DE69530940T2 - Steuerungssystem zur kontrolle der luftzusammensetzung von lagerräumen für atmungsaktive pflanzenprodukte - Google Patents
Steuerungssystem zur kontrolle der luftzusammensetzung von lagerräumen für atmungsaktive pflanzenprodukte Download PDFInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft allgemein ein System zur Steuerung der Luftzusammensetzung in einem Lagerraum für atmende Pflanzenprodukte,
- – wobei der Lagerraum mit Vorrichtungen zur Steuerung des Sauerstoffgehalts der Atmosphäre in dem Lagerraum verbunden ist, und
- – wobei der Lagerraum einen oder mehrere Sensoren) zur Messung der Luftzusammensetzung in dem Lagerraum enthält,
- – wobei weiterhin ein Prozessor zur Verfügung steht, welcher die Sensorsignale empfängt und Steuersignale zu Vorrichtungen zur Steuerung des Sauerstoffgehalts schickt.
- Derartige Systeme sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt. Zur Lagerung von Gemüse, Früchten oder kultivierten Pflanzenprodukten über eine längere Zeitspanne in einer Lagerzelle ist es bevorzugt, die Luftzusammensetzung innerhalb der Lagerzelle zu verändern, um eine Verbesserung der Lagerfähigkeit der gelagerten Produkte zu erhalten. Im allgemeinen wird insbesondere der Kohlendioxiddruck erhöht, wohingegen der Sauerstoffdruck verringert wird. Periodisch werden Luftproben genommen und analysiert, um insbesondere den Sauerstoffgehalt und/oder den Kohlendioxidgehalt zu messen. Falls der Sauerstoffdruck zu hoch ist, kann dieser Sauerstoffdruck dann herabgesetzt werden, beispielsweise durch Einführung von Stickstoff. Der Kohlendioxiddruck kann beispielsweise herabgesetzt werden, indem ein Teil der Luft in dem Lagerraum durch eine Vorrichtung zur Entfernung von CO2 aus der Luft geleitet wird. In Abhängigkeit von der Art der Produkte, welche in den Systemen des Standes der Technik zu lagern sind, wird der Sauerstoffdruck auf einen experimentiell bestimmten festen Prozentsatz eingestellt und die gewünschte Luftzusammensetzung kann durch Einführung des Stickstoffs und/oder durch Einführung oder Entfernung von Kohlendioxid aufrechterhalten werden.
- EP-A-0,457,431 offenbart ein System und ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung der Atmosphäre in Behältern durch Aufrechterhaltung gewünschter Konzentrationen an O2 und CO2. Um diese Selektion zu erreichen, ist das System auf Eingangs-Sollwerte und -Unempfindlichkeitsbereichswerte für die CO2-Konzentrationen und O2-Konzentrationen eingestellt. Ein ähnliches System wird auch in DE-A-4,302,474 offenbart, worin das O2-Niveau auf einen Sollbereich von 2 bis 5 % gesenkt wird.
- Ein signifikanter Nachteil dieser Systeme im Stand der Technik ist, dass in der Tat die gesamte Steuerung der Luftzusammensetzung auf einem vorgegebenen, empirisch bestimmten Nennwert für den Sauerstoffdruck basiert. Jedoch sollte dieser vorbestimmte Festwert nicht der beste Wert unter allen Umständen sein. Ferner wird dieser Parameter in Abhängigkeit von der Art der Pflanzen oder Früchte, die in dem jeweiligen Raum gelagert werden sollen, verschieden sein.
- Es wurden daher dynamische Steuerungssysteme entwickelt, um solche Probleme zu überwinden, wobei ein Beispiel eines solchen Systems in Wollin, A. S., Little, C. R. & Packer, J. S., „Dynamic Control of Storage atmospheres", Proc. 4th National Controlled Atmosphere Research Conference, 23.–26. Juli 1985 in Raleigh, North Carolina, USA, beschrieben ist. Dieser Artikel beschreibt die dynamische Steuerung der Lageratmosphäre durch die Messung des Respirationsminimums über die Bestimmung von O2 und CO2 oder durch die Messung des respiratorischen Quotienten (RQ). Es besteht jedoch immer noch Bedarf für ein System, welches eine bessere Leistung ergeben wird.
- Dementsprechend werden im Stand der Technik Lösungswege präsentiert, welche alle komplizierte Lösungen befürworten. So wird in Lalaguna, F. & Thorne, S., „Gas exchange between atmospheres of different oxygen concentrations" und „Cox's Orange Pippin apples", Proc. 3rd National Controlled Atmosphere Research Conference, 22.–24. Juli 1981 in Oregon, USA, die Verwendung verbesserter Geräte vorgeschrieben.
- In Wolfe, G. C. & Black, J. L., „Development of Computational learning control to extend storage of horticultural produce", Proc. 5th Australian Supercomputing Conference, Dezember 1992 in Melbourne, Australien, wird die Erstellung von Atmungsmodellen beschrieben, welche den Zugang zu beträchtlicher Rechenleistung erfordern.
- In Jameson, J. „CA storage technology – recent developments and future potential", CEC COST94 Workshop on Controlled Atmosphere storage of fruit and vegetables, 22–23. April 1993, Mailand, Italien, wird festgestellt, dass der Trend in der CA-Lagertechnologie zur Verwendung eines anspruchsvollen Steueralgorithmus geht.
- Ein Ziel der Erfindung ist nunmehr anzugeben, auf welche Weise die Luftzusammensetzung so gesteuert werden kann, dass der Sauerstoffdruck immer in der Nähe seines optimalen Werts liegt, wodurch die normale Atmung der Gemüse, Früchte oder kultivierten Pflanzenprodukte so gering wie möglich ist, ohne dass Fermentation stattfindet.
- Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist anzugeben, auf welche Weise das System so verwirklicht werden kann, dass unabhängig vom Typ der zu lagernden Produkte eine optimale Steuerung der Luftzusammensetzung erreicht wird.
- Diese Aufgaben werden mit einem System wie in Anspruch 1 beansprucht gelöst.
- Metabolite, die aus dem Fermentationsprozess resultieren, sind im Stand der Technik bekannt, wie z. B. beschrieben in Fidler, J. C. & North, C. J., „The effect of conditions of storage on the respiration of apples – 1 – The effects of temperature and concentrations of carbon dioxide and oxygen", J. Hort. Sci. (1967) 42, 189–206, und worin die anaerobe Respiration unter Anhäufung von Gärungsprodukten (Acetaldehyd und Ethylalkohol) beschrieben wird.
- In einer Ausführungsform des Systems wird entweder das in der Luft vorhandene Ethanol oder das in der Luft vorhandene Lactat direkt gemessen.
- Eine erste Ausführungsform, in der dies durchgeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerraum einen Sensor zur Messung der Ethanolmenge in der Luftzusammensetzung umfasst, wobei der Prozessor so arbeitet, dass der Sauerstoffgehalt im Lagerraum herabgesetzt wird, solange die gemessene Ethanolmenge in der Luftzusammensetzung vernachlässigbar klein ist, und der Sauerstoffgehalt erhöht wird, falls die gemessene Ethanolmenge einen vorgegebenen niedrigen Schwellenwert überschreitet.
- Eine weitere Ausführungsform, in der das Prinzip der direkten Messung angewandt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerraum einen Sensor zur Messung der Lactatmenge in der Luftzusammensetzung umfasst, wobei der Prozessor so arbeitet, dass der Sauerstoffgehalt in dem Lagerraum herabgesetzt wird, solange die gemessene Lactatmenge in der Luftzusammensetzung vernachlässigbar klein ist, und der Sauerstoffgehalt erhöht wird, falls die gemessene Lactatmenge einen vorgegebenen niedrigen Schwellenwert überschreitet.
- Es ist besonders bevorzugt, dass der Lagerraum ferner einen Sensor zur Messung des Sauerstoffgehalts der Luft in dem Lagerraum umfasst und dass nach Feststellung einer meßbaren Menge an Metabolit (wie z. B. Ethanol oder Lactat) der damit korrespondierende Meßwert des Sauerstoffgehalt-Sensors um eine vorgegebene kleine Menge erhöht wird, um einen Kontrollwert zur Steuerung der Sauerstoffgehalt-Steuerungsvorrichtungen zu erhalten.
- Die Erfindung wird detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erörtert werden, worin
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zeigt und -
2 das Steuerungsverhalten eines erfindungsgemäßen Systems zeigt, unter Bezugnahme auf ein Diagramm, in dem der Ethanol- oder Lactatgehalt in der Luft als Funktion der Zeit dargestellt ist. -
1 erläutert in Form eines Blockdiagramms ein erfindungsgemäßes System, umfassend einen Lagerraum10 , eine Stickstoffquelle12 , eine Vorrichtung14 zur Entfernung von Kohlendioxid aus der bzw. zur Zugabe von Kohlendioxid zu der Luft innerhalb des Lagerraums10 sowie eine Anzahl von Sensoren16a ... 16n zur Messung der Bestandteile der Luft innerhalb des Lagerraums10 . - Jeder der Sensoren
16a .... bis16n liefert ein Signal an eine Eingangsschaltung30 des Prozessors22 . Ferner ist der Prozessor22 über Steuerungsausgänge32 mit einer Stickstoffquelle12 , einer Vorrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid14 , einer Sauerstoffquelle18 und einer Kohlendioxidquelle20 verbunden. Ferner umfasst der Prozessor22 vorzugsweise eine Verbindung mit einer Anzeigetafel24 zur Anzeige der signifikanten Parameter des Prozesses für den Anwender. Ferner umfasst der Prozessor22 vorzugsweise eine weitere Verbindung mit einer Eingabeeinheit26 , beispielsweise als Tastatur ausgeführt, über die der Anwender den Prozess beeinflussen kann, welcher innerhalb des Prozessors22 abläuft. - Der Lagerraum
10 kann zur Lagerung von atmenden Pflanzenprodukten verwendet werden, welche in einem sehr breiten Sinn Gemüse, Früchte und kultivierte Pflanzenprodukte, wie z. B. Blumen, aber auch Produkte, die Pilze oder Bakterien umfassen, wie z. B. Käsearten, einschließen. Zur Lagerung aller dieser Produkte spielen unter dem chemischen Aspekt zwei Prozesse eine signifikante Rolle, d.h., - (1) die normale Atmung, wodurch Glucose in den zu lagernden Gemüsen oder Früchten in Kombination mit Sauerstoff aus der Luft in Kohlendioxid, Wasser und Energie überführt wird. Diese normale Atmung kann durch die sehr allgemeine chemische Formel C6H12O6 plus 6O2 → 6 CO2 + 6H2O + Energie charakterisiert werden.
- (2) Fermentation, wodurch Glucose in den zu lagernden Produkten in Kohlendioxid, Ethanol und Energie überführt wird. Die Bedingungen, unter denen Fermentation stattfindet, können durch die allgemeine chemische Formel C6H12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH + Energie charakterisiert werden.
- Während der Lagerung atmender Pflanzenprodukte, wie z. B. Gemüse, Früchte oder kultivierte Pflanzenprodukte, versucht man im allgemeinen das Stattfinden von Fermentation zu verhindern. Solange ausreichend Sauerstoff in der Luft vorhanden ist, wird (praktisch) ausschließlich normale Atmung stattfinden. Unter dem Einfluß dieser normalen Atmung werden sich jedoch die Reifungsprozesse fortsetzen und die Produkte werden relativ schnell „altern", was unerwünscht ist.
- Falls jedoch andererseits der Sauerstoffgehalt auf Null verringert wird, wird dann lediglich Fermentation stattfinden. Unter dem Einfluß von Fermentation wird sich die Konsistenz der gelagerten Produkte relativ schnell ändern, was ebenfalls unerwünscht ist.
- Um in der Lage zu sein, atmende Pflanzenprodukte über eine längere Zeitspanne zu lagern, sollte einerseits das Stattfinden von Fermentation im allgemeinen vermieden werden, während andererseits die Atmung signifikant verringert werden sollte. Zur Verringerung der Atmung sollte der Sauerstoffgehalt im Lagerraum herabgesetzt werden, so dass notwendigerweise die Atmung signifikant herabgesetzt sein wird. Unter Bedingungen von stark verringerter Atmung wird auch das „Altern" verringert sein, so dass die Produkte über eine relativ lange Zeitspanne gelagert werden können. Die Herabsetzung des Sauerstoffdrucks birgt jedoch das Risiko, dass bei einem zu niedrigen Sauerstoffdruck ein Fermentationsprozeß beginnen wird, was vermieden werden muß.
- Das System, welches schematisch in
1 dargestellt ist, muß deshalb so arbeiten, dass der Sauerstoffdruck so niedrig wie möglich gehalten wird und die Menge an Metaboliten einen meßbaren Wert nicht übersteigt. Einerseits umfasst das System für diesen Zweck Sensoren zur Messung der momentanen Luftzusammensetzung und andererseits umfasst das System Vorrichtungen zur Beeinflussung der Zusammensetzung der Luft. - Zur Messung der Luftzusammensetzung sind die bereits erwähnten Sensoren
16a ... 16n inkorporiert, um eine Reihe von Komponenten in der Luftzusammensetzung zu bestimmen. Vorzugsweise sind mindestens Sensoren für die Messung des Sauerstoffdrucks (beispielsweise16b ) vorhanden. - Als Folge eines Fermentationsprozesses wird beispielsweise Ethanol freigesetzt, welches direkt mit einem der Sensoren
16 gemessen werden kann. Ferner wird Lactat freigesetzt werden, welches ebenfalls direkt mit einem der Sensoren gemessen werden kann. Eine weitere Substanz, welche während der Fermentation freigesetzt wird, ist Ethylacetat und auch für diese Substanz sind geeignete Sensoren bekannt und stehen zur Verfügung. In Abhängigkeit von der Art des zu lagernden Produkts kann der geeignetste Sensor ausgewählt werden. Jedoch kann das System auch so verwirklicht werden, dass eine Reihe von Sensoren verwendet wird, die jeweils eine eigene Anzeige für das Stattfinden von Fermentation liefern. Diesbezüglich wird eine weiterentwickelte Ausführungsform hier im folgenden beschrieben. - Zur Beeinflussung der Luftzusammensetzung in dem Lagerraum
10 sind eine Reihe von bereits genannten Vorrichtungen vorhanden. Um in der Lage zu sein, den Sauerstoffdruck zu beeinflussen, macht das System gemäß1 Gebrauch von einer Stickstoffquelle12 zur Einführung von Stickstoff in den Lagerraum10 . Durch Einführung von Stickstoff wird der Sauerstoffdruck herabgesetzt. Falls es notwendig ist, den Sauerstoffdruck zu erhöhen, kann gegebenenfalls eine Sauerstoffquelle18 mit dem Lagerraum verbunden sein. - Diese Metabolite werden direkt gemessen. In diesem Fall hat das System einen Sensor, beispielsweise
16c , welcher zum Nachweis von Ethanol geeignet ist, oder einen weiteren Sensor, beispielsweise16n , welcher zum Nachweis von Lactat geeignet ist, zu umfassen. Solange der jeweilige Sensor kein Ethanol oder Lactat nachweist, wird der Sauerstoffgehalt innerhalb des Lagerraums10 allmählich herabgesetzt. Sobald jedoch eine meßbare Menge an Ethanol oder Lactat nachgewiesen wird, wird dann eine kleine Menge an O2 in den Lagerraum eingespeist, so dass der Sauerstoffgehalt eine kleine Erhöhung zeigt. Falls dies ausreichend ist, um den Ethanol- oder Lactatgehalt auf ein nicht meßbares Niveau zurückzubringen, kann danach der Sauerstoffgehalt allmählich herabgesetzt werden, bis erneut eine meßbare Menge an Lactat oder Ethanol festgestellt werden kann, etc. -
2 illustriert schematisch die Variation im Gehalt an Ethanol oder Lactat (entlang der Vertikalachse als Funktion der Zeit gezeigt). Eine kleine Menge an Ethanol oder Lactat wird gebildet werden, bis ein minimaler meßbarer Grenzwert, angezeigt durch die gestrichelte Linie, gleich b %, überschritten wird. Wenn dieser minimale meßbare Grenzwert erreicht wird, werden die verschiedenen Vorrichtungen um den Lagerraum so gesteuert werden, dass der Sauerstoffgehalt eine kleine Erhöhung zeigen wird, um den Fermentationsprozeß zu stoppen, so dass der Lactat- oder Ethanolgehalt erneut auf Null heruntergehen wird. Danach beginnt der ganze Zyklus erneut. - Praktische Tests haben erwiesen, dass ein solches Steuerungsverfahren zu einer sehr langen Lagerfähigkeit der im Lagerraum vorhandenen Produkte führen wird.
Claims (4)
- System zur Steuerung der Luftzusammensetzung in einem Lagerraum für atmende Pflanzenprodukte, – wobei der Lagerraum mit Vorrichtungen zur Steuerung des Sauerstoffgehalts der Atmosphäre in dem Lagerraum verbunden ist und – wobei der Lagerraum einen oder mehrere Sensoren) zur Messung der Luftzusammensetzung in dem Lagerraum umfasst, – wobei ferner ein Prozessor zur Verfügung steht, welcher die Sensorsignale empfängt und Steuersignale zu Vorrichtungen zur Steuerung des Sauerstoffgehalts schickt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Lagerraum Sensoren zur direkten Feststellung der Entwicklung von Metaboliten, ausgewählt aus Ethanol, Lactat und Ethylacetat, in den Pflanzenprodukten beim Übergang von normaler Atmung zu Fermentation umfasst, und – dass der Prozessor, basierend auf Signalen, die von den Sensoren geliefert werden, die Vorrichtungen zur Steuerung des Sauerstoffgehalts so steuert, dass die Pflanzenprodukte in einer Luftzusammensetzung gelagert werden, in der der Sauerstoffgehalt so niedrig wie möglich ist und die Menge der Metaboliten nicht einen meßbaren Wert überschreitet.
- System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerraum einen Sensor zur Messung der Ethanolmenge in der Luftzusammensetzung umfasst, wobei der Prozessor so arbeitet, dass der Sauerstoffgehalt in dem Lagerraum herabgesetzt wird, solange die gemessene Ethanolmenge in der Luftzusammensetzung vernachlässigbar klein ist, und der Sauerstoffgehalt erhöht wird, falls die gemessene Ethanolmenge einen vorgegebenen niedrigen Schwellenwert überschreitet.
- System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerraum einen Sensor zur Messung der Lactatmenge in der Luftzusammensetzung umfasst, wobei der Prozessor so arbeitet, dass der Sauerstoffgehalt in dem Lagerraum herabgesetzt wird, solange die gemessene Lactatmenge in der Luftzusammensetzung vernachlässigbar klein ist, und der Sauerstoffgehalt erhöht wird, falls die gemessene Lactatmenge einen vorgegebenen niedrigen Schwellenwert überschreitet.
- System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerraum ferner einen Sensor zur Messung des Sauerstoffgehalts der Luft in dem Lagerraum umfasst und dass nach Feststellung einer meßbaren Menge an Metabolit (wie z. B. Ethanol oder Lactat) der damit korrespondierende Meßwert des Sauerstoffgehalt-Sensors um eine vorgegebene kleine Menge erhöht wird, um einen Kontrollwert zur Steuerung der Sauerstoffgehalt-Steuerungsvorrichtungen zu erhalten.
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