DE102004047427B4

DE102004047427B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation

Info

Publication number: DE102004047427B4
Application number: DE102004047427A
Authority: DE
Inventors: Winfried Hunger
Original assignee: Sensor Data Instr E K; SENSOR- DATA INSTRUMENTS EK
Current assignee: Sensor Data Instr E K; SENSOR- DATA INSTRUMENTS EK
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2024-09-29
Also published as: DE102004047427A1

Abstract

Vorrichtung zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation von flaschenartigen Prüfkörpern, mit einer Prüfkammer (1), in der wenigstens ein gasdicht ausgeführtes Halteelement (13) zur Aufnahme eines flaschenartigen Prüfkörpers (2) angeordnet ist, wobei innerhalb eines jeden Halteelements (13) ein Messsensor (3) angeordnet ist, über den ein flaschenartiger Prüfkörper (2) stülpbar ist und wobei die Prüfkammer (1) genau einen Zulauf (11) für ein Prüfgas aufweist und wobei das Prüfgas Wasserstoff ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation, insbesondere für Lebensmittelverpackungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation, insbesondere zur Qualitätssicherung von Lebensmittelverpackungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Eine wesentliche Aufgabe von Lebensmittelverpackungen ist der Schutz der Lebensmittel vor Sauerstoff. Dieser kann zu oxidativem oder mikrobiellem Verderben, Entfärbung oder Vergrauung, Geschmacksverlust oder Schimmelwachstum führen. Hierbei kommen insbesondere sauerstoffsperrende Folien, auch Barrierefolien genannt, zum Einsatz, welche die schützende Packungsatmosphäre (Vakuum oder Begasung) für längere Zeiträume bewahren. Zur Qualitätssicherung der Verpackungen ist es erforderlich, diese regelmäßig auf ihre Sauerstoffpermeation hin zu prüfen.
Aus der DE 41 42 062 C2 ist eine Vorrichtung zur Messung von Gaspermeation bekannt, welche mit einer Prüfgasquelle und einer Trägergasquelle ausgerüstet ist, wobei als Prüfgas Sauerstoff und als Trägergas Stickstoff zum Einsatz kommt. Die Vorrichtung weist eine Vielzahl von Kanälen auf, die sich in vier unterschiedliche Kanalsysteme aufteilen, welche an unterschiedliche Gasquellen angeschlossen sind bzw. dem Abfluss von Stickstoff oder Sauerstoff dienen. Um einer Verfälschung der Messergebnisse entgegen zu wirken, sind die Kanäle gegenüber der Umgebungsluft mit Hilfe vielfältiger Dichtmittel abgeschottet. Vor dem eigentlichen Prüfvorgang wird die in der Vorrichtung befindliche sauerstoffhaltige Luft mittels Stickstoff ausgespült.
Das vorbekannte System weist den Nachteil auf, dass eine komplexe Anordnung von Kanälen und Ventilen erforderlich ist, um sicherzustellen, dass ein Messergebnis nicht durch in der Umgebungsluft gebundene Sauerstoffmengen verfälscht wird. (Der Anteil von Sauerstoff in der Umgebungsluft beträgt 20,95%.) Hierdurch gestaltet sich die Vorrichtung sehr kostenintensiv. Darüber hinaus ist das zum Einsatz kommende Prüfverfahren sehr zeitintensiv. Die Prüfung dauert oftmals Tage oder Wochen. In der Praxis scheidet diese Prüfung für den Anwender auf Grund der langen Zeitdauer sowie der hohen Investitionskosten oftmals aus.
Aus der DE 101 24 225 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Permeation einer Barriereschicht auf der Oberfläche eines Behälters bekannt. Dabei wird der Behälter in ein druckdicht abschließbares Gefäß verbracht, nach einer Konditionierungszeit auf der Seite mit der Barriereschicht entgasen gelassen, der Druck über die Zeit gemessen und aus diesen Messdaten die Permeation der Barriereschicht bestimmt.
Aus der WO 01/48453 A2 ist eine Vorrichtung sowie ein Verfahren für die Bestimmung der Gasdurchlässigkeit eines Behälters bekannt. Dieser Behälter wird dabei von einer Umhüllung umgeben, die den Behälter hermetisch gegen die Umwelt abriegelt. Der Zwischenraum zwischen dem Behälter und der Umhüllung wird unter Atmosphärendruck gesetzt, während dem Behälter ein Testgas zugesetzt wird, bis der Behälter relativ zum Zwischenraum einen Überdruck aufweist. Anschließend erfolgt zur Ermittlung der Permeabilität des Behälters die Messung des Druckes in dem Zwischenraum, der sich durch die anschließende Diffusion des Testgases durch die Wand erhöht.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation zu schaffen, die einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist und darüber hinaus kurzfristige Prüfergebnisse ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Prüfgas Wasserstoff (H₂) ist.
Mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation geschaffen, welche einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist und darüber hinaus kurzfristige Prüfergebnisse ermöglicht. Durch den Einsatz von Wasserstoff als Prüfgas ist kein Spülen der Vorrichtung vor dem Prüfvorgang erforderlich, da in der Luft lediglich 0,00005 Volumenprozent Wasserstoff enthalten sind. Auch die Anforderung an die Dichtigkeit der Vorrichtung sind hierdurch vermieden.
In Weiterbildung der Erfindung liegt das Prüfgas in Form eines Wasserstoff-Formiergases, vorzugsweise ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch, an dem Zulauf an. Hierdurch wird einer Explosionsgefahr des Wasserstoffs entgegengewirkt. Als Prüfgas hat sich ein Gemisch von 5% Wasserstoff in Stickstoff als praktikabel erwiesen. Eine Konstellation von 5% Wasserstoff in Stickstoff ist nicht brennbar. Die Explosionsgrenze für Wasserstoff beginnt erst bei einer Konstellation von mehr als 18% Wasserstoffanteil. Formiergas ist auf Grund seiner vielfältigen Verwendung und der einfachen Herstellung ein sehr preisgünstiges Prüfgas.
In Ausgestaltung der Erfindung ist in der Kammer B ein Sensor zur Messung der Wasserstoffsättigung einbringbar. Hierdurch ist eine kontinuierliche Messreihe ohne Öffnung der Vorrichtung ermöglicht. Vorteilhaft ist der Sensor ein Halbleiterelement, vorzugsweise ein Feldeffekttransistor (FET). Diese Sensoren haben sich als sehr zuverlässig und kostengünstig erwiesen.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation zu schaffen, das kurzfristige Prüfungsergebnisse bei niedrigen Investitionskosten ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Prüfgas Wasserstoff (H₂) ist.
Mit der Erfindung ist ein Verfahren zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation geschaffen, das kurzfristige Prüfungsergebnisse unter niedrigen Investitionskosten ermöglicht.
In Weiterbildung der Erfindung wird das Prüfgas als Formiergas, vorzugsweise als Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch eingebracht. Hierdurch wird einer Explosionsgefahr des Wasserstoffs entgegengewirkt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist das Prüfobjekt ein geschlossener Hohlkörper und die Messung der Prüfgaskonzentration erfolgt über einen in den Hohlkörper eingebrachten Sensor. Auf diese Weise lassen sich auch geschlossene Behälter/Systeme oder Verpackungen samt Inhalt untersuchen. Der Behälter kann in unverletztem Zustand von außen begast werden, ohne das Füllgut zu entfernen. Die Messung erfolgt nach einer bestimmten Zeit über eine Gasabsaugung aus dem Inneren der Verpackung.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
1 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation mit eingebrachter Kunststofffolie als Prüfkörper;
2 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation mit eingebrachter PET-Flasche als Prüfkörper und
3 die perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation mit Aufnahmen zur gleichzeitigen Prüfung von vier hohlzylindrischen Prüfkörpern.
Die als Ausführungsbeispiel gemäß 2 gewählte Vorrichtung zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation besteht im Wesentlichen aus einer Prüfkammer 1, in der ein Prüfgaszulauf 11 sowie ein Prüfgasablauf 12 vorgesehen sind. Zur Aufnahme des Prüfkörpers ist in der Prüfkammer 1 weiterhin ein gasdicht ausgeführtes Halteelement 13 angeordnet, das eine PET-Flasche als Prüfkörper in einem gasdicht ausgeführten ringförmigen Halteelement 13 innerhalb der Prüfkammer 1 aufnimmt. In der Flasche 2 ist ein Messsensor 3 eingebracht, der mit einer Auswerteeinheit 4 verbunden ist. Durch die Flasche 2 ist die Prüfkammer 1 in zwei Kammern A, B geteilt, wobei der Innenraum der Flasche 2 die Kammer B ist. Vor Beginn der Sauerstoffpermeationsprüfung sind die Kammern A, B mit Umgebungsluft gefüllt. Unter Normalbedingungen hat Wasserstoff in Luft eine Hintergrundkonzentration von lediglich 0,5 ppm. Hierdurch erfolgt keine signifikante Verfälschung der Messergebnisse.
Im Zuge der Prüfung wird nun durch den Prüfgaszulauf 11 ein Formiergas, bestehend aus 5% Wasserstoff und 95% Stickstoff in die Kammer A aufgegeben. In regelmäßigen Zeitabständen wird nun mit Hilfe des Messsensors 3, der auf einem Feldeffekttransistor (FET) basiert, die Wasserstoffkonzentration der Luft in der Kammer B gemessen. Je nach Barriereeigenschaft der PET-Flasche 2 steigt hier nun die Wasserstoffkonzentration an. Es hat sich gezeigt, dass das Permeationsverhalten von Sauerstoff annähernd proportional zu dem von Sauerstoff ist, so dass an Hand von Referenzprüfkörpern die Sauerstoffpermeabilität des Prüfkörpers ermittelt werden kann.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind vier Vorrichtungen zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation auf einem Mehrfachprüfstand angeordnet. Es sind vier gasdicht ausgeführte ringförmige Halteelemente 13 vorgesehen, so dass gleichzeitig bis zu vier Prüfkörper 2 einer Sauerstoffpermeationsprüfung unterzogen werden können. In jedem der Prüfkörper 2 ist jeweils ein Messsensor 3 angeordnet, der mit einer im Sockel der Vorrichtung vorgesehenen Auswerteeinheit 4 verbunden ist. Wie 3 zu entnehmen ist, werden die Prüfkörper 2 über den Messsensor 3 „gestülpt" und über die Halteelemente 13 mit dem Sockel gasdicht verbunden. Sodann wird die Prüfkammer 1 über den Prüfkörper 2 „gestülpt" und ebenfalls mit dem Sockel verbunden. Infolge dessen ist zwischen Prüfkammer 1 und Prüfkörper 2 die Kammer A gebildet. Es kann dann nach Einlassen des Prüfgases in die Kammer A die Permeationsprüfung beginnen.
In Abwandlung des Ausführungsbeispiels können auch andere Anordnungen innerhalb eines solchen Mehrfachprüfstands gewählt werden. So können beispielsweise beliebig viele einzelne Prüfstände zu einem Reihenprüfstand aneinandergereiht werden.

Claims

Vorrichtung zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation von flaschenartigen Prüfkörpern, mit einer Prüfkammer (1), in der wenigstens ein gasdicht ausgeführtes Halteelement (13) zur Aufnahme eines flaschenartigen Prüfkörpers (2) angeordnet ist, wobei innerhalb eines jeden Halteelements (13) ein Messsensor (3) angeordnet ist, über den ein flaschenartiger Prüfkörper (2) stülpbar ist und wobei die Prüfkammer (1) genau einen Zulauf (11) für ein Prüfgas aufweist und wobei das Prüfgas Wasserstoff ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Halteelement (13) und der wenigstens eine Messsensor (3) auf einem Sockel vorgesehen sind, auf dem die Prüfkammer (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sockel eine Auswerteeinheit (4) vorgesehen ist, mit dem der wenigstens eine Messsensor (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfgas in Form eines Wasserstoff-Formiergases, vorzugsweise eines Wasserstoff-Stickstoff-Gemisches, an dem Zulauf anliegt.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) ein Halbleiterelement, vorzugsweise ein Feldeffekttransistor (FET) ist.
Verfahren zur Schnellbestimmung der Sauerstoffpermeation von flaschenartigen Prüfkörpern, wobei der Prüfkörper (2) mit einem gasdicht ausgeführten Halteelement (13) innerhalb einer Prüfkammer (1) fixiert wird, und in den Prüfkörper (2) ein Messsensor (3) eingebracht wird, anschließend in die Prüfkammer (1) über einen Zulauf (11) ohne vorherige Spülung mit einem anderen Gas ein Prüfgas eingebracht wird, und nachfolgend innerhalb einer kontinuierlichen Messung zu vorbestimmten Zeitabständen mit Hilfe des Messsensors (3) die Konzentration des Prüfgasanteils in dem Prüfkörper (2) ermittelt wird, wobei das Prüfgas Wasserstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfgas in Form eines Wasserstoff-Formiergases, vorzugsweise ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch, an dem Zulauf anliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) ein Halbleiterelement, vorzugsweise ein Feldeffekttransistor (FET) ist.