Como os sistemas de raio-X encontram contaminantes?

Os raios X são uma das várias fontes naturais de radiação e são uma forma invisível de radiação eletromagnética, como ondas de rádio.

Todos os tipos de radiação eletromagnética fazem parte de um único contínuo conhecido como Espectro Eletromagnético, que é organizado de acordo com frequência e comprimento de onda. Ela vai das ondas de rádio em uma extremidade (que têm comprimento de onda longo) até raios gama na outra (que têm comprimento de onda curto).

O curto comprimento de onda dos raios X permite que eles passem por materiais opacos à luz visível, mas não atravessam todos os materiais com a mesma facilidade. A transparência de um material para os raios-x está amplamente relacionada à sua densidade — quanto mais denso o material, menos raios-x passam por ele. Contaminantes ocultos, incluindo vidro, osso calcificado e metal, aparecem porque absorvem mais raios-x do que o produto ao redor.

Em termos simples, um sistema de raios-X utiliza um gerador de raios-X para projetar um feixe de raios-x de baixa energia em um sensor ou detector.

A inspeção por raios X envolve passar um produto ou pacote pelo feixe de raios X antes que ele chegue ao detector. A quantidade de energia de raios X absorvida durante a passagem do feixe por um produto é afetada pela espessura, densidade e número atômico do produto.

Quando o produto passa pelo feixe de raios X, apenas a energia residual chega ao detector. A medição das diferenças de absorção entre o produto e um contaminante é a base da detecção de corpos estranhos na inspeção por raios X.

Existem três componentes principais em um sistema de inspeção por raios X:

• Um gerador de raios-x
• Um detector
• Um painel de controle

O feixe de raios X é gerado por um tubo de raios X encapsulado no gerador de raios X. Ele sai por uma janela de saída e viaja em linha reta através de um colimador (um dispositivo para estreitar o fluxo de raios-x para um feixe de leque menor). O feixe de raios X então passa pelo produto ou embalagem que está sendo inspecionado, antes de finalmente alcançar o detector. Ao alcançar o detector, os diodos convertem o nível de luz do feixe em um sinal elétrico, que é enviado de volta para o painel de controle. O painel de controle então cria uma imagem de raio-x em 'escala de cinza' que é inspecionada e analisada por um software de raio-x, que então determina se aceita ou rejeita o produto inspecionado.

O gerador de raios X contém um tubo de raios X que gera um feixe de raios X.

Os tubos modernos de raios X consistem em um envelope de vidro, um cátodo filamentoso, um ânodo de cobre e um alvo de tungstênio. O cátodo, que é a fonte dos elétrons (elétons), é um filamento de tungstênio aquecido até a incandescência por uma corrente elétrica. Os elétrons são acelerados até o alvo aplicando uma alta tensão entre o ânodo e o cátodo. Quando os elétrons atingem o alvo de tungstênio montado dentro do ânodo de cobre, eles desaceleram rapidamente e essa desaceleração cria as emissões de raios X.

Existem dois tipos de tubo de raio-x usados para inspeção de alimentos e farmacêuticos. A diferença está no material de filtração usado para o feixe de raios X. Isso pode ser um filtro de vidro/alumínio (mais comum) ou, alternativamente, um filtro de berílio. A filtração com berílio permite contraste de imagem aprimorado e sensibilidade a contaminantes de menor densidade, como vidro, pedra e osso, porém os benefícios se limitam a embalagens mais finas e produtos de fluxo a granel.

Escolher o sistema certo é fundamental para o sucesso da inspeção por raios X, pois os sistemas não conseguem detectar contaminantes de forma ideal a menos que cada elemento, desde o ângulo do feixe até o mecanismo de rejeição, tenha sido escolhido para melhor se adequar à aplicação. Os sistemas de raios X se dividem em três categorias: feixe vertical, feixe horizontal e sistemas que são uma combinação dos dois.

A maioria dos sistemas de raios X utiliza um feixe vertical de raios-x do gerador para escanear o produto enquanto ele passa pelo sistema de raios X. Bens de consumo de alta velocidade geralmente têm menor profundidade do que largura e comprimento, então inspecioná-los através da seção transversal vertical, onde há menor profundidade do produto, proporciona a melhor sensibilidade. Máquinas para embalagens seladas, incluindo produtos em enrolamentos de fluxo, bolsas, caixas ou bandejas compostas, tendem a ter sistemas de feixe vertical.

Sistemas horizontais utilizam um gerador de raios-x montado lateralmente para escanear os produtos que passam pela esteira e são usados principalmente para produtos embalados que são mais altos do que largos. Como um fator chave na sensibilidade da detecção é a profundidade do produto que os raios-x precisam atravessar, sistemas horizontais geralmente oferecem melhor detecção para esses produtos, pois podem escanear a lateral dos recipientes.

Um sistema de inspeção por raio-x é essencialmente um dispositivo de varredura. Quando um produto passa pelo sistema em velocidade constante, sensores internos capturam uma imagem em 'escala de cinza' do produto, gerada medindo a quantidade de energia de raios X que chega ao detector.

Cada imagem é composta por pixels e cada pixel tem um valor para denotar um valor em escala de cinza (de preto 0 a branco 255). À medida que o produto ou pacote passa sobre o detector, cada linha de dados em nível de cinza é reconstruída para fornecer uma imagem completa do produto.

O software dentro do sistema de raio-x analisa a imagem e a compara com um padrão aceitável pré-determinado. Com base nessa comparação, o sistema aceita ou rejeita a imagem e, no caso da rejeição, o software envia um sinal para um sistema automático de rejeição, que então remove o produto da linha de produção.

Os diodos (elementos individuais do detector) estão disponíveis em diferentes tamanhos para fornecer uma resolução de imagem distinta. Diodos menores exigem níveis mais altos de miliamperes (mA) para manter a qualidade da imagem, então isso costuma ser um compromisso nessa área.

Uma das principais razões pelas quais a inspeção por raios X está rapidamente se tornando uma característica comum nas indústrias alimentícia e farmacêutica em todo o mundo é porque uma ampla gama de contaminantes físicos (tanto metálicos quanto não metálicos) absorve mais raios-x do que o produto ao redor e, portanto, aparece claramente em uma imagem de raio-x.

A detecção de contaminação está diretamente relacionada à densidade do produto e ao contaminante. A maioria dos produtos alimentícios tem densidade semelhante à da água, que possui Gravidade Específica (SG) de 1,0. Como regra geral, se um contaminante potencial flutuar na água, provavelmente será difícil detectá-lo por meio da inspeção por raio-x.

A inspeção por raios X tem a capacidade de detectar muitos contaminantes, incluindo vidro, pedra mineral, osso calcificado e compostos plásticos e de borracha de alta densidade. O formato, tamanho e localização de um contaminante dentro de um produto ou o tipo de embalagem utilizada podem impactar os níveis de sensibilidade. A inspeção por raios X também oferece níveis excepcionais de detecção para aço inoxidável e metais ferrosos e não ferrosos, mesmo em produtos embalados em latas, filme metalizado ou folha metálica.

Sistemas de raios X podem ser usados para detectar contaminantes em várias etapas do processo de produção, em uma variedade de aplicações, desde produtos brutos em fluxo a granel até refeições prontas embaladas, e produtos bombeados por um oleoduto para produtos em potes de vidro, garrafas ou latas de metal.

Sistemas de raios X podem detectar contaminantes de vários tamanhos, e a probabilidade de detecção varia dependendo de vários fatores, incluindo espessura, homogeneidade, densidade e tamanho dos produtos. Por exemplo, sistemas de inspeção por raios X frequentemente apresentam taxas de detecção melhores com produtos homogêneos, como queijo, pois criam imagens mais nítidas, em comparação com produtos não homogêneos, como uma caixa de cereais com vários componentes de densidades variadas, como lascas, nozes e frutas secas.

Sistemas de raio-X inspecionam produtos a granel antes de serem embalados ou adicionados como ingredientes a um produto final. Aplicações típicas incluem nozes, petiscos extrudos, frutas secas, carnes processadas, cereais e grãos.

A sensibilidade da detecção em produtos de fluxo a granel geralmente é melhor do que em embalagens finais fechadas, pois a profundidade do produto é tipicamente muito menor. Uma única camada de produto, ou uma profundidade constante de fluxo de produto, pode ser alcançada e melhora a sensibilidade da detecção.

Deve-se considerar a localização dessas máquinas na linha de produção. Por exemplo, quando colocados no início do processo, eles podem inspecionar mercadorias ou matérias-primas que chegam, permitindo que contaminantes sejam removidos na fonte e imediatamente rastreados até o fornecedor. Contaminantes em mercadorias que chegam estão em seu maior nível e são mais facilmente detectáveis, porém, mais a jusante, existe a possibilidade de serem quebrados em fragmentos menores e menos detectáveis durante o processo de fabricação, sem mencionar a possibilidade de causar danos às máquinas. Eliminar corpos estranhos no início do processo produtivo traz inúmeras vantagens, incluindo evitar que mais valor seja agregado aos produtos por meio do processamento e embalagem, minimizando assim o desperdício e os custos gerais de produção.

Esses sistemas são projetados para inspecionar produtos bombeados, tipicamente líquidos, polpas e pastas antes da embalagem final e do valor adicional adicionado. As aplicações incluem molhos, geleias, carne moída, aves, chocolate, purê de frutas e cremes de laticínios.

Um feixe escaneia o produto enquanto ele passa por um tubo e detecta um produto contendo um contaminante, que é então desviado do produto bom por meio de uma válvula desviadora de rejeição. Assim como as máquinas de fluxo a granel, o sistema de tubulação de raio-x geralmente está localizado a montante para inspecionar o produto em estágio inicial e oferece níveis aprimorados de detecção, já que o produto é homogêneo. Encontrar um contaminante em um sistema de dutos é muito mais fácil do que encontrá-lo em um pote de vidro, embora, como a embalagem de vidro acarrete seus próprios riscos, possa haver necessidade de mais de um Ponto de Controle Crítico (CCP) em uma linha de produção.

Produtos embalados no varejo podem ser inspecionados por uma variedade de sistemas de raio-x, dependendo da aplicação individual. Esses sistemas de raios X podem ser agrupados em três categorias (ou três tipos de sistemas de gabinete): sistemas de feixe verticais, sistemas de feixe horizontal e sistemas que são uma combinação dos dois.

Sistemas de feixe vertical para produtos embalados

Sistemas de inspeção por raios X usando vigas verticais são comumente usados em linhas de produção a granel e em dutos, bem como em produtos embalados no varejo. Produtos embalados inspecionados em sistemas de vigas verticais geralmente têm menor profundidade (ou seja, altura) do que em largura e comprimento. Sistemas de vigas verticais inspecionam produtos através de sua seção transversal vertical (que possui a menor profundidade do produto), o que facilita a visualização dos componentes internos. A imagem criada usando essa geometria de feixe é uma vista em planta do pacote que permite uma análise detalhada do pacote, proporcionando, em última análise, altos níveis de sensibilidade e detecção.

Sistemas de feixe horizontal para produtos embalados

Sistemas de raios X de feixe horizontal são usados principalmente em produtos em embalagens, onde a altura do pacote é maior que sua largura (recipientes altos e rígidos). Como um fator chave na sensibilidade da detecção é a profundidade do produto pela qual os raios-x devem passar, uma varredura horizontal geralmente resulta em melhores taxas de detecção para pacotes desse modelo. Sistemas de feixe horizontal estão disponíveis em geometrias de feixe único ou múltiplo, dependendo da aplicação específica.

Sistemas múltiplos de feixes

Embora a tecnologia permaneça a mesma (que os sistemas de feixe horizontal), sistemas de raios X podem ser adaptados para aplicações específicas, para otimizar a probabilidade de detecção em aplicações como frascos de vidro e outros tipos de recipientes altos e rígidos.

Dois feixes de raios X de um único gerador (conhecido como feixe dividido) aumentam a probabilidade de detecção de contaminantes, pois duas imagens são criadas simultaneamente de ângulos diferentes.

Isso é especialmente útil para embalagens, como latas de metal, onde é difícil detectar contaminação na base ou nas paredes laterais da lata.

Ao atingir dois detectores separados, o sistema de feixe duplo dividido supera esse desafio, pois cada lata é fotografada duas vezes, e cada imagem representa um ângulo de visão diferente, aumentando assim a cobertura dentro do recipiente e a probabilidade de detecção.

Feixes duplos de raios X de dois geradores separados aumentam a detecção de forma semelhante ao fornecer imagens de dois ângulos opostos.

Produtos embalados em frascos e potes de vidro estão entre os mais difíceis de inspecionar, pois a base, as laterais e o gargalo podem causar 'pontos cegos' quando inspecionados com um único feixe de raio-x. A probabilidade de detecção pode ser aumentada usando múltiplos feixes de raios X — uma combinação de feixes verticais e horizontais. Por exemplo, um feixe vertical e três horizontais de raios-x escanearão o produto simultaneamente para produzir uma série de imagens de diferentes ângulos, reduzindo pontos cegos e otimizando a detecção. A orientação do feixe também pode ser otimizada em diferentes ângulos para se adequar ao tipo de recipiente e ao tipo de produto.

Selecionar o tipo correto de feixe para uma aplicação específica é uma decisão complexa e uma opção "uma solução para todos" raramente é possível. Por esse motivo, recomenda-se obter mais orientações de profissionais experientes em inspeção de produtos e, em muitos casos, realizar testes individuais de produtos.

Os fabricantes não usam apenas a inspeção por raio-x para detectar contaminantes; Sistemas de raio-x podem realizar simultaneamente uma ampla gama de verificações de integridade e qualidade do produto em linha.

As verificações adicionais que um sistema de raios X pode realizar incluem:

• Medindo a massa zonificada e a massa bruta
• Componentes de contagem
• Identificação de produtos ausentes ou quebrados
• Monitoramento dos níveis de preenchimento
• Inspeção da integridade do selo
• Verificação de produtos e embalagens danificados
• Detecção de aglomerados como sabor e pedaços de pó
• Medindo espaço de cabeça

Com o aumento das regulamentações de segurança alimentar e farmacêutica, a conformidade e a rastreabilidade em todas as etapas do ciclo de vida do produto estão ganhando importância, e a inspeção por raio-x está sendo cada vez mais utilizada por fabricantes de marcas conhecidas para detectar e rejeitar produtos contaminados.

Sistemas de inspeção por raios X podem detectar contaminantes em todas as etapas da produção para produtos soltos, a granel, bombeados e embalados, mas a eficácia da tecnologia depende da densidade, espessura e homogeneidade do produto.

Raios-X não atravessam todos os materiais com a mesma facilidade, e medir as diferenças de absorção entre o produto e um contaminante é a base da detecção de corpos estranhos na inspeção por raios X. A transparência de um material para os raios-x está amplamente relacionada à sua densidade — quanto mais denso um produto, mais raios-x ele absorve e contaminantes ocultos, incluindo corpos estranhos como vidro, osso e metal, aparecem porque absorvem mais raios-x do que o produto ao redor, o que significa que parecem mais escuros em uma imagem em tons de cinza.

Embora os princípios básicos da inspeção por raios X sejam os mesmos, é uma tecnologia versátil e diferentes aplicações exigem sistemas de raio-x distintos. Escolher o sistema certo é crucial para o sucesso da inspeção por raios X, pois os contaminantes não podem ser detectados a menos que cada elemento, desde o ângulo do feixe até o mecanismo de rejeição, tenha sido selecionado para se ajustar à linha e ao produto. O entendimento dos diversos formatos e sua adequação para diferentes tipos de desafios de detecção de contaminação fundamenta a especificação e a escolha do sistema.

No entanto, uma coisa é certa: produtos que passam com sucesso pelos sistemas de inspeção por raios X aumentam a confiança dos fabricantes de alimentos e farmacêuticos na qualidade e segurança de seus produtos, ajudando-os a cumprir padrões do setor, incluindo a Iniciativa Global de Segurança Alimentar (GFSI), o British Retail Consortium (BRC), a Certificação do Sistema de Segurança Alimentar 22000 (FSSC 22000), a Lei Chinesa de Segurança Alimentar e o Padrão Internacional de Destaque para Alimentos (IFS).