QUALITÄT IM DURCHLAUF PRÜFEN

Wie in jedem Herstellungsprozess, werden auch in der Lebensmittelproduktion verschiedene Rohstoffe zugeliefert. Gerade Naturprodukte können jedoch in ihrer Qualität und dem Gehalt verschiedener Inhaltsstoffe je nach Herkunft und Jahreszeit stark schwanken. Hier gilt es verschiedene Parameter zu erfassen, die Auswirkungen auf die Produktionsprozesse haben. Bei der Sprühtrocknung von Molkereiprodukten beispielsweise hilft eine Feuchtemessung dabei, die Trocknung exakt anzupassen und teure Energie einzusparen. In der Käseherstellung ist der Fett- und Proteingehalt entscheidend für ein gutes Endprodukt. Bei der Verarbeitung von Fleisch muss der Fettgehalt des Bräts stimmen, beim Getreide bestimmt der Anteil an Klebereiweiß und Stärke die Produkteigenschaften. Für eine gleichbleibende Qualität, aber auch für einen effizienten Rohstoffeinsatz sind die Betriebe auf eine genaue Analyse der Rohstoffe angewiesen.

Laboranalysen kosten Zeit, sind aufwendig und bei schwankenden Produkten nur Stichproben. Für stabile Produktionsprozesse ist die Inlinemessung mit Spektrometern eine bessere Lösung. Die Messspezialisten von Polytec aus Waldbronn haben dafür mit dem PCS ein sehr kompaktes NIR-Spektrometer für den industriellen Einsatz entwickelt, das überall in der Produktion seine Nische vor Ort findet.

Reflexion von Wellenlängen

Wie beim sichtbaren Licht Farben Auskunft über die Art der Frucht oder den Reifegrad geben, so reflektieren im Nahinfrarot-Bereich (950 bis 1.700 Nanometer) Stoffe wie Kohlenhydrate, Öle, Fette, Feuchte, Ballaststoffe oder Proteine spezifische Wellenlängen. Zeichnet man dieses Spektrum auf, lässt sich der Gehalt dieser Inhaltsstoffe sehr genau bestimmen. Dabei regt die elektromagnetische Strahlung (Licht) im Nahinfrarot-Bereich Molekülschwingungen an. Bei der Wechselwirkung mit der Probensubstanz kommt es zu verschiedenen Absorbanz- und Reflexionseffekten. Aus Absorptionsspektren lassen sich verschiedene Inhaltsstoffe qualitativ oder quantitativ bestimmen. Je nach Wechselwirkungsart können so unterschiedliche Informationen über die Proben gewonnen werden. Die Auswertungen der Spektren erfordern wegen der Überlagerung der oben genannten Effekte statistische Verfahren zur Datenanalyse.

Die Spektroskopie im Nahinfrarot-Bereich wird wegen der hohen Messgeschwindigkeit und vielfältiger Probenvorlagen als Flüssigkeit, Feststoff, unbewegt oder in Rohren und auf Förderbändern gerne in der Prozessüberwachung und -steuerung eingesetzt. Hilfreich ist dabei auch, dass eine Probenvorbereitung für die Messung entfällt. Im Gegensatz zu sichtbarem Licht bietet NIR aber mehr Informationen. Durch die unterschiedliche Oberflächen-Reflexion in Abhängigkeit vom zu messenden Stoff können viele produktionsrelevante Inhaltsstoffe zerstörungsfrei bestimmt werden. Die Messeinrichtung ist dabei modular aufgebaut, um auch bei beengtem Raum eine flexible Anbringung zu ermöglichen.

Das PCS-Spektrometer mit Schutzart IP66 kann vom eigentlichen Messpunkt entfernt installiert werden. Der Standardabstand zwischen Spektrometer-Einheit und Messeinheit beträgt fünf Meter, kundenspezifische Längen mit Abständen bis 20 Meter sind möglich.  Über die Kabel und Lichtleiter wird das Spektrometer mit einem geeigneten Sensor-Messkopf verbunden. Hier kommt dann entweder ein Kontaktmesskopf mit Medienberührung, zum Beispiel an Rohrleitungen, zum Einsatz oder ein Distanzmesskopf wird über einem Förderband installiert. Die so gewonnenen Reflexionen werden über einen Lichtleiter in das Spektrometer übertragen und dort ausgewertet.

Durch die Trennung von Sensor und Spektrometer können Messaufbauten auch an schwer zugänglichen Stellen realisiert werden. Gerade in der Lebensmittelproduktion mit ihren prozessbedingten engen Rohrabständen sind so keine Kompromisse bei der Anlagengestaltung mehr nötig, nur um ein voluminöses Spektrometer unterzubringen. Die Trennung der Messköpfe vom eigentlichen Spektrometer erleichtert die Integration bei Anlagen mit wenig Platz oder engen Rohrabständen, das PCS-Spektrometer wird dann einfach vor die Anlage oder an der Wand montiert. Umfangreiche Adapter für die Messköpfe gestatten auch an Rohrleitungen mit geringem Durchmesser eine messgerechte Installation, ohne dass ein schweres Messgerät und zusätzliche Halterungen benötigt werden, was Rohrleitungen entlastet. Parameter wie Feuchtigkeit, Ölgehalt, Proteinanteil, Fasergehalt, Stärke oder Aschegehalt können so zielgenau und bis in niedrige Konzentrationsbereiche von unter einem Prozent ermittelt werden.

Ein praktisches Einsatzbeispiel für das Spektrometer ist die Messung des Öl-Gehalts von Saaten wie Raps, Sonnenblumenkernen oder von Oliven. Bei Letzteren wird ein Messkopf über einem Förderband installiert, auf dem die Oliven zur Presse laufen. Die Messung gibt genauen Aufschluss über die Qualität und den Ölgehalt der Oliven und ermöglicht eine chargengenaue, qualitätsgerechte Bezahlung des Lieferanten. Schließlich entscheidet der Ölgehalt über die Produktionsmenge. Der Fettgehalt und Feuchteanteil spielen auch bei der Herstellung von Chips, Flips, Pommes frites und Panaden eine große Rolle.

Überwachung von Rezepturen

Bei fertig frittierten Lebensmitteln misst das NIR-Spektrometer den Fettgehalt in einer End-of-Line-Kontrolle. Für eine Rezepturüberwachung bei der Schokoladenherstellung dagegen werden die Gehalte an Kakaobutter und Milchpulver inline geprüft. Das dient der Qualitätssicherung und erlaubt eine exakte Rezeptureinhaltung durch doppelte Kontrolle über Waage und Spektrometer. Durch Feuchtemessung bei der Sprühtrocknung von Milchpulver kann der Heizbedarf exakt angepasst werden, um die Energiekosten zu minimieren. Bei der Futtermittelproduktion ist es dagegen wichtig, den Proteingehalt genau einzuhalten. Da diese heute meist als Prills oder Pellets extrudiert und über Förderbänder abtransportiert werden, kann die Endkontrolle durch einen Distanzsensor über dem Band übernommen werden.

Weil das Spektrometer dispersiv arbeitet und ohne bewegliche optische Teile auskommt, ist es äußerst widerstandsfähig gegenüber Vibrationen und somit gut für den Industrieeinsatz geeignet. Darüber hinaus sorgt eine automatische Anpassung von Temperatureffekten (Dunkelkorrektur) durch eine Selbstkalibrierung für eine hohe Präzision bei sehr guter Langzeitstabilität. Eine unbemerkte Messdrift ist so ausgeschlossen. Das System kann vom Anwender schnell über die Software auf seine spezifischen Messgutanforderungen kalibriert werden. Nach der Einstellung auf die zu messenden Substanzen ist keine Eingabe mehr erforderlich, das Spektrometer misst vollautomatisch und wertet die spektroskopischen Daten im internen PC aus. Nur diese Messwerte werden dann ausgegeben. Bei Produktwechseln wird dann erneut kalibriert, sodass auch jede Produktcharge präzise Messwerte liefert. Die Kalibrierung wird gespeichert und beschleunigt so die Umstellung auf ein schon einmal gemessenes Produkt.

Die vom internen PC vor Ort ausgewerteten Daten können auf einem Industriebildschirm angezeigt oder über analoge/digitale Schnittstellen mit Modbus oder Profibus und Ethernet an das Automatisierungsnetzwerk ausgegeben werden. Eine Handheld-Fernbedienung gibt vor Ort eine Systemstatusanzeige. Sie erlaubt es zudem, dem Auswerte-PC des Spektrometers per Knopfdruck ein Triggersignal zu geben, um eine Probe mit Messprotokoll zu nehmen, auch wenn die Spektrometereinheit an unübersichtlicher und unzugänglicher Stelle verbaut ist. Die vollautomatische Probenmessung ermöglicht schnelles Referenzieren und Rekalibrieren ohne großen Aufwand. Zugehörige Messdaten werden dabei automatisch in ein separates Verzeichnis geschrieben, die zugehörige Probe je nach Ausstattung von Hand oder automatisch entnommen.

Die Messgeschwindigkeit beträgt mehr als 40 Messungen pro Sekunde und erlaubt so hohen Durchsatz auf Förderbändern oder in Rohren. Spektrometer und Auswerte-PC sind in einem Aluminiumgehäuse (280 x 180 x 100 Millimeter) untergebracht und passiv gekühlt. Die gesamte Einheit wiegt nur fünf Kilogramm und der Temperaturbereich liegt zwischen fünf und 50 Grad Celsius.

Diesen Artikel finden Sie in LT 7-8/2025 auf den Seiten 32 und 33.

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