Kein Loch mehr nötig: Das neue Verfahren funktioniert optisch, die Flasche bleibt bei der Messung intakt.

Bild: Axel Marquardt, RUB

Zerstörungsfreies Messverfahren Kohlensäure messen, ohne Flaschen zu zerstören

09.11.2020

Um den Kohlensäuregehalt von Getränken zu bestimmen, muss normalerweise ein Loch in den Flaschendeckel gestanzt und sowohl Flasche als auch Inhalt danach entsorgt werden. Ein neues Messgerät ist nun in der Lage, den Kohlensäuregehalt mittels Laserlicht zerstörungsfrei von außen zu erfassen.

An der Ruhr-Universität Bochum (RUB) ist eine neue Lösung zur Kohlensäuremessung in Getränkeflaschen entwickelt worden. Damit ist es nun nicht länger notwendig, Flaschen zu öffnen und das Getränk in einen Sensor zu überführen.

Das neue Verfahren beruht auf der Absorptionsspektroskopie, funktioniert bei beliebigen transparenten Getränkeflaschen und ermöglicht auch Langzeitmessungen. Es steht kurz vor der Markteinführung.

Laserlicht verrät Kohlensäuregehalt

Der Kohlensäuregehalt ist bei vielen Getränken einer der wichtigsten Geschmacksparameter. Da das CO2-Gas im Laufe der Zeit selbst aus gut verschlossenen Flaschen entweicht, ist es sowohl für Getränkeproduzenten als auch für den Handel interessant, ob sich der Wert im gewünschten Bereich befindet. Berechnen lässt er sich aus dem Absolutdruck und der Temperatur des Getränks im Behälter.

Bei teiltransparenten Glas- und Kunststoffflaschen kann der Absolutdruck mit dem neuen Messgerät spektroskopisch ermittelt werden, ohne die Flasche dafür öffnen zu müssen. Für das Verfahren senden die Forscher Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge durch den Gasraum im Flaschenhals und messen, wie viel von diesem Licht auf der gegenüberliegenden Seite der Flasche ankommt.

Die Wellenlänge des Lichts ist dabei so gewählt, dass es bevorzugt von CO2-Molekülen absorbiert wird. Die Menge des absorbierten Lichts bei verschiedenen Wellenlängen in einem Bereich um 2.004 nm gibt Aufschluss über die Menge an Kohlendioxid und somit den Absolutdruck.

Trick gegen störende Einflüsse

Für solche spektroskopischen Verfahren wird normalerweise ein Hintergrundspektrum am leeren Behälter aufgenommen, mit dem sich Störeinflüsse – beispielsweise durch Kratzer oder Staub auf der Oberfläche – herausrechnen lassen. An versiegelten Flaschen ist das allerdings nicht möglich.

Daher eliminieren die Wissenschaftler die störenden Einflüsse mit einem Trick: Sie vermessen eine Flasche nicht nur einmal, sondern einige Sekunden lang immer wieder aus verschiedenen Richtungen. Störungen variieren so von Messung zu Messung, während der Einfluss des Inhalts durch die gleichbleibende Dichte an CO2-Molekülen konstant bleibt.

Anschließend befreien die Forscher das Absorptionsspektrum von den Störeinflüssen. Dazu verwenden sie einen mittlerweile patentierten und selbst entwickelten mathematischen Ansatz. Der Absolutdruck lässt sich anschließend einfach aus dem Spektrum ablesen. Die Temperatur des Getränks wird ebenfalls nicht-invasiv über ein Pyrometer gemessen.

Geeignet für Glas- und Kunststoffflaschen

Das Verfahren funktioniert für Glas- und PET-Flaschen unterschiedlicher Farben und Formen. Die einzige Voraussetzung ist, dass die Flasche lichtdurchlässig ist. Da sie unbeschädigt bleibt, kann sie auch mehrmals über längere Zeit vermessen werden, wodurch unter anderem die Produkthaltbarkeit bestimmbar ist.

Die Messgenauigkeit beträgt aktuell abhängig vom Druck in der Flasche mindestens 50 mbar. Anders ausgedrückt bedeutet das, dass die Menge an CO2 mit einer Genauigkeit von 0,1 g/l gemessen werden kann. Damit liegt die Messgenauigkeit ungefähr bei dem eines invasiven Gerätes; das Modell CDA MK-6 der Firma Steinfurth, die die neue Lösung mitentwickelt hat, erreicht beispielsweise eine Messgenauigkeit von 30 mbar.

Bei dem neuen Gerät handelt sich laut den Forschern derzeit um das einzige marktreife nicht-invasive Messverfahren, das ohne die zusätzliche Angabe des Flaschenhalsdurchmessers funktioniert.

Bildergalerie

  • Das neue Messgerät erreicht mit einer Genauigkeit von 50 mbar annähernd den Wert eines invasiven Kohlensäuremessers.

    Bild: Axel Marquardt, RUB

  • Martin Falkenstein (links) von der Firma Steinfurth Mess-Systeme und Cemal Esen von der RUB haben für die Entwicklung des neuen Geräts kooperiert.

    Bild: Axel Marquardt, RUB

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