Projekt 13028/17

Förderschwerpunkt Biotechnologie: Verbund Sensorik in der Biotechnologie: Laser- und Biosensorik für in-situ Analysen im Brauprozess

Projektdurchführung

Universität PotsdamPhysikalische Chemie
Karl-Liebknecht-Str. 24 - 25
14476 Golm

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Laser-gestützten faseroptischen Messsystems für Fluoreszenz-, Absorptions-/Remissions- und Streulichtuntersuchungen im UV/VIS-NIR-Spektralbereich für den Einsatz bei in situ-Untersuchungen in verschiedenen Phasen der Bierherstellung bzw. -abfüllung (LA-SER IN-SITU-ANALYSESYSTEM, LISA). Neben der Qualitätskontrolle 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.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas LISA wird aufgebaut, charakterisiert und optimiert für den Nachweis, die Erfassung bzw. die quantitative Bestimmung folgender Parameter: (1) Diodenlaserspektroskopie im NIR zur Erfassung des molekularen Sauerstoffs in der Gasphase sowie Fluoreszenzlöschung immobilisierter Farbstoffe zur Sauerstoffmessung in flüssiger Phase, (2) Laserlichtstreuung und laserinduzierte Fluoreszenz für die Messung des Zellwachstums bzw. der Zellmasse, (3) Absorptions- und Remissionsmessungen im UV/VIS-Spektralbereich zur Bestimmung des Bitterstoffgehalts und der Trübung, (4) laserinduzierte Fluoreszenz für den Nachweis von Giftstoffen im Malz, z. B. Aflatoxine, und Kontaminanten im Brauwasser, z. B. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe.
Die wissenschaftliche Begleitung und die Grundlagenuntersuchungen erfolgen dabei am Institut für Physikalische Chemie und Theoretische Chemie der Universität Potsdam, während die anwendungsbezogenen Arbeiten und die online-Analytik des Brauprozesses direkt in den Labors und an den Anlagen der Brauerei Kitzmann Bräu KG durchgeführt werden. Ein O2-Analysator auf Diodenlaserbasis wird von der Firma Bernt GmbH für den Einsatz in der Brauerei konzipiert und optimiert. Weiterhin optimiert die Ana-lytikfirma PreSens GmbH, die auf O2-Sensoren für Messungen in der flüssigen Phase spezialisiert ist, ein Sensorsystem für Messungen direkt an den Brauereianlagen, mit dem die Sauerstoffmessungen nach der Abfüllung in den Flaschen vorgenommen werden.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurden Proben aus allen Abschnitten des Brauprozesses sowie wichtige Bierinhaltsstoffe absorptionsspektroskopisch charakterisiert. Für die Bestimmung des Ethanolgehalts im Bier wurde ein NIR-spektroskopisches Verfahren entwickelt, das mit Referenzverfahren validiert wurde.
Des Weiteren wurde eine fluoreszenzspektroskopische Charakterisierung von Proben aus dem Brauprozess und wichtiger Biofluorophore durchgeführt. Einige Bierinhaltsstoffe (z. B. Pyridoxol, Aminosäuren) wurden fluoreszenzspektroskopisch in Bier sowie Gärproben identifiziert. Für die Bestimmung der Biomasse während der Gärung wurde ein Verfahren basierend auf der Messung von Laserlichtstreuung eingesetzt. Zur Charakterisierung der Lichtstreuung durch die Hefezellen während der Gärung wurden abstandsabhängige Remissionsmessungen in Kultivierungen von Saccharomyces in Malzbier und Vollmedium vorgenommen. Es zeigte sich, dass die Bestimmung der Zellzahl mit dieser Methode möglich ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch die getrennte Bestimmung von effektivem Streu- und Absorptionskoeffizienten der Hefezellen zusätzlich Informationen über den Zustand der Hefezellen gewonnen werden können.
Für die Messung des Sauerstoffgehalts in den abgefüllten 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 für Physikalische Chemie und Theoretische Chemie der Universität Potsdam zur Verfügung gestellt. Mit diesem System wurden bereits im ersten Projektjahr Messungen in der Brauerei durchgeführt. Im weiteren Projektverlauf wurden diese Sensorspots bezüglich der Ansprechzeit unter Einsatzbedingungen optimiert, so dass sie nun zur Überwachung des Sauerstoffgehalts in den Flaschen direkt nach der Abfüllung geeignet sind. Die mit dieser Methode ermittelten Sauerstoffgehalte wurden mit parallel elektrochemisch bestimmten Werten verglichen.
Für die absorptionsspektroskopische Messung des Sauerstoffgehalts in der Gasphase wurde ein kommerziell erhältliches Gerät der Firma Bernt GmbH an die speziellen Gegebenheiten angepasst. Da dieses Gerät sehr leistungsfähig ist, wurde auf die Entwicklung eines neuen Laserspektrometers verzichtet.Ein konventionelles inline-Trübungsphotometer 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.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ergebnisse aus dem Projekt wurden in Form von Vorträgen und Postern auf wissenschaftlichen Konferenzen vorgestellt. Weiterhin wurden Messepräsentationen auf der Analytica 2000 in München auf dem Gemeinschaftsstand von Bayern Innovativ und auf der BioTechnica 2001 in Hannover auf dem Gemeinschaftsstand der DBU durchgeführt. Ergebnisse, die im Rahmen des Projekts gewonnen wurden, wurden publiziert:
· F. Schael, S. Engelhard, O. Reich (2001): Optische Sensorik für in-situ-Analytik von Brauprozessen; Chemie Ingenieur Technik (73), 381-384.
· S. Engelhard, K. Gehmlich, F. Schael, H.-G. Löhmannsröben (2001): Optische Messtechnik für in-situ Brauprozessmonitoring. In: Erb, R. & Heiden, S. (Hrsg.) (2001): Sensorik, Sonderausgabe BIO-Spektrum: 43-46.
· F. Schael, O. Reich, S. Engelhard (2002): Spectroscopy in heterogenous media and applications for bioprocess and environmental monitoring; International Journal of Photoenergy 4: 21-26.
In der Brauerei Kitzmann wurde im Mai 2000 eine Pressekonferenz durchgeführt. Es erschienen daraufhin Artikel in der Tagespresse, der Brauwelt und ein Radiobeitrag.


Fazit

Zusammenfassend ergibt sich ein Messsystem, das die Bestimmung der Hefezellzahl während der Gärung, der Trübung am Bierfilterauslass, des Sauerstoffgehalts in den abgefüllten Flaschen und des Ethanolgehalts im Produkt ermöglicht. Damit werden wesentliche Parameter des Brauprozesses erfasst. Der Trübungssensor, bei dem auf ein konventionelles System zurückgegriffen wurde, und der Sensor zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in den abgefüllten Flaschen wurden im Realprozess eingesetzt. Die übrigen Verfahren wurden mit geeigneten Versuchen im Labormaßstab getestet. Insgesamt wurden damit die Projektziele im Wesentlichen erreicht. Die auf den Statusseminaren erfolgten Anregungen der Gutachter wurden berücksichtigt.