VERSUCH 10: FEUCHTEBESTIMMUNG MITTELS MIKROWELLEN- UND HALOGENTROCKNUNG

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1 VERSUCH 10: FEUCHTEBESTIMMUNG MITTELS MIKROWELLEN- UND HALOGENTROCKNUNG Allgemeines In der Lebensmittelindustrie ist der Wassergehalt ein wichtiger Parameter zur Bestimmung von mikrobiologischer Stabilität und der Produktqualität (der Wassergehalt hat z.b. Einfluss auf die Struktur des Lebensmittels). Der Wassergehalt einer Substanz lässt sich durch unterschiedliche Verfahren bestimmen. Dabei muss unterschieden werden, ob mit der gewählten Methode der tatsächliche Wassergehalt ermittelt wird oder aber lediglich der Feuchtgehalt, d.h. der Anteil der bei gegebenen Bedingungen flüchtigen Inhaltsstoffe. Zudem können direkte oder indirekte Analyseverfahren angewandt werden. Zu den direkten Verfahren gehören die thermogravimetrischen Methoden (Trockenschrank, Vakuumtrockenschrank, Mikrowellentrockner und Halogentrockner) sowie die Karl- Fischer-Titration, bei der der Wassergehalt chemisch erfasst wird. Zu den indirekten Methoden gehören u. a. spektroskopische Verfahren (Infrarot-, Mikrowellen-, Kernresonanzspektroskopie), elektrische (Leitfähigkeitsmessung) oder auch optische Verfahren (Polarimetrie und Refraktometrie). Vor der Anwendung müssen indirekte Messverfahren erst durch eine direkte Methode kalibriert werden. Sowohl bei der Mikrowellentrocknung als auch bei der Halogentrocknung werden die Wechselwirkungen von elektromagnetischen Wellen mit der Probe zur Erwärmung genutzt, um so das Wasser aus der Probe auszutreiben. Abbildung 1 Grundlagen der Mikrowellentrocknung Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie liegen im Frequenzbereich von 300 MHz bis 300 GHz (siehe Abbildung 1 und 2). Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 m. Sie werden folgendermaßen unterteilt: Wellenlänge Frequenz Dezimeterwellen 1 m - 10 cm 300 MHz - 3 GHz Zentimeterwellen 10 cm - 1 cm 3 GHz - 30 GHz Millimeterwellen 1 cm - 1 mm 30 GHz GHz Tabelle 1: Einteilung der Mikrowellen Die für Mikrowellengeräte freigegebene Frequenz liegt (in den meisten Ländern) bei 2450 MHz (λ = m).

2 Seite 2 Die Erwärmung eines Materials infolge der Absorption von Mikrowellen beruht im Wesentlichen auf den Mechanismen der induktiven bzw. dielektrischen Erhitzung. Die Induktionserhitzung findet hauptsächlich in Halbleitern und Metallen statt, in denen die freien Elektronen durch das elektrische Wechselfeld beschleunigt werden, wodurch elektrische Wirbelströme entstehen. Zum anderen können auch polare Moleküle Mikrowellenenergie aufnehmen. Die an sich elektrisch neutralen Moleküle eines Dielektrikums richten sich infolge der elektrischen Feldkomponente der elektromagnetischen Strahlung aus. Im Wechselfeld werden die Moleküle daher mehr oder weniger stark hin und her bewegt. Diese Schwingungen verursachen intermolekulare Reibungen (dielektrischer Verlust genannt), durch die Wärme erzeugt wird. Abbildung 2: Dipolanregung im elektrischen Wechselfeld Beide Mechanismen, Bewegung freier Ladungsträger und Orientierung von Dipolen im elektromagnetischen Wechselfeld, besitzen eine Temperatur- und Frequenzabhängigkeit, d.h. dass auch die Absorption von Mikrowellen eines Materials temperatur- und frequenzabhängig ist. Niedrige Frequenzen weisen eine größere Eindringtiefe auf als die zugelassenen 2.45 GHz (0.915 GHz ca. 29 cm; 2.45 GHz ca. 10 cm). Für die Energieumsetzung in Lebensmitteln sind insbesondere Bestandteile mit Dipolcharakter, d.h. Moleküle deren positiver und negativer Ladungsschwerpunkt nicht zusammenfällt, von Bedeutung. Beispiele für Moleküle mit permanentem Dipol sind z.b. Wasser, Aminosäuren und daraus aufgebaute Peptide und Proteine. Dementsprechend weisen stärker proteinhaltige und zumeist wasserreiche Lebensmittel, wie Ei-Albumin und Milch, einen stärkeren Dipolcharakter auf als fetthaltige bzw. fettreiche und wasserärmere Stoffe (Fette, Öle). Wird schon in den äußeren Schichten des bestrahlten Gutes viel Mikrowellenenergie umgesetzt, so steht für tiefergelegene Schichten nur ein entsprechend geschwächtes elektrisches Feld zur Verfügung. Abbildung 5 zeigt, dass der Energiegehalt der Mikrowellen dabei in Richtung des Stoffinneren nach einer e-funktion abnimmt.

3 Seite 3 Abbildung 3: Dielektrische Feldstärke E* im Innern eines Stoffes Mit zunehmender Eindringtiefe kommt es zum Energieverlust der Mikrowellen, entsprechend ist auch eine geringere Temperaturentwicklung von außen nach innen zu erwarten. Bei idealen Stoffen ist der abnehmende Temperaturverlauf nahezu gleichmäßig. Da Lebensmittel jedoch Vielkomponentensysteme sind, und damit viele verschiedene dielektrische Eigenschaften vereinen, wechseln sich Stellen mit hohem Energieumsatz und Stellen mit niedrigem Energieumsatz ab, was zu einer ungleichmäßigen Erwärmung einzelner Bereiche führen kann. Erst durch Wärmeleitung findet anschließend ein Temperaturausgleich statt. Dieser Temperaturausgleich ist erwünscht, und man macht sich ihn dadurch zunutze, dass das Mikrowellengerät auf Pulsbetrieb umgeschaltet wird. Der Mikrowellengenerator fährt dann zwar mit voller Leistung, er wird jedoch während eines bestimmten Zeitintervalls nicht für 100 % der Zeit, sondern nur für z.b. 40 %, 60 % usw. eingeschaltet. In der verbleibenden Zeit ohne Bestrahlung erfolgt dann Temperaturausgleich durch Wärmeleitung. Grundlagen der Halogen-Trocknung Wärmestrahlung (0,1-100 µm) erstreckt sich über den Bereich der langwelligen UV- Strahlung, den sichtbaren Bereich bis zur langwelligen (fernen) IR-Strahlung. Strahlungsenergie kann nach Absorption durch einen Körper in Wärmeenergie übergehen. Für den Energiegehalt der Strahlung gilt: mit E = Energiequantum [J] h* = Plancksches Wirkungsquantum ν = Strahlungsfrequenz (s-1) E = h ν Die Strahlung wird erzeugt, indem die Materie eines Strahlers durch Energiezufuhr auf eine hohe Temperatur gebracht wird. Die Energie wird absorbiert und die Elektronen im absorbierenden System werden auf ein höheres Energieniveau angehoben. Durch Zurückfallen der Elektronen in ein energieärmeres Niveau wird die Energiedifferenz in Form von Strahlung wieder freigesetzt.

4 Seite 4 Abbildung 4: Anregung von Elektronen Entsprechend werden die Elektronen der Moleküle, die der Strahlung ausgesetzt sind, in einen energetisch höheren Zustand versetzt. Es wird jedoch nur ein Teil der Energie, abhängig von der Molekülart, die durch das Zurückfallen in energieärmere Zustände frei wird, wieder als Strahlungsenergie abgegeben. Der andere Teil wird in Form von kinetischer bzw. Rotationsenergie frei, wodurch es wiederum zur Erwärmung der Probe kommt. Meist wird nicht die gesamte Strahlung absorbiert, sondern sie wird teilweise reflektiert oder durch die Probe durchgelassen. Nur beim Auftreffen auf einen absolut schwarzen Körper wird die gesamte Strahlung absorbiert. Bei so genannten grauen Körpern (wie es auch Lebensmittelproben sind), liegt also stets eine Kombination aus Absorption, Reflexion und Transmission vor. Das Absorptionsvermögen hängt im Allgemeinen von der Oberflächenbeschaffenheit, der chemischen Zusammensetzung und der Form des Körpers ab. Nach Möglichkeit sollte bei der Feuchtebestimmung nur Wasser aus der Probe ausgetrieben werden, daher sollte das Intensitätsmaximum der Strahlung im Absorptionsmaximum von Wasser liegen. Dieses liegt zwischen 3 und 3,5 µm. HR 73 Halogen-Rundstrahler Temperaturbereich: C Emission einer best. Wellenlänge Temperaturkontrolle mit Messfühler direkt oberhalb der Probe Trocknungsprogramme: - Standardtrocknung - Schnelltrocknung - Schontrocknung - Stufentrocknung Bei allen Programmen sind unterschiedliche Temperatureinstellungen möglich. Abschaltkriterien: - Manuell - Zeitabschaltung - Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit - Freies Abschaltkriterium (über Gewicht) - Testmessung zur Bestimmung des geeigneten Abschaltkriteriums Tabelle 2: Technische Angaben zum HR 73

5 Seite 5 Trocknungsprogramme des HR 73 Standardtrocknung: Dieses Trocknungsprogramm eignet sich für die meisten Proben. Die Probe wird auf die Trocknungstemperatur aufgeheizt und konstant auf dieser Temperatur gehalten. Schnelltrocknung: Dieses Programm eignet sich vor allem für Proben mit einem Feuchtegehalt über 30 %. Nach dem Start wird die gewählte Temperatur während 3 Minuten um 40 % überschritten, um die Verdunstungskälte zu kompensieren und den Trocknungsvorgang zu beschleunigen. Anschließend wird die Trocknungstemperatur auf den Sollwert geregelt und gehalten. Der Vorteil liegt in der schnelleren Trocknung. Bei Proben, die thermisch empfindlich sind, kann es verstärkt zu temperaturbedingten Veränderungen kommen. Schontrocknung: Wenn Substanzen zur Hautbildung neigen und somit eine vollständige Trocknung schwierig wird, ist dieses Programm geeignet. Die Temperatur wird stetig erhöht und erreicht die gewählte Trocknungstemperatur erst bei Ablauf der so genannten Rampendauer. Die Rampe, d.h. die Zeit, die zwischen dem Start der Trocknung und dem Erreichen der Endtemperatur vergehen soll, ist vorwählbar. Stufentrocknung: Dieses Programm eignet sich für die Trocknung von Substanzen, die aus mehreren Komponenten bestehen, die sich bei unterschiedlichen Temperaturen verflüchtigen. Es wird stufenweise getrocknet, d.h. die Probe wird auf eine bestimmt Temperatur vorgeheizt und währen einer gewählten Dauer auf dieser Temperatur gehalten (1. Stufe). Anschließend wird die Temperatur auf einen nächsten Wert (2. Stufe) vorgeheizt und wiederum für eine gewisse Dauer gehalten. Zuletzt wird die Temperatur auf die vorgewählte Trocknungstemperatur gebracht und bis zum Ende der Trocknung auf diesem Wert konstant gehalten. Temperatur und Verweilzeit auf jeder Stufe können frei gewählt werden.