Der Trend zur Automatisierung durchdringt in Zeiten von Industrie 4.0 nicht nur die Produktionslinien, sondern auch die Qualitätskontrolle immer stärker. Das Ziel der Technologieanbieter ist eine Inline-Messtechnik, die für geschlossene Regelkreise sorgt. Einigkeit herrscht unter Experten, dass es neben der Sensorfusion vor allem die optischen Verfahren wie NIR-Spektroskopie und Hyperspectral Imaging sind, die als Gamechanger den Erfolg auf dem Weg zum „Closed Loop“ mitbestimmen.
Mehr messen, schneller messen, inline messen: Wenn Lebensmittelproduzenten über Real-Time-Qualitätssicherung nachdenken, geht es ihnen nach Einschätzung von Prof. Volker Lohweg nicht allein darum, mehr Informationen zu erhalten, sondern vor allem „um mehr Wissen und schnelleres Wissen“. Lohweg leitet das Institut für industrielle Informationstechnik (inIT) an der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe in Lemgo. Ziel des Wissenschaftlers ist eine Inline-Messtechnik, die für Cyber-Physical-Systems in der Lebensmittelproduktion sorgt. „Herzstück eines solchen Ansatzes ist die Integration datenintensiver Messtechnik in die Produktionsprozesse inklusive Kommunikation, Vernetzung und künstlicher Intelligenz aller beteiligten Systeme“, erklärt Lohweg. Das heißt: Die Kontrolle erfolgt nicht mehr stichprobenartig im Nachgang an die Produktion eines Lebensmittels, sondern unmittelbar im Prozess und in Echtzeit. Wird ein Fehler erkannt, kann das System diesen im Idealfall automatisch kompensieren, ohne dass der Anlagenbediener eingreifen muss.
Qualitätssicherung im „Closed Loop“
Neben hochauflösender Messtechnik spielen künstliche Intelligenz und Deep-Learning- Algorithmen dabei eine Rolle. Gemeinsam mit den Professoren Ulrich Müller und Björn Frahm vom Institute for Life Science Technologies (ILT.NRW) koordiniert Lohweg IT-seitig das Projekt „Teig 4.0“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Initiative SmartfoodtechnologyOWL gefördert wird. „Bisherige Prozesse in der Weizenteigverarbeitung sind oft handwerklich geprägt. Neben den Schwankungen von Rohstoffeigenschaften führt der Prozess selbst zu starken Unterschieden in der Produktqualität“, erläutert Müller. Geht es nach dem Willen des Projektteams, soll es künftig mittels Inline Messtechnik möglich sein, heute als Stichprobe gemessene sowie bisher nicht gemessene Eigenschaften von Weizenteigen schon während des Produktionsprozesses zu erfassen und in Echtzeit auszuwerten. Beispielsweise sollen die viskoelastischen Parameter des Teiges mithilfe von bildanalytischen Methoden und der Messung physikalischer Größen kontinuierlich bewertet werden. „Auf diesem Wege lassen sich zudem Informationen über die zeitliche und räumliche Verteilung von Teigeigenschaften gewinnen. Dabei fallen komplexe Datenmengen an, die verarbeitet werden müssen“, so Müller. Laut ihm fehlt es gegenwärtig vor allem an Sensoren, die in der Lage sind, die für eine Qualitätsüberwachung relevanten Stoff- und Prozessgrößen in hoher Frequenz inline zu erfassen und zu verarbeiten. Im Rahmen der Projekte der SmartfoodtechnologyOWL-Initiative werden deshalb diverse Messprinzipien auf Eignung überprüft, so auch Multi-Sensoren für den Einsatz in industriellen Prozessen, die unter anderem auf der Nahinfrarotspektroskopie (NIR) basieren. „Mit ihnen glauben wir,“ so Müller, „zu einer erfolgreichen Prozessoptimierung hinsichtlich chemischer und physikalischer Eigenschaften des Endproduktes beitragen zu können.“ Mit Echtzeitanalytik und der Integration von heuristischem Wissen soll sich schließlich ein digitales Abbild des realen Lebensmittels erstellen lassen, anhand dessen die Qualität, aber auch Ausbeuten vorhergesagt werden können. Um die Qualität basierend auf komplexen Datensätzen zu bestimmen und Prognosen errechnen zu können, entwickeln die Forscherteams intelligente Algorithmen, die nach Mustern und Gesetzmäßigkeiten in den Daten suchen. Die Integration derartiger Closed-Loop-Systeme steht in direkter Verbindung mit der Vision von cyberphysischen Systemen in einer vollständig vernetzten Infrastruktur – und damit ganz im Sinne einer Smart Food Factory, wie sie gegenwärtig auf dem Innovation Campus in Lemgo entsteht. Ab Ende 2022 wollen Wirtschaft und Wissenschaft hier gemeinsam zum Thema Digitalisierung in der Lebensmittelbranche forschen und entwickeln.
