Fehlererkennung in der Pharmaindustrie

Grundlage der Unterscheidung von ­Astlöchern, Stellen mit Harz oder hoher Feuchtigkeit in Holz mit Hilfe hyper­spektraler Bildverarbeitung sind die ­Spektralkurven der Materialien.

© Perception Park

Wie in vielen anderen Bereichen nehmen die Produktionsgeschwindigkeiten in der Pharmaindustrie weltweit rasant zu. Um das Risiko von Produktrückrufen zu verringern und Verbraucher vor kontaminierten Arzneimitteln zu schützen, gelten in dieser Branche besonders strenge Sicherheits-vorschriften. Bildverarbeitungssysteme sind bei der Herstellung pharma-zeutischer Produkte daher bereits seit einiger Zeit Stand der Technik, um Produkte in Echtzeit nach Kriterien wie Form, Größe oder Gewicht zu bewerten. Durch die Nutzung hyperspektraler Bildverarbeitungs- und CCI-Systeme lässt sich die Überwachung von Pharmaproduktionsprozessen weiter optimieren, da sie es ermöglichen, Pharmazeutika auf ihre molekularen Eigenschaften hin zu untersuchen.

Ein typischer Anwendungsfall von HSI-Systemen in der Pharmaindustrie ist die Überprüfung von Retard-Tabletten auf korrekte Beschichtung. Diese Medikamentenform gibt den Wirkstoff nach seiner Verabreichung über einen längeren Zeitraum oder an ein bestimmtes Ziel im Körper ab. Entscheidend für diese kontrollierte Abgabe des Wirkstoffs ist die Retard-Beschichtung der Tablette: Ist sie beschädigt oder fehlt komplett, gelangt die Arznei schneller als gewünscht in den Körper und verfehlt ihre Langzeitwirkung.

Darstellung der hyper­spektralen Bildverarbeitung.

© Perception Park

Mit einer Kombination aus HSI- und CCI-Technologie lässt sich die Qualität von Retard-Medikamenten sicher kontrollieren. »Mit einer im NIR-Bereich arbeitenden Hyperspektralkamera und der Anwendung der Chemical-Color-Imaging-Technologie mit unserer Software-Suite ‚Perception Studio‘ konnten wir eindeutig nachweisen, dass zuvor künstlich erzeugte Beschichtungsfehler mit 100 % Sicherheit und auch in der Hochgeschwindigkeitsproduktion in Echtzeit erkennbar sind«, erläutert Markus Burgstaller, Geschäftsführer des Grazer Unternehmens Perception Park, das sich auf diese Technologie spezialisiert hat. Selbst durch Blisterverpackungen hindurch ist die Qualitätsprüfung möglich, sofern das Blistermaterial nicht aus Aluminium besteht, das die NIR-Strahlung reflektieren würde.
Die Prüfung von Retard-Beschichtungen ist nur eine von vielen Anwendungs-möglichkeiten der HSI-Technologie in der Pharmaindustrie. Mit ihr lässt sich außerdem kontrollieren, ob Tabletten in korrekter Zahl, unbeschädigt und ohne Fremdkörper in Blister verpackt sind, ob die richtigen Inhaltsstoffe in Arzneimittelkapseln enthalten sind oder ob diese vollständig verschlossen sind. 

Sichere Lebensmittelproduktion

Bei der Herstellung von Lebensmitteln gelten ähnliche Vorgaben wie in der Pharmaindustrie: Um Gesundheitsgefährdungen der Konsumenten auszuschließen, dürfen unerwünschte Fremdkörper in den Produkten nicht unerkannt bleiben. Zudem müssen die Lebensmittel exakt die Inhaltsstoffe aufweisen, die vom Hersteller gewollt und in den Produktbeschreibungen für den Käufer definiert sind.

Auch für diese Branche bieten HSI und CCI zahlreiche Anwendungs-möglichkeiten. Beispielsweise vereinfachen diese Techniken das Auffinden von Verunreinigungen in Lebensmitteln und identifizieren selbst in Hochgeschwindigkeits-Fertigungslinien Fremdkörper wie Steine oder Erde bei der Sortierung von Kartoffeln, Karotten oder anderem Gemüse sowie Schalenteile oder andere Stoffe bei der Verarbeitung von Nüssen. Bei zu langer Lagerung von Lebensmitteln können sich auch Maden einnisten oder frisches Obst anfangen zu faulen. 

Eine auf hyperspektraler Bildgebung basierende Bildverarbeitungslösung erkennt Verunreinigungen wie Maden und Holzstücke zwischen Reis. Das rechte Teilbild zeigt ein Segmentierungsbild mit erkannten Maden.

© Perception Park

Industriell hergestellte Lebensmittel wie Wurst und Käse werden dem Verbraucher meist in eingeschweißter Form zum Verkauf angeboten. Analog zur Pharmaindustrie erlauben HSI-Systeme auch hier in vielen Fällen eine Qualitätsprüfung durch die Verpackung hindurch. Eine spezielle Aufgabe ist dabei die Kontrolle von Siegelnähten, die eine absolut dichte Verpackung der Lebensmittel garantieren sollen. Schon kleinste Verunreinigungen oder Beschädigungen an diesen Siegelnähten können zu undichten Verpackungen und zum Verderben der Ware vor dem errechneten Mindesthaltbarkeitsdatum führen. Unverkäufliche Produkte oder teure Rückruf-Aktionen wären dann mögliche Folgen für Hersteller in diesem Bereich, die sich durch hyperspektrale Bildverarbeitung zur Qualitätssicherung in vielen Fällen vermeiden lassen.

HSI in der Holzverarbeitung

Peter Stiefenhöfer ist Inhaber von PS Marcom Services in Olching.

© PS Marcom

In den letzten Jahrzehnten haben die Technologien zur Holzverarbeitung große Fortschritte gemacht. Auch in diesem Anwendungsfeld finden sich viele Optionen, um Produkte wie Schnittholz, Holzwerkstoffe, Holzhackschnitzel sowie Papier- und Papierprodukte mit HSI-Systemen auf ihre Qualität zu prüfen. Selbst für den Menschen unsichtbare Merkmale und mögliche Mängel lassen sich damit sicher detektieren.

Eine häufige Aufgabenstellung in dieser Branche ist das Erkennen von Defekten wie Harztaschen oder Astlöchern. Diese Aufgabe lässt sich mit Hilfe eines Hyperspektralsystems in Kombination mit einer Nah-infrarot-Hyperspektralkamera lösen. Dabei ist Harz im Holz auch dann noch sicher identifizierbar, wenn es von einer dünnen Holzschicht bedeckt ist. Auch Klebstoffe, die im Produktionsprozess häufig zum Ausgleich kleiner Löcher mit Füllstoffen eingesetzt werden, sind durch die Anwendung von Chemical Color Imaging auf einfache Weise erkennbar – herkömmliche Bildverarbeitungs-kameras scheitern hier oft, da der Klebstoff in aller Regel durchsichtig ist. 

Ein weiteres wichtiges Merkmal von Holz ist seine Feuchtigkeit. Mit HSI-Analysen lassen sich feuchte Stellen am Holz eindeutig nachweisen und als CCI-Bild aufschlussreich darstellen. Es ist sogar möglich, ein Wahrnehmungs-system zur Messung des Wassergehalts zu kalibrieren. Durch die Anpassung einer Hyperspektralkamera an ein solches kalibriertes Wahrnehmungssystem verwandelt Chemical Color Imaging das Kamerasystem in eine leicht verständliche ‚Feuchtigkeitskamera‘ für Holz und kann in jedes Bildverarbeitungssystem implementiert werden.

Kunststoffe sortieren

Last but not least zeichnet sich das Kunststoff-Recycling als ein dankbares Anwendungsgebiet für HSI-Systeme ab. Auch am Ende ihrer Lebensdauer sind Kunststoffe noch zu wertvoll, um einfach weggeworfen zu werden. Würde das Potenzial der aktuell deponierten Kunststoffabfälle unter Anwendung der besten Recycling- und Energierückgewinnungsmethoden und -technologien auf umweltfreundliche Weise genutzt, könnten viele Millionen Tonnen Kunststoffe zusätzlich recycelt werden. Möglich wäre dadurch zudem eine zusätzliche Erzeugung von großen Mengen an Wärme und Strom.

Für derartige Verbesserungen sind geeignete Maßnahmen erforderlich, um die Deponierung von Kunststoffen zu stoppen und rückgewinnungsorientierte Sammel-systeme einzurichten. Diese müssen mit moderner Sortier-Infrastruktur und verbesserten Recycling- und Verwertungsprozessen in Einklang gebracht werden. ‚Perception Studio‘ könnte hier helfen, da die Hyperspektrale Bildverarbeitung eine Unterscheidung etwa zwischen Polypropylen und Polyethylen oder anderen, auf den ersten Blick sehr ähnlichen Materialien, problemlos möglich macht.