Dipl. Ing. Matthias Klüh
Bei der Herstelltung von Milchprodukten spielt der pH-Wert der angelieferten Rohmilch eine entscheidende Rolle. Im konkreten Fall wird die Milch im Halbstundentakt von LKWs angeliefert und in große Vorratstanks gepumpt. In der Vergangenheit wurde jeweils von jeder Anlieferung eine Probe genommen und im Labor auf den pH-Wert untersucht. Durch den zwangsweise gegebenen Zeitverzug zwischen der Probenentnahme und dem Vorliegen eines Messergebnisses muss im Falle der Überschreitung oder Unterschreitung der zulässigen pH-Werte die gesamte Lagermenge verworfen werden.
Der Einsatz der Online-Messung hat hier deutliche Vorteile. Man kann schneller auf Milchzulieferungen mit unerwünschtem pH-Wert reagieren und so die Produktqualität und die Effizienz des Produktprozesses steigern. Als Nebeneffekt lässt sich der Arbeitsaufwand für die pH-Messungen im Labor auf ein sinnvolles Maß reduzieren. Der Online-Messung mit konventionellen pH-Sonden stehen bei dieser Anwendung im wesentlichen zwei Hindernisse entgegen. Da direkt in der Milch gemessen wird, ist die Verwendung von Glas tabu – zu groß wäre die Gefahr, dass bei Sondendefekten Glassplitter die Milch kontaminieren. Die Milch wird zudem bei niedrigen Temperaturen angeliefert, bei denen konventionelle Glassonden eine herabgesetzte Ansprechgeschwindigkeit haben.
Mit der pH-Sonde Durafet II von Honeywell lassen sich diese Hindernisse umgehen. Die Verwendung eines Halbleiterchips als pH-sensitives Element macht den Einsatz von Glas in der Sonde überflüssig. Neben dieser konstruktiven Eigenart hat das Messprinzip noch weitere Vorteile, die hauptsächlich auf die, im Vergleich zu konventionellen Glassonden, unterschiedlichen chemischen Wechselwirkungen zwischen Sonde und zu messendem Medium zurückzuführen sind.
Diese Wechselwirkungen lassen sich am besten erklären wenn man sich das Messprinzip einer Isfet-pH-Sonde vor Augen führt. Bei herkömmlichen Feldeffekttransistoren (FET) wird der Strom zwischen Drain und Source durch das Anlegen einer Spannung am Gate gesteuert. Bei einem FET der für pH-Wert-Messungen eingesetzt werden soll, ist das Gate hier eine elektrisch isolierende, ionenselektive Schicht. Diese Schicht steht in direktem Kontakt mit dem zu messenden Medium. Bei dieser Anordnung übernimmt das Medium selbst die Rolle des Gate. Durch eine geeignete elektrische Beschaltung wird der FET angesteuert und das je nach pH-Wert unterschiedliche elektrische Signal ausgewertet. Im Gegensatz zu Glassonden gibt es deshalb beim Isfet keine Glas-Quellschicht und damit keine Zeitverzögerungen bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustandes. Dieser Effekt wird umso bedeutender, je stärker die Temperatur des Messmediums sich während der pH-Messung ändert. Die Ausgleichsprozesse in der Quellschicht von Glassonden sind temperaturabhängig, d. h. je stärker die Temperaturschwankungen sind bzw. je niedriger die Mediumtemperatur ist, desto größer ist der Messfehler, der sich durch diese Prozesse ergibt. Bei konventionellen Sonden kommt noch der Alterungseffekt des pH-Glases hinzu, der oftmals den vorzeitigen Austausch von pH-Sonden erforderlich macht. Bei pH-Messungen im stark sauren bzw. alkalischen Bereich spielt auch der Säure- und Alkalifehler eine erhebliche Rolle. Wird mit einer konventionellen pH-Sonde längere Zeit in stark saurem oder alkalischen Medium gemessen, so sind bei anschließender Messung in anderen pH-Wert-Bereichen erhebliche Fehlmessungen möglich. Grund hierfür ist die Einlagerung von Fremdatomen in die Oberfläche des pH-sensitiven Glases. Am messsensitiven Teil des Isfet-Sensors, dem Gate, finden solche Einlagerungsprozesse nahezu nicht statt.
