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Schnapp dir einen Apfel – oder wie Sie durch intelligente Obstlagerung auch ausserhalb der Saison frisches, leckeres Obst geniessen können

Anwendungen unter kontrollierter Atmosphäre (Controlled Atmosphere, CA) – das Hauptthema des Messestandes von Angst+Pfister Sensors and Power auf der in diesem Jahr stattfindenden ACHEMA – werden eingesetzt, um Tausende organischer und anorganischer Industrieprozesse zu steuern und zu optimieren, was die Produktqualität verbessert und Mehrwert für die Kunden bietet.

So kann beispielsweise durch die Regelung des Sauerstoffgehalts in verschiedenen verpackten Lebensmitteln die Haltbarkeit verlängert werden, was dazu führt, dass weniger Lebensmittel verschwendet werden. Frisches Obst zu jeder Jahreszeit – das gehört schon lange zu unserem Alltag. Doch welche Tricks werden angewendet, damit Sie frisches, leckeres Obst auch ausserhalb der Saison geniessen können?

Ein Trick von vielen ist der Einsatz langlebiger, stabiler Gassensoren, um die Atmosphäre in einer grossen Lagerbox, die mit vorzeitig geernteten Früchten gefüllt ist, zu regulieren und den Reifungsprozess der Früchte zeitlich bestimmen zu können. In diesem Artikel werden Gassensorlösungen für die Lagerung und Reifung von Obst beschrieben – ein weltweit wachsender Bereich, für den unser Know-how der Schlüssel zum Erfolg ist.

«Begleiten Sie mich in die faszinierende Welt der Anwendungen unter kontrollierter Atmosphäre – hier zwei Beispiele von Tausenden. Bei jeder einzelnen Anwendung ist neben Fachwissen im Bereich des Design-ins auch die Fähigkeit erforderlich, sich auf die Kunden einzustellen.»

Dr. Thomas Clausen, Produktmanager Gassensoren bei Angst+Pfister Sensors and Power

 

Gase, mit denen Obst frisch ab Lager möglich wird 

In meinem Heimatland Dänemark galten Bananen lange Zeit als Luxusgut und wurden dementsprechend hoch besteuert. Das Gleiche gilt für Autos, Schokolade und all die anderen Dinge, die unser Leben bereichern. Geschichten über grüne Schlangen und giftige Spinnen, die sich während der langen Überseereise in den Bananenkisten versteckten, wurden erfunden, um uns Kinder davon abzuhalten, Bananen zu stehlen. Bananen – Früchte im Allgemeinen – gelten nicht mehr als Luxusgut. Vielmehr sieht man sie heute als Beitrag zu einem gesünderen Leben/Lebensstil an. Und es stimmt: Mit einem Apfel pro Tag konnte ich mir tatsächlich den ein oder anderen Gang zum Arzt ersparen. Diese Geschichte handelt letztlich davon, wie ich meine letzten Kindheitstraumata (Schlangen, Spinnen, Würmer, Käfer und Ungeziefer) losgeworden bin, da ich jeden Tag frisches Obst essen konnte – und das frisch ab Lager. 

Die Lagerräume für früh geerntetes Obst und Gemüse sind in der Regel mit mehreren Lagerboxen in unterschiedlichen Grössen (bis hin zu Containern) und mit einem Volumen von bis zu 30 m3 pro Box ausgestattet. Einige Boxen sind praktisch luftdicht, damit der Sauerstoffgehalt in der Box auf ein sehr niedriges Niveau gesenkt werden kann. Andere Boxen, die über eine Anschlussöffnung leicht zugänglich sind, sind nicht oder nur teilweise gasdicht. Das Gasregelsystem wird in der Regel im Servicebereich installiert. Zur Steuerung und Überwachung des Lagervorgangs und um auf unerwünschte Veränderungen der Umgebung in der Lagerbox während der Lagerung reagieren zu können, wird Gas aus der Lagerbox durch die Gassensoren gepumpt. 

Zu den Faktoren, die für die Hersteller von Anlagen zur kontrollierten Reifung von Obst und Gemüse am wichtigsten sind, gehören Sauerstoff, Luftfeuchtigkeit, Kohlendioxid und Ethylen. Die Lagerungsstrategien sind von Obstsorte zu Obstsorte verschieden, aber auch innerhalb der einzelnen Obstsorten (Äpfel, Birnen usw.) können sich die Strategien deutlich unterscheiden. Ich werde mich auf zwei Fälle beschränken, die ich etwas ausführlicher beschreiben werde, und ich werde Ihnen zeigen, was Angst+Pfister Sensors and Power in Bezug auf Produkte und Know-how alles zu bieten hat. Zunächst eine kurze Beschreibung der einzelnen Gase und wie sie die Reifung von Obst und Gemüse beeinflussen:

Sauerstoff (O2) – ein Gas, das wir benötigen, um zu leben und zu atmen. Ohne Sauerstoff haben praktisch alle lebenden Organismen ein Problem. Reduziert man also den Sauerstoffgehalt in einem Lagerraum, wird das Parasitenproblem wirksam gelöst! Den Sauerstoffgehalt reduzieren und den Stoffwechsel verlangsamen: Mit diesem Trick lässt sich Obst länger als 9–12 Monate lagern und eine Just-in-time-Lieferung von frischen Früchten ermöglichen. 

Kohlendioxid (CO2) – ist ein Gas, das eigentlich einen sehr schlechten Ruf hat. Für die Lebensmittelindustrie ist CO2 jedoch eines der wichtigsten Gase, um Lebensmittel haltbar zu machen. In einem Lagerraum wird CO2 entweder zur Verlangsamung des Reifungsprozesses oder zur Verringerung der Sauerstoffkonzentration in der Luft in einer Lagerbox eingesetzt, wo die Sauerstoffkonzentration sonst nicht kontrolliert wird. 

Ethylen (C2H4) – ist sozusagen das «Abgasprodukt» der Reifung. Ethylen wird auch eingesetzt, um die Reifung zu beschleunigen, oder es wird reduziert, um eine unerwünschte Reifung zu verhindern. Ein einziger fauler Apfel, der Ethylen ausstösst, kann dafür sorgen, dass die komplette Charge unverkäuflich wird. Aus diesem Grund sind Ethylenwäscher so beliebt. 

Feuchtigkeit – bzw. der Wassergehalt in der Luft – ist ebenfalls ein Faktor. Obst enthält viel Wasser und würde, wenn es bei zu niedriger Luftfeuchtigkeit gelagert wird, folglich austrocknen. Daher werden die meisten Früchte in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit gelagert, damit das Wasser in den Früchten nicht verdunstet. 
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Abbildung 1. Fertiger FCX-U-Sensor (links), geöffneter FCX-U-Sensor; beachten Sie das weisse
Keramikelement oben auf der weissen Keramikwolle (Mitte), Sensorprinzip (rechts)


Sauerstoffsensoren von Angst+Pfister Sensors and Power 

Saftige, süss oder manchmal auch sauer schmeckende Äpfel sind im Frühherbst und bis Anfang/Mitte der Wintersaison eine wahre Delikatesse. Mithilfe moderner Lagerungstechniken kann die Haltbarkeit sogar über 12 Monate hinaus verlängert werden. Und so funktioniert es.

Die meisten Apfelsorten werden in den ersten Herbstwochen vorzeitig geerntet. Anschliessend werden sie in gasdichten ULO (Ultra-Low-Oxygen)-Boxen gelagert, wobei eine Luftfeuchtigkeit von bis zu 95 % und ein CO2-Gehalt von bis zu 2,5 % sichergestellt werden, während die Temperatur auf unter 4 °C gesenkt wird. Die Äpfel werden also in einen Schlafzustand versetzt. Werden die Äpfel benötigt, so werden sie nach und nach «geweckt», vorbereitet und verkaufsfertig gemacht. Das ULO-Prinzip für die Lagerung von Obst beschränkt sich jedoch nicht nur auf Äpfel – auch Birnen, Kiwis, Blaubeeren, Mangos, Trauben und Kirschen können unter ULO-Bedingungen gelagert werden und stehen dann ganzjährig frisch zur Verfügung. Das gleiche Prinzip wird auch für Zwiebeln, Knoblauch, Kraut und Spargel genutzt.

Um stabile, niedrige Sauerstoffkonzentrationen messen zu können, ist ein Sauerstoffsensor erforderlich, der eine hohe Zuverlässigkeit bietet. Einen solchen Sensor haben wir im Programm: den amperometrischen Sauerstoffsensor FCX-U (siehe Foto) von Fujikura Ltd. Fujikura Ltd ist unser wichtigster Partner – nicht nur für Sauerstoffsensoren, sondern auch für Drucksensoren. Fujikura stellt jährlich rund 600 000 Sauerstoffsensoren her, alle sind handgefertigt und preislich ausgesprochen wettbewerbsfähig. Etwa 95 % aller Sauerstoffsensoren werden für den Einsatz in mobilen Beatmungsgeräten an die medizintechnische Industrie verkauft. Der Rest ist für uns bestimmt – oder sagen wir fast. 

Der FCX-U ist ein keramischer Sensor, der sich durch eine sehr lange Lebensdauer auszeichnet – ideal für viele Anwendungen, vor allem aber für Anwendungen unter kontrollierter Atmosphäre. Der Sensor benötigt eine vordefinierte, sehr genaue Heizspannung, damit die Temperatur des Sensorelements konstant bei 450 °C gehalten werden kann (Abbildung 1). Bei 450 °C fliesst Strom durch das Sensorelement, wenn zwischen Anode und Kathode ein Potenzial angelegt wird (Abbildung 1). Der Strom verhält sich proportional zur Sauerstoffkonzentration. So wäre es im Idealfall – eine niedrige Sauerstoffkonzentration entspricht einer niedrigen Stromstärke und so weiter. In der Praxis wird der Sensor in gewissem Masse wechselseitig beeinflusst, und zwar sowohl durch das CO2 als auch die Luftfeuchtigkeit. Diese Wechselwirkungen sind sehr stark von der Spannung am Sensorelement abhängig. Ist das Potenzial zu hoch, zerfallen die Wasser- und Kohlendioxidmoleküle und es entsteht mehr Sauerstoff (2H2O → 2H2 + O2), was zu einem systematischen Ausfall führt. Ist das Potenzial zu gering, funktioniert der Sensor schon nach wenigen Jahren nicht mehr, obwohl eine Mindestlebensdauer von 4 Jahren garantiert wird.

Wir stellen kundenspezifische Sauerstoffsensormodule her, die auf dem FCX-U-Sensor basieren. Das beliebteste Modul (siehe Abbildung 2) ist das FCX-MC25-FLOW-A-CH-Modul, das speziell für Anwendungen unter kontrollierter Atmosphäre entwickelt wurde und unterschiedliche Bedingungen wie CO2 (bis zu 50 %) und Luftfeuchtigkeit (bis zu 100 %) berücksichtigt. Das Potenzial wird so gewählt, dass die Auswirkungen des Zerfalls der Moleküle so gering wie möglich sind und dennoch eine lange Betriebsdauer gewährleistet werden kann. Die Module werden in der Schweiz produziert; wir verfügen über eine Produktionskapazität von jährlich mehr als 10 000 Modulen. Das Modul ist bei Herstellern von Obst- und Lageranlagen sehr beliebt, wird aber auch für viele andere Anwendungen unter kontrollierter Atmosphäre verkauft, z. B. für anaerobe Bioreaktoren, additive Fertigungssysteme und Stickstoff-/Sauerstoffgeneratoren. 

 

                                        

Abbildung 2. Sauerstoffsensormodul
FCX-MC25-FLOW-A-CH OEM, entwickelt
für Inline-Anwendungen unter kontrollierter
Atmosphäre.

 

Ethylengas-Sensoren von Angst+Pfister Sensors and Power 

Reifungsräume für Bananen sind schon beinahe eine wissenschaftliche Disziplin für sich. Begriffe wie «Bananen kühlen» oder «Bananen kochen» haben rein gar nichts mit Gas oder Gassensoren zu tun, sondern sind eine Folge von Temperaturschwankungen unterhalb und oberhalb der optimalen Lagertemperatur. Daher liegt der Schwerpunkt auf der Aufrechterhaltung einer konstanten und optimalen Temperatur während des Reifungsprozesses. Luftfeuchtigkeit ist ein absolutes Muss – sonst trocknen die Bananen aus. Das Besondere an Bananen unter dem Gesichtspunkt der Gassensorik ist die kontrollierte Beschleunigung des Reifungsprozesses in speziellen Reifungslagern. 

Die modernsten Lagerräume für die schnelle Reifung werden mit Druck beaufschlagt. Die Luft wird umgewälzt, um bestmögliche Bedingungen für einen schnellen Reifungsprozess zu schaffen. Einigen Studien zufolge ist die Absenkung des Sauerstoffs im Lagerraum vorteilhaft. Um den Prozess zu beschleunigen, kommt allerdings noch ein anderes Gas ins Spiel: Ethylen. Ethylen wird aktiv für den Reifungsprozess genutzt, und je höher die Ethylenkonzentration, desto schneller verläuft der Reifungsprozess. Die meisten Hersteller empfehlen konstante Ethylenkonzentrationen von 100–300 ppm. Es dürfte jedoch nicht überraschen, dass die meisten Betreiber von Schnellreifungsanlagen für Bananen mit Konzentrationen von 400–500 ppm arbeiten. Ethylengas ist nur schwer zu erkennen, und zwar aus folgendem Grund. 

Ethylen hat einen optischen Fussabdruck, d. h. es absorbiert Infrarotenergie (IR) bei einer bestimmten Wellenlänge. Die Absorptionsamplitude verhält sich proportional zur Ethylenkonzentration. Theoretisch ist es relativ einfach, einen Sensor zu bauen, der auf dem Prinzip der IR-Absorption basiert. In der Praxis jedoch ist die Sensorleistung aufgrund der relativ schwachen Absorption einer Vielzahl von potenziellen Schwankungen unterworfen. Dennoch werden auf Infrarotabsorption basierende Ethylensensoren für die Messung und Steuerung des Reifungsprozesses von Bananen verwendet, da sie ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis bieten.

Alles, was mit Strahlungsenergie (und damit auch mit IR-Energie) interagiert, geht in einen instabilen Zwischenzustand über, und die Rückkehr in den Grundzustand tritt ziemlich schnell ein. Das Gleiche gilt für Ethylen, das mit Infrarotlicht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt wird. Während des Relaxationsprozesses wird Energie von den Ethylenatomen desorbiert; diese Energie hat einen akustischen Fussabdruck. Die Amplitude des akustischen Signals verhält sich proportional zur Ethylenkonzentration. Sie wird mit einem Mikrofon aufgenommen. Dies ist das Grundprinzip eines photoakustischen (PA) Ethylen-Gassensors, der im Vergleich zu einem auf Absorption basierenden Ethylensensor zwar eine bessere Leistung aufweist, aber auch teurer ist. In einigen Fällen, so auch bei der Reifung von Bananen, erweist sich diese zusätzliche Investition jedoch als durchaus sinnvoll, da der Output eines PA-Ethylensensors im Vergleich zu einem IR-Ethylensensor stabiler und zuverlässiger ist. 

Sind genügend potenzielle Energie und Sauerstoff vorhanden, kann das Ethylenatom gespalten werden. Wird der Prozess an Elektroden durchgeführt, die mit einem Elektrolyt in Kontakt sind, kann in einem externen Stromkreis ein Strom erzeugt werden, der sich proportional zur Ethylenkonzentration verhält. Es handelt sich hierbei um eine bekannte Technik, die sehr einfach funktioniert. Die sogenannten elektrochemischen (EC) Sensoren machen den grössten Teil des Marktes für Gassensoren aus. Also ein idealer Ansatz für einen guten und preiswerten Sensor für die Bananenreifung, könnte man annehmen. Der Nachteil einer so preiswerten Lösung besteht jedoch in der Beeinflussung durch viele andere Gase wie Ethanol, Kohlenmonoxid, Stickstoffdioxid und sonstige Gase, die wahrscheinlich auch beim Reifungsprozess vorhanden sind. Da reicht ein Lkw, der Bananen lädt und dabei noch Abgase ausstösst (wenn der Motor läuft), und schon spielen die Ethylensensoren verrückt. Die Einsatzmöglichkeiten von elektrochemischen Ethylensensoren sind begrenzt, es ist jedoch möglich, sie weniger empfindlich gegenüber anderen Gasen zu machen. Allerdings ist ihre Konstruktion kompliziert und ihr Nutzen gering. 

Unser Hauptgeschäft liegt im Bereich der IR-Sensoren, für die wir eine Kooperation mit einem renommierten Lieferanten eingegangen sind. Zusammen mit einer groben Skizze des Detektionsprinzips zeigt Abbildung 3 einen IR-Sensor für 0–2000 ppm Ethylen, der sich hervorragend zur Steuerung des Reifungsprozesses von Bananen eignet. Der Sensor besteht aus einer langen absorptionsfähigen Hohlröhre aus Aluminium, die so poliert ist, dass die Reflexion an den polierten Oberflächen nahezu 100 % beträgt. Das Infrarotlicht wandert vom Ende der Röhre, wo es von einer Infrarotquelle ausgestrahlt wird, zum anderen Ende der Röhre, wo das verbleibende Licht (d. h. das Licht, das nicht absorbiert wurde) erfasst wird. Der Gasein- und -ausgang erfolgt über Durchflussadapter, die an der Aussenseite des Sensors angebracht sind. Um das Infrarotlicht zu steuern, werden insgesamt zwei Detektoren eingesetzt. Ein Detektor misst das Licht, das nicht vom Ethylen in der langen Röhre absorbiert wurde, während der andere Sensor die Intensität der Infrarotquelle misst, und zwar unabhängig von der Absorption durch das Ethylengas.

Schlussbemerkungen und Geschäftsaussichten 

Die Klimadebatte ist Teil unseres täglichen Lebens, und die meisten von uns sind sich darin einig, dass sich die Dinge vielleicht in die falsche Richtung bewegen. In den letzten beiden Jahren haben wir mehr Sauerstoffsensoren als früher von unseren Kunden zurückerhalten, weil diese vorzeitig ausgefallen sind. Wir sind stets bemüht, unseren Kunden den besten Service zu bieten. Und so haben wir genau analysiert, wodurch diese unerwartete Panne verursacht worden sein könnte. Meist waren es die FCX-UC-Sensoren, die plötzlich nicht mehr funktionierten, und das ist schon verdächtig. Verdächtig deshalb, weil die Lebensdauer des Sensors normalerweise sehr lang und das Ausgangssignal über die gesamte Lebensdauer des Sensors sehr stabil ist. Nachdem wir über einen Zeitraum von 6 Monaten mehr als 10 Sensormodule zurückerhielten, haben wir beschlossen, den Sensor zu öffnen und nach möglichen Ursachen an den Sensorelementen zu suchen. Es stellte sich heraus, dass eine Kombination aus Trockenheit (aufgrund klimatischer Veränderungen) und einem Verfahren zur Vorbereitung der Äpfel auf die Ernte die Ursache für das Auftreten der Probleme war.

Kurz vor der Ernte werden die Äpfel mit einer Kupfersulfatlösung besprüht, um Problemen mit Mehltau und Apfelschorf vorzubeugen. Aufgrund der trockenen Witterung wurde die Lösung nicht auf natürliche Weise von der Oberfläche der Äpfel abgewaschen und die Äpfel wurden in die Lagerräume gebracht, wo sich noch immer ein erheblicher Teil der Lösung auf der Oberfläche der Äpfel befand. Im Lagerraum herrscht hohe Luftfeuchtigkeit, sodass sich die Lösung zusammen mit der Feuchtigkeit in der Luft auflöst. Die Luft, die nun hohe Konzentrationen von Feuchtigkeit und Kupfersulfaten aufweist, wird durch die Sauerstoffsensoren geleitet. Und wenn es etwas gibt, was ein FCX-UC-Sensor nicht verträgt, dann ist es die Kombination aus Luftfeuchtigkeit, Kupfer und Schwefel.

Als wir den Sensor öffneten und ihn mit sehr starker Vergrösserung unter einem Elektronenmikroskop untersuchten, fanden wir Kupferspuren in den sauerstoffempfindlichen Korngrenzen auf der Oberfläche des Sensorelements (siehe Abbildung 4). Nun war der Beweis dafür erbracht, weshalb es zu den Sensorausfällen kam: Unser Kunde hatte einfach nur Pech mit der Witterung und war für sein «Missgeschick» sozusagen selbst verantwortlich.

Die Geschäftsaussichten für Gassensorlösungen für die Langzeitlagerung von Obst und Gemüse, aber auch von anderen EnteLebensmitteln sowie chemischen und medizinischen Produkten sind gut und das Geschäft wächst. Der Hauptanteil des weltweiten Geschäfts wird jeweils mit spezialisierten Unternehmen erzielt, die mit heimischen Kunden arbeiten. Was in Korea funktioniert, muss in Dänemark jedoch nicht zwangsläufig auch gut funktionieren. Unsere Aufgabe ist es, die richtige Gasmesslösung für ein bestimmtes Produkt auszuwählen, und zwar auf der Grundlage von Erfahrung, Fachwissen und der Kompetenz, zusammen mit dem Kunden die jeweiligen Anforderungen zu besprechen. Hierbei kann es sich um spezifizierte, strenge und schriftlich fixierte Anforderungen handeln, aber auch um nicht spezifizierte, subtilere und weniger strenge Anforderungen, die für uns ausschlaggebend sein können.

Abbildung 4. Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen
der Oberflächen a) eines einwandfrei
funktionierenden Sensors und 2) eines defekten
Sensors. Beachten Sie den Unterschied in der
vergrösserten Darstellung. Entscheidend für
einen einwandfrei funktionierenden Sensor ist,
dass die Korngrenzen makellos und sauber
sind. Auf dem Bild rechts (stark vergrössert) ist
deutlich zu erkennen, dass die Korngrenzen mit
Schadstoffen besetzt sind. Eine Röntgenanalyse
ergab, dass es sich bei den Schadstoffen
hauptsächlich um Kupfer handelt.

 

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veröffentlicht: 10.03.2022, 15:19:00  von: Angst+Pfister Magazin2022