Echtzeitstatistik schlägt Laborpräzision

Hyperspectral Imaging Analyzer

Hyperspectral Imaging (HSI) leitet einen Paradigmenwechsel in der Produktionskontrolle ein: Die Technologie liefert in Echtzeit quantitative Analysen, Schichtdicken- und Konzentrationsmessungen aus dem gesamten Produktstrom und bringt das Labor in die Produktionslinie.

Messaufbau mit EVK HELIOS (links) in situ in der laufenden Produktion von Pommes frites + Korrelation zwischen HSI Trockensubstanz-Spektren (prediction [%]) und Laborreferenz (reference [%]) nach nur 2 s Datenaufnahme.

"Das Ergebnis des Forschungsprojekts hat selbst uns erstaunt", sagt Matthias Kerschhaggl, Junior-Chef der EVK DI Kerschhaggl GmbH. Die österreichische Hightech-Firma hat gemeinsam mit Wissenschaftlern der TU Graz untersucht, ob die Echtzeitmessung mittels Hyperspectral-Imaging-(HSI-)Technologie im laufenden Produktionsprozess Vorteile bringt. Dazu hatte das Team mit einer HSI-Kamera von EVK den Trockensubstanzwert von Pommes Frites mit ca. 80000 Einzelspektren pro Sekunde auf der gesamten Förderbandbreite erhoben. Es zeigte sich, dass der Mittelwert der Messungen mit HSI-Technologie bereits nach 2 s Datenaufnahme sehr nah an der Ideallinie zur Laborreferenz bewegt (siehe Bild 1, rechts). Das Forscherteam ist überzeugt, dass bei längerer Messdauer von Minuten die Messschwankungen geringer und der Mittelwert sich der Ideallinie annähern würden.

Gesamten Produktstrom erfassen
Im Gegensatz zur stichprobenartigen Laboranalyse erfassen HSI-Systeme den gesamten Produktstrom in Echtzeit, sie analysieren quantitativ und werten statistisch aus. Die Vorteile liegen auf der Hand: Schwankungen bei kritischen Produktionsparametern werden binnen kürzester Zeit erkannt. Und die Genauigkeit der Messungen ist aufgrund der enormen Datenmenge im Dauerbetrieb extrem hoch.

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Die Kontrolle sowie Dokumentation kritischer Produktionsparameter mittels Process Analytical Technology (PAT) ist wesentlich, um den Herstellungsprozess zu optimieren und die Produktqualität zu erhöhen. Bei der Kartoffel zum Beispiel spielt der Wert der Trockensubstanz eine entscheidende Rolle. Kartoffelverarbeiter ermitteln ihn bislang, indem sie Stichproben nehmen. Diese Proben müssen aufbereitet und zum Beispiel mit Mikrowellen getrocknet werden. Die reine Trockenmasse wird auf hochpräzisen Waagen gewogen, die dann den Trockensubstanzwert angeben. Laboranten wiederholen diesen Vorgang in regelmäßigen Abständen, oft liegen etwa 30 min dazwischen. Aufgrund der niedrigen Messfrequenz und dem örtlich limitierten Stichprobenumfang können Betriebe auf diese Weise nur Rückschlüsse auf die Qualität der zufälligen Stichproben, nicht aber auf den gesamten Produktstrom ziehen. Die tatsächliche Produktqualität bleibt über weite Strecken unbekannt, die Steuerung des Produktionsprozesses ist nur eingeschränkt und mit hohen Latenzzeiten möglich. "Die herkömmlichen, laborbasierten Methoden liefern zwar präzise Einzelmessungen; sie können aber den Echtzeitansprüchen eines modernen Produktstroms mit zeitlichen und örtlichen Schwankungen nur sehr eingeschränkt gerecht werden", erklärt Matthias Kerschhaggl. Fazit des Forschungsprojekts: Die Echtzeitstatistik schlägt die Präzision weniger Einzelmessungen.

Das Pharma-Unternehmen Baxter AG evaluiert den Einsatz der Hyperspectral Imaging-Technologie von EVK zur In-line-Qualitätskontrolle. Technologien wie z.B. Farbkameras konnten die örtliche Verteilung des Wirkstoffes auf einem Substrat nicht ermitteln, das Auge sieht hier keinen Unterschied. Der von EVK entwickelte HELIOS Analyzer erkennt jedoch die örtliche Verteilung und vergleicht darüber hinaus die Messwerte mit den vorgegebenen Grenzwerten und klassifiziert entsprechend dem Prüfungsergebnis (Gutprodukt, Ausschuss).

PAT-Tool Hyperspectral Imaging
Bei der quantitativen Analyse mittels HSI-Technologie nimmt die Kamera für jeden örtlichen Bildpunkt ein volles Nahinfrarotspektrum gleichzeitig auf. EVK liefert dazu ein in die Kamera integriertes Analyseprogramm, das in Echtzeit die chemische Zusammensetzung aufgrund der aufgenommenen Spektren erkennt. Die Modelle für die Zuordnung der Spektren erstellt die Firma auf Basis exakter Laboranalytik. Die Zukunft liegt also in einer engen Zusammenarbeit beider Verfahren.

Der HELIOS Analyzer, die smarte Hyperspectral-Imaging-Kamera von EVK, eignet sich also durchaus als PAT-Tool. Junior-Chef Kerschhaggl fasst es so zusammen: "Der HELIOS Analyzer bringt das Labor in die Produktionslinie." Zu sehen gibt es den HELIOS auf der analytica in Halle A2, Stand 429B.

Autoren:
Sieglinde Kepplinger
Nava Ebrahimi
EVK DI Kerschhaggl GmbH
Josef-Krainer-Straße 35
A-8074 Raaba
Tel. +43 316 461664-55
E-Mail: sieglinde.kepplinger@evk.biz.

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