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Fachartikel

Automation in der Lebensmittelindustrie

„Die guten ins Töpfchen, die schlechten ins Kröpfchen.“ Schon in der Märchenwelt mussten Lebensmittel wie Erbsen und Linsen von unerwünschten Fremdkörpern getrennt werden. Das Grundprinzip ist bis heute dasselbe geblieben, doch wo seinerzeit Heerscharen von fleißigen Vögeln zu Hilfe gerufen wurden, verlassen wir uns heute auf moderne optische Technologien.

 

Industrielle Bildverarbeitung bei Lebensmitteln?

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Wenn von „industrieller ­Bildverarbeitung“ die Rede ist, erscheinen vor dem geistigen Auge unweigerlich Bilder von Robotern in riesigen Fabrikhallen. An Äpfel, Kartoffeln oder Reis denkt dabei niemand. Doch die Produktion von Lebensmitteln hat mit unserem romantischen Bild von der Landwirtschaft nur noch wenig zu tun. Inzwischen werden dort dieselben Technologien genutzt wie in der industriellen Fertigung.

Quality Control

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Einer der wichtigsten Einsatzbereiche für optische Technologien ist die Qualitätskontrolle. In Anlagen, in denen täglich Tonnen von Obst, Gemüse, Fleisch oder Fisch verarbeitet werden, ist eine Prüfung von Hand illusorisch. Andererseits werden die Qualitätsanforderungen durch den Gesetzgeber mit schöner Regelmäßigkeit verschärft. Und auch die Verbraucher werden immer anspruchsvoller. Bei ihnen kommt es schon lange nicht mehr nur auf objektive Qualitätskriterien an: Das Essen soll vor allem auch gut aussehen. Knubbelige Erdbeeren oder Möhren mit zwei „Beinen“ gelten vielen schon als ungenießbar, auch wenn sie keine schadhaften Stellen aufweisen.

Mit den Anforderungen wächst aber auch der Einfallsreichtum der Ingenieure und so gibt es inzwischen für jedes Kriterium eine passende Sortieranlage.

Optische Sortiermaschinen

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Je nachdem, was die Anlage finden soll, kommen verschiedene Sensoren zum Einsatz: Am häufigsten sind das Laser­systeme und diverse Kameratypen.

Einfache Kameras bilden bereits Größe, Form und Farbe von Früchten ab. Entsprechend werden sie immer dann benutzt, wenn es um die Kontrolle des äußeren Erscheinungsbilds geht.
Faule Stellen an Äpfeln oder Kartoffeln haben meist eine andere Farbe, als die gesunden Teile. Daher können sie schon mit monochromatischen Kameras aussortiert werden, denn die Unterscheidung von von Hell-Dunkel-Kontrasten ist dafür ausreichend.

Polychromatische Kameras werden herangezogen, um Lebensmittel voneinander zu trennen, die sich vor allem durch ihre Farbe unterscheiden – zum Beispiel rote, gelbe und grüne Gummibärchen.

Oberflächenanalyse mit Laserlicht

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Im Gegensatz zur reinen Kameradetektion sind Kombinationen von Lasermodul und Kamera in der Lage, die Oberflächenstrukturen von Objekten zu analysieren.

Bei bestimmten Wellenlängen können sie außerdem tiefer in das Gewebe von Lebensmitteln eindringen und so Erkenntnisse liefern, die bei rein äußerlichen Kontrollen verborgen bleiben. Diese Eigenschaften werden in Sortieranlagen unter anderem genutzt, wenn es darum geht, Steine, Glas oder Metall auszusortieren. Dabei können die „fehlerhaften“ Elemente auch dieselbe Farbe haben wie die „guten“. So sind Kartoffeln und Steine äußerlich häufig nur schwer voneinander zu unterscheiden, haben aber völlig verschiedene Oberflächenstrukturen.

IR-Spektroskopie

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Ein anderer Anwendungsbereich ist die IR-Spektroskopie. Sie wird zum Beispiel genutzt, um die genauen Mengen an Fett, Eiweiß und anderen Nährstoffen in Fleisch festzustellen, sodass sie korrekt auf der Verpackung angezeigt werden können, wie es der Gesetzgeber verlangt.

So wird sortiert

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Fremdkörper und schadhafte Lebensmittel, die von den optischen Systemen erkannt wurden, werden auf verschiedene Arten aussortiert: Kleine Objekte wie Aschenputtels Erbsen und Linsen würden heute mit Druckluftdüsen aus der Asche in Behälter geschleudert und dort gesammelt. Größere Früchte wie Äpfel oder Kartoffeln werden dagegen oft mechanisch „umgeleitet“, sodass sie je nach Größe und Güteklasse in den entsprechenden Kisten landen.

Inzwischen gibt es vom Reiskorn bis zum Fischfilet nichts, was nicht durch Maschinen mit maßgeschneiderten optischen Verfahren bewertet, gereinigt, sortiert oder bearbeitet werden kann.

So gelangen nur Lebensmittel in den Supermarkt, die allen Qualitätsanforderungen entsprechen.

Wenn Pflanzen rot leuchten
 

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Um grünes Obst oder Gemüse von anderen grünen Gegenständen zu unterscheiden, nutzen Sortiermaschinen eine Besonderheit aus: Werden Pflanzenteile mit UV bestrahlt, scheint das Gewebe rot zu leuchten.

Grund dafür ist das Chlorophyll. Dieser Farbstoff ist entscheidend für den Stoffwechsel der Pflanzen. Er absorbiert unter „normalen“ Bedingungen blaue und rote Wellenlängen und nutzt ihre Energie für die Photosynthese. Das grüne Licht wird reflektiert. Daher erscheinen Gras und Bäume für uns grün.
Bei langwelliger UV-Strahlung dagegen, kommt es zur Chlorophyllfluoreszenz: Ein Teil des Pigments, das sogenannte Chlorophyll a, wandelt einen Teil der eintreffenden UV-Strahlung um und gibt ihn in Form von Wärme wieder ab.

Der Rest wird als Licht im sichtbaren Spektrum emittiert – in diesem Fall bei einer Wellenlänge von ca. 670 nm. Daher erscheinen die entsprechenden Pflanzenteile nicht mehr grün sondern rot. Bei Gegenständen ohne Chlorophyll dagegen tritt dieser Effekt nicht auf. Sie können also klar als nicht-pflanzlich definiert und aussortiert werden.

Scheibchenweise - Eine Frage des Gewichts

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Immer mehr Lebensmittel kommen vorportioniert in die Supermarktregale. Wie aber kann man sichergehen, dass alle Portionen dasselbe Gewicht haben? Auch dabei hilft die Lasertechnik. Mit Hilfe von Lasermodulen lässt sich die Form von Gegenständen dreidimensional erfassen – egal wie krumm oder unregelmäßig sie sein mögen. Aus diesen Daten und dem durchschnittlichen Gewicht der Ware kann ein Computer berechnen, wo die Schnitte platziert werden müssen, damit jede Tranche dasselbe Gewicht hat.

Jochen Maier
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