Entwicklung eines selbstlernenden Messsystems zur objektiven Geruchsbewertung von Kunststoffen
Projektleiter: Carmen Knobelsdorf
Projektnummer: BMWK / IGF - 21409 BR
Laufzeit: 01.01.2021 bis 31.12.2022
Aufgabenstellung
Die Geruchsprüfung von Kunststoffen erfolgt aktuell nahezu ausschließlich mit humansensorischen Prüfmethoden, die mit einem trainierten Sensorikpanel arbeiten. Bei diesen Methoden werden die Hedonik und die Intensität des Geruchs in einer Note zusammengefasst. Die humansensorischen Prüfungen haben neben einigen Vorzügen aber auch entscheidende Nachteile, wie die Rekrutierung, die Schulung und das Trainieren der Prüfer, die Subjektivität sowie Ermüdungs- und Adaptionserscheinungen der Prüfer, die begrenzte Anzahl an Geruchsprüfungen pro Tag und das Inhalieren gesundheitsschädlicher Substanzen. Ziel des Projektes war es deshalb, mit einem selbstlernenden Messsystem die Geruchsprüfung von Kunststoffen zu objektivieren und zu automatisieren.
Ergebnisse
Das entwickelte Messsystem extrahiert aus den aufgenommenen IMS-Spektren der Proben spezifische Informationen, die als Input-Daten für den angelernten SVM-Vorhersagealgorithmus dienen. Die Zielgrößen bilden die Geruchsnoten aus der humansensorischen Prüfung mit dem Sensorikpanel. Nach dem Training des Algorithmus mit repräsentativen Datensätzen kann das Messsystem die Geruchsnote für unbekannte Proben vorhersagen (Bild 1).
Das Messsystem wurde für PP-Neuware und für PP-Rezyklate aus Post Consumer und Post Industrial Abfallströmen validiert. Als bevorzugtes Vorhersagemodell wurde der Support-Vector-Machine-Klassifikator identifiziert. Für ein Testset aus unbekannten Proben ermittelte der SVM Geruchsnoten mit einer Abweichung von nur 0,38 Noten im Vergleich mit den Geruchsnoten des Sensorikpanels (Bild 2). Damit wurde der Nachweis erbracht, dass man den Geruch von Kunststoffen mit einem KI-basierten Messsystem bestimmen kann. Die Abweichungen zwischen den maschinellen und den humansensorischen Noten sind z. T. geringer als die zwischen verschiedenen Prüfern des Panels bzw. Prüflaboren.
Anwendung
Das entwickelte Messsystem liefert eine gute Übereinstimmung mit den Noten aus der humansensorischen Prüfung, läuft mit laborüblicher Rechnertechnik und generiert innerhalb weniger Minuten eine Geruchsnote. Damit sind die Voraussetzungen für die Weiterentwicklung zu einem kommerziellen Laborgerät geschaffen. In einem Folgeprojekt soll der Datenpool vergrößert, die Probenbreite auf glasfaserverstärkte und gefüllte PP-Typen erweitert und eine komfortable Bedieneroberfläche geschaffen werden.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 21409 BR der Forschungsvereinigung Werkstoffe aus nachhaltigen Rohstoffen e. V. (WNR) und der Forschungsvereinigung DECHEMA – Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.
