Die Auswirkungen von In-Process-NIR auf die Industrie- und Lebensmittelproduktion (Processing Magazine)

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Von Pulvern in großen Mengen bis hin zu Backwaren — die Feuchtigkeitskontrolle gehört zu den wichtigsten Qualitätssicherungsmaßnahmen von Prozessfertigungsbetrieben. Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen wirken sich direkt auf die Produktqualität aus, verursachen zusätzliche Betriebs- und Energiekosten und führen zu Produktverschwendung, wenn keine Maßnahmen zur Parameterkontrolle getroffen werden.

Angesichts der Tatsache, dass die meisten Industrie- und Lebensmittelverarbeitungsbetriebe in widrigen Betriebsumgebungen herrschen, reicht nicht irgendein Feuchtigkeitsanalysator aus. In besonders schwierigen Situationen ist eine Feuchtigkeitskontrolle erforderlich, z. B. am Ausgang eines Trockners oder Ofens, über ein offenes Förderband mit Partikeln in der Luft oder beim Blick in einen Behälter, eine Rutsche, eine Schnecke usw.

Umweltschutzinitiativen setzen sich durch und das Lohnwachstum veranlasst Werksleiter dazu, die Kosten genau unter die Lupe zu nehmen. Online-Feuchtemessgeräte sind zu Instrumenten geworden, die Unternehmen dabei unterstützen, die Qualität zu kontrollieren und anhand von Echtzeitdaten bessere Betriebsentscheidungen zu treffen. In vielen industriellen Prozessen und bei der Lebensmittelherstellung werden Online-Feuchtemessgeräte im Nahinfrarot (NIR) immer beliebter, um Unternehmen dabei zu unterstützen, diese Ziele zu erreichen.

Online-Feuchtebestimmer: Was ist heute verfügbar?

In industriellen Prozessen werden heute verschiedene Arten von schnellen Online-Feuchteanalysatoren verwendet, aber zwei der gängigsten sind NIR und Radiofrequenz (RF). Mikrowellen- und Kapazitätstechnologien sind andere Typen von Feuchtebestimmer, sie eignen sich jedoch nicht gut für die Herstellung von Pulver- oder Lebensmittelmengen in großen Mengen. Darüber hinaus werden in der Fertigung häufig Infrarottechnologien (IR) verwendet, aber diese IR-Instrumente messen nur die Temperatur, nicht die Feuchtigkeit.

Jeder Sensortyp hat seine Stärken und wird auf der Grundlage der spezifischen Anforderungen des Prozesses und der erforderlichen Messtiefe ausgewählt.

Online-NIR-Feuchteanalyse

NIR ist eine Oberflächenmessung — der Feuchtigkeitsgehalt wird gemessen, indem NIR-Licht gelenkt und das Reflexionsvermögen des von der Probe abgestrahlten Lichts analysiert wird. Es handelt sich um eine sekundäre Methode zur Feuchtigkeitsanalyse, was bedeutet, dass jedes Gerät für jede Art von Material, das es misst, kalibriert werden muss. Das NIR-Messgerät muss außerdem in einem festen Abstand zum Produkt installiert werden (~200-450 mm (8-18 Zoll)).

NIR bietet auch die Möglichkeit, andere Qualitätsparameter wie Temperatur und Harze/Öle mit einem einzigen Gerät zu messen, das nur einen geringen Platzbedarf in der Produktionshalle beansprucht. Aufgrund dieser Vorteile eignet sich NIR hervorragend für die Analyse der Feuchtigkeit homogener Produkte, die eine gleichmäßige Feuchtigkeitsverteilung von pulverförmigen Chemikalien bis hin zu Snacks aufweisen.

Online-HF-Feuchteanalyse

HF ist eine Durchdringungsmessung, bei der ein Signal durch ein Produkt übertragen wird, um dessen Feuchtigkeitsgehalt anhand der dielektrischen Eigenschaften von Wasser zu ermitteln. HF-Analysatoren eignen sich ideal für heterogene Produkte, die eine bestimmte Produktmasse, eine einheitliche Form und Dichte aufweisen.

HF-Feuchteanalysatoren liefern das komplette Feuchtigkeitsprofil von Produkten, deren Eindringtiefe in der Regel unter 10 mm (4 Zoll) liegt. Es wird häufig bei der Herstellung von Platten (Spanplatten, Gips, Dämmstoffe usw.) sowie bei Holzpellets- und Bioenergieprodukten verwendet. Für Lebensmittel oder inhomogene Produkte gibt es jedoch bessere Alternativen als RF.

NIR ist die praktischste und flexibelste Methode zur berührungslosen Feuchtigkeitsanalyse für viele industrielle Prozesse und hauptsächlich für alle Lebensmittelproduktionsprozesse. Darüber hinaus sind diese Systeme robust, benötigen nur eine geringe Stellfläche und sind mit Zubehör erhältlich, mit dem die Feuchtigkeit praktisch überall im Prozess gemessen werden kann, sodass die meisten Anlagenbesitzer nicht woanders suchen müssen.

Beispiele für Online-Feuchtigkeitsanalysen in der Massenverarbeitung

Qualitätskontrolle von Keramikpulver

Ton, Talkum und andere mineralische Bestandteile werden abgebaut, raffiniert, gemischt und auf ein bestimmtes Feuchtigkeitsniveau getrocknet, bevor sie sich in einer Staub- oder Stampfpresse bei sehr hohem Druck formen. Die Kontrolle der Ton- und Pulverfeuchte ist für die Herstellung hochwertiger Boden- und Wandfliesen mit gleichbleibenden Abmessungen und für die Sicherheit des Herstellungsprozesses von größter Bedeutung.

Geformte Fliesen haben einen unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalt von bis zu 6% und müssen vor dem Brennen im Ofen oder an der Luft getrocknet werden, bis auf 1% genau. Selbst ein winziger Prozentsatz über 1% kann zu explosiven Ergebnissen führen.

Online-NIR-Feuchtemessgeräte bieten die Möglichkeit, die Feuchtigkeit eines Förderbandes zu messen, das Tonpulver zu späteren Produktionsstufen transportiert. Den meisten Unternehmen ist es gelungen, das Messgerät unmittelbar nach einem Förderbandwechsel zu positionieren, sodass eine genaue Feuchtigkeitsanalyse von frisch zubereiteten Produkten möglich ist.

Diese Online-Messung kann nicht nur die Produktqualität verbessern, sondern gewährleistet auch eine sichere Produktionsumgebung.

Einsparung von Energiekosten bei der Sandtrocknung

Der Feuchtigkeitsgehalt von Sand ist ein kritischer Qualitätsparameter, der bei der Entwicklung von Baustoffen (Putz, Mörtel, Beton und andere) verwendet wird. Die meisten Produktionsunternehmen lagern ihren Sand im Freien und sind der Witterung ausgesetzt, was bedeutet, dass der Feuchtigkeitsgehalt im Rohmaterial erheblich variieren kann. Wenn es dann an der Zeit ist, den Sand in der Produktion zu verwenden, lassen sie das Produkt durch leistungsstarke Trockner laufen.

Unternehmen, die den Feuchtigkeitsgehalt des Sandes vor oder nach dem Betreten des Ofens nicht kennen, können unwissentlich und unnötig höhere Energiekosten in die Höhe treiben. Daher kann die prozessinterne NIR dazu beitragen, den ROI für Sandproduzenten und andere Hersteller von Schüttgütern, die ähnliche Trocknungsprozesse vor der Produktion anwenden, zu steigern.

Erstens hilft die Installation eines Online-NIR-Feuchtemessgeräts an einem Förderband für eingehenden Sand dem Bediener dabei, den Feuchtigkeitsgehalt vor dem Trocknungsprozess abzuschätzen. Wenn am Verarbeitungsstandort eine lange Zeit trockenes Wetter herrschte oder der Sand aus einem neuen Bunker transportiert wird, könnte der ankommende Sand einen niedrigeren Feuchtigkeitsgehalt aufweisen. Somit kann der Bediener die Ofentemperatur anpassen, um den Energieverbrauch zu senken. Echtzeitdaten von einem Online-NIR-Analysator machen diese Entscheidung einfach.

Um den Qualitätskreislauf zu schließen, installieren einige Sandhersteller dann einen Online-NIR-Analysator am Ausgang des Trockners, um die richtige Feuchtigkeit sicherzustellen, oder leiten den Sand möglicherweise wieder durch den Trockner zurück, wenn zu viel Feuchtigkeit vorhanden ist. Das Unternehmen kann davon profitieren, seinen Kunden Produkte von höchster Qualität zu garantieren, und allein die Energieeinsparungen, die durch diese Technologien erzielt werden, können sich die Systeme schnell amortisieren.

Beispiele für Online-Feuchtigkeitsanalysen in der Lebensmittelproduktion

Feuchtigkeits- und Fettkontrolle von chargenweise hergestellten Snacks

Im Kessel gekochte Kartoffelchips sind bei Snack-Food-Verbrauchern beliebt und vor allem für ihre besonders knusprige Textur im Vergleich zu herkömmlichen gebratenen Kartoffelchips bekannt. Daher ist die Kontrolle des Feuchtigkeits- und Fettgehalts wichtig für die Produktqualität, nicht nur für Textur und Geschmack, sondern auch für übermäßige Feuchtigkeit und Fett können zu Schimmelbildung in der Produktverpackung führen.

Bei diesem Produktionsprozess werden Kartoffelchips in einzelnen Kesseln gebraten und durch ein Förderband geleitet. Das Produkt verlässt den Kessel in unregelmäßigen Abständen, wobei es sich bis zu einem Höchstwert ansammelt und allmählich abnimmt, wenn sich der Kessel leert. Das bedeutet, dass es zu bestimmten Zeiten zu einer ungleichmäßigen Produktbetttiefe kommen würde.

Um dieses Problem zu lösen, ermittelte der Anwendungstechniker gemeinsam mit dem Anwender die ungefähre ideale Höhe (250 mm (~10 Zoll über dem Produkt)) und die ideale Position auf dem Förderband, um das Analysegerät für eine repräsentative Messung zu positionieren (Abbildung 2). Erst nach sorgfältigen Tests wurde diese ideale Höhe des Analysators erreicht.

Die Ausstattung des Sensors mit einem Luftkühlungszubehör ermöglichte auch einen sorgenfreien Betrieb an einem heißen und feuchten Betriebsort. Jetzt kann der Hersteller von Kartoffelchips auch ohne kontinuierlichen Produktfluss genaue Messwerte über den Feuchtigkeits- und Fettgehalt seiner Kartoffelchips erhalten.

Feuchtigkeits- und Fettanalyse vor und nach dem Backen

Hersteller von Crackern in großen Mengen formen ihre Produkte oft vor dem Backen zu langen Teigblättern. Sie verwenden bereits die NIR-Technologie in der Produktionslinie für gelegentliche Probenanalysen auf Feuchtigkeit und Fettgehalt. Angesichts der Menge der Produkte, die sie mit konstanter Geschwindigkeit herstellen, wurde jedoch eine prozessinterne Methode zur Kontrolle dieser Parameter notwendig, um die Kosten zu kontrollieren und die Konsistenz des Endprodukts zu verbessern.

Ihre anfängliche Priorität bestand darin, den Feuchtigkeits- und Fettgehalt des gemischten Crackerteigs beim Verlassen der Teigmaschine zu beurteilen. Bei dieser Installation half ein statisches Online-NIR-Feuchtemessgerät, das am Ausgang der Teigausrollmaschine angebracht war, dabei, die repräsentativen Messwerte zu liefern, die sie zur Bestimmung der Teigqualität vor dem Backen benötigten (Abbildung 3).

Wenn die Produkte den Ofen verlassen, scannt der am Rahmen befestigte Analysator kontinuierlich die gesamte Breite des Ofenausgangs auf den Feuchtigkeitsgehalt des Produkts. Auf dem Display konnte der Bediener feststellen, ob ein bestimmter Bereich des Ofens zu heiß oder zu kalt lief, und bei Bedarf Korrekturen vornehmen.

Online-NIR ermöglicht Feuchtigkeitsanalysen überall dort, wo es darauf ankommt

Die Flexibilität, Kompaktheit und das unkomplizierte Design machen Online-NIR-Technologien zu einer hervorragenden Methode für Industrieprodukte und Küchenmaschinen, um Feuchtigkeit in kritischen Phasen ihres Prozesses zu analysieren. Da die wichtigsten Voraussetzungen für eine erfolgreiche Installation immer im Vordergrund des Prozesses stehen — und die Zusammenarbeit mit einem seriösen Technologieanbieter — entstehen ständig neue Einsatzmöglichkeiten und neuartige Anwendungen für die Technologie.