Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Da praxistaugliche Online-Messsysteme fehlen, werden die Verfahren zur Entalkoholisierung von Bier so ausgelegt, dass die gesetzlichen Vorgaben (Ethanolgehalt max. 0,5 % (v\/v)) garantiert eingehalten werden. Ziel des Projekts war die Entwicklung eines industrietauglichen Prozessanalyseautomaten zur se-lektiven Online-Bestimmung von Ethanol bei der Herstellung von alkoholfreiem Bier. Durch den Einsatz dieses Messsystems soll der Entalkoholisierungsprozess hinsichtlich \u00f6kologischer und betriebswirtschaftlicher Gesichtspunkte optimiert werden. Im Vordergrund steht eine effizientere Ausnutzung der Ressourcen Energie, Wasser und Abwasser sowie eine Qualit\u00e4tsverbesserung des Produkts.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Analyseger\u00e4t beruht auf einem enzymintegrierenden Flie\u00dfinjektionsanalyse(FIA)-System ohne Probenaufbereitung, das die direkte Verwendung der komplexen Probenmatrix vorsieht. Ethanol wird enzymatisch mit immobilisierter Alkohol- und Formaldehyd-Dehydrogenase bestimmt, indem das umgesetzte NADH\/H+ photometrisch detektiert wird. Die durch die Matrix auftretende Beeinflussung der Enzymaktivit\u00e4t und des Detektorsignals soll \u00fcber eine Teilmodellierung des FIA-Signals mit mathematischen Verfahren (z. B. Fuzzy-Logik, K\u00fcnstliche Neuronale Netze; KNN) korrigiert werden.
\nBei der Entwicklung des Analysesystems wurde insbesondere auf die industriellen Randbedingungen (Robustheit, Zuverl\u00e4ssigkeit, geringe Wartung, Bedienerfreundlichkeit, Anbindung an das Prozessleitsystem) eingegangen, die sich bei der Prozessanbindung vor Ort bei den am Projekt beteiligten Brauereien ergaben.
\nDer zeitliche und inhaltliche Vorhabensverlauf konzentrierte sich zun\u00e4chst auf die Entwicklung des Analyseger\u00e4ts und den Aufbau der Auswertealgorithmen zur Korrektur des Matrixeffekts. Nach der Fertig-stellung des Prototypen, dessen Validierung anhand realer Proben und dem Vergleich mit einer Referenzmethode erfolgen sollte, war der Online-Einsatz am Prozess bei den Kooperationspartnern sowie die Optimierung des Produktionsverfahrens vorgesehen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Arbeiten umfassten einerseits die hardwaretechnische Entwicklung des Analyseger\u00e4ts und andererseits die Entwicklung der dazugeh\u00f6renden Ablauf- und Steuerungssoftware sowie der Software zur Teilmodellierung des FIA-Signals mit geeigneten Auswertealgorithmen. Diese bildeten die Basis f\u00fcr die ana-lytische Methodenentwicklung und die Anpassung der Parameter des enzymatischen Bestimmungsverfahrens.
\nF\u00fcr die Hardwareentwicklung wurden Pumpen, Ventile, eine Steuerungs- und Auswerteeinheit sowie ein optisches Detektionssystem getestet. Als F\u00f6rderelement kam eine Kolbenhubpumpe zum Einsatz, da diese sich bez\u00fcglich Genauigkeit, Dosiervolumen, Robustheit, Verschlei\u00df und Kosten empfahl. Aufgrund der Zuverl\u00e4ssigkeit wurden, trotz etwas h\u00f6herer Kosten, Drehventile gegen\u00fcber Schlauchquetschventilen bevorzugt. Die Steuereinheit bildete ein Slot-PC, die Detektion erfolgte mittels eines Einstrahl-Einbauphotometers. Als Durchflusszelle wurde eine Eigenkonstruktion mit Lichtwellenleiteranschl\u00fcssen verwendet.
\nNach Etablierung der Arbeitsmethodiken wie Enzymimmobilisierung oder die Herstellung der Enzyms\u00e4ulen erfolgten Parametervariationen am Flie\u00dfsystem zur Anpassung des Messbereichs sowie zur Optimierung der Empfindlichkeit und Genauigkeit.
\nDie Referenzanalytik basierte auf einem kommerziell erh\u00e4ltlichen Enzymkit (Fa. Boehringer, Mannheim). Aufgrund vorhandener Fehlerquellen, insbesondere mit der hohen notwendigen Verd\u00fcnnung, muss selbst beim Referenzverfahren mit einer Abweichung von 0.02-0.03 Vol.% Ethanol gerechnet werden. Erste Messungen mit Ethanol-Wasser-L\u00f6sungen wurden sp\u00e4ter auf reale Bierproben ausgeweitet.
\nF\u00fcr die Unterdr\u00fcckung der beobachteten Signalschwankungen in den FIA-Peaks wurden zwei Modelle entwickelt. Ersteres basiert auf einem Fuzzy-Logik gest\u00fctzten Expertensystem, bei dem zweiten handelt es sich um ein reines Datenmodell auf der Basis K\u00fcnstlicher Neuronaler Netze (KNN). Dabei lieferten KNN- und Fuzzy-Filter \u00e4hnlich gute Ergebnisse und gestatteten sogar bei unverd\u00fcnnten Proben eine nahezu vollst\u00e4ndige Eliminierung des Matrixeffekts.
\nDie Validierung des Messsystems wurde zun\u00e4chst am Einfluss kurzeitiger Variationen (temperaturinduziert, \u00c4nderungen von Flie\u00dfeigenschaften) betrachtet. Der Temperatureinfluss auf das Analyseergebnis betrug 0,03 Vol. % Ethanol je \u00b0C. Eine konstante Temperatur am Aufstellungsort oder eine Temperierung der Enzymkartuschen ist folglich unabdingbar. Analyseabweichungen durch Variation der Flie\u00dfeigenschaften betrugen maximal 10 % (bezogen auf 0.5 Vol.% Ethanol). Durch kurze Rekalibrierungsintervalle lie\u00df sich der Fehler auf unter 0,02 Vol.% verringern.
\nWeiter ist die enzymatische Aktivit\u00e4t und auch die Stabilit\u00e4t der Immobilisate ma\u00dfgeblich durch den eingestellten pH-Wert bestimmt. Die Verwendung eines 0.4 M Glycinpuffers (Einbettung der Probe in zwei Puffersegmente) gen\u00fcgte, um den pH-Wert s\u00e4mtlicher L\u00f6sungen bei der injizierten Menge von 10-20 \u00b5l ohne Beeinflussung des Messergebnisses auf den Systemwert von pH 9,5 einzustellen. Das Kosubstrat (NAD) wurde hier urspr\u00fcnglich den Puffersegmenten beigesetzt. Durch getrennte Injektion (in Phosphat-puffer, pH 7) wurde eine Zersetzung des NAD beim gew\u00e4hlten pH-Wert von 9,6 verhindert.
\nHinsichtlich der Stabilit\u00e4tsuntersuchungen der eingesetzten Enzyme empfahl sich die Alkoholhydrogenase. Hier nahm die Aktivit\u00e4t innerhalb eines Zeitraums von 4 Wochen bei einem pH Wert von 9,5 lediglich um 10 % ab. Die Stabilit\u00e4t der Alkoholdehydrogenase bzw. des Gesamtsystems best\u00e4tigte sich in weiteren, mehrw\u00f6chigen Testreihen, wobei die Bestimmung von Standardl\u00f6sungen und von Proben alkoholfreien Bieres identische Werte lieferte. Bei der Vermessung von Prozessproben wiesen alle Proben mit Ethanolkonzentrationen im Messbereich des FIA-Systems eine hohe Genauigkeit auf (Abweichung vom Mittelwert \u00a3 0,05 % (v\/v)).Weiter wurde ein Online-Verd\u00fcnner entwickelt, um Blasenbildung bei der Analyse carbonisierter Proben zu eliminieren. Dabei wird die Probe im System mit 2-molarer Natronlauge vermischt, wodurch sich das gel\u00f6ste CO2 chemisch bindet und nicht mehr ausperlen kann. Auf diesem Wege konnten auch carbonisierte Proben mit der geforderten hohen Genauigkeit analysiert werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ein Gro\u00dfteil der \u00d6ffentlichkeitsarbeit wurde von der Koordinationsstelle des Verbunds Sensorik (Uni Hannover) geleistet: Internetauftritt, Pressemappe, Messepr\u00e4sentationen.
\n1.\tH\u00e4mmerle, M.; Becker, T. (1999): Optimierung eines Biosensorsystems zur ressourcenschonenden F\u00fchrung des Entalkoholisierungsprozesses der Bierherstellung. Vortrag auf der DECHEMA- Jahrestagung 99, Wiesbaden.
\n2.\tBecker, T., Schneider, V. & Delgado, A.(2001): Ethanolmesssystem f\u00fcr Brauereien. In: Erb, R. & Heiden, S. (Hrsg.) (2001): Sensorik, Sonderausgabe BIOSpektrum: 26-30.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die prinzipielle Entwicklung des Messsystems kann als abgeschlossen betrachtet werden. Das Prototypenger\u00e4t ist hardware- und softwareseitig komplett aufgebaut und praktisch betriebsfertig. Die geforderte Genauigkeit des Messprinzips als Grundlage f\u00fcr eine nachhaltige Erf\u00fcllung der Projektziele konnte aufgezeigt werden. Gegen Ende des letzten Projektjahrs erfolgten erste Online-Messungen bei den Brauereien, weitere Eins\u00e4tze sind noch im folgenden Quartal geplant. Dabei sollen auch Betriebsdaten \u00fcber den Prozess, wie Energie-, Wasser- und Abfallverbrauch erhoben werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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