Intelligente, Sensor-gestützte Qualitätskontrolle bei Lebensmittelverpackungen im Bereich Aseptic Food

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1 Intelligente, Sensor-gestützte Qualitätskontrolle bei Lebensmittelverpackungen im Bereich Aseptic Food J. Oberländer, P. Kirchner, S. Reisert, Prof. Dr. M.J. Schöning Institut für Nano- und Biotechnologien, FH Aachen, Campus Jülich

2 Agenda Institut für Nano- und Biotechnologien Motivation/Hintergrund Aseptische Prozesse in der Lebensmittelindustrie Verpackungssterilisation Validierung der Verpackungssterilisation Gassensoren zur Überwachung des Sterilisationsprozesses Prinzip kalorimetrischer Gassensoren Prozessierung kalorimetrischer Gassensoren Drahtloses Inline-Messsystem Inline-Messung zur Optimierung der Verpackungssterilisation Zusammenfassung & Ausblick

3 Aseptische Prozesse in der Lebensmittelindustrie Aseptisches Verpacken: Rekontaminationsfreie Abfüllung sterilisierter Produkte (Lebensmittel) in sterilisierte Verpackungen (VDMA-Fachverbandsschrift 2010) Elopak Anlagensterilisation Aseptik-Kammer (Sterilbereich) Unsterile Verpackung Unsteriles Produkt Verpackungssterilisation Produktsterilisation Keimfreie Abfüllung Hermetische Versiegelung Steril verpacktes Produkt

4 Verpackungssterilisation Notwendigkeit der Verpackungssterilisation Abtötung pathogener Mikroorganismen Inhibierung von Lebensmittelverderbern Steigerung der Konsumentensicherheit Lange Lebensmittelhaltbarkeit Verpackungssterilisation mit gasförmigem Wasserstoffperoxid Gastemperatur: bis 300 C H 2 O 2 -Konzentration: bis 8 Vol.-% Sterilisationszeit: < 2 sek. Mikrobizide Wirksamkeit Umweltschonende Sterilisation H 2 O 2 -Molekül B. atrophaeus Spore SIG Combibloc

5 Validierung der Verpackungssterilisation

6 Test Verpackung Validierung der Verpackungssterilisation Keimreduktion Testverpackung werden mit resistenten Sporen (z.b. B. atrophaeus) beimpft Durchführung der Verpackungssterilisation Nährmedium zur Ermittlung der Anzahl keimbildender Sporen Logarithmische Abtötungsrate (Log-Rate) als Maß für die Sterilität Bestimmung der Log-Rate: Ausgangskeimbelastung: 10 6 Sporen/Packung Sporen Reduktion von 10 6 auf 10 1 = Log-Rate 5 Testkeime: B. atrophaeus Sporen

7 Test Verpackung Validierung der Verpackungssterilisation Testkeime: B. atrophaeus Sporen Inkubation Auszählung Nachteile der Methode Zeitintensiv (>24 h) Hoher Kostenaufwand Unterliegt statistischen Schwankungen Hohe Anzahl an Testverpackungen Sensor zur Prozessüberwachung

8 Agenda Institut für Nano- und Biotechnologien Motivation/Hintergrund Aseptische Prozesse in der Lebensmittelindustrie Verpackungssterilisation Validierung der Verpackungssterilisation Gassensoren zur Überwachung des Sterilisationsprozesses Prinzip kalorimetrischer Gassensoren Prozessierung kalorimetrischer Gassensoren Drahtloses Inline-Messsystem Inline-Messung zur Optimierung der Verpackungssterilisation Zusammenfassung & Ausblick

9 Prinzip kalorimetrischer Gassensoren Hohe katalytische Aktivität Poröse Oberfläche (MnO 2, Pt, Pd) Chemisch inert Temperaturstabil Hydrophobe Eigenschaften

10 H 2 O 2 -Gassensoren zur Prozessüberwachung Durchmesser: 15 mm Makroskopischer Sensor (1. Generation) Validierung der H 2 O 2 -Gasdüsen/Verdampfer H 2 O 2 -Messung innerhalb der Aseptik-Kammer Inline-Messungen nicht möglich Differenzanordnung auf Chip-Ebene (2. Generation) Einsatz von Dünnschicht-Technologien Miniaturisierte Bauform Kleinserien auf Wafer-Level Erstmalige H 2 O 2 -Gasdetektion in Verpackungen Kantenlänge: 10x10 mm 2 Kantenlänge: 8x8 mm 2 Flexibler Polyimid-basierte Gassensor (3. Generation) Optimierte Sensoreigenschaften Verbesserte Implementierbarkeit in Lebensmittelverpackungen

11 Prozessierung von flexiblen kalorimetrischen Gassensoren PVD Wafer Wafer Polyimid-Folie 25 µm Silizium-Wafer Strukturierung 200 nm Platin Spin-coating 8 mm Wafer SU-8 Passivierung Katalytische Aktivierung (MnO 2, Pt, Pd)

12 Übersicht der Sensoreigenschaften Sensor Sensitivität ( C/Vol.-%) Ansprechzeit (sek.) Inline- Anwendung Makroskopischer Sensor (1. Generation) Sensor auf Chip-Ebene (2. Generation) Flexibler Polyimid-basierter Sensor (3. Generation) 5,1 20 Nein 2,7 6,7 Ja 7,1 3,8 Ja

13 Inline-Prozessüberwachung

14 Drahtloses Inline-Messsystem Kalorimetrischer Gassensor Empfänger Messwert-Ausgabe Aktiv Passiv LabVIEW-Programm Sensorschnittstelle Transmitter Kommunikationseinheit USB-Schnittstelle Kommunikationseinheit PSoC-Mikrocontroller XBee-Schnittstelle XBee-Schnittstelle Stromversorgung XBee-RF-Modul mit integrierter Antenne XBee-RF-Modul mit integrierter Antenne

15 Drahtloses Inline-Messsystem Verpackung mit Sensor Verpackung mit Sendeinheit

16 Agenda Institut für Nano- und Biotechnologien Motivation/Hintergrund Aseptische Prozesse in der Lebensmittelindustrie Verpackungssterilisation Validierung der Verpackungssterilisation Gassensoren zur Überwachung des Sterilisationsprozesses Prinzip kalorimetrischer Gassensoren Prozessierung kalorimetrischer Gassensoren Drahtloses Inline-Messsystem Inline-Messung zur Optimierung der Verpackungssterilisation Zusammenfassung & Ausblick

17 Zusammenfassung & Ausblick Aseptische Prozesse in der Lebensmittelindustrie Verpackungssterilisation mit gasförmigem Wasserstoffperoxid Keimreduktion als Validierungsmethode des Sterilisationsprozesses Kalorimetrische Gassensoren Detektion von gasförmigem H 2 O 2 im Sterilisationsprozess Prozessierung von kalorimetrischen Gassensoren mittels Dünnschicht-Technologien Flexibles Sensorsubstrat zur Optimierung der Sensoreigenschaften Drahtloses Inline-Messsystem Implementierung der Sensoren in Lebensmittelverpackungen Prototyp zur Inline-Detektion der H 2 O 2 -Konzentration unter Einsatz drahtloser Sensortechnik Inline-Messung zur Optimierung der Verpackungssterilisation Miniaturisierung der drahtlosen Sensorankopplung

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kooperationspartner