MOBISPEC: Spectrale sensoren voor de werkvloer: snelle meting van samenstelling en microstructuur

Vis/NIR-spectroscopie is reeds goed ingeburgerd in de voedingsindustrie voor snelle analyse van de samenstelling (vocht-, eiwit- en vetgehalte) van inkomende grondstoffen en producten. In praktijk wordt de techniek wordt echter vaak suboptimaal gebruikt, waardoor maar een fractie van de mogelijkheden benut wordt. Naast de klassieke samenstellingsmeting kan deze techniek immers ook gebruikt worden voor authenticiteitscontrole en het opvolgen van processen (vb. mengen). Op vandaag staan deze toestellen ook meestal nog in een labo en dienen er stalen genomen te worden die naar het toestel gebracht worden. Deze stap van staalname en analyse in het labo zorgt ervoor dat ondanks het niet-destructief karakter van deze meettechniek slechts een zeer beperkt staal geanalyseerd kan worden. Bovendien introduceert de logistiek van staalname en transport naar het labo een aanzienlijke tijdsvertraging. Hierdoor blijft de controle in de praktijk vaak beperkt tot een visuele inspectie. Daarom zou het interessanter zijn om de spectrale sensoren naar de producten te brengen. De recente ontwikkelingen op het vlak van miniaturisatie van spectroscopische sensoren bieden hiervoor potentieel.  

Spectroscopische technieken meten de verandering van het optisch spectrum door interactie met een product. Aangezien het licht bij doorgang door een product verstrooid wordt door de microstructuur geabsorbeerd door de chemische moleculen, bevatten de opgemeten spectra zowel informatie over de microstructuur als over de samenstelling. Traditioneel probeert men het effect van de lichtverstrooiing weg te filteren om meer betrouwbare informatie te bekomen over de samenstelling. Dit wegfilteren heeft echter vaak een beperkt succes en gooit de waardevolle informatie over de microstructuur weg. Deze laatste is immers belangrijk voor de technische eigenschappen van het product, de stabiliteit en de smaaksensatie.In basisonderzoek werd reeds aangetoond dat het mogelijk is om de informatie over de samenstelling en de microstructuur te scheiden op basis van expertkennis omtrent de dominante absorbeerders in het product of op basis van een combinatie van meerdere spectroscopische metingen op verschillende afstanden van de lichtbron. In dit traject zal het potentieel hiervan in de voedingsindustrie onderzocht worden.

Klassieke puntspectroscopie meet een gemiddeld spectrum voor een product in de veronderstelling dat dit homogeen is. Hoewel dit meestal niet het geval is in de voedingsindustrie is informatie over de gemiddelde eigenschappen vaak voldoende. Als men echter ook zicht wil krijgen op de homogeniteit van het product of de verdeling van componenten en eigenschappen binnen het product, heeft men nood aan een visiesensor. Waar klassieke kleurencameravisie slechts drie kleurbanden (rood, groen en blauw) opmeet, kunnen hyperspectrale camera’s uit één beeldopname meer gedetailleerde informatie te halen. Zij danken hun kracht aan het combineren van spectroscopie met digitale beeldverwerking. Ze maken hierbij gebruik van veel meer en nauwere spectrale banden dan gewone camera’s. Het resultaat is dat voor ieder pixel een soort spectrale handtekening opgemeten wordt, die voor ieder materiaal uniek is. Gekoppeld aan ‘real-time’ beeldverwerking, biedt hyperspectrale beeldvorming zeer brede toepassingsmogelijkheden in de voedingsproductie:

  • Screening van de kwaliteit aan of net onder het productoppervlak
  • Kleur- en patroonherkenning
  • Visualisatie van productsamenstelling
  • Hygiëne-inspectie
  • Screening van oppervlakte kwaliteit

Ondanks hun groot potentieel zijn deze hyperspectrale camera’s nog niet ingeburgerd in de voedingsindustrie, omdat dit klassiek dure, logge en trage onderzoeksinstrumenten waren. Dankzij de recente ontwikkelingen op het gebied van on chip-hyperspectrale camera’s wordt deze technologie echter veel betaalbaarder, sneller en zelfs draagbaar. Dit biedt heel wat perspectieven voor toepassing op de werkvloer in de voedingsindustrie.

De meerwaarde van de spectrale sensing technologie werd reeds aangetoond tijdens het Sensors For Food project, traject hyperspectrale camera. Ondertussen zijn innovatieve compacte spectrofotometers en camera’s beschikbaar, die de toepassing van spectrale metingen op de werkvloer mogelijk maken. Om de robuustheid en betrouwbaarheid van een vaste opstelling, in labo of onder gecontroleerde omstandigheden in een bedrijf (op transportband of op een vast meetpunt) uit te breiden naar draagbare toestellen op de werkvloer, zijn er echter nog een aantal verdere ontwikkelingen nodig. Er moet rekening gehouden worden met trillingen, onbekende belichtingsomstandigheden en het meettoestel moet gebruiksvriendelijk zijn. Daarenboven moet de analyse voldoende snel en nauwkeurig kunnen gebeuren, om relevante beslissingen op de werkvloer te kunnen ondersteunen. 

Dit project exploreert de toepasbaarheid van spectrale technologie, enerzijds in extreem compacte en draagbare spectrale camera’s en anderzijds in draagbare puntspectrometers, voor het ‘op de werkvloer’ uitvoeren van kwaliteitsmetingen op het gebied van samenstelling en microstructuur in de voedingsindustrie. Hiermee streeft dit project naar een maximale benutting van het potentieel van spectrale sensoren in de voedingsindustrie om snelle en accurate interventies in geval van acute problemen of twijfel te ondersteunen en zo de kwaliteitsketen te waarborgen.

Uitvoerders:

Organisatie

KU Leuven

Naam onderzoeksleider

Prof. Wouter Saeys

Functie

Docent

Departement/Afdeling

Departement Biosystemen – Afdeling MeBioS

Adres

Kasteelpark Arenberg 30, 3001 Leuven

Tel

016 32 85 27

Fax

016 32 19 94

e-mail

Wouter.saeys@biw.kuleuven.be

 

Organisatie

Imec

Naam onderzoeksleider

Andy Lambrechts

Functie

Programma manager

Departement/Afdeling

Imec SSET/CMORES

Adres

Kapeldreef 75, 3001 Leuven

Tel

016 28 82 35

Fax

016 28 15 15

e-mail

Andy.lambrechts@imec.be