NIR-Spektrometer für Inlineprüfung

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 die Hersteller auf eine genaue Analyse der Rohstoffe angewiesen. Laboranalysen kosten Zeit, sind aufwendig und bei schwankenden Produkten nur Stichproben. Für stabile Produktionsprozesse ist eine Inlinemessung mit Spektrometern eine bessere Lösung. Die Messspezialisten von Polytec aus Waldbronn haben dafür mit dem PCS (Polytec-Compact-Spektrometer) ein sehr kompaktes NIR-Spektrometer für den industriellen Einsatz entwickelt, das überall in der Produktion seine Nische vor Ort findet.

Inhaltsstoffe optisch messen

Wie beim sichtbaren Licht Farben Auskunft über die Art der Frucht oder den Reifegrad geben, so reflektieren im Nah-Infrarot-Bereich (950-1700nm) 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- & Refextionseffekten. 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.

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 etc. 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 von 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.