Blauschimmelkäse muss sowohl im Sinne der Geruchsminderung als auch der Mindesthaltbarkeit luftdicht verpackt werden.

Bild: iStock, coldsnowstorm

Hyperspektral-Bildverarbeitung Käse luftdicht verpacken

20.03.2019

Die Privatkäserei Bergader vertraut bei der Herstellung ihrer Käsespezialitäten neben traditionellem Handwerk auch auf moderne Technik. Bei der Verpackung der Blauschimmelkäsesorte Bergader Edelpilz kommt erstmals ein Hyperspektral-Bildverarbeitungssystem zum Einsatz.

Nicht nur für die Mindesthaltbarkeit, auch zur Geruchsminderung ist es unerlässlich, einen Blauschimmelkäse luftdicht zu verpacken. „Meines Wissens gibt es weltweit noch keine andere Anlage zur Lebensmittelproduktion, bei der ein hyperspektrales Bildverarbeitungssystem die Kontrolle der Siegelnaht an der Verpackung übernimmt und damit sicherstellt, dass jede einzelne Käsepackung den Anforderungen an die Dichtheit entspricht“, sagt Markus Leibold. Er ist als Gebietsverkaufsleiter von Minebea Intec, einem Hersteller von Wäge- und Inspektionslösungen und Lieferant des neuen Systems zur Siegelnahtinspektion, für die Betreuung von Bergader zuständig.

Leibold und das Entwicklungsteam von Minebea Intec aus Aachen waren von Anfang an dabei, als über eine vollautomatisierte Lösung für die Inspektion von Siegelnähten am Bergader-Firmensitz im bayerischen Waging am See nachgedacht wurde. Wichtig ist die korrekte Ausführung einer solchen Siegelnaht vor allem deshalb, weil nur mit einer absolut dichten Verpackung das errechnete Mindesthaltbarkeitsdatum der Lebensmittel erreicht werden kann. Schon kleinste Verunreinigungen oder Beschädigungen können zu undichten Verpackungen und damit zum Verderben der Lebensmittel führen. Unverkäufliche Produkte oder gar Rückrufaktionen könnten mögliche Folgen sein.

Erschwert wurde die Siegelnahtinspektion durch eine Vorgabe aus dem Marketing von Bergader: Die Verpackungen sollten im besten Fall auf der Oberseite vollständig bedruckt sein. Schnell wurde klar, dass konventionelle Vision-Systeme im sichtbaren Lichtspektrum aus diesem Grund nicht in Frage kamen und letztendlich nur die manuelle Inspektion mit all ihren Nachteilen bleiben würde.

Hyperspektral-Technik als Option

Um die genannten Risiken auszuschalten, suchten der bei Bergader für die technische Planung einer neuen Produktionsstraße zuständige Manuel Pichler gemeinsam mit Markus Leibold und dem Entwicklungsteam von Minebea Intec in Aachen nach einer geeigneten Technologie. Sie setzten dabei zunächst auf ein Röntgensystem, das in dieser Anlage bereits zur Erkennung von Fremdkörpern jeglicher Art eingeplant war. „Mit diesem System konnten wir Fehler an den Siegelnähten jedoch nicht zu 100 Prozent zuverlässig erkennen“, sagt Leibold.

Torsten Schmitz, Leiter für Röntgeninspektion bei Minebea Intec, erinnerte sich zu diesem Zeitpunkt an eine von Stemmer Imaging vorgenommende Schulung zur Hyperspektralanalyse und kontaktierte die Bildverarbeitungsspezialisten deshalb zu diesem Thema nochmals. Das Aachener Entwicklungsteam konzipierte daraufhin gemeinsam mit Stemmer Imaging die erste Anlage zur Siegelnahtprüfung auf Basis der Hyperspektralanalyse.

Vielversprechende Tests

Bereits kurze Zeit später erfolgten Vorort-Tests mit einem Bildverarbeitungssystem auf Basis einer FX17-Hyperspektralkamera des finnischen Herstellers Specim, die über Stemmer Imaging vertrieben werden. „Die Ergebnisse waren von Anfang an sehr vielversprechend und bestätigten schnell, dass diese Technologie für diese Anwendung perfekt geeignet ist“, freut sich Bergader-Ingenieur Pichler.

Die besondere Stärke dieser Hyperspektralsysteme – kurz HSI für Hyperspectral Imaging – ist ihre spektrale Auflösung: Mit Hilfe der Transmissionseigenschaften von langwelligem Licht können Verunreinigungen der Siegelnaht durch Käsekrümel oder andere Fremdkörper selbst durch bedruckte Kunststofffolien sicher detektiert werden. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass das überdeckende Kunststoffmaterial durchlässig für Licht im SWIR-Bereich ist. Die Siegelnahtprüfung bei Bergader stellt daher einen perfekten Anwendungsfall dar: Fehlstellen oder unerwünschte Stoffe werden durch die Siegelfolie hindurch zuverlässig identifiziert.

Ausgeklügeltes System

In der finalen Version des Systems ist neben der Hyperspektralkamera Specim FX17 der digitale Frame-Grabber-Dalsa-Xtium-CL-MX4 von Teledyne Dalsa zur Erfassung der HSI-Bilder im Einsatz. Eine Halogen-Zeilenbeleuchtung stellt die erforderlichen Wellenlängen in ausreichender Helligkeit zur Verfügung und trägt so dazu bei, dass die Specim FX17 ihre 12-Bit-Graustufen-Spektralbilder in der gewünschten Qualität aufnehmen kann. Das Kamerasystem inklusive der Zeilenbeleuchtung ist durch ein Edelstahlgehäuse geschützt, welches zum Transportband nach unter offen ist.

Die auf diese Weise aufgenommenen Spektralbilder werden zunächst an den eingesetzten Industrie-PC übertragen und dort auf der GPU von der Hyperspektral-Software Perception Park Studio vorverarbeitet. Im Anschluss daran speist der CVB-GigE-Server, ein Modul der Bildverarbeitungsbibliothek Common Vision Blox (CVB) von Stemmer Imaging, die vorverarbeiteten Daten in die Auswerte-Software Sherlock von Teledyne Dalsa ein, wo die weitere Auswertung erfolgt. Das Vision-System ist modular aufgebaut, da Sherlock Kamerabilder asynchron einziehen und Prozessoren mit mehreren Kernen nutzen kann.

Noch mehr Bildverarbeitung

Sherlock kommt jedoch noch an einer anderen Stelle der Gesamtanlage zum Einsatz: Hinter der Siegelnahtprüfung ist ein Röntgensystem zur Erkennung von Fremdkörpern jeglicher Art integriert, und direkt darauf folgt ein weiteres Bildverarbeitungssystem, mit dem zuvor aufgebrachte Etiketten auf jeder Käsepackung gelesen werden. Sherlock erkennt dort das aufgedruckte Mindesthaltbarkeitsdatum sowie eine in das Etikett integrierte Kennung.

Zur Erfassung der Bilder in diesem Anlagenteil hat Stemmer Imaging den Entwicklern von Bergader und Minebea Intec eine kompakte, monochrome Dalsa-Linea-Zeilenkamera mit Gigabit-Ethernet-Schnittstelle, einem Fujinon-Objektiv mit Filtern von Midopt, eine rote Balkenbeleuchtung und einen Adlink-Frame-Grabber empfohlen. Aufgrund der rauen Umgebung ist die Kamera dabei in einem Kameraschutzgehäuse installiert, und auch die Beleuchtung ist aufgrund der vorliegenden Bedingungen in einem eigenen Gehäuse untergebracht. Beide Schutzgehäuse haben die in der Lebensmittelindustrie wichtige FDA-Zulassung.

Mit der Siegelnahtkontrolle auf Basis der Hyperspektral-Technologie konnte die gewünschte Taktgeschwindigkeit von rund 145 Untersuchungen pro Minute erreicht und eine nahezu hundertprozentige Sicherheit bei der Erkennung von Siegelnahtfehlern erzielt werden.

Bildergalerie

  • Die im vorangegangenen Prozess geschnittenen Käseportionen werden in die Unterschalen der Verpackung eingelegt und danach mit einer Folie von oben versiegelt.

  • Eine Hyperspektralkamera, die mit den eingesetzten Halogenstrahlern in ein Edelstahlgehäuse integriert ist, nimmt Bilder der Käseverpackungen auf.

  • Schon kleinste Verunreinigungen oder Beschädigungen können zu undichten Verpackungen und damit zum Verderben des Käses führen.

  • Von links laufen die Käseverpackungen zur Prüfung durch das Hyperspektral- und das direkt anschließende Röntgensystem. Im Hintergrund werden fehlerfreie Verpackungen zur weiteren Verarbeitung transportiert.

  • Das HSI-System überprüft an bis zu 145 Käseverpackungen pro Minute, ob die Siegelnähte korrekt sind.

  • Im Anschluss an die Siegelnahtprüfung und das Röntgensystem liest ein Zeilenkamerasystem die Etiketten der Käsepackungen.

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