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產業技術評析

感測器於食品加工應用之發展
發表日期:2018-12-19
作者:黃秋香(食品所)
摘要:
感測器技術於食品供應鏈應用已蔚為重要產業趨勢,2018年全球感測技術於食品飲料業的應用市場規模將達41.6億美元。

全文:

感測器技術於食品供應鏈應用已蔚為重要產業趨勢,Frost & Sullivan針對流體、壓力、溫度、光電、超音波、生物等感測器研究調查指出,2018年全球感測技術於食品飲料業的應用市場規模將達41.6億美元。近年國際食品廠商陸續採用,例如Finger Food整合機器學習、物聯網和全像圖像運算等技術,其將感測器所收集的啤酒生產數據進行圖像化分析。另,各國調整食品安全及汙染風險相關法規,帶動感測器擴大應用,尤以精確量測、壓力與溫度管控等最為廣泛。
 

一、感測器於食品產業之應用範疇
 

感測器應用於食品業如環境、能源、製程、設備等面向進行監控,包括(1)感測器於食品批量生產和製程進行定點測量,例如溫度、流速、壓力等;(2)監測追蹤天然氣、電力和蒸氣等能源損耗;(3)追蹤反饋產品品質和修正生產參數,例如黏度、pH值、密度等。以對機械設備和加工生產,改進可靠性和管理生命週期,提供具成本效益之方法。目前食品業所運用食品感測器主要有三大類:
 

(一)秤重感測器
 

食品原物料成分的重量不受溫度、壓力所影響,因此瓶裝或罐頭生產線透過秤重感測器充填產品,且無論產品加工溫度或粘度如何,感測器可防止過度充填及精準充填,秤重感測器特別適用於麵粉和糖等固體原料。例如大型或不規則形狀、但品質佳的胡蘿蔔,可能因不符合標準規格而於秤重時被剔除,造成不必要的丟棄浪費。愛爾蘭蔬菜廠商Leo Dunne以結合秤重感測器、多光譜技術的金屬探測器、簡易操作的遠端遙控裝置的多頭秤重胡蘿蔔送料機;可快速啟動及滿足不同生產操作需求,大幅節省胡蘿蔔從送料、秤重和包裝等時間,提高包裝生產效率,減少停機時間與原料浪費,有能力對市場需求作出快速因應。
 

(二)溫度感測器
 

溫度是食品飲料生產之重要參數,其不僅是乾燥或發酵過程關鍵變數,同時為產品殺菌步驟關鍵因子。然溫度感測器於食品應用存在一些挑戰,包括需能暴露於120℃介質、獲得NSF認證、可防水、與食物接觸點非金屬組成等。例如過去Cucina Sano食品廠商為符合國家、客戶與公司規範等要求,以人工監控整個食品工廠關鍵控制點,其導入無線溫度感測器後,自動化且連續性監控食品生產區域的溫度及關鍵控制點,針對溫度異常提供實時警報,感測資料能即時傳送至雲端系統分析,快速發現溫度變化與及時解決問題,降低生產成本及執行品質管制人力資源。
 

(三)光學感測器
 

食品業使用光學感測器於產品分類、檢測等生產流程,以識別食品原物料和產品的顏色、形狀等,部分特殊設計感測器甚至可捕獲真菌反射光強度,判斷黃麴毒素等污染物,或利用近紅外線感測器,測量肉類脂肪。例如美國FDA報告指出,馬鈴薯等高澱粉食物遇120℃以上高溫,會釋出丙烯醯胺化學物質,人體攝取太多恐有致癌疑慮;然非所有馬鈴薯於油炸過程都會產生大量丙烯酰胺,且未有可實時監測生馬鈴薯的方法。Tomra 公司與比利時Brussels大學合作開發雷射光學感測器,以光譜學監測馬鈴薯中丙烯醯胺的前體,藉前體物質對光學反射的訊號,從馬鈴薯原料剔除;該感測器可在油炸前掃描篩出可能產生大量丙烯醯胺的去皮馬鈴薯,提供非破壞性、不影響品質、挑出單獨有問題原料的篩選方法。
 

二、感測器特色價值及功能
 

(一)擴大自動化檢測
 

光學感測器系統朝小型化發展,有助於提升價格的可負擔性、可連接攪拌機和其他設備等;例如Si-Ware Systems、Spectral Engines Oy、Consumer Physics等公司,運用半導體式晶圓、元件蝕刻於芯片的蝕刻技術等,縮小光學感測系統體積,同時產生可分析的原始數據,未來感測器芯片將朝奈米大小發展。
 

小型化光學感測器可整合於食品生產線檢測系統,使用電磁波光譜任何波長,其中近紅外線(Near-Infrared,NIR)具備可更深層穿透產品、足夠精確度等優點。隨相關技術產品成本下降,Nestle、McCormick、Kraft、Cargill等跨國大廠已經佈署NIR感測器系統,應用於檢測咖啡豆水分含量、果汁糖度、肉品脂肪和水分含量、水果內部腐爛或中空等。目前食品工廠已證明NIR感測器成本趨於合理,因短時間內感測系統所產生數據,會反饋到產線效能與生產排程等自動調整,進一步提高食品產量。
 

近年零售業者對生鮮食品品質採取零容忍政策,為滿足下游客戶不同產品規格要求,以往產品需多次通過分揀機檢測分級,但會增加產品品質劣化可能性,透過光學感測系統的360°圖像,可有效剔除汙染物和缺陷產品。未來光學感測系統數據將朝線上即時分析、預測品質趨勢和其他生產指標等功能發展。
 

(二)協助客製化生產
 

電子商務快速發展,加上季節性變化大,意味食品生產線必須能夠製造多樣化產品,但會增加食品飲料生產彈性的困難度,生產線路與組件設計、軟體和感測器應用等皆是解決方法。
 

部分食品廠商使用伺服電機和感測器,識別輸送帶上產品的位置、方向、速度等,並與生產線或包裝線的充填機、檢重器等設備串聯同步,可針對不同糖果組合、披薩包裝尺寸大小等,實現大量客製化。例如Krones裝瓶系統的輸送帶感測技術,可同時進行不同容量飲料充填,或不同瓶蓋密封、不同標籤貼附。
 

提升生產線靈活性和機械可靠性是食品廠商的挑戰,因速度、精準性和穩定度對不同產品產線轉換相當重要,有助於減少生產時間損失和不合格產品。例如Kraft公司穀物產線結合感測器、控制器和軟體等,精準量測機器位置的最佳設置,監控高速產線轉換後組件穩定性。
 

(三)有利於預測性維護
 

食品設備停機屬隨機事件,這解釋為什麼故障預測是食品業難以實現的目標,其他產業已驗證預測性維護具有可能性,而食品業實施的最大障礙是成本和時間,因預測性維護需產線歷史數據累積。紅外線、超音波、振動等感測器工具成本逐年下降,然價格可能高於小型食品飲料廠商的資金預算。若欲達預測性維護目的,所運用感測器不單只是產生數據,尚需能提供產線資訊反饋功能。
 

預測特定機器的故障,應用正確感測器是一項挑戰,另需廣泛樣本數據來進行可靠預測。例如近年來West Liberty Foods熟食肉品加工商積累切片機的設備性能故障和修復等大量數據,經分析可進行預測性維護。另Tetra Pak公司為提供設備遠端監控服務,強化每台伺服電機感測器感知能力,感測器數據上傳到雲端運算分析,Tetra Pak技術專家會提供遠端維護服務;例如停機時,善用感測器分析數據外,美國液態乳加工廠佐以智能擴增實境眼鏡,實時查看工廠設備,加速設備故障原因識別,提高整體工廠運轉可靠性和生產率。
 

三、結語
 

無線感測器是未來食品生產關鍵:部分食品工廠環境或設備為高溫、高壓、潮濕等特性,不適宜佈署有線感測器,且有線食品感測器需連接到可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)或其他控制器,要花費較長時間規劃電線佈線、PLC編程、電工配置等。無線感測器無需線路基礎設施,另可以較短時間與低技術人員進行配置、具自動形成和修復等功能,因應不同生產環境變化,可快速重新修正調整頻率和通訊路徑。
 

國內食品業者需以感測器為智慧製造築底:國內食品業者自動化程度較低者,亟需評估加工製程與產品品質危害因子風險,以建立製程監控點與設立感測器,例如食品化學感測器、食品線上物理感測器、自動化設備感測器等,協助建置工廠生產製造感知層,以利於生產線不同製程階段間人機介面資訊整合,尤以舊產線設備要升級,上述措施相當重要,可大幅協助業者快速進入生產製造自動化與智慧化階段。
 

(本文作者為食品所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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