DE102021004464B4

DE102021004464B4 - Verfahren zur Regelung eines Trocknungsverlaufes eines landwirtschaftlichen Produktes

Info

Publication number: DE102021004464B4
Application number: DE102021004464.9A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bubser; Albert Esper; Timm Gabriel Esper; Matthias Fischer
Original assignee: Innotech Ingenieurs GmbH
Current assignee: Innotech Ingenieurs GmbH
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2024-06-06
Anticipated expiration: 2041-09-01
Also published as: DE102021004464A1

Abstract

Verfahren zur Regelung eines Trocknungsverlaufes eines landwirtschaftlichen Produktes in einem Trockner, mit einem Gebläse zur Förderung von Trocknungsluft an das landwirtschaftliche Produkt, mit einer Heizeinrichtung zur Erwärmung der Trocknungsluft und mit einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zur Regelung einer Einrichtung zur Steuerung von Prozessparametern, wie der Temperatur und/oder der Feuchte in dem Trockner, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Prozessparameter nach Maßgabe vorgegebener und/oder während des Trocknungsverlaufes kontaktlos ermittelter Qualitätsmerkmale des Trocknungsgutes, wie dessen Farbe und/oder dessen Vitamin-C-Gehalt durch kontinuierliche Farbmessung und Ermittlung der Farbabstände oder der Reflexionsspektren erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Trocknungsverlaufes eines landwirtschaftlichen Produktes in einem Trockner mit einem Gebläse zur Förderung von Trocknungsluft an das landwirtschaftliche Produkt, mit einer Heizeinrichtung zur Erwärmung der Trocknungsluft und mit einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zur Regelung einer Einrichtung zur Steuerung von Prozessparametern, wie Temperatur und/oder Feuchte in dem Trockner, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Produkte aus landwirtschaftlicher Produktion pflanzlichen oder tierischen Ursprungs und auch daraus abgeleitete Produkte zur Herstellung von Pharmazeutika und dergleichen werden in der Regel unter Einsatz von jeweils für das betreffende Produkt geeigneten Trocknerbauarten in einen Zustand überführt, in dem sie eine Lagerstabilität bei gleichzeitiger Bewahrung der Produktqualität über einen für den Endverbraucher ausreichend langen Zeitraum erreichen. Insbesondere landwirtschaftliche Produkte haben eine natürliche Anfangsfeuchte von etwa 35% oder mehr und deren Lagerstabilität wird meist erst bei einer Feuchte von 15% bei pflanzlichen Produkten und unterhalb von 20% bei Produkten tierischen Ursprungs erreicht.
Bei der Trocknung beispielsweise von Obst, Gemüse oder Heilpflanzen aber auch von Fleisch werden die Produkteigenschaften verändert. Diese Änderungen hängen u.a. von der Bauart des verwendeten Trockners und dessen Prozessparameter, wie Luftgeschwindigkeit, Lufttemperatur und der Luftfeuchte der Trocknungsluft ab und betreffen Qualitätsmerkmale der landwirtschaftlichen Produkte, wie etwa deren Farbe und deren mechanischen und chemischen Eigenschaften. Zu nennen ist hier etwa deren Gehalt an Vitaminen, Zuckern oder Säuren.
Die Trocknungsbedingungen, wie der Temperatur- und Feuchteverlauf werden nach dem heutigen Stand der Technik anhand von Erfahrungswerten vorgegeben. Regelkonzepte folgen hier vorprogrammierten Temperatur- und Feuchteverläufen, die mehr oder weniger fein auf das Produkt abgestimmt sind. Qualitätsmerkmale, wie die Farbe des landwirtschaftlichen Produktes, gehen bislang nicht in die Regelung der Trocknungsbedingungen ein und werden erst nach Abschluß der Trocknung kontrolliert. Somit hängt die erreichte Qualität des landwirtschaftlichen Produktes von der eingestellten Prozessführung und damit von der Erfahrung des Anwenders ab.
Änderungen dieser Eigenschaften sind während des Trocknungsvorganges von besonderem Interesse, bedürfen aber zu deren Ermittlung bzw. Messung bisher einer Unterbrechung des Trocknungsprozesses und eine Entnahme von Proben des landwirtschaftlichen Produktes. Es sind demnach Eingriffe in den Trocknungsprozess und Unterbrechungen des Trocknungsprozesses erforderlich. Zudem werden die Proben bei einigen Messungen zerstört.
Bei der Trocknung beispielsweise von Obst oder Gemüse ist es jedoch erforderlich, während des gesamten Trocknungsverlaufes Qualitätsänderungen des landwirtschaftlichen Produktes zu erfassen. Dadurch lassen sich gewünschte Endqualitäten des landwirtschaftlichen Produktes optimal erreichen und es ist die Gefahr vermieden, daß wichtige Nähr- oder Inhaltstoffe des landwirtschaftlichen Produktes zerstört werden.
Die DE 10 2019 003 437 A1 beschreibt eine Trocknungsvorrichtung für landwirtschaftliche Produkte, mit einem Gehäuse und mit einem Gebläse und einer Heizeinrichtung für von dem Gebläse geförderter Trocknungsluft, die an zumindest ein Trocknungselement mit Trocknungsgut geführt ist. Durch eine Gebläsedrehzahlregelung, eine Regelung der Heizleistung der Heizeinrichtung und durch die Regelung der Klappenstellung läßt sich von einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung die Trocknung des Trocknungsgutes in Abhängigkeit von den aktuellen Gutfeuchte-Gehalten und/oder der Oberflächentemperatur des Trocknungsgutes steuern. Es ist ferner eine Übergabeeinheit für das Trocknungselement vorgesehen, die es ermöglicht, daß das Trocknungselement horizontal und/oder vertikal in eine andere, über, unter oder neben der Position des Trocknungselementes liegende Position überführt werden kann. Dadurch ist die Trocknungsdauer und der Energieeinsatz minimiert und es kann die Endqualität des Trocknungsgutes gesteigert werden.
Die DE 10 2005 047 524 A1 beschreibt ein Verfahren zum Optimieren des Betriebes von Trocknern für schüttfähiges Gut. Es wird ein Probentrockner verwendet, wobei in absätziger Weise der Gewichtsverlust der Gutprobe zeitabhängig erfaßt wird und eine Probenmeßkurve über die Feuchte der Gutprobe in Abhängigkeit von der Zeit gewonnen wird. Die Probenmeßkurve wird mit Referenzmeßkurven für früher gemessene Proben von in technischen Guttrocknern getrockneten Gütern verglichen. Aus der Datensammlung wird eine zu der Probenmeßkurve passende Referenzmeßkurve entnommen, deren hinterlegte Betriebsparameter wiederum für das Trocknen des betreffenden Gutes genommen werden.
Die DE 197 43 378 A1 beschreibt einen Hordentrockner in dessen Trockenraum mehrere Horden übereinander angeordnet werden können. In einer Gebläsekammer ist ein Gebläse angeordnet, welches an die Horden Trocknungsluft führt, die zudem von einer Heizeinrichtung erhitzt werden kann. Der Hordentrockner eignet sich für die Trocknung landwirtschaftlicher Produkte.
Die bekannten Trocknungsvorrichtungen und Verfahren zur Regelung eines Trocknungsverlaufes eines landwirtschaftlichen Produktes in den Trocknungsvorrichtungen lassen hinsichtlich erzielbarer Produktqualität, Energieverbrauches und der Trocknungsdauer noch Wünsche offen.
Der Erfindung liegt ausgehend von dem genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung eines Trocknungsverlaufes eines landwirtschaftlichen Produktes anzugeben, bei dem die Prozessparameter adaptiv in Abhängigkeit von den sich ändernden Qualitätsmerkmalen während der Trocknung, die kontaktlos ermittelt werden, geregelt sind.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 in seiner Gesamtheit gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, daß die Regelung der Prozessparameter nach Maßgabe vorgegebener und/oder während des Trocknungsverlaufes kontaktlos ermittelter Qualitätsmerkmale des landwirtschaftlichen Produktes, wie dessen Farbe und/oder dessen Vitamin-C-Gehalt durch kontinuierliche Farbmessung und Ermittlung der Farbabstände oder der Reflexionsspektren erfolgt, ist ein Verfahren zur Regelung eines Trocknungsverlaufes eines landwirtschaftlichen Produktes angegeben, das es bei Erreichung einer optimale Endqualität des Trocknungsgutes ermöglicht, daß Qualitätsmerkmale oder Produkteigenschaften und dessen Veränderungen im Laufe der Trocknung ohne Unterbrechung und zerstörungsfrei ermittelt und überwacht werden können. Das zerstörungsfrei in Bezug auf das landwirtschaftliche Produkt fortlaufend während des Trocknungsvorganges jeweils ermittelte Qualitätsmerkmal steuert das Trocknungsverfahren.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Trocknungsverfahrens weist die Einrichtung zur Steuerung von Prozessparametern ein System zur fortlaufenden Farberkennung des landwirtschaftlichen Produktes während der Trocknung auf. Die fortlaufende Ermittlung der Farbe oder des Farbabstandes eines landwirtschaftlichen Produktes während der Trocknung ist korreliert mit der Änderung von Inhaltsstoffen des landwirtschaftlichen Produktes, wie z.B. dessen Vitamin C-Gehaltes.
Unter Anwendung eines spektralen Verfahrens in einem Ausführungsbeispiel des Trocknungsverfahrens wird ein Reflexionsspektrum in weitem Spektralbereich kontinuierlich ausgewertet.
Berührungslos erfassbar, insbesondere optisch meßbar sind die Farbe, die Größe des landwirtschaftlichen Produktes oder auch dessen Oberflächenbeschaffenheit und Gewicht.
Bei der Anwendung eines Spektrometers wird das Reflexionsspektrum zerlegt. Die Wahrnehmung der Farbe eines landwirtschaftlichen Produktes hängt demnach von dem reflektierten Spektrum dessen selbst ab. Dabei wird der zwischen etwa 380 nm und 780 nm liegende Anteil vom menschlichen Auge in unterschiedliche Empfindlichkeitsbereiche rot, grün und blau fraktioniert.
Bei einem bildgebenden Analyseverfahren der jeweiligen Farbe eines landwirtschaftlichen Produktes kann die Dreibereichsmessung etwa mit einer RGB-Kamera (rot, grün, blau) angewandt werden. Diese messen mit Kolorimetern mit dem menschlichen Auge ähnlichen drei Kanälen und geben drei Werte aus, die einen Farbwert definieren.
Die Empfindlichkeit der genannten drei Farbkanäle entspricht nicht exakt dem menschlichen Farbempfinden.
Besonders zur Bestimmung von Farbänderungen sind solche Unterschiede jedoch gut geeignet.
Anhand der Farbwerte, aber auch der ermittelten, aktuellen Form des landwirtschaftlichen Produktes während der Trocknung kann auf die jeweils interessierenden Qualitätsmerkmale rückgeschlossen werden und bei Bedarf die Prozessparameter geändert werden.
Die optischen Änderungen von Farbspektren des landwirtschaftlichen Produktes lassen sich beispielsweise während der Trocknung auch sehr gut durch eine hyperspektrale Bildgebung eines hyperspektralen Kamerasystems messen.
Mit solchen Kamerasystemen lassen sich auch als Qualitätsparameter biochemische Bestandteile einer Probe quantitativ und qualitativ erfassen. Die hyperspektrale Bildgebung vereint Elemente der optischen Spektrometrie mit ortsauflösender Bildgewinnung.
Das landwirtschaftliche Produkt wird hierbei Punkt für Punkt oder Zeile für Zeile vermessen. Dies erfolgt, indem das landwirtschaftliche Produkt und das hyperspektrale Kamerasystem relativ zueinander bewegt werden.
Es entsteht ein hyperspektrales Bild des landwirtschaftlichen Produktes auf Basis von einer großen Anzahl spektraler Kanäle eng benachbarter Wellenlängenbereiche. Im Gegensatz zu Kamera und Spektrometern können so räumliche und spektrale Information der Einzelproben gleichzeitig ermittelt werden.
Ein weiteres, vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist durch die Anwendung eines Punktspektrometers charakterisiert, mit Hilfe dessen die optischen Änderungen von Farbspektren des landwirtschaftlichen Produktes während der Trocknung gemessen werden können. Das von dem landwirtschaftlichen Produkt reflektierte Spektrum wird zerlegt und von einem Detektor registriert. Mit Punktspektrometern können verschiedene Merkmale und Eigenschaften einer Probe oder an einer bestimmten Stelle der Probe ermittelt werden. Punktspektrometer arbeiten mit der in einem Glasfaserkabel geführten, reflektierten Strahlung des landwirtschaftlichen Produktes, wobei die reflektierte Strahlung beim Eintritt in den Punktspektrometer eine Blende und einen Filter passiert.
Der Filter läßt den vorgesehenen Wellenlängenbereich passieren. Die die Blende und den Filter passiert habende Strahlung trifft dann auf einen Kollimationsspiegel und wird von diesem auf einem Bewegungsgitter fokussiert. Hernach streut das Bewegungsgitter die verschiedenen Wellenlängenbereiche der Strahlung auf einen fokussierenden Spiegel, der wiederum die Strahlung über eine Kollektorlinse auf einen Detektor leitet.
Der Detektor wandelt die Strahlung in ein digitales Signal um.
Für jeden Meßpunkt am landwirtschaftlichen Produkt erhält man so Informationen über das gesamte, vom Punktspektrometer meßbare Spektrum.
Zu den durch die skizzierte Farbmeßmethoden ermittelbaren Qualitätsmerkmale des landwirtschaftlichen Produktes zählen auch Fette, Zucker, Stärke, Allergene aber auch organoleptische Größen wie die Härte des landwirtschaftlichen Produktes.
Die Korrelation dieser Qualitätsmerkmale mit den ermittelten Farbwerten und - kenngrößen ist/wird aus Ergebnissen von einzelnen Forschungsarbeiten bekannt.
Ferner läßt sich mit der Methodik auch die aktuelle Produktfeuchte des landwirtschaftlichen Produktes, sowie die Feuchteverteilung in dem landwirtschaftlichen Produkt ermitteln.
Der Einsatz von multispektralen Flächenkameras zur Erfassung aktueller Qualitätsmerkmale und zur jeweiligen Anpassung von Prozessparametern während der Trocknung ist ebenso möglich.
Die Regelung der Prozessparameter erfolgt vorzugsweise und in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel nach Maßgabe von KI-Algorithmen.
Hierzu sind zuerst eine sehr große Zahl an Einzelversuchen erforderlich, deren Ergebnisse belastbar, reproduzierbar sein müssen um Korrelationen zwischen den verschiedenen kontaktlos ermittelten Qualitätsmerkmalen mit den Prozessparametern zu ermitteln.
Diese Daten dienen zur Ermittlung der KI-Algorithmen, die wiederum dann zur Steuerung der Prozessparameter anhand der fortlaufend ermittelten Qualitätsmerkmale während eines Trocknungsvorganges herangezogen werden können.
Ausgehend von den genannten Datensätzen und Meßergebnissen in repräsentativem Umfang können die Prozessparameter in der Art von Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsprofilen der Trocknungsluft über die Trocknungsdauer gesteuert werden, ohne daß aktuelle Qualitätsparameter des zu trocknenden landwirtschaftlichen Produktes laufend ermittelt zu werden brauchen.
In einem besonders exakten und adaptiven Trocknungsverfahren können jedoch die Prozessparameter wie die Temperatur der Trocknungsluft, die relative Luftfeuchte der Trocknungsluft, die Luftgeschwindigkeit der Trocknungsluft, die Oberflächentemperatur des landwirtschaftlichen Produktes und das Gewicht des landwirtschaftlichen Produktes und dessen Veränderung über die Trocknungsdauer durch kontinuierliche Farbmessung und Ermittlung der Farbabstände oder der genannten Reflexionsspektren gesteuert werden.
Die Prozessparameter können so anhand der Ergebnisse von Real-Time-Messungen während des Trocknungsverlaufes geändert werden. Die zur Erhebung der Qualitätsparameter bzw. der damit eng korrelierten Farb-Kennwerte angewandten Sensoren können vorteilhaft während des Trocknungsverlaufes iterativ oder dauernd kalibriert werden.
Die in dem Verfahren verwendeten Prozessparameter können vorzugsweise eine Luftfeuchte von 10% bis 80%, eine Lufttemperatur von 50° C bis 70° C und eine Luftgeschwindigkeit von 0,5 m/s bis 1,5 m/s sein.

Claims

Verfahren zur Regelung eines Trocknungsverlaufes eines landwirtschaftlichen Produktes in einem Trockner, mit einem Gebläse zur Förderung von Trocknungsluft an das landwirtschaftliche Produkt, mit einer Heizeinrichtung zur Erwärmung der Trocknungsluft und mit einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zur Regelung einer Einrichtung zur Steuerung von Prozessparametern, wie der Temperatur und/oder der Feuchte in dem Trockner, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Prozessparameter nach Maßgabe vorgegebener und/oder während des Trocknungsverlaufes kontaktlos ermittelter Qualitätsmerkmale des Trocknungsgutes, wie dessen Farbe und/oder dessen Vitamin-C-Gehalt durch kontinuierliche Farbmessung und Ermittlung der Farbabstände oder der Reflexionsspektren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein System zur fortlaufenden Farberkennung des landwirtschaftlichen Produktes umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Spektroskopie-Methode anwendet, um zumindest einen Inhaltsstoff des landwirtschaftlichen Produktes, wie den Vitamin-C-Gehalt fortlaufend zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein bildgebendes System zur Darstellung der Form und/oder der Farbe des landwirtschaftlichen Produktes einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Inhaltsstoffen auch Fette, Zucker, Stärke und Allergene gerechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Qualitätsparametern der Wassergehalt des landwirtschaftlichen Produktes und/oder organoleptischen Größen, wie die Härte des landwirtschaftlichen Produktes gerechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Prozessparameter nach Maßgabe von KI-Algorithmen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die KI-Algorithmen durch statistische Auswertungen von Versuchsergebnissen einer Vielzahl von Trocknungsversuchen ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozessparameter in der Art von Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsprofilen der Trocknungsluft über die Trocknungszeit gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozessparameter die Temperatur der Trocknungsluft, die relative Luftfeuchte, die Luftgeschwindigkeit der Trocknungsluft, die Oberflächentemperatur des landwirtschaftlichen Produkts und das Gewicht des landwirtschaftlichen Produktes und dessen Veränderung über die Trocknungsdauer sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Real-Time-Messungen und/oder Datensicherungen in Echtzeit vorgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozessparameter während des Trocknungsverlaufes anhand der Ergebnisse der Real-Time-Messungen während des Trocknungsverlaufes geändert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Steuerung der Prozessparameter eingesetzten Sensoren während des Trocknungsverlaufes iterativ oder dauernd kalibriert werden.