Eine Publikation der Binkert Medien AG
Ausgabe 11/2017, 07.11.2017

Nah-Infrarot bringt Licht ins Dunkel

Vertrauen ist gut – Kontrolle ist besser. Doch damit diese Kontrolle auch funktioniert, ist moderne Technik gefragt. Für die Identifizierung von Substanzen und Quantifizierung bestimmter Parameter bietet die NIR-Spektroskopie wertvolle Hilfe in der Analytik.

Autor: Redaktion l

Bilder: BÜCHI Labortechnik AG

Verbraucher stellen hohe Ansprüche an Lebensmittel. Sie erwarten top Qualität zu kleinem Preis. Doch das ist schon ein Widerspruch an sich, denn Qualität hat ihren Preis – und das zu Recht. Daher müssen Produzenten Wege finden, um dem Preisanspruch der Konsumenten entgegenzukommen. So kommt es immer wieder vor, dass «findige» Produzenten an der Qualität schrauben und Waren der Premiumklasse mit minderwertigerer oder billigerer Ware vermischen. Das Ergebnis stellt zwar meist keine Gefahr für die Gesundheit dar, doch der Verbraucher erhält dennoch nicht die Qualität, die er erwartet. Hersteller, die eine gleichbleibend hohe Qualität ihrer Produkte gewährleisten möchten, sind auf eine effektive Produktion angewiesen: maximale Marge bei minimalem Ausschuss und minimalen Produktionskosten. Der Schlüssel hierbei ist eine enge und vollständige Produktionsüberwachung – angefangen bei der Qualitätskontrolle der Rohwaren bis hin zu den fertigen Endprodukten. Dabei sind sie auf moderne analytische Techniken angewiesen, die sich optimal zur Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Produkte eignen.

NIR-Messtechnik. Eine dieser Verfahren ist die Nah-Infrarot-Spektroskopie, kurz NIR genannt. Diese basiert auf Wechselwirkung von Licht im Nah-Infrarot-Bereich mit der jeweiligen Probe und lässt Rückschlüsse auf deren Zusammensetzung zu. «Mit NIR sind wir in der Lage, völlig unterschiedlich geartete Proben zu analysieren. Das können beispielsweise Flüssigkeiten, Feststoffe, Öle oder pastöse Gele sein. Wir nehmen mit NIR ein Spektrum auf, das wir von einer spezialisierten Software auswerten lassen. So können wir diese Methode sowohl zur Identifizierung als auch zur Quantifizierung nutzen. Der Anwender sieht das Ergebnis der Analyse auf einen Blick», erklärt Agnes Petker, Applikationsspezialistin für NIR bei Büchi. Bevor Unternehmen NIR in der Routineanalytik einsetzen können, müssen sie zunächst eine Kalibration durchführen. Dafür sind Proben mit exakten Referenzwerten nötigt. Sind schon die Referenzwerte nicht eindeutig, kann auch das Ergebnis der NIR-Analyse keine eindeutige Antwort liefern. Auch die Farbe der Probe hat einen Einfluss auf das Ergebnis. Je dunkler die Probe, umso mehr Licht verschluckt sie und umso unpräziser ist das Ergebnis. Doch braune Lebensmittel wie Kaffee oder Kakao sind für NIR kein Problem. «Ist es nicht sicher, ob sich ein Lebensmittel für NIR- Analysen eignet oder die nötige Präzision erreichbar ist, machen wir gerne eine Machbarkeitsstudie», erklärt Petker.

Im Dienste der Sicherheit. Die Anwendungsgebiete der NIR-Spektroskopie sind vielfältig. Sie lässt sich im gesamten Produktionsprozess einsetzen – vom Wareneingang über Stichprobenanalysen im Labor oder die kontinuierliche Analyse von Zwischenprodukten bis hin zur Freigabeprüfung von Fertigprodukten. «Beim Wareneingang dient NIR meist zur Identifizierung oder Klassifizierung der gelieferten Rohwaren, auch von chemisch sehr ähnlichen Substanzen. Mithilfe des NIR-Onlinesensors lässt sich sogar die gesamte angelieferte Ladung während des Entladevorgangs überprüfen. Das verkürzt zum einen die Wartezeiten für LKW, Züge oder Schiffe und zum anderen lässt sich ausschliessen, dass sich die Qualität innerhalb einer Ladung unterscheidet. Immerhin hängt die Bezahlung manchmal direkt von der Qualität des gelieferten Materials ab», erklärt die Spezialistin. Die Analyse von Zwischenprodukten hilft Herstellern, Fehlchargen zu vermeiden und die Fertigungsprozesse zu optimieren. Das steigert die Produktionseffizienz und erlaubt eine Optimierung der Produktionsparameter.

NIR lässt sich des Weiteren im Bereich der Erkennung von Lebensmittelfälschungen einsetzen. Hier hängt das Resultat von zwei Dingen ab, wie die Spezialistin erklärt: «Es kommt darauf an, wie sehr sich das Original und die Fälschung unterscheiden und wieviel ‹falsches› Material untergemischt ist. Grundsätzlich ist es gut denkbar, Fälschungen zu erkennen, solange die Unterschiede – chemisch gesehen – nicht zu gering sind und es sich um gröbere Beimischungen handelt.»

Im Vergleich zu klassischen Labormethoden besticht die NIR-Analytik vor allem durch ressourcenschonende Messungen: Eine Messung dauert lediglich wenige Millisekunden bis Sekunden, es ist keine aufwendige Probenvorbereitung nötig, es lassen sich mehrere Parameter gleichzeitig bestimmen und es sind keinerlei Chemikalien oder Lösungsmittel notwendig. Das macht die Messung mittels NIR kostengünstig, umweltschonend und wirtschaftlich.

Für jede Anforderung das passende Gerät. Je nach Anwendung stehen drei verschiedene Geräte zur Verfügung. Für klassische Stichprobenanalysen gibt es das Laborgerät NIRFlex N-500. Auf das Basisgerät lassen sich verschiedene Messzellen aufsetzen, je nachdem um welchen Probentyp es sich handelt. Das Gerät ist auch für den Wareneingang einsetzbar, wenn die Messung direkt im Lager stattfinden soll, anstatt Stichprobenmuster für die Analyse ins Labor zu bringen. Hier besteht die Option mit Glasfasersonden zu arbeiten und die Rohwaren direkt in Containern oder Big Bags zu prüfen. Auch für den Einsatz in raueren Umgebungen müssen Hersteller nicht auf NIR-Messmethoden verzichten. «In solchen Fällen bietet sich der NIRMaster an. Er basiert auf derselben Technik wie das Laborgerät, ist jedoch in einem PMMA-Gehäuse oder in einem Edelstahlgehäuse eingepackt. Dadurch können wir die Schutzklassen IP54 oder IP65 gewährleisten. So sind die Geräte direkt im Produktionsumfeld einsetzbar. Wir sprechen hier auch von At-line-Geräten», erklärt die Fachfrau.

Wer auf eine kontinuierliche Überwachung Wert legt, ist mit dem NIR-Onlinesensor gut beraten. Dieser lässt sich an verschiedenen Punkten in der Prozesslinie integrieren, an Förderbändern, Elevatoren, Rohrleitungen oder Mischern. Der Sensor ist unempfindlich gegenüber mechanischen Störungen und ist aufgrund seiner vollständigen ATEX-Zertifizierung sogar in explosionsgefährdeten Umgebungen einsetzbar. Der Sensor macht bis zu 200 Einzelmessungen in der Sekunde, was zu einer Echtzeitkontrolle führt.

Ist der NIR-Onlinesensor ins Prozessleitsystem integriert, sind die ermittelten Werte auch in der Prozessleitwarte ersichtlich. Damit kann die Leitwarte bei Abweichung von den festgelegten Qualitätskriterien sofort Massnahmen einleiten und so eine gleichbleibend hohe Qualität der produzierten Ware gewährleisten», so Petker. Messungen im Prozess mittels NIR-Onlinesensoren bieten somit die volle Kontrolle, maximale Sicherheit mit Vollprüfung sämtlicher Chargen, Entscheidungsfindung in Echtzeit und schliesslich eine bessere Produktqualität und gesteigerte Produktivität. Trotz der Vorteile weist die Expertin darauf hin, dass NIR-Messmethoden die bestehende Referenzanalytik nicht vollständig ersetzen soll. «Die NIR-Spektroskopie kann aber bei einem hohen Probenumsatz bei der Routineanalytik unterstützen. In begrenztem Umfang ist die Referenzanalytik immer noch erforderlich, um Kalibrationsmodelle zu entwickeln und regelmässig zu überprüfen.» Zudem ist die NIR-Spektroskopie generell eine Technik, die im prozentualen Bereich im Einsatz ist. Für die Bestimmung von Parametern im Spuren- oder Ultraspurenbereich sind weiterhin Laboranalysen nötig.


Weitere Informationen:
BÜCHI Labortechnik AG, www.buchi.com