Trocknung landwirtschaftlicher Produkte durch Einsatz bildgebender Sensoren und adaptiver Regelungssysteme

Laut einer Studie der FAO verderben gegenwärtig ein Drittel aller produzierten landwirtschaftlichen Güter weltweit (1,3 Milliarden Tonnen pro Jahr) was einem gesamtwirtschaftlichen Schaden von 750 Milliarden USD entspricht [1]. Hierbei sind die Verluste bei Obst und Gemüse mit bis zu 50% besonders hoch. Gleichzeitig leiden mehr als 800 Mio. Menschen weltweit an Mangelernährung [1].

Die Trocknung ist die wohl wichtigste und gleichzeitig energieintensivste Methode der Lebensmittelkonservierung. Sie allein ist, über alle Sektoren hinweg betrachtet, für 15-25% des globalen Energieverbrauchs verantwortlich.  Die Prozesseffizienz liegt durchschnittlich bei 35-45% kann aber durchaus auch lediglich 10% betragen [2]. In anderen Worten wird bis zu 10 mal mehr Energie zur Trocknung verwendet, als theoretisch nötig wäre. Eines der größten Probleme in diesem Zusammenhang ist die fast immer fehlende Kenntnis des gegenwärtigen Wassergehalts eines Produktes, was in der Regel zu einer Übertrocknung führt. Dies wiederum führt zu einer unnötigen Verschlechterung der Qualität, einer Erhöhung des Energiebedarfs und einer Reduktion des Verkaufsgewichts, was einen signifikanten wirtschaftlichen Schaden darstellen kann.

In konventionellen Trocknungsanwendungen basieren die Prozesseinstellungen, Technologien und Regelsysteme auf Erfahrungswerten, die zum Teil mehrere Jahrzehnte alt sind und nie kritisch hinterfragt wurden, weder was die Produktqualität, noch was die weiterreichenden Implikationen bezüglich Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit betrifft. Die Qualität des Produktes wird in der Regel durch eine Vorsortierung oder den Einkauf von Rohmaterialien höchster Qualität sichergestellt, statt eine Optimierung des Prozesses selbst anzustreben.

Während in anderen Bereichen, allen voran der Chemieindustrie als direkte Folge der ersten Ölkrise, aufgrund des steigenden Preisdrucks und strengerer Gesetzgebung eine deutliche Effizienzsteigerung in der Produktion auf Systemebene schon vor Jahrzehnten notwendig wurde, hat dies in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie bis vor kurzem kaum eine Rolle gespielt. Erst durch die drastisch gestiegenen Lebensmittel-, Wasser und Energiepreise, zunehmenden Entsorgungskosten sowie strengere Regulierungen einerseits und die gestiegenen Erwartungen der Konsumenten bezüglich Nachhaltigkeit und Produkteigenschaften andererseits, ist Resourceneffizienz, zusammen mit der Gewährleistung der geforderten Produktqualität, zunehmend in den Fokus gerückt.

Zur effektiven und nachhaltigen Steigerung der Ressourcen- und Produktionseffizienz müssen  Verarbeitungsprozesse einer Betrachtung und Optimierung auf Systemebene unterzogen werden, wozu ein interdisziplinäres Herangehen unabdingbar ist. Es muss eine Vielzahl von Informationen aus unterschiedlichen Disziplinen (Lebensmittelchemie, -biologie, -physik, Systemverfahrenstechnik, Prozessintensivierung, Prozessintegration, Mechatronik, Automatisierungstechnik etc.) gesammelt, verknüpft und in entsprechende Verfahren, Technologien, Modelle und Softwaretools sowie Steuer- und Regelstrategien umgesetzt werden. Hierbei ist es von außerordentlicher Wichtigkeit, von der klassischen Herangehensweise der unabhängigen Betrachtung und Optimierung von Grundoperationen und anderen Elementen des Gesamtprozesses abzukommen und Interaktionen bewusst zu untersuchen und in die Systemoptimierung mit einzubeziehen. Hierfür ist es jedoch von zentraler Bedeutung, die einzelnen Elemente des Systems im Detail zu verstehen und in Modellen abbilden zu können um später Rückschlüsse auf die Auswirkungen der Optimierung eines Teiles des Systems auf die Effizienz des Gesamtsystems ziehen zu können. 

Das im Folgenden beschriebene Vorhaben, welches im Zusammenhang mit der Gründung einer Nachwuchsgruppe beantragt wird, bildet einen zentralen Teilaspekt der oben beschriebenen Forschungsfrage und den Grundstein für die weitere Bearbeitung des Gesamtkonzepts. Das vorgeschlagene Projekt wird durch die Entwicklung von Hard- und Software zur Optimierung von Trocknungsprozessen sowohl zur Sicherung der Produktqualität als auch zur effizienteren Nutzung von Ressourcen und Verkürzung der Verarbeitungszeit (kleinere Anlagen) in der Produktion getrockneter Lebensmittel beitragen. Es wird die Entwicklung eines adaptiven Regelungssystems vorgeschlagen,  welches sowohl die Rohmaterialeigenschaften als auch die Veränderungen, die das Produkt während der Verarbeitung durchläuft mit einbezieht um (a) den Prozess exakt dann zu stoppen, wenn der Zielwassergehalt erreicht ist und dadurch Energiebedarf, Trocknungszeit und Qualitätsverluste zu verringern; (b) Rohmaterial zu nutzen, das gegenwärtig abgelehnt wird; (c) Produkte mit höherer Qualität zu produzieren als bisher möglich ist; (d) schneller auf Änderungen der Verbrauchererwartungen bezüglich der Produktqualität zu reagieren.

Global gesehen haben die Ergebnisse dieses Projektes das Potential, auf folgende Weisen zur Steigerung der Lebensmittelsicherheit beizutragen: (a) die entwickelte Hard- und Software kann KMUs  als Niedrigpreisalternative zu bisher sehr teuren NIR Sensoren zur Wassergehaltsbestimmung zur Verfügung gestellt werden. Dies bietet das Potential, die Trocknungszeit und den Energiebedarf deutlich zu reduzieren und den Gewinn durch bessere Qualität und höheres Verkaufsgewicht zu steigern; (b) Es können wertvolle Informationen über Zusammenhängen zwischen optischen, chemischen, mechanischen und sensorischen Eigenschaften als Basis für weiterführende Forschung gewonnen werden; (c) die Entwicklung eines Regelungssystems, das auf der Auswertung und Einbeziehung von Bilddaten basiert und somit das Potential besitzt, Verluste durch Nutzung bisher abgelehnter Rohmaterialien zu reduzieren.

Konkret wird erwartet, durch diese Herangehensweise die Rohmaterialeffizienz um mindestens 20% und den Durchsatz um mindestens  30%  zu steigern, den Energiebedarf durch optimale Regelung um mindestens 30% zu reduzieren und gleichzeitig höherwertige Produkte zu erzeugen.

 

Referenzen

[1] FAO (2013). The state of food insecurity in the world – The multiple dimensions of food security, http://www.fao.org/docrep/018/i3434e/i3434e00.htm 

[2] Mujumdar, A.S. (2007) Handbook of Industrial Drying, CRC/Taylor & Francis