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Vollautomatische pH-Messung von Kakaobutter

Schokoladenproduktion ohne Zeitverlust
Vollautomatische pH-Messung von Kakaobutter

Die pH-Messung in klebrigen und viskosen Medien ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Bei der Verarbeitung von Kakaobutter kommen noch die hohen Anforderungen der Lebensmittelindustrie an Hygiene und Sicherheit hinzu. Ein führender deutscher Hersteller von Schokoladenwaren setzt für diese Anwendung auf die Kombination der Wechselarmatur Ceramat mit dem automatischen Sensor Maintenance System Unical.

Die Herstellung von Schokolade ist anspruchsvoll. Bevor das fertige Produkt den Verbraucher begeistert, sind zahlreiche Produktionsschritte erforderlich. Der erste wichtige Schritt findet bereits direkt nach der Ernte der Kakaobohnen statt: Bei der Fermentation, einem biochemischen Gärprozess, verändert sich der ursprünglich bitter-herbe Geschmack und es entstehen die Vorstufen der gewünschten Aromen, die sich beim anschließenden Trocknen und Rösten dann endgültig ausbilden.

pH-Wert als Qualitätsmerkmal

Aufgrund der Fermentation ist der pH-Wert in Kakaobohnen relativ sauer und liegt etwa bei 5,0 bis 5,5. Zunächst werden die Kakaobohnen geschält und gemahlen und im Anschluss wird durch Pressen die Kakaobutter abgetrennt. Der pH-Wert der Kakaobutter ist ein wichtiger Indikator für die Produktqualität. Er muss daher während der Schokoladenproduktion kontinuierlich überwacht werden. Flüssige Kakaobutter ist allerdings auch oberhalb der Schmelztemperatur von 60 °C viskos und neigt zum Verkleben. Für die Messtechnik stellt dieses Medium deswegen eine echte Herausforderung dar.

Bei einem führenden deutschen Schokoladenhersteller wurden in der Vergangenheit aus diesem Grund regelmäßig Proben genommen, deren pH-Wert dann im hauseigenen Qualitätssicherungslabor kontrolliert wurde. Diesen zeitaufwendigen und arbeitsintensiven Vorgang wollten die verantwortlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in der Qualitätssicherung optimieren. Einer pH-Messung, die direkt im Prozess integriert ist, werden die hohen Anforderungen der Lebensmittelindustrie abverlangt. So müssen etwa alle Komponenten für Cleaning in Place (CIP) und Sterilazation in Place (SIP) geeignet sein. Außerdem dürfen auf keinen Fall Fremdkörper wie Glassplitter unbemerkt in die Kakaobutter gelangen. Ein Lösungsansatz für diese Anwendungen sind Wechselarmaturen, bei denen der Sensor immer nur kurzfristig mit dem Medium in Berührung kommt und danach gereinigt werden kann. Bei den ersten Versuchen des Schokoladenherstellers mit dieser Technologie wurden Wechselarmaturen verwendet, die mit Schubstangen arbeiten. Diese Armaturen erwiesen sich allerdings als ungeeignet, da sich die Mechanik sehr schnell mit ausgehärteter Kakaobutter zusetzt und so eine weitere Messung unmöglich gemacht hat.

Vollautomatische Inline-Messung

Eine Lösung für diese anspruchsvolle Messaufgabe fanden die Verantwortlichen dann in einem System von Knick, das aus einer Kombination der Wechselarmatur Ceramat mit dem automatischen Sensor Maintenance System Unical besteht. Diese Wechselarmatur arbeitet mit einer patentierten keramischen Abdichtung, wodurch das Problem, dass die Mechanik durch aushärtende Kakaobutter blockiert, umgangen wird.

Die vollautomatische programmierbare elektropneumatische Steuerung Unical 9000 steuert die Wechselarmatur an. Sie kann den Sensor aus dem Prozess entfernen und reinigen. Dazu pumpt die Steuerung die notwendigen Reinigungs- und Spüllösungen aus den angeschlossenen Vorratsbehältern vollautomatisch in die Kammer der Ceramat-Wechselarmatur. Bei Bedarf kann anschließend eine Kalibrierung des Sensors mit den passenden Pufferlösungen erfolgen. Alle notwendigen Schritte führt die Steuerung in frei parametrierbaren Intervallen vollautomatisch durch, ohne dass ein Benutzer eingreifen muss.

Hohe Messgenauigkeit

Für die Messung wurde der pH-Sensor SE555 mit Glaselektrode eingesetzt. Da dieser immer nur kurzfristig mit dem Medium in Berührung kommt, ist die Verwendung einer Glaselektrode in dieser Anwendung vertretbar. Zur Datenübertragung an die Auswerteelektronik kommt die digitale Memosens-Technologie zum Einsatz. Dadurch sind Messfehler durch Störungen (auch Glasbruch) auf der Signalleitung praktisch ausgeschlossen. Gleichzeitig ermöglicht die Memosens-Technologie eine galvanische Trennung zwischen Messelektrode und Auswerteelektronik. Um die Messwerte zu erfassen, ist der Sensor an das Analysenmesssystem Protos 3400 angeschlossen. Die Anbindung an das übergeordnete Prozessleitsystem (PLS) ist über Profibus PA realisiert. Dazu wird das flexible Protos-System einfach mit dem entsprechenden Kommunikationsmodul ausgestattet. Die Messung des pH-Werts kann direkt vom PLS ausgelöst werden. Der Sensor taucht dann in die Kakobutter ein, das Analysenmesssystem übermittelt den Messwert an das PLS, und anschließend wird der Sensor in der Ceramat-Wechselarmatur gereinigt und eventuell kalibriert. Der gesamte Vorgang läuft vollautomatisch und sehr schnell ab. Der Zeitverlust, der bei der Messung im Labor der Qualitätssicherung aufgetreten war, ist mit dieser Methode auf ein Minimum reduziert. Mit der Busanbindung über Profibus PA lassen sich auch Fehlermeldungen und Alarme direkt an das PLS übermitteln.

Das neue System sorgt für substanzielle Einsparungen, da viele manuelle Tätigkeiten rund um die Probennahme und pH-Messung im Labor entfallen können. Auch von der Genauigkeit der Messung ist der Schokoladenhersteller positiv überrascht: Die Messwerte der pH-Messungen der Inline-Messung und der Messung im Labor zeigen nur eine Abweichung von 0,01.

Knick Elektronische Messgeräte GmbH & Co. KG, Berlin


Autor Dr. Michael Kogej

Leiter Applikations- und
Serviceteam,

Knick

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