Stroom verraadt bedorven sap

Met een elektrode in de verpakking kan worden nagegaan of frisdrank of melk bedorven is. Want bacteriën maken de drank beter geleidbaar voor elektriciteit....

OM DE KWALITEIT van een pak sinaasappelsap te controleren, kan de fabrikant tot dusver maar één ding doen: openmaken. Maar al is de inhoud in orde, het pak is na zo'n test niet meer verkoopbaar. Eén op de tweehonderd pakken bereikt om die reden nooit de winkelschappen. Het kost de fabrikanten handenvol geld, maar ze geven dat liever uit dan dat ze pakken drank het land in sturen die door een productiefout vol bacteriën zitten.

'Eigenlijk is die steekproefmethode raar', zegt dr. S. Nihtianov van de Technische Universiteit Delft. 'Als je een computer of een televisie koopt, weet je dat elk apparaat afzonderlijk is getest door de fabrikant. Maar als je een pak melk koopt, weet je zeker dat de inhoud van dat pak niet is getest.'

Hoogste tijd dus om een methode te ontwikkelen waarbij ieder pak gecontroleerd wordt zonder het open te maken, vonden Nihtianov en zijn collega's bij de vakgroepen Elektronica en Microbiologie. Dat is veiliger voor de consument en bespaart de fabrikant een hoop geld. De vraag is alleen hoe je aan de buitenkant van een pak lang houdbare melk of vruchtensap kunt zien of er iets aan de inhoud mankeert.

Gelukkig geven de bacteriën die bederf veroorzaken allerlei signalen af. Ze doen zich tegoed aan de voedingsstoffen in de drank en zetten die om in warmte en afvalstoffen, waaronder vaak gassen die het pak bol doen staan. Zowel temperatuurverschillen als volumetoename zijn nauwkeurig vast te stellen, maar daarvoor moet wel minstens 24 uur achter elkaar worden gemeten. Bacteriën doen namelijk ook wel eens een dutje en als er net tijdens zo'n rustpauze wordt gemeten, glippen ze door de controle.

Een fabriek met een productiesnelheid van enkele pakken per seconde kan uiteraard niet een volle dag per pak uittrekken om de kwaliteit te toetsen. Vandaar dat Nihtianov zich concentreerde op een andere meetmethode: impedantie, ofwel: elektrische geleidbaarheid. De afvalstoffen van de meeste bacteriën bevatten meer elektrisch geladen deeltjes dan de oorspronkelijke voedingsstoffen. Daardoor geleidt de bedorven drank elektriciteit beter.

'Het grote voordeel is dat de verandering in chemische samenstelling permanent is', vertelt Nihtianov. 'Je moet het pak wel een dag of zo opslaan om eventuele bacteriën hun werk te laten doen, maar daarna kun je binnen een seconde meten of de impedantie de juiste waarde heeft. Zodoende kun je het tempo van de productielijn bijhouden.'

'Wanneer het allemaal zo eenvoudig was als ik het nu vertel, had iemand anders voor mij het natuurlijk al bedacht', vervolgt Nihtianov. Toen de Bulgaarse onderzoeker voor het eerst een pak gesteriliseerde melk tussen twee elektroden legde om de impedantie vast te stellen, mat hij niets.

Het probleem is dat pakken voor lang houdbare producten (waar het bacterieprobleem speelt) behalve een dikke laag papier en drie dunne laagjes polyethyleen een laagje aluminium bevatten, dat binnendringen van zuurstof moet voorkomen. Nihtianov wilde weten hoe goed de melk de stroom tussen de twee elektroden geleidde, maar het aluminium fungeerde als een zogenoemde kooi van Faraday en leidde de stroom om de melk heen.

De conclusie was onvermijdelijk: om de impedantie te kunnen meten, moest het ontwerp van het pak worden aangepast. Dat was niet iets waar de ingenieurs van opdrachtgever Tetra Pak blij mee waren. Nihtianov: 'De productie van drankpakken is sterk geoptimaliseerd. Iedere verandering maakt het pak duurder en in eerste instantie ook minder betrouwbaar.'

Nihtianov kreeg Tetra Pak echter zover dat het bedrijf voor hem een aantal speciale pakken melk produceerde, waar een extra metalen lipje tussen de naad van het pak was gelijmd. De ene kant van het lipje stond in contact met de drank, het andere met de buitenlucht. Omdat ook het aluminium aan de buitenkant voor elektriciteit toegankelijk was, beschikte Nihtianov nu over twee in het pak geïntegreerde elektroden.

Daar bleek prima mee te meten. Vervormingen van het pak bleken geen invloed te hebben, zolang in het pak de directe omgeving van het lipje maar vlak was. Omdat in die omgeving het grootste deel van de stroom loopt, is het voldoende als daar de afstand tussen lipje en aluminium constant is.

Wel moet het isolerende laagje polyethyleen tussen het aluminium en de drank een constante dikte hebben, want variatie daarin beïnvloedt de impedantie ook. Gelukkig kan de huidige drankpakkentechnologie die constante dikte garanderen. Verder is het een kwestie van calibreren: als de impedantie van een gezond pak melk bekend is en alle andere factoren blijven hetzelfde, dan wordt een afwijkende impedantie veroorzaakt door afwijkende drank.

Om de methode te testen, bracht Nihtianov met een injectienaald bacteriën in een pak. Het gaatje dichtte hij met een bandenplakkertje. Vervolgens zette hij spanning op de elektroden. Bij een wisselstroomfrequentie van één megahertz gedroeg de impedantie zich zoals te verwachten viel bij bacteriële besmetting, bij één kilohertz waren er forse afwijkingen.

Het gaatje in het aluminium, veroorzaakt door de naald, bleek een stoorzender - een nuttige stoorzender wel te verstaan. Nihtianov: 'We kunnen door de frequentie te variëren dus niet alleen bacteriële activiteit meten, maar ook beschadigingen aan de binnenkant van de verpakking. Dat is relevant, want het aluminium mag niet met de inhoud in aanraking komen, omdat de drank daardoor sneller achteruit gaat.'

Al met al bleek Nihtianovs meetmethode 30 tot 40 procent beter dan de bestaande, die bovendien alleen in een laboratorium toepasbaar zijn, niet aan de lopende band. 'En dat terwijl we bang waren dat we op de nauwkeurigheid zouden moeten inleveren.'

Nu het pak met de elektrode af is, zet Nihtianov de volgende stap: het ontwikkelen van een machine die de pakken in een moordend tempo kan controleren. Hij denkt dat een meetcyclus binnen eentiende seconde moet kunnen worden afgerond. Het grootste deel van die tijd is nodig om het pak op zijn plek te zetten en weer af te voeren, niet voor de eigenlijke meting. De ontwikkeling van een prototype gaat een jaar of drie duren, denkt hij. Tot die tijd zal de consument het met de huidige verpakkingen moeten doen.

Christian Jongeneel

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden