Mikrowellentrockner Schnelle Feuchte- und Feststoff-Bestimmung mit der Mikrowelle

In praktisch allen Produktionsprozessen der Lebensmittelindustrie ist der Feuchte- bzw. Feststoffgehalt des Eingangs-, Zwischen- und Endprodukts ein wesentliches Qualitätsmerkmal und ein bedeutender Kostenfaktor. Es gilt also, mit effektiver Analytik den möglichst optimalen Wert einzustellen. Hier sind Mikrowellentrockner Mittel der Wahl.

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Tintometer GmbH Lovibond Water Testing

Mettler-Toledo GmbH

C3 Prozess- und Analysentechnik GmbH

CEM GmbH

Im Lebensmittelproduktionsprozess den Feststoffgehalt bzw. die Materialfeuchte möglichst genau und gleichmäßig auf dem optimalen Wert zu halten, der oft als „goldene Mitte“ zwischen Produkteigenschaften und Produktkosten vom Betrieb ermittelt wurde oder durch übergeordnete Bestimmungen und Normen festgelegt ist, stellt an die begleitende und überwachende Analytik spezielle Anforderungen. Dies gilt z.B. hinsichtlich der Schnelligkeit, der Einbindung in Informationssysteme, Verlagerung der Messung vom analytischen Labor hin zum Produktionsort, robuste Apparaturen (Handschuhtauglichkeit) sowie einfache Handhabung durch teilweise nur angelerntes Personal. Je nach Branche und Verfahrensablauf eröffnet der Einsatz eines Schnellanalysen-Systems eine Reihe von Einsparungsmöglichkeiten im Rahmen der Feuchte- und Feststoffmessung:

• Bessere und gleichmäßigere Qualität der Zwischenprodukte und Endprodukte durch exakte Messung und Regelung des „Stoffhaushalts“ in engen Toleranzen.

• Verkürzung des Prozesses durch kürzere Wartezeiten und somit die Verkürzung von Kesselbelegungszeiten.

• Schutz vor Ausschuss durch schnelle Kontrollen; gleichbedeutend mit Erhöhung der Produkt-Produktion.

• Verbesserung der Energiebilanz durch schnelle und genaue Steuerung des Verfahrens.

Das zu wählende Messverfahren muss für diese Anforderungen in einem weiten Bereich an Feuchte/Feststoff von 0,1% bis zu 99,99% präzise und schnell (in wenigen Minuten) einsetzbar sein. Zudem sollen geringfügige Änderungen der Produktzusammensetzung keine negativen Auswirkungen auf das Messergebnis haben. Ferner muss sich das Messgerät von jedermann, auch Mitarbeitern außerhalb des Labors, einfach und in wenigen Arbeitsminuten pro Messung bedienen lassen. Deshalb werden direkte Messverfahren wie die Trockenschrankmethode, IR-Trocknung oder Mikrowellen-Trocknung häufig eingesetzt. Problematisch ist die Zeitintensität der klassischen Analyse mit dem Trockenschrank nach DIN, da das Ergebnis häufig erst Stunden nach Analysenbeginn vorliegt und somit ein schnelles Eingreifen in die laufende Produktion verhindert wird. IR-Trockner benötigen deutlich länger als Mikrowellentrockner für eine Bestimmung. Über den gesamten Messbereich von wässrigen, pastösen und festen Proben mit unterschiedlichen Feuchte- und Feststoffanteilen gewährleistet der neue Mikrowellen-Schnelltrockner Smart Turbo von CEM eine deutliche Analysenzeitverkürzung bei hoher Präzision der Messwerte und stellt somit eine Alternative zur etablierten konventionellen Technik dar.

Feuchte-/Feststoffbestimmung per Mikrowellentrockner

Die schnellste direkte Messmethode ist die Mikrowellen-Trocknung. Im Gegensatz zur konvektiven Erwärmung (z.B. Trockenschrank), bei der Wärmeenergie dem Probengut von außen durch Konvektion, Strahlung oder Leitung zugeführt und dann über dessen Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Probengutes verteilt wird, entsteht die Wärme beim dielektrischen Erwärmen mittels Mikrowelle im Gutinneren selbst. Nahezu alle festen, pastösen und flüssigen Produkte lassen sich mittels Mikrowellenstrahlung genauestens erwärmen. Bei der Mikrowellen-Trocknung werden die Wassermoleküle der Probe (z.B. Käse, Quark oder Eiscreme) einem fokussierten Mikrowellenfeld ausgesetzt, was wiederum zur schnellen Wärmeentwicklung im Inneren der Probe führt.

Im Smart Turbo wird das Probengut auf ein spezielles Probenträgermaterial (Glasfaserträger) gegeben und auf die im Mikrowellengerät eingebaute Waage gelegt. Der Trocknungsverlauf ist direkt an die Erwärmung des Probengutes gekoppelt, sodass hier die Gefahr einer Zersetzung der Probe minimiert ist. Ein Temperatursensor regelt die Mikrowellenstrahlung und verhindert ein Zersetzen der Probe. Damit kann das Smart Turbo auch für sensible Proben eingesetzt werden. Um die gleiche Genauigkeit zu ermöglichen, die nach den DIN-Methoden mit Trockenschrank und Analysenwaage erreichbar ist, wurde das Smart Turbo mit einer eingebauten Waage mit einer Auflösung von 0,0001 g ausgestattet. Diese eingebaute Analysenwaage nimmt ständig das Probengewicht auf und sorgt während des Trocknungsvorganges für die Abschaltung bei Gewichtskonstanz nach wenigen Minuten Messdauer. Der entstandene Wasserdampf wird über ein Ventilationssystem schnell aus dem Probenraum transportiert. Zu den Anforderungen einer kurzen Messzeit und einer hohen Präzision kommt in der Praxis zudem die Frage der Vergleichbarkeit mit der „Standardmethode Trockenschrank“ zum Tragen. Hier zeigen Untersuchungen, dass mit dem CEM-Mikrowellentrockner vergleichbare Ergebnisse mit höherer Präzision erzielt werden.

Eine drastische Reduktion der Fehlermöglichkeiten und somit eine Steigerung der Präzision erfolgt durch den hohen Automatisierungsgrad im Smart Turbo: Der Anwender gibt die Probe auf die Probenträger und startet den Trocknungsvorgang. Der Mikrowellentrockner wiegt die Probe, trocknet und wiegt permanent während der Trocknung zurück, um den Endpunkt zu ermitteln, anschließend wird das Ergebnis berechnet und über den integrierten Bildschirm sowie Drucker und über die Schnittstelle an den PC ausgegeben. Die Einsatzgebiete sind vielfältig – in nahezu allen Industriebranchen ergeben sich für den Mikrowellentrockner Zeitersparnisse und somit die Möglichkeit zur Kostensenkung. Der enorme Zeitvorteil bei der Trocknung hat praktische Auswirkungen auf die Produktion. Das Smart Turbo wird direkt am Produktionsort aufgestellt, eine Probe wird entnommen und in das Smart Turbo gegeben. Wenige Minuten später liegt das Ergebnis vor und es können ggf. Maßnahmen zur Nacharbeitung des Batchansatzes getroffen werden bzw. die Freigabe zum Abfüllen erteilt werden. Durch diese Schnellanalytik kann die Kesselbelegungszeit deutlich verkürzt werden, was wiederum erhöhte Produktion und somit erhöhten Ertrag zur Folge hat. Mit derartigen Maßnahmen ergeben sich drastische Einsparpotenziale in der Produktionsüberwachung, welche die Anschaffung eines Smart Turbo innerhalb weniger Monate amortisiert. Außerdem stellen derartige Technologien eine Festigung des Produktionsstandortes dar.

Mikrowellentechnik bringt Vorteile

Der Umfang der Aufgaben in der Prozesskontrolle hat sich in vielen Industriezweigen in den letzten Jahren nicht zuletzt auch aufgrund geänderter Gesetzgebung deutlich geändert. Jetzt sind vermehrt Analysensysteme gefragt, die vor Ort oder direkt im Betrieb (At-Line) eingesetzt werden können. Vor allem muss bei diesem Einsatzgebiet ein besonderes Maß an Sicherheit und Bedienerkomfort berücksichtigt werden. Hier bieten sich gerade Mikrowellen-Analysen-Systeme zur Feuchte- und Feststoffbestimmung an. Die Mikrowellen-Trocknung als schnellstes direktes Messverfahren bietet sich für eine Vielzahl unterschiedlichster Messaufgaben bei Feuchte- und Feststoffgehalten von 0,1% bis über 99% an und ist einfach zu handhaben. Daraus ergeben sich neben der Sicherstellung einer gleichbleibenden Qualität zudem erhebliche Einsparpotenziale für unterschiedliche Industriezweige.

* U. Sengutta: CEM GmbH, 47475 Kamp-Lintfort

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