New techniques and methods for cold chain monitoring and tracking in perishable products

Resumen

En el sector agroalimentario resulta de gran importancia controlar la calidad y supervisar los productos hortofrutícolas durante su transporte, almacenamiento y distribución. El mayor reto es asegurar una cadena de frío continua desde el productor hasta el consumidor, para lo cual es preciso contar con sistemas y tecnología de monitorización y control adecuados, así como técnicas de registro y análisis de datos fiables. Actualmente la FAO (Food and Agriculture Organization) estima que un tercio de la producción agroalimentaria mundial se desperdicia, en gran parte debido a que los sistemas de medición que se emplean no proporcionan una información veraz sobre el estado de los productos y las condiciones en que se encuentran. Y también debido a que los sistemas de control no funcionan perfectamente o no se aplican con el rigor necesario. Esta tesis doctoral aborda la aplicación de nuevas técnicas y métodos de control en la cadena de frío, y se centra en los sistemas de supervisión, así como en la utilización de estas nuevas tecnologías y análisis de datos, para reducir la pérdida de calidad de los productos perecederos. El trabajo experimental se ha llevado a cabo en cinco fases. En primer lugar se ha realizado un estudio de la utilidad y manejo de sensores inalámbricos RFID (Radio Frequency IDentification) y WSN (Wireless Sensor Network) en cámaras frigoríficas comerciales de un centro de distribución; en este estudio se han encontrado importantes puntos débiles en el manejo del producto y puntos para mejorar en la construcción de los módulos inalámbricos. En segundo lugar se han probado diferentes métodos de predicción de temperaturas en un contenedor (de 20 pies) completamente cargado de producto. Se ha demostrado su validez con errores inferiores a 0,5 ºC, y por lo tanto su utilidad, ya que se puede prescindir de ciertos puntos de medición directa y reducir el número de sensores. En tercer lugar se ha aplicado, en producto paletizado, la técnica más eficiente de predicción de temperaturas obtenida en el anterior estudio. Para ello se ha usado como referencia una imagen termográfica/espectro infrarrojo. Este método permite prescindir de puntos de medición fijos, pero presenta una gran variabilidad de resultados según los tipos de productos. En cuarto lugar se ha estudiado la viabilidad de supervisar palés de productos hortícolas (acelga y pepino) mediante imagen termográfica, una vez están cubiertos con mantas térmicas protectoras como se usa hoy en día en la industria. Se ha encontrado que la utilización de esta técnica es compleja, ya que existen muchos parámetros en juego tales como la emisividad de los materiales de las mantas, la temperatura real superficial, tipo de producto y densidad de carga, condensación y evaporación de agua del producto. En consecuencia una medición directa sin ajustes podría conducir a error en los resultados. Por último, en quinto lugar se ha realizado una caracterización de tres tipos de mantas térmicas para palés y se ha dispuesto de diferentes tipos de productos hortícolas: de hoja (acelga), fruto (pepino) y raíz (zanahoria). Todas las mantas reducen el tiempo de absorción de calor en comparación con no tener manta; en dos de las tres se producen condensaciones no deseadas. Todos los experimentos de esta tesis están enfocados a solucionar problemas reales que ocurren a diario en la industria. Por tanto, todo el conocimiento generado es transferible directamente a la industria alimentaria que trabaja con productos perecederos, lo que puede ayudar a reducir costes y el desperdicio de alimentos. ABSTRACT The quality control and monitoring of horticultural products during transport and distribution is a main issue in the agrofood sector. The biggest challenge is to ensure a continuous cold chain from producer to consumer, and for that it is necessary to count with appropriate monitoring and control systems and technologies, as well as techniques of collection and analysis of reliable data. Currently, FAO (Food and Agriculture Organization) estimates that one-third of the world's food production is wasted, principally since the measurement systems used do not provide truthful information about the status of the products and in which conditions they are; control systems do not work perfectly or are not applied as it is rigorously required. Therefore, this thesis addresses the application of new control techniques and methods for the cold chain, focusing in monitoring systems, especially in the phase of analysis of data and the use of new technologies to reduce the incidence of changes in the quality of perishable products when environmental variations occur. The experimental work was carried out in five phases. First it has made a study of the use and management of wireless sensors, RFID (Radio Frequency Identification) and WSN (Wireless Sensor Network) in a commercial cold storage distribution center; in this study it was found significant weaknesses in the management of the product and spots with a gap for improvement in the construction of wireless modules. Secondly it have been tested different methods of predicting temperatures in a fully loaded of product refrigerated container (20 ft). It has proved valid with errors lower than 0.5 ° C, and therefore its usefulness, since it can dispense with certain points of direct measurement and reduce the number of sensors. Third, it has been applied in pallet of product, the most efficient technique for predicting temperatures selected in the previous study. For this method it has been used a thermal image/ infrared spectrum as temperature reference. This method eliminates the need for fixed measuring points, but has a great variability of results depending on the types of products. Fourthly it has studied the feasibility of monitoring pallets of horticultural products (chard and cucumber) using thermographic image, while the product is already covered with thermal covers, same covers in use for some companies. There is a lot to study and it is not easy task to assess, there are many variables involved, such as cover materials emissivity, actual surface temperature, type and density of product, and water condensation and evaporation of the product. Consequently a direct measurement without parameter adjustments, could lead to errors in the results. Finally there has been a characterization of three types of thermal covers for pallets and different types of horticultural products: leaf (chard), fruit (cucumber) and root (carrot). All covers augmented the warming time compared with having no cover; in addition, with two of the three covers, undesired condensations occur. All experiments of this thesis are focused on solving real problems that occur daily in industry; therefore all the knowledge acquired is transferable directly to the food industry that is currently working with perishable products, which can help reducing costs and food waste.