In der Lebens- und Futtermittelproduktion gilt es Standards und genaue Rezepturen zu befolgen, um Nährwerte, Konsistenz, Aussehen und Qualität zuverlässig einzuhalten. Schon die Rohstoffe müssen daher auf bestimmte Inhaltsstoffe hin untersucht werden, um die spätere Dosierung in der Mischung zu optimieren und auch das fertige Produkt muss am Ende geprüft werden. Laborprüfungen mit Probenahme sind aufwendig und teuer, eine Inlineprüfung mit einem NIR-Spektrometer (Nah-Infrarot) dagegen spart Zeit, kann in den automatisierten Herstellungsprozess eingebunden werden und liefert zuverlässig Messergebnisse an praktisch allen herstellungsrelevanten Produktionsabschnitten.
Wie in jedem Herstellungsprozess werden auch in der Lebensmittel- und Futterproduktion 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 Hersteller auf eine genaue Analyse der Rohstoffe angewiesen. Laboranalysen kosten Zeit, sind aufwändig und bei schwankenden Produkten nur Stichproben. Für stabile Produktionsprozesse ist eine Inlinemessung mit Spektrometern eine bessere Lösung. Die Messspezialisten von Polytec haben dafür mit dem PCS (Polytec-Compact-Spektrometer) ein kompaktes NIR-Spektrometer für den industriellen Einsatz entwickelt, das überall in der Produktion seine Nische vor Ort findet (Bild 1).
Inhaltsstoffe optisch messen
Wie beim sichtbaren Licht die Farben Auskunft geben über die Art der Frucht oder den Reifegrad, so reflektieren im Nah-Infrarot-Bereich (950-1700 nm) Stoffe wie Kohlenhydrate, Öle, Fette, Feuchte, Ballaststoffe, Proteine (Eiweiss) spezifische Wellenlängen. Zeichnet man dieses Spektrum auf, lässt sich der Gehalt dieser Inhaltsstoffe sehr genau bestimmen. Dabei regt die elektromagnetische Strahlung (Licht) im Nah-Infrarot-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 Nah-Infrarot-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-Reflektion in Abhängigkeit vom zu messenden Stoff können viele produktionsrelevante Inhaltsstoffe zerstörungsfrei bestimmt werden (Bild 2).
Die Messeinrichtung ist dabei modular aufgebaut, um auch bei beengtem Raum eine flexible Installation zu ermöglichen. Das PCS-Spektrometer mit Schutzart IP66 kann vom eigentlichen Messpunkt entfernt installiert werden. Der Standardabstand zwischen Spektrometer-Einheit und Messeinheit beträgt 5 m, kundenspezifische Längen mit Abständen bis 20 m sind möglich. Über die Kabel und Lichtleiter wird das Spektrometer mit einem geeigneten Sensor-Messkopf verbunden. Hier kommt dann entweder ein Kontaktmesskopf mit Medienberührung, z. B. 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.
Inlinemessung in der Produktion
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 (Bild 3). 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, Eiweiss/Proteinanteil, Fasergehalt, Stärke, Aschegehalt usw. können so zielgenau und bis in niedrige Konzentrationsbereiche unter 1 Prozent ermittelt werden.
Ein praktisches Einsatzbeispiel für das Spektrometer ist die Messung des Öl-Gehalts von Saaten wie Raps, Sonnenblumenkernen oder 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 oder Feuchteanteil spielt auch bei der Chip- und Flips- oder Pommes Frites- und Panaden-Produktion eine grosse Rolle, bei fertig frittierten Produkten wird dazu auf dem Förderband der jeweilige Gehalt bestimmt. Hier misst das NIR-Spektrometer den Fettgehalt in einer End-of-Line-Kontrolle (Bild 1).
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 z. B. Waage und Spektrometer. Durch Feuchtemessung bei der Sprühtrocknung z. B. 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.
Praxisgerecht und industrietauglich
Da 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.
Über Polytec
Mit mehr als 400 Mitarbeitenden weltweit entwickelt, produziert und vertreibt Polytec berührungslose Messtechnik für Forschung und Industrie. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Waldbronn (D) liefert massgeschneiderte Lösungen für die Vibrometrie, Velocimetrie, Oberflächenmesstechnik, Prozessanalytik und optische Systeme.
Das System kann vom Anwender schnell über die Software auf seine spezifischen Messgutanforderungen kalibriert werden. Nach der spezifischen 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 analog/digital 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 (Bild 5), 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 robusten Aluminiumgehäuse (280 x 180 x 100 mm) untergebracht (Bild 6) und passiv gekühlt. Die gesamte Einheit wiegt nur 5 kg, die Betriebsspannung beträgt übliche 24 VDC und der Temperaturbereich liegt zwischen +5 und +50 °C.
Michael Huber, Produktmanager, Polytec GmbH
Andreas Zeiff, Dipl. Chem., Redaktionsbüro Stutensee
