DTU och Royal Greenland har samarbetat kring en ny teknik som kan mäta tjockleken på isglasyren på frysta räkor. Detta är viktigt att veta för att räkorna ska hålla sig färska och konsumenterna får rätt mängd räkor. Lösningen är baserad på terahertzvågor, och tekniken kan användas för att mäta tjockleken på otaliga material.

Hur mäter man tjockleken på ett äggskal, en vägrand eller isglasyren på en räka? Simon Lehnskov Lange – postdoc vid DTU Fotonik – vet hur. Han leder ett forskarlag som utvecklar en kompakt och billig apparat för snabb och effektiv mätning av tjockleken på alla typer av material.

Tanken är att använda en specifik typ av elektromagnetiska vågor som kallas terahertzstrålning. Denna strålning kan penetrera många olika ämnen, och — vid övergången mellan två olika material — reflekteras en del av strålningen och bildar ett litet eko. Genom att mäta ekot, forskarna kan bestämma materialets tjocklek med stor precision.

År 2017, Simon Lehnskov Lange chattade med personer från DTU Food, och de visste att Royal Greenland behövde en snabb och smart metod för att mäta islagrets tjocklek på isglaserade räkor.

På Royal Greenland, processutvecklaren Niels Bøknæs förklarar varför det är viktigt att säkerställa ett jämnt lager is på de frusna räkorna:

"Glaseringen skyddar räkorna från härskning, dvs från uttorkning och oönskade kemiska förändringar. Så länge räkorna är frysta, det handlar inte så mycket om livsmedelssäkerhet, men mer om kvalitet. Isglaset förlänger hållbarheten, för utan det skulle räkorna torka ut och inte smaka särskilt gott."

"Vi glaserar genom att spruta vatten från munstycken på de djupfrysta räkorna. Vi har upptäckt att 10 till 12 procent vatten täcker räkorna väl. Men i den industriella glaseringsprocessen, glasningen görs med skillnader i processparametrar. Kanske är vattnet från vattenmunstyckena något för varmt eller kallt, och storleken på räkorna kan variera lite. Detta gör att glastjockleken inte är helt konstant, och det är verkligen en utmaning att kontrollera glasinnehållet i den praktiska produktionen, säger Niels Bøknæs.

Isvikt får inte ingå

Isglaserade livsmedelsprodukter säljs vanligtvis i vikt, och här får inte isvikten vara med. När en konsument köper en påse med 200 gram frysta räkor, det måste finnas minst 200 gram tinade räkor när isglasyren har smält. Eftersom räkorna endast vägs efter glaseringen av tekniska skäl, det är, dock, viktigt för tillverkaren att veta exakt hur mycket is som används. Annat, konsumenterna får för många eller för få räkor.

I dag, Royal Greenland kontrollerar glasprocenten manuellt med en tidskrävande och opraktisk metod. Företaget vill hellre ha ett system där glastjockleken mäts kontinuerligt, gör att glaset kan justeras automatiskt i realtid. Om för mycket is används, vattenmunstyckena kan skruvas ner något — och vice versa. Royal Greenland har fem stora räkfabriker på Grönland och Kanada, och var och en av dem kan ta emot 80 ton råa räkor om dagen och förvandla dem till 27 ton frysta, skalade räkor. Det finns följaktligen mycket pengar att spara på att kunna mäta exakt.

Här, forskarna från DTU Fotonik kanske kan hjälpa Royal Greenland.

"Vi drev ett litet pilotprojekt där vi glaserade några räkor, och vi upptäckte att vi kunde mäta isens tjocklek, vilket vanligtvis är mellan en halv millimeter och en millimeter, säger Simon Lehnskov Lange och fortsätter:

"Så vi kom överens om att prova det i lite större skala. Vi tog med ett system till Royal Greenlands fabrik i Aalborg, där vi validerade tekniken och visade att vi kan mäta räkor av alla storlekar och typer – även under rådande förhållanden i en sådan fabrik, var, till exempel, det är ganska kallt. Vi patenterar nu metoden för att mäta isglasets tjocklek på livsmedel, " säger Simon Lehnskov Lange om resultaten från forskningsprojektet, som heter GLAZE.

Primärt fokus på livsmedel

Att mäta istjockleken på räkor är bara en möjlig tillämpning av tekniken. Terahertz-strålning stoppas av metaller, flytande vatten, och vattenånga, men den kan annars penetrera och mäta tjockleken på en mängd olika material. Därför, tekniken är också användbar i många olika branscher, till exempel för kontinuerlig kontroll av kvaliteten på ytbehandlingar. Men först, tekniken måste utvecklas så att den är överkomlig för företagen.

Om de lyckas utveckla ett prisvänligt system som kan mäta – flera gånger per sekund – istjockleken på räkor som passerar på ett löpande band, Royal Greenland är en säker kund. Och andra producenter kommer då att följa efter, Simon Lehnskov Lange hoppas:

"Vi tittar först på livsmedelsinspektion, där vi nu har börjat studera andra användningsområden, till exempel att mäta tjockleken på äggskal."

Ett tjockt äggskal betyder ett fast ägg som tål resan ända fram till konsumenten eller som kan skydda fostret tills kycklingen kläcks. Många ägg går förlorade eftersom skalet är för tunt.

Traditionellt, äggproducenter har mätt tjockleken på äggskal genom att knäcka ägget och använda en mikrometerskruv. Det finns också metoder där du inte behöver slösa bort ägget, men där skaltjockleken mäts med akustiska metoder. Du kan få ett mått på skaltjockleken genom att slå på ägget och mäta dess resonansfrekvens, eller så kan du använda ultraljud för en mer direkt mätning.

Dock, dessa mätmetoder kräver direktkontakt med ägget, och de tar tid, och är besvärliga. Med terahertzstrålning, du får en snabbare, högteknologisk lösning som fungerar utan direktkontakt mellan mätinstrumentet och ägget.

Priset måste ner

Men det kommer att dröja innan tekniken från DTU är klar för marknaden, säger Simon Lehnskov Lange.

"Vi började med ett system som kostade 1,5 miljoner danska kronor. Om vi ​​ska använda tekniken i livsmedelsindustrin, priset på vårt terahertz-system måste sjunka mycket. Så vi tittade på om vi kunde producera en billigare version genom att ersätta de dyraste komponenterna med billigare versioner baserade på välkänd halvledarteknik, säger Simon Lehnskov Lange, vem utvecklar:

"Vi arbetar nu med en demonstrationsmodell som är mycket mindre och utformad för att göra det lönsamt för företag om vi kan få tekniken massproducerad. Vi hoppas ha en sådan modell klar för testning i slutet av 2021."

I arbetet mot en billigare och mer kompakt version, forskarna får hjälp av FORCE Technology, där centrum för tillämpad fotoniks roll inkluderar att säkerställa kommersialisering av danska, fotonikbaserad teknik.

Simon Lehnskov Lange minns fortfarande det första mötet på FORCE Technology, som – efter att ha hört om idén till terahertzmätningarna – gav honom en utmaning, nämligen att mäta tjockleken på en vägrand:

"Jag gick hem med en bit väg, komplett med asfalt och vägrand! I laboratoriet, Jag körde den under vår laser och fick reda på att vi kunde mäta tjockleken på vägranden – terahertzstrålningen kunde penetrera materialet. Faktiskt, vi kunde mäta både tjockleken på randen och asfalten nedanför."

System på ett chip

Detta övertygade FORCE Technology om att DTU-forskarna var inne på något.

"Vi såg en teknik med en enorm potential som kan användas till fördel för industrin, inte bara i Danmark, men över hela världen, säger Henrik Mertz, som leder centret på FORCE Technology.

"Vi har den erfarenhet och kunskap som behövs för att utveckla prototyper. Vi är inte optiska specialister som de extremt kompetenta universitetsforskarna, men vi förstår världen och de frågor som ska hanteras. Och vi kan förvandla forskarnas kunskap och idéer till något som är operativt och applikationsorienterat, " han fortsätter.

Ingenjörerna på FORCE Technology dissekerar DTU-systemet och identifierar de komponenter som kan optimeras i förhållande till att göra det mer kompakt och, framförallt, billigare. DTU-forskarna får hjälp med affärsutveckling och goda råd om hur en slutprodukt måste vara sammansatt och dokumenterad för att godkännas för försäljning, inklusive CE-märkt. Dessutom, FORCE Technology har ett brett nätverk av företag som kanske kan använda tekniken för att skapa nya applikationer.

Även om en fullt fungerande demonstrationsmodell kan vara klar redan i år, det är fortfarande en bra bit kvar innan det högteknologiska mätinstrumentet är klart för massproduktion. Men Simon Lehnskov Lange är optimistisk, och hans ambition är att lösningen kommer att bli ett "system på ett chip":

"Vi hoppas att vi på lång sikt kan få ner priset under 1, 000 euro. Och vi kommer att fortsätta att utveckla systemet för att göra det så kompakt att det inte är större än en fingernagel, med all teknik integrerad i ett enda chip."