DLG e.V. - Bildgebende Analyseverfahren

Bildgebende Analyseverfahren

Wo das menschliche Auge überfordert ist

Es sind ganz unterschiedliche Untersuchungsmethoden, die auf Bildverarbeitungstechnik basieren. Zum Einsatz kommen sie bei der Rohwarenkontrolle ebenso wie in Verarbeitungsprozessen und in Verpackungslinien. Nicht jedes Gerät eignet sich allerdings für alle Aufgaben.

Mit routinierten Schnitten bereiten die Mitarbeiter des Fischverarbeiters IceFresh die frisch angelieferten, kalten Lachslaibe vor, die auf den Prozessbändern sofort zu den beliebten Filets weiterverarbeitet werden. Bei der Qualitätssicherung verlässt sich IceFresh jedoch nicht nur auf das menschliche Auge, sondern nutzt unter anderem die Bildgebungstechnik eines FleXIcuts: Das von Marel entwickelte High-Tech-Gerät kombiniert eine auf 0,2 Millimeter genaue Lokalisierung von Fischgräten über Röntgendetektion mit deren Entfernung und dem entsprechend angepassten Filet-Schnitt per Wasserstrahl. Alles ist auf dem Monitor am Gerät genau zu verfolgen und gegebenenfalls zu regulieren. Neben den Vorteilen Zeitersparnis und ermüdungsfreie, große Genauigkeit, verringert das System die Menge an unnötig verworfenem wertvollem Lachsfleisch.

So wie sich der FleXIcut gleichermaßen für frische, gesalzene oder superchilled Ware eignet, so zeichnen sich viele bildgebende Analysegeräte durch Flexibilität aus. Trotzdem eignet sich nicht jede Methode und jedes Gerät für alle Aufgaben. In der Lebensmittelindustrie können solche Systeme an verschiedenen Stellen der Prozesskette eingesetzt werden. Die Bandbreite an Geräten reicht von Lichtmikroskopen und RGB-Kameras über NIR-Spek­trometer bis hin zu Metalldetektoren und Röntgenanalysatoren. Gemeinsam ist ihnen, dass in der Regel eine Probenvorbereitung entfällt und dass die heutigen Geräte unter schwierigen Bedingungen (z. B. Hitze, Kälte) zuverlässige Ergebnisse liefern sowie automatisch dokumentieren.

Die Lichtmikroskopie ist zwar weniger als bildgebendes Verfahren im Bewusstsein, doch gehört sie durchaus dazu. Je nach Gerät und Vergrößerung bietet sich die Methode etwa zur Stärkeuntersuchung bei der Produktentwicklung, zum Monitoring von Bierbrauprozessen und mehr an. So gibt die direkte Visualisierung von spezifischen Partikeln in den jeweiligen Biervorstufen der Brauereien rasch Hinweise auf mögliche Abweichungen. Die dazugehörige Software sorgt bei Qualitätsgeräten, wie sie unter anderem Zeiss liefert, für die notwendige Dokumentation der Ergebnisse. Nicht zuletzt hat die Mikro­skopie den Vorteil, vergleichsweise kostengünstig zu sein.

Messen im Nahen Infrarot

NIR-Hyperspektralkameras nutzen die Tatsache, dass durch elektromagnetische Strahlung im Nah-Infrarotbereich Molekülschwingungen angeregt werden. Dabei handelt es sich vor allem um Ober- und Kombinationsschwingungen von Wasserstoffbindungen mit Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff, wie sie für organisches Material typisch sind. Die Intensität des nach der Bestrahlung von der Probe reflektierten oder transmittierten Lichtes ist abhängig von der Wellenlänge und kann in Form von Spektren oder anschaulichen Real-Abbildungen wiedergegeben werden. Zur Auswahl stehen offline-NIR-Geräte inklusive tragbarer Ausführungen für den Feldeinsatz sowie Varianten, die direkt an Förderbändern angebracht werden. Ein Beispiel dafür sind die ortsauflösenden NIR-Hyperspektralkameras von LLA Instruments, für deren Installation über dem Förderband auch mit einer Beleuchtungseinheit gekoppelte Spezialbrücken zur Verfügung stehen. Gerade für Online-Kontrollmessungen bei Nüssen, Kartoffeln, Müslimischungen und ähnlichen Stückwaren bietet sich die überzeugend schnelle Methode an, doch gibt es auch Anwendungen für pastöse und flüssige Lebensmittel.

Bekannt ist die klassische NIR-Spektroskopie ansonsten zur semi-quantitativen Analyse von Grundbestandteilen und Feuchtigkeit, zum Beispiel um Fleisch, Obst und andere Frischwaren zu klassifizieren. Wie die angesprochenen Hyperspektralkameras von LLA zeigen, lassen sich aber auch sehr gut Fremdstoffe oder Schalenbestandteile in Prozessströmen erkennen, orten und aussortieren. Dazu werden mehrere Hundert Ortspunkte erfasst, wobei die Kameras Teilchen ab 2 mm Größe sicher erkennen können. Da das Spek­trum der reflektierten Strahlung einzig von der chemischen Zusammensetzung des Materials abhängt, machen gleichfarbige Objekte keine Probleme. Damit die zur Kamera gehörende Software die entstandenen Spektren in Falschfarben- oder Graustufenbilder „übersetzen“ kann, müssen im Vorfeld nur die Identifikationsroutinen für die jeweilige Aufgabe spezifisch angepasst werden. Die Ergebnisse lassen sich zum einen in Echtzeit auf dem Monitor verfolgen. Zum anderen werden sie zugleich weitergeleitet, um die Aussortierung einzuleiten.

Nicht zu vergessen sind im Zusammenhang mit der optischen Kontrolle auf Fremdkörper oder Ausschuss auch Kombigeräte wie die Multispektralkameras von Ocean Optics (PixelCam). Das Unternehmen empfiehlt besonders seine neue high-resolution RGB-NIR Kamera mit vier Kanälen, nämlich Rot, Grün, Blau und NIR.

Metallstückchen und Co. auf der Spur

Größere gesundheitliche Relevanz haben Kontaminationen mit Glas und Metall. Während sich für die alleinige Identifikation von Glassplittern schon RGB-Kameras eignen, bieten sich für letztere Metalldetektoren an. Hinsichtlich Metallteilen ist vor allem eine Kontrolle der Rohstoffe empfehlenswert, damit diese ausgesondert werden können, bevor sie womöglich im Produktionsprozess auf eine schwierig nachweisbare Größe zerkleinert werden oder Maschinen beschädigen. Zusätzlich ist aber auch eine Untersuchung an kritischen Kontrollpunkten der Produktion oder nach der Verpackungsstation sinnvoll. Die in der Lebensmittelindustrie eingesetzten Metalldetektoren arbeiten meist mit einer Senderspule, welche ein dauerhaftes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Ein passierendes Metallteil würde dieses Feld stören, was von Empfängerspulen erkannt, automatisch ausgewertet sowie angezeigt wird. Als einer von vielen Anbietern offeriert beispielsweise Minebea Intec ein Freifall-Metalldetektionssystem, das sich besonders für die Verarbeitung rieselfähiger Rohstoffe eignet. Eine Besonderheit ist dessen „true in-Process-Validation“: Mittels eines Applikators können über einen Einwurf Testteile eingeführt und so die Leistung überprüft werden.

Röntgenanalysensysteme sind schließlich überall dort prädestiniert, wo eine manuelle Überwachung kaum noch möglich ist. Zwar scheitern sie an Folien, Insekten, Holzsplittern, Haaren und Fasern, doch erkennen sie mit höchster Genauigkeit Fremdkörper wie Steine, Knochen, Salzklumpen, Metall oder Glas. Neben dem Vorteil, dass man auch verpackte Lebensmittel und innere Strukturen untersuchen kann, haben manche Geräte spezielle Zusatzfunktionen integriert, etwa zur Kontrolle von Siegelnähten und Stückzahl oder zum Aufspüren von Hohlstellen im Produkt. In letzterem Fall beruht das Prinzip auf der Detektion von Dichteunterschieden. Die Proben werden von Röntgenstrahlen durchleuchtet. Diese treffen auf die Szintillationsfläche des Detektors auf, der sie erst in sichtbares Licht umwandelt und dann mit Hilfe von Fotodioden und der Bildverarbeitungssoftware in ein elektrisches Signal (= Grauwert) umwandelt. Generell gilt, dass der Szintillator umso heller leuchtet, je mehr Röntgenstrahlen auf die Szintillationsfläche des Detektors treffen. Außerdem ist der Grauwert umso dunkler, je mehr eine Fotodiode vom Fremdkörper abgedeckt wird und je höher dessen Dichte ist. Auf diesem Gebiet ist Minebea Intec ebenfalls aktiv und zwar mit einem Röntgeninspektionssystem speziell für Schüttgüter wie Nüsse, Kaffee oder TK-Gemüse – zur Echtzeit-Erkennung mit farbiger Kontaminationsanalyse. (bp)

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