Sandra Wassink
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Es ist Ostern! Am Wochenende werden wir alle, egal ob jung oder alt, jede Menge Schokolade essen. Wer jetzt in den Supermarkt schaut, findet Schokoladeneier, Osterhasen und Bonbons in vielen Variationen. In unserem Büro haben wir auch schon eine große Schale mit bunten Schokoladeneiern gefüllt und alle greifen ordentlich zu.

Wenn wir über Schokolade in diversen Geschmacksrichtungen sprechen, rücken auch Durchflussgeräte wieder ins Bild.

Die Schokoladenindustrie ist eine stetig wachsende Branche, wenn ich einmal die immer größer werdende Zahl der Schokoladenhersteller betrachte. Besonders stark ist im Moment der Trend zu ausgefallenen Geschmacksrichtungen, neben der klassischen Milchschokolade finden wir Brombeer-, Kirsche-Chili-, Whisky- oder Lakritzschokolade ebenso wie völlig überraschende Kreationen mit Bergkäse, Bier oder Hanf und unzählige andere Geschmacksrichtung in den Regalen.

Die Schokoladenindustrie

Heute möchte ich mit Ihnen meine Erkenntnisse der wachsenden Schokoladenindustrie und die Trends der Geschmacksrichtungen teilen. Vermutlich denken Sie jetzt: "Wer sonst kann das besser als eine Frau?", und damit haben Sie recht, immerhin sind über 75% der Frauen bekennende Schokoladen-Fans, das gilt "nur" für 68 % der Männer.

Schokolade … ein weltweit stetig wachsender Markt mit über $ 100 Milliarden Umsatz jährlich und alles begann mit der Auswahl zwischen Vollmilch-, Zartbitter- und weißer Schokolade.

Besonders als Geschenk zu den Feiertagen ist Schokolade seit jeher sehr beliebt. Zu Weihnachten, Ostern und dem Valentinstag neigen wir dazu, deutlich mehr Schokolade zu kaufen. Die Hauptsaison für Schokolade in der westlichen Welt ist Ostern, dicht gefolgt von Weihnachten.

Schokoladenproduktion

Die stetig steigende Produktion von Schokolade ist nicht nur ein saisonales Phänomen, häufig wird sie auch als Selbst-Belohnung oder – insbesondere bei jungen Erwachsenen - auch als Stimmungsaufheller gesehen. Die Mehrheit der Schokoladenkonsumenten (insbesondere in den USA aber auch verstärkt in Europa) greift eher zu Sorten mit „Mix-In's“, also Füllungen, Toppings oder Geschmacksvariationen, als zu reiner Schokolade.

Der globale Schokoladenmarkt durchlebt beträchtliche Innovation im Geschmack und in der Beschaffenheit. Neue Produktentwicklungen sind nach wie vor sehr phantasievoll, immer mehr Variationen von Aromen und Texturen erobern den Markt zusätzlich zu den traditionellen Sorten. Allerdings ist die Verbraucherbasis eher konservativ, die beliebtesten Aromen sind derzeit Haselnuss, Karamell, Mandel und Orange.

Erwachsene Verbraucher neigen im Moment zu einem geringeren Schokoladenkonsum. Hier steht gesunde Ernährung deutlich mehr im Vordergrund. Um diese Gruppe von Kunden zurückzugewinnen, haben die schokoladenproduzierenden Unternehmen zu Taktiken wie der Verwendung von Bio-Zutaten und Premium-Positionierung wie dunkler Schokolade mit Limoncello, Whisky und anderen alkoholhaltigen Füllungen oder Likörpralinen gegriffen.

Gesunder Lebensstil

Es mag auf den ersten Blick erstaunlich wirken, aber auch der weltweite Trend zur gesunden Lebensweise hat einen deutlichen Anteil am Wachstum des Schokoladenmarktes und das hat seine Gründe. Schokolade, insbesondere dunkle Schokolade mit mehr als 85 % Kakaoanteil hat einige gesundheitliche Vorteile:

  • Reich an Spurenelementen wie Eisen, Magnesium, Kupfer und Mangan
  • Reich an Ballaststoffen
  • Reich an Antioxidantien
  • Schützt vor Herz-Kreislauf-Erkrankungen

Seit den Konsumenten die gesundheitsfördernden Eigenschaften von dunkler Schokolade immer mehr bewusst werden, nimmt der Verbrauch stetig zu. Mit der wachsenden Popularität dunkler Schokolade ist auch der Konsum anderer „gesunder“ oder „nachhaltiger“ Varianten gestiegen. Die Verbraucher greifen zu Sorten wie zuckerfrei, Gluten-frei, vegan, koscher oder Fair-trade. Aufgrund dieser Ansprüche hat sich die Sortenvielfalt weiter stark erhöht. Um Schokolade als gesundes Lebensmittel zu positionieren, werden funktionelle Inhaltsstoffe wie Fasern, Proteine, Mikronährstoffe, schnelle Energie (Guarana-Extrakte), Grünteeextrakt oder Chia-Samen immer häufiger zugesetzt.

Kakao

Die steigende Nachfrage nach Schokolade hat auch seinen Nachteil. Etwa 3 Millionen Tonnen Kakaobohnen werden jährlich verbraucht, von denen mehr als 70% von vier westafrikanischen Ländern produziert werden: Elfenbeinküste, Ghana, Nigeria und Kamerun.

Kakao ist eine anspruchsvolle kulturpflanze. Bäume, die vor 25 Jahren gepflanzt wurden, haben nun ihr Ertragsmaximum überschritten und der Boden, auf dem sie wachsen, ist inzwischen nicht mehr so fruchtbar wie zuvor. Auch der Klimawandel hat hier seinen Anteil. Hier sind umfassende Maßnahmen notwendig, um die Ernte auf dem aktuellen Niveau halten zu können.

All das führt zu hohen Kosten für Rohstoffe und instabilen Wirtschaftsbedingungen in den kakaoproduzierenden Ländern. Um Versorgungsengpässe zu verhindern, haben einige namenhafte Kakaoproduzenten beschlossen, in die Wiederherstellung des Bodens und der Bäume zu investieren und damit sicherzustellen, dass Kakao auch in Zukunft in ausreichender Menge verfügbar ist. Gleichzeitig wird in Ländern wie China, Russland und Indien ein Wachsen des Kakaobedarfes von etwa 30 % erwartet.

Massendurchflussmessung und Schokolade - wie passt das zusammen?

Durch das enorme Wachstum von Schokoladenvariationen mit Aromen und funktionalen Inhaltsstoffen finden Massendurchflussmesser und Regler ihren Weg in die Süßwarenindustrie. Aufgrund ihrer genauen und stabilen Eigenschaften, besonders wenn sie in Kombination mit einer Pumpe eingesetzt werden, eignen sich geringe Durchflussmengenmesser und Regler nach dem Coriolis-Prinzip für die Dosierung von Aromen und anderen funktionellen Inhaltsstoffen.

Dosiereinheit mit mini Cori-FLOW

Produktionsprozess Schokolade

Die Bronkhorst Coriolis-Instrumente messen den direkten Massendurchsatz und sind unabhängig von den Flüssigkeitseigenschaften. Dies bedeutet, dass eine Sollwertänderung innerhalb von Sekunden möglich ist und es keine Notwendigkeit besteht, die Pumpe zu zerlegen und die Anlage neu zu kalibrieren. Ebenso kann bei Medienwechsel die Reinigung durch Spülen erfolgen, eine aufwendige Reinigung ist nicht notwendig. Dies ist ein großer Vorteil, der viel Zeit spart und den Prozess viel flexibler macht. Die Verwendung der Coriolis-Instrumente für die Additivdosierung bedeutet weniger Ausfallzeiten zwischen den Chargen, die Rückverfolgbarkeit der Inhaltsstoffe und eine höhere Produktkonsistenz und -qualität.

Sie möchten mehr wissen?

Broschüre Süsswarenbranche

Applikationsbericht

Video Dosing of confectionary additives

Video Coriolis principle with pump

Ferdinand Luimes
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Ein Coriolis-Massendurchflussmesser ist ein sehr genaues Gerät und hat viele Vorteile gegenüber anderen Messgeräten. Jedes Messprinzip hat jedoch seine Herausforderungen, so auch das Coriolis-Prinzip. Die Coriolis-Instrumente eignen sich perfekt für Low-Flow-Anwendungen in der Schwerindustrie, jedoch müssen sie hier mit allen Arten von Vibrationen fertig werden. In diesem Blog möchte ich Ihnen von meinen Erfahrungen zu diesem Thema berichten.

Das Coriolis-Prinzip

Coriolis Massendurchflussmesser bieten viele Vorteile gegenüber anderen Messgeräten. In erster Linie messen Coriolis-Durchflussmessgeräte direkt den Massenstrom. Dies ist ein wichtiges Merkmal für die industrielle Anwendung, da hierdurch Ungenauigkeiten umgangen werden, die durch die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit zustande kommen. Neben diesem Vorteil sind Coriolis-Instrumente sehr genau, haben eine sehr gute Wiederholgenauigkeit, nutzen keine beweglichen mechanischen Teile, weisen einen hohen dynamischen Bereich auf und bieten noch viele weitere Vorteile.

Wenn Sie noch mehr über die Bedeutung der Massendurchflussmessung und die Relevanz der Coriolis-Technologie erfahren möchten, so können Sie dies in unserem früheren Blog nachlesen.

Beeinflussen Schwingungen die Messgenauigkeit eines Coriolis-Massendurchflussmessers?

In industriellen Anwendungen sind sehr häufig alle möglichen Arten von Schwingungen mit unterschiedlichen Amplituden anzutreffen. Ein Coriolis-Messgerät misst einen Massenstrom mit einem vibrierenden Sensorrohr, dessen Schwingung beim Durchströmen der Flüssigkeit absichtlich außer Phase gerät. Wie im Video [link] am Ende dieses Artikels erklärt.

Diese Messtechnik ist durchaus empfindlich gegenüber unerwünschten Vibrationen mit einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz der Sensorröhre. Diese hängt von der Sensorrohrkonstruktion ab und kann beispielsweise 360 Hz betragen, oder einer höheren harmonischen Frequenz entsprechen, wie im Bild unten dargestellt wird.

Bildbeschreibung [Abb. 1: Coriolis-Durchflussmesser reagieren nur auf Resonanz- oder harmonische Frequenzen empfindlich]

Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieser unerwünschten Vibrationen ist in einer industriellen Umgebung erhöht. Hersteller von Coriolis-Durchflussmessgeräten tun ihr Möglichstes, um den Einfluss von Vibrationen auf den Messwert durch gebräuchliche technische Lösungen zu reduzieren, wie zum Beispiel:

  • höhere Schwingungsfrequenzen
  • zwei Sensorröhren
  • verschiedene Sensorformen
  • Masseblöcke
  • passive und aktive Vibrationskompensation
  • Verrohrung mit Windungen

Es stimmt somit, Vibrationen können die Messgenauigkeit Ihres Coriolis-Durchflussmessers beeinflussen, jedoch nur, wenn die Schwingungen eine Frequenz nahe der Resonanzfrequenz aufweisen. Was kann man dagegen tun? Dies hängt von der Art der Vibration ab.

Welche Arten von Vibrationen existieren?

In einem Industriegebiet können Frequenzen erzeugt werden durch:

  • umweltrelevante Vibrationsquellen (zum Beispiel: LKWs, Schienenverkehr, Industrieaktivitäten)
  • Schwingungsquellen auf Gebäudebasis (mechanische und elektrische Anlagen, z. B. Klimaanlagen)
  • nutzungsabhängige Vibrationsquellen (installierte Geräte und Maschinen, z. B. Pumpen, Förderbänder).

Diese Vibrationen werden durch ein Material wie den Boden, die Luft, durch Rohre oder durch die Flüssigkeit selbst übertragen. Wenn diese Vibrationen die Coriolis-Frequenz stören, könnte die Messung des Durchflusses in gewissem Maße falsch abweichen.

Um die Auswirkungen von Vibrationen zu minimieren, ist es nützlich, die Quellen zu identifizieren. Manchmal ist es möglich, den Durchflussmesser nur ein kleines Stück zu versetzen, ihn zu drehen (Coriolis-Durchflussmesser sind in den meisten Fällen weniger empfindlich gegen Vibrationen, wenn der Zähler um 90 Grad gedreht wird), einen großen Masseblock, flexible Rohre oder U-Biege-Metallrohre zu verwenden sowie alternativ auf Federungen zurückzugreifen.

Wie können Sie die Leistung eines Coriolis-Durchflussmessers überprüfen?

Ein gut funktionierender Durchflussmesser und -regler liefert das beste Prozessergebnis. Daher ist es ratsam, einen Coriolis-Durchflussmesser in seiner Anwendung zu testen, wenn Sie starke industrielle Vibrationen erwarten, bevor Sie ihm voll vertrauen. Seien Sie vorsichtig beim Filtern des Messsignals. In einigen Fällen ist dies sinnvoll (z. B. wenn eine schnelle Reaktion nicht erforderlich ist), aber wenn Sie die Leistung eines Durchflussmessers testen möchten, kann die Filterung Ihre Beurteilung beeinträchtigen.

Bildbeschreibung [Picture 2: Coriolis-Durchflussmesser im Einsatz]

Wenn der Coriolis-Durchflussmesser unter bestimmten Umständen nicht so funktioniert, wie er sollte, sieht der Bediener eine Verschiebung in der Prozessleistung - zum Beispiel in einer Anwendung, die Farbe zu einem Reinigungsmittel dosiert, kann es durch falsche Dosierung zu unterschiedlichen Produktfarben kommen / oder zu unerwartetem Messsignalverhalten. In diesen Fällen ist es sinnvoll, das rohe Messsignal (ohne Filter!) zu überprüfen, da es einen guten Einblick in die Leistung des Durchflussmessers gibt. Fragen Sie Ihren Lieferanten des Durchflussmessers, wie Sie die gesamte Signalfilterung ausschalten können.

Standards in Bezug auf Vibrationen

Bemerkenswerterweise ist der Einfluss von externen Schwingungen für Coriolis-Durchflussmesser in keiner Norm definiert. Es gibt mehrere Normen bezüglich Vibrationen, aber keine nimmt Bezug auf die Messgenauigkeit im Zusammenhang mit Vibrationen. Zwei nützliche Standards sind jedoch:

  • IEC60068-2, Umweltprüfungen für elektronische Geräte in Bezug auf Sicherheit
  • MIL STD 810, Umwelttechnische Überlegungen zu Schock, Transport und Verwendung

Als Anwender von Coriolis-Durchflussmessgeräten ist es wichtig, Ihre Anwendung zu verstehen, insbesondere hinsichtlich potentieller externer Vibrationsquellen. Als Coriolisspezialisten mit geringem Durchfluss arbeiten wir mit erfahrenen Partnern wie der Universität Twente und TNO (einer niederländischen Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung) zusammen, um ein verbessertes Verständnis dieses Themas zu erlangen.

Mit hauseigenen Testständen sind wir in der Lage spezielle Vibrationstests durchführen. Zusammen mit den Erfahrungen, die wir aus Kundenanwendungen und kundenspezifischen Lösungen gewonnen haben, streben wir stets danach, unsere Coriolis-Durchflussmessgeräte immer weiter zu verbessern, um unseren Kunden die bestmögliche Leistung zu bieten.

Sehen Sie sich unser Video zum Coriolis-Prinzip an.

Erfahren Sie mehr über das Coriolis-Messprinzip.

Lesen Sie mehr über die Bedeutung der Massendurchflussmessung und die Relevanz der Coriolis-Technologie in unserem früheren Blog.

Informieren Sie sich hier über unsere Erfolgsgeschichte mit Coriolis Mass Flow Controllern zur Odorierung von Erdgases.

Dr. Christian Monsé (IPA)
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Die Immission von Stickoxiden (NOx) wie z.B. NO2 ist ein globales Problem. Überall auf der Welt arbeiten Forscher und Entwickler sowohl an besseren und genaueren Simulations- und Messmethoden als auch an effizienteren Katalysatoren. Stickoxide entstehen bei nahezu allen Verbrennungsprozessen, sowohl bei stationären (z.B. in Kraftwerken, bei der Stahl-Produktion oder in der chemische Grundstoff-Produktion) und genauso bei der mobilen Verbrennung z.B. in Auto- oder Schiffsmotoren.

Gasgemische mit Stickstoffdioxid (NO2)

Das sogenannte NOx ist ein Gemisch verschiedener Stickoxide z.B. NO, NO2, N2O4, N2O3, N2O5). Der Fokus liegt hier auf NO2-Radikalen (Stickstoffdioxid-Radikalen) und seinem Dimer N2O4 (Distickstofftetraoxid). NO2 ist giftig und die Immission in die Umwelt sollte möglichst gering gehalten werden. Allerdings tritt NO2 bei einer Vielzahl von Verbrennungsprozessen als Nebenprodukt auf, so dass sich sowohl die technischen Entwickler als auch die Arbeits- und Präventionsmedizin mit dieser Substanz beschäftigen müssen. Um den Eintrag von NO2 in die Atmosphäre zu reduzieren, wird in der Abgas-Aufbereitung hinter einem Verbrennungsprozess kontrolliert Ammoniak (NH3) bzw. eine ammoniakbildende Substanz wie Harnstoff zugesetzt. In einer katalytischen Reaktion (SCR-Katalyse, selektive katalytische Reduktion) wird das giftige NO2 in Stickstoff und Wasser (und ggf. CO2) umgewandelt.

Allerdings liegt in der oben beschriebenen Gleichgewichtslage auch das Problem bei der Messung und Regelung von Gasströmen, die NO2 in höherer Konzentration enthalten und insbesondere bei der Verwendung von reinem NO2. NO2 liegt im Gleichgewicht mit seiner dimeren Form N2O4. Dieses Gleichgewicht ist sowohl temperatur- als auch druckabhängig und wird zusätzlich durch Licht und Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst (bei 27°C liegen nur 20% als NO2 vor, die restlichen 80% als Dimer). Das Gemisch ist zudem sehr feuchtigkeitsempfindlich und kann u. a. mit Luftfeuchtigkeit zu Salpetersäure (HNO3) und Sapetriger Säure (HNO2) reagieren, die ihrerseits hochkorrosiv sind.

Für Untersuchungen von Verbrennungsprozessen mit NO2-Emission, die Überprüfung bzw. Neuentwicklung von Katalysatoren oder auch zur Evaluierung von NO2-Analysatoren muss ein genau bekannter Durchfluss von Gasgemischen mit NO2 realisiert werden. Dies gilt aber nicht nur im Katalysebereich sondern auch, wenn es um die Wirkung von NO2 auf den Organismus und die Umwelt geht, denn NO2 ist auf Grund seiner Reaktivität hoch giftig.

Bei uns am Institut für Prävention und Arbeitsmedizin der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, Institut der Ruhr-Universität-Bochum (IPA), beschäftigen wir uns mit aktuellen Themen zur Arbeitsmedizin, aber auch Toxikologie und Epidemologie. Eines unserer aktuellen Projekte ist die Entwicklung eines Referenzsystems für Ringversuche mit NO2-Analysegeräten.

In einem unserer Projekte sollte eine Anlage bestehend aus einer Gasflasche, Nadelventil, Rückspüleinheit, Transferleitungen und Massenflussregler konstruiert werden, die Stickstoffdioxid (NO2) im Bereich bis 6 g/h gegen Raumdruck dosieren kann.

Logo IPA

Die Herausforderung: NO2 korrekt messen und regeln

Gängige Massendurchflussmesser und Massendurchflussregler arbeiten mit thermischen Messprinzipien. Thermische Sensoren arbeiten auf dem Prinzip des Wärmetransportes im Sensorelement. Diese Methode ist gasartabhängig, da der Wärmetransport unmittelbar mit der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit des zu dosierenden Gases abhängt. Da beim Stickstoffdioxid ein temperatur- und druckabhängiges Gleichgewicht zum Distickstoffteraoxid besteht, können sich die Parameter im Sensorelement ständig ändern. Eine Berücksichtigung des Gleichgewichts unter Zuhilfenahme eines einzigen Konversionsfaktors zu einem Referenzgas reicht insbesondere bei NO2/N2O4-Mischungen nicht aus. Durch gravimetrische Versuche haben wir festgestellt, dass bei einer Dosierung mit thermischen Massendurchflussreglern von reinem NO2 massive Unterdosierungen auftreten können (ca. 10 % vom Sollwert).

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass ein thermischer Massenflussregler im geschlossenen Zustand, entsprechend einer Flussrate von 0 ml/min., Pseudosignale produzieren kann, die bis zu 10 % des maximalen Dosierbereichs betragen. Der Grund hierfür liegt darin, dass sich am Sensorelement eine Mischung aus NO2 und N2O4 befindet, die durch die aktive Beheizung des Sensorelements ständig beeinflusst wird. Somit wird ein Wärmetransport im Gerät vorgetäuscht und es wird ein Durchfluss angezeigt.

Die Lösung: Verwendung eines Coriolis-Massenflussreglers

Abhilfe schafft ein Coriolis-Massenflussregler, der aufgrund seines vom thermischen Massenflussregler abweichenden Sensorprinzips gasartunabhängig arbeitet. Es spielt hierbei keine Rolle, wie stark das Gleichgewicht von NO2 und N2O4 auf der einen oder anderen Seite liegt, da das Coriolis-Prinzip eine reine Massenmessung ist. Beim Gebrauch eines Coriolis-Massenflussreglers ist aber darauf zu achten, dass sich das zu dosierende Medium in einem definierten Aggregatzustand befindet, d.h. entweder im komplett flüssigen oder gasförmigen Zustand. Der Siedepunkt von NO2 liegt unter atmosphärischen Bedingungen bei 21 °C, also bietet es sich hier an, das komplette Dosiersystem, bestehend aus Gasflasche, Nadelventil, Rückspüleinheit, Transferleitungen und Massenflussregler zu beheizen. Da beim Dosieren von NO2 am Ort der Druckentlastung im Inneren des Massenflussreglers Verdunstungskälte auftritt, muss die Temperatur dort deutlich höher als 21 °C eingestellt werden. Erst bei einer Temperatur von mindestens 45 °C ist sichergestellt, dass die Dosierung im Bereich zwischen 0 und 6 g/h ohne Fluktuationen durch auskondensierendes und wieder verdampfendes NO2 funktioniert. In diesem Aufbau heben wir einen mini CORI-FLOW ML120V21 (Link auf Produktseite) von Bronkhorst verwendet, das ist der Coriolis-Massendurchflussregler mit dem kleinsten Regelbereich weltweit. Hiermit ist es möglich, selbst kleinste Mengen NO2 genau zu dosieren.

Überprüfung der NO2-Dosierung:

Die Überprüfung der dosierten NO2-Menge wurde mit Hilfe von gravimetrischen Messungen vorgenommen. Dazu wurde NO2 über eine beheizte Transferlinie zu einem U-Rohr aus Glas mit Absperrhähnen geleitet und dort bei -50 °C ausgefroren. Anschließend wurden die Absperrhähne verschlossen, das Kondensat auf Raumtemperatur aufgetaut und gewogen. Insgesamt wurden fünf verschiedene Massenflüsse getestet. Die Abbildung zeigt das Ergebnis der Überprüfung und bestätigt die sehr geringen Abweichungen zwischen gewünschten und tatsächlichen Dosiermengen. Zusätzlich ist ersichtlich, dass der Massenflussregler im getesteten Bereich zwischen 0,1 und 4,0 g/h linear arbeitet (Einzelpunkte: 0,1; 1,0; 2,5 und 4,0 g/h mit eingezeichneten Fehlerbalken).

Bildbeschreibung

Damit ist bewiesen, dass eine genaue Regelung für geringe Mengen NO2 selbst bei niedrigen Vordrücken realisiert werden kann. Das System bietet Forschern und Entwicklern die Möglichkeit, eine hochgenaue NO2-Dosierung zu realisieren und so Ihre Arbeit effizienter zu gestalten.

Erfahren Sie mehr über den Coriolis-Massendurchflussregler ML120!

In unserem vorherigen Blog berichtet Chris King über den Einsatz von Massendurchflussreglern für die Dosierung von Ammoniak in der SCR-Katalyse. Lesen Sie hier weiter!

John S. Bulmer
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Als Wissenschafter an der Universität Cambridge (Macromolecular Materials Laboratory, Cambridge University bin ich direkt an einem faszinierenden Projekt über Carbon Nanotubes (Kohlenstoff-Nanoröhrchen) beteiligt. In Zusammenarbeit mit Bronkhorst arbeiten wir an einem Reaktor, um dieses außergewöhnlich starke und leitfähige Materials kontrolliert herzustellen. In diesem Blogbeitrag möchte ich Ihnen mehr zu diesem Thema berichten und erläutern, warum ich carbon nanotubes für den Werkstoff der Zukunft halte.

Geschichte und Zukunft der Carbon Nanotubes (CNT)

Seit langem bekannt sind diese drei Arten (Modifikationen) des Kohlenstoffes:

  • Diamant
  • Graphit
  • Amorpher Kohlenstoff

Plötzlich, Mitte der 80er Jahre, tauchte in der Forschung eine neue molekulare Form von Kohlenstoff auf und dies war die Initalzündung für das multidisziplinäre Feld der Nanotechnologie. Diese Kohlenstoffmoleküle, die sogenannten Buckminsterfullerene ("Bucky-Balls"), sind nanometerskalige Käfigstrukturen aus Kohlenstoffatomen mit einer Molekularstruktur, die einem Fußball ähnelt.

Bucky-Ball

Abbildung 1: Buckminster-Fulleren

Einige Jahre später kam ein weiterer molekularer Kohlenstoff-Cousin ans Licht: Carbon Nanotubes (CNT). Ähnlich wie bei Buckminster-Fullerenen ist die Fußballstruktur zu einer nanometerbreiten Röhre mit einer Länge, die Millionen mal größer als ihr Durchmesser ist, stark verlängert. Die CNTs rückten mit ihren äußerst interessanten Eigenschaften sofort in den Fokus der Forschung: Die CNTs sind Kohlenstoffverbindungen mit einer geordneten Molekularstruktur und sehr stabilen Bindungen. Diese machen CNTs zu dem stärksten Material, das je hergestellt wurde. Die Festigkeit ist aber nicht alles, Elektronen gleiten mühelos als stabile eindimensionale Leiter über die CNTs, was die elektrische Leitfähigkeit von CNT viermal höher macht als bei Kupfer, bei einer maximalen Kapazität sogar 1.000 mal höher als bei Kupfer.

Anfang der 2000er entwickelten die Forscher Verfahren zur Herstellung von Textilien aus CNT's mit dicht gepackter und ausgerichteter Mikrostruktur. Zunächst blieben die Masseneigenschaften von CNT-Textilien deutlich hinter den spannenden Eigenschaften ihrer einzelnen Moleküle zurück. Nach stetiger Weiterentwicklung ist die hochmoderne CNT-Faser so stark wie herkömmliche Kohlefaser und etwa viermal so leitfähig. Mit der Weiterentwicklung erwarten wir CNT-Fasern, die wesentlich stärker sind als herkömmliche Kohlefasern mit einer elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, die höher ist als bei herkömmlichen Metallen wie Kupfer und Aluminium.

Carbon Nanotube Fasern werden aufgrund ihrer Festigkeit in strapazierfähigen Textilien (Schutzkleidung, kugelsichere Westen), Verbundwerkstoffen, Baumaterialien (Keramik, leichtere Karosserien) und Kabeln eingesetzt. Die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnte enorme Auswirkungen auf das tägliche Leben haben, ähnlich wie Kunststoffe Mitte des 20. Jahrhunderts die Welt verändert haben.

Carbon Nanotubes (CNT) an der Universität Cambridge

In unserem Labor haben wir einen Produktionsprozess entwickelt, mit dem nicht nur Carbon Nanotubes in industriell wettbewerbsfähigen Mengen herstellt werden können, sondern dies mit beispielloser graphitischer Perfektion zu einem makroskopischen Textil mit ausgerichteter Mikrostruktur in einem Produktionsschritt tut. Dieser Produktionsprozess ist an sich einfacher als andere Faserherstellungsverfahren wie herkömmliche Kohlefaser und Kevlar.

Der für diesen Prozess verwendete Floating Catalyst Chemical Vapor Deposition Reactor (F-CVD) benötigt lediglich eine Kohlenstoffquelle (Toluol), eine Katalysatorquelle (Ferrocen) und einen schwefelbasierten Promotor (Thiophen), die zusammengemischt und durch ein Trägergas (Wasserstoff) in einen 1300°C-Rohrreaktor eingespeist werden. Es entsteht eine schwebende CNT-Wolke. Durch die mechanische Extraktion der CNT-Wolke aus dem Rohrreaktor wird die Wolke zu einer Schüttgutfaser mit ausgerichteter Mikrostruktur verdichtet. Dies wird als "CNT-Spinnen" bezeichnet. Ein mit besonderer Schutzausrüstung ausgestatteter Mitarbeiter, auch "der Spinner" genannt, extrahiert die CNT-Wolke mechanisch zu einer Faser.

Eine konsistente Reaktorregelung ist jedoch eine Herausforderung. Die CNT-Materialeigenschaften variieren zwischen den Läufen erheblich und das Verhältnis zwischen kontrollierten und unkontrollierten Reaktor-Eingangsparametern ist noch nicht vollständig verstanden.

Die Herausforderung: Kontrollierte Regelung des CNT-Reaktors

Unsere Forschung zielt darauf ab, eine robuste Rückkopplungsschleife zur Steuerung der CNT-Materialeigenschaften des Reaktors zu implementieren. Alle Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen des Reaktors, die spezifisch ausgewählte CNT-Materialeigenschaften sind, werden automatisch gemessen und in einer Datenbank erfasst; von der Außenwitterung über das Bedienpersonal, das Alter des Rohres bis hin zu den Vorläufer-Konzentrationen, Gasströmen usw..... Die Datenbank wird kontinuierlich für Korrelationen, Parameterinteraktionen und multidimensionale lineare Regressionsmodelle abgefragt, die das Reaktorverhalten mit der Datenexplorations-Software JMP™ statistisch vorhersagen.

So zeigt beispielsweise Abbildung 2 ein statistisches Modell für das G:D-Verhältnis des Materials, dies ist das Verhältnis zwischen Graphit (G) und graphitischen Defekten (D) aus der Raman-Spektroskopie, das den Grad der graphitischen Perfektion anzeigt. Das Modell ist eine Funktion verschiedener Reaktor-Eingangsparameter, die als die statistisch signifikantesten für das G:D-Verhältnis gefunden wurden. Auf der horizontalen Achse im folgenden Diagramm befinden sich die vorhergesagten G:D-Werte des Modells und auf der vertikalen Seite die tatsächlich gemessenen Werte. In einem perfekten Modell mit perfekter Kontrolle würden wir eine gerade 45 Grad Linie erwarten. Offensichtlich sind die Datenpunkte entlang der roten Linie weit gestreut, was auf ein niedriges Niveau der Reaktorregelung hinweist.

Ratio ohne Regelung

Abbildung 2: G/D-Verhältnis bei ungeregelter Precursor-Zufuhr

Dabei wurden die Vorläufer (Toluol, Ferrocen und Thiophen) einfach miteinander vermischt und die Lösung über eine einfache Zahnradpumpe in ein Wasserstoffträgergas eingespritzt. Es zeigte sich, dass ein ausgeklügelteres System für eine bessere Reaktorsteuerung erforderlich war.

Die Bronkhorst-Lösung zur Regelung des Carbon Nanotube Reaktors

Abbildung 2 zeigt unser weiterentwickeltes System. Die flüssigen Ausgangsmaterialien werden nun unabhängig voneinander mit Bronkhorst Coriolis Instrumenten (mini CORI-FLOW Serie geregelt . Die Coriolis-Massendurchflussmesser liefern präzise Massendurchflussraten, ohne dass eine Neukalibrierung bei Eduktwechseln nötig ist. Das erleichtert das Ausprobieren verschiedener CNT-Rezepturen erheblich. Nur Bronkhorst ist es gelungen, das bekannte hochpräzise Coriolis-Prinzip durch den Einsatz der MEMS-Technologie in extrem kleinem Maßstab anzuwenden.

CNT-Reaktor

Abbildung 3: Schematischer aufbau des Carbon Nanotubes -Reaktors

Die Durchflussmengen liegen im Bereich bis 200 g/h für Toluol und sogar unter 100 mg/h für Thiophen. Die Wasserstoff-Trägergasströme werden durch robuste, Plug-and-Play-Bronkhorst-Massendurchflussregler gesteuert. Abschließend werden die genau dosierten Precursor-Substanzen verdampft zusammen mit den kontrollierten Trägergasströmen (Wasserstoff) im Verdampfer verdampft und in den Reaktor eingebracht.

Bildbeschreibung

Abbildung 3: G/D-Verhältnis mit geregelter Precursor-Verdampfung

Mit dieser neuen und anspruchsvolleren Instrumentierung ist die statistische Modellierung des chemischen Gasphasenabscheidungsreaktors mit schwebendem Katalysator wesentlich effektiver. Hier sind die tatsächlichen versus prognostizierten Werte für die graphitische Perfektion sehr viel besser, wie in Abbildung 3 dargestellt. Dieses Modell hat wesentlich weniger Rauschen, was bedeutet, dass die Reaktion des Reaktors vorhersehbar und wiederholbar ist. Mit diesem steuerbaren und gut modellierten Reaktorsystem haben wir bisher die typischen CNT-Produktionsraten mehr als verdoppelt und den Grad der graphitischen Kristallinität verdreifacht.

Bleiben Sie auf dem Laufenden bei Bronkhorst mit spannenden Applikationen, nützlichen Informationen und Tipps und Tricks in unseren regelmäßigen Blogbeiträgen.

Sie sind selbst aktiv im Bereich Reaktortechnologie? Sprechen Sie mit uns über individuelle Lösungen für Ihre Applikation.

  • Lesen Sie mehr über die Entwicklung von Coriolis-Massendurchflussmessern für kleinste Durchflüsse in unserem Blog-Beitrag von Wouter Sparreboom.
Dr. Angela Puls
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5 Gründe, warum die Additiv-Dosierung mit Coriolis-Technologie die Produkteffiziens in der Kunststoffherstellung steigert

Aus unserem heutigen Leben sind Kunststoffe in unterschiedlichster Form nicht mehr wegzudenken. Sie begegnen uns überall, ob als Wegwerfprodukt wie Verpackungsfolien und Plastiktüten oder als langlebiges Bauteil in der Automobilindustrie, im Baubereich oder bei Sportgeräten und Spielzeug.

Kunststoffe werden heutzutage für die jeweilige Anwendung maßgeschneidert, je nachdem, welche Eigenschaften grade gewünscht sind. So lassen sich Eigenschaften wie Härte, Formbarkeit, Elastizität, Bruchfestigkeit, Temperatur-, Licht- und Wärmeformbeständigkeit ebenso wie die chemische und physikalische Beständigkeit an die gewünschte Funktion anpassen.

Diese Vielfalt lässt sich durch die Wahl der Grundbausteine (Makromoleküle), des Herstellungsverfahrens und die genau kontrollierte Zugabe von Additiven in weiten Grenzen variieren. Die jeweiligen Makromoleküle sind Polymere aus sich regelmäßig wiederholenden molekularen Einheiten. Die Art der Vernetzung und das Beifügen von Zusätzen bestimmen die endgültigen Eigenschaften des Materials.

Im lJahr 2016 lag die weltweite Produktion von Kunststoffen für Bulkmaterialien und Folien bei über 300 Mio. Tonnen (Quelle: BMBF), davon wurde fast ein Drittel in China produziert, Europa und Nord Amerika folgen mit jeweils knapp unter 20 Prozent.

Präzise Dosierung von Additiven zur Steigerung der operativen Effizienz und Vermeidung von Fehlchargen

Typische Additive in der Kunststoffindustrie sind Antistatika, Farbstoffe, Flammschutzmittel, Füllstoffe, Gleitmittel, Stabilisatoren und Weichmacher. Viele dieser Additive sind flüssig und müssen hoch genau dosiert werden, da schon geringe Abweichungen zu unerwünschten Veränderungen der Produkteigenschaften führen. Eine hochgenaue Dosierung ist daher notwendig um kostenintensive Fehlchargen zu vermeiden und Produkte in gleichbleibend hoher Qualität zu erhalten.

Häufig werden Additive über Nadelventile zugeführt, das ist zwar kostengünstig, führt aber immer wieder zu Fehlern bei Schwankungen im Prozess (z.B. Druck und Temperatur). Hinzu kommt, dass insbesondere der Gebrauch von Weichmachern zunehmend kritisch betrachtet wird, da einige dieser Substanzen vom Menschen direkt aufgenommen werden oder sich in der Nahrungskette anreichern. Weniger bedenkliche Weichmacher wie z.B. DINCH sind deutlich teurer als die normalerweise verwendeten Phtalate.

Grade hier ist eine hochgenaue Dosierung extrem wichtig, damit die Produkteigenschaften bewahrt werden, es aber nicht zu erheblichen Mehrkosten durch Überdosierung kommt.

Mit unserer bewährten CORI-FILL™-Dosier-Technologie bietet Bronkhorst ein leicht zu handhabendes Setup, um die geforderte Genauigkeit zu gewährleisten. Durch die Kombination eines mini CORI-FLOW mit einer Pumpe oder einem geeigneten Ventil können Flüssigkeiten mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit kontinuierlich oder als Batch in den Reaktor dosiert werden.

mini CORI-FLOW mit Pumpe

5 Gründe, warum die Additiv-Dosierung mit Coriolis-Technologie die Produkteffizient in der Kunststoffherstellung steigert:

  • Medienunabhängige Messung und Regelung – Beim Wechsel eines Fluides ist keine Re-Kalibrierung nötig
  • Gase und Flüssigkeiten können mit dem selben Sensor gemessen werden
  • Messung/Regelung von wechselnden oder undefinierten Gemischen
  • Multi-Parameter-Sensor
  • Die CORI-FILL™ Technologie verfügt über eine integrierte Batch –Counter-Funktion und ermöglicht die Ansteuerung einer Pumpe oder eines Shut-off-Ventils

Das CORI-FILL-Prinzip im Video:

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Marcel Katerberg
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Wir von Bronkhorst als Spezialisten für kleine Durchflüsse sehen immer wieder überraschende Applikationen und technische Herausforderungen. Diese Woche möchte ich Ihnen eine neue Kalibriertechnik vorstellen, um die Performance von Infusionspumpen zu verbessern.

Infusionspumpen sind in der Medizintechnik weit verbreitet, sie arbeiten nach verschiedenen Funktionsprinzipien zur Förderung unterschliedlicher Flüssigkeiten.

  • Volumetrische Pumpen werden in der Regel für Nährlösungen und zur Hydratation bei höheren Fördermengen von bis zu 1L/h eingesetzt.
  • Spritzenpumpen werden meist für die genaue Dosierung von kleinen Durchflussmengen von bis zu 1 ml/h oder weniger eingesetzt.

Gängige Spritzenpumpen zeigen den Sollwert an, geben aber keine Rückmeldung über die tatsächlich dosierte Menge. Deswegen müssen solche Pumpen regelmäßig auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden. Ein regelmäßige Kontrollroutine mit einer vorgegebenen Durchflussmenge oder einem vorgegebenen Durchflussbereich ist also unerlässlich, damit sicher gestellt ist, dass die Förderung der Flüssigkeit aus der Pumpe den Anforderungen der Applikation entspricht. Zusätzlich wäre es hilfreich, die Leistung einer Pumpe für Referenzzwecke oder Qualitätskotrollen zu überwachen.

Darüber hinaus haben wir von Medizintechnikern erfahren, dass es derzeit zwei Hauptkalibrierverfahren für Infusionspumpen gibt;

Volumetrisches Messprinzip

Das erste Verfahren arbeitet mit volumetrischen Messprinzipien. Diese Methode benötigt in der Regel eine größere Durchflussmenge und ein Mindestvolumen, um eine angemessene Genauigkeit innerhalb eines akzeptablen Zeitraums zu erreichen. Dies schränkt die Möglichkeit ein, Spritzenpumpen bei geringsten Fördermengen und in kritischen Anwendungen schnell zu überprüfen und es besteht das Risiko, dass sich der Kalibrierprozess eventuell als ungenau oder sehr zeitraubend erweist.

Distanzmessprinzip

Die zweite Technik besteht darin, die Entfernung zu messen, die der Kolben einer Spritzenpumpe über einen bestimmten Zeitraum zurücklegt. Dieser Wert wird verwendet, um eine Zahl der Hübe zu extrapolieren. Diese Technik wird in der Regel von den Herstellern der Instrumente bestimmt und bringt eine hohe Ungenauigkeit bei der Addition der manuellen Messmethode, weil sich hier die Ungenauigkeit der Messskala, der Zeitmessung und der Pumpe addieren.

Wie verbessert man die Genauigkeit und Schnelligkeit bei der Kalibrierung von Infusionspumpen?

Nachdem wir einige Probleme der oben genannten Techniken identifiziert hatten, folgten Gespräche mit verschiedenen Arbeitsgruppen aus der medizintechischen Forschung und Entwicklung, die Spritzenpumpen-Kalibriersysteme verwenden. Bronkhorst hat sich der Herausforderung gestellt und in einer Studie neue Sensortechnologien und Techniken getestet, die die Geschwindigkeit und die Genauigkeit der Kalibrierung von Infusionspumpen verbessern könnten.

Um den Wert dieser Studie zu definieren, haben wir gemeinsam mit den Arbeitsgruppen mögliche Anwendungen identifiziert, bei denen eine genaue Dosierung ein kritischer Prozessparameter ist. Nachfolgend finden Sie diese Anwendungen:

  • Einsatz in der Pädiatrie - die kleinen Patienten sind besonders sensibel und anfällig für eine falsche Medikamentendosierung.
  • Medikamentendosierung bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten – es ist extreme schwierig hier einen relative genauen und stabilen Durchfluss zu realisieren.
  • Verwendung von Medikamenten mit einem kleinen therapeutischen Band, bei denen eine hohe Genauigkeit noch wichtiger ist
  • Multi-Infusionssysteme, bei denen mehrere Pumpen an eine einzige Kanüle angeschlossen sind. Bei diesen Systemen kann die Compliance der verwendeten Spritzen und Schläuche zu großen Fehlern in der tatsächlichen Dosierung führen.

Bildbeschreibung

Coriolis – Durchflusssensoren für kleine Durchflüsse

Unsere Arbeitshypothese lautet, dass die Eigenschaften eines Coriolis-Sensors mit niedrigem Durchfluss die Genauigkeit und Ansprechzeit von Kalibriersystemen zur Kalibrierung von Spritzenpumpen verbessern können. Wir haben die Gültigkeit dieser Hypothese in einer internen Studie und in einem Krankenhaus in den Niederlanden nachgewiesen. Das Coriolis-Prinzip wurde aufgrund seiner bewährten Genauigkeit und Langzeitstabilität gewählt. Darüber hinaus können diese Geräte aufgrund ihres geringen Innenvolumens und des geringen Druckabfalls auch für die Prüfung komplexer Multiinfusionssysteme eingesetzt werden.

Die Antwort: Die Genauigkeit und die Geschwindigkeit bei der Kalibrierung von Infusionspumpen kann durch Coriolis-Durchflussmessung erheblich verbessert werden

Wir haben die Coriolis-Sensortechnologie gegen eine elektronische Analysenwaage im eigenen Haus getestet. Der Aufbau dieses Experiments wurde vom niederländischen Akkreditierungsrat genehmigt. Darüber hinaus haben wir eine Benchmark-Studie gegen ein Infusionskalibrierungssystem in einem Krankenhaus in den Niederlanden durchgeführt.

Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen, dass die Coriolis-Sensorik die Genauigkeit und Ansprechzeit der etablierten Messprinzipien in Kalibriersystemen übertreffen kann.

Erfahren Sie mehr über (mini) CORI-FLOW™ Instrumente kombiniert mit einem Ventil oder einer Pumpe und schauen Sie sich das Funktionsprinzip des mini CORI-FLOW Coriolis Massendurchflussmessers im folgenden Video an.