Een samenwerking van:

met steun van:

CFD Modellen voor bewaring en koelketens

Abhishek Nataraj, Pieter Verboven – MeBioS KU Leuven

Waarom CFD toepassen voor transport en bewaring van fruit?

Computational Fluid Dynamics (CFD) biedt een rigoureuze, op fysica gebaseerde methode om de complexe omgeving te begrijpen en te optimaliseren tijdens de opslag en het transport van pit- en zachtfruit na de oogst. In systemen met gecontroleerde atmosfeer (CA) en dynamisch gecontroleerde atmosfeer (DCA) kunnen kleine variaties in temperatuur, luchtstroom of gassamenstelling de ademhaling, het energieverbruik en uiteindelijk de productkwaliteit van het fruit aanzienlijk beïnvloeden. CFD stelt onderzoekers en operators in staat deze omstandigheden te simuleren zonder de bewaaromgeving te verstoren, wat inzicht biedt in de dynamische interactie tussen fruit en de omgeving. Door vloeistofstroom-, warmteoverdracht- en gasuitwisselingsmodellering te combineren, helpt CFD bij het verfijnen van opslagstrategieën, het voorkomen van kwaliteitsverlies en het ondersteunen van de ontwikkeling van efficiënte, schaalbare en veilige naoogstsystemen.

Belangrijke inzichten

Het in INFLEX ontwikkelde modelleringskader biedt een geavanceerde set van mogelijkheden, speciaal ontwikkeld voor naoogsttoepassingen. Het omvat gedetailleerde beschrijvingen van O₂- en CO₂-transport met behulp van poreuze media-benaderingen, waardoor hele kisten, dozen of pallets met fruit realistisch kunnen worden weergegeven zonder elk afzonderlijk fruit te modelleren. Het systeem voorspelt temperatuurprofielen, luchtstroomverdeling en gasuitwisseling, aangestuurd door de ademhaling van het fruit, waardoor nauwkeurige voorspellingen mogelijk zijn van de ruimtelijke en temporele dynamiek in zowel opslagruimtes als transportcontainers. Bovendien integreren de modellen biologische kinetiek, zoals verzachting van de stevigheid, die afhankelijk is van de bewaartemperatuur en de atmosferische samenstelling, waardoor een holistische tool ontstaat die fysieke en fysiologische processen combineert. Samen maken deze mogelijkheden simulaties mogelijk die variëren van kleine experimentele opstellingen tot industriële faciliteiten met honderden tonnen fruit.

Hoe het werkt

De kern van de aanpak is een multischaal modelleringsstrategie die CFD-gebaseerde warmte- en massaoverdracht koppelt aan de ademhaling van het fruit en de kinetiek van kwaliteitsverandering. Formuleringen met poreuze media representeren het grootste deel van het fruit en de verpakking, wat een computationeel efficiënt alternatief biedt voor het modelleren van individuele fruitgeometrieën. Binnen dit kader circuleert lucht rond en door fruitstapels, waarbij warmte en ademhalingsgassen worden getransporteerd, terwijl de gasuitwisseling over de fruitschil en in de intercellulaire en cellulaire compartimenten wordt gemodelleerd door middel van gekoppelde diffusie- en reactieprocessen. Temperatuurafhankelijke ademhalingskinetiek bepaalt hoeveel O₂ er wordt verbruikt en hoeveel CO₂ er in het fruit wordt geproduceerd, wat weer terugvloeit naar de omgevingsomstandigheden. Als aanvulling hierop beschrijven kwaliteitskinetiekmodellen hoe de stevigheid verandert tijdens opslag en houdbaarheid, waarbij factoren zoals temperatuur en atmosferische samenstelling worden geïntegreerd. De combinatie van deze fysische en biologische submodellen maakt het mogelijk om realistische opslagscenario’s te simuleren, toekomstige systeemtoestanden te voorspellen en alternatieve bedrijfsstrategieën te evalueren.

Toepassingen in INFLEX

Binnen het INFLEX-project zijn deze modellen toegepast voor diverse naoogstscenario’s. Ze werden gebruikt om gasuitwisseling te simuleren tijdens CA-bewaring van peren, eerst in een kleine validatiecontainer en later in een commerciële ruimte met een capaciteit van bijna 400 pallets fruit. Dezelfde modelleringsprincipes zijn uitgebreid naar transportomstandigheden, waarbij een gekoelde testcontainer werd geïnstrumenteerd en geëvalueerd met behulp van zowel metingen als CFD-simulaties. Deze toepassingen toonden aan hoe poreuze media CFD de uniformiteit van de luchtstroom, temperatuurgradiënten, gasverdeling en de effecten van ademhalingswarmte onder realistische bedrijfsomstandigheden kan vastleggen. Het kwaliteitskinetiekmodel is gebruikt om DCA- en CA-opslagstrategieën te vergelijken, waarbij werd onderzocht hoe temperatuur en atmosfeer samenwerken om het behoud van stevigheid te beïnvloeden. Samen dragen deze inspanningen bij aan een breder digital-twin-initiatief, waarbij fysieke metingen en op fysica gebaseerde modellen samensmelten ter ondersteuning van real-time besluitvorming in opslagfaciliteiten en transportketens.

Figuur 1. Toepassingen in INFLEX: containers en opslagruimtes

Resultaten en inzichten

Het modelleerwerk leverde verschillende belangrijke inzichten op. Het poreuze-media CFD-model bleek zeer nauwkeurig in vergelijking met gemeten O₂- en CO₂-profielen, met relatieve fouten van bijna 1% en vergelijkbare prestaties als complexere expliciete-geometriemodellen. Dit toont aan dat het geschikt is voor grootschalige opschaling. Experimenten in een commerciële CA-faciliteit toonden aan dat er weliswaar enige temperatuurvariatie was, maar dat er zich geen meetbare gasconcentratiegradiënten vormden tijdens de opslag, wat de robuustheid van de luchtcirculatie van het systeem valideerde. In de transportcontainer konden de temperatuurgradiënten relatief goed met het steady-state CFD-model gereproduceerd worden zodat de gemeten patronen succesvol werden voorspeld, wat de toepasbaarheid ervan voor scenario’s voor langeafstandstransport bevestigde. Tegelijkertijd behaalde het model voor verzachting van de stevigheid sterke voorspellende prestaties en verklaarde het ongeveer 77% van de variabiliteit in de validatiegegevens. Toepassing van het model toonde aan dat DCA de stevigheid effectiever behoudt dan CA, en dat DCA bij hogere temperaturen in sommige gevallen een vergelijkbaar behoud van stevigheid kan bieden als CA bij lage temperaturen, terwijl het energieverbruik wordt verlaagd, wat een waardevol pad biedt voor duurzamere opslag.

Kenmerken van een CFD berekening

De INFLEX modellen bevatten verschillende onderscheidende kenmerken die hun relevantie voor industriële toepassingen vergroten. Het gasuitwisselingsmodel maakt gebruik van een driecompartimentenweergave van de vrucht, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen de omringende lucht, de intercellulaire luchtruimten en de cellulaire weefsels waar ademhalingsreacties plaatsvinden. Temperatuurafhankelijke ademhaling draagt ​​bij aan zowel de gasdynamiek als de warmteontwikkeling, waardoor biologisch gedrag wordt gekoppeld aan omgevingsomstandigheden. De modellen zijn ontworpen voor schaalflexibiliteit, variërend van experimenten op laboratoriumschaal tot volledig beladen commerciële koelcellen, en ze integreren naadloos met kwaliteitsevaluatietools. Het kwaliteitsveranderingsmodel legt de logistieke verzachtingskinetiek vast en kan verder worden uitgebreid met processen zoals ethyleenproductie. Gezamenlijk creëren deze kenmerken een modelleringsomgeving dat geschikt is voor zowel onderzoeks- als operationele omgevingen.

Voordelen in één oogopslag

Door CFD, fruitfysiologie en modellering op systeemniveau te combineren, biedt dit framework een krachtige beslissingsondersteunende tool voor naoogstbeheer. Het stelt gebruikers in staat om omgevingsomstandigheden, energieverbruik en fruitkwaliteit in de loop van de tijd te voorspellen zonder opslagsystemen te verstoren. De aanpak ondersteunt de optimalisatie van CA- en DCA-strategieën, verbetert het inzicht in temperatuur- en gasgedrag in praktijksituaties en vermindert de afhankelijkheid van ingrijpende of arbeidsintensieve metingen. Uiteindelijk dragen deze modellen bij aan een beter kwaliteitsbehoud tijdens langdurige opslag en transport, een energiezuinigere werking van koelsystemen en een solide basis voor intelligente digital-twin-oplossingen in moderne fruitketens.

Figuur 2. CFD-inzichten: Temperatuurverdeling in koelcellen en containers

Transport van blauwe bessen en kersen: Hoe lang kunnen ze worden vervoerd?

Minh Viet Thao Nguyen, Ann Schenk – VCBT

Kersen en blauwe bessen zijn delicate vruchten die consumenten waarderen om hun smaak en gezondheidsvoordelen, maar ze zijn ook moeilijk te vervoeren. Langdurig transport leidt tot kwaliteitsverlies als gevolg van mechanische schade, fysiologische veranderingen en microbieel bederf. De omvang van dit verlies hangt grotendeels af van vele factoren, waaronder de variëteit, oogstmethode, rijpheid, opslagomstandigheden en transportmethoden. Ons onderzoek gaat na hoe lang deze vruchten kunnen worden opgeslagen en vervoerd, wat de resterende houdbaarheid is, en identificeert de belangrijkste kwaliteitsparameters die dienen als indicatoren voor kwaliteitsveranderingen tijdens opslag en transport onder verschillende invloedsfactoren.

Kersen

• Uitgangsproduct is belangrijk: Cultivars beïnvloeden de kwaliteit van fruit na opslag en transport, de duur van opslag en transport en de resterende houdbaarheid
• Opslagomstandigheden: Zowel CA (0,5 °C, 10% CO₂, 3% O₂) als RA (0,5 °C) houden de versheid van kersen cv. Regina tot twee weken lang in stand (figuur 1), met uitzondering van de glans (figuur 2).
• Transportduur: varieert per ras. Kersen van het ras Regina kunnen tot 10 dagen bij 4 °C worden vervoerd.  Ze verliezen wel hun glans (figuur 1, 2).
• Afname van het uitstalleven: langere opslag en transport verminderen de resterende houdbaarheid, met meer verlies van stengelversheid (figuur 1), glans (figuur 2), vocht (figuur 3) en putjes (niet weergegeven)
• Kwaliteitsindicatoren voor transporteerbaarheid zijn vochtverlies, stengelversheid, putjes en glans.

Blauwe bessen

• Uitgangsproduct is belangrijk: met de hand geplukte blauwe bessen behouden hun kwaliteit beter dan mechanisch geplukte blauwe bessen, en midden in het seizoen geplukte bessen behouden hun kwaliteit beter dan laat geplukte bessen tijdens en na opslag en transport (figuur 4).
• Voordelen van bewaring: CA (1 °C, 5% CO₂, 5% O₂) helpt de blauwe bes cv. Duke tot zes weken vers te houden, in vergelijking met RA, maar biedt slechts een beperkt voordeel voor de houdbaarheid of transportduur (figuur 5).
• Transportduur: Handige, halverwege de oogst geplukte blauwe bessen cv. Duke kunnen tot 3 weken worden vervoerd in MAP-zakken (afbeelding 4).
• Afname van het uitstalleven: Langere opslag en transport verminderen de resterende houdbaarheid door meer vochtverlies, meer schimmel, minder wit vruchtvlees en minder bloom.
• Kwaliteitsindicatoren voor transporteerbaarheid zijn vochtverlies, visuele kleur (bloei), wit vruchtvlees en schimmelgroei.

Inzicht in verpakkingen

MAP-zakken tijdens het transport verminderen het vochtverlies van zowel kersen als blauwe bessen aanzienlijk, waardoor de kwaliteit over langere afstanden behouden blijft.

Wat dit betekent voor de sector

• Geef prioriteit aan het gebruik van opslagsystemen met gecontroleerde atmosfeer (CA) om een optimale vruchtkwaliteit te behouden.
• Gebruik waar mogelijk MAP-zakken (Modified Atmosphere Packaging) om vochtverlies te verminderen.
• Overweeg voor langere transporttijden geavanceerde CA-technieken om de versheid te behouden.
• Stimuleer toekomstig onderzoek om de werkelijke houdbaarheid van blauwe bessen en kersen na transport te beoordelen.

Figuur 3. Kleur/versheid van de steel van grote kersen van het ras Regina onder RA (0,5 °C) (A) en CA (0,5 °C, 10% CO₂, 3% O₂) (B) tijdens twee weken opslag, gevolgd door 3 en/of 10 dagen transport bij 4 °C in een zak (zak) of open (open). De metingen werden uitgevoerd na opslag en transport (houdbaarheid 0 d) en na 3 dagen houdbaarheid na opslag en transport (houdbaarheid 3 d) bij 18 °C . De kleur/versheid van de steel wordt geschaald van 1 tot 4, vers, groene steel – verwelkte bruine steel.

Figuur 4. Glans van grote kersen cv. Regina onder RA (0,5 °C) (A) en CA (0,5 °C, 10% CO₂, 3% O₂) (B) tijdens twee weken opslag, gevolgd door 3 en/of 10 dagen transport bij 4 °C in een zak (zak) of open (open). De metingen werden uitgevoerd na opslag en transport (houdbaarheid 0 d) en na 3 dagen houdbaarheid na opslag en transport (houdbaarheid 3 d) bij 18 °C . De glans wordt gemeten op een schaal van 0 tot 3, waarbij een hogere score staat voor een hogere glans.

Figuur 5. Percentage gewichtsverlies van grote kersen cv. Regina onder RA (0,5 °C) (A) en CA (0,5 °C, 10% CO₂, 3% O₂) (B) tijdens twee weken opslag, gevolgd door 3 en/of 10 dagen transport bij 4 °C in een zak (zak) of open (open). Blauwe balken geven het gewichtsverlies na opslag en transport weer; rode balken geven het gewichtsverlies weer na 3 dagen houdbaarheid na opslag en na transport. Foutbalken geven de standaardfouten van het gemiddelde weer (n = 3).

Figuur 6. Uiterlijk van blauwe bessen cv. Duke onder CA (1 °C, 5% CO₂, 5% O₂) gedurende zes weken opslag, gevolgd door 3 en/of 6 weken transport bij 1 °C in een zak.

Figuur 7. Wit vruchtvlees van mechanisch laat geplukte blauwe bessen cv. Duke onder RA (1 °C) (A) en CA (1 °C, 5% CO₂, 5% O₂) (B) gedurende zes weken opslag, gevolgd door zes weken transport bij 1 °C in een zak (zak). De metingen werden uitgevoerd na opslag en transport (houdbaarheid 0 dagen) en na 7 dagen houdbaarheid na opslag en transport (houdbaarheid 7 dagen) bij 12 °C . 1, 75 – 100% wit, 2; 50 – 75% wit; 3, minder dan 50% wit.