Inline-Prozessüberwachung mit Spektroskopischen Messmethoden
17.11.2017
Die Herausforderung: Höchste Qualität bei der Lebensmittelverarbeitung
Bei Lebensmitteln erwartet der österreichische Verbraucher gleichbleibend höchste Qualität. Gerade bei der Herstellung von Produkten aus Obst, Gemüse, Fleisch, Getreide oder Milch ist es eine große Herausforderung immer die gleiche Produktqualität zu erzielen, da diese als Naturprodukte in Ihrer Zusammensetzung großen Schwankungen unterworfen sind. Ähnliches gilt für die Verarbeitung von pflanzlichen Fetten und Ölen, Essig, Kräutern, Pilzen, Gewürzen, Kaffee, Kakao und natürlichen Süßstoffen, aber auch für die Herstellung von Suppen, Bouillonpräparaten, Würzen, Saucen, Gelier- und Verdickungsmitteln sowie alkoholischen und antialkoholischen Getränken.
Die Abhilfe: Inline-Prozessüberwachung
Mit Hilfe einer Inline-Prozessüberwachung können zu jedem Zeitpunkt Informationen über entscheidende, qualitätsbeeinflussende Produktparameter erfasst werden. Diese Informationen ermöglichen es, Qualitätsschwankungen rasch zu erkennen, gegenzusteuern und Qualitätsparameter lückenlos einzuhalten. Je schneller die Reaktion auf Abweichungen im Produktionsverlauf, desto konstanter ist die Stabilität des Prozesses und damit die Qualität des Produkts. Dabei ist es von Vorteil, dass der Herstellungsvorgang in vielen Fällen mit den in Echtzeit gelieferten Qualitätsparametern vollautomatisiert geregelt und gesteuert werden kann. Eine lückenlose Inline-Prozesskontrolle ermöglicht erhöhte Produktionsausbeuten durch eine Reduktion der Ausschussmengen und der unerwünschten Nebenprodukte bei gleichzeitig reduziertem Energieaufwand. Das Potential zur Kostensenkung und zur Verringerung der Umweltbelastungen liegt somit auf der Hand.
Die konkrete Lösung: NIR-Spektroskopie
Die Nah-Infrarot(NIR)-Spektroskopie ist eine berührungslose und zerstörungsfreie Mess-methode, und wird bereits jetzt häufig in der Lebensmittelbranche eingesetzt. Dies erfolgt aber in vielen Fällen offline, d.h. Proben werden aus dem Produktstrom entnommen, aufbereitet und im betriebseigenen oder externen Labor untersucht. Das Ergebnis liegt dabei zeitverzögert vor und entspricht nur einer punktuellen Momentaufnahme. Eine rasche Reaktion auf Abweichungen in der Produktqualität ist damit nicht möglich.
Prozessspektroskopie
Prozessspektrometer sind hinsichtlich ihrer industriellen Einsatzfähigkeit, z.B. im Hinblick auf die Robustheit, Stabilität, die Messgeschwindigkeit, Genauigkeit und Störsicherheit optimiert. Die Systeme werden in die Fertigungsanlage integriert und ermöglichen dadurch eine direkte Messung der qualitätsbestimmenden Parameter direkt am Produkt oder an Vorstufen davon. Um das Maximum an Information aus den Messdaten herausholen zu können, wird eine umfangreiche Expertise im Bereich der multivariaten Datenanalyse inklusive Modellentwicklung benötigt. Erst dadurch ist eine vollautomatische Bewertung der Messdaten in Echtzeit möglich.
Projekte beginnen häufig mit einer Machbarkeitsuntersuchung, bei der anhand von Laboruntersuchungen gezeigt wird, ob der gesuchte Zielparameter tatsächlich mit einer spektroskopischen Methode erfasst werden kann. Abhängig von den spezifischen Anforderungen im Projekt wird für die Umsetzung Expertise im Bereich der Konstruktion von spezifischen Messoptiken, der Entwicklung angepasster Software-, Automatisierungs-, Kommunikations- und Visualisierungslösungen benötigt. Auch nach einer Installation des Messsystems in der Anlage ist es für den effizienten Betrieb wichtig auf ein umfassendes Wartungs- und Supportpaket für alle Hard- und Softwarekomponenten zurückgreifen zu können. Die folgenden Anwendungsbeispiele wurden von i-RED im Rahmen eines FFG – Projekts näher untersucht:
Anwendungsbeispiel 1: Trockenmasse von Pommes Frites
Sollen Pommes Frites später knusprig und gleichmäßig gebräunt sein, muss schon bei der Verarbeitung des Rohmaterials darauf geachtet werden, dass die Trockenmasse in gewissen Grenzen liegt. Zur Inline-Überwachung des Trockensubstanzgehalts wurde eine faser-gekoppelte, berührungslose Messoptik eingesetzt. Das obige Bild links zeigt das eingesetzte Messprinzip. Das Bild rechts zeigt ein Foto der Messoptik und des Lichtleiters, die in der Anlage über dem Produktstrom montiert sind.
Anwendungsbeispiel 2: Überwachung einer Rapsölmühle
Die Feuchtigkeit des Mahlguts in einer Rapsmühle ist ein bestimmender Parameter für die Fahrweise der Ölmühle. Zur Echtzeit-Überwachung der Feuchte wurde in den Produktstrom eine faseroptisch gekoppelte Messoptik integriert. Die Messoptik ist über den Lichtleiter mit einem i-RED Prozess-Spektrometer verbunden. Das Messsystem selbst befindet sich in einem abgesetzten Schaltschrank und ist in der obigen Abbildung nicht sichtbar.
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