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DTMultimodal - Entwicklung eines Online-Messsystems und multivariate Modelle zur Analyse und Vorhersage von lnhaltsstoffen in trüben Matrizes
1 May 2019
Die Getränkeindustrie durchlebt einen massiven Wandel.
Während speziell der Softdrink-Markt lange Jahre von zuckerhaltigen Getränken dominiert
wurde, bestimmen ihn heute innovative und zuckerreduzierte Getränke wie
Zero-/Light-Softdrinks, Energy-Drinks, Near Water-Drinks etc.. Bestanden die
„altbewährten“ Getränke meist aus zwei oder drei unterschiedlichen Grundstoffen
und Wasser, beinhalten die „neuen, innovativen und zuckerreduzierten“ Getränke
eine Vielzahl an unterschiedlichen, zum Teil auch natürlichen Inhaltsstoffen
mit saisonalen und lokalen Qualitätsunterschieden. Viele dieser natürlichen
Rohstoffe weisen dann eine entsprechende Schwankungsbreite auf und
unterscheiden sich auch bei gleichbleibendem Herstellungsprozess dennoch bei
der Gesamtzusammensetzung des Getränks. Deshalb ist es schwierig, mit klassischen
analytischen Verfahren - z.B. einer nasschemischen Analyse - eine solche
Vielzahl von Untersuchungen sowohl logistisch als auch kostenmäßig zu meistern.
Deshalb wird immer häufiger die stichprobenartige Laboranalyse durch die
vollautomatisierte spektroskopische Prozessanalytsentechnik (PAT) ersetzt.
Allerdings beeinflussen die natürlichen Schwankungen auch
die spektroskopische Messung der Getränke und erhöhen damit die Komplexität an
die Probenahme, Aufnahme und Auswertung sowie die Interpretation und Zuordnung
der Spektren zu einzelnen Komponenten. Um trotzdem eine robuste online Konzentrationsmessung
einzelner Inhaltsstoffe (z.B. Koffein oder Süßstoffe wie Aspartam oder
Acesulfam-K) zu ermöglichen, muss die Variabilität der Inhaltsstoffe mit in ein
Kalibrationsmodell integriert werden.
Durch diese Vorgehensweise können bereits viele Getränke,
auch mit natürlichen Inhaltsstoffen, vermessen und eine optimale
Produktqualität und -konstanz realisiert werden. Eine zusätzliche Schwierigkeit
besteht aber weiterhin, wenn Getränke zusätzlich noch eine natürliche Trübung
aufweisen. Diese Trübung fungiert dann als Streuzentrum in der Flüssigkeit und
lenkt je nach Form und Größe des Partikels das eingestrahlte Licht ab und
verlängert damit auch deren Pfadlänge. Dies kann wiederum das aufgenommene
Spektrum verändern und beeinflusst insbesondere die Konzentrationsvorhersage.
Grundsätzlich könnten Form und Größe der Trübungsteilchen mit in ein
Kalibrationsmodell aufgenommen werden, dies wäre aber eine sehr aufwendige Prozedur,
zudem zuerst die Trübungsteilchen (Größe und Verteilung) analysiert werden
müssten.
Die in der Getränkeindustrie üblicherweise aufgenommenen
Zielgrößen sind z.B. die Leitfähigkeit oder die einfache Trübungsmessung bei
einigen vorbestimmten Wellenlängen. Diese einfachen Messgrößen sind jedoch nur Summenparameter
und geben keinen Aufschluss über die tatsächliche molekulare Zusammensetzung
innerhalb einer Matrix. Die Neuentwicklung eines „LiquiSmart“ soll genau hier
ansetzen. Im konzipierten System soll die Information der Trübung zuerst vom Absorptionssignal
separiert werden, um dann die komplexe Information eines molekularen spektralen
Fingerprints erfassen zu können. Neben dem Fingerprint können dann auch
einzelne Inhaltsstoffe vorhergesagt werden. Um auch opake Getränke wie
Orangensäfte mit partikulären Streuzentren untersuchen zu können, sind
multimodale spektrale Informationen und deutlich komplexere Auswertealgorithmen
notwendig.
Damit positioniert sich „LiquiSmart“ zwischen den einfachen „Stand-der-Technik-Messsystemen“
und dem komplexen „LiquiGuard“ von Dausch Technologies.