Contactloze temperatuursmeting bij industriële vriesprocessen

Onderzoekers aan de VUB ontwikkelden een technologie om op een niet-destructieve wijze in voedingsmiddelen te kijken. De technologie zou uitermate geschikt zijn voor het opvolgen van industriële vriesprocessen, zelfs on-line. Zo zou het mogelijk zijn om contactloos het tijdstip te bepalen waarbij een product voor 100% ingevroren is en zelfs om de temperatuur binnen voedingsmiddelen op te meten.

De onderzoekers van het departement ETRO slaagden erin om met millimetergolven op een contactloze manier in voeding te kijken en dit met een sensorconfiguratie die tot 1 miljoen keer gevoeliger kan zijn dan voorheen mogelijk. Dit zet de deur open naar een heel scala van nieuwe toepassingen, onder andere voor het opvolgen van industriële vriesprocessen.

Is mijn product volledig bevroren?

Bij een invriesproces is het vaak de vraag of ook de kern van het product is ingevroren. Vandaag de dag wordt dit op een manuele en destructieve manier getest. Men neemt het product van de band, snijdt het doormidden, doet een visuele inspectie en meet de kerntemperatuur. Met millimetergolfsensoren kan dit op een automatische en snelle manier.

Millimetergolven hebben een zeer sterke interactie met water. Vrije watermoleculen worden gepolariseerd door de invallende golven en absorberen ze dan.  Bij invriezen tot ijs verliest het water zijn polair karakter, waardoor de golven niet meer geabsorbeerd worden.  Deze faseovergang is zeer nauwkeurig te meten. (Figuur 1a en 1b)

Figuur 1: Signaalverandering van product met 60% water in functie van het resterende percentage water dat nog niet is bevroren. Het totale signaal, bestaat uit transmissie (OT) en reflectie (OR). (a) 4 mm dik voedingsproduct. (b) 40 mm dik voedingsproduct.

Voor dunne samples  (bvb 4 mm) zal in de eerste helft van het invriesproces (voor vloeibare concentraties > 50%) het transmissiesignaal (OT) praktisch nul zijn. In de tweede helft van het vriesproces zal OT vrij monotoon gaan stijgen tot praktisch 100%. Bijgevolg kan de eindfase van het vriesproces zeer goed in kaart gebracht worden. (Figuur 1a)
Voor dikkere samples (bvb 40 mm) zal voor het grootste deel van het invriesproces enkel een reflectiesignaal (OR) worden gemeten van om en bij de 30%. Tegen het einde zal dit reflectiesignaal flink dalen en het transmissiesignaal heel sterk stijgen. (Figuur 1b)

Wat is de temperatuur van mijn ingevroren product?

Voor de optimalisatie van een diepvriesproces is de interne temperatuur van het product belangrijk. Deze kan ook gemeten worden met behulp van milimetergolfsensoren. Daar de respons afhangt van de hoeveelheid vocht, wordt het ook mogelijk de hoeveelheid vocht te bepalen zowel in de bevroren als in de ontdooide toestand. (Figuur 2)

Figuur 2: Signaalverandering van een bevroren product in functie van de temperatuur voor twee verschillende hoeveelheden water in het voedingsproduct (100% en 60%).

Modelproducten

De technologie leent zich uitstekend voor vlakke en uniforme producten, zoals bijvoorbeeld hamburgers. Oneffen en onregelmatige oppervlakken zijn moeilijker te meten.

Integratie in de productielijn?

Vandaag de dag is het mogelijk met commerciëel beschikbare componenten een sensorsysteem te bouwen dat kan geïntegreerd worden in een diepvrieslijn. De total opstelling is ongeveer 50cm hoog en heeft geen extreme eisen naar plaatsing. (Figuur 3)
De meting zelf gebeurt zeer snel, slechts een fractie van een seconde, waardoor een continue on-line meting mogelijk is.

Figuur 3: (links) Prototype van een mm-golfsensoropstelling. (rechts) Schematische voorstelling van integratie in een productielijn.

Potentieel

Vriezen en diepvriezen zijn energieverslindende processen. Bestaande meettechnieken laten geen nauwkeurige en continue opvolging van de vriesprocessen toe. Om op veilig te spelen worden de producten vandaag de dag vaak harder ingevroren dan nodig.  Een sensorconfiguratie met millimetergolven biedt continue meetgegevens over de staat van het vriesproces, waardoor optimalisatie mogelijk is. Zo zou de snelheid van de band van een diepvriestunnel automatisch kunnen worden bijgestuurd. Er kan dus bespaard worden op vriestijd en energie.

Naast informatie over het vriesproces zal er ook een waarschuwing worden gegeven indien de productsamenstelling verandert, bijvoorbeeld door een vergissing in de dosering van ingrediënten.
Wanneer een millimetergolf doorheen een product gaat, gaat het in interactie met dit product en genereert zo een kenmerkend signaal.  Bij afwijkingen in het product, bijvoorbeeld door vergissing bij ingrediënten, zal het opgemeten signaal verschillend zijn van het 'standaard signaal'.  De sensor geeft zo een snelle waarschuwing dat er iets veranderd is, zonder echter de oorzaak voor de verandering te kunnen aanduiden.

Meer info? Interesse?

De VUB heeft binnen de oproep voor Flanders'FOOD projecten het projectvoorstel 'FREEZE' - Contactloze milimetergolfsensoren voor opvolging van industriële vriesprocessen ingediend. De doelstelling van het voorstel is het bouwen en uittesten van sensoren voor de volgende scenario's:

• Tijdstip bepalen waarbij een product voor 100% ingevroren is
• De temperatuur van een ingevroren product bepalen in functie van tijd en locatie in een installatie.

Meer info kan u terecht bij prof. Johan Stiens. Indien u interesse heeft om deel te nemen aan dit project, dan kan u dit nog tot 1 juni aangeven op www.flandersfoodprojecten.com/interesse, project #20.