Dynamische Dampfsorption 101: Was, warum und wie?

Wasser ist allgegenwärtig. Wer sich mit der physikalischen Welt befasst oder Materialien herstellt, muss sich irgendwann mit dem Einfluss von Feuchtigkeit auf die Substanzen auseinandersetzen, mit denen er arbeitet.

Genauer gesagt ist Wasser – sowohl in einem Material als auch in dessen Umgebung – ein entscheidender Faktor dafür, wie und wo ein Produkt oder Material verwendet werden kann, wann es sich zersetzt, welche Behandlungen oder Beschichtungen es (gegebenenfalls) benötigt oder ob es vollständig neu formuliert werden muss.

Feuchtigkeit kann nicht einfach ignoriert werden – wie kann also ihre Auswirkung gemessen und berücksichtigt werden?

Durch Dampfsorptionsanalyse.

Was ist dynamische Dampfsorption (DVS)?

Das Ziel der Dampfsorptionsanalyse ist es, herauszufinden, wie viel eines Lösungsmittels – in der Regel Wasser – von einem Material adsorbiert oder desorbiert wird und wie schnell dies geschieht.

Um dies herauszufinden, wird eine Probe des Materials in eine Umgebung gebracht, in der die Menge an Lösungsmitteldampf (Feuchtigkeit) kontrolliert und angepasst werden kann. Anschließend werden die Gewichtsveränderungen der Probe gemessen und zur Berechnung der adsorbierten oder desorbierten Dampfmenge herangezogen.

Die dynamische Dampfsorption (DVS) ist eine beliebte Methode zur Analyse der Dampfsorption. Bis vor einigen Jahrzehnten war ein langsamer, manueller Prozess mit Exsikkatoren die primäre Methode zur Analyse der Dampfsorption. 1991 entwickelte Daryl Williams die DVS, um den enormen Zeit- und Arbeitsaufwand zu reduzieren, der erforderlich war, um aussagekräftige Daten zu erhalten.

Wie dynamische Dampfsorption funktioniert

Es gibt verschiedene Arten von DVS-Geräten, aber die meisten funktionieren ähnlich.

Ein typisches Gerät zur dynamischen Dampfsorption hält eine Probe in einer temperaturgeregelten Kammer. Anschließend wird die Kammer mit befeuchteter oder getrockneter Luft auf eine festgelegte relative Luftfeuchtigkeit gebracht. Sobald die Probe (gemessen am Gewicht) ein Gleichgewicht mit der relativen Luftfeuchtigkeit in der Kammer erreicht hat, wird ihre Massenänderung aufgezeichnet. Das Gerät wiederholt dann den Vorgang mit erhöhter oder verringerter relativer Luftfeuchtigkeit und zeichnet weitere Änderungen auf. Nachdem die erforderlichen Datenpunkte erfasst wurden, verwenden einige DVS-Geräte diese zur Erstellung einer Isotherme.

Sobald eine Probe vorbereitet und eingesetzt ist, führen dynamische Dampfsorptionsgeräte automatisch eine Dampfsorptionsanalyse durch. Um dieselben Daten vor der Einführung der DVS-Technologie aufzuzeichnen, waren mehrere Exsikkatorgehäuse, ein streng temperaturgeregelter Raum und mehrere Wochen oder Monate erforderlich, um die Proben durch verschiedene Kammern zu rotieren und die Ergebnisse aufzuzeichnen.

Wann und warum wird dynamische Dampfsorption eingesetzt?

Der Wettbewerb auf den Märkten und strengere Vorschriften haben Unternehmen aus den unterschiedlichsten Branchen dazu veranlasst, zu untersuchen, wie ihre Produkte auf Umweltbedingungen reagieren. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum die dynamische Dampfsorption in den mehr als 30 Jahren seit ihrer Erfindung so weit verbreitet ist.

Heute breitet sich die Dampfsorptionsanalyse weiterhin in neuen Branchen aus. Die Dampfsorptionsanalyse beantwortet am häufigsten Fragen wie diese:

• Unter welchen Bedingungen verklumpt ein pulverförmiges Material – sei es ein Endprodukt oder ein Rohstoff – und wird unbrauchbar oder unattraktiv?
• Wie gut schützt ein bestimmtes Verpackungsmaterial ein Produkt vor ungünstigen Transport-, Wetter- oder Lagerbedingungen?
• Wie lange bleibt der Wirkstoff eines Arzneimittels, Nutrazeutikums oder Nahrungsergänzungsmittels wirksam, wenn er Schwankungen der Luftfeuchtigkeit ausgesetzt ist, wie sie beispielsweise in einem Badezimmerschrank auftreten?

Andere, eher nischenorientierte Anwendungen umfassen die Untersuchung der Auswirkungen von Feuchtigkeit auf Verbundwerkstoffe, die in der Luftfahrt, bei Kontaktlinsen und Körperpflegeartikeln zum Einsatz kommen, sowie viele weitere Bereiche.

DVS-Ergebnisse und -Analyse, Teil 1: Dampfsorptionskinetik

Die Ergebnisse eines dynamischen Dampfsorptionstests werden oft auf zwei verschiedene Arten visualisiert. Bei der ersten, der sogenannten Dampfsorptionskinetik, dreht sich alles um das Timing. Dabei werden die relative Luftfeuchtigkeit in der Kammer und die Veränderungen der Probenmasse im Laufe der Zeit grafisch dargestellt.

Anders ausgedrückt: Die Sorptionskinetik zeigt, wie schnell Ihre Probe Wasser aus der Umgebung aufnimmt und wieder abgibt. Dies ist in Fällen hilfreich, in denen Zeit ein entscheidender Faktor ist, beispielsweise bei Studien zur beschleunigten Haltbarkeit.

DVS-Ergebnisse und Analyse, Teil 2: Dampfsorptionsisothermen

Die andere Möglichkeit zur Visualisierung von Dampfsorptionsdaten besteht darin, die Wasseraktivität (relative Feuchtigkeit) der Probe auf einer Achse und das Gewicht (manchmal wird stattdessen der Feuchtigkeitsgehalt verwendet) auf der anderen Achse grafisch darzustellen.

Diese Isothermen betonen nicht, wie die Zeit die Probe beeinflusst, sondern zeigen, wie sich die Masse oder der Feuchtigkeitsgehalt in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit verändert.

Hochauflösende Isothermen in diesem Stil machen es einfach, genau zu erkennen, wo unerwünschte Textur- und Qualitätsübergänge stattfinden. Diese werden oft als „kritische Grenzwerte“ bezeichnet und zeigen sich als plötzliche Sprünge oder Abfälle im Feuchtigkeitsgehalt oder in der Masse. Diese Informationen sind in vielen Situationen der Lebensmittelherstellung von entscheidender Bedeutung:

• Bei trockenen Produkten wie Pulvern ist es wichtig, unter einer Obergrenze zu bleiben, um Verklumpungen und Verbackungen zu vermeiden, aber hoch genug, damit übertrocknete, untergewichtige Produkte die Gewinnmargen nicht beeinträchtigen.
• Bei einem Snack aus gepökeltem Fleisch sollte das kritische Grenzfenster idealerweise niedrig genug sein, um Mikroben zu verhindern, aber hoch genug, damit der Snack eine saftige, schmackhafte Konsistenz hat.
• Bei Lebensmitteln mit hohem Feuchtigkeitsgehalt wie Fruchtriegeln sind bestimmte Wasseraktivitätswerte erforderlich, um Synerese zu verhindern.

Adsorption, Desorption und Hysterese erklärt

Der Unterschied zwischen Adsorption und Desorption ist sowohl bei der Dampfsorptionskinetik als auch bei den Isothermen zu beachten.

Adsorption bezeichnet die Bindung von Feuchtigkeit an eine Probe, die diese aus einer feuchten Umgebung aufnimmt. Desorption ist die Abgabe von Feuchtigkeit durch die Probe an eine trockene oder ausgetrocknete Umgebung.

Nur wenige Materialien nehmen Wasser auf und geben es wieder ab auf dieselbe Weise oder mit derselben Geschwindigkeit. Der Unterschied zwischen Adsorption und Desorption wird als Hysterese bezeichnet.

Hysterese ist ein wichtiger Begriff, den man sich merken sollte. Jeder Adsorptions-/Desorptionszyklus, den ein Material durchläuft, verändert die Auswirkungen zukünftiger Adsorptions-/Desorptionszyklen. Wenn ein Produkt einen Übergangspunkt überschritten hat, kann seine Struktur eine irreversible Veränderung erfahren, die sich nicht einfach durch erneutes Trocknen rückgängig machen lässt.

Hysterese wird meist zum Verständnis eines Produkts verwendet, kann aber auch zur Bewertung der Wasserhaltekapazität eines Produkts herangezogen werden, wie beispielsweise bei Beschichtungen, Feuchthaltemitteln oder neuen Formulierungen.

DVS-Isothermeninterpretation – ein Beispiel

Die Isothermeninterpretation variiert je nach Anwendung, aber eine Aufschlüsselung einer Methode kann dabei helfen, andere zu konzipieren – in diesem Fall eine Analyse der durch Dampf induzierten Phasenänderungen in sprühgetrocknetem Milchpulver.

Weitere Beispiele dafür, wie Isothermen interpretiert werden können (um die Haltbarkeit zu schätzen, die Wirksamkeit von feuchtigkeitsabweisenden Folien und Beschichtungen zu ermitteln und vieles mehr), finden Sie in unserem Webinar „ Isothermen verstehen.

Der erste Schritt bei der Interpretation dieser Isotherme zur Untersuchung von Texturveränderungen besteht darin, die oben genannten kritischen Grenzwerte für die Wasseraktivität zu ermitteln – den Punkt, an dem unerwünschte Veränderungen der Textur auftreten.

Die Verwendung der zweiten Ableitung dieser Sorptionsisotherme hilft dabei, die Spitzen dieser Kurve hervorzuheben. Die Spitzen korrelieren mit den Wasseraktivitätswerten, bei denen der Feuchtigkeitsgehalt am schnellsten ansteigt.

In diesem Fall liegt sie bei einer Wasseraktivität von 0,67. Das bedeutet, dass eine Wasseraktivität von 0,67 oder eine relative Luftfeuchtigkeit von 67 % einen kritischen Übergangspunkt für dieses Pulver darstellt, an dem sich seine Textur verändert.

Bei niedrigen Wasseraktivitätswerten gibt es nur eine begrenzte Anzahl von Wasserbindungsstellen. Sobald der Wert jedoch auf 0,67 steigt, erhöht sich die Anzahl der Stellen und es kann mehr Wasser gebunden werden. Steigt der Wert noch weiter an, kommt es (bei diesem speziellen Produkt) zu starker Verklumpung und Verbackung. Die Isotherme zeigt genau, wo diese Vorgänge stattfinden.

Wasserdampfsorption vs. organische Dampfsorption

Die meisten dynamischen Dampfsorptionsgeräte sind für die Untersuchung der Sorptionseigenschaften von Wasser ausgelegt, einige Geräte analysieren auch, wie Proben mit organischen Dämpfen interagieren.

Die Ziele und Grundsätze des Verfahrens bleiben unverändert: Es soll ermittelt werden, wie eine Probe Dampf adsorbiert und desorbiert. In diesen Geräten wird die Probenkammer mit einem organischen Dampf statt mit Wasserdampf bei einer vorgegebenen Luftfeuchtigkeit gefüllt.

DVS mit organischen Dämpfen wird am häufigsten von Materialwissenschaftlern verwendet, die Methoden zur Steuerung chemischer Prozesse entwickeln. Es hat sich auch als nützlich erwiesen, um die pharmazeutische Industrie bei der Entwicklung stabiler und bioverfügbarer Wirkstoffe zu unterstützen.

Dynamische Dampfsorptionsgeräte

Ein DVS-Gerät muss in der Lage sein, die Probenmasse zu messen und die Probe befeuchteter oder getrockneter Luft auszusetzen. Abgesehen von diesen einheitlichen Anforderungen variieren DVS-Geräte stark in Größe, Form und Leistungsfähigkeit. Beachten Sie beim Kauf eines DVS-Geräts Folgendes:

• Gerätegröße. Einige Tischgeräte sind sehr kompakt – etwa 30 Kubikzentimeter –, während einige Mehrplatzgeräte einen großen Labortisch ausfüllen oder sogar so groß wie ein eigenständiger Schrank sein können.
• Lesezeiten. Bei einigen Geräten dauert die Erstellung einer Isotherme Tage, bei anderen Wochen. Überlegen Sie sich vor dem Kauf, welchen Probendurchsatz Sie benötigen.
• Datenauflösung. Ohne eine ausreichend hohe Isothermenauflösung ist es unmöglich, kritische Übergangspunkte genau zu bestimmen. Benötigen Sie Sorptionskinetik mit niedriger Auflösung oder Isothermen mit hoher Auflösung?
• Probengröße. Einige DVS-Geräte können Proben von nur zehn Milligramm präzise analysieren. Andere benötigen für eine genaue Analyse mehr Probe.

Andere Methoden der Dampfsorptionsanalyse

Die traditionelle Dampfsorptionsanalyse, bei der Proben in Exsikkatoren zum Gleichgewicht kommen, wird trotz des damit verbundenen Arbeits- und Geräteaufwands in einigen Labors und Universitäten nach wie vor durchgeführt.

Wer sich für diese Methode entscheidet, benötigt mehrere Klimakammern, gesättigte Salzlösungen und ausreichend Platz, um diese über einen längeren Zeitraum zu lagern. Nach der Vorbereitung der Materialien und dem Beginn des Tests muss ein Labortechniker regelmäßig Proben aus den Kammern entnehmen, diese wiegen und die Veränderungen der Masse aufzeichnen, bis der gewünschte Datensatz vorliegt.

Diese Methode erfordert über einen längeren Zeitraum hinweg kontinuierliche Anstrengungen und liefert möglicherweise nicht die detaillierten Erkenntnisse, die andere Methoden bieten können.

Eine weitere Alternative ist die Dynamic Dewpoint Isotherm (DDI)-Methode, eine vergleichsweise neue und wenig bekannte Weiterentwicklung der DVS-Methode. Während DVS-Geräte die Klimakammermethode nachahmen, indem sie anhand des Gewichts beurteilen, wann eine Probe ein bestimmtes Feuchtigkeitsniveau erreicht hat, gleicht die DDI-Methode die Probe anhand ihrer Wasseraktivität aus.

DDI-Geräte verwenden befeuchtete oder getrocknete Luft, um die relative Feuchte der Probe in festgelegten Intervallen (0,01 aw oder 1 % RH) zu verändern, lassen die Kammer sich an den neuen Zustand der Probe anpassen und zeichnen dann sowohl den aw-Wert als auch das Gewicht der Probe auf. Dieser Vorgang, der über mehrere Tage hinweg viele Male wiederholt wird, führt zu Isothermen mit 100 bis 150 oder mehr Datenpunkten im Vergleich zu den 5 bis 10 Datenpunkten der DVS-Methode, wodurch Übergangspunkte hervorgehoben und reale Flüssigkeitsbedingungen nachgeahmt werden.

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