Feuchtegehalt und andere Produktparameter produktionsnah bestimmen

Online-NIR-Analysatoren

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Mit Hilfe von Online-NIR-Analysatoren können Feuchte-, Fett- und Proteingehalt in Lebensmitteln bestimmt werden. Die NIR-Analysatoren der Quadra-Beam- und Spectra-Quad-Baureihe arbeiten berührungslos und temperaturunabhängig in einer Vielzahl von Anwendungen in der Lebensmittelindustrie. Die Geräte lassen sich problemlos in unterschiedliche Anlagenkonfigurationen einbauen. Zudem können diese Analysatoren in Rechnernetze integriert werden.

Dr. Dieter Köngeter

Der Feuchtegehalt ist in vielen Bereichen der Lebensmittelindustrie ein qualitätsbestimmender Produktparameter. Beispielsweise sind zu feuchte Chips nicht mehr knusprig, und zu trockene Chips zerbröseln zu leicht. Des weiteren hat die Feuchte einen wesentlichen Einfluß auf die Haltbarkeit von Lebensmitteln; deshalb ist für viele Produkte eine maximale Feuchte fest vorgeschrieben. Eine Voraussetzung für viele Verfahrensschritte, beispielsweise Misch-, Extrusions-, Mahl- oder Fritierprozesse, ist, daß sich die Feuchte der Ausgangsprodukte in einem engen Bereich bewegt. Generell kommt also der Feuchtebestimmung eine zentrale Rolle zu. Neben den klassischen Laborverfahren wie der gravimetrischen Feuchtebestimmung mittels Trockenschrank haben sich Online-Meßverfahren etabliert, weil sie in Echtzeit die Überwachung der Feuchte erlauben. Hier entfällt die Notwendigkeit, laufend mit hohem Arbeitsaufwand Proben zu ziehen, in das Labor zu transportieren und dort zu bestimmen. Zudem kann man mit diesen Verfahren schnell auf Prozeßstörungen reagieren, so daß die Ausschußmenge deutlich reduziert werden kann. Eine Prozeßführung in engen Grenzen ist möglich, weil zuverlässige Meßwerte praktisch verzögerungsfrei zur Verfügung stehen. Besonders elegant und seit vielen Jahren praxisbewährt ist die Verwendung von Nah-Infrarot-Licht (NIR) zur Online-Analyse. Es handelt sich hierbei um ein berührungsloses und einfach zu installierendes Meßverfahren. Im allgemeinen wird ein NIR-Reflexionsverfahren angewandt: Der Analysator beleuchtet das Produkt mit NIR-Licht spezifischer Wellenlängen und mißt die Menge des vom Produkt reflektierten NIR-Lichtes.
Mit NIR-Analyseverfahren kann aber nicht nur der Feuchtegehalt gemessen werden. Es lassen sich ebenso weitere, für die Lebensmittelindustrie wichtige und qualitätsbestimmende Produktbestandteile wie Fett und Protein zuverlässig in Echtzeit bestimmen.
Physikalische Grundlagen
O-H-Bindungen in Wasser oder C-H-Bindungen in organischen Stoffen absorbieren NIR-Licht bei ganz spezifischen Wellenlängen, die für den jeweiligen Bindungstyp kennzeichnend sind. Beispielsweise liegen für Wasser spezifische Absorptionsbanden bei 1,4 µm und bei 1,9 µm, im Unterschied dazu absorbiert Fett bei 1,7 µm und bei 2,3 µm (Abb. 1). Liegen die zu untersuchenden Produktbestandteile in hoher Konzentration vor, wird wenig NIR-Licht der entsprechenden Wellenlänge reflektiert und umgekehrt.
Mit einer Intensitätsmessung bei der betreffenden Wellenlänge läßt sich jedoch noch keine praxistaugliche Meßtechnik aufbauen, weil Intensitätsschwankungen oder Schwankungen des Abstandes zwischen Meßkopf und Produkt die Messung stören würden. Daher wird zusätzlich die Reflexion durch das Produkt bei Referenzwellenlängen links und/oder rechts von der Meßwellenlänge bestimmt. Diese Vorgehensweise hat einen weiteren Nutzen: Durch die geeignete Auswahl der Referenzwellenlängen lassen sich in vielen Fällen Querempfindlichkeiten wie Sorten-, Farb- und Oberflächeneinflüsse kompensieren.
Geräteinterne Vergleichsstrahlen führen beim patentierten Quadra-Beam(r)-Meßprinzip zu einer weiteren Verbesserung der Langzeitstabilität (Abb. 2). Diese internen Vergleichsstrahlen werden von derselben Lichtquelle wie die externen Strahlen emittiert, passieren dasselbe Filterrad und treffen auf denselben Detektor. Während bei einfacheren Systemen jede spektrale Drift zu einer Drift des Meßergebnisses führen muß, werden beim Quadra-Beam-Meßprinzip die Intensitätsverhältnisse bei den einzelnen Wellenlängen fortlaufend gegeneinander abgeglichen.
Quadra-Beam- und Spectra-Quad-Analysatoren
Gegenüber dem bekannten NIR-Online-Analysator Quadra-Beam 6500 hat der Quadra-Beam-6600-Meßkopf eine weiterentwickelte Elektronik. Im Vergleich zum Vorgängermodell verfügt er über eine wesentlich verbesserte Empfindlichkeit und Stabilität. Mit ihm lassen sich Meßaufgaben lösen, für die bisher die NIR-Meßtechnik nicht in Frage kam.
Die Spectra-Quad-Online-Analysatorfamilie arbeitet nach dem Quadra-Beam-NIR-Meßverfahren. In bezug auf den Aufbau unterscheidet sie sich von anderen Online-Analysatoren dadurch, daß der klassische Meßkopf und die Prozessor-Auswerteeinheit in ein einziges Meßkopfgehäuse, den Smart-Sensor, integriert sind. An einer separaten Datenbox kann man je nach Ausführung die aktuellen Meßwerte ablesen oder Bedienereingriffe vornehmen. Standardmäßig lassen sich die Meßköpfe in ein Ethernet-Rechnernetz integrieren. Optional ist eine Profibus-Schnittstelle erhältlich. Derzeit umfaßt die Spectra-Quad-Familie folgende Geräte: Das Spectra-Quad 4000 vereint die Vorzüge der Detektorelektronik des Quadra-Beam 6600 mit der integrierten Smart-Sensor-Technologie der Spectra-Quad-Familie. Mit dem Spectra-Quad 4000 läßt sich eine Produktkomponente wie Feuchte oder Fett zuverlässig und genau bestimmen. Das Flaggschiff der Spectra-Quad-Familie ist momentan das Spectra-Quad 5000. Mit diesem Gerät können bis zu drei Produktbestandteile, beispielsweise Feuchte, Fett und Protein, unabhängig voneinander bestimmt werden. Mit der Gerätesoftware ist auch die Verwendung von benutzerspezifischen Auswertealgorithmen möglich.
Ein wesentlicher Vorteil der NIR-Online-Meßtechnik ist, daß sie problemlos an unterschiedliche Prozeß- und Meßbedingungen angepaßt werden kann. Bei Messungen auf einem Förderband kann man den Sensor einfach über dem Band montieren. In Rohren oder Trögen erfolgt die Messung über ein Sichtfenster oder ein spezielles Meßrohr. Letzteres kommt auch bei Messung in Fließbettrocknern zum Einsatz. Ein Powder-Sampler, er verfügt über keine beweglichen Teile, ermöglicht Messungen im Fallstrom, beispielsweise nach einem Trockenturm oder in einer pneumatischen Förderanlage (Abb. 4). Standardmäßig vorhandene Luftspülanschlüsse am optischen Fenster des Meßkopfes garantieren einen störungsfreien Einsatz der Geräte in staubiger Umgebung. Optional sind die Meßgeräte auch mit Edelstahlgehäuse erhältlich.
Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Lebensmittelindustrie
Der Online-Analysator Spectra-Quad 5000 bestimmt bei der Milchpulverproduktion direkt nach dem Sprühturm den Feuchte-, Fett- und Proteingehalt des Endprodukts. Eine weitere Anwendungen im Bereich der Milchverarbeitung ist die Feuchtemessung an Caseinat. Auch in Kaffeeröstereien werden die beschriebenen Geräte eingesetzt. Sie dienen hier zur Bestimmung des Feuchtegehalts von gemahlenem Kaffee direkt hinter der Mühle. Zudem ist auch eine Online-Feuchtemessung an ganzen Kaffeebohnen möglich. Weiterhin werden die NIR-Online-Analysatoren für die Lösung folgender Meßaufgaben eingesetzt:
• Feuchtemessung an Mais-, Weizen- oder Kartoffelstärke zur Optimierung des energieintensiven Trocknungsprozesses,
• Bestimmung des Feuchte- und Proteingehaltes an Kartoffelmehl und -flocken sowie zusätzlich des Fettgehalts an Kartoffelchips,
• Erfassung des Feuchtegehalts in Teigen, Keksen, Tortenböden oder Paniermehl,
• Bestimmung des Feuchte- und Fettgehalts in Schokolade.
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