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Koordinierendes Institut

Verdunstungsmesszelle zur Charakterisierung der Umgebungsbedingungen von Frischmarktprodukten

Frischebereich mit zwei Verderbgrenzen

Problemstellung:

  • Unterteilung der Frischeverluste von Obst und Gemüse in der Nachernte in: 

    • Atmungsverluste (Inhaltsstoffe wie Vitamine, bioaktive Substanzen)
    • Transpirationsverluste (Wasserverluste) 

  • Inhaltsstoffverluste - vorrangig temperaturabhängig: können mit gebräuchlichen Temperaturdataloggern überwacht werden 
  • Transpirationsverluste - vorrangig abhängig von Wasserdampfpartialdruckdifferenz (zw. Produktoberfläche und Umgebung): existieren keine einfachen Hilfsmittel zur Prozesskontrolle 
  • Beeinflussung der Transpirationsintensität durch: 

    • Produktzustand
    • Umgebungsbedingungen (Luftströmung an der Produktoberfläche, Luftfeuchte in der Umgebung) 

  • Einschränkung der Transpiration durch: 

    • Selbstschutzfunktion (Überlagerung von Grenzschichten mehrerer Produkte)
    • künstliche Widerstände (Verpackungsmaterialien) 

  • unter praktischen Bedingungen mit vertretbarem Aufwand keine Kontrolle von An- und Umströmungsbedingungen von gartenbaulichen Produkten (ggf. in Verpackungen) möglich 

Material und Methoden:

Einsatz von Verdunstungsmesszellen (Verdunstungskugeln) mit ähnlichem Transpirationsverhalten wie reale Produkte zur Charakterisierung des Stoffüberganges zwischen Produkt und Umgebung

Visualisierung der Transpiration von realen Früchten und Prüfkörpern mittels Thermografie
Reale Früchte und Prüfkörper bei freier Konvektion
Verdunstungsmesszellen aus homogenen wasserhaltigen Materialien
Verdunstungskugeln und feuchtigkeitsspeicherndes Granulat in gequollenem Zustand
  • Ermitteln von Gewichtsdifferenzen pro Zeiteinheit von Prüfkörpern aus wasserhaltigen Materialien mit vergleichbaren Durchlässigkeiten und ähnlichen Formen/Abmessungen 
  • Einmessen unter definierten Bedingungen (z.B. uneingeschränkte freie Konvektion für einige Minuten) 
  • Ermitteln von Transpirationswiderstand bei bekanntem Grenzschichtwiderstand 
  • Plazieren der Messzelle am Messort (ggf. unter Luftabschluss bis zum Beginn des Messintervalls zwischenlagern), falls notwendig Temperaturangleich 
  • Ausmessen unter definierten Bedingungen (z.B. uneingeschränkte freie Konvektion für einige Minuten) 
  • Ermittlung der Veränderung des Materialwiderstandes im Messintervall 
  • bei Kenntnis von Lufttemperatur und Luftfeuchte in ausreichender Entfernung zum Produkt - Ermittlung des resultierenden Grenzschichtwiderstands (örtlich, zeitlich) bzw. der Stoffübergangszahl 
Verdunstungskugel

Schematischer Aufbau einer Verdunstungsmesszelle:

1 Kugelhülle
2 Verdunstungsöffnungen auf kleinem Teilkreisdurchmesser
3 Verdunstungsöffnungen auf großem Teilkreisdurchmesser
4 Einfüllöffnung
5 Feuchtigkeitsspeichermaterial trocken
6 Stopfen
7 Feuchtigkeitsspeichermaterial gequollen

Verdunstungskugel 2. Generation
mit strukturiertem Material
  • Befüllen der Kugel mit feuchtigkeitsspeicherndem Granulat (z. B. Polymere) in ungequollenem Zustand und der entsprechenden Menge Wasser oder in gequollenem Zustand 
  • andere Formen möglich, z.B. kegel-, zylinder- scheibenförmig 
  • Hülle kann auch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran, Gewebe oder Vlies sein 
  • Verdunstungsmesszelle kann weiterhin aus homogenem wasserhaltigen Material bestehen 
  • Nutzung von realen Produkten als Verdunstungsmesszellen möglich 

Nachteile realer Produkte für Messaufgabe: 

  • sehr differenzierte Ausgangszustände (z.B. bedingt durch Vorernteeinflüsse) 
  • Bestimmung der transpirationsaktiven Oberfläche nur näherungsweise möglich oder sehr aufwändig 
  • Veränderung des Gewebewiderstands (z.B. Reife) durch:  

    • verschiedene physiologische Aktivitäten des Produktes 
    • mikrobielle Aktivitäten (auch im noch nicht sichtbaren Stadium) 

  • wirken dementsprechend als Störgröße 

Ergebnisse und Diskussion:

  • Erfassen von Wasserabgaberaten (z.B. pro Zeit und Oberfläche), die Stoffübergangszahlen (Grenzschichtwiderstände) und Potentialdifferenzen (Wassergehalte der Luft) beinhalten 
  • Auftreten von Transpirationsverlusten infolge: 

    • bestimmter Produkteigenschaften (lokale Gewebewiderstände, Wasserpotentialverteilung, Temperaturverteilung, äußere Form, Abmessungen, Oberfläche und Oberflächenstruktur) und
    • von Umgebungsbedingungen (Lufttemperatur, Luftfeuchte, An- und Umströmungsbedingungen, Luftdruck) 

Einsatz von Verdunstungskugeln zur Schwachstellenanalyse in der Nacherntekette von Kopfsalat (im Zusammenwirken mit Temperaturdataloggern)

Technische Möglichkeiten und Vorteile:

  • preiswerte und einfache Möglichkeit zur Messung des Stoffübergangs (Wasserdampf) 
  • Verhinderung von Störungen der Umgebungsbedingungen an sensiblen Messorten (z.B. Wärmezufuhr bei Hitzdrahtanemometern zur Messung der Luftströmung) 
  • Erfassen von auch sehr kleinen Potentialdifferenzen zwischen Produkt und Umgebung (hervorgerufen durch hohe Luftfeuchten) bei Zwangsluftströmung 
  • Unempfindlichkeit der Verdunstungsmesszellen bei Taupunktunterschreitungen 
  • Durchführung der Untersuchungen unabhängig von Produkten und Jahreszeit 

Nachteile der Verdunstungsmesszelle: 

  • manueller Aufwand für Differenzwägungen 
  • genaue Messungen nur möglich, wenn Messzelle und Umgebung thermisch im Gleichgewicht sind 
  • können nur Mittelwerte über das jeweilige Messintervall erfasst werden 

Anwendungsmöglichkeiten: 

Nacherntebereich von Obst und Gemüse: 

  • Kontrolle der Umgebungsbedingungen in der Nacherntekette (Luftfeuchte und Luftströmung bei Zwischenlagerung, Transport und Präsentation) 
  • Optimierung von Verpackungen (Material und Formgebung, z.B. Anordnung und Abmessungen von Öffnungen) 
  • Kontrolle der Luftführung in großen Lager-, Kühlräumen (Äpfel, Birnen, Möhren, Zwiebeln, Kartoffeln) 
  • Optimierung der Betriebsweise von Steuerungsanlagen (Luftfeuchte, Luftvolumenströme, Lufttemperaturen, ...) 

Andere Frischmarktprodukte: 

  • Kräuter, Schnittblumen und Topfpflanzen 
  • Backwaren, ... 

Andere Bereiche: 

  • Klimaführung in Gewächshausanlagen und Aufzuchtanlagen (z.B. Speisepilze) 
  • Überwachung und Optimierung von Trocknungsprozessen (im niederen Temperaturbereich) 
  • Luftführung in Stallanlagen 
  • Klimatisierung von sonstigen Räumen, insbesondere mit großen Abmessungen

Fazit:

Verdunstungsmesszellen werden als preiswerte Alternative zu aufwändigen (und teuren) Datenerfassungssystemen (z.B. für die Luftfeuchtemessung bei höheren Wasserdampfkonzentrationen) gesehen, Systeme zur direkten Messung des Stoffüberganges (Wasserdampf) sind nicht bekannt. Im wissenschaftlichen Bereich können sie z.B. zur Validierung von komplizierten Strömungsmodellen (CFD-Modelle) genutzt werden.

 

 

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