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Intelligente VerpackungNachweis einer Pasteurisation von Lebensmittel
durch leitfähige Strukturen direkt auf der Verpackung
M.Sc. Jens SchröderDeutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V.
Geschäftsbereich Automatisierungstechnik
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Agenda
• Vorstellung des Deutschen Instituts für Lebensmitteltechnik
• Ziel der Entwicklung
• Technische Grundlagen
– Technischer Ansatz
– Realisierung von Schwingkreisen
• Ergebnisse
– Darstellung der Funktionsmuster
– Strukturen zum Nachweis einer thermischen Pasteurisation
– Strukturen zum Nachweis einer Hochdruckpasteurisation
– Einsatz unterschiedlicher Leitlacke
• Kostenabschätzung
• Zusammenfassung
• Ausblick
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Das Deutsche Institut für
Lebensmitteltechnik e.V.
GRÜNDUNGSJAHR: 1983
RECHTSFORM: eingetragener Verein (e.V.)
VORSTAND: Dr.-Ing. Volker Heinz
MITGLIEDER: > 150 Mitgliedsunternehmen
MITARBEITER: ca. 160
BUDGET: ca. 14 Mio. Euro
AUFTRAG: Verbesserung der Effizienz und Steigerung
der Wettbewerbsfähigkeit von
Unternehmen der Ernährungsbranche
LEITBILD: MISSION INNOVATION – Wissen für
innovative Lebensmittel
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Der Geschäftsbereich
Automatisierungstechnik
• Entwicklung von Teilautomaten für die
Lebensmittelherstellung (z.B.: Antipasti)
• Entwicklung von Vakuumgreifsystemen und
Sondermaschinen für die Lebensmittelindustrie
• Entwicklung innovativer Messverfahren für die
Lebensmittelindustrie
– z.B.: Online Hochdrucktemperaturmessung
– z.B.: Elektronische Prozessmarker
• Akquise von öffentlichen Fördergeldern zur
Risikominimierung von Kundenprojekten (KMU)
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Hintergrund / ZielsetzungProzessmarker zur Kontrolle einer Pasteurisation
Zunehmender Anspruch an die Lebensmittelqualität
• Notwendigkeit der Haltbarmachung
– Wirtschaftliche Vorteile
• Weniger Verderb
• Höhere Effektivität
• Größere Absatzmärkte
– Vermehrter Einsatz von Pasteurisationsmaßnahmen
• Thermische Pasteurisation
• Pasteurisation mittels hohem hydrostatischem Druck
– Zurzeit kein effizienter Nachweis einer Behandlung möglich
Zielsetzung:
• Entwicklung einer Methode zum Nachweis einer Pasteurisation
• Jede Verpackung soll einzeln detektierbar sein
• Entwicklung von Funktionsmustern zur Evaluierung der Methode
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Grundlagen: Grundsätzlicher technischer Ansatz
Anlehnung an 1-Bit-Transpondersysteme:
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Isolierende Farbschicht Leitende Farbschicht
Grundlagen: Komponenten eines Schwingkreises
Spule:
• Flachspule in einer gearteten
Ausführung
• Analytische Berechnung und
Simulation der Induktivität möglich
Kondensator:
• Ausführung als Plattenkondensator
oder Interdigitalkondensator (IDK)
möglich
• Analytische Berechnung und
Simulation der Kapazität möglich
Plattenkondensator Interdigitalkondensator
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Grundlagen: Realisierung von Schwingkreisen
Varianten mit Plattenkondensator:
Variante mit Interdigitalkondensator:
Isolierende Farbschicht Leitende Farbschicht
Mittiger Schnitt:
Mittiger Schnitt:
Geschlossener Schwingkreis
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Ergebnisse: Funktionsmuster
• Herstellung der Funktionsmuster mittels angefertigten Schablonen
• Realisierung der Spulen- und Kondensatorstrukturen mit
Silberleitfarbe
• Realisierung der Isolierflächen mittels einer 2-Komponenten-
Isolierfarbe
=> Alle Funktionsmuster liefern schwingungsfähige Systeme
Plattenkondensator IDK
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Ergebnisse:Nachweis einer thermischen Pasteurisation
Eigenschaften des IDK:
Negativ:
• Für eine ausreichende Kapazität ergibt sich
eine größere Bauform im Vergleich zum
Plattenkondensator
• Die Kapazität des IDK ist, insofern er nicht
durch Abschirmung geschützt wird, stark vom
umgebenden / kontaktierendem Medium
abhängig
Positiv:
• Durch entsprechende Gestaltung, kann der
IDK hervorragend als Sensor genutzt werden
z.B.: Steigerung der Kapazität durch z.B.
gezieltes Aufbringen von dielektrischen
Materialien
C = 𝑛𝐴𝑟𝑚𝑒 − 1 ∗ 𝑙𝐴𝑟𝑚𝑒 ∗ ε ∗ 𝑐
Relative Permittivität von Materialien
oberhalb und unterhalb des IDK
beeinflusst die Kapazität
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Ergebnisse:Nachweis einer thermischen Pasteurisation
Gezielte Nutzung des Materialeinflusses auf die Kapazität des IDK:
• Aufbringung von feuchtigkeitsabsorbierenden Materialien (z.B.: Papier)
• Der Feuchtigkeitsgrad korreliert zur Resonanzverschiebung und somit auch
zum Pasteurisationsgrad
• Die Teile des IDK, die nicht beeinflusst werden sollen, lassen sich
wirkungsvoll durch eine metallische Schicht abschirmen.
Anwendungsbeispiel für eine signifikante Frequenzverschiebung:
1,5 mm breiter Streifen quer über die Kondensatorfläche
Feuchtigkeitsgrad des Streifens Resonanzfrequenz [MHz]
Mit Tropfen bedeckter Streifen 17
Nasser Streifen 17,3
Angefeuchteter Streifen 17,5
Trockener Streifen 18,56
Ohne Streifen 18,6
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Ergebnisse:Nachweis einer Hochdruckpasteurisation
Eigenschaften des Plattenkondensators:
Vorteile:
• Gut skalierbar
– Einfache Berechnung und Bestimmung der Kapazität
– Umgebungsunabhängig
• Kleine Bauform realisierbar
Messung der Resonanzfrequenz vor und nach der Hochdruckpasteurisation(600 MPa/5min; Messung mittels Netzwerkanalyser HP 8753C auf definiertem Untergrund)
Messergebnis:
Die Hochdruckpasteurisation zeigte:
• Einfluss auf einseitig gedruckte Plattenkondensatorstrukturen– Steigerung der Resonanzfrequenz
– Alle Proben weisen eine Frequenzverschiebung zwischen 35-80kHz auf
– Verdopplung der Resonanzamplitude (Verbesserung der Schwingkreisgüte)
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Ergebnisse:Alternative Leitfarben
• Neben Silber sind auch andere Leitlacke denkbar
– Kupfer, Nickel, Aluminium, Zink, ...
• Mittels Kupfer und Nickellacken sind schwingungsfähige Systeme
umsetzbar
Technische Umsetzung:
• Teststruktur mittels Nickellack:
– Außenmaße: 60x60mm
– Leiterbreite/-abstand: 1mm
– Schichtdicke: 15µm
– Nachteil: Lebensmitteltauglichkeit kritisch
• Kupferlack:
– Realisierung eines schwingungsfähigen Systems in gleicher Weise mit etwas
geringerer Leitfähigkeit möglich
– Nachteil: Durch Oxidationsvorgänge Rückgang der Leitfähigkeit
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Kostenabschätzung: Farbkosten für alternative Leitlacke
Kosten der Silberleitfarbe unterliegt starken Schwankung durch den
Rohstoffpreis
• Abschätzung für die Abnahme kleiner Mengen (< 25l)
• Abschätzung nach Rohstoffpreis von Stand Juli 2014
Zur Kalkulation von Nickel- und Kupferleitlack sind Preise
von handelsüblichen Abschirmlacken herangezogen worden
Vergleich der resultierenden Farbkosten pro Struktur:
Silber Kupfer Nickel
Materialkosten [€/l] 2000 110 100
Schichtdicke [µm] 5 15 15
Strukturgröße [mm] 15x15 30x30 30x30
Resultierende
Farbkosten [€ct]
0,1 0,08 0,07
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Zusammenfassung
• Das System kann als Indikator zum Nachweis einer Pasteurisation
(Thermische Pasteurisation oder Hochdruckpasteurisation) genutzt
werden
• Es wurden unterschiedliche schwingungsfähige Systeme realisiert
• Es wurde eine Abschätzung des minimalen Platzbedarfs der
Materialkosten (Farbe) eines Schwingkreises gemacht
• Es wurden Schwingkreise mit alternativen Leitlacken gefertigt
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Ausblick: Verwendungsmöglichkeiten als 1-Bit-Transponder
• Kodierung von Informationen
– Einstufung von Produkten in Frequenzklassen
– Verschlüsselung mittels unterschiedlicher Frequenzkombinationen
• Einfaches Deaktivieren
– Überkleben mittels leitfähiger Folie
– Durchtrennen einer Spulenwindung
• Gezieltes Verändern der Frequenz möglich
– Überkleben einzelner Spulenwindungen
– Überkleben von Teilbereichen des IDK
– Gezieltes „Ausschalten“ einzelner Frequenzen möglich
• Dokumentierung der Haltbarkeit
– Nutzen der Alterungsvorgänge der Leitfarbe (speziell Kupferleitfarbe)
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Ausblick:Herstellungsmöglichkeiten
• Rolle zu Rolle Tiefdruck
– Druck im industriellen Maßstab möglich
– Dünne Schichtdicken realisierbar
• Siebdruckverfahren
– Druck im industriellen Maßstab möglich
– Dickere Schichtdicken
– Realisierung möglich
• Piezoelektrische Inkjet-Drucksysteme
– Druck von Musterstrukturen
– Industrielle Produkte (Fujifilm Dimatix)
– Systeme für kommerzielle Drucker
– Generelle Umsetzung muss noch geprüft werden
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Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
Danksagung: Das IGF-Vorhaben 16466N der Forschungsvereinigung Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI), Godesberger Allee 142-148, 53175 Bonn, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert
Kontakt: Jens SchröderDeutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V.Geschäftsbereich AutomatisierungstechnikProf. v. Klitzingstraße 749610 Quakenbrü[email protected]+49(0)5431/183323
