Headspace-Technik erleichert die VOC-Analyse an Getränkedosen

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Ball Packaging Europe Holding GEs. mbH & Co. KG

Zur Analyse sticht eine extraharte Headspace-Nadel durch den Dosenboden und zieht den Dampfraum ab. Zwei Magnetventile regeln dabei den Druck. Im Flussweg sind anstelle von Ventilen zwei Restriktionen montiert. Eine Restriktion befindet sich direkt vor der Probe. Sie verhindert, dass Analyten durch Diffusion verloren gehen und stellt sicher, dass der Druck im System konstant bleibt, auch wenn die Probe entnommen wird. Die zweite Restriktion ist zwischen Probenschleife und Detektor installiert. Sie wird benötigt, um die Probenschleife zu füllen, kann allerdings bei Bedarf Analyten auch trennen, sofern es sich um eine Chromatographiesäule handelt. „Ohne eine Säule ähnelt das System normalen Laboraufbauten mit kommerziellen Headspace-Samplern als Probenaufgabesysteme für elektronische Sensorsysteme“, sagt Dr. Kleine-Benne.

Für die VOC-Analyse bei Ball Packaging Europe wurde eine drei Meter lange DB5-MS-Trennsäule verwendet. Mithilfe einer so kurzen Säule wird die Probe zwar nicht aufgetrennt, man erhält jedoch einen Peak. Dieser Peak lässt sich zur Ermittlung des Summensignals – wie in der Chromatographie üblich – über Fläche oder Höhe quantifizieren.

Die Probe aufs Exempel

Ball Packaging Europe setzte zunächst das QCS1 mit einem FID ein, um die neuen Ergebnisse mit denen von Headspace-GC/FID-Systemen vergleichen zu können. Die Responsefaktoren für alle relevanten Komponenten gegen Ethanolkalibrierung sind bekannt. Eine Schwelle von 1 ppm für die Gesamt-VOC-Emissionen, die gegen Ethanol kalibriert sind, beeinträchtigt die Produktqualität nachweislich nicht.

In einem weiteren Versuch wurde der Headspace-Sampler mit einem MOX-Sensor ausgestattet. Der Sensor fungiert als Detektor für reduzierende Gase und kann zur Detektion von Kohlenwasserstoffen eingesetzt werden; allerdings unterscheiden sich die Responsefaktoren im Vergleich zum FID. Der Vorteil: Statt mit Verbrennungsgasen arbeiten MOX mit synthetischer Luft. Auf diese Weise kann das System als Werkzeug der Qualitätskontrolle in unmittelbarer Nähe der Produktion eingesetzt werden.

„In Konfiguration mit einem FID oder einem MOX-Sensor erweist sich das QCS als effizientes Hilfsmittel für die Messung der Gesamt-VOC-Emissionen als summierte Parameter“, berichtet Kühl und ergänzt: „Damit können wir sicherstellen, dass VOC-Emissionen einen vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreiten.“ Sind detailliertere Informationen gefragt, lässt sich statt des FIDs oder MOX-Sensors über Transferleitung ein GC/MS-System anschließen. Die VOC werden im Kalt-Aufgabe-System (KAS) cryofokussiert und angereichert, sodass sich alle relevanten Verbindungen identifizieren und einzeln bestimmen lassen.

Fazit

Seit zwei Jahren läuft das QCS nun schon bei Ball Packaging Europe. Das System ist einfach in der Handhabung und liefert sehr gute reproduzierbare Daten. Die bisher sehr aufwändige Probenvorbereitung entfällt. Die Dosen können bereits vor der Analyse im Trockenschank auf Temperatur gebracht werden, sodass sich bereits frühzeitig ein Gleichgewicht der Analyten im Headspace einstellen kann. Auf diese Weise reduziert sich die Analysedauer auf maximal zwei Minuten.

Material und Methode

Säulenabmessungen und Headspace-Parameter

Säulenabmessungen des QCS1:

Restriktion: 48 cm, Edelstahl, Innendurchmesser 0,2 mm
Säule: 3 m DB 5 MS, Innendruchmesser 0,25 mm, Filmdicke 0,25 µm
Probenschleife: 2 mL

Headspace-Parameter des QCS:

Temperaturen: Probe 150 °C, Probenschleife 150 °C, Säule 150 °C
Zeiten: Equilibrierung 2 min, Probendruckaufbau 1 min, Füllung der Probenschleife 0,5 min, Gesamtanalyse 2,1min, Purge 0,2 min, Dekompression 0,05 min
Pneumatik: He, P1 = 100 kPa, Probennahme He, P2 = 50 kPa, Analyse

Hintergrund: Das Quality-Control-System (QCS) von Gerstel

Single-Shot-Headspacesampler auf der Basis von Deans Schaltprinzip (keine Ventile im Weg des Probenflusses).
Probennahmetemperatur maximal 200 °C, Transfertemperatur maximal 200 °C.
Stand-alone-FID oder MOX-Sensoren zur Gesamtkohlenwasserstoffbestimmung.
Optional: Transferline zu einem KAS-GC/MS-System, Anreicherung der Probe möglich.
Probennahme aus 10-mL-Headspacevials bis zu 0,5-L-Getränkedosen möglich durch einfaches Austauschen der Probenkammer.
Probennahme erfolgt aus verschlossenen Getränkedosen, andere Verpackungen sind ebenfalls möglich.
Integration einer Trennsäule möglich, sofern erforderlich (z.B. zum Trennen von Wasser und organischen Komponenten mit einer Sorbitol-Säule).

*G. Deußing, Science Communication, 41464 Neuss

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