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Hochschule Bremen - University of Applied Sciences

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Projekttitel

IT-gestützte Systemanalyse und Prozessautomation der Bananenreifung (ISyBa)

Projektleitung
Hass, Volker, Prof. Dr.-Ing.

Projektbeteiligte
Tömmers, Stefanie, Dipl.-Ing.
Kühn, Kathrin, Dipl.-Ing.
Kuhnen, Florian, Dr.

Projekttyp

Mittel- bzw. Auftragsgeber
Bremerhavener Gesellschaft für Investitionsförderung und Stadtentwicklung (BIS) Zentralreiferei Bremerhaven GmbH, Atlanta AG

Laufzeit
08/2004 -  12/2011

Kooperationspartner
Zentralreiferei Bremerhaven GmbH; Atlanta AG, Hameico
Bremen

Kontakt
Zentralreiferei Bremerhaven GmbH
Steubenstraße 16
27568 Bremerhaven
www.atlanta.de

Prof. Dr.-Ing. Volker .C. Hass
Hochschule Bremen
Institut für Umwelt- und Biotechnik
Neustadtswall 27b
28199 Bremen

Weitere Projektinformationen

Englische Zusammenfassung des Projekts
The objective of the research is a model-based automation
strategy for a quantitative evaluation of the ripening state of
bananas. The automation permits a resources saving and
efficient banana ripening process.
The industrial banana ripening process is mainly controlled by
the longstanding experience of the ripening master. In addition
the banana ripening process has not been analysed in an
economic or scientific point of view.
In a quantitative system analysis and an extensive technology
analysis the hitherto state of the art and knowledge is gathered.
Experiments with a ripening box should produce working data
of the online measured parameters under known conditions.
The principle characteristic of the experiments will be the search
for the indicator for the estimation of the actual state of
ripening.
The mathematical process model uses this process data to
calculate an actual state of ripening and control the ripening
process. Additionally, the model allows the rapid simulation of
different scenarios and thus to find solutions for varying courses
of processes. Control strategies could be developed and optimized
in the modern process control system WinErs. In addition,
adaptive process control concepts could be applied to make the
ripening process more flexible.
The automation of the process control comprises an assurance
and an improvement on product quality. Energy and personal
costs can be reduced with the help of efficient process control
strategies.

Projektbeschreibung:
Der immer stärkere Wettbewerb am Verbrauchermarkt stellt
steigende Ansprüche an die Produkte in der Nahrungsmittelindustrie.
Deshalb sind die Anforderungen aus der Industrie an
die neuen verfahrenstechnischen Entwicklungen die Sicherung
und Steigerung der Produktqualität, sowie die Einsparung von
Energie- und Personalkosten. Mit Hilfe einer systematischen
Prozessanalyse soll ein automatisiertes Prozessführungskonzept
für die ressourcenschonende und effizientere Fruchtreifung am
Beispiel von Bananen erstellt werden.

Hintergrund:
Um Bananen kontrollierter Qualitäten termingerecht an den
Einzelhandel liefern zu können, werden Bananen nicht im
Herkunftsland, sondern unmittelbar vor dem Verkauf in einem
komplexen Prozess gereift, indem die grünen, unreifen Bananen
einem bestimmten Temperaturprofil unterzogen und mit dem
Pflanzenhormon Ethylen begast werden.
Wichtige Einflussgrößen (z.B. Temperatur und Ethylenkonzentration)
werden derzeit bei der Reifung in Abhängigkeit vom
Reifegrad der Bananen mit Hilfe von Reifeprogrammen
(Ablaufsteuerungen) verändert. Die zeitliche Veränderung der
Prozessparameter erfolgt auf der Basis unterschiedlicher, fest
vorgegebener Reifeprogramme. Die Auswahl eines individuellen
Reifeprogramms richtet sich nach Faktoren wie der (stark
schwankenden und ggf. unbekannten) Eingangsqualität der
Bananen, der Marke, dem Herkunftsland und insbesondere den
Auslieferungsterminen. Die Beobachtung des tatsächlich eintretenden
Reifeprozesses erfolgt durch Sichtkontrollen und manuelle
Temperaturmessungen an den Bananen, die regelmäßig
vom Reifemeister durchgeführt werden. Korrekturen am laufenden
Reifeprogramm werden vom Reifemeister bei ca. 40 % der
Chargen durchgeführt. Der Reifungsprozess wird dann manuell
über Sichtkontrollen und Stichproben des Reifemeisters geführt.
Dieser beurteilt auf Basis von Fruchtfleischtemperatur,
Bananenfarbe, -aroma und -konsistenz den jeweiligen
Reifestatus der Bananen und trifft entsprechende
Entscheidungen über den weiteren Prozessverlauf, Dies ist zum
Teil durch den abweichenden Reifegrad der Bananen, aber auch
durch die geänderten logistischen Vorgaben begründet.
Die Führung und Steuerung des Bananereifeprozesses in den
Kammern der Fruchtreifereien basiert somit auf der langjährigen
Erfahrung der Reifemeister. Eine quantitative systemdynamische
Analyse des Prozesses der Bananenreifung fehlt. Eine befriedigende
automatisierte Überwachung des Reifeprozesses existiert
derzeit nicht. Aus der Literatur ist zu entnehmen, dass auch bisherige
Forschungen und Arbeiten den Reifeprozess im
Wesentlichen nur durch qualitative Aussagen beschreiben.

Ziele:
Ziel ist die Schaffung eines Automatisierungskonzepts, das auf
einer messtechnischen Schätzung des aktuellen Reifezustands
beruht (z.B. über ein Prozessmodell). Ein gleichförmigen
Reifeprozess und eine verbesserte Dokumentation ermöglicht
die Erhöhung und Sicherung der Produktqualität. Die
Automatisierung soll eine verbesserte Steuerung des
Reifungsverlaufes ermöglichen und dazu beitragen den Prozess
energiesparender zu gestalten und Arbeitskraft einzusparen.
Hierfür werden neuartige, modellbasierte Regelungsstrategien
entwickelt, die anhand einer Pilot-Reifekammer in Experimenten
verifiziert werden können.

Methodik:
In einer systematischen Analyse der Dynamik des Reifeprozesses
werden kinetische und metabolische Abläufe in den Bananen
während der Reifung untersucht. Des Weiteren wird der technische
Gesamtprozess, insbesondere im Hinblick auf die
messbaren und beeinflussbaren Zustandsgrößen und Parameter,
analysiert. Hieraus wird das erforderliche Experimentalprogramm
entwickelt.
Im Rahmen des Projekts wurde für die experimentelle
Untersuchung des Reifeprozesses und der angewandten
Prozessführungsstrategien eine Reifekammer im Pilotmaßstab
konstruiert. Die Spezifikationen dieser Pilot-Reifekammer und
die Reifungsbedingungen orientieren sich am industriellen
Reifeprozess. Die Pilot-Reifekammer wurde um zusätzliche
Messtechnik und ein Prozessleitsystem erweitert. Die Struktur
der Reifekammer mit den wichtigen und gemessene Parameter
ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die Erkenntnisse der ausführlichen Systemanalyse sind die Basis
für das zu entwickelnde Prozessmodell. Dieses Modell ist eine
mathematische Beschreibung der Dynamik des Bananenreifeprozesses
in Form eines Systems von gekoppelten Differentialgleichungen.
Mit dem entwickelten mathematischen
Prozessmodell können diverse Reifeprogramme getestet
werden. Anhand der experimentell erzeugten Prozessdaten
kann das Modell validiert und die Parameter eingestellt werden.
Durch die Beschreibung bekannter Prozessverläufe erlaubt das
Modell eine Simulation verschiedenster Szenarien (z.B.
Störungen, Änderungen von Lieferterminen während der
Reifung) und ermöglicht damit die Untersuchung unterschiedlicher
Prozessführungsvarianten. Regelungsstrategien können
weiterentwickelt und Automatisierungskonzepte können hinsichtlich
der Energieeinsparung oder der Produktqualität optimiert
werden.
Des Weiteren dient das Modell auch dazu den aktuellen
Reifegrad mit Hilfe einer Zustandsschätzung zu ermitteln. Durch
diese adaptive Regelung entstehen flexible, anpassungsfähige
Reifeprogramme, die einen gleichförmigen Reifeprozess ermöglichen.

Ergebnisse:
Während des Reifeprozesses erfährt die Banane biochemische
und physikalische Änderungen in Farbe, Form, Struktur und
Festigkeit, Geschmack und Aroma und in der stofflichen
Zusammensetzung. Dies sind Indikatoren für den Reifegrad von
Bananen, jedoch messtechnisch nur schwer oder aufwändig zu
bestimmen. Ein wichtiger biochemischer Reaktionsprozess in
den Bananen ist die Umwandlung von Stärke zu Zucker. Das
Modell beschreibt diese metabolische Transformation basierend
auf Kinetiken für Kartoffelstärke, die von Polakovic et al. (2003)
veröffentlicht wurden. Als ein Signalwert für den Zeitpunkt des
Einsetzens des natürlichen Reifeprozesses gilt die steigende
Konzentration des Reifegases Ethylen und von Kohlendioxid.
Die metabolischen Reaktionen in den Bananen während des
Reifeprozesses verursachen eine Zunahme der CO2-
Konzentration sowie einen Verbrauch des Sauerstoffes und
beeinflussen auch die Luftfeuchtigkeit in den Reifekammern.
Des Weiteren sind die biochemischen Prozesse in den Bananen
während der Reifung exotherme Vorgänge, die Wärmemengen
freisetzten. Die Gasbildung und Wärmefreisetzung der Bananen
wurden ebenso im Modell formuliert, wie auch die Energie- und
Stoffströme in Form von dynamischen Bilanzen. In den ersten Versuchen mit der Pilot-Reifekammer wurden
Prozessdaten in einer erweiterten Messwerterfassung in vergleichsweise
kleinen Zeitintervallen aufgenommen und die
Erkenntnisse aus der Systemanalyse bestätigt. Für die Steuerung
und Regelung der Pilot-Reifekammer wurde ein Reifeprogramm
mit dem Prozessleitsystem WinErs© erstellt. In einer ersten
Experimentalphase wurden die für die identifizierten
Zustandsgrößen aufgestellten Regelkreise und entwickelten
Regelungsstrukturen angewendet.



 

 

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