Fremdkörper in Lebensmitteln: Neuer Radar erkennt diese zuverlässig

Wirft man einen Blick in Zeitungen, hört Nachrichten oder schaut auf Aushänge an Supermarkt- oder Drogeriekassen, so merkt man: Mit großer Regelmäßigkeit werden Nahrungsmittel zurückgerufen, da sie beispielsweise Fremdkörper enthalten, die im Produktionsprozess versehentlich hineingeraten sind. Doch sind die Rückrufe, die in Nachrichten und Co. aufgenommen werden, nur die Spitze des Eisbergs: Die Online-Meldungen des Bundesamts für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit umfassen oftmals mehrere Warnungen über Lebensmittelverunreinigungen pro Tag. Dass solche Meldungen jedes Mal mit einem Imageschaden und oft direkten und indirekten finanziellen Schäden sowie versicherungstechnischen Fragestellungen einhergehen, liegt auf der Hand.

Fremdkörper in Lebensmitteln entdecken, bevor sie die Produktion verlassen

Produzierende Unternehmen haben daher ein großes Interesse daran, gefährliche Kontaminierungen von Lebensmitteln mit Glassplittern, Metall, Holz oder Kunststoffen zu entdecken, bevor die Produkte die Fertigungshallen verlassen. Üblicherweise setzen sie dazu auf Konzepte zur Gefahrenanalyse sowie Röntgensysteme – eine Vorgehensweise, die sicherlich ihren Sinn hat und zu Recht in der seit 2004 geltenden Verordnung über Lebensmittelhygiene vorgesehen ist.

Dennoch sind der Röntgenanalyse Grenzen gesteckt: Während sie Metalle verlässlich aufspüren kann, stellen Glas-, Kunststoff- und Holzsplitter nach wie vor eine Herausforderung dar. Mehrwert erhoffen sich die Nahrungsmittelhersteller auch von modernen Industrie-4.0-Denkansätzen: Etwa der „predictive Maintenance“. Sie soll einen Verschleiß von Maschinen und Werkzeugen rechtzeitig erkennen, die Mitarbeiter zu einer Wartung auffordern und somit verhindern, dass sich Bestandteile abgenutzter Komponenten in die Lebensmittel verirren. Doch gibt es hier immer noch Potenziale zu heben: Alle Ansätze konnten breite Rückrufmeldungen kaum merklich reduzieren.

SAMMI schließt die Lücke: Es erkennt Fremdkörper wie Glas, Holz und Kunststoff

Ein Prototyp namens SAMMI aus dem Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR kann diese Lücke nun schließen und für mehr Sicherheit bei der Lebensmittelproduktion sorgen. „Unser System basiert auf Millimeterwellen und kann das etablierte Röntgenverfahren ergänzen“, weiß Daniel Behrendt, Geschäftsfeldsprecher am Fraunhofer FHR. „Denn es erkennt die Fremdstoffe, die für übliche Verfahren oft Herausforderungen darstellen – also Glassplitter, Kunststoffe und Holz. Nicht durchleuchten kann es dagegen Metalle, dies fangen wiederum etablierte Verfahren bereits auf.“

Doch nicht nur das: Auch Schwankungen in homogenen Fertigungsprozessen vermag das System zu entdecken. Gut geeignet ist es zudem für die Messung von Restfeuchtigkeit, um Trocknungsprozesse zu überwachen. Die Forscher arbeiten im Moment weiter an Auflöse- und Geschwindigkeitsvermögen.

Für all diese Fragestellungen nutzt SAMMI Millimeterwellen, die auch beim Radar eingesetzt werden: Deren Frequenzen sind um einiges niedriger als beispielsweise bei Röntgensystemen, durchdringen viele Materialien– und lassen sich trotzdem für die Bildgebung verwenden. Ein weiterer Vorteil: In diesen Frequenzen wird keine ionisierende Strahlung emittiert, es sind also keine gesonderten Strahlenschutzverordnungen zu beachten oder Schutzvorkehrungen zu treffen. Anders gesagt: Die Millimeterwellen, mit denen SAMMI die Lebensmittel untersucht, sind gesundheitlich unbedenklich.

Auch verpackte Ware berührungslos und zerstörungsfrei untersuchen

Doch wie lassen sich nun mittels solcher Millimeterwellen Fremdstoffe in Lebensmitteln erkennen? Das Lebensmittel wird auf ein Band gelegt und durch das Gerät befördert. Oberhalb des Bandes rotiert die Sendeantenne und schickt ihr kontinuierliches 90 GHz-Signal durch das Produkt, unterhalb fängt die Empfangsantenne die Wellen wieder auf (siehe Abbildung 1). Experten sprechen von einem rotierenden, voll kohärenten Transmissions-Ansatz. Mit diesem lassen sich sowohl Stichproben und geringe Losgrößen in Offline-Messungen untersuchen als auch eine 100-Prozent-Kontrolle, also Inlinemessungen, realisieren.

SAMMI stellt hierbei nur die Plattform dar, um die Möglichkeiten der Technologie zu demonstrieren. Im Allgemeinen bietet es sich für konkrete Fragestellungen an, ebenso konkret die verwendeten Frequenzen, Bandbreiten, Geschwindigkeiten usw. – das heißt die Systemauslegung – entsprechend zu wählen. Das System demonstriert die Anwendungsmöglichkeiten, während das Fraunhofer FHR stets auf der Suche nach Partnern ist, um gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsprojekte anzugehen und die Technologien zur Serienreife zu bringen.

Moderne Millimeterwellensysteme senden kohärent

Auf ihrem Weg durch das Produkt wird die elektromagnetische Welle in ihrer Stärke abgeschwächt – sie ändert also ihre Amplitude – und verzögert, sprich in seiner Laufzeit oder der Phase verändert. Moderne Millimeterwellensysteme senden kohärent, was heißt, dass die ausgesendete Phase und Amplitude bekannt sind. Somit ergibt sich die Möglichkeit, Materialien mit sehr hoher Zuverlässigkeit zu charakterisieren und zu identifizieren. Wird jedem Messpunkt ein Pixel zugeordnet und die Phasen- und Amplitudenverschiebung farblich codiert dargestellt, erhält man ein bildgebendes Prüfsystem.

Auf diese Weise lässt sich selbst verpackte Ware berührungslos und zerstörungsfrei untersuchen, wie eine Testmessung zeigt. Als Messtestobjekt kam eine handelsüblicher Schokoladen-Adventskalender zum Einsatz, aus dem vor der Messung drei einzelne Schokostückchen entnommen wurden. Im Anschluss wurde der Kalender wieder verschlossen. Die Ergebnisse im Amplituden- und Phasenbild zeigen deutlich die drei fehlenden Schokostückchen innerhalb der geschlossenen Verpackung. In Abbildung 2 sind beispielhaft ein Amplituden- und Phasenbild dargestellt.

Der derzeitige Prototyp hat eine Größe von 40 x 40 x 30 Zentimeter. Mit ihm können bis zu 30 x 30 x 5 Zentimeter große Lebensmittel analysiert werden. „Rein technologisch gibt es hier jedoch keine Grenze“, erläutert Behrendt. In den aktuellsten Demonstratoren wird zusätzlich eine einfache Kamera verwendet, um in einer frei wählbaren Überlagerungsdarstellung bestmögliche Ergebnisse erzielen zu können. Über die ebenfalls vom Fraunhofer FHR entwickelte Touchscreen-fähige Software lassen sich die Kontrastwerte, die farbliche Darstellung und vieles mehr regeln. Zudem können Messungen direkt gespeichert und nicht zuletzt die Geschwindigkeit eingestellt werden.

Erfolgreiche Machbarkeitsstudie an Doppelkeksen und Teeblättern

In ersten Machbarkeitsstudien konnte die Technologie bereits zeigen, was sie kann. So untersuchten die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer FHR mit SAMMI Doppelkekse, in deren Schokomasse sie zuvor jeweils einen Glassplitter positioniert hatten. Mit Erfolg: Der Prototyp erkannte die Fremdkörper zuverlässig, wie in Abbildung 3 zu erkennen ist. Der obere linke Keks haben die Forscher mit einem rund vier Millimeter großen Glassplitter präpariert. Die Messdaten zeigen eine homogene Struktur der Schokoladenmasse innerhalb des Kekses. Im oberen linken Keks ist jedoch eine Fehlstelle zu finden, die durch den Glassplitter hervorgerufen wird.

Qualitätskontrolle von größeren Lebensmitteln auf Fremdkörper

Neben der Qualitätskontrolle von größeren Lebensmitteln wie den Keksen ist die Kontrolle von Schüttgütern auf Fremdkörper ebenfalls ein Bereich, in dem SAMMI überzeugen kann. Zu Demonstrationszwecken legten die Forscher eine Fläche einige Millimeter hoch mit zerkleinerten Teeblättern aus und vermaßen diese mittels SAMMI. In Abbildung 4 sind die entsprechenden Amplitudenbilder dargestellt: Im linken Teil der Abbildung wurden nur reine Teeblätter untersucht. Dort sind nur wenige Spots mit erhöhter Dämpfung zu erkennen, die auf natürliche Materialfluktuationen zurückzuführen sind.

Im rechten Bild dagegen fallen in der oberen rechten und unteren linken Ecke zwei Spots mit deutlich erhöhter Dämpfung aus. Diese wurden von zwei Fremdkörpern hervorgerufen – einem Kunststoff-Flake und ein Glassplitter, die die Forscher vor dieser Messung zwischen den Teeblättern platzierten. Zwischen den beiden Fremdkörpern bilden sich ebenfalls Bereiche mit leicht erhöhter Dämpfung aus. Diese verursachen Mehrfachreflektionen auf Grund von Beugungseffekten der elektromagnetischen Welle an den Fremdkörpern. (sg)

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