AMA Innovationspreis 2019 Vier in der Endausscheidung

Analysegerät für kleine Brauereien

Biologische Verarbeitungsprozesse erfordern wegen der natürlichen Schwankungen der Ausgangsstoffe eine ständige Überwachung und Nachjustierung der steuernden Parameter, damit die Qualität des Endergebnisses möglichst gleich bleibt. Wichtig ist das vor allem in Brauereien; »Jahrgangs-Biere« analog zu Wein sind unerwünscht. Die entscheidenden Größen sind hier Alkohol- und Zuckergehalt der gärenden Mischung. Die bisher dafür verwendeten Messeinrichtungen sind entweder sehr einfach und kostengünstig, dafür aber äußerst ungenau, oder aber hochgenau und dadurch extrem teuer, nur von sehr großen Brauereien bezahlbar. So sind die kleinen im Wettbewerb benachteiligt. Hier besteht eine Marktlücke: Bedarf besteht an einem einfachen, kostengünstigen Gerät, das dennoch genau misst.

Das übliche Messprinzip ist Spektroskopie im nahen Infrarot. Dabei wird das zu untersuchende Medium mit breitbandigem Licht bestrahlt. Im zurückreflektierten bzw. transmittierten Licht sind bestimmte Spektrallinien abgeschwächt, die von den zu messenden Stoffen absorbiert worden sind. Die Stärke der Abschwächung ist ein direktes Maß für deren Konzentration. Jedes Molekül hat seinen eigenen charakteristischen »Fingerabdruck« im Spektrum.

Herkömmliche Spektrometer, die im nahen Infrarot arbeiten, basieren auf einem Gitter-Monochromator in Kombination mit einem Zeilensensor aus Indium-Gallium-Arsenid. Beide sind sehr teuer in der Herstellung; die Preise derartiger Geräte können bis in den fünfstelligen Eurobereich gehen. Die von diesen erreichte hohe Auflösung von wenigen nm ist jedoch für die Alkohol- und Zuckermessung gar nicht unbedingt erforderlich. Hier dürfen die Ansprüche auch geringer sein.

Eine praktikable Lösung für einen äußerst kostengünstigen Sensor hat das Team um Dr. Ronny Timmreck bei der Senorics GmbH in Dresden gefunden. Die Firma ist eine Ausgründung aus dem Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) der dortigen TU. Die Erfindung kommt ohne teure InGaAs-Detektoren und Gitter aus, sondern verwendet spektral selektive Detektoren aus organischen Halbleitern – am IAPP ein Hauptforschungsgebiet.

Auf einem 20 x 20 mm² großen Substrat sind 16 Einzelelemente platziert, alle aus dem gleichen Material, aber mit unterschiedlichen Dicken - gerade so, dass vertikal eine halbe Wellenlänge einer ganz bestimmten Infrarotlinie hineinpasst (Bild 3). Auf diese Weise wirkt eine solche Struktur als wellenlängenselektiver IR-Detektor; die erreichbaren Halbwertsbreiten von 20 bis 30 nm sind für den vorgesehenen Zweck schmal genug. Die einzelnen Elemente sind so dimensioniert, dass sie gerade für die für Alkohol und Zucker relevanten IR-Spektrallinien erfassen.

Um Aussagegenauigkeiten im Sub-Prozent-Bereich zu erzielen, ist für die meisten Anwendungen die Auswertung weniger Wellenlängen ausreichend – maximal 20, typischerweise 4 bis10. Dabei sind nur sehr kleine Probenmengen erforderlich. Die Signale der einzelnen Elemente werden mit 16-Bit Auflösung digitalisiert. Ein Mikroprozessor wendet die verschiedenen chemometrischen Modelle auf die Messwerte an und ermittelt daraus Zucker- und Ethanolgehalt. Letztliches Ergebnis ist ein handliches, einfach zu bedienendes Gerät zum Preis von weniger als 300 Euro (Bild 4), auch für die allerkleinste Brauerei erschwinglich.