Bildverarbeitung

Hyperspektrale Bildverarbeitung: Inspektion inline statt im Labor

Quantitative Chemical Imaging in Lebensmittelinspektion und Kunststoffrecycling

15.03.2021 - Moderne Produktionsstätten auf der ganzen Welt bemühen sich um eine zuverlässige Qualitätskontrolle ihrer eingehenden und ausgehenden Produkte. Die Optimierung der Produktion wird daher für Branchen wie der Nahrungsmittel- und ­Recyclingindustrie immer wichtiger, um mit ihren Waren am Markt ­konkurrenzfähig zu bleiben. Die Hyperspektrale Bildverarbeitung ist dabei ein Verfahren, dass sich für eine 100-prozentige Inspektion innerhalb der Produktionslinie eignet und zugleich auch Werkstoffeigenschaften erkennt, an der sonstige Bildverarbeitungsmethoden scheitern würden.

Viele Methoden zur Qualitätskontrolle in der Lebensmittel-, Chemie- und Pharmaindustrie, aber auch im Rahmen der Verwertung von Ersatzbrennstoffen (EBS) und Sekundärrohstoffen in der Recyclingindustrie basieren auf den Ergebnissen von Laboratorien, die über hochpräzise Messgeräte und Methoden verfügen. Mit diesen lässt sich jedoch oft aufgrund zu weniger Stichproben keine qualifizierte Aussage über den gesamten Produktstrom treffen. Diese Vorgehensweise entspricht daher in keinster Weise den Qualitäts- und Sicherheitsstandards der heutigen Zeit.
Qualitätskontrolle in der Geflügelverarbeitung
Nehmen wir ein Beispiel aus der Lebensmittelindustrie: In der Geflügelverarbeitung tritt der sogenannte Wooden-Breast-Defect auf. Heutzutage müssen MitarbeiterInnen in der
Qualitätskontrolle bei Hühnerfleisch-verarbeitenden Betrieben durch händisches Ertasten des Fleisches erkennen, ob dieser Defekt vorliegt. Neue, mit dem Steuerungssystem der Anlage verbundene Sensortechnologien – wie beispielsweise Hyperspectral Imaging – erkennen in Sekundenbruchteilen noch auf dem Förderband, ob das Hühnerfleisch für den Verzehr geeignet ist und entscheiden damit über die Weiterverarbeitung des Produkts. Im Gegensatz zur händischen Kontrolle können hier weit höhere Qualitäts- und Sicherheitsstandards für VerbraucherInnen garantiert werden. Zusätzlich spart das Unternehmen durch eine gewinnbringende Weiterverwendung des Produkts Zeit und Geld.

Was ist Hyperspectral Imaging?

Die Hyperspectral-Imaging-Technologie, die im Fokus dieser neuartigen Qualitätskon­trolle steht, kommt aus der Raumfahrt und kommt auch beim Erforschen ferner Galaxien zum Einsatz. Dabei wird nicht die eigentliche Farbe erkannt, sondern die chemische Struktur des Materials, indem das reflektierte Licht und seine Wellenlänge beobachtet werden. Daher lässt sich so die chemische Zusammensetzung eines Materials messen.
Hyperspectral Imaging beobachtet und klassifiziert die aufgenommenen Bilder. Danach werden sie in ein für das menschliche Auge sichtbares 24-Bit-RGB-Falschfarbenbild umgewandelt. Bei diesem Vorgang erhalten unterschiedliche Materialien unabhängig von ihrer wirklichen eine zuvor definierte Farbe, um sie klar unterscheiden zu können. Dabei bestimmt der Anwender Art und Qualität des Materials.
„So sehen wir bei EVK die Welt“,  erklärt Dr. Matthias ­Kerschhaggl, einer der Pioniere in der Forschung und Entwicklung dieser Technologie, mit einem Schmunzeln. „Wir machen die unsichtbare Chemie des betrachteten Materials sichtbar. Durch den optimierten Einsatz von Algorithmen und dem damit verbundenen ‚Machine-Learning‘ werden Entscheidungen für die Weiterverarbeitung unterschiedlichster Materialien in Echtzeit getroffen. Auf diese Weise kann der Produktstrom in einer Anlage mit der nötigen Präzision kontinuierlich überwacht und selbst kleine Abweichungen erfasst werden.“

Recycling vor thermischer Verwertung

Ein Beispiel aus der Recycling­industrie zeigt, dass auch die Umwelt von dieser neuen, ver­netzten Sensortechnologie profitiert. Die gut geplante und gesteuerte Abfallverarbeitung in Verbrennungsanlagen ermöglicht es einerseits, aus sogenannten Sekundärrohstoffen effizient Energie zu gewinnen und andererseits bietet das die Chance, die Umwelt zu schützen und den Ausstoß von CO2 durch das übermäßige Verbrennen von fossilen Brennstoffen zu reduzieren.
Die italienische Recyclingindustrie arbeitet hart an einer Lösung für die regionale Abfallwirtschaft in Städten wie Rom und Neapel. Verbrennungsanlagen im Norden Italiens, die den EU-Richtlinien entsprechen, wurden verpflichtet ihre Kapazitäten mit dem im restlichen Italien anfallenden Müll auszulasten. Fakt ist, Kunststoff und daraus gefertigte Waren als eines der Exportgüter Italiens machten im Jahr 2018 2,1 Prozent gemessen am italienischen BIP [1] aus. Das Abfallproblem birgt neben den nationalen Herausforderungen damit auch internationale Hürden, die es zu meistern gilt. Seit China mit seiner „National Sword Policy“ gravierend in die Recyclingstrukturen europäischer Länder eingreift und nur mehr die Einfuhr von sortenreinem Kunststoff zulässt, wird auch das Sortieren der polymeren Werkstoffe zu einem relevanten Faktor in Italien.
Zusätzlich schreibt das Kreislaufwirtschaftspaket den EU-Mitgliedsstaaten künftig verbindliche Quoten für die stoffliche Verwertung vor, also etwa die Wiederverwendung von Abfällen als Sekundärrohstoffe. Die Recyclingquote von Kunststoffverpackungen soll bis zum Jahr 2025 auf 55 Prozent steigen. Das bedeutet somit auch von Seiten der Politik, dass die verwerteten Stoffe wieder in Umlauf gebracht werden müssen. „Dabei ist zu bedenken, dass das Recycling einer PET-Flasche relativ einfach funktioniert, eine Wurstverpackung aus dem Supermarkt mit ihren unterschiedlichen Plastikverbindungen jedoch schon wesentlich schwerer wiederzuverwerten und für herkömmliche Recyclingverfahren ungeeignet ist [3]“, so einer der renommiertesten Spezialisten in der Forschung der Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft, Prof. Dr. mont. Roland Pomberger von der Montanuniversität in Leoben, Österreich.
Hier können wiederum Technologien wie die industrielle Bildverarbeitung und vor allem Hyperspectral Imaging Abhilfe schaffen. Wenngleich auch Italien in vielen Bereichen die Recyclingziele für Verpackungen bereits erreicht hat, hinkt es beim Recycling von Kunststoff mit 41 Prozent hinterher. Auch hier kann Hyperspectral Imaging und das Vernetzen moderner datengestützter Auswertesysteme einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die Umwelt sauberer zu halten und die Verschmutzung der Meere mit nicht ­wiederverwendetem Kunststoff einzudämmen.

Quellen

[1] https://wko.at/statistik/laenderprofile/lp-italien.pdf, 20. August 2019
[2] http://www.worldstopexports.com/top-european-export-countries/, 28. August 2019
[3] Interview mit Prof. Pomberger entnommen aus dem Wirtschaftsmagazin Spirit of Styria, Ausgabe Juli 2019

Autor

Alexander Fetz, Marketing & Sales Manager

Contact

EVK DI Kerschhaggl GmbH

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