Ziel der Entwicklung
Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, Herstellern und industriellen Verarbeitern von Hefe ein Messsystem zur Verfügung zu stellen, mit dem praxisgerecht, also einfach, schnell und wirtschaftlich, die entscheidenden Qualitätsparameter der Hefe (Eiweißgehalt, Speicherstoffgehalt, Trockensubstanz, Triebkraft) bestimmt werden können. Die gängige Routinemethode ist zur Zeit noch die chemische Laboranalyse mit dem Nachteil der zeitlichen Distanz zwischen Probennahme und Ergebnis. Laborverfahren wie Durchflusszytometrie oder Laborspektrophotometer sind nur bei sehr großen Unternehmen zu finden.
Die wenigsten industriellen Bäckereien verfügen über die personelle und technische Ausstattung, um diese Qualitätsparameter über Labormessungen festzustellen und bestätigen zu können. Die Anwender sind deshalb auf die Angaben der Hefehersteller, Analysen Dritter und auf die Erfahrung der Mitarbeiter angewiesen. Chemische Analyseverfahren können in der Regel nur offline, zeitlich aufwändig und unter Einsatz von Verbrauchsmitteln durchgeführt werden. Sie benötigen geschultes Laborpersonal für die apparative Ausstattung und sind damit kostenintensiv. Daraus folgt, dass gegenwärtig Analysen zur Qualitätsüberwachung des Produktes Backhefe von der Herstellerseite auf ein absolutes Mindestmaß reduziert werden und nur die Triebkraft und der Trockensubstanzgehalt als vorrangige Spezifikation ausgetauscht werden. Damit sind jedoch keine Aussagen über die für die Anwender interessanten Parameter Haltbarkeit und Lagerfähigkeit der Hefe möglich. Die industriellen Anwender der Hefe setzen zudem zunehmend auf Flüssighefen, die leicht mit Pumpen und Ringleitungen an die Einsatzorte zur Teigbereitung gefördert und automatisch dosiert werden können. Dies erfordert eine sichere und schnelle überwachung der Qualitätsparameter vor Ort. Eine schnelle und einfache Möglichkeit, Qualitätsparameter der Backhefe mit einem für Hersteller und Anwender akzeptierbarem Aufwand zu messen, stand bislang nicht zur Verfügung.
Der Lösungsansatz basiert auf der Kombination eines innovativen optischen Designs und leistungsfähigen mathematisch-statistischen Auswertealgorithmen. Damit kann das zugrundeliegende Messverfahren, die nahe Infrarot Spektroskopie (NIRS), erstmals den Anforderungen bei der großtechnischen Herstellung und Verarbeitung von Hefe gerecht werden. Die technische Lösung erlaubt die schnelle Messung der wesentlichen Qualitätsparameter Eiweißgehalt, Trockensubstanz, Triebkraft und die Erkennung extremer Phosphat- und Disaccharidgehalte. Im Verlauf des Vorhabens wurden in umfassenden Versuchsreihen die spektralen Eigenschaften von Hefe analysiert und eine zu Labormethoden konkurrierende Methode zur Analyse von Hefe mittels NIR-Spektroskopie erarbeitet. Speziell für diese Messaufgabe wurde der Messaufbau einschließlich der erforderlichen optischen, mechanischen und elektronischen Sonderbaugruppen entwickelt und erprobt. Das Ergebnis des Vorhabens ist ein speziell an die Anforderungen bei der Qualitätsüberwachung von Hefe angepasstes Messsystem in Form eines Funktionsmusters. Die Praxistauglichkeit wurde in Feldversuchen nachgewiesen.
Über die ursprüngliche Zielstellung hinaus wurden weiterhin die Vorhersage des organischen Trockensubstanz-, Asche- sowie Kohlenhydratgehaltes untersucht. Die Vorhersagewerte sind robust gegenüber Inhomogenitäten in den Proben. Dies wurde durch ein im Vergleich zum Labormuster deutlich vergrößertes Detektionsmessfeld (Durchmesser von zirka drei Zoll) erreicht. Die eingesetzte Optik mittelt ohne Einsatz eines Probenrotators oder anderen scannenden Verfahren über einen großen Teil der Probenfläche.
Vorteile und Lösungen
Mit dem entwickelten Messsystem werden erstmals Qualitätsschwankungen zeitnah schon während des Herstellungsprozesses erkannt. Die Prozessführung kann angepasst und optimiert werden. Somit können eine gleichbleibende Endproduktqualität gewährleistet und das Risiko kompletter Produktionsausfälle minimiert werden. Zielgruppen sind industrielle Hefehersteller, Industriebetriebe, die Hefe in automatisierten Prozessen einsetzen wie beispielsweise Brauereien und Bäckereien. Zu den Anwendungsbereiche zählen Schnellanalysen zur Eigenkontrolle während der Herstellung von Hefe im weitesten Sinne, dazu zählt auch die Trocknung von Hefe beziehungsweise allgemein die Herstellung bestimmter Lieferformen aus der Flüssighefen. Zu den weiteren Anwendungsbereichen zählen die Prozesskontrolle bei der Entwicklung und Bewertung neuer Verfahren zur Herstellung von Hefe sowie der Umwandlung in bestimmte Lieferformen und die Wareneingangskontrolle vor der weiteren Verarbeitung von extern hergestellter und eingekaufter Hefe.
Das fzmb vereint alle nötigen Kompetenzen bezüglich Hard- und Software, um einepraxisgerechte Komplettlösung anzubieten.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die gute Vernetzung des Antragstellers und seiner Partner in der Hefe- und Lebensmittelindustrie wird genutzt, um Referenzkunden in den ersten beiden Jahren zu gewinnen. Mit Hilfe eines Vertriebspartners sowie Messeauftritten und Fachpublikationen soll ab dem 3. Jahr eine breitere Käuferschicht erschlossen werden. Durch Nutzung der FuE-Ergebnisse können die Kunden für ihre Produkte eine Qualitätsgarantie abgeben, die sie aufgrund dichter Beprobung einhalten können. Gleichzeitig können Laborkosten sowie der Umfang von Ausschuss gesenkt werden. Beides führt zu einer höheren Marge. Die Weiterentwicklung des Funktionsmusters bis zum Seriengerät wird in Kooperation mit dem Gerätehersteller durchgeführt. Nach wie vor besteht eine sehr geringe Marktdurchdringung mit NIR-Spektrometern. Als Gründe wurden von den Vertretern komplizierte Bedienung sowie fehlende Gesamtkonzepte bei den Konkurrenzprodukten angeführt. Diese Nachteile wurden mit dem Funktionsmuster beseitigt, sodass für die hier erarbeitete Lösung gute Marktchancen bestehen. Über die rein technischen Ziele hinausgehend wurden vorhandene
Kernkompetenzen am fzmb ausgebaut bzw. weiterentwickelt. Dazu zählen die Erstellung und Optimierung chemometrischer Verfahren für die NIR-Spektroskopie, die Softwareentwicklung mit Methoden auf dem aktuellen Stand der Technik, die Laboranalytik, dabei insbesondere die Verbesserung der Genauigkeit und der Einsatz neuer innovativer Analysemethoden mit geringerem Verbrauch an Energie und Chemikalien sowie die Geräteentwicklung: optische Aufbauten, Steuerung durch Hard- und Software.