Ethylen-Sensorik

Anreicherungseinheit
GC Säule und weitere Systemkomponenten
Auftrennung der Peaks für Ethylen und Wasser/Luftfeuchte

Das Gas Ethylen ist ein Phytohormon, auf das bestimmte Früchte und Pflanzen reagieren. Wenn klimakterische Früchte einer bestimmten Ethylenkonzentration ausgesetzt sind starten sie ihre Reifung, und wenn sie reifen, produzieren sie Ethylen. Je nach Reifegrad variiert dabei die Menge die von den Früchten produziert wird. Die Menge an Ethylen innerhalb eines Containers mit klimakterischen Früchten korreliert damit unmittelbar mit ihrem Reifegrad und ist daher für die Qualitätsüberwachung von wesentlicher Bedeutung. Die direkte Messung der Ethylenkonzentration auf Container-Transporten war bisher nicht möglich, da kein Equipment zur Verfügung stand, das den Bedingungen im Container standhält und gleichzeitig eine sensitive und selektive Messung zu einem angemessenen Preis zulässt.

Im Rahmen des Projektes ist ein miniaturisierter Gaschromatograph entstanden, der mit einer Nachweisgrenze von unter 50 part per billion (ppb) eine ausreichend gute Sensitivität besitzt. Ein kommerziell verfügbarer Sensor wurde dafür mit zwei neu entwickelten Komponenten gekoppelt:

  • Durch eine Anreicherungseinheit wird durch den sogenannten Adsorptionsprozess in einer kleinen Gasprobe die Menge an Ethylen pro Volumeneinheit erhöht, wodurch das System eine indirekte Sensitivitätssteigerung erreicht. Ohne die Anreicherungseinheit ist der Sensor nur in der Lage eine Konzentration von ca. 100 parts per million (ppmv) zu detektieren. Die Sensitivität des Systems erhöht sich mit der entwickelten Anreicherungseinheit ca. um den Faktor 2000. Die Anreicherungseinheit besitzt 8 Kanäle, die jeweils mit dem Adsorptionsmittel Carbosieve SII® gefüllt sind. Die Siliziumstege zwischen den Kanälen agieren als Heizer für den Desorptionsprozess, in dem die Probe in das System injiziert wird. Vorteilhaft an dieser Anordnung ist, dass der Prozess der Anreichung gleichzeitig auch die Probenahme darstellt. Durch die Anreicherungseinheit ist neben der notwendigen Sensitivität des Systems also auch die automatisierte Probennahme und Injektion der Probe realisiert.
  • Da der Sensor keine ausreichende Selektivität besitzt und gerade die hohe Luftfeuchte eines Containers (ca. 98%) starken Einfluss auf den Sensor hat, wurde eine miniaturisierte Gaschromatographiesäule entwickelt. Durch Versuchsreihen konnte ein Füllmaterial für die Säule gefunden werden (Carbosieve SII®), mit dem eine gute zeitliche Auftrennung der Probe erreicht werden kann, d.h. verschiedene Gaskomponenten den Sensor zeitversetzt erreichen. Durch Kenntnisse der Retentionszeiten ist auf diese Weise eine Aussage über die Ethylenkonzentration möglich.

Durch mikrotechnologische Herstellung der Komponenten konnte ein deutlich geringeres Baumaß als bei üblichen Laborgeräten erzielt werden. Funktionsfähigkeit und Genauigkeit des Gerätes wurden im Labor verifiziert. Reale Feldtests im Container sind in der Vorbereitung.

Relevante Veröffentlichungen

  1. Janssen, S.; Tessmann, T.; Lang, W.: High sensitive and selective Ethylene Measurement by using a large-capacitiy-on-chip preconcentrator device.  In: Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, Vol. 197, pp. 405–413.  DOI: 10.1016/j.snb.2014.02.001
  2. Janssen, S.; Schmitt, K.; Blanke, M.; Bauersfeld, M.L.; Wöllenstein, J.; Lang, W.: Ethylene detection in fruit supply chains. In: Philosophical Transactions of the Royal Society A, May/June 2014, Vol. 372(2017), 20130311.  DOI: 10.1098/rsta.2013.0311


[Weitere Publikationen]

Kontakt

Steffen Janssen, Institut für Mikrosensoren-, aktoren und -systeme (IMSAS), Universität Bremen, Email

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