Schnelle und präzise Feuchte/Feststoff-Bestimmung in der schnellsten Trockenwaage der Welt

Ulf Sengutta
CEM GmbH
Carl-Friedrich-Gauß-Str. 9, 47475 Kamp-Lintfort, Germany

Einleitung

In praktisch allen Produktionsprozessen der Chemie, der Pharmazie, der Kosmetik sowie der Nahrungsmittel- und Papierindustrie sind der Feuchtigkeits- oder Feststoffgehalt des Eingangs-, Zwischen- und Endprodukts ein wesentliches Qualitätsmerkmal und ein bedeutender Kostenfaktor. Es gilt also, die Materialfeuchte bzw. den Feststoffgehalt 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.

Dieses stellt an die begleitende und überwachende Analytik spezielle Anforderungen, wie 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. Ferner spielt der Kostenaspekt eine große Rolle bezüglich der Amortisation bei der Anschaffung der entsprechenden Analysensysteme. So sind niedrige Kosten im Dauerbetrieb angestrebt, auch wenn daraus ggf. teurere Grundinvestitionen resultieren. Je nach Branche und Verfahrensablauf eröffnet der Einsatz eines Schnellanalysen-Systems eine Reihe von Einsparungsmöglichkeiten im Rahmen der Feuchte- bzw. Feststoffmessung:

  • Bessere und gleichmäßigere Qualität der Ausbeute 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 = Erhöhung der Ausbeute
  • Verbesserung der Energiebilanz durch schnelle und genaue Steuerung des Verfahrens

Abb. 1: Mikrowellen-Schnellanalysator SMART 5TM von CEM


Das zu wählende Messverfahren muss für diese Anforderungen in einem weiten Bereich an Feuchte von 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. Indirekte Messverfahren wie z. B. die NIR-Spektrometrie oder Mikrowellenadsorption ermöglichen tatsächlich kürzeste Bestimmungszeiten, die Messung unmittelbar über dem Produktstrom und damit die automatische Regelung des Prozesses. Sie ermitteln die Feuchtigkeit jedoch indirekt, d. h. über den Umweg einer physikalischen Messgröße. Alle indirekten Verfahren müssen daher produkt- und oftmals sortenspezifisch und sehr aufwendig kalibriert werden, d. h. sie sind nur für Messungen an Produkten geeignet, die bezüglich ihrer chemischen Struktur und physikalischen Eigenschaften bekannt und homogen sind und über lange Zeit unverändert verarbeitet werden. So erschweren z. B. Schwankungen in der Produktfarbe, der Körnung, der Oberflächenbeschaffenheit oder der Schüttdicke und -dichte eine exakte Messung. Direkte Messverfahren wie z. B. die Trockenschrankmethode oder die Mikrowellen-Trocknung müssen nicht produktspezifisch kalibriert werden und reagieren längst nicht so kritisch auf Veränderungen der Produkteigenschaften. Problematisch ist die Zeitintensität der klassischen Analyse mit dem Trockenschrank nach DIN. Da das Ergebnis häufig erst Stunden später nach Analysenbeginn vorliegt, können schnelle Entscheidungen und ein Eingreifen in die laufende Produktion nicht erfolgen. Über den gesamten Feuchtebereich von 0,1 – 99,9 % gewährleistet der Mikrowellen-Schnellanalysator SMART 5TM von CEM bei typischen Trocknungszeiten von 2 min. eine deutliche Analysenzeitverkürzung bei gleichbleibender analytischer Güte und stellt somit eine Alternative zur etablierten konventionellen Technik dar (Abb. 1).

Universelle Mikrowellen-Trockensubstanz-Bestimmung

Die schnellste direkte Meßmethode für Feuchte und Feststoff ist die Mikrowellen-Trocknung. Die Mikrowellenerwärmung stellt einen Spezialfall des dielektrischen Erwärmens dar. Im Gegensatz zur konvektiven Erwärmung (z. B. im Trockenschrank oder auf Heizplatten), 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 (Mikrowellen-Erwärmung) im Gutinneren selbst. Nahezu alle festen, pastösen und flüssigen Produkte lassen sich mittels Mikrowellenstrahlung dielektrisch erwärmen. Bei der Mikrowellen-Trocknung werden die polaren Wassermoleküle der Probe (Käse, Quark, Harz, Farbe und ähnliches ...) einem fokussierten Mikrowellenfeld ausgesetzt, was wiederum zur Wärmeentwicklung im Inneren der Probe durch intramolekulare Reibung der Wassermoleküle führt (Dipolrotation & Ionenleitung). Bei lösungsmittelhaltigen Proben, wie Industriechemikalien, Kosmetika, Lacke, Kleber, Harze... werden die Lösungsmittel zur Erwärmung angeregt und verdampfen aus der Probe bis der Feststoffgehalt vom Mikrowellentrockner ermittelt wird. Als Fazit für die Trocknung gilt somit: Die Wasser- bzw. Lösungsmittelmoleküle der Probe werden in einem Mikrowellenfeld erwärmt und ausgetrieben [1].

Haushaltgeräte sind ungeeignet

Wie bereits beschrieben, ist das fokussierte Mikrowellenfeld für eine gleichmäßig präzise Aufwärmung des Probengutes von entscheidender Bedeutung. Ungleichmäßige Erwärmung der Probe kann zur Folge haben, dass lokale Überhitzungen auftreten, die zur Verbrennungen bzw. Zersetzungen der Probe führen. So wurde für eine exakte Feuchtebestimmung das Mikrowellen-Analysensystem SMART 5TM entwickelt, welches das Mikrowellenfeld gleichmäßig ausbildet und fein zu regeln vermag. Bei Haushalts-Mikrowellengeräten ist die Feldverteilung im Probenraum sehr inhomogen, außerdem lässt sich die Leistung nicht exakt regeln - es kommt leicht zu partieller Überhitzung der Probe, während sie an anderer Stelle noch feucht ist. Im Falle solcher Verbrennungen der Probe sind natürlich falsche Messergebnisse zu erwarten. Je höher der Gehalt an freiem Wasser in der Probe ist, desto besser können die Mikrowellenstrahlen "einkoppeln" und das Wasser schnell austreiben [2]. Umso deutlicher ist dann auch der Zeitvorteil gegenüber anderen Schnellverfahren, die das Wasser z. B. mittels Strahlungswärme entfernen. Typische Anwendungen finden man daher in der Nahrungsmittelindustrie bei Milch- und Fleischprodukten, Soßen, Mayonnaisen und allen flüssigen bis pastösen Materialien in der chemischen Industrie (Farben, Lacke, Kleber, Harze) sowie in der Kosmetik- , Papier- und Farbindustrie [3].

Abb. 2: Ein Temperatursensor regelt die Mikrowellenstrahlung


Im SMART 5 wird das Probengut auf ein saugfähiges Probenträgermaterial gegeben und auf die im Mikrowellengerät eingebaute Waage gelegt. Der Trocknungsverlauf ist direkt an die Erwärmung des Probengutes gekoppelt, so dass hier die Gefahr einer Zersetzung (z. B. bei Kohlenhydraten) der Probe minimiert ist. Ein Temperatursensor regelt die Mikrowellenstrahlung und verhindert ein Zersetzen der Probe (Abb. 2). Damit kann das SMART auch für sensible Proben, wie Marzipan, Milchpulver... etc. eingesetzt werden. Um die gleiche Genauigkeit zu ermöglichen, die nach den DIN-Methoden mit Trockenschrank und Analysenwaage erreichbar ist, wurde das SMART 5TM 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" oder der Karl-Fischer-Titration zum tragen. Hier zeigen Untersuchungen, dass mit dem CEM-Mikrowellentrockner vergleichbare Ergebnisse mit höherer Präzision erzielt werden und diese Technologie deshalb uneingeschränkt als Verbesserung der Trockenschrankmethode empfohlen wird [4]. Eine drastische Reduzierung der Fehlermöglichkeiten und somit eine Steigerung der Präzision erfolgt durch den hohen Automatisationsgrad im SMART: 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 ausgegeben.


Praktischer Einsatz

Die Einsatzgebiete sind vielfältig wie die nachfolgende Tabelle zeigt. In nahezu allen Industriebranchen ergeben sich für den Mikrowellentrockner drastische Zeitersparnisse und somit die Möglichkeit zur Kostensenkung.

Proben

Zeit [min.]
Mittelwert* [%]
Std.-Abw.
Käse 2:00 57,92 Feuchte 0,11
Fleisch 3:30 62,48 Feuchte 0,13
Milch 2:30 11,92 Feststoff 0,02
Joghurt 2:45 14,45 Feststoff 0,02
Tomatenpaste 1:45 25,44 Feststoff 0,06
Mayonnaise 1:00 17,88 Feststoff 0,013
Latex 1:30 54,72 Feuchte 0,05
Lösungsmittelhaltige
Farben
2:00 31,11 Feststoff 0,02
Klärschlamm 2:30 63,77 Feststoff 0,19

* 5 Proben

Abb. 3: Trocknungskurven von Mikrowellentrockner und Trockenschrank


Der enorme Zeitvorteil wird beim Vergleich der Trocknungskurven von Latex zur Papierbeschichtung deutlich (Abb. 3). Hier wird eine Vergleichsprobe von 2,3 g Latex innerhalb von 90 s im SMART 5 getrocknet, also 100 mal schneller als im Trockenschrank. Für die Produktion bedeutet dieses: Das SMART wird direkt am Produktionsort aufgestellt, eine Probe wird entnommen und in das SMART 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 Einsparpotentiale in der Produktionsüberwachung, die die Anschaffung eines SMART innerhalb weniger Monate amortisiert. Außerdem stellen derartige Technologien eine Festigung des Produktionsstandortes dar.

 

Zusammenfassung

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 Feuchtebestimmung an. Die Mikrowellen-Trocknung als schnellstes direktes Messverfahren bietet sich für eine Vielzahl unterschiedlichster Messaufgaben bei Feuchtegehalten von 0,1 % bis über 99 % an und ist besonders einfach zu handhaben. Daraus ergeben sich neben der Sicherstellung einer gleichbleibenden Qualität zudem erhebliche Einsparpotentiale für die unterschiedlichsten Industriezweige.

Literatur

[1] "Introduction to Microwave Sample Preparation", H. M. Kingston & L. B. Jassie, ACS Professional Reference Book (1988)

[2] "Microwave Enhanced Chemistry", H. M. Kingston & S. J. Haswell, American Chemical Society (1997)

[3] „Schnelle Feuchtigkeitsbestimmung - Mikrowellenanalysensysteme helfen Kosten sparen“, T. Krahl, Kontrolle 9, 46 - 48 (1994)

[4] „Neue Meßverfahren zur Absolutfeuchtemessung von Papier“, W. Rauh & S. Dietzel, FOGRA Praxis-Report 51, 27 S. (1997)

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