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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 Obstkühlung und Kühllagerung: Um die Qualität der gelagerten Früchte zu erhalten, ist das Management von Feuchtigkeit und Kondensation von entscheidender Bedeutung. Ein selbst entwickelter Kondensationssensor misst die direkte Kondensation auf der Fruchtoberfläche. Er besteht aus einem 0,1 mm dicken, elektrisch leitfähigen Film, der auf der Fruchtoberfläche angebracht ist. Dieser Feuchtigkeitssensor untersucht die Kondensations- und Verdunstungsphasen von Wasserdampf auf der Apfeloberfläche unter verschiedenen Nachernteszenarien, einschließlich Temperaturschwankungen und Wiedererwärmung. Das nächste Ziel ist die Integration von Live-Sensordaten mit Haltbarkeitsmodellen für eine optimale Kühlung und ein Echtzeit-Kondensationsmanagement in der Obstlagerung und und Produktumgebung mit niedriger Temperatur.
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 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.
Bei der Lagerung von Obst wird Kühlmanagement mit Hilfe digitaler Technologie erforscht, um die langzeitige Lagerung insbesondere bei Äpfeln und Birnen zu optimieren.. Herkömmliche Kühlsysteme werden in der Regel im Teillastbereich betrieben, was zu überdimensionierten Konstruktionen führt, die auf vereinfachten linearen Wärmelastberechnungen während der kurzen anfänglichen Abkühlphase basieren. Unsere Arbeit konzentriert sich auf das Verständnis der Wärmeübertragung in Früchten und großen Lagerbehältern, um die transiente Wärmelast während der Kühlphase zu berechnen. In einer Forschungskooperation untersuchen wir auch die Auswirkungen der Dauer der Kühlphase auf die Erhaltung der Produktqualität und die Energieeffizienz zukünftiger Kühlsysteme unter Verwendung alternativer Kältemittel.
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.
Der Matlab-Code simuliert die Luftzusammensetzung im Freiraum der Verpackung und die Haltbarkeit, indem er die Eigenschaften des Produkts, der Verpackung und der Atmosphäre durch gewöhnliche Differentialgleichungen integriert. Dieses flexible Simulationssystem reduziert den Bedarf an kostspieligen und zeitaufwändigen experimentellen Verfahren bei der Auswahl optimaler Verpackungsmaterialien für Frischprodukten. Es hilft bei der Planung der Perforationsgröße und -anzahl für Verpackungen mit modifizierter Gleichgewichtsatmosphäre (EMAP), entweder für einheitliches Material oder in Kombination mit Materialien, die eine höhere Wasserdurchlässigkeit oder aktive Feuchtigkeitsabsorber aufweisen. Außerdem wird die Haltbarkeit von Frischwaren unter den tatsächlichen Bedingungen der Lieferkette vorhergesagt. Weitere Informationen, einschließlich des Code-Downloads, finden Sie in der Open-Access-Veröffentlichung von Jalali et al. (2021).
Modell für Simulation der Ethylenakkumulation in Obstverpackungen. Dieses integrative mathematische Modell berücksichtigt den Ethylentransport (durch eine perforierte Verpackung), die Ethylenproduktion (der Frucht) und den Ethylenabbau (durch den Scavenger) in einer Obstverpackung. Mit Hilfe von MATLAB prognostiziert das Modell die Ethylenakkumulation im Luftraum der Verpackung auf der Grundlage verschiedener Parameter, die sich auf die Verpackung, die Frucht, den Scavenger und die Bedingungen der Lieferkette beziehen. Diese Analyse ermöglicht die Optimierung von Verpackungsmaterialien, um die Haltbarkeit von Frischprodukten zu verlängern und Nachernteverluste zu minimieren.
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.
Mitarbeiter*innen der AG
Promovierende:
Akshay Sonawane
Tuany Hoffmann
Yogesh Kalnar
Gastwissenschaftler*innen:
Manfred Linke
Dr. Reiner Jedermann