Wie finden Röntgensysteme Schadstoffe?

Röntgenstrahlen sind eine von mehreren natürlich vorkommenden Strahlungsquellen und eine unsichtbare Form elektromagnetischer Strahlung, wie etwa Radiowellen.

Alle Arten elektromagnetischer Strahlung sind Teil eines einzigen Kontinuums, das als Elektromagnetisches Spektrum bekannt ist und nach Frequenz und Wellenlänge angeordnet ist. Es reicht von Radiowellen am einen Ende (die eine lange Wellenlänge haben) bis zu Gammastrahlen am anderen Ende (die eine kurze Wellenlänge haben).

Die kurze Wellenlänge von Röntgenstrahlen ermöglicht es ihnen, Materialien zu durchdringen, die für sichtbares Licht undurchsichtig sind, aber sie durchdringen nicht alle Materialien mit gleicher Leichtigkeit. Die Transparenz eines Materials gegenüber Röntgenstrahlen hängt im Wesentlichen mit seiner Dichte zusammen – je dichter das Material, desto weniger Röntgenstrahlen durchströmen. Verborgene Schadstoffe wie Glas, verkalkter Knochen und Metall treten auf, weil sie mehr Röntgenstrahlen aufnehmen als das umliegende Produkt.

Einfach ausgedrückt verwendet ein Röntgensystem einen Röntgengenerator, um einen Strahl niederenergetischer Röntgenstrahlen auf einen Sensor oder Detektor zu projizieren.

Bei der Röntgeninspektion wird ein Produkt oder eine Packung durch den Röntgenstrahl geleitet, bevor sie den Detektor erreicht. Die Menge der Röntgenenergie, die während des Durchgangs des Strahls durch ein Produkt aufgenommen wird, wird durch die Dicke, Dichte und Ordnungszahl des Produkts beeinflusst.

Wenn das Produkt den Röntgenstrahl durchquert, erreicht nur die Restenergie den Detektor. Die Messung der Unterschiede in der Absorption zwischen dem Produkt und einem Schadstoff bildet die Grundlage für die Entdeckung von Fremdkörpern bei der Röntgeninspektion.

Ein Röntgeninspektionssystem besteht aus drei Schlüsselkomponenten:

• Ein Röntgengenerator
• Ein Detektor
• Ein Bedienfeld

Der Röntgenstrahl wird von einer Röntgenröhre erzeugt, die im Röntgengenerator eingeschlossen ist. Er verlässt das Gebäude durch ein Austrittsfenster und bewegt sich in einer geraden Linie durch einen Kollimator (ein Gerät zur Verengung des Röntgenstrahls auf einen kleineren Lüfterstrahl). Der Röntgenstrahl passiert dann das zu untersuchende Produkt oder die Packung, bevor er schließlich den Detektor erreicht. Beim Erreichen des Detektors wandeln die Dioden das Lichtniveau des Strahls in ein elektrisches Signal um, das an das Bedienfeld zurückgesendet wird. Das Bedienfeld erstellt dann ein 'Graustufen'-Röntgenbild, das von einer Röntgensoftware inspiziert und analysiert wird, die dann entscheidet, ob das inspizierte Produkt angenommen oder abgelehnt wird.

Der Röntgengenerator enthält eine Röntgenröhre, die einen Röntgenstrahl erzeugt.

Moderne Röntgenröhren bestehen aus einer Glashülle, einer Filamentkathode, einer Kupferanode und einem Wolframziel. Die Kathode, die die Quelle der Elektronen ist, ist ein Wolframfaden, der durch einen elektrischen Strom zum Glühen erhitzt wird. Die Elektronen werden zum Ziel beschleunigt, indem eine hohe Spannung zwischen Anode und Kathode angelegt wird. Wenn die Elektronen auf das Wolframziel treffen, das in der Kupferanode montiert ist, verlangsamen sie sich schnell, und diese Verzögerung erzeugt die Röntgenstrahlung.

Es gibt zwei Arten von Röntgenröhren, die für Lebensmittel- und Arzneimittelinspektionen verwendet werden. Der Unterschied liegt im für den Röntgenstrahl verwendeten Filtermaterial. Dies kann entweder ein Glas-/Aluminiumfilter sein (am häufigsten) oder alternativ ein Berylliumfilter. Die Beryllium-Filtration ermöglicht einen verbesserten Bildkontrast und eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Schadstoffen mit geringerer Dichte wie Glas, Stein und Knochen, wobei die Vorteile jedoch auf dünnere Packungen und Massenflussprodukte beschränkt sind.

Die Wahl des richtigen Systems ist grundlegend für den Erfolg der Röntgeninspektion, da Systeme Schadstoffe nicht optimal nachweisen können, es sei denn, jedes Element vom Strahlwinkel bis zum Abstoßmechanismus wurde so gewählt, dass es am besten zur Anwendung passt. Röntgensysteme lassen sich in drei Kategorien einteilen: vertikaler Strahl, horizontaler Strahl und Systeme, die eine Kombination aus beiden sind.

Die meisten Röntgensysteme verwenden einen vertikalen Röntgenstrahl vom Generator, um das Produkt beim Durchqueren des Röntgensystems zu scannen. Schnell bewegende Konsumgüter sind in der Regel tiefer als in Breite und Länge, daher sorgt die Inspektion durch den vertikalen Querschnitt dort, wo die geringste Produkttiefe ist, für die beste Empfindlichkeit. Maschinen für versiegelte Packungen, einschließlich Produkte in Fließfolien, Taschen, Verbundkartons oder Trays, verfügen meist über vertikale Balkensysteme.

Horizontale Systeme verwenden einen seitlich montierten Röntgengenerator, um Produkte zu scannen, die auf dem Förderband passieren, und werden hauptsächlich für verpackte Produkte verwendet, die höher als breit sind. Da ein entscheidender Faktor für die Erkennungsempfindlichkeit die Tiefe des Produkts ist, durch das die Röntgenstrahlen hindurchlaufen müssen, bieten horizontale Systeme in der Regel eine bessere Erkennung dieser Produkte, da sie durch die Seite von Behältern hindurchscannen können.

Ein Röntgeninspektionssystem ist im Wesentlichen ein Scangerät. Wenn ein Produkt mit konstanter Geschwindigkeit das System durchquert, erfassen interne Sensoren ein "Graustufen"-Bild des Produkts, das durch Messung der Menge der Röntgenenergie, die den Detektor erreicht, erzeugt wird.

Jedes Bild besteht aus Pixeln, und jeder Pixel hat einen Wert, der einen Wert auf einer Graustufe (von Schwarz 0 bis Weiß 255) bezeichnet. Während das Produkt oder die Packung den Detektor überquert, wird jede Linie der Graustufendaten neu aufgebaut, um ein vollständiges Produktbild zu liefern.

Software im Röntgensystem analysiert das Bild und vergleicht es mit einem vorab festgelegten akzeptablen Standard. Auf Grundlage dieses Vergleichs akzeptiert oder lehnt das System das Bild entweder ab oder lehnt es ab, und im Falle einer Ablehnung sendet die Software ein Signal an ein automatisches Abstoßsystem, das das Produkt dann aus der Produktionslinie entfernt.

Die Dioden (einzelne Elemente des Detektors) sind in unterschiedlichen Größen erhältlich, um eine unterschiedliche Bildauflösung zu ermöglichen. Kleinere Dioden benötigen höhere Milliamperewerte (mA), um die Bildqualität zu erhalten, daher ist dies in diesem Bereich oft ein Kompromiss.

Einer der Hauptgründe, warum die Röntgeninspektion weltweit zu einem häufigen Merkmal in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie wird, ist, dass eine Vielzahl physikalischer Schadstoffe (sowohl metallische als auch nichtmetallische) mehr Röntgenstrahlen absorbiert als das umgebende Produkt und daher auf einem Röntgenbild deutlich sichtbar ist.

Die Kontaminationsdetektion steht in direktem Zusammenhang mit der Dichte des Produkts und des Schadstoffs. Die meisten Lebensmittel haben eine ähnliche Dichte wie Wasser, das ein spezifisches Gewicht (SG) von 1,0 hat. Als Faustregel gilt: Wenn ein potenzieller Schadstoff im Wasser schwimmt, ist er mit Röntgenuntersuchungen wahrscheinlich schwer zu erkennen.

Die Röntgeninspektion kann viele Schadstoffe nachweisen, darunter Glas, Mineralsteine, verkalkte Knochen sowie hochdichte Kunststoffe und Gummiverbindungen. Form, Größe und Lage eines Schadstoffs in einem Produkt oder die Art der verwendeten Verpackung können die Empfindlichkeit beeinflussen. Die Röntgeninspektion bietet außerdem außergewöhnliche Nachweise für Edelstahl sowie Eisen- und Nichteisenmetalle, selbst bei Produkten, die in Dosen, metallisierter Folie oder Folie verpackt sind.

Röntgensysteme können eingesetzt werden, um Schadstoffe in verschiedenen Produktionsphasen zu erkennen, in einer Vielzahl von Anwendungen – von Rohprodukten im Großfluss über verpackte Fertiggerichte bis hin zu Produkten, die durch eine Pipeline zu Produkten in Glasgläsern, Flaschen oder Metalldosen gepumpt werden.

Röntgensysteme können Schadstoffe unterschiedlicher Größe nachweisen, und die Erkennungswahrscheinlichkeit variiert je nach verschiedenen Faktoren, darunter Dicke, Homogenität, Dichte und Größe der Produkte. Beispielsweise haben Röntgeninspektionssysteme oft bessere Nachweisraten bei homogenen Produkten wie Käse, da sie klarere Bilder erzeugen als nicht-homogene Produkte wie eine Packung Müsli mit verschiedenen Komponenten unterschiedlicher Dichte, z. B. Flocken, Nüsse und Trockenfrüchte.

Röntgensysteme inspizieren lose Massenprodukte, bevor sie verpackt oder als Zutaten zu einem fertigen Produkt hinzugefügt werden. Typische Anwendungen umfassen Nüsse, extrudierte Snacks, Trockenfrüchte, verarbeitetes Fleisch sowie Getreide und Getreide.

Die Erkennungsempfindlichkeit bei Bulk-Flow-Produkten ist in der Regel besser als bei endgültig geschlossenen Packungen, da die Produkttiefe typischerweise deutlich geringer ist. Eine einzelne Produktschicht oder eine konstante Tiefe des Produktflusses kann erreicht werden und verbessert die Empfindlichkeit der Erkennung.

Der Standort dieser Maschinen in der Produktionslinie sollte berücksichtigt werden. Wenn sie beispielsweise früh im Prozess platziert werden, können sie eingehende Waren oder Rohstoffe inspizieren, sodass Schadstoffe an der Quelle entfernt und sofort auf den Lieferanten zurückverfolgt werden können. Schadstoffe in eingehenden Gütern sind am größten und am leichtesten nachweisbar, jedoch besteht die Möglichkeit, dass sie während des Herstellungsprozesses in kleinere, weniger nachweisbare Fragmente zerfallen und nicht zu vergessen, dass sie eine potenzielle Gefahr von Maschinenschäden darstellen. Die frühzeitige Beseitigung von Fremdkörpern im Produktionsprozess hat zahlreiche Vorteile, darunter die Verhinderung weiterer Mehrwertsteigerung durch Verarbeitung und Verpackung, wodurch Abfall und Gesamtkosten minimiert werden.

Diese Systeme sind dafür ausgelegt, gepumpte Produkte zu inspizieren, typischerweise Flüssigkeiten, Schlamm und Pasteen, bevor sie fertig verpackt werden und zusätzlicher Wert hinzugefügt wird. Anwendungen umfassen Soßen, Marmeladen, Hackfleisch, Geflügel, Schokolade, Fruchtpüree und Milchaufstriche.

Ein Strahl scannt das Produkt, während es durch ein Rohr fließt, und erkennt ein Produkt mit einem Schadstoff, das dann über ein Abstoßventil vom guten Produkt weggeleitet wird. Wie bei Bulk-Flow-Maschinen befindet sich das Röntgenleitungssystem meist stromaufwärts, um das Produkt in einem frühen Stadium zu inspizieren, und bietet eine verbesserte Nachweisstufe, da das Produkt homogen ist. Einen Schadstoff in einem Pipeline-System zu finden, ist viel einfacher als in einem Glasgefäß, obwohl Glasverpackungen eigene Risiken bergen und es möglicherweise mehr als einen Critical Control Point (CCP) an einer Produktionslinie geben kann.

Einzelhandelsprodukte können je nach Anwendung mit verschiedenen Röntgensystemen inspiziert werden. Diese Röntgensysteme lassen sich in drei Kategorien (oder drei Typen von Kabinettsystemen) einteilen: vertikale Strahlsysteme, horizontale Strahlsysteme und Systeme, die eine Kombination aus beiden sind.

Vertikalbalkensysteme für verpackte Produkte

Röntgeninspektionssysteme mit vertikalen Strahlen werden häufig in Massen- und Pipeline-Produktionslinien sowie in Einzelhandelsprodukten eingesetzt. Verpackte Produkte, die auf vertikalen Balkensystemen inspiziert werden, sind in der Regel tiefer (d. h. in der Höhe) als in Breite und Länge. Vertikalbalkensysteme inspizieren Produkte anhand ihres vertikalen Querschnitts (der die geringste Produkttiefe hat), was es erleichtert, die internen Komponenten zu erkennen. Das mit dieser Strahlgeometrie erstellte Bild ist eine Planansicht des Packs, die eine detaillierte Analyse des Packs ermöglicht und letztlich hohe Empfindlichkeit und Erkennung ermöglicht.

Horizontale Balkensysteme für verpackte Produkte

Horizontale Strahl-Röntgensysteme werden hauptsächlich für Produkte in Packungen eingesetzt, bei denen die Höhe des Packs größer ist als seine Breite (hohe, starre Behälter). Da ein entscheidender Faktor für die Erkennungsempfindlichkeit die Tiefe des Produkts ist, durch das die Röntgenstrahlen hindurchlaufen müssen, führt ein horizontaler Scan in der Regel zu besseren Erkennungsraten für Packungen dieses Designs. Horizontale Balkensysteme sind je nach Anwendung in Einzel- oder Mehrbalkengeometrien erhältlich.

Mehrstrahlsysteme

Während die Technologie gleich bleibt (wie horizontale Strahlsysteme), können Röntgensysteme an bestimmte Anwendungen angepasst werden, um die Erkennungswahrscheinlichkeit in Anwendungen wie Glasgefäßen und anderen hohen und starren Behältern zu optimieren.

Zwei Röntgenstrahlen eines einzigen Generators (bekannt als Split-Strahl) erhöhen die Wahrscheinlichkeit der Detektion von Schadstoffen, da zwei Bilder gleichzeitig aus verschiedenen Winkeln erzeugt werden.

Dies ist besonders nützlich für Verpackungen wie Metalldosen, bei denen es schwierig ist, Verunreinigungen an der Basis oder an den Seitenwänden der Dose zu erkennen.

Durch das Treffen von zwei separaten Detektoren überwindet das geteilte Doppelstrahlsystem diese Herausforderung, da jede Dose zweimal abgebildet wird und jedes Bild einen anderen Betrachtungswinkel darstellt, wodurch die Abdeckung im Behälter und die Entdeckungswahrscheinlichkeit erhöht wird.

Doppelte Röntgenstrahlen von zwei separaten Generatoren erhöhen ebenfalls die Erkennung, indem sie Bilder aus zwei entgegengesetzten Winkeln liefern.

Produkte, die in Glasflaschen und -gläsern verpackt sind, gehören zu den schwierigsten zu inspizieren, da Boden, Seitenwände und Hals bei der Untersuchung mit einem einzelnen Röntgenstrahl 'blinde Flecken' verursachen können. Die Erkennungswahrscheinlichkeit kann durch den Einsatz mehrerer Röntgenstrahlen – einer Kombination aus vertikalen und horizontalen Strahlen – verbessert werden. Zum Beispiel scannen ein vertikaler und drei horizontaler Röntgenstrahl das Produkt gleichzeitig, um eine Reihe von Bildern aus verschiedenen Winkeln zu erzeugen, wodurch blinde Winkel reduziert und die Erkennung optimiert wird. Die Ausrichtung des Strahls kann auch in verschiedenen Winkeln optimiert werden, um dem Behältertyp und Produkttyp gerecht zu werden.

Die Wahl des richtigen Balkentyps für eine bestimmte Anwendung ist eine komplexe Entscheidung, und eine "Eine Lösung passt für alle"-Option ist selten möglich. Aus diesem Grund wird empfohlen, weitere Beratung von erfahrenen Produktinspektionsfachleuten einzuholen und in vielen Fällen individuelle Produkttests durchzuführen.

Hersteller nutzen nicht nur Röntgeninspektionen, um Schadstoffe zu erkennen; Röntgensysteme können gleichzeitig eine Vielzahl von inline-Produktintegritäts- und Qualitätsprüfungen durchführen.

Zu den zusätzlichen Prüfungen, die ein Röntgensystem durchführen kann, gehören:

• Messung von zonierten und Bruttomassen
• Zählen der Komponenten
• Identifikation fehlender oder defekter Produkte
• Überwachung der Füllniveaus
• Inspektion der Dichtungsintegrität
• Überprüfung auf beschädigtes Produkt und Verpackung
• Erkennung von Agglomeraten wie Aroma und Pulverklumpen
• Messung des Kopfraums

Mit zunehmenden Vorschriften zur Lebensmittel- und Arzneimittelsicherheit wird die Einhaltung und Rückverfolgbarkeit in jeder Phase des Lebenszyklus eines Produkts immer wichtiger, und Röntgeninspektionen werden zunehmend von Herstellern bekannter Marken eingesetzt, um kontaminierte Produkte zu erkennen und abzulehnen.

Röntgeninspektionssysteme können Schadstoffe in jeder Produktionsphase bei losen, schüttlichen, gepumpten und verpackten Produkten finden, aber die Wirksamkeit der Technologie hängt von der Dichte, Dicke und Homogenität des Produkts ab.

Röntgenstrahlen durchdringen nicht alle Materialien mit gleicher Leichtigkeit, und die Messung der Unterschiede in der Absorption zwischen Produkt und Schadstoff bildet die Grundlage für die Entdeckung von Fremdkörpern bei der Röntgeninspektion. Die Transparenz eines Materials gegenüber Röntgenstrahlen hängt weitgehend mit seiner Dichte zusammen – je dichter ein Produkt, desto mehr Röntgenstrahlen absorbiert es, und verborgene Schadstoffe, darunter Fremdkörper wie Glas, Knochen und Metall, treten auf, weil sie mehr Röntgenstrahlen absorbieren als das umliegende Produkt, was bedeutet, dass sie auf einem Graustufenbild dunkler erscheinen.

Obwohl die Grundprinzipien der Röntgeninspektion gleich sind, handelt es sich um eine vielseitige Technologie, und verschiedene Anwendungen erfordern unterschiedliche Röntgensysteme. Die Wahl des richtigen Systems ist entscheidend für den Erfolg der Röntgeninspektion, da Verunreinigungen nur entdeckt werden können, wenn jedes Element, vom Strahlwinkel bis zum Abstoßmechanismus, so ausgewählt wurde, dass es in die Leitung und das Produkt passt. Ein Verständnis der verschiedenen Formate und ihrer Eignung für unterschiedliche Arten von Kontaminationserkennungsherausforderungen bildet daher die Grundlage für die Systemspezifikation und -wahl.

Eines ist jedoch sicher: Produkte, die erfolgreich Röntgeninspektionssysteme bestehen, stärken das Vertrauen von Lebensmittel- und Pharmaherstellern in die Qualität und Sicherheit ihrer Produkte und helfen ihnen, Branchenstandards wie die Global Food Safety Initiative (GFSI), das British Retail Consortium (BRC), die Food Safety System Certification 22000 (FSSC 22000), das chinesische Lebensmittelsicherheitsgesetz und den International Featured Standard for Food (IFS) einzuhalten.