensitive Glasmembran ist nochmals mit vier Stegen gegen mechanische Kräfte bzw. Beschädigungen geschützt. Zur Reinigung oder Kalibrierung wird die Elektrodenführung samt der Elektrode pneumatisch aus dem Prozess gefahren. Dabei werden noch anhaftende Produktreste von einer Formdichtung abgestreift. Diese Formdichtung aus EPDM ist ohne Hinterschneidungen in die Armatur integriert und hat eine viel höhere Festigkeit, als die sonst üblich eingesetzten O-Ringe. Somit sind die Wartungsintervalle für diese Dichtungen weitaus größer als bei O-Ringen. Sollte es doch einmal zu einer Verletzung einer Dichtung kommen, ist dies sofort durch eine Leckageanzeige sichtbar.

Die Probfit CPA 465 hat in den USA die 3A-Sanitary-Equipment-Zulassung und von der TNO in Holland eine Zertifizierung der Dampfsterilisierbarkeit nach den Vorschriften der European Hygienic Equipment Design Group (EHEDG).

Die pH-Messumformer der Mycom- und Liquisys-Serie sind mit einer Vielzahl von Funktionen ausgestattet, die eine pH-Messung sicherer und einfacher bedienbar machen:

• einfache 2-Punkt-Kalibrierung mit Plausibilitätsprüfung

• Sicherheitsfunktion durch Sensor- und Prozess-Check-Systeme, wie Life-Check-Alarm des Sensors

• Sensor-Check-System für das pH-Glas detektiert Haarrisse und Glasbruch

• Sensor-Check-System für das Referenzsystem detektiert Verschmutzungen bzw. Verblockungen der Referenzelektrode.

Alle Geräte sind außer mit dem traditionellen 4…20 mA-Ausgangssignal für den pH- und Temperaturmesswert auch mit Profibus PA-Protokoll lieferbar.

Als Unternehmen der weltweit tätigen Firmengruppe Endress + Hauser zählt Endress +Hauser Conducta, Gesellschaft für Mess-und Regeltechnik mbH, zu den Spezialisten für die Analytik und Sensorik in der Umwelt- und Prozessindustrie. Gegründet wurde das Unternehmen 1970 in Stammheim, 1977 erfolgte die Integration in die Endress + Hauser Gruppe.

Das in Gerlingen beheimatete Unternehmen mit mittlerweile weltweit ca. 380 Beschäftigten unter der Leitung von Dr. Wolfgang Babel konnte in 1999 seine Position deutlich ausbauen. Ausschlaggebend hierfür waren die im vergangenen Jahr getätigten Akquisitionen der Firmen Innovative Sensors Inc. in Anaheim (Kalifornien) und der beiden deutschen Töchter Dr. Staiger-Mohilo Umwelttechnik und Exner Prozesstechnik. Der Erwerb von ISI machte das Unternehmen nach eigenen Angaben zur Nummer eins auf dem Gebiet der pH-Sensorik in der Prozessindustrie.

Bedingt durch die Expansion konnte auch der Aufbau der hochmodernen Leiterplattenbestückung in Gerlingen in 1999 vorangetrieben werden. Hierdurch konnten allein dort mehr als 20 neue Arbeitsplätze geschaffen werden.

Endress + Hauser Conducta liefert Messstellen, die aus Probenehmer, Sensor, Prozessanschluss und Messumformer bestehen – und das kombiniert mit moderner Feldbustechnologie bis hin zur Internetanbindung. Damit lassen sich der Säuregehalt (pH-Wert und Leitfähigkeit), der Sauerstoff- und Chlorgehalt, der Feststoffgehalt, die Trübung sowie der Ammonium-, Nitrat- und Phosphatgehalt von Flüssigkeiten bestimmen.

Weitere Informationen:

Leitfähigkeitsmesstechnik dei 200

pH-Elektroden dei 201

TOP 68 dei 202

Wechselarmaturen dei 203

Messumformer dei 204