Leichte Sprache
AG Verpackung und Lagerung
Ziel dieser Arbeitsgruppe ist es, ein integriertes System zu entwickeln, das Sensoren und mathematische Modelle kombiniert, um Verpackungs- und Lagerbedingungen für Obst und Gemüse zu optimieren. Durch den Einsatz von Sensortechnologie, mathematischer Modellierung und datengesteuerten Kontrollstrategien soll die Qualität verbessert und die Haltbarkeit von Frischprodukten während der Lagerung verlängert werden (siehe auch "Verpackungen neu denken").
Unsere Forschungsthemen sind:
Der Atmungssensor ermöglicht die Echtzeitüberwachung von Gasen bei der Lagerung von Frischprodukten. Ausgestattet mit einem optischen O2-Sensor (0-25%-Bereich) und zwei CO2-Sensoren (0,5%- 20%-Bereich) liefert er wichtige Daten über die O2- und CO2-Konzentrationen. Das modulare System, das erfolgreich für die Überwachung der Atmung von Früchten in der kommerziellen Apfellagerung eingesetzt wird, zeigt Potenzial für die In-situ-Überwachung und die Integration in die RQ-basierte DCA-Lagerung. Es muss jedoch noch weiterentwickelt werden, um die Effizienz, Effektivität, Datenanalyse und Hardware-Integration zu verbessern.
Luftströmungssensor zur Messung der Luftgeschwindigkeit zwischen in Großbehältern gelagerten Früchten. Um die Luftströmung zu optimieren und die Kosten für die Kühlung von landwirtschaftlichen Erzeugnissen zu senken, ist das Verständnis der räumlichen Verteilung der Strömung entscheidend. Daher wurde ein omnidirektionaler Luftströmungssensor entwickelt, um die Luftgeschwindigkeit zwischen gartenbaulichen Produkten zu messen, die in Großbehältern gelagert werden. Dieser Sensor verbessert das Verständnis der Luftströmungsbedingungen in der Nähe der gelagerten Produkte und ermöglicht letztendlich verbesserte Qualitätserhaltung von Obst und Gemüse im Kühllager.
Kondensationssensor für die Obstkühlung und -lagerung:
Um die Qualität von gelagertem Obst zu erhalten, ist die Regulierung von Luftfeuchtigkeit und Kondensation von entscheidender Bedeutung. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurde ein Kondensationssensor entwickelt, der Oberflächenkondensation auf Obst direkt erfasst. Der Sensor besteht aus einer 0,1 mm dicken, elektrisch leitfähigen Folie, die auf eine handelsübliche flexible Leiterplatte (PCB) aufgebracht ist. Diese enthält interdigitale Fingerelektroden auf einer einzigen 0,1 mm dicken Polyimidfolie, die direkt auf der Obstoberfläche befestigt wird. Der Sensor dient dazu, die Bildung, das Verbleiben und die Verdunstung von Kondenswasser auf Apfeloberflächen unter verschiedenen Nacherntebedingungen zu überwachen, darunter Temperaturschwankungen und Wiedererwärmung. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, Echtzeit-Sensormessungen in Modelle zur Vorhersage der Haltbarkeit zu integrieren, um optimierte Kühlstrategien und ein proaktives Kondensationsmanagement bei der Obstlagerung und in anderen Kühlkettenumgebungen zu ermöglichen.
Der Wärmestromsensor wurde entwickelt, um die Wärmeübertragung bei der Kühlung von Obst zu messen. Er erfasst den anfänglichen Wärmestrom von den Produkten zur Umgebung und überwacht die Temperaturschwankungen während der Langzeitlagerung, die durch die Kompressorzyklen und die Atmungswärme der Früchte verursacht werden. Dieser Echtzeitsensor, der auf einem Peltier-Element (PE) basiert, ermöglicht ein Verständnis des Wärmeaustauschs zwischen der Frucht und dem Kühlsystem. Die vom Sensor gelieferten Daten helfen bei der Modellierung und der Gestaltung neuer Kühlsysteme, mit dem Ziel, die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu verlängern und die Energieeffizienz zu erhöhen.
Unsere Entwicklung von Verpackungen basiert auf mathematischen Modellen, die Faktoren wie Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit, Atmungsrate und Transpiration der jeweiligen Früchte berücksichtigen. Wir beachten auch die Lagertemperatur, die Verpackungsgröße, die Produktmenge und die optimalen O2-, CO2- und Feuchtigkeitsbedingungen, um die Feuchtigkeitskondensation zu minimieren. Auf der Grundlage unseres technischen Fachwissens haben wir mathematische Prognosemodelle für das Verpackungsdesign und die Haltbarkeit von Frischprodukten entwickelt. Diese Modelle werden für ausgewählte Verpackungsmaterialien verwendet und mit Simulationen und Validierung im Labor- und Handelsmaßstab für eine Reihe von Produkten getestet.
Ethylenmodellierung für Obstverpackungen. Dieses integrative Modell beschreibt die Ethylenproduktion von Obst, die Übertragung durch die Verpackung und Perforationen sowie die Bindung durch Ethylenbinder. Es prognostiziert die Ethylenakkumulation im oberen Bereich der Verpackung unter verschiedenen Temperaturbedingungen sowie bei unterschiedlichen Verpackungskonfigurationen hinsichtlich Größe und Anzahl der Perforationen, Produktmassen und Kinetiken der Ethylenbinder. Über eine webbasierte Simulationsschnittstelle lässt sich das Modell als leicht zugängliches Design-Tool zur Evaluierung von Verpackungsoptionen und zur Entscheidungsfindung zur Optimierung der Haltbarkeit nutzen.
Die Integration von mathematischen Modellen, Sensoren und elektronischen Modi ist ein wirksamer Ansatz für die Echtzeitkontrolle des O2- und CO2-Gehalts in Lager- oder Transportbehältern für Frischprodukte. Ein mathematisches Modell, das die Atmungsrate und den Gasaustausch durch eine perforierte Rohr-Gebläse-Einheit ausgleicht, ermöglicht eine indirekte Gasregelung auf Basis der Temperatur. Thermoelemente überwachen die Behältertemperatur und veranlassen das Gebläse, seinen Betrieb anzupassen, wenn Abweichungen auftreten. Das Modell schätzt die Einschaltzeit des Gebläses, um die O2-Konzentration durch den Luftaustausch zwischen der inneren und äußeren Atmosphäre des Behälters zu regulieren. Derzeit eignet sich das Konzept für CO2-tolerante Waren mit höherer CO2-Kontrolle (>15%). Weitere Forschung ist erforderlich, um diesen Ansatz in realen Lieferketten mit variablen Temperaturschwankungen umzusetzen.
Digitale Zwillinge für die Obstlagerung. Der Fokus unserer jüngsten Arbeiten liegt auf digitalen Zwillingen für die gewerbliche Obstlagerung. Verteilte Sensoren messen die lokalen Bedingungen, denen das Obst ausgesetzt ist. Dazu gehören Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit, Oberflächentemperatur des Obstes, Luftströmung, Wärmefluss und Oberflächenfeuchte. Diese Messwerte werden drahtlos übertragen und in Echtzeit verarbeitet. Physikalisch basierte Modelle nutzen die Live-Sensordaten, um das Unterschreiten des Taupunkts zu berechnen, Kondensation und Verdunstung vorherzusagen, die Dauer der Oberflächenfeuchte abzuschätzen und die durch Transpiration, Atmung und Kondensation verursachten Veränderungen der Fruchtmasse zu ermitteln. Die Plattform wurde während der kommerziellen Apfellagerung mit mehreren drahtlosen und kabelgebundenen Sensoreinheiten getestet. Sie kombiniert LoRa-basierte Kommunikation, Echtzeit-Datenverarbeitung, Modelldienste und Visualisierung über ein Dashboard. Das System unterstützt derzeit die Überwachung und Auswertung. Automatische Risikowarnungen und eine geregelte Lagersteuerung sind zukünftige Entwicklungsschritte.
Ethylen-Vorhersage in Echtzeit für die Obstlagerung. Wir entwickeln eine modellbasierte, digitale Plattform, die Live-Messungen von Temperatur, Sauerstoff, Kohlendioxid und Luftstrom mit dynamischen Modellen zur Ethylenproduktion, -abfuhr und -transport kombiniert. Mithilfe von Sensordaten wird das Modell kontinuierlich aktualisiert, um die Ethylenkonzentration zu schätzen, ohne dass dichte Netzwerke spezieller Ethylensensoren erforderlich sind. Zustandsbeobachter-Methoden reduzieren das Messrauschen, die räumliche Modellierung schätzt die Ethylenverteilung und eine Unsicherheitsanalyse quantifiziert die Zuverlässigkeit der Vorhersage. Dieser Ansatz wird in kontrollierten Obstlagerungsexperimenten validiert und soll eine skalierbare digitale Überwachung sowie Entscheidungshilfen für die Lagerung nach der Ernte ermöglichen.
Mitarbeiter*innen der AG
Promovierende:
Antonietta Eliana Barrasso
Gastwissenschaftler*innen:
Manfred Linke
Dr. Reiner Jedermann