Wissenszwinker: Mineralgehalt von Wasser

Der Mineralgehalt von Wasser spielt eine zentrale Rolle – sowohl für die Qualität von Getränken als auch für industrielle Prozesse. Während er in der Industrie oft Probleme wie Kalk oder Korrosion verursacht, ist er bei Getränken gesundheitsfördernd und geschmacksprägend. Ob «bug» oder «feature» – wir zeigen, wie sich der Mineralstoffgehalt zuverlässig über die Dichtemessung bestimmen lässt.

Warum dieser Test?

Das Interesse an der Analyse von Trinkwasser reicht vermutlich bis in die frühesten Zeiten der Menschheitsgeschichte zurück. Während früher die zentrale Frage lautete: „Ist das Wasser überhaupt trinkbar?“, steht heute zunehmend die Optimierung im Vordergrund: „Wie kann ich Wasser gezielt für meinen individuellen Nutzen verbessern?“

Eine zentrale und häufig untersuchte Eigenschaft ist der Mineralstoffgehalt des Wassers, aus dem sich unter anderem die Wasserhärte ableiten lässt. Mineralstoffe wie Fluorid, Natrium, Kalzium oder Magnesium sind essenziell für zahlreiche Körperfunktionen – etwa für Zähne, Knochen, Nerven und Muskeln. Gleichzeitig können diese Mineralien im Alltag auch unerwünschte Effekte haben, etwa durch Verkalkung oder Korrosion in Haushaltsgeräten wie Kaffeemaschinen oder Waschmaschinen.

In der Getränkeindustrie spielt zusätzlich der geschmacksprägende Einfluss bestimmter Ionen (z. B. Chlorid oder Natrium) eine Rolle. Beim Bierbrauen sind darüber hinaus die chemischen Eigenschaften der Mineralstoffe während des Maischprozesses entscheidend – weiterführende Informationen dazu finden sich beispielsweise unter brunwater.com.

Zur Bestimmung des Mineralstoffgehalts stehen heute zahlreiche Methoden zur Verfügung: von einfachen Teststreifen über elektrische Messungen freier Ionen bis hin zu hochpräzisen Laboranalysen wie der Massenspektrometrie. Eine bislang weniger bekannte, aber vielversprechende Methode ist die Dichtemessung, die in diesem Beitrag näher betrachtet wird.

Gerade im Brauprozess ist die Dichtemessung bereits etabliert und bietet sich daher besonders an. Sie ermöglicht nicht nur die Kontrolle saisonaler Schwankungen in der Mineralisation des Wassers, sondern liefert auch direkt den Ausgangswert für die anschließenden Extraktions- und Gärprozesse – beide werden ebenfalls mittels Dichtemessung überwacht.

Ergebnisse

Es wurden verschiedene kommerziell erhältliche Mineralwasser sowie Leitungswasser aus unterschiedlichen Regionen untersucht. Die Messungen erfolgten sowohl mit unserem DLO-M2 als auch mit dem hochpräzisen Laborgerät DSA 5000 M von Anton Paar. Als Referenzwerte dienten unter anderem die Angaben der Hersteller sowie öffentlich zugängliche Quellen wie trinkwasser.ch für Schweizer Leitungswasser.

Zur Umrechnung der gemessenen Dichtewerte in Mineralstoffgehalte wurde das bestehende Konzentrationsmodell des DLO-M2 für «Total Dissolved Solids» (TDS) verwendet.

Abbildung 1: Mineralstoffgehalt verschiedener Wasser. Orange Balken stehen für die Laboranalyse, graue und blaue Balken für die Mineralstoffgehalte basierend auf Dichtemessungen mit dem DLO-M2 respektive dem DSA 5000 M

Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Messwerten des DLO-M2 und denen des Laborgeräts (graue und blaue Balken), was die hohe Messgenauigkeit des DLO-M2 unterstreicht. Im Vergleich zu den tatsächlichen Mineralstoffgehalten treten jedoch gewisse Abweichungen auf. Diese lassen sich teilweise durch natürliche Schwankungen im Leitungswasser erklären. Darüber hinaus hängt der physikalische Messwert – sei es Dichte oder elektrische Leitfähigkeit – auch von der chemischen Zusammensetzung der gelösten Mineralstoffe ab. Faktoren wie Ladungszahl und Molekülmasse beeinflussen die Messung. Ohne genaue Kenntnis der Zusammensetzung muss daher eine Annahme über eine «typische» Mineralstoffverteilung getroffen werden.

Eine Möglichkeit zur Abschätzung des Zusammenhangs zwischen physikalischem Messwert und tatsächlichem Mineralstoffgehalt ist die Korrelationsanalyse zwischen Messwerten und Herstellerangaben:

Abbildung 2: Korrelation zwischen Dichtemessung in mg/ml und dem Mineralstoffgehalt gemäss Laboranalyse ebenfalls in mg/l

Für die hier untersuchten Proben ergibt sich ein Umrechnungsfaktor von 0.936 zwischen Dichte [mg/ml] und Mineralstoffgehalt [mg/ml]. Umgekehrt bedeutet dies, dass eine Erhöhung der Dichte um 1 mg/l gegenüber destilliertem Wasser einen Mineralstoffgehalt von etwa 1.07 mg/l erwarten lässt. Die Grafik zeigt zudem, dass die Korrelation bei geringem Mineralstoffgehalt besser funktioniert als bei hohem Gehalt.

Abbildung 3: Korrelation zwischen der Leitfähigkeitsmessung in µS/m und dem Mineralstoffgehalt gemäss Laboranalyse in mg/l

Insgesamt ergibt sich ein sehr hoher Korrelationswert von R² = 0.9889 (Abbildung 2). Eine vergleichbare Analyse mit den Labormesswerten der elektrischen Leitfähigkeit ergibt ein R² von 0.9904 – nahezu identisch zur Dichtemessung (Abbildung 3). Aus messtechnischer Sicht stellt die Dichtemessung somit eine zuverlässige Alternative zur klassischen Leitfähigkeitsmessung dar.

Abschließend wurde auch Meerwasser aus dem Mittelmeer als Beispiel für ein Medium mit deutlich höherem Mineralstoffgehalt untersucht. Bei 20 °C wurde eine Dichte gemessen, die 27’637 mg/l über jener von destilliertem Wasser lag. Unter Anwendung der ermittelten Korrelation ergibt sich ein geschätzter Mineralstoffgehalt von rund 30 g/l – etwas unter dem tatsächlichen Wert von 36–39 g/l. Da Natriumchlorid als Hauptbestandteil bekannt ist, konnte das spezifische Konzentrationsmodell des DLO-M2 für NaCl verwendet werden. Das Ergebnis von 3.88 % (w/w) liegt sehr nahe am erwarteten Wert.

Diese Messreihe zeigt, dass der DLO-M2 nicht nur für die Analyse von Trink- und Fabrikwasser mit niedrigem Mineralstoffgehalt geeignet ist, sondern auch für hochkonzentrierte Salzlösungen zuverlässige Ergebnisse liefert.

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Wissenszwinker: Messung der Dichte und Viskosität von Tinte in Industrieprozessen

Dichte- und Viskositätsmessungen von Tinte für Inkjet-Drucker mit dem Viskositätssensor VLO-M2 weisen eine hohe Übereinstimmung mit den Kontrollmessungen in Laboranalysegeräten über einen Temperaturbereich von 10 bis 65 °C auf.

Ergebnisse

Die Messergebnisse der Dichtemessung sind in Abbildung 1 dargestellt. Die blauen Kreise, sowie die lineare Trendkurve dieser Messwerte, zeigen die Messergebnisse der Laboranalyse. Diese wurden mit dem Labormessgerät DSA 5000 M von Anton Paar ermittelt. Die in orange dargestellten Quadrate und ihre Trendlinie zeigen die mittels Viskositätssensor VLO-M2 aufgezeichneten Messwerte. Über den gesamten Temperaturbereich ist eine lineare Veränderung der Dichte zu erkennen.

Abbildung 1: Dichte von 5 bis 65 °C

Kongruent zu der Dichtemessung sind in Abbildung 2 die Messwerte der Viskosität sowie deren Trendlinie aufgezeigt, wobei diese mittels Polynom anstelle einer linearen Abhängigkeit dargestellt wird.

Abbildung 2: Viskosität von 5 bis 65 °C

In der Viskositätsmessung wird sichtbar, dass die Messpunkte des Sensors nicht vollständig mit denen des Labormessgerätes übereinstimmen. Mit einer Messabweichung von -0.185 mPas, somit knapp unter ±2%, in der Viskosität liegen diese Ergebnisse dennoch klar innerhalb der Spezifikation des Sensors, welche sich auf ±[0,2 mPa s + 5% des Messwerts] beläuft. Wie eingangs erwähnt ist die Viskosität ein fundamentaler Parameter für Druckprozesse und häufig wird die Viskosität durch Beheizen des Druckkopfs eingestellt. Der VLO-M2 erlaubt die Messung sowohl von Temperatur als auch Viskosität der Tinte in Echtzeit und somit eine perfekte Kontrolle des Druckprozesses.

Diese Abweichungen können zudem über einen Temperaturgradienten im Sensor erklärt werden, der während des Aufheizens und Abkühlens im Ofen eintritt. Die im direkten Kontakt zur wärmeren (oder kühleren) Umgebungsluft befindlichen Teile nehmen eine andere Temperatur ein, als es die Bauteile und Komponenten im inneren des Sensors aufweisen.

Unter reellen Prozessbedingungen, bei denen eine stabile Temperatur des Mediums und der Umgebungstemperatur gegeben sind, kann sich im gesamten Sensor eine homogene Temperatur einstellen. Somit sind Abweichungen in der Viskositätsmessung von <2% plausibel.

Vorgehen

Mit dem VLO-M2 und den Laborgeräten DSA 5000 M sowie SVM 3001 (Anton Paar) wurde die Dichte und Viskosität einer Tinte für den Einsatz in industriellen Druckanlagen gemessen.

Dafür wurde der Viskositätssensor VLO-M2 vollständig mit Tinte befüllt und mittels Ofens einer Temperaturrampe ausgesetzt. Dabei wurden kontinuierlich Messwerte aufgenommen. Über die Labormessgeräte wurden Temperaturstufen im Bereich 5 bis 65 °C mit einem Abstand von 5 °C eingestellt.

Diese Messungen wurden unmittelbar nacheinander durchgeführt, um eine Veränderung der physikalischen Eigenschaften, beispielsweise über Alterungseffekte oder Feuchteeintrag, so gering wie möglich zu halten.

Zur Vergleichbarkeit der Daten wurden die im Viskositätssensor VLO-M2 aufgenommenen Messpunkte in einem Temperaturbereich von ±0.2 °C um die jeweilige Stufe des Labormessgeräts gemittelt. Somit lassen sich die Veränderungen in der Dichte und Viskosität grafisch darstellen und abschätzen.

Fazit

Dieser Test zeigt auf, dass sowohl die Dichte als auch die Viskosität der für Testmessungen bereitgestellten Tinte sehr gut bestimmt werden kann. Verglichen mit den Ergebnissen der Laboranalyse kann über den gesamten vermessenen Temperaturbereich ein maximaler Messfehler von ±2% in der Viskosität, respektive ±0.125% in der Dichte identifiziert werden.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Messabweichung zur Referenz durch Optimierungen im Messaufbau weiter reduziert werden kann, wodurch Messfehler im Bereich von ±1% der Viskosität realistisch sind.

Mit Hilfe dieser beiden Parameter können jegliche Druckprozesse, bei denen hoher Wert auf Qualität und Reproduzierbarkeit gelegt wird, besser überwacht und kontinuierlich verbessert werden.

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Wissens-Zwinker: Viskositätsmessung über Differenzdruck und Durchfluss

Dieser Wissenszwinker behandelt die Viskositätsbestimmung von Medien oberhalb des Messbereichs des dedizierten Viskositätssensors VLO-M2. Verschiedene Medien wurden in einem breiten Temperaturbereich vermessen, wobei Viskositäten > 400 mPa∙s erreicht wurden. Für die Durchflussmessung wurde ein FLT-M1_i1 Coriolis-Sensor verwendet. Das Coriolis-Messprinzip eignet sich hervorragend für diese Methode dank des präzise geformten Messrohrs, über welchem der Druckabfall gemessen wird. 

Ergebnisse

Ein FLT-M1_i1 wurde mit einem Drucksensor am Eingang und einem Drucksensor am Ausgang des Geräts ausgerüstet (siehe Abbildung 1). Die Messgrössen Durchfluss, Eingangsdruck, Ausgangsdruck und Temperatur wurden bei verschiedenen Medien sowie Temperaturen aufgezeichnet. 

Verschiedene Flüssigkeiten, von Wasser bis zum hoch-viskosen ISO 100 Hydrauliköl, wurden in einem temperierbaren Kreislaufsystem durch den Sensoraufbau gepumpt. Bei Temperaturen zwischen 10 °C und 70 °C wurden so Viskositäten von ca. 0.5 mPa∙s bis ca. 450 mPa∙s erreicht. 

Als wertvolle, zusätzliche Messgrössen sind Durchfluss sowie Dichte gleich «gratis» mit dabei. 

Fazit

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Wissens-Zwinker: Konzentrationsmessung Protein

Dieser Wissenszwinker widmet sich der Konzentrationsmessung von Protein in Wasser über die physikalischen Größen Dichte und Viskosität. Als Beispiel wurde kommerziell erhältliches Molkenprotein verwendet, dessen Konzentration wir im Bereich von ±0.07 %w mit einem VLO-M2 bestimmen konnten. Unser Shake ist nun perfekt, und wir helfen gerne auch beim Optimieren Ihrer Proteinlösungen! 

Ergebnisse

Mittels einer Waage wurden Gemische mit verschiedenen Konzentrationen an handelsüblichem Molkeneiweiß-Isolat in Wasser hergestellt. Die Konzentrationen wurden so gewählt, dass der Bereich in der Nähe der Verzehrempfehlung des Herstellers abgedeckt wurde. Die Empfehlung lautet, 25g Pulver (was ca. 3 gestrichenen Esslöffeln entspricht) in 300 ml Wasser aufzulösen. Bei einer angenommenen Dichte von ca. 1kg/l für Wasser entspricht dies einer Konzentration von ca. 8.3 %w. Unsere Gemische bewegten sich entsprechend im Bereich von 4.5 %w bis 12.5 %w. Dichte und Viskosität dieser Gemische wurden mit einem VLO-M2 bei Umgebungsbedingungen (ca. 24°C, Atmosphärendruck) gemessen und ergaben folgende Konzentrationsabhängigkeiten (blaue Punkte): 

 

 

Beide Graphen zeigen eine sehr schöne Abhängigkeit der Messwerte von der Proteinkonzentration. Bei der Dichte ist der Zusammenhang nahezu linear, und bei der Viskosität kann er sehr gut quadratisch angenähert werden (gestrichelte Linien). Unter Berücksichtigung der Messgenauigkeiten des VLO-M2 für die beiden physikalischen Größen, welche ±0.2 kg/m³ bei der Dichte und ±0.2 mPas bei der Viskosität betragen, bietet sich eindeutig die Dichte zur Konzentrationsberechnung bei den untersuchten Bedingungen an. Die Viskosität als zusätzliche Messgröße kann aber sehr interessant sein, falls eine zusätzliche Komponente wie z.B. Zucker oder Alkohol/Lösungsmittel hinzukommt. Auch bei höheren Konzentrationen dürfte die Viskosität dann durch die quadratische Abhängigkeit sehr stark auf Konzentrationsänderungen reagieren.

 

Der lineare Fit bei der Dichteabhängigkeit zeigt eine Steigung von 2.74 kg/m³ pro Gewichtsprozent. Bei der hohen Messgenauigkeit von ±0.2 kg/m³ des VLO-M2 wäre somit eine Konzentrationsbestimmung des Molkeneiweißes in Wasser mit ca. ±0.07 %w Genauigkeit möglich (nach Feldabgleich/Wiederholbarkeit sogar die Hälfte davon).

 

Natürlich mussten wir mit diesem Wissen direkt die Zubereitungsempfehlung von 3 gestrichenen Esslöffeln in 300 ml Wasser überprüfen und landeten beim orangen Punkt in den obigen Graphen. Die erwartete Konzentration wäre 8.3 %w, die gemessene Dichte würde aber einer wesentlich tieferen Konzentration von ca. 5.5 %w entsprechen. Eine Erhöhung der Eiweiß-Menge um ca. 50% wäre also in unserem Fall nötig, um der Verzehrempfehlung nachzukommen. Als Randbemerkung sei noch gesagt, dass das verwendete Wasser für den „richtigen“ Proteinshake etwas kühler war (ca. 22°C), weshalb die Viskosität in diesem Beispiel auch höher ausfiel. Der Effekt auf die Wasser-Dichte ist mit ca. 0.4 kg/m³ für die 2°C Differenz relativ klein und würde bei dieser Berechnung etwa 0.15 %w Molkeneiweiß entsprechen. 

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