Måling uden termometer?

Litteratur og nye forsøg viser, at der desværre ikke er en løsning på kort sigt. Nedenfor redegøres for muligheder og perspektiver.

I fødevareproduktioner kontrolleres temperaturen ved hjælp af et termometer, der stikkes ind i et repræsentativt produkt for at måle centrumstemperaturen. Resultatet antages så at være gældende for en given produktionsbatch. Både fordi det kan være vanskeligt at ramme centrum, og fordi produktet efterfølgende skal kasseres, vil det være en stor fordel, hvis temperaturen kan måles i hvert eneste produkt, uden at det berøres.

Metoder til bestemmelse af termisk centrum

Læs her om mulige metoder til ikke-destruktiv måling af temperaturfordeling i et kødprodukt herunder bestemmelse af det termiske centrum. De fire mulige metoder er baseret på henholdsvis:

1. Ultralyd
2. Infrarødstråling
3. Mikrobølger
4. MRI

Af disse fire er kun mikrobølger og MRI praktisk mulige teknikker i forhold til kortlægning af den indre temperatur i et produkt.

I dag findes kommercielt udstyr til fødevareindustrien, der anvender mikrobølgetermografi. Men dette udstyr, fra Celcius Systems, tilbydes kun til kølede produkter. MRI kræver dyrt udstyr, som er vanskeligt foreneligt med et industrielt produktionsmiljø og er bl.a. derfor ikke på nuværende tidspunkt en realistisk metode til kortlægning af temperaturfordelingen i produkter i en produktion.

Perspektiv

Det er interessant at undersøge, om det er muligt at anvende mikrobølger til kortlægning af temperaturen i produkter i hele temperaturområdet.

Desuden kan det være relevant at se nærmere på termografi ved hjælp af infrarød stråling. Selvom denne metode kun kan se overfladetemperaturen, kan der være tilpas sammenhæng mellem overfladens temperatur og processeringsgraden i løbet af en proces. Metoden skal ikke anvendes til slutkontrol, men er måske en mulighed for feedback og løbende kontrol med processen.

Baggrund

I fødevareproduktioner kontrolleres temperaturen oftest ved hjælp af et termometer, der stikkes ind i et produkt for at måle centrumstemperaturen. Enten gennem træning eller vha. holdere til produktet er det muligt at ramme omtrent det samme punkt hver gang og derved få sammenlignelige målinger. Efter målingen kasseres prøven. For at sikre en ensartet produktion og tilstrækkelig varmebehandling udtages stikprøver løbende.

Fordelen ved manuel temperaturmåling vha. indstikstermometer er primært at det er billigt, nemt og hurtigt. Der er desværre en række ulemper ved denne metode:

• Målingen er destruktiv, hvilket betyder, at produkterne kasseres efter måling. Det giver to ulemper. For det første er det ikke de kontrollerede produkter, der kommer videre ud til forbrugerne. For det andet er det en begrænsende faktor i forhold til, hvor mange prøver man kan tage.
• Målingen er (oftest) manuel, hvilket vil medføre variationer mellem operatørerne.
• Det er svært at tage højde for produktvariation. Især ved målinger vha. holdere kan det give fejlmålinger, hvis produkterne varierer f.eks. i størrelse.
• Grundlæggende er det ikke sikkert, at den temperatur, der måles (oftest centrumstemperaturen), er det koldeste punkt i produktet. Det afhænger af produktets sammensætning, opbygning og evt. graden af opblanding.

Nye teknologier til ikke-destruktiv temperaturmåling og kortlægning af temperaturfordeling i produktet

Ultralyd

Lydens udbredelseshastighed i et givet medie, f.eks. vand eller biologisk væv er afhængig af temperaturen. Når produktet ændrer temperatur, ændres lydens hastighed gennem mediet også (Pouch, Cary, Schultz & Sehgal, 2010; Arthur, Straube, Trobaugh & Moros, 2005). Derfor er ultralyd en mulig metode til at bestemme temperaturen i, eller gennem, et produkt.

På et ultralydsbillede vil ændringerne ses i form af (falske) bevægelser og ændringer i signalstyrke. Ændringerne skyldes både ændringer i lydens hastighed og fysiske ændringer i vævet og dets egenskaber som følge af opvarmningen.

Imidlertid er sammenhængen mellem lydhastigheden og vævstemperaturen ikke lineær, og dette komplicerer denne gruppe metoders anvendelse ved temperaturer over ca. 55°C og under ca. 10°C. Disse to områder er særdeles vigtige for fødevareproduktionen, så metoderne beskrives ikke yderligere her.

Infrarødstråling

Ethvert legeme over det absolutte nulpunkt udsender elektromagnetisk stråling/energi som beskrevet ved Plancks lov. Energiudstrålingen er en funktion af bølgelængden og den absolutte temperatur. Den beskrives ved (1).

hvor E er intensiteten af udstrålingen fra et sort legeme [Wsr⁻¹m⁻³], λ er bølgelængden [m], T er temperaturen [K], h er Plancks konstant [Js], k er Boltzmanns konstant [JK^-1] og c er lysets hastighed [ms^-1]. Intensiteten af udstrålingen, bølgelængden (frekvensen) og temperaturen hænger altså sammen. Udstrålingen fra en overflade kan måles med f.eks. et infrarødt (IR) termokamera. En af fordelene ved et termokamera er, at det giver mulighed for at se temperaturvariationer på en overflade. Infrarøde bølger kan kun udbredes nogle få µm i kød- og fedtvæv (Klemetsen, 2011). Det er altså udelukkende den varmestråling, der udsendes fra produktets overflade, der bliver målt. Metoden kan måske anvendes til at finde outliers i form af meget (under-)processerede produkter, men ikke til kontrol eller lokalisering af det koldeste område inde i produktet. I forhold til udvikling af en metode, der kan give tomografiske temperaturprofiler, er infrarødstråling derfor ikke umiddelbart en brugbar løsning.

Mikrobølgestråling

Sammenlignet med infrarød stråling har mikrobølger en stor gennemtrængningsdybde i biologisk væv på op til flere centimeter (Arunachalam, Stauffer, Maccarini, Jacobsen & Sterzer, 2008).

I dag findes mindst én kommerciel løsning, der anvender mikrobølgetermografi til måling af temperaturen i fødevarer (http://www.cerulean.com/product-services/celsius-instruments). Outputtet fra udstyret er en udligningstemperatur for produktet. Det vil sige en gennemsnitlig temperatur, som et produkt teoretisk vil opnå, hvis det henstår isoleret i den givne tilstand.

Inden for det medicinske område kan teknologien f.eks. anvendes til detektion af brystkræft, diagnosticering af vesikoureteral refluks, monitorering af temperaturen i hjernen  - f.eks. ved nedkøling til behandling af iltmangel - og til hypertermiske behandlinger, hvor sygt væv i kroppen lokalt opvarmes til ca. 40-45°C, uden at det omkringliggende væv beskadiges (Klemetsen, 2011).

I forhold til anvendelse som overvågningsmetode i fødevareindustrien gennemgås metoden nærmere nedenfor.

MRI

MRI er en gennemprøvet og meget anvendt metode til billeddannelse og identifikation af fysiske egenskaber. Metoden anvendes primært i den medicinske verden. Her anvendes den både til diagnostiske formål og som guide ved temperaturkritiske indgreb som ablationer. (Yuan, Mei, Panych, McDannold & Madore, 2012)

På trods af, at det er muligt at foretage tomografisk temperaturbestemmelse med MRI, og metoden har en god gennemtræningsdybde, findes der i dag ikke MRI-systemer, der kan sættes direkte ind på en fødevareproduktionslinje. Dette skyldes primært en høj pris på udstyr. Desuden er sampletiden lang i forhold til de fleste produkthastigheder, udstyret fylder en del, og det stærke magnetfelt kan give problemer i forhold til installation i en eksisterende proceslinje, som indeholder metaldele.

De to mest lovende teknologier - perspektiver

De to mest lovende metoder til tomografisk temperaturmåling er mikrobølgetermografi og MRI. Ifølge de fundne referencer er det muligt at danne termotomografiske billeder ved hjælp af begge metoder. Begge metoder anvendes medicinsk, hvor det blandt andet er de termografiske egenskaber, der spiller en rolle i diagnosticering.

På nuværende tidspunkt findes der ikke kommercielt udstyr, der gør det muligt at måle og kortlægge temperaturen i fødevareprodukter ved hjælp af disse – eller andre – metoder. I forhold til de eksisterende løsninger inden for medicinsk anvendelse af mikrobølge termografi og MRI er der fordele og ulemper ved begge metoder. Holdt op mod hinanden er MRI måleteknisk den stærkeste metode. Det er en metode, der har været brugt i mange år, den har god opløsning, den kan anvendes ved høje temperaturer og målingen er kontaktfri. Til gengæld er det sandsynligt, at et mikrobølgeudstyr vil være billigere, at det vil kunne måle hurtigere og måske endda kunne måle produkter, der bevæger sig (jf. ligheder med ultralyd, der i dag bruges i kontinuerte processer).

Der findes ikke på nuværende tidspunkt en kommerciel løsning, der online kan kortlægge temperaturen i fødevareprodukter. Kortlægning af temperaturen i opvarmede produkter vil blive vanskeligere end kortlægning af temperaturen i kølede produkter. Enten er metoden ikke velegnet (ultralyd), eller overfladetemperaturen vil overdøve den indre temperatur (mikrobølger).

Især i forhold til køleprocesser vil det være interessant at finde eller konstruere et udstyr, der ved hjælp af mikrobølger kan kortlægge temperaturen i et produkt. Det er væsentligt, at køling sker tilstrækkeligt hurtigt, og det kan have økonomiske konsekvenser, i form af rimdannelse og faldende køleeffektivitet, hvis produkter er for varme, når de placeres i kølerum.

Et forholdsvis billigt, kontinuert målende udstyr, der kontrollerer ensartet og samtidig tilstrækkelig nedkøling, kunne være interessant.

Måling af overfladetemperatur:

Alternativt til kortlægning af temperaturen kan der være perspektiver i udelukkende at måle overfladetemperaturen. Umiddelbart efter opvarmning vil overfladetemperaturen være høj, sandsynligvis omkring 100°C eller lidt højere for de fleste processer. Hvis temperaturen ikke er ensartet gennem hele produktet, vil energien fra overfladen både bevæge sig mod produktets kolde områder og afgives til omgivelserne.

Produktet vil gå mod en udligningstilstand. Ved at sørge for, at omgivelserne er ens for alle produkter, vil et termokamera, opsat en given afstand efter opvarmningsprocessen, kunne finde outliers i form af over- eller underprocesserede produkter, ud fra deres udvendige temperaturprofil efter et passende udligningsforløb.

Computersimulering:

Både MRI og ultralyd kan ud over temperaturmålinger give information om sammensætningen af et produkt. Det kan dreje sig om fedttykkelse, bobledannelse mm. Hvis et produkt skannes inden opvarmning, kan det være muligt at anvende data om sammensætning, størrelse og fysiske egenskaber til matematisk at beregne temperaturen under opvarmning. Andre målemetoder som CT-skanning vil ligeledes kunne bruges i denne sammenhæng.

Selv om matematiske modeller for opvarmning og nedkøling samt massetransport er tilgængelige, er manglende kendskab til fysiske egenskaber som diffusionskoefficienter, denatureringstemperaturer, smeltepunkter, geometriske ændringer o.l., sammen med computerregnekraft de største forhindringer for at simulere opvarmning. Hvis alle egenskaber, inklusiv variationer i udstyret, var kendt, ville det være muligt at have et system, hvor produktet skannes inden opvarmning. Skanning ville så importeres i computeren. I computeren simuleres opvarmning. Da simuleringen er baseret på en skanning af det aktuelle produkt, vil tiden, til at det koldeste punkt er tilstrækkelig varmt, kunne findes direkte. Herefter kan opvarmningsprocessen justeres efter behov på baggrund af simuleringsresultatet.