So wählen Sie den richtigen Sensor für die Wasseraktivität Ihrer Proben aus

Flüchtige Verbindungen, ölige Proben und QS-Labore mit hohem Durchsatz bevorzugen jeweils unterschiedliche Sensoren. Hier erfahren Sie, wie Taupunktspiegel-, regelbare Diodenlaser-, Kapazitäts- und resistive elektrolytische Sensoren funktionieren und wo die jeweiligen Einsatzbereiche liegen.

Diese vier Technologien machen fast die gesamte Messung der Wasseraktivität in Lebensmittel- und Pharmalaboren aus. Die Wahl des richtigen Sensors hängt von drei Fragen ab:

1. Enthält die Probe flüchtige Verbindungen? 
2. Ist die Probe fetthaltig, beschichtet oder versiegelt? 
3. Wie viele Messungen benötigen Sie und wie schnell?

Jede Messung beginnt auf dieselbe Weise

Unabhängig vom Sensor versiegeln Sie eine repräsentative Probe in einer Kammer und lassen sie sich mit der Luft darüber im Gleichgewicht einstellen. Wasser bewegt sich zwischen der Probe und diesem Kopfraum, bis sich der Dampfdruck stabilisiert. Probe und Messkammer müssen zudem dieselbe Temperatur erreichen, da sich jeder Unterschied zwischen beiden als Fehler auswirkt.

Alles, was die vier Technologien voneinander unterscheidet, geschieht im nächsten Schritt, wenn der Sensor diesen Kopfraum misst.

Was sie voneinander unterscheidet

Die erste Unterscheidung betrifft primäre (direkte) Methoden im Vergleich zu sekundären (indirekten) Methoden. Direkte Sensoren messen eine physikalische Eigenschaft des Wasserdampfs selbst. Indirekte Sensoren beobachten eine elektrische Veränderung in einem Material, das Feuchtigkeit absorbiert hat, und korrelieren diese Änderung dann mit der relativen Luftfeuchtigkeit. Daraus ergeben sich drei praktische Unterschiede: 

• Die angegebenen Genauigkeiten reichen von ±0,003 a_w bis ±0,015 a_w, eine Spanne, die breiter ist als die meisten Prozesstoleranzen. 
• Die Messzeiten reichen von etwa fünf Minuten bis zu mehr als 30. 
• Die Toleranz gegenüber flüchtigen Verbindungen variiert am stärksten, und das ist meist der ausschlaggebende Punkt bei der Sensorwahl.

Vier Sensortypen für die Wasseraktivität

1. Taupunktspiegel

Ein Taupunktspiegelsensor misst die Taupunkttemperatur des Kopfraums direkt. Das Gerät kühlt einen kleinen Spiegel ab, bis die ersten Kondensationströpfchen auftreten. Ein optisches System erfasst diesen Moment, ein zweiter Sensor liest die Temperatur der Messkammer ab und das Gerät berechnet daraus die Wasseraktivität.

Da diese Methode auf der thermodynamischen Beziehung zwischen Taupunkt und Dampfdruck beruht, handelt es sich um ein primäres Verfahren. Es erfordert keine Kalibrierung, sondern lediglich eine periodische Überprüfung anhand eines Salzstandards. Zudem ist es das schnellste und genaueste der vier Verfahren mit ±0,003 a_w in etwa fünf Minuten.

Ideal für: Die meisten Lebensmittel- und Pharmaproben sowie jedes Labor, das Geschwindigkeit und Genauigkeit miteinander verbinden muss. Achten Sie auf flüchtige Stoffe, die auf dem Spiegel mitkondensieren.

2. Regelbarer Diodenlaser

Ein regelbarer Diodenlaser-Sensor misst, wie viel Wasserdampf sich im Kopfraum befindet. Er sendet einen Infrarotstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als einem Nanometer, die auf das häufigste Wasserisotop abgestimmt ist, über die Luft oberhalb der Probe. Wassermoleküle absorbieren einen Teil dieser Energie, während Alkohole, Glykole, Lösungsmittel und Komponenten ätherischer Öle dies nicht tun. Das Gerät liest ab, wie stark der Strahl abgeschwächt wird, und berechnet daraus die Wasseraktivität.

Dies ist ebenfalls eine primäre Methode und die einzige, die auch bei hohen Konzentrationen flüchtiger Stoffe präzise Messwerte liefert. Die angegebene Genauigkeit beträgt ±0,005 a_w.

Ideal für: Ätherische Öle, Aromasysteme, Spirituosen und jede Rezeptur, bei der flüchtige Stoffe einen Hauptbestandteil und keine bloße Spur darstellen.

3. Kapazitiv

Ein kapazitiver Sensor leitet die Wasseraktivität von einem hygroskopischen Polymer ab. Zwei Elektroden befinden sich auf beiden Seiten eines Polymer-Dielektrikums. Wenn das Polymer Wasserdampf aufnimmt, steigt seine Dielektrizitätskonstante und die Kapazität verschiebt sich. Das Gerät korreliert diese Verschiebung mit der relativen Luftfeuchtigkeit im Kopfraum.

Da dieser Sensor misst, indem er Werte ableitet, statt direkt zu messen, erfordert er eine regelmäßige Kalibrierung und weist ein breiteres Genauigkeitsband von ±0,015 a_w auf. Zudem benötigt er länger als der Taupunkt, um einen Messwert zu ermitteln. Bestimmte Verbindungen schädigen das Polymer irreparabel, und eine längere Einwirkung von Ethanol führt zu einer irreversiblen Drift, die schließlich einen Austausch des Sensors erforderlich macht.

Ideal für: Kapazitive Sensoren können eine nützliche mittlere Option für Proben mit mäßigem Gehalt an flüchtigen Stoffen und eine praktische Kontrollmessung im Vergleich zu einem Taupunktmesswert sein.

4. Resistiv-elektrolytisch

Ein resistiv-elektrolytischer Sensor leitet die Wasseraktivität ebenfalls von einer elektrischen Veränderung ab. Eine elektrolytische Lösung trennt zwei feine Glasstäbe mit Metallelektroden. Wenn der Elektrolyt Wasserdampf aufnimmt, dissoziieren ionische Gruppen und die Impedanz verschiebt sich. Das Gerät korreliert diese Verschiebung mit der relativen Luftfeuchtigkeit.

Diese Sensoren benötigen Schutzfilter, um flüchtige Stoffe zu überstehen, und verschiedene Verbindungen erfordern unterschiedliche Filter. Diese Filter verlangsamen die Messzeiten erheblich.

Ideal für: Ältere Installationen und Screenings mit geringem Durchsatz. Die Belastung durch Filter macht sie für unterschiedliche Probenreihen ungeeignet.

Die vier im Überblick

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Flüchtige Verbindungen

Unser Labor hat mehr als 20 häufig verwendete Inhaltsstoffe mit diesen Sensortypen getestet, und das Muster hat sich bestätigt. Nicht flüchtige Inhaltsstoffe werden von einem Taupunktsensor genau gemessen. Zitronensäure, Apfelsäure, Ascorbinsäure und Glycerin lieferten bei bis zu 100 Prozent saubere Messergebnisse.

Die Interferenz skalierte mit der Konzentration. Ethanol, Isopropanol und Essigsäure lagen bei unter 1 Masseprozent innerhalb des akzeptablen Fehlers und überschritten diesen bei 3 Prozent deutlich. Propylenglykol interferierte erst ab 5 Prozent. Unverdünnte ätherische Öle waren ein anderes Thema. Nelken-, Pfefferminz-, Zitronen- und Rosmarinöl verunreinigten den Spiegel jeweils sofort.

Entscheidend ist die Konzentration, nicht das Vorhandensein. Spuren flüchtiger Stoffe in einem Endprodukt stören einen Taupunktsensor selten. Flüchtige Stoffe als Hauptbestandteil erfordern einen regelbaren Diodenlaser.

Ölige und fetthaltige Proben

Öligkeit an sich ist nicht das Problem. Der Dampfdruck ist es. Glycerin ist viskos und wird von einem Taupunktsensor in voller Konzentration genau gemessen, da es bei Raumtemperatur kaum verdunstet. Ätherische Öle sind dünnflüssig und flüchtig und verschmutzen denselben Sensor bereits bei einer Einzelne Messung.

Fragen Sie also nicht, wie fettig die Proben sind. Fragen Sie, ob ihre Ölphase fix oder volatil ist. Nussmuse, Schokolade und frittierte Snacks sind feste Ölmatrizen und lassen sich per Taupunkt gut messen, obwohl ein hoher Fettgehalt die Äquilibrierung verlangsamt. Zitrusöle, Gewürzoleoresine und Aromakonzentrate erfordern einen Laser.

Reinigen Sie in jedem Fall die Messkammer. Rückstände von einer öligen Proben können bei der nächsten Messung zu Fehlern führen.

Qualitätssicherungslabore mit hohem Durchsatz

Drei Faktoren bestimmen den Durchsatz, und nur einer davon ist die Messung selbst.

Die Messzeit liegt auf der Hand. Ein Taupunktmessgerät liefert ein vollständig äquilibriertes Ergebnis in etwa fünf Minuten, was schnell genug für Kontrollen direkt an der Linie bei den meisten Produktionsgeschwindigkeiten ist.

Die prädiktive Modellierung verkürzt dies weiter. AQUALAB-Geräte können in ca. 60 Sekunden einen endgültigen Wert der Wasseraktivität liefern und Proben außerhalb der Betriebsgrenzen innerhalb desselben Zeitfensters markieren. Eine Minute ist schnell genug, um eine abdriftende Ofentemperatur oder Bandgeschwindigkeit zu erkennen, bevor die Charge nachbearbeitet werden muss, und die vollständige äquilibrierte Messung steht immer noch zur Verfügung, wenn Sie sie für die Freigabedokumentation benötigen. Eine solche Geschwindigkeit verändert die Möglichkeiten eines QS-Teams, denn die größte Unsicherheitsquelle in der Produktion ist keine schlechte Messung. Es ist die Tatsache, dass zu wenige Messungen durchgeführt werden.

Die Kalibrierung ist der zweite Faktor. Eine gekühlte Spiegelmessung basiert auf der Temperatur und erfordert daher überhaupt keine Kalibrierung, sondern nur eine Überprüfung anhand eines Salztandards. Sensoren, die die Wasseraktivität aus einer elektrischen Eigenschaft ableiten, müssen nach einem Zeitplan neu kalibriert werden, und dieser Zeitplan bedeutet Ausfallzeiten im Labor.

Die Erholungszeit ist der dritte Faktor. Ein Sensor, den Sie zwischen verschiedenen Probentypen reinigen, filtern oder spülen müssen, kostet mehr Zeit, als die Messung jemals in Anspruch genommen hat.

Beide Werte gleichzeitig ablesen

Einige Instrumente ermitteln den Feuchtegehalt und die Wasseraktivität aus derselben Probe in demselben Durchgang, und das ist eine Überlegung wert, obwohl die beiden Messungen unterschiedliche Fragen beantworten. Der Feuchtegehalt gibt an, wie viel Wasser ein Produkt enthält. Die Wasseraktivität zeigt, wie verfügbar dieses Wasser ist, was wiederum das mikrobielle Wachstum und die Haltbarkeit vorhersagt. 

Zwei Produkte mit identischem Feuchtegehalt können sich völlig unterschiedlich verhalten. Wenn Ihre Spezifikationen beide Werte erfordern, ist ein Gerät und eine Probenvorbereitung besser als jeweils zwei. Unsere Leitfäden gehen genauer darauf ein, wie sich die beiden Messungen unterscheiden und wie man einen Feuchteanalysator bewertet.

Was die Normen anerkennen

Anerkannte Methoden wie AOAC 978.18 und ISO 18787 basieren auf derselben Beziehung, wonach die Wasseraktivität der Gleichgewichts-Relative Luftfeuchtigkeit des Kopfraums geteilt durch 100 entspricht. Beide lassen direkte und indirekte Messungen zu. Die Genauigkeitsanforderungen schränken das Feld in der Praxis ein, insbesondere wenn ein Ergebnis zeigen muss, dass ein Produkt bei oder unter 0,85 a_w liegt.

Wo AQUALAB zum Einsatz kommt

AQUALAB-Messgeräte nutzen Taupunktsensoren mit gekühltem Spiegel und regelbare Diodenlaser, da beide den Wasserdampf direkt messen. Der eine erfasst den Dampfdruck, der andere dessen Konzentration. Keiner der Sensoren leitet das Ergebnis von Materialeigenschaften ab, die im Laufe der Zeit driften, absorbieren oder sich zersetzen.

Bei den meisten Proben bietet der Taupunkt die höchste Genauigkeit und die schnellsten Ergebnisse. Wenn flüchtige Stoffe dominieren, ist der Laser die einzig zuverlässige Option. Zusammen decken sie nahezu alle Messaufgaben in einem Lebensmittel- oder Pharmalabor ab.

Wie Wasseraktivität eine Probe tatsächlich messen und warum primäre (direkte) Methoden den sekundären (indirekten) Methoden überlegen sind.

Der Messvorgang

Unabhängig von der verwendeten Messtechnik oder Sensortechnologie beginnen alle Messungen der Wasseraktivität auf dieselbe Weise. Eine repräsentative Probe wird in eine versiegelte Messkammer gegeben, wo sie sich mit der Luft im „ Kopfraum “ über ihr im Gleichgewicht einpendeln kann. Während dieses Gleichgewichtsprozesses bewegen sich Wassermoleküle zwischen der Probe und der Luft, bis die „ Dampfdruck “ (oder Dampfdichte) im „ Kopfraum “ einen stabilen Wert erreicht. Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, wird die Wasseraktivität mithilfe einer von vier Sensortechnologien bestimmt, die sich in zwei primäre (direkte) und zwei sekundäre (indirekte) Methoden unterteilen.

Primäre (direkte) Methoden

Primäre Messverfahren erfassen eine grundlegende physikalische Eigenschaft des Wasserdampfs selbst – entweder seine „ Dampfdruck “ oder seine Konzentration –, anstatt die Wasseraktivität aus einem sekundären elektrischen Effekt abzuleiten. Dadurch sind sie von Natur aus genauer und weniger anfällig für Abweichungen, Verunreinigungen oder Störungen.

Taupunktsensor mit gekühltem Spiegel. Ein Taupunktsensor mit gekühltem Spiegel misst direkt die Taupunkttemperatur der im Gleichgewicht befindlichen Luft über der Probe. Ein kleiner Spiegel wird so lange gekühlt, bis sich die ersten mikroskopisch kleinen Kondensationstropfen auf seiner Oberfläche bilden. Ein optisches System erkennt den Beginn der Kondensation und ermittelt die Taupunkttemperatur, während ein separater Sensor die Umgebungstemperatur der Messkammer misst. Anhand dieser beiden Temperaturen berechnet das Gerät die relative Feuchte – und damit die Wasseraktivität – der Probe. Da diese Technologie auf der thermodynamischen Grundbeziehung zwischen Taupunkt und Dampfdruck basiert, gilt sie als direktes, primäres Verfahren zur Messung der Wasseraktivität und wird allgemein als präziseste Technik für nicht flüchtige Proben angesehen.

Sensor mit regelbarem Diodenlaser (TDL). Ein regelbarer Diodenlaser-Sensor misst direkt die Konzentration von Wasserdampfmolekülen im Kopfraum. Der Sensor sendet einen fein abgestimmten Infrarot-Laserstrahl durch die Luft über der Probe. Die Laserwellenlänge, die weniger als einen Nanometer breit ist, wird speziell auf das häufigste Wasserisotop abgestimmt. Wasserdampfmoleküle absorbieren einen Teil der Laserenergie, während andere flüchtige Verbindungen – darunter Alkohole, Benzin, organische Lösungsmittel und Propylenglykol – die Messung nicht beeinträchtigen. Durch die Messung der Dämpfung des Laserstrahls ermittelt das Gerät direkt die Wasserdampfkonzentration und berechnet die Wasseraktivität. Da er die Wasserdampfdichte direkt misst, anstatt sich auf Änderungen elektrischer Eigenschaften zu verlassen, gilt der regelbare Diodenlaser ebenfalls als direktes, primäres Verfahren und ist die einzige Sensortechnologie, die in der Lage ist, die Wasseraktivität in Proben mit nennenswerten Konzentrationen flüchtiger Verbindungen präzise zu messen.

Sekundäre (indirekte) Methoden

Sekundäre Methoden messen den Wasserdampf nicht direkt. Stattdessen leiten sie Wasseraktivität einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften eines Sensormaterials ab, wenn dieses Feuchtigkeit aufnimmt. Diese Methoden können nützlich sein, sind jedoch im Allgemeinen anfälliger für Sensordrift, Verunreinigungen und Störungen als direkte Methoden.

Kapazitiver Sensor. Kapazitive Sensoren bestimmen die Wasseraktivität indirekt durch die Messung von Änderungen der elektrischen Eigenschaften eines hygroskopischen Polymers. Der Sensor besteht aus zwei Elektroden, die durch ein polymeres Dielektrikum getrennt sind. Wenn Wasserdampf aus der Probe in das Polymer absorbiert wird, erhöht sich dessen Dielektrizitätskonstante, wodurch sich die Kapazität des Sensors verändert. Das Gerät korreliert diese Kapazitätsänderung mit der relativen Feuchte des Kopfraums und berechnet daraus die Wasseraktivität. Da die Messung aus Änderungen einer elektrischen Eigenschaft abgeleitet und der Wasserdampfdruck bzw. die Dampfkonzentration nicht direkt gemessen wird, gelten kapazitive Sensoren als indirektes, sekundäres Verfahren.

Resistiver elektrolytischer Sensor. Resistive elektrolytische Sensoren messen die Wasseraktivität ebenfalls indirekt über Änderungen der elektrischen Eigenschaften. Der Sensor besteht aus zwei feinen Glasstäben mit Metallelektroden, die durch eine Elektrolytlösung getrennt sind. Wenn Wasserdampf in den Elektrolyten absorbiert wird, dissoziieren ionische funktionelle Gruppen, wodurch sich die elektrische Impedanz (der Widerstand) des Sensors verändert. Diese Impedanzänderung wird mit der relativen Feuchte des Kopfraums korreliert, sodass das Gerät die Wasseraktivität abschätzen kann. Ähnlich wie kapazitive Sensoren gelten resistive elektrolytische Sensoren als indirekte, sekundäre Verfahren, da sie auf elektrische Reaktionen anstelle einer direkten Messung des Wasserdampfs selbst angewiesen sind.

Warum AQUALAB Taupunkt- und „ regelbarer Diodenlaser “-Sensoren einsetzt

AQUALAB-Geräte nutzen in erster Linie die Technologien des gekühlten Spiegels zur Taupunktmessung und der „ regelbarer Diodenlaser “ (TDL), da es sich dabei um direkte Primärmethoden zur Messung der Wasseraktivität handelt. Beide Sensoren quantifizieren direkt den thermodynamischen Zustand des Wassers im „ Kopfraum “ – entweder durch Messung der „ Dampfdruck “ über den Taupunkt oder durch direkte Messung der Wasserdampfkonzentration mittels Laserspektroskopie. Im Gegensatz dazu sind kapazitive und resistive elektrolytische Sensoren sekundäre Verfahren, da sie die Wasseraktivität aus Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der Sensor-Materialien ableiten. Diese indirekten Verfahren können zwar nützliche Messwerte liefern, sind jedoch im Allgemeinen anfälliger für Sensordrift, Verunreinigungen und Störungen als die von AQUALAB eingesetzten direkten Messtechniken.

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