Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Laser-gest\u00fctzten faseroptischen Messsystems f\u00fcr Fluoreszenz-, Absorptions-\/Remissions- und Streulichtuntersuchungen im UV\/VIS-NIR-Spektralbereich f\u00fcr den Einsatz bei in situ-Untersuchungen in verschiedenen Phasen der Bierherstellung bzw. -abf\u00fcllung (LA-SER IN-SITU-ANALYSESYSTEM, LISA). Neben der Qualit\u00e4tskontrolle von Rohstoffen und Produkten dient das System der Verfahrensoptimierung, z. B. in Bezug auf Wasser- und Energieverbrauch sowie Filtereinsatz, und kann deshalb einen signifikanten Beitrag zur Umweltentlastung und Ressourcenschonung leisten.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas LISA wird aufgebaut, charakterisiert und optimiert f\u00fcr den Nachweis, die Erfassung bzw. die quantitative Bestimmung folgender Parameter: (1) Diodenlaserspektroskopie im NIR zur Erfassung des molekularen Sauerstoffs in der Gasphase sowie Fluoreszenzl\u00f6schung immobilisierter Farbstoffe zur Sauerstoffmessung in fl\u00fcssiger Phase, (2) Laserlichtstreuung und laserinduzierte Fluoreszenz f\u00fcr die Messung des Zellwachstums bzw. der Zellmasse, (3) Absorptions- und Remissionsmessungen im UV\/VIS-Spektralbereich zur Bestimmung des Bitterstoffgehalts und der Tr\u00fcbung, (4) laserinduzierte Fluoreszenz f\u00fcr den Nachweis von Giftstoffen im Malz, z. B. Aflatoxine, und Kontaminanten im Brauwasser, z. B. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe.
\nDie wissenschaftliche Begleitung und die Grundlagenuntersuchungen erfolgen dabei am Institut f\u00fcr Physikalische Chemie und Theoretische Chemie der Universit\u00e4t Potsdam, w\u00e4hrend die anwendungsbezogenen Arbeiten und die online-Analytik des Brauprozesses direkt in den Labors und an den Anlagen der Brauerei Kitzmann Br\u00e4u KG durchgef\u00fchrt werden. Ein O2-Analysator auf Diodenlaserbasis wird von der Firma Bernt GmbH f\u00fcr den Einsatz in der Brauerei konzipiert und optimiert. Weiterhin optimiert die Ana-lytikfirma PreSens GmbH, die auf O2-Sensoren f\u00fcr Messungen in der fl\u00fcssigen Phase spezialisiert ist, ein Sensorsystem f\u00fcr Messungen direkt an den Brauereianlagen, mit dem die Sauerstoffmessungen nach der Abf\u00fcllung in den Flaschen vorgenommen werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Es wurden Proben aus allen Abschnitten des Brauprozesses sowie wichtige Bierinhaltsstoffe absorptionsspektroskopisch charakterisiert. F\u00fcr die Bestimmung des Ethanolgehalts im Bier wurde ein NIR-spektroskopisches Verfahren entwickelt, das mit Referenzverfahren validiert wurde.
\nDes Weiteren wurde eine fluoreszenzspektroskopische Charakterisierung von Proben aus dem Brauprozess und wichtiger Biofluorophore durchgef\u00fchrt. Einige Bierinhaltsstoffe (z. B. Pyridoxol, Aminos\u00e4uren) wurden fluoreszenzspektroskopisch in Bier sowie G\u00e4rproben identifiziert. F\u00fcr die Bestimmung der Biomasse w\u00e4hrend der G\u00e4rung wurde ein Verfahren basierend auf der Messung von Laserlichtstreuung eingesetzt. Zur Charakterisierung der Lichtstreuung durch die Hefezellen w\u00e4hrend der G\u00e4rung wurden abstandsabh\u00e4ngige Remissionsmessungen in Kultivierungen von Saccharomyces in Malzbier und Vollmedium vorgenommen. Es zeigte sich, dass die Bestimmung der Zellzahl mit dieser Methode m\u00f6glich ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch die getrennte Bestimmung von effektivem Streu- und Absorptionskoeffizienten der Hefezellen zus\u00e4tzlich Informationen \u00fcber den Zustand der Hefezellen gewonnen werden k\u00f6nnen.
\nF\u00fcr die Messung des Sauerstoffgehalts in den abgef\u00fcllten Flaschen wurden mit Sensorspots, die von der Firma PreSens eigens entwickelt wurden, versehene Testflaschen hergestellt. Ein speziell angepasstes Messsystem wurde von der Firma PreSens gebaut und dem Institut f\u00fcr Physikalische Chemie und Theoretische Chemie der Universit\u00e4t Potsdam zur Verf\u00fcgung gestellt. Mit diesem System wurden bereits im ersten Projektjahr Messungen in der Brauerei durchgef\u00fchrt. Im weiteren Projektverlauf wurden diese Sensorspots bez\u00fcglich der Ansprechzeit unter Einsatzbedingungen optimiert, so dass sie nun zur \u00dcberwachung des Sauerstoffgehalts in den Flaschen direkt nach der Abf\u00fcllung geeignet sind. Die mit dieser Methode ermittelten Sauerstoffgehalte wurden mit parallel elektrochemisch bestimmten Werten verglichen.
\nF\u00fcr die absorptionsspektroskopische Messung des Sauerstoffgehalts in der Gasphase wurde ein kommerziell erh\u00e4ltliches Ger\u00e4t der Firma Bernt GmbH an die speziellen Gegebenheiten angepasst. Da dieses Ger\u00e4t sehr leistungsf\u00e4hig ist, wurde auf die Entwicklung eines neuen Laserspektrometers verzichtet.Ein konventionelles inline-Tr\u00fcbungsphotometer wurde in der Brauerei Kitzmann am Bierfilterauslass installiert. Aufgrund dieser Messungen ist bereits im ersten Projektjahr eine Umweltentlastung durch die Einsparung von Filtermaterial gegeben. Eine Schwachstellenanalyse wurde erstellt.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ergebnisse aus dem Projekt wurden in Form von Vortr\u00e4gen und Postern auf wissenschaftlichen Konferenzen vorgestellt. Weiterhin wurden Messepr\u00e4sentationen auf der Analytica 2000 in M\u00fcnchen auf dem Gemeinschaftsstand von Bayern Innovativ und auf der BioTechnica 2001 in Hannover auf dem Gemeinschaftsstand der DBU durchgef\u00fchrt. Ergebnisse, die im Rahmen des Projekts gewonnen wurden, wurden publiziert:
\n\u00b7\tF. Schael, S. Engelhard, O. Reich (2001): Optische Sensorik f\u00fcr in-situ-Analytik von Brauprozessen; Chemie Ingenieur Technik (73), 381-384.
\n\u00b7\tS. Engelhard, K. Gehmlich, F. Schael, H.-G. L\u00f6hmannsr\u00f6ben (2001): Optische Messtechnik f\u00fcr in-situ Brauprozessmonitoring. In: Erb, R. & Heiden, S. (Hrsg.) (2001): Sensorik, Sonderausgabe BIO-Spektrum: 43-46.
\n\u00b7\tF. Schael, O. Reich, S. Engelhard (2002): Spectroscopy in heterogenous media and applications for bioprocess and environmental monitoring; International Journal of Photoenergy 4: 21-26.
\nIn der Brauerei Kitzmann wurde im Mai 2000 eine Pressekonferenz durchgef\u00fchrt. Es erschienen daraufhin Artikel in der Tagespresse, der Brauwelt und ein Radiobeitrag.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Zusammenfassend ergibt sich ein Messsystem, das die Bestimmung der Hefezellzahl w\u00e4hrend der G\u00e4rung, der Tr\u00fcbung am Bierfilterauslass, des Sauerstoffgehalts in den abgef\u00fcllten Flaschen und des Ethanolgehalts im Produkt erm\u00f6glicht. Damit werden wesentliche Parameter des Brauprozesses erfasst. Der Tr\u00fcbungssensor, bei dem auf ein konventionelles System zur\u00fcckgegriffen wurde, und der Sensor zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in den abgef\u00fcllten Flaschen wurden im Realprozess eingesetzt. Die \u00fcbrigen Verfahren wurden mit geeigneten Versuchen im Laborma\u00dfstab getestet. Insgesamt wurden damit die Projektziele im Wesentlichen erreicht. Die auf den Statusseminaren erfolgten Anregungen der Gutachter wurden ber\u00fccksichtigt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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