Bis auf die Bohne genau: Innovatives PTB-Messverfahren eröffnet neue Wege in der Industrie

Energiesparende Kaffeeproduktion dank winzigem Temperatursensor von HBM

In der Lebensmittelindustrie in Deutschland werden fast eine Milliarde kWh pro Jahr an Energie zum Trocknen und Rösten von Kaffeebohnen, Nüssen oder Früchten eingesetzt. Die optimale Einstellung von Temperaturverlauf und Einwirkdauer während dieser Prozesse birgt ein großes Energieeinsparpotential. Nun ist es der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) dank eines besonders kompakten Temperatursensors von HBM gelungen, ein neues Verfahren zum Messen der Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit kleiner Körper, wie z. B. Kaffeebohnen, zu entwickeln.

Die Wärmekapazität von Kaffeebohnen konnte bisher über gepresstes Kaffeemehl ermittelt werden. Für diese Materialkonstante spielt die Struktur des Materials keine Rolle. Die thermischen Transporteigenschaften hingegen sind strukturabhängig und können daher nur über unzermahlene Kaffeebohnen mit hinreichender Genauigkeit erfasst werden. Da Kaffeebohnen für die bisherige Messtechnik jedoch zu klein waren, konnten die Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit nur grob geschätzt werden.

Temperatursensor TT-3/100 – winzig klein und extrem leitungsstark

Der Temperatursensor TT-3/100 von HBM ist nur 50 µm dick und hat eine Messfläche von 3,1 mm x 3,0 mm. Mit diesen Abmessungen kommt er einem ‚punktförmigen’ Sensor, wie er in der mathematischen Modellierung des neuen Verfahrens angenommen wird, sehr nahe. Ein breiter Gebrauchstemperaturbereich von -50 °C bis +180 °C macht den Einsatz des Sensors sowohl beim Gefriertrocknen als auch beim Rösten von Kaffeebohnen möglich. 

Innovatives Messverfahren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Dank der geringen Abmessungen des TT-3/100 ist es der PTB gelungen, ein innovatives Messverfahren zur Ermittlung der thermischen Eigenschaften von Kaffeebohnen zu entwickeln. Das Verfahren läuft wie folgt ab: Nach Teilung der Kaffeebohne in zwei Hälften wird der Sensor zwischen die Bohnenhälften eingelegt. Für einen guten thermischen Kontakt sind geglättete Auflageflächen notwendig. Allerdings wird der Sensor nicht eingeklebt, sondern nur geklemmt und arbeitet zugleich als Temperaturfühler und als definierte Wärmequelle.

Gespeist mit einem Strom von 8 bis 10 mA erwärmt sich der TT-3/100 während der Messung. Seine Temperatur und damit sein elektrischer Widerstand steigen nun umso schneller und intensiver an, je schlechter die Bohne die in ihrem Innern erzeugte Wärme nach außen abführen kann.

Bereits nach zwei bis drei Minuten liegen die Messergebnisse für Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit vor. Aus diesen lässt sich zusätzlich noch die spezifische Wärmekapazität der Bohne berechnen, wenn deren Dichte bekannt ist. Diese Materialeigenschaft wird beispielsweise einfach nach dem Archimedischen Prinzip bestimmt. Anstelle der Wärmeleitfähigkeit kann auch der Feuchtegehalt einer Bohne ermittelt werden.

Aussagekräftige und zuverlässige Messergebnisse

Die Zuverlässigkeit des Verfahrens wurde zunächst an Referenzproben mit präzise bekannten thermischen Transporteigenschaften nachgewiesen. Die Messwerte für die spezifische Wärme einer Bohne lassen sich mit denen von Kaffeemehl vergleichen. Sie stimmen sehr gut überein.

Effizientes Messverfahren für vielfältige Anwendungen

Dr. Ulf Hammerschmidt von der PTB ist zuversichtlich, dass das neue Verfahren Wege für eine Vielzahl weiterer Anwendungen in den verschiedensten Bereichen ebnet. Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit sind nicht nur in der Lebensmittelindustrie wichtige Materialparameter. Auch bei der Prüfung, Überwachung und Zulassung von neuen Dämmmaterialien im Bauwesen kann das Verfahren Testprozeduren beschleunigen, da es  zuverlässige Ergebnisse innerhalb von Minuten liefern kann statt, wie bisher, oft erst nach einigen Tagen. Baugutachten an bestehender Bausubstanz könnten auf einfache Feldmessungen gestützt werden.

Kooperation als Grundlage für Innovationen

Das erarbeitete Know-how stellt die PTB über Lizenzen zur Verfügung. HBM wiederum kooperiert mit Lizenznehmern der PTB. Die enge Zusammenarbeit von PTB, Lizenznehmern und HBM bildet eine optimale Grundlage für die Entwicklung von Innovationen. „Wir arbeiten mit HBM gerne zusammen. Hier finden wir die technische Kompetenz und zuverlässige Produkte in der hohen Qualität, die wir für zukunftsweisende Verfahren benötigen“, lobt Dr. Ulf Hammerschmidt.

Der Anwender: PTB

Hier erfahren Sie mehr über PTB, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt.

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