SENT-GC-MOS: Systementwicklungstool zur effizienten Entwicklung tragbarer GC-Systeme mit MOS-Detektor für die Kontrolle der Lebensmittelqualität

Im Projekt wurde das Systementwicklungstool SENT entwickelt, das die schnelle und anwendungsspezifische Auslegung von Gaschromatographie-(GC)-Sensorsystemen unterstützt. Dafür bildet SENT die drei Prozessschritte Probenahme, chromatographische Trennung und Detektion mit einfachen, recheneffizienten Modellen ab. Die hierfür erforderlichen, überwiegend miniaturisierten Komponenten wurden modelliert und in das Tool integriert. Evaluiert wurde SENT anhand einer Beispielanwendung: dem Nachweis von Oxidationsmarkern zur Schnellanalyse ölhaltiger Produkte und Rohstoffe. Die relevanten Markersubstanzen wurden zunächst laboranalytisch identifiziert; anschließend bestimmte SENT auf Basis dieser Eingangsparameter geeignete Systemkomponenten. Im Projekt wurden zudem neuartige Detektormodule auf Basis miniaturisierter Halbleitergassensoren sowie die Analytenanreicherung mittels Präkonzentratoren untersucht.

Als Demonstrator wurde ein GC-Analysesystem mit dem Namen „OxiVOC-GC“ realisiert. Als Musteranwendung diente ein Szenario aus der Lebensmittelindustrie: die Bestimmung von Schwellen für Fettsäure-Oxidationsprodukte. Die bei der Fettoxidation entstehenden flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) werden von Menschen als ranzig-fettiger Geruch wahrgenommen. In der Schokoladenherstellung können beispielsweise oxidierte Nüsse oder Samen dazu führen, dass Produkte sensorisch abgelehnt werden. Der OxiVOC‑GC‑Demonstrator detektiert solche Oxidationsprodukte früher, als sie vom Menschen wahrgenommen werden.

Technisch basiert dies auf einem tragbaren, robusten GC-Detektorsystem, das gereinigte Luft als Trägergas verwendet. Die Analyten aus dem Headspace über der Probe werden zunächst in einem Mikro‑Präkonzentrator mit MOF‑Material (Metal Organic Framework) angereichert, anschließend auf einer miniaturisierten GC‑Säule getrennt und schließlich mit einem empfindlichen Halbleitergassensor detektiert. Zu den nachweisbaren Markern gehört unter anderem Hexanal.

Die frühzeitige Erkennung von Qualitätsveränderungen in ölhaltigen Rohstoffen und Produkten kann die Wettbewerbsfähigkeit von Lebensmittelherstellern und -verarbeitern deutlich erhöhen. Die im Projekt gewonnenen Ergebnisse sind zudem auf weitere Anwendungen übertragbar, insbesondere auf miniaturisierte, modulare GC‑Handgeräte zur VOC‑Analyse. Damit können Komponenten- und Messsystemhersteller Entwicklungszeiten verkürzen, schneller in den Markt eintreten und langfristig ein nachhaltiges Angebot in diesem Technologiefeld aufbauen.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 05/23 bis 10/25 am Fraunhofer Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV (Giggenhauser Straße 35, 85354 Freising, Tel. 08161/491-0) unter der Leitung von Dr. Gina Zeh (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr. Andrea Büttner) und an der Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik (Campus A5.1, 66123 Saarbrücken, Tel.: 0681/302-4655) unter der Leitung von Prof. Dr. Andreas Schütze (Leitung der Forschungseinrichtung Prof. Dr. Andreas Schütze).