Wechselwirkung mit den Wasserdipolen

Dr. Jochen Scholz

Ob bei Kaffee, Getreide, Backwaren oder Parboiled Reis – die Kenntnis des Feuchtegehalts von Rohstoffen, Zwischen- und Endprodukten ist für die Produktion und den Handel von Nahrungsmitteln entscheidend. So bestimmt die Materialfeuchte eines Zwischen- oder Endprodukts seine Verarbeitbarkeit und Lagerfähigkeit und wirkt sich oft auf die Qualität der Produkte aus.

Die Liste der möglichen Anwendungen der Feuchtemesstechnik ist so vielfältig wie die Diversität industrieller Produkte. Spätestens seit der PAT-Richtlinie der FDA nimmt die Bedeutung von onlinefähigen Feuchtemessmethoden, also von Systemen, die den Feuchtegehalt kontinuierlich während des laufenden Prozesses ermitteln, stetig zu. Dies gilt auch für die Lebensmittelindustrie.

In den meisten Qualitätssicherungslaboren werden nach wie vor die klassischen direkten Feuchtemessmethoden wie die Karl-Fischer-Titration oder die Trockenschrankmethode eingesetzt. Da sich diese nicht für die Online-Feuchtemesstechnik eignen, muss auf indirekte Methoden zurückgegriffen werden. Hier gibt es bereits ein breites Spektrum an messtechnischen Ansätzen. Als erfolgreich haben sich vor allem zerstörungsfreie Methoden herausgestellt, die die Wechselwirkung von feuchtem Messgut mit elektromagnetischen Wellen und Feldern nutzen. Soll dabei nicht nur die Oberfläche analysiert, sondern das Messgut komplett erfasst also sozusagen durchleuchtet werden, müssen langwellige elektromagnetische Strahlungen bzw. elektromagnetische Wechselfelder verwendet werden.

Das Mikrowellen-Resonanz-Verfahren, kurz MWR, ist eine solche Methode. Im Unterschied zu anderen artverwandten Verfahren, wie die Mikrowellen-Transmission oder kapazitive Verfahren, funktioniert MWR unabhängig von der Schüttdichte. Der Grund: Die durch den Wassergehalt des zu prüfenden Gutes hervorgerufene Dämpfung und Verstimmung der Resonanzkurve eines Mikrowellen-Resonators wird simultan gemessen. Dabei werden elektromagnetische Wellen im Bereich von 1 bis 3 GHz verwendet, dem selben Frequenzbereich, der von Mobil-Telefonen verwendet wird. Vergleicht man die Sendeleistung eines Handys mit der 100-fach geringeren Leistung eines MWR-Sensors, wird klar, dass die MWR-Messung keinen schädlichen Einfluss auf Messgut und Umgebung hat.

Das MWR-Prinzip beruht auf der Wechselwirkung der Wasserdipole mit dem elektromagnetischen Feld. Es ist also ein weitestgehend wasserselektives Messverfahren. Der Einfluss des Messgutes wird nur durch die Bindung des Wassers an die Hauptbestandteile des zu analysierenden Materials dominiert. Das bedeutet, dass Matrixeffekte wie Rezepturänderungen oder Rohstoffschwankungen nur wenig Einfluss auf die Kalibration des Verfahrens haben. Der Nutzen für den Anwender: Der Kalibrationsaufwand ist gering und die einmal angelegte Kalibration langzeitstabil.

Das kontinuierlich arbeitende Online-Feuchtemesssystem PMD325PA von Sartorius basiert auf der MWR-Technologie. Es ist in der Lage, bis zu 800 Einzelmessungen pro Sekunde zu verarbeiten, was den Einsatz des Systems auch bei hohen Produktgeschwindigkeiten erlaubt. Dank der kontinuierlichen und präzisen Ermittlung des Feuchtegehalts und der sich daraus ergebenden Steigerung der Prozesssicherheit und Senkung der Prozesskosten amortisieren sich Online-Feuchtemessgeräte in kürzester Zeit.

Die MWR-Technologie hat sich bereits in verschiedenen Anwendungen bewährt. So wird in verschiedenen Prozessschritten der Kaffeeproduktion – von der grünen Bohne bis zum fertigen Röstkaffee – die Fähigkeit der MWR-Technik zur Gesamtfeuchtebestimmung (Kern- und Oberflächenfeuchte) ausgenutzt. Auch bei der Produktion von Frühstückscerealien ist es wichtig, nicht nur die Oberflächenfeuchte zu messen. Hier nutzt man außerdem den Vorteil aus, dass die MWR-Technologie auch bei inhomogenen Gemischen erfolgreich eingesetzt werden kann. Bei der Feuchtebestimmung in Pulvern am Auslass von Mischern mit hohen Durchsätzen im Batchbetrieb zeigt die Unabhängigkeit von der Schüttdichte ihre Stärken, denn die Schüttdichte im Produktstrom ändert sich an dieser Stelle permanent.

Von Bypass-Lösungen in Rohrsystemen bis zur 100-%-Kontrolle mitten im Produktstrom – die MWR-Technologie lässt sich in fast jeder Einbausituation nutzen. Die Sensoren sind so aufgebaut, dass auch der Einsatz in Gas- und Staub-Ex-Zonen möglich ist, wie das Beispiel einer erfolgreichen Installation in einer Rapsölmühle zeigt.

Online-Info www.dei.de/0410447