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Wasseraktivität inline ermitteln

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13.02.2008 Derzeit ist die Wasseraktivität nicht inline messbar. Und gerade diese Messgröße ist für die Lebensmittelindustrie besonders interessant, da sie Rückschlüsse auf den Stoffwechsel und die Vermehrung von Mikroorganismen zulässt. Die Basistechnologien für die Inline-Messung existieren bereits, nur die Umsetzung fehlt noch.

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Entscheider-Facts


  • Die Wasseraktivität ist derzeit inline nicht messbar. Sie ist jedoch ein Schlüsselparameter für Stoffwechsel und Vermehrung von Mikroorganismen.
  • Da die Wasseraktivität durch die relative Luftfeuchtigkeit definiert wird, eignen sich sämtliche Messverfahren zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit grundsätzlich auch zur Bestimmung der Wasseraktivität.
  • Es existieren bereits Prototypen eines inline-tauglichen Messgeräts zur Bestimmung der Wasseraktivität direkt im Prozess und ohne Probennahme.
  • Im Rahmen von Projekten mit industriellen Partnern soll das Messgerät zu einem Produkt weiterentwickelt und kommerzialisiert werden.

Schade, wenn der Kuchen schlecht wird. Für den Stoffwechsel und die Vermehrung von Mikroorganismen ist die Wasseraktivität ein Schlüsselparameter. Sie kann jedoch zur Zeit noch nicht inline gemessen werden

Der Wunsch nach höherer Qualität, niedrigeren Kosten und besserer Hygiene führt zu einer zunehmenden Automatisierung in der Lebensmittelindustrie. Ein Hindernis ist dabei die mangelnde Verfügbarkeit von Inline-Messtechnik. Denn bis jetzt können noch nicht alle wichtigen Messgrößen inline erfasst und ausgewertet werden.

Eine für die Lebensmitteltechnologie besonders wichtige Größe ist die Wasseraktivität, da diese einen Schlüsselparameter für Stoffwechsel und Vermehrung von Mikroorganismen darstellt. Die Wasseraktivität darf nicht mit dem Wassergehalt verwechselt werden. Wasseraktivität stellt ein Maß für den Gehalt an ungebundenem freiem Wasser dar. Zwischen Wassergehalt und Wasseraktivität existiert jedoch ein produktspezifischer und temperaturabhängiger Zusammenhang. Die Wasseraktivität ist zum Beispiel dafür verantwortlich, dass Lebensmittel durch Pökeln haltbar gemacht werden können. Das Salz bindet vorhandenes freies Wasser, das dann für das Wachstum und den Stoffwechsel von Mikroorganismen nicht mehr zur Verfügung steht. Das zusätzliche Salz senkt die Wasseraktivität des Produktes.
Die Wasseraktivität ist eine wichtige Größe zur Beurteilung der Haltbarkeit von Lebensmitteln. Deshalb ist das Einhalten bestimmter Wasseraktivitäten ein häufiges Freigabekriterium für einzelne Produktchargen. Außerhalb der Lebensmittelindustrie spielt die Wasseraktivität beispielsweise in der Biotechnologie oder in Hinblick auf die Rieselfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften von Pulvern oder Salben eine wichtige Rolle.
Trotz der enormen Relevanz war es jedoch bisher nicht möglich, die Wasseraktivität inline, also direkt im Produktionsprozess, zu bestimmen. Häufig auftretende Probleme sind beispielsweise

  • Baugröße und Integrationsgrad;
  • Genauigkeit;
  • Verschmutzung bei Kontakt mit dem Produkt;
  • Wartungsintervalle und Kalibrierung;
  • Reinigbarkeit und hygienische Produktgestaltung.

Die Basis existiert bereits

Die Wasseraktivität entspricht physikalisch der relativen Luftfeuchtigkeit, die sich im Gleichgewicht oberhalb eines Gutes einstellt und wird als Wert zwischen 0 und 1 angegeben. Da die Wasseraktivität durch die relative Luftfeuchtigkeit definiert wird, eignen sich sämtliche Messverfahren zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit grundsätzlich auch zur Bestimmung der Wasseraktivität. Von den bekannten Messprinzipien eignen sich beispielsweise kapazitive Luftfeuchtigkeitssensoren und Taupunktsensoren prinzipiell zur Messung der Wasseraktivität. Kapazitive Sensoren bestehen aus einem Sensorkondensator, dessen Kapazität sich abhängig von der relativen Luftfeuchte ändert. Diese Sensoren sind in einer Vielzahl von Varianten auf dem Markt verfügbar, preiswert und klein. Sie werden in der Mehrzahl der Luftfeuchtemessgeräte eingesetzt. Problematisch sind die durch Adsorption und Desorption bedingte Sensorhysterese, die dadurch verringerte Genauigkeit sowie die oftmals nur eingeschränkte Kondenswasserresistenz.

Taupunktsensoren beinhalten ein Kühlelement, das Luft soweit abkühlt, dass sich Kondenswasser bildet. Die Temperatur, bei der dies geschieht, ist ein Maß für die relative Luftfeuchte. Taupunktsensoren sind sehr genau, hysteresefrei und werden bevorzugt in Labormessgeräten eingesetzt. Problematisch sind jedoch die mangelnde Robustheit sowie die Notwendigkeit einer hochgenauen Messung der Taupunkt- und der Produkttemperatur.
Labormessgeräte zur Bestimmung der Wasseraktivität setzen meist Taupunktsensoren ein. Um die Messungen besser vergleichen zu können, werden die Lebensmittel dazu mit Hilfe einer Temperierkammer auf eine bestimmte Temperatur gebracht; dann wird die Wasseraktivität bestimmt. Da die Wasseraktivität temperaturabhängig ist, sorgt dies für gut vergleichbare Messwerte. Wenn die Messtemperatur jedoch von der Temperatur bei Produktion und Lagerung abweicht, kann es zu erheblichen Abweichungen zwischen wirklicher und gemessener Wasseraktivität kommen.
Als Fazit kann gesagt werden, dass sich zur Bestimmung der Wasseraktivität verschiedene Sensorprinzipien eignen. Bei Labormessgeräten werden bevorzugt hochgenaue Taupunktsensoren eingesetzt. Diese können jedoch Inline-Sensoren wegen der notwendigen Probennahme nicht ersetzen.

Blick in die Zukunft

Noch nicht marktreif ist ein neu entwickeltes inline-taugliches Messgerät zur Bestimmung der Wasseraktivität direkt im Prozess und ohne Probennahme. Das Gerät beruht auf einem betaubaren kapazitiven Sensor, der eine problemlose und robuste Messung der Wasseraktivität erlaubt. Eine wasserdampfdurchlässige Schutzkappe schützt dabei den Sensor vor direktem Kontakt mit dem Lebensmittel oder den Reinigungsmedien und erlaubt es auf diese Weise, den Sensor zum Beispiel direkt in Rohrleitungen einzusetzen. Die gesamte Elektronik ist vollständig im Sensoranschlusskopf integriert, so dass keine aufwändigen externen Komponenten notwendig sind. Der Betrieb im industriellen Umfeld, beispielsweise mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung, ist problemlos möglich. Das Messgerät zeigt über einen weiten Messbereich ein lineares Ausgangssignal. Zusätzlich ist durch eine integrierte Zweipunktkalibrierung eine Anpassung an den jeweils relevanten Messbereich möglich.

Für das Messgerät wurden ausschließlich lebensmitteltaugliche Werkstoffe verwendet. Ensprechend der hygienegerechter Produktgestaltung wurden Hinterschnitte und Spalte vermieden, um den Sensor zuverlässig reinigen zu können. Das Gerät entspricht außerdem den gängigen Normen.

Ziel ist es, im Rahmen von Kundenprojekten mit industriellen Partnern das Messgerät zu einem Produkt weiterzuentwickeln, zu kommerzialisieren und den Anwendern so eine weitere Verbesserung der Lebensmittelsicherheit durch kontinuierliche Prozesskontrolle zu ermöglichen.

Es existieren bereits Prototypen eines Messgeräts zur Bestimmung der Wasseraktivität direkt im Prozess und ohne Probennahme

Heftausgabe: Januar-Februar 2008
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Über den Autor

Norman Werner , Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Autom
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