Detektion von Fremdkörpern

In den letzten Jahren haben sich neben den Maschinen und Anlagen die Detektionsmethoden für Fremdkörper in Lebensmitteln weiterentwickelt. Petra Gerhardt erläutert die aktuellen Entwicklungen und Lösungen.

Mit den neuen technischen Möglichkeiten haben sich die Erwartungen der Kunden in Bezug auf das Auftreten von Fremdkörpern deutlich verschärft. Fremdkörper sind physikalische Festkörper, die nicht Bestandteil der Rezeptur sind und sensorisch erkannt werden können. Hierzu zählen insbesondere Glassplitter, Steine oder Metallteile, Holz und Kunststoff unterschiedlichster Herkunft. Auch organische Verunreinigungen, z. B. Insekten, Maden oder kleinere Nagetiere können ein Produkt verunreinigen und ekelerregend wirken. Fremdkörper können sowohl von außen in das Produkt als auch durch Fehler in der Prozessführung entstehen. Letztendlich ist die Fremdkörpererkennung immer ein kritischer Steuerungspunkt (CCP). Fremdkörper sind manchmal gefährlich, aber immer unerwünscht! Nicht nur das Lebensmittel- und Futtermittelgesetzbuch (LFBG), auch der IFS legen fest, dass Lebensmittel frei von Fremdkörpern sein müssen. Konsumenten sollen vor gesundheitlichen Schäden geschützt werden. Detektoren für Fremdkörper werden nicht nur eingesetzt, um möglichst störungsfreie Prozesse und eine maximale Produktivität zu erreichen, sondern im Bereich der Lebensmittel vor allem wegen der Produktsicherheit.

Welche Maßnahmen müssen getroffen werden?

Als präventive Maßnahmen sollten Wareneingangskontrollen, regelmäßige Schulungen zur Personalhygiene und Fremdkörpermanagement sowie regelmäßige Audits bei Vorlieferanten vorgenommen werden. Darüber hinaus sollten Reparaturen an Maschinen nicht während der laufenden Produktion durchgeführt werden.

Die Detektion kann dann entweder durch Sichtkontrolle (visuelle Erkennung durch Kontrollpersonen) oder aber durch die Installation von geeigneten Kontrollgeräten zur automatischen Erkennung und Ausschleusung von Fremdkörpern aus dem Produktstrom erfolgen.

Welche Methoden gibt es?

Generell können verschiedene Techniken und Methoden eingesetzt werden:

• Siebtechnik (Trennung nach Partikelgröße)
  Statische-, Schwing-, Trommel- und Zentrifugal-Siebe
• Filter (Trennung nach Partikelgröße)
  Statische- und Zentrifugal-Filter (Dekanter)
• Magnetabscheider (Abtrennung von magnetisierbaren Metallen)
  Permanent- und Elektromagnete
• Sichtung (Trennung nach leichten und schweren Partikeln)
  Windsichtung, Steinauslese
• Metallsuchtechnik (Erkennung von metallischen Fremdkörpern)
  Induktive Technik
• Thermografische Detektion (Trennung nach Wärmekapazität, z. B. Holz im Weingummi)
  Wärmefluss-Thermografie: Hier unterscheiden sich das Produkt und die Fremdkörper (Holzsplitter) in ihrer Wärmekapazität voneinander, sodass sie nach dem Wärmeimpuls unterschiedliche Temperaturen aufweisen und so im Thermografiebild unterschieden werden können.
• Ultraschall (Trennung nach abweichender Oberflächenhärte)
  Messung unterschiedlicher Dichten
• Optische Verlesung (Trennung nach Farbe und Form)
  LED/Infrarot-, Kamera- und Laser-Technik
• Röntgendetektion (Trennung nach unterschiedlicher Dichte)
  Durchleuchten von unverpackten und verpackten Produkten
• Mikrowellen-Detektion (dielektrische Eigenschaften)
  Auffinden von Fremdkörpern geringer Dichte in der Rohrleitung

Im Folgenden werden die Metallsuchtechnik, die Röntgeninspektion sowie die optische Verlesung tiefergehend dargestellt.

Metallsuchtechnik

Die induktive Metalldetektion ist eine bereits seit Jahrzehnten im Einsatz befindliche Technik zum Aufspüren von Metallen, jedwelcher Art, in losen oder verpackten Lebensmitteln. Das Sortierprinzip hierbei ist die elektrische Leitfähigkeit. Im Allgemeinen sind Metalldetektoren mit einer Sender- und zwei Empfängerspulen ausgestattet. Durch die Senderspule wird ein dauerhaftes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Passiert eine metallische Verunreinigung den Detektor, kommt es zu einer Störung dieses Wechselfeldes. Diese Störung wird von den beiden Empfängerspulen erkannt. Das dadurch entstehende Signal wird durch die Elektronik ausgewertet und aktiviert eine entsprechende automatische Ausschleusung des verunreinigten Produkts, z. B. in einen abschließbaren Behälter mit Füllstandssensor. Es existieren verschiedene Ausführungen von Metalldetektoren, sodass nahezu die komplette Produktrange der Lebensmittel auf metallische Verunreinigungen geprüft werden kann:

1. Freifallgeräte für z. B. Produkte, die über Wägesysteme in Verpackungsmaschinen befördert werden
2. Bandgeräte mit Suchkopf für lose oder verpackte Produkte
3. Rohrleitungsgeräte für flüssige Produkte

Die Detektionsempfindlichkeit ist von mehreren Faktoren abhängig:

1. Größe der Durchgangsöffnung
Je höher die Öffnung, desto weniger kann detektiert werden. Eine Faustregel beziffert die Erkennungsgröße eines Metallsuchgerätes mit einem Kugeldurchmesser von 0,8 % bis 1 % der jeweiligen Durchlasshöhe des Suchkopfes (bezogen auf Eisenmetalle).

2. Produkteffekt
Salz- und Essiglaken, Senf, Ketchup usw. haben beispielsweise einen hohen Produkteffekt. Ebenso spielt die Produkttemperatur eine wichtige Rolle. Trockene Produkte, z. B. Mehle, Pulver und Granulate aber auch tiefgefrorene Produkte, bei denen das Wasser durch die niedrigen Temperaturen gebunden ist, haben einen geringen Produkteffekt. Die Elektronik kompensiert diesen Produkteffekt. Die Ansprechempfindlichkeit wird umso schlechter je stärker die erforderliche Kompensation ist. Metalldetektoren stellen sich im Lernmodus automatisch auf den jeweiligen Produkteffekt ein.

3. Einbauart bzw. Umwelteinflüsse
Elektromagnetische Felder, die von anderen Maschinen oder Anlagen erzeugt werden, können die Empfindlichkeit eines Metalldetektors beeinflussen. Es sind dann Abschirmmaßnahmen erforderlich.

Röntgeninspektion

Seit den frühen 1990er-Jahren setzt man bereits die Röntgeninspektion für Lebensmittel ein. Vorreiter waren hier vor allem die Babynahrungshersteller. Neben der hervorragenden Erkennungsempfindlichkeit für Edelstahl sowie Eisen- und Nichteisenmetalle kann man mit der Röntgeninspektion auch Glas, Keramik, Knochen und Steine aufspüren. Es gibt einige Hersteller, die mittels Röntgeninspektion auch bestimmte Kunststoffarten und Gummi zuverlässig finden wollen. Es ist hier in jedem Fall angeraten, produktspezifische Tests im Vorfeld einer Investition in eine solche Maschine durchzuführen.

Eine besondere Herausforderung stellt das Aufspüren von Glassplittern in Glasbehältern oder von metallischen Verunreinigungen in Metallverpackungen dar. Auch hierfür bietet der Markt Lösungen an.

Die Röntgenstrahlung ist eine Form elektromagnetischer Strahlung mit kurzer Wellenlänge. Sie durchdringt Materialien, die für sichtbares Licht undurchlässig ist. Die Durchlässigkeit eines Materials für Röntgenstrahlung ist vor allem von seiner Dichte abhängig. Verborgene Fremdkörper absorbieren mehr Röntgenstrahlung als das sie umgebende Produkt.

Jedes Produkt wird bei der Röntgeninspektion im Durchlauf „gescannt“. Es entsteht ein Graustufenbild. Im Vorfeld  hat man der Geräte-Software einen vordefinierten akzeptablen Standard „eingelernt“, mit dem die entstehenden Graustufenbilder verglichen werden. Weicht ein Bild von diesem Standard ab, aktiviert das entsprechende Signal einen Ausschleusemechanismus.

Für die Untersuchung von flachen Verpackungen, z. B. Pizzen, Fertiggerichte oder lose geschütteten Produkten wie Nüssen oder Rosinen setzt man Systeme ein, die das Produkt vertikal durchleuchten. Hohe, stehende Produkte wie Flaschen, Gläser oder Dosen werden horizontal durchleuchtet. Hierzu wurden Systeme entwickelt, die mit bis zu 4 Röntgenquellen arbeiten, um die Gebinde in verschiedenen Winkeln zu prüfen. Eine Quelle wird hierbei zur Inspektion des Glas- oder Flaschenbodens eingesetzt, auf dem sich Fremdkörper bei Getränken oder flüssigen Produkten absetzen werden.

Neben der Fremdkörpererkennung können Röntgenscanner auf für folgende Qualitätskontrollfunktionen eingesetzt werden:

• Erkennung von beschädigten oder fehlenden Produkte
• Füllstandsüberwachung
• Produktabmessungen, -fläche und -volumen können bestimmt werden
• Massenbestimmung
• Kontrolle von Siegelnähten

Prüfkörper (Teststäbchen, Testkarten etc.) dienen als Prüfmittel zur Überprüfung von Metallsuchgeräten und Röntgendetektoren im Rahmen der Qualitätssicherung. Im Inneren des Prüfkörpers befindet sich eine zertifizierte Kugel aus Metall, Glas oder Keramik. Zur Überprüfung lässt man den Prüfkörper gemeinsam mit dem Produkt durch das Metallsuchgerät oder den Röntgendetektor fahren. Somit lässt sich einfach überprüfen, ob das jeweilige Gerät diese Kugel sicher findet. Empfehlenswert für den Zeitpunkt dieser Prüfungen ist jeweils vor, mitten und am Ende einer Produktionscharge.

Optische Sortiersysteme für lose Produkte

Für die Fremdkörpererkennung bei nicht verpackten, losen Produkten können neben den eben aufgeführten Metall- und Röntgendetektoren auch optische Sortiersysteme eingesetzt werden, die neben dem Aufspüren von Fremdkörpern und Verunreinigungen auch nach Farbe und Form sortieren können. Meist wird hierbei  eine Kombination aus verschiedenen optischen Systemen eingesetzt.

Kameraverlesung: Hochgeschwindigkeitskameras (monochrom als auch RGB) überprüfen das Produkt auf dem Förderband oder im freien Fall. Die Fehlererkennung beschränkt sich dabei nicht nur auf das sichtbare Spektrum, sondern nutzt darüber hinaus infrarote, ultraviolette und andere Spektren. Kameras haben den Vorteil, dass sie in unterschiedlichen Winkeln positioniert werden können, um das Produkt von bis zu 6 Seiten zu überprüfen.

Lasersortierung: Lasersortierer werden für Anwendungen verwendet, die sowohl eine Farb- als auch eine Struktursortierung benötigen, z. B. Rosinen, Garnelen, Gemüse, Obst, Tabak und Nüsse. Man erkennt mit der Lasersortierung Verunreinigungen, selbst wenn Gutprodukt und Fremdmaterial dieselbe Farbe haben. Neben der Sortierung nach Farb-, Struktur-, Größen- und Formunterschieden kann auch nach biologischen Eigenschaften sortiert werden, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. So kann mit speziellen Lasern z. B. Chlorophyll oder Aflatoxin erkannt werden. Darüber hinaus ist eine Sortierung aufgrund des Wassergehalts möglich: So kann man z. B. in TK-Produkten Holz oder Kunststoffe aufspüren.

Fazit

• Fremdkörper dürfen in Lebensmitteln nicht vorkommen!
• Das Personal ist über die Wichtigkeit dieser Forderung aufzuklären!
• Je nach vorhandener Prozesstechnologie müssen unterschiedliche Kontrollmaßnahmen durchgeführt bzw. installiert werden!
• Eine 100-%ige Sicherheit ist mit keiner der bekannten Kontrollmethoden erreichbar!
• Die Kontrollmethoden sollten immer aktualisiert werden.
• Geräte zur Fremdkörpererkennung sind immer nur ein Teil des Maßnahmenkataloges!
• Die Wirksamkeit von Detektionsmethoden hängt im Wesentlichen davon ab, welche Art von Fremdkörper in welcher Lebensmittelmatrix gesucht wird.

QUELLE:
►  QM! Der Qualitäts-Manager in der Lebensmittel-Branche, Behr's Verlag, Ausgabe 2|2016, S. 18ff, Petra Gerhardt