Nah-Infrarot-Spektrometrie für qualitative und quantitative Inhaltsstoffanalysen

Prozessanalytik erhöht Produktqualität und Kosteneffizienz

Mit einem optischen Multiplexer kann eine anwendungsspezifische Konfiguration mit verschiedenen analytischen Fragestellungen kostengünstig realisiert werden. Bild: Polytec

Die Ansprüche, die Verbraucher heute an Produkte stellen, steigen kontinuierlich. Betroffen davon sind ganz unterschiedliche Branchen, denn bei Saatgut und Düngemittel gilt es ebenso hohe Qualitätsstandards einzuhalten wie in der Lebensmittelproduktion, z.B. bei Teigwaren, Kartoffel- oder Getreideprodukten, und auch von Waschpulver erwartet der Verbraucher eine bestimmte Konsistenz. Hinzu kommt, dass unnötige Folgeschritte vermieden werden müssen. Nachträgliches Trocknen oder Befeuchten beispielsweise kann erhebliche Zusatzkosten verursachen. Die Nah-Infrarot-Spektroskopie ermöglicht in diesen und ähnlichen Anwendungen zuverlässige und zerstörungsfreie Messungen ganz unterschiedlicher Inhaltsstoffe direkt in der Fertigungslinie und ohne besondere Probenaufbereitung. Produkte und Prozesse lassen sich damit gleichzeitig optimieren. Die Qualität steigt, die Produktionskosten sinken und Fehlchargen werden vermieden.

Bereiche der elektromagnetischen Strahlung. Bild: Polytec

Bereiche der elektromagnetischen Strahlung.

Die Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIR-Spektroskopie) arbeitet mit Licht zwischen ca. 800 und 2.500 nm Wellenlänge. Bei der Absorption von NIR-Strahlung werden Moleküle zu Schwingungen angeregt. Aus den reflektierten Spektren können Informationen über die molekulare Zusammensetzung abgelesen werden. Diese lassen sich dann sowohl zur Identifizierung („fingerprint“) als auch zur Quantifizierung von Substanzen nutzen.

Schematische Darstellung der Funktion: Absorption bzw. Reflexion zur Bestimmung von Konzentrationen und Identitätskontrolle (links); Messung von Oberflächeneffekten zur Bestimmung der Oberflächenrauigkeit oder Korngröße (Mitte); Schichtdickenbestimmung aus Grenzflächeneffekten (rechts) Bild: Polytec

Schematische Darstellung der Funktion: Absorption bzw. Reflexion zur Bestimmung von Konzentrationen und Identitätskontrolle (links); Messung von Oberflächeneffekten zur Bestimmung der Oberflächenrauigkeit oder Korngröße (Mitte); Schichtdickenbestimmung aus Grenzflächeneffekten (rechts)

Ein Hauptvorteil der NIR-Spektroskopie ist dabei die einfache Handhabung, denn Licht lässt sich durch Luft oder Glasfasern fast überall hin transportieren. Außerdem können Spektrometer-Systeme entsprechend den jeweils gegebenen Produkt- bzw. Prozesseigenschaften individuell angepasst werden. Dadurch eignen sie sich für Granulate und Flüssigkeiten ebenso wie für Gase und selbst Messungen durch durchsichtige Verpackungen hindurch sind möglich. Wichtige Kenngrößen wie z.B. Wassergehalt, Zusammensetzung etc. lassen sich aus dem NIR-Spektrum in Echtzeit ermitteln. Die zahlreichen Anwendungsgebiete der NIR-Spektroskopie reichen deshalb von Landwirtschaft und Lebensmittelherstellung über Chemie- und Pharmaindustrie, Biotechnologie, Polymerherstellung, Petrochemie etc. bis hin zur Kunststoffsortierung im Recycling.

Wassergehalt, Trocknungsgrad, Fettgehalt oder Restfeuchte

Überwachung des Alkoholgehalts in verschiedenen Biersorten. Bild: Polytec

Überwachung des Alkoholgehalts in verschiedenen Biersorten.

Typische Anwendungen für NIR-Spektroskopie sind die Bestimmung des Wassergehaltes landwirtschaftlicher Produkte, z.B. bei Getreide und Milch, die Überwachung des Trocknungsgrads bei der Herstellung von Teigwaren oder die Prüfung u.a. des Alkoholgehalts von Getränken. Weiterhin lassen sich organische Produkte auf den Protein- (NH-Bindungen) oder Fettgehalt (CH-Bindungen) untersuchen. In der Lebensmittelproduktion sind diese Werte kosten- und qualitätsbestimmend. Anhand der direkt in der Produktion gemessenen Parameter können dann die Produktions- und Verarbeitungsschritte entsprechend optimiert werden. Anders als bei Stichprobenkontrollen im Labor lassen sich so Fehlchargen und damit unnötige Kosten zuverlässig vermeiden. Eingesetzt zur Kontrolle des Trocknungsgrads bzw. der Restfeuchte, hilft die NIR-Spektroskopie, die Trocknungszeit zu optimieren und damit Energie zu sparen und die Verpackungsgewichte konstant zu halten.

Kunststoffherstellung, -recycling und Schichtdicken bei Folien

Eine andere Anwendung findet sich bei Herstellung und Recycling von Kunststoffen. Hier können mit Hilfe der NIR-Spektroskopie verschiedene Kunststoffe unterschieden werden wie PE, PET, PP, PS sowie zahlreiche weitere. Die hohe Messgeschwindigkeit sowie die Erkennungssicherheit sind Grundlage für den industriellen Einsatz in Sortier- und Recyclinganlagen. Bei der Produktion neuer Kunststoffe ist eine einfache und schnelle Überprüfung der Qualität, z.B. des Wassergehaltes von Polymergranulaten oder der Homogenität von Gemischen, mit NIR-Spektroskopie möglich. Aus Interferenzmustern dünner Filme lassen sich zudem auch berührungsfrei Schichtdicken im Bereich von <1 µm bis zu >100 µm ermitteln. Damit ist es möglich, die Oberflächenbeschaffenheit von Objekten zu prüfen. Eine typische Anwendung dafür ist die Beschichtung von Folien.

Flexibilität ist Trumpf

Durch die moderne Diodenzeilen-Technik der Spektrometer ergibt sich eine sehr kompakte und durch den Verzicht auf bewegliche Teile auch sehr robuste Bauform. Bild: Polytec

Durch die moderne Diodenzeilen-Technik der Spektrometer ergibt sich eine sehr kompakte und durch den Verzicht auf bewegliche Teile auch sehr robuste Bauform.

Weil die Anwendungen sehr breit gefächert sind, hat Polytec seine NIR-Spektrometer-Systeme modular aufgebaut. So können diese flexibel den jeweils gegebenen Produkt- bzw. Prozesseigenschaften individuell angepasst werden. Kombinationen aus Spektrometer, unterschiedlichen Messköpfen und verschiedenen Softwarepaketen ermöglichen es, eine optimierte Lösung für eine qualitative oder quantitative online-Analyse zusammenzustellen, die zuverlässige Messergebnisse in Echtzeit liefert.

Das Herzstück bilden dabei immer die Spektrometereinheiten, die sogenannten PSS Polychromatoren, die mit moderner Diodenzeilen-Technik ausgestattet sind. Besonders wichtig für den Einsatz in einem industriellen Umfeld mit teilweise schwierigen Umgebungsbedingungen sind die kompakte Bauform und die robuste Konstruktion, die durch den Verzicht auf bewegliche Teile erreicht werden. Die Trennung von Spektrometer und Messkopf, die über beliebig lange Lichtwellenleiter verbunden sind, ermöglicht zudem die Montage des Spektrometers in einem weniger problematischen Umfeld. Die Geräte sind wahlweise im 19″-Tischgehäuse, als 19″-Einschub oder im kompakten 1/2 19″-Gehäuse erhältlich und messen in standardisierten Spektralbereichen von 850 bis 2200 nm.

Messköpfe für unterschiedliche Messgüter

Je nach den Eigenschaften der Probe und der Installationssituation steht eine Auswahl an spezialisierten Messköpfen für Distanz- oder Kontaktmessungen zur Verfügung. Bild: Polytec

Je nach den Eigenschaften der Probe und der Installationssituation steht eine Auswahl an spezialisierten …

Für die unterschiedlichen Messgüter und Installationssituationen steht eine Auswahl an spezialisierten Messköpfen zur Verfügung. Für Stück- und Schüttgüter oder Bahnware eignet sich besonders der Distanz-Messkopf; für Flüssigkeiten, Dispersionen oder Pasten sowie für Gase, Aerosole, Rauch oder Messungen in direktem Kontakt wird der Kontaktmesskopf oder eine Tauchsonde eingesetzt. Ein besonders ökonomischer Aufbau kann mit Hilfe der optischen Multiplexer realisiert werden, die mehrere unterschiedliche Messköpfe mit dem gleichen Spektrometer verbinden. Dadurch kann eine anwendungsspezifische Konfiguration mit verschiedenen analytischen Fragestellungen kostengünstig realisiert werden. Die Multiplexer gibt es mit faseroptischen Schaltern für zwei bis sechs Messköpfe.

Je nach den Eigenschaften der Probe und der Installationssituation steht eine Auswahl an spezialisierten Messköpfen für Distanz- oder Kontaktmessungen zur Verfügung. Bild: Polytec

… Messköpfen für Distanz- oder Kontaktmessungen zur Verfügung.

Darüber hinaus unterstützen bedienerfreundliche Softwarelösungen unterschiedlichste Applikationen in Labor und Industrie. Somit bietet die NIR-Spektrometrie anwendungsspezifische, aber leicht zu integrierende Prozesslösungen, die auf einer bewährten technologischen Plattform basieren. Mit ihrer Hilfe lassen sich mit Amortisationszeiten von in der Regel zwei Jahren Produkte und Prozesse gleichzeitig optimieren. Ein Beispiel dafür ist die Restfeuchteermittlung, durch die unnötige Trocknungs- oder Befeuchtungsprozesse oder gar Fehlchargen vermieden werden.

Über Polytec
Als Lasertechnologie-Pionier bietet Polytec bereits seit 1967 optische Messtechnik-Lösungen für Forschung und Industrie. Nach den Anfangsjahren als Distributor machte sich das Hochtechnologie-Unternehmen mit Sitz in Waldbronn bei Karlsruhe schon in den 70er Jahren einen Namen als Entwickler eigener laserbasierter Messgeräte – und ist heute Weltmarktführer im Bereich der berührungslosen Schwingungsmesstechnik mit Laservibrometern. Systeme für die Längen- und Geschwindigkeitsmessung, Oberflächencharakterisierung, Analytik sowie die Prozessautomation gehören ebenfalls zur breiten Palette an Eigenentwicklungen. Eine weitere Kernkompetenz von Polytec ist die Distribution von Bildverarbeitungskomponenten und optischen Systemen.
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Dr. Jutta Gerstner

Vertrieb Geschäftsbereich Analytik bei Polytec

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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