DE102011007665A1

DE102011007665A1 - Detektion und Analyse von ölbasierten Kontaminanten in organischem Material

Info

Publication number: DE102011007665A1
Application number: DE201110007665
Authority: DE
Inventors: Kelly Ann Cook; Maximilian Fleischer; Roland Pohle; Oliver von Sicard
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-10-25
Also published as: WO2012143202A1

Abstract

Es wird eine Anordnung und ein Verfahren zur Detektion und Analyse von olbasierten Kontaminanten (20) fur die Qualitätskontrolle von organischem Rohmaterial (10), wie beispielsweise Getreide, Tee oder Tabak, angegeben. Damit kann das organische Material (10) direkt in einem Lager- oder Transportbehälter (1) getestet werden. Der Behalter (1) muss lediglich ausreichend abgedichtet sein, dass sich Olausgasungen (40), d. h. flüchtige Bestandteile des Ols (20), in der Atmosphare des Behälters (1) ansammeln konnen. Aus diesem Gasvolumen wird dann eine Gasprobe entnommen und analysiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Detektion und Analyse von ölbasierten Kontaminanten. Die Erfassung von Ölspuren in organischem Rohmaterial, wie z. B. Tee, Reis, Getreide oder Tabak, ist ein wichtiger Schritt vor der weiteren Verarbeitung dieser Produkte, da Olverschmutzungen eine Gesundheitsgefahrdung fur den Verbraucher beim Genuss oder Verzehr bedeuten konnen. Derartige Ölverschmutzungen konnen etwa beim Transport des organischen Rohmaterials oder schon bei der Ernte durch die Erntemaschinen in das Material gelangen. Sichtbar werden die Ölspuren jedoch haufig erst im verarbeiteten Endprodukt, da eine Inspektion, insbesondere eine optische Inspektion, der Ernte beim Wareneingang haufig sehr aufwandig und unwirtschaftlich ist und daher nicht durchgefuhrt wird. Werden Olverschmutzungen zu spät erkannt, kann dies zu großem wirtschaftlichem Schaden fur den Hersteller führen.
Als konkretes Beispiel sei die Herstellung von Tabakprodukten genannt: Zum einen wurde sich eine Ölverschmutzung des Tabaks nach der Verarbeitung etwa zu Zigaretten auf dem Zigarettenpapier als Olflecken bemerkbar machen. Außerdem konnen durch die Ölspuren zusätzlich krebserregende Verbrennungsprodukte entstehen. In dem Fall, dass eine Ölverschmutzung des Tabaks erst an den Ölflecken auf dem Zigarettenpapier bemerkt wird, müsste die gesamte im relevanten Zeitraum hergestellte Produktion vernichtet werden.
In allen Fällen ist es von großem Interesse, fur den Hersteller von Endprodukten aus organischem Rohmaterial dieses schon vor der Verarbeitung bei der Warenanlieferung zu uberprufen.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, sowie ein Verfahren anzugeben, womit olbasierte Kontaminanten in organischem Rohmaterial mit relativ geringem Aufwand, jedoch hoher Zuverlässigkeit, detektiert werden konnen.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelost. Ein zugehoriges Verfahren ist im Patentanspruch 8 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind Gegenstand der Unteranspruche.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zur Detektion und Analyse von ölbasierten Kontaminanten in organischem Material. Die Anordnung umfasst eine Entnahmevorrichtung, welche ausgestaltet ist eine Gasprobe aus einem abgeschlossenen Behalter zu entnehmen. Des Weiteren umfasst die Anordnung einen Detektor, welcher ausgestaltet ist zumindest eine Verbindung aus der Gasprobe zu detektieren. Dabei umfasst die Gasprobe fluchtige Bestandteile des zu untersuchenden organischen Materials sowie der olbasierten Kontaminanten. Dies hat den Vorteil, dass Kontaminanten direkt in einem Transport- oder Aufbewahrungsbehälter detektiert werden konnen, da deren Ausdunstungen ebenso wie die des organischen Materials in der Atmosphäre dieses Behalters angereichert sind und mittels des Detektors aus der Gasprobe identifiziert werden können. Da sich das Gas im gesamten geschlossenen Volumen des Behalters gleichmaßig verteilt, kann eine frei wahlbare und gut zugangliche Entnahmestelle gewählt werden. Dies hat des Weiteren den Vorteil, dass keine Probenvorbereitung für die Detektion notwendig ist, sondern das Verfahren sehr schnell vor Ort in einem Lager oder auch bei der Verladung zum Transport vorgenommen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Behälter der Anordnung ein Lager- und/oder ein Transportbehalter für das zu untersuchende organische Material. Zweckdienlicherweise ist der Behalter so ausgestaltet, dass er im abgeschlossenen Zustand ein Gasvolumen umschließt, welches sich abhangig vom Dampfdruck der einzelnen Bestandteile des zu untersuchenden organischen Materials sowie der olbasierten Kontaminanten bildet. Der abgeschlossene Behalter hat insbesondere den Vorteil, dass die fluchtigen zu detektierenden Bestandteile der Kontaminanten in ausreichend hoher Konzentration in dem Gasvolumen angereichert sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Behalter im abgeschlossenen Zustand so abgedichtet, dass die flüchtigen Bestandteile des zu untersuchenden organischen Materials sowie der ölbasierten Kontaminanten einen Anteil von 10^–6% bis 10^–2%, insbesondere von 10^–5% bis 10^–3%, am Gasvolumen ausmachen. Dies ist eine ausreichend hohe Konzentration, um von dem Detektor erfasst zu werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Detektor der Anordnung so ausgestaltet, zumindest eine Verbindung aus der Gasprobe zu erfassen, welche in einer Konzentration zwischen 10^–7% und 10^–4% des Gasvolumens vorliegt. Ist der Detektor zumindest für eine signifikante Verbindung derart sensitiv, konnen ölbasierte Kontaminanten aus dem organischen Rohmaterial mit hoher Sicherheit identifiziert werden.
Der Detektor der Anordnung ist insbesondere so ausgestaltet, eine Gasanalyse vorzunehmen, wobei der Detektor insbesondere ein Massenspektrometer, ein Gaschromatograph oder ein Ionenmobilitätsspektrometer ist.
Die Auswerteeinheit der Anordnung ist insbesondere ausgestaltet anhand der Daten, die sie vom Detektor erhält, ölbasierte Kontaminanten automatisch zu identifizieren. Dies kann insbesondere mit einer Software anhand eines Spektrenabgleich erfolgen. Von Vorteil ist hier der Einsatz von multivarianten Verfahren zum Spektrenabgleich. Multivariante Verfahren sind beispielsweise PCA (Principal Component Analysis), PLS (Partial Least Squares Verfahren) oder auch kunstliche neuronale Netze. Diese erlauben, ein die Anwesenheit von Kontaminationen kennzeichnendes Spektrum sehr zuverlassig zu erkennen.
Bei einer automatisierten Kontrolle kann beispielsweise ein optisches und/oder ein akustisches Warnsignal auf eine Identifikation hinweisen.
Die Anordnung umfasst insbesondere eine Messspitze mit einem Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des untersuchenden Guts. Die Erfassung der Temperatur ist von Vorteil um die Temperaturabhängigkeit des Ausgasungsverhaltens zu kompensieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion und Analyse von olbasierten Kontaminanten in organischem Material umfasst die folgenden Schritte:
Eine Gasprobe wird aus einem abgeschlossenen Behälter entnommen. In dem Behalter wird das zu untersuchende organische Material aufbewahrt. Zumindest eine Verbindung aus der entnommenen Gasprobe wird detektiert, wobei die Gasprobe flüchtige Bestandteile des zu untersuchenden organischen Materials und der ölbasierten Kontaminanten umfasst. Dies hat den Vorteil, dass die Probe für die Detektion einer Kontamination nicht gesondert aufbereitet werden muss, sondern dass das Verfahren zur Detektion direkt an dem ein gelagerten Material vorgenommen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Verfahren die Gasprobe einem Gasvolumen entnommen, welches sich im abgeschlossenen Behalter abhangig von Dampfdruck der einzelnen Bestandteile des zu untersuchenden organischen Materials sowie der ölbasierten Kontaminanten bildet.
Insbesondere wird die Gasprobe mittels eines Massenspektrometers analysiert. Dies hat den Vorteil, dass eine sehr spezifische Detektion und auch Identifikation der Kontaminanten vorgenommen werden kann und die Messung sehr schnell, im Sekundenbereich, vorgenommen werden kann. Insbesondere wird in dem Verfahren ein Massenspektrum im Bereich der Massenzahlen 40 u bis 80 u aufgenommen. Die Erfassung eines spezifischen Spektralbereiches hat den Vorteil, dass nicht signifikante Bereiche nicht berucksichtigt werden mussen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt in dem Verfahren eine Auswertung des Massenspektrums, in der olbasierte Kontaminanten, insbesondere anhand der Messsignale für die Massen 56 u bis 59 u, automatisch identifiziert werden. Diese automatische Identifikation hat den Vorteil, dass diese mit einem Warnsignal verbunden werden kann, welches auf eine Kontamination hinweist.
Insbesondere wird die Gasprobe mittels eines Gaschromatographen oder eines Ionenmobilitätsspektrometers analysiert. Diese Detektoren können alternativ oder zusätzlich zu einem Massenspektrometer herangezogen werden. Insbesondere können abhangig von dem organischen Rohmaterial und zu erwartenden Kontaminanten geeignete Detektoren herangezogen werden.
Zur Auswertung werden insbesondere multivariante Verfahren eingesetzt. Von Vorteil für einen Spektrenabgleich sind beispielsweise PCA (Principal Component Analysis), PLS (Partial Least Squares Verfahren) sowie künstliche neuronale Netze.
Das Ausgasungsverhalten der Kontaminationen hangt oftmals von der Temperatur des zu untersuchenden Gutes ab. Um hier eine stabile Detektion zu ermöglichen, kann insbesondere noch ein Temperatursensor an der Mess-, bzw. Entnahmespitze angebracht sein. Mit dieser Information wird dann die Temperaturabhängigkeit des Ausgasungsverhaltens kompensiert. Dies kann durch entsprechende mathematische Korrekturen in der Verrechnung der Spektren durchgeführt werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die 1 bis 4 der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 das Prinzip des Messaufbaus,
2 eine schematische Ansicht der Anordnung zur Detektion und Analyse von olbasierten Kontaminanten in organischem Material,
3 ein Diagramm mit Massenspektrum von reinem organischen Rohmaterial und
4 den Vergleich mit dem Massenspektrum von kontaminiertem organischen Rohmaterial.
Die 1 zeigt den Prinzipaufbau fur die beschriebene Detektionsmethode von ölbasierten Kontaminanten 20 in organischem Rohmaterial 10. Als organisches Rohmaterial 10 ist z. B. Tabak, Reis, Tee oder Getreide zu verstehen. Bei diesen Materialien wurde eine Kontamination durch Ol 20 eine Gesundheitsgefährdung fur den Verbraucher beim Genuss oder Verzehr bedeuten.
Die Olkontaminanten 20 weisen charakteristische Ausdunstungen 40 auf, die mit einem Detektor 4 erfasst werden konnen. D. h., prinzipiell wird die Atmosphare in einem Transport- oder Aufbewahrungsgefaß 1 für das organische Rohmaterial 10 untersucht und gibt Aufschluss darüber, ob das Material rein vorliegt oder Verschmutzungen durch Ol 20 aufweist.
Die 2 zeigt schematisch, aber detaillierter den Aufbau des Detektionssystems. Dabei ist ein Gefäß 1 gezeigt, in dem das organische Rohmaterial 10 transportiert und/oder aufbewahrt werden kann. Dieses Gefaß 1 ist zumindest so dicht ummantelt, dass die Ausdünstungen 40 durch die Kontaminanten 20 darin in einer ausreichend hohen Konzentration angereichert sind. Uber die Messspitze, ein Probennahmerohr 3 wird nun die Luft aus dem Gefäß 1 in ein Gasanalysesystem 4 eingeleitet. Dieses Gasanalysesystem 4 kann insbesondere ein Massenspektrometer aufweisen, mittels dem die Kontaminanten 20 eindeutig identifiziert werden konnen. Das Analyseergebnis 50 wird an eine Auswertestation 5, insbesondere einen Rechner, z. B. einen PC, weitergeleitet, der die Daten etwa in ein Signal umwandelt, das eine Kontamination anzeigt. Dies kann beispielsweise ein akustisches Signal umfassen.
Die 3 schließlich zeigt ein Beispiel eines Massenspektrums N(m_M) für Rohtabak 10, welches die Haufigkeit N einer gemessenen Massenzahl m_M zeigt. Die Massenzahl m_M ist in u (1 u = 1,660538782·10^–27 kg) angegeben. Dabei weist auch das reine organische Material 10 charakteristische Ausdunstungen 40 auf. Ist das Massenspektrum N(m_M) von dem reinen Rohtabak 10 bekannt, kann durch eine Veranderung des Spektrums schon ein Hinweis auf eine Kontamination 20 gegeben sein.
In 4 ist ein Ausschnitt C des Massenspektrums N(m_M) fur die Massenzahlen 54 u bis 60 u angezeigt. In diesem Spektralbereich C liegen die charakteristischen Massen C' fur eine Olkontamination 20 insbesondere bei der Massenzahl 57 u. Ist dieser Wert C' gegenuber dem reinen Rohtabak 10 stark erhoht, weist dies auf eine Ölverschmutzung 20 hin. Mittels der Analyse der Atmosphare in dem Aufbewahrungsbehälter 1 und einem Massenspektrometer als Detektor 4 konnen neben Olkontaminanten 20 auch andere Verunreinigungen, wie z. B. Faulnis oder Pilze, eindeutig detektiert werden. Durch die einfache Probenentnahme durch eine Gasleitung 3, einen so genannten Sniffer, ist eine schnelle Analyse ohne aufwändige Probenvorbereitung möglich. Auch geringe Konzentrationen der Kontamination sind in der Atmosphäre des Aufbewahrungsbehalters 1 nachweisbar.

Claims

Anordnung zur Detektion und Analyse von ölbasierten Kontaminanten (20) in organischem Material (10) mit einer Entnahmevorrichtung (3), die ausgestaltet ist eine Gasprobe aus einem abgeschlossenen Behälter (1) zu entnehmen, und mit einem Detektor (4), der ausgestaltet ist zumindest eine Verbindung aus der Gasprobe zu detektieren, wobei die Gasprobe fluchtige Bestandteile (40) des zu untersuchenden organischen Materials (10) und der olbasierten Kontaminanten (20) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Behalter (1) ein Lager- und/oder Transportbehalter fur das zu untersuchende organische Material (10) ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Behalter (1) so ausgestaltet ist, dass er im abgeschlossenen Zustand ein Gasvolumen umschließt, welches sich abhängig vom Dampfdruck der einzelnen Bestandteile des zu untersuchenden organischen Materials (10) und der ölbasierten Kontaminanten (20) bildet.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei der Behälter (1) im abgeschlossenen Zustand so abgedichtet ist, dass die flüchtigen Bestandteile (40) des zu untersuchenden organischen Materials (10) und der olbasierten Kontaminanten (20) einen Anteil von 10^–6% bis 10^–2%, insbesondere von 10^–5% bis 10^–3%, am Gasvolumen ausmachen.
Anordnung nach einem der vorstehenden Anspruche, wobei der Detektor (4) ausgestaltet ist, zumindest eine Verbindung aus der Gasprobe zu erfassen, wobei die Verbindung in einer Konzentration zwischen 10^–7% und 10^–4% vorliegt.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Detektor (4) ausgestaltet ist eine Gasanalyse vorzunehmen, wobei der Detektor (4) insbesondere ein Massenspektrometer, ein Gaschromatograph oder ein Ionenmobilitätsspektrometer ist.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Auswerteeinheit (5), die ausgestaltet ist anhand der Daten, die sie vom Detektor (4) erhalt, olbasierte Kontaminanten (20) automatisch zu identifizieren.
Anordnung nach einem der vorstehenden Anspruche bei dem in der Entnahmevorrichtung (3) ein Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des untersuchenden organischen Materials (10) vorgesehen ist.
Verfahren zur Detektion und Analyse von olbasierten Kontaminanten (20) in organischem Material (10) bei dem eine Gasprobe aus einem abgeschlossenen Behalter (1) genommen wird, in dem das zu untersuchende organische Material (10) aufbewahrt wird, und zumindest eine Verbindung aus der Gasprobe detektiert wird, wobei die Gasprobe flüchtige Bestandteile (40) des zu untersuchenden organischen Materials (10) und der ölbasierten Kontaminanten (20) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Gasprobe einem Gasvolumen entnommen wird, welches sich im abgeschlossenen Behalter (1) abhangig vom Dampfdruck der einzelnen Bestandteile des zu untersuchenden organischen Materials (10) und der olbasierten Kontaminanten (20) bildet.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Gasprobe mittels eines Massenspektrometers analysiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Massenspektrum im Bereich von 40 u bis 80 u aufgenommen wird und wobei eine Auswertung des Massenspektrums erfolgt, in der ölbasierte Kontaminanten (20) insbesondere anhand der Messsignale fur die Massen 56 u bis 59 u automatisch identifiziert werden.
Verfahren nach einem der Anspruche 9 oder 10, wobei die Gasprobe mittels eines Gaschromatographen oder eines Ionenmobilitatsspektrometers analysiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13 bei dem eine Auswertung der Messdaten durch multivariante Verfahren, insbesondere PCA, PLS oder kunstliche neuronale Netze vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Anspruche 9 bis 14, wobei die die Temperatur des zu untersuchenden organischen Materials (10) mittels eines Temperatursensors gemessen und diese Information in der Auswertung so verarbeitet wird, dass die Temperaturabhangigkeit des Ausgasungsverhaltens des zu untersuchenden organischen Materials (10) sowie der olbasierten Kontaminanten (20) kompensiert wird.