Smart sensor for innovative industrial food process control

En hovedutfordring for næringsmiddelindustrien er å håndtere stor råvarevariasjon på en måte som gjør at man oppnår jevn og god sluttkvalitet og minimalt med svinn. En måte å gjøre dette på er å bruke on-line sensorer som måler den relevante kvalitetsvariasjonen slik at råvarene kan prosesseres på best mulig måte. I dette prosjektet utvikler vi et sensorsystem som kan brukes til on-line ikke-destruktiv måling i utfordrende prosesser der det per i dag ikke finnes gode løsninger for prosesskontroll. Systemet som utvikles vil være basert på nær-infrarød spektroskopi og vil kunne måle en rekke ulike kvalitetsegenskaper i mat. I dette prosjektet konsentrerer vi oss om måling av kjernetemperatur i varmebehandlede kjøttprodukter, fett i hel laks samt tørrstoff i hele poteter. En hovedutfordring for alle disse anvendelsene er at det er nødvendig å kunne måle dypt inn i hvert eneste produkt, få gode målesignaler, samtidig som produktene beveger seg i høy hastighet på en prosesslinje. De deltakende bedriftene er Nortura (varmebehandlede pølser), Cermaq (laks), Findus (poteter) og TOMRA Sorting Solutions som er leverandør av måleteknikk. SINTEF Digital er med på utvikling av gode og robuste optiske løsninger, Nofima er med på å kalibrere og tilpasse instrumentet til de ulike anvendelsene. Prosjektet startet vårparten i 2016 og har fulgt tidsplan. Forskerteamet har besøkt alle bedrifter og fått et godt innblikk i de aktuelle prosessene og kartlagt de største utfordringene og mulighetene. Alle matbedrifter har laget kravspesifikasjoner til instrumentet; det vil si: hvor i prosessen må det stå, hva er hastigheten på produktene, hvor dypt inn i produktene er det nødvendig å måle, hvilken størrelsesvariasjon på produktene må påregnes etc. Viktige parametere som er med på å bestemme hvordan instrumentet skal lages både optisk og mekanisk. TOMRA har bidratt med optiske komponenter og SINTEF Digital laget høsten 2016 en første lab-prototype (Prototype I) som var spesielt designet for effektivt å finne frem til optimale innstillinger av belysning og detektor for de ulike produkter. Nofima gjorde systematiske målinger på alle produkter med denne prototypen. Vi oppnådde meget gode kalibreringer med bra nøyaktighet for måling av tørrstoff i potet, fett i hel laks og kjernetemperatur i pølser. Målingene gjøres raskt og uten noen form for kontakt. Basert på disse analysene har SINTEF utviklet en industriell prototype basert på nyutviklede optiske komponenter fra TOMRA. Den nye prototypen, som er svært nær noe som vil kunne brukes industrielt, inkluderer de viktigste egenskapene vi etterstreber: - Målinger gjøres uten kontakt med prøvene, en avstand på ca 20 cm. - Målingene går meget hurtig, rundt 50 målinger i sekundet. - Systemet har tilstrekkelig spektral oppløsning for de ulike anvendelser. - Instrumentet er bygget inn i en vanntett beholder som gjør det mulig å teste det ut i industrielle prosesser. Instrumentet er kalibrert for fett i hel laks, kjernetemperatur i pølser og tørrstoff i hele poteter. Vi kan måle fettinnhold i laks med en nøyaktighet på ca ±1.2 %-poeng, kjernetemperatur i grillpølser med en nøyaktighet på ca ±1.2°C og tørrstoff i potet med en nøyaktighet på ±1.0 %-poeng. Dette er en nøyaktighet som er god nok for å gi nytteverdi hos bedriftene. Instrumentet er testet ut under industrielle forhold hos alle matbedrifter. Resultatene viser at instrumentet vil egne seg godt til industriell måling av fett og tørrstoff i hhv hele laks og hele poteter. Det kan også brukes til kontinuerlig måling av kjernetemperatur i pølser under varmebehandling, men dette er en mer kompleks måling som blant annet forstyrres av damp. Forretningsideer for hvordan instrumentet kan anvendes til prosessoptimering er utviklet.

The prototype instrument works well and has been successfully demonstrated in process. There are needs in the food industry for such an instrument, to monitor food quality and control production processes. There are ongoing initiatives with the aim of commercializing the instrumentation for different food process applications. When a commercial instrument is in place we can anticipate improved utilization of food raw materials, less food loss and more profitable production. The process analytical methodology is generic, and the instruments, methods and competence gained in this project can be used in several other food industries. Success in the chosen project cases (salmon, potatoes and sausages) will inspire other food companies to improve their own processes, resulting in a more sustainable and competitive food industry. The prototype instrument has already been adapted to measure critical quality features on certain types of seafood that was not part of the actual project.

A great challenge in food processing is how to cope with the huge heterogeneity and quality variation in raw materials in a way that ensures high and stable end quality and a minimum of waste. One approach is to use on-line sensors to measure the essential variation so that optimal processing is possible. This project will develop an online and non-invasive quality-measurement solution for challenging industrial food processes, where no solutions for real-time control exist today. Such a system will give the food industry a range of novel opportunities for process control. We will focus on three selected cases: -Continuous monitoring of core temperature in heat-treated foods. -On-line determination of dry matter in whole and processed potatoes -On-line determination of fat content in whole salmon Sources for value creation will be: -On-line and non-contact measurement of core temperature gives a completely new possibility to control the heat treatment process of foods. The process can be tuned so that the core temperature reaches the critical level for safety, and at the same time optimize end quality and reduce cooking loss. -Continuous determination of dry matter in potatoes enables sorting of raw material to different applications and for optimal process control, resulting in stable quality and reduced waste. -Determination of fat content in every single salmon enables sorting to different markets and retail, which will ensure added value and full utilization of the raw material variability. The instrument will be based on near-infrared spectroscopy and the main challenges will be to obtain sufficiently good optical signals from the interior of the samples. The light also has to penetrate outer layers such as crust and skin. The system must be designed to work on-line in typical process conditions, and much of the work will be done in the process lines. Novel process control concepts will be developed based on the results.