Die erste Adresse für Viskosimetrie VISKOSITÄTSMESSUNG IN DER GETRÄNKEINDUSTRIE

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1 Die erste Adresse für Viskosimetrie VISKOSITÄTSMESSUNG IN DER GETRÄNKEINDUSTRIE

2 Zur Anwendung von Glaskapillar-n im Brauwesen - Ein Vergleich zu Höppler-Kugelfallviskosimetern Im Brauprozess müssen von der Wareneingangskontrolle bis hin zur Analyse der abgefüllten Endprodukte die einzelnen Produktionsschritte bis hin zur Abfüllanlage regelmäßig überwacht werden. Die Viskosität ist hierbei eine wichtige Eigenschaft im Brauprozess. Wegen der Aussagekräftigkeit der Untersuchung wird diese Analyse in den meisten größeren Brauereiund Mälzerei-Laboratorien regelmäßig durchgeführt. Früher wurde vorwiegend das Kugelfall- nach Höppler verwendet. Dieses Gerät ist bewährt und normalerweise von ausreichender Genauigkeit. Die Genauigkeit ist aber stark abhängig vom Zustand der Kugel und des Fallrohrs. Kratzer in der Kugel oder im Fallrohr führen zu nicht reproduzierbaren Werten. Wie exakt ein Kugelfall- misst, ist abhängig von der Kalibrierung des Fallrohrs. Nach jedem Wechsel der Kugel oder des Fallrohrs muss kalibriert und die Kugelkonstante neu bestimmt werden. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und birgt die Gefahr der Falschkalibrierung in sich. Ungenaue Messungen sind auch die Folge von Luftblasen im Fallrohr, die sich von ungeübtem Laborpersonal nur schwer entfernen lassen. Dass diese Fehler in der Praxis auch wirklich auftreten, zeigt z.b. eine Malz- Ringanalyse des Fachausschusses für Qualitätskontrolle und Analysentechnik der VLB 1. Bei der damals geringen Verbreitung des Kapillar-s ist dabei anzunehmen, dass fast alle Analysen mit dem Höppler-Gerät durchgeführt wurden. Bei einem Mittelwert von 1,64 mpas schwanken die Resultate zwischen 1,74 und 1,53 mpas. Das entspricht einer Differenz von 12,1%. Sogar zwischen zwei namhaften Instituten betrug der Unterschied 0,14 mpas. Die bekanntesten Schwächen des Höppler-s lassen nach Alternativen suchen. Daher wurde das Viskositäts-Messsystem der Fa. SI Analytics GmbH (damals SCHOTT Geräte GmbH) getestet und untersucht, ob sich diese Geräte für eine Benutzung im Brauerei- und Mälzereilabor eignen. Ubbelohde Kapillar- 1. Messprinzip Das Prinzip der Messmethode ist einfach. Es wird die Zeit gemessen, die eine durch zwei Messebenen definierte Flüssigkeitsmenge braucht, eine Kapillare mit definiertem Innendurchmesser zu durchfließen. Bei dem AVS 470 erfassen Lichtschranken den Flüssigkeitsmeniskus in den Messebenen. Beim Durchgang durch diese Ebenen verursacht der Meniskus eine Änderung der Lichtdurchlässigkeit. Diese Änderung wird durch die Lichtschranken als Start-Stop-Signal empfangen. Mittels eines Quarz-Timers wird die Laufzeit gemessen und mit einer Auflösung von 0,01 s digital angezeigt und erfasst. Die Laufzeit ist bei Newtonschen Flüssigkeiten direkt proportional zur Viskosität. Optoelektronische Meniskusdetektion 2 1 Tageszeitung für Brauerei (Ausgabe 32 vom August 1979); Artikel von P. Greif (VLB-Berlin) 3

3 1.1 Auswertung Mit Hilfe der Gerätekonstante, des s, errechnet sich die dynamische Viskosität wie folgt: Hierbei bedeuten: η = K t ρ 2. Geräteaufbau Die Geräteanordnung besteht aus dem eigentlichen Messgerät (AVS 470), einem Messstativ, dem Glas- Kapillar- und einem Fixiergestell. Das Messstativ mit dem befindet sich in einem Thermostaten. AVS 470 Messplatz η = dynamische Viskosität in mpas K = Gerätekonstante in mm²/s 2 t = gemessene Durchflusszeit in Sekunden ρ= Dichte der zu prüfenden Flüssigkeit in g/cm Gerätezusammenstellung Ein voll funktionsfähiger, automatischer Messplatz könnte aus folgenden Komponenten bestehen: Für Routinemessungen ist empfehlenswert, eine mittlere Probendichte zu verwenden, zum Beispiel bei Würze der Kongressanalyse 1,0330 g/cm3. Meist beträgt bei solch ähnlichen Proben die Schwankung der Dichte nur ca. 0,1%, so dass die sich daraus resultierende Unsicherheit der Viskosität für die Praxis vernachlässigbar ist. Der Zeitmesswert ist in Abhängigkeit von der Laufzeit um die Hagenbach-Korrektur zu verändern. Die Kapillare sollte so gewählt werden, dass die angewandte Korrektur möglichst klein ist. Bei der verwendeten Kapillare betrug die Laufzeit durchschnittlich 40 s und die Hagenbach-Korrektur 0,03 s. Dieser Wert könnte auch vernachlässigt werden. Stck. Typ-Nr. Bezeichnung 1 AVS 470 Basisgerät für optische Abtastung 1 Z 910 RS-232-C Datendrucker 1 AVS /SK Messstativ 1 CT /72P Durchsicht-Thermostat aus Acrylglas 1 CK 310 Durchflusskühler. Auf den Durchflusskühler kann verzichtet werden, wenn der Thermostat mit Kühlwasser (Temperatur gleich oder niedriger als 16 C) gegengekühlt wird. 1 VZ 7100 Kontroll-Thermometer mit 1/100 C Teilung für 20 C Mikro-Ostwald- für automatische Messungen Fixiergestell für Mikro-Ostwald- 3. Arbeitsweise 3.1 Allgemeines Die Temperatur des Thermostaten beträgt wie beim Höppler- 20 C. Eine Temperierzeit von max. 10 Minuten ist ausreichend. 3.2 auswahl Das AVS 470 kann mit verschiedenen n bestückt werden. Die Auswahl sollte nach der geforderten Genauigkeit und den Anforderungen, die die zu messende Probe stellt, erfolgen. Vor jeder Befüllung muss das mit der zu messenden Würze oder dem Bier vorgespült werden. Dabei ist darauf zu achten, dass auch die Kapillare durchgespült wird. Besonderes Augenmerk sollte man darauf richten, dass das senkrecht im Messstativ steht. Die zu messende Probe wird mit einer im Messgerät integrierten Pumpe (per Druck oder Vakuum) durch die Kapillare bewegt. Eine Beobachtung des Ablaufs ist aufgrund der automatischen Zeitaufzeichnung nicht erforderlich. DIN- oder MikroUbbelohde- sind für die Messung von Würze und Bier wenig geeignet! Bedingt durch das hängende Kugelniveau bilden sich Blasen, die den Messablauf stören. Als Abhilfe können die Bierproben vor der Messung entgast werden, aber auch diese Probenvorbereitung kann bei schäumenden Proben die Entstehung von störenden Blasen im Ubbelohde- nicht verhindern. Der Zusatz von Silikon-Antischaummitteln bringt ebenfalls meist nicht den gewünschten Erfolg. Die Substanz verfälscht zudem die Resultate. 4 Die Blasenbildung tritt bei der Benutzung des Mikro-Ostwald-s nicht auf. Die Messungen verlaufen meist problemlos. Das Ic benötigt ein Füllvolumen von 2 ml. Die geringe Füllmenge gegenüber dem Kugelfall- ist ein Vorteil bei der Kongressanalyse, denn hier werden die vorhandenen Würzemengen manchmal knapp. 5

4 auswahl (allg. Auswahltabelle) Nr. 3.3 Versuchsaufbau Es wurde geprüft, ob es möglich ist, mit dem Mikro Ostwald- Biere und Würzen mit der für das Brauerei- und Mälzereilabor erforderlichen Genauigkeit zu messen. Zu diesem Zweck wurden ca. 200 Vergleichsmessungen mit einem vorhandenen Kugelfall- durchgeführt. Weiterhin kontrollierte man, ob die Differenz der Messwerte zwischen dem oben erwähnten Höppler- und dem Kapillar- größer ist als die mehrerer Höppler- untereinander. Alle Messwerte sind Mittelwerte aus Doppelbestimmungen. 4. Ergebnisse nach 1 Ubbelohde ISO/, DIN, BS, NFT 2 Ubbelohde ISO/, ASTM 3 Mikro- Ubbelohde 4 Cannon- Fenske- Steigrohr 5 Cannon- Fenske- Routine 6 Mikro- Ostwald Max. Messgenauigkeit (abh. von Kalibrierung) % Füllmenge ml (ca.) Festlegung der Messmenge 0,3 15 regelt sich 0,3 15 regelt sich 0,5 1,5 regelt sich 0,5 12 durch Einsaugen bis zur Füllmarke 0,5 10 durch Einsaugen bis zur Füllmarke Anwendung speziell für undurchsichtige Flüssigkeiten für einfache Routinemessungen 0,5 3 durch Pipette für einfache Routinemessungen Es können aus Platzgründen hier nicht alle Einzelmessungen aufgeführt werden. Stellvertretend stehen die nachstehenden Messergebnisse eines Tages, die als ein repräsentatives Ergebnis angesehen werden können. Es wurden verschiedene Würzen und Biere gemessen. Bei der Auswertung aller Vergleichsmessergebnisse betrug der Mittelwert über alle Proben beim Kugelfall- 1,64 mpas und beim Kapillar- 1,66 mpas. Der systematische Messunterschied der beiden unterschiedlichen Systeme beträgt also nur 0,02 mpas. Tabelle 3: Standardabweichung der Doppelbestimmungen: Höppler- Kapillar- Wie erwartet, zeigen die Resultate des automatischen Systems eine wesentlich höhere Wiederholbarkeit. Dies sollte aber nicht zum Nachteil des Kugelfall-Gerätes ausgelegt werden, denn dort erfolgte im Gegensatz zur automatischen Messung beim Kapillar- die Zeitnahme manuell. Beim Vergleich von drei Höppler-Geräten mit dem Kapillar-System zeigte es sich, dass die drei Kugelfall- untereinander Differenzen vergleichbarer Größe aufwiesen wie im Verhältnis zum Kapillar-. Tabelle 4 Vergleich verschiedener Geräte Test-Bier lfd. Nr. Die Messungen wurden von einer Person durchgeführt. Auf die Fehlermöglichkeiten beim Kugelfall- wurde schon unter Punkt 1 eingegangen. 5. Diskussion Anzahl der Messungen Standardabweichung, mpas 197 0, ,004 Kapillar-, Visk., mpas 1,Visk., mpas 2,Visk., mpas 3,Visk., mpas Mittelwert 1 1,73 1,69 1,69 1,73 1,71 2 1,66 1,63 1,64 1,68 1,65 3 1,98 2,03 1,99 2,03 2,01 4 1,68 1,65 1,67 1,71 1,68 5 1,70 1,68 1,69 1,72 1,70 Mittelwert 1,75 1,74 1,74 1,77 6 Tabelle 1: Würze (Viskosität, mpas) Würze Nr. Kugelfall- Kapillar- 1 1,58 1,59 2 1,54 1,50 3 1,63 1,63 4 1,78 1,78 5 1,64 1,62 6 1,69 1,70 7 1,68 1,67 8 1,93 1,95 9 1,63 1,61 Mittelwert 1,68 1,67 Tabelle 2: Biere (Viskosität, mpas) Bier Nr. Kugelfall- Kapillar- 1 1,65 1,62 2 1,70 1,70 3 1,69 1,65 4 1,68 1,67 5 1,69 1,71 6 1,79 1,80 7 1,71 1,67 8 1,71 1,72 9 1,76 1, ,70 1,70 Mittelwert 1,71 1,70 Es hat sich gezeigt, dass das automatische Viskosimetrie-System AVS 470 für ein Routine-Labor geeignet ist. Dabei ist aber wichtig, das richtige auszuwählen. Das verwendete Mikro-Ostwald- zeichnete sich durch einfache Handhabung und ausreichende hohe Genauigkeit aus. DIN- oder Mikro-Ubbelodhe - eignen sich für schäumende Flüssigkeiten wie Bier oder Würze weniger gut. In Bezug genommene Normen: DIN T1 bis T4 7

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