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Mangez des pommes – ou comment le stockage intelligent des fruits a permis de profiter de fruits frais et savoureux toute l’année

Les applications sous atmosphère contrôlée (AC) - le thème principal du stand Angst+Pfister Sensors and Power au salon ACHEMA de l’année prochaine - sont utilisées pour contrôler et maximiser la performance de milliers de processus organiques et inorganiques au sein de l’industrie, conduisant à des produits de meilleure qualité et de plus grande valeur pour les clients.

Par exemple, en contrôlant la teneur en oxygène de divers produits alimentaires emballés, la durée de conservation peut être prolongée, ce qui réduit les déchets alimentaires. Les fruits frais, tout au long de l’année, font depuis longtemps partie de la vie quotidienne, mais quelles sont les astuces utilisées pour profiter de ces fruits frais et savoureux quelle que soit la saison?

L’une des nombreuses astuces consiste à utiliser des capteurs de gaz stables et à longue durée de vie pour contrôler l’atmosphère d’un grand caisson de stockage rempli de fruits récoltés prématurément et pour pouvoir chronométrer le processus de maturation des fruits. Cet article décrit les solutions de capteurs de gaz pour le stockage et la maturation des fruits – une activité mondiale qui se développe, et où notre expertise est la clé du succès.

«Entrez avec moi dans le monde fascinant des applications sous atmosphère contrôlée – deux applications parmi des milliers. Chaque application requiert une expertise en matière de conception et la faculté de se mettre au niveau des clients.»

Thomas Clausen, chef de produit capteurs de Angst+Pfister Sensor and Power

 

Les gaz qui rendent possible la sortie des fruits frais des installations de stockage

Dans mon pays d’origine, le Danemark, les bananes ont longtemps été considérées comme un produit de luxe et donc fortement taxées. Il en va de même pour les voitures, le chocolat et toutes ces choses qui embellissent votre journée. Les histoires de serpents verts et d’araignées venimeuses qui se cachent dans les paniers de bananes pendant le long voyage d’outre-mer ont été inventées pour empêcher les enfants de voler les bananes. Les bananes et les fruits en général ne sont désormais plus considérés comme un produit de luxe, mais comme un moyen d’adopter un mode de vie plus sain en mangeant davantage de fruits. La pomme que je consomme chaque jour a certainement permis de tenir les médecins à distance. Il s’agit en fait d’une histoire racontant comment je me suis débarrassé de mes derniers traumatismes liés à l’enfance (serpents, araignées, vers, scarabées et insectes) en étant capable de manger des fruits frais tous les jours – tout juste sortis d’une installation de stockage.

Les installations de stockage des fruits et légumes récoltés précocement comportent normalement plusieurs caissons de stockage dont la taille peut atteindre celle d’un conteneur et le volume jusqu’à 30 m3 par caisson. Certains caissons sont pratiquement étanches à l’air afin de pouvoir abaisser le niveau d’oxygène à l’intérieur à un niveau très bas, tandis que d’autres caissons sont facilement accessibles via un orifice et ne sont donc pas ou seulement partiellement étanches aux gaz. Le système de gestion du gaz est généralement installé dans la zone de service et le gaz du caisson de stockage est pompé à travers les capteurs de gaz afin de pouvoir contrôler et surveiller le processus de stockage et réagir aux changements indésirables de l’environnement dans le caisson de stockage pendant le stockage.

Les gaz qui intéressent principalement les fabricants d’installations de stockage de fruits et légumes à maturation contrôlée sont l’oxygène, l’humidité, le dioxyde de carbone et l’éthylène. Les stratégies de stockage sont très différentes d’un type de fruit à l’autre, mais aussi au sein des différents types de fruits (pommes, poires,...). Je me limiterai à deux cas, que je décrirai en détail et je montrerai ce que Angst+Pfister Sensors and Power peut offrir en termes de produits et d’expertise. Voici tout d’abord, une brève description de chaque gaz et de son impact sur la maturation des fruits et légumes:

L’oxygène – O2 – est un gaz que nous respirons pour vivre. Supprimez l’oxygène et pratiquement tout organisme vivant aura un problème. Ainsi, en réduisant l’oxygène dans une installation de stockage, le problème des parasites est éliminé! Réduisez l’oxygène et vous ralentirez le métabolisme – voici l’astuce pour conserver les fruits pendant plus de neuf à douze mois et pour rendre possible la livraison juste à temps de fruits frais.

Le dioxyde de carbone – CO2 – est normalement un gaz ayant une très mauvaise réputation, mais pour l’industrie alimentaire, le CO2 est un gaz essentiel pour la conservation des aliments. Dans une installation de stockage, le CO2 est utilisé soit pour ralentir la vitesse de maturation, soit pour réduire la concentration d’oxygène dans l’air d’un caisson de stockage, où la concentration d’oxygène n’est pas contrôlée par ailleurs.

L’éthylène – C2H4 – est le gaz libéré par certains fruits au moment de leur maturation. Il est également utilisé pour accélérer la maturation ou il est contrôlé afin d’empêcher toute maturation indésirable. Une seule pomme pourrie qui dégage de l’éthylène peut rendre le lot complet invendable, ce qui explique l’utilisation très répandue des absorbeurs d’éthylène.

L’humidité - ou la teneur en eau de l’air - est également un gaz. Les fruits contiennent beaucoup d’eau et, en toute logique, ils se dessèchent s’ils sont stockés dans des conditions de faible humidité. Par conséquent, la plupart des fruits sont stockés dans un environnement à forte humidité afin que l’eau contenue dans le fruit ne s’évapore pas.

Figure 1. Capteur FCX-U fini (gauche), capteur FCX-U ouvert; notez l’élément céramique blanc
sur le dessus de la laine céramique blanche (milieu), principe du capteur (droite).


Capteurs d’oxygène de Angst+Pfister Sensors and Power

Les pommes juteuses, au goût sucré ou parfois acide, sont un délice au début de l’automne et jusqu’au début/milieu de l’hiver. Les techniques modernes de stockage ont permis de prolonger cette délicieuse période au-delà même de douze mois. Voilà comment.

La plupart des variétés de pommes sont récoltées à l’état prématuré dans les premières semaines d’automne. Celles-ci sont ensuite stockées dans des caissons de stockage étanches au gaz dits ULO (ultra-low oxygen, oxygène à très bas niveau), ajoutant une humidité allant jusqu’à 95% et du CO2 jusqu’à 2,5%, tout en abaissant la température en dessous de 4 °C. Les pommes sont «mises en sommeil». Lorsque les pommes sont demandées, elles sont lentement cultivées et préparées pour la vente. Le principe ULO pour le stockage des fruits n’est pas limité aux seules pommes – les poires, les kiwis, les myrtilles, les mangues, les raisins et les cerises peuvent également être stockés dans des conditions ULO et être livrés en tant que fruits frais toute l’année, tout comme les oignons, l’ail, le chou et les asperges.

Pour mesurer des valeurs stables de faible concentration d’oxygène, un capteur d’oxygène très fiable est nécessaire. Nous disposons de ce genre de capteurs dans notre gamme de produits – le capteur d’oxygène ampérométrique FCX-U (voir photo) de Fujikura Ltd. Fujikura Ltd est notre partenaire le plus important – non seulement pour les capteurs d’oxygène, mais aussi pour les capteurs de pression. Fujikura fabrique près de 600 000 capteurs d’oxygène par an, tous faits main et à des prix très compétitifs. Environ 95% de tous ces capteurs d’oxygène sont vendus à l’industrie médicale pour des équipements respiratoires mobiles. Tout le reste, ou presque, nous est destiné.

Le FCX-U est un capteur de type céramique présentant une très longue durée de vie - idéal pour de nombreuses applications, et en particulier lorsqu’il s’agit d’applications sous atmosphère contrôlée. Le capteur a besoin d’une tension de chauffage prédéfinie et très précise, afin que la température de l’élément de détection puisse être maintenue constante à 450 °C (figure 1). A 450 °C, et lorsqu’un potentiel est placé entre l’anode et la cathode de l’élément de détection, un courant circule dans l’élément (figure  1). Le courant est proportionnel à la concentration en oxygène. C’est l’idéal - une faible concentration d’oxygène équivaut à un faible courant et ainsi de suite. En réalité, le capteur subit certaines influences croisées du CO2 et de l’humidité. Le comportement de l’influence croisée dépend beaucoup du potentiel à travers l’élément de détection. Lorsque le potentiel est trop élevé, les molécules d’eau et de dioxyde de carbone se brisent et un taux plus élevé d’oxygène est généré (2H2O → 2H2 + O2) – conduisant à un échec systématique. Lorsque le potentiel est trop faible, le capteur cesse de fonctionner après seulement quelques années de service, bien qu’un minimum de quatre ans soit garanti.

Nous fabriquons des modules de capteurs d’oxygène personnalisés basés sur le capteur FCX-U. Le module le plus populaire, illustré dans la figure 2 ci-dessous, est le module FCX-MC25-FLOW-A-CH, qui est spécifiquement développé pour les applications sous atmosphère contrôlée, en tenant compte des conditions variables, telles que le CO2 (jusqu’à 50%) et l’humidité (jusqu’à 100%). Le potentiel est choisi de manière à minimiser l’impact de la rupture des molécules tout en maintenant une longue durée de vie opérationnelle. Les modules sont produits en Suisse et nous avons une capacité de plus de 10 000 modules par an. Le module est très populaire parmi les fabricants de fruits et d’installations de stockage, mais il est également vendu pour de nombreuses autres applications sous atmosphère contrôlée, telles que les bioréacteurs anaérobies, les systèmes de fabrication additive et les générateurs d’azote/oxygène.

 

                                        

Figure 2. Module de capteur d’oxygène OEM
FCX-MC25-FLOW-A-CH développé pour les
applications en ligne sous atmosphère contrôlée.

 

Capteurs de gaz éthylène de Angst+Pfister Sensors and Power

Les salles de maturation des bananes sont presque une discipline scientifique à part entière. Les expressions telles que «réfrigérer la banane» ou «cuire la banane» n’ont rien à voir avec le gaz ou la détection de gaz, mais sont la conséquence des variations de température en dessous et au-dessus d’une température de stockage optimale – l’accent est donc mis sur le maintien d’une température constante et optimale pendant le processus de maturation. L’humidité est indispensable, sinon les bananes se dessèchent. Ce qui rend les bananes spéciales du point de vue de la détection des gaz, c’est l’accélération contrôlée du processus de maturation dans des installations spéciales de stockage.

Les salles de maturation rapide les plus sophistiquées pour les bananes sont pressurisées et l’air est circulé/recirculé pour maintenir les meilleures conditions pendant le processus de maturation rapide. Certaines études indiquent qu’il est possible de réduire la teneur en oxygène dans la salle de stockage, mais pour accélérer le processus, un autre gaz entre en jeu: l’éthylène. L’éthylène est activement utilisé pour le processus de maturation et plus la concentration d’éthylène est élevée, plus la maturation est rapide. La plupart des fabricants recommandent des niveaux constants d’éthylène de 100 à 300 ppm, mais il n’est probablement pas surprenant que la plupart des propriétaires d’installations de maturation rapide des bananes utilisent des niveaux de 400 à 500 ppm. Le gaz éthylène n’est pas facile à détecter, voici pourquoi:
L’éthylène a une empreinte optique, ce qui signifie qu’il absorbe l’énergie infrarouge (IR) à une certaine longueur d’onde. L’amplitude d’absorption est proportionnelle à la concentration d’éthylène. Il est relativement simple en théorie de construire un capteur basé sur le principe de l’absorption IR, mais en réalité, l’absorption étant relativement faible, la sortie du capteur est soumise à de nombreuses variations potentielles. Néanmoins, les capteurs d’éthylène basés sur l’absorption infrarouge sont utilisés pour mesurer et contrôler le processus de maturation des bananes, car ils offrent un bon compromis prix/performances.

Tout ce qui interagit avec le rayonnement (et donc aussi avec l’énergie IR) est excité dans un état intermédiaire instable et la relaxation dans l’état fondamental suit assez rapidement. Il en va de même pour l’éthylène exposé au rayonnement de la lumière IR à une certaine longueur d’onde. Au cours du processus de relaxation, l’énergie est désorbée des atomes d’éthylène et cette énergie a une empreinte auditive. L’amplitude du signal sonore est proportionnelle à la concentration d’éthylène. Un microphone est utilisé pour capter l’amplitude du signal sonore. C’est le principe fondamental d’un capteur d’éthylène photoacoustique (PAS), dont les performances sont meilleures que celles d’un capteur d’éthylène par absorption, mais qui est également plus coûteux. Dans certains cas, notamment pour la maturation des bananes, l’argent supplémentaire est bien dépensé, car la sortie d’un capteur d’éthylène PAS est plus stable et plus fiable que celle d’un capteur d’éthylène IR.

En présence d’une énergie potentielle suffisante et d’oxygène, il est possible de briser l’atome d’éthylène. Si le processus se fait sur des électrodes en contact avec un électrolyte, un courant peut être généré dans un circuit externe, et le courant généré est proportionnel à la concentration d’éthylène. Il s’agit d’une technique très simple et bien connue, et les capteurs dits électrochimiques (CE) représentent la majeure partie du marché des capteurs de gaz. On pourrait penser qu’il s’agit de la base d’un bon capteur à prix avantageux pour la maturation des bananes. L’inconvénient d’un produit aussi bon marché est l’influence croisée de nombreux autres gaz tels que l’éthanol, le monoxyde de carbone, le dioxyde d’azote et d’autres gaz qui sont probablement aussi présents pendant un processus de maturation. Un camion qui charge des bananes, tout en continuant à émettre des gaz d’échappement (moteur en marche) et les capteurs d’éthylène s’emballent. L’utilisation des capteurs électrochimiques d’éthylène est limitée, mais il est possible de les rendre moins sensibles à d’autres gaz. Cependant, la conception est compliquée et le rendement est faible.

Notre activité principale porte sur les capteurs de type IR, pour lesquels nous avons une société avec un fournisseur renommé. La figure 3 ci-dessous présente un capteur d’éthylène IR de 0 à 2000 ppm, ainsi qu’une esquisse du principe de détection, qui est parfait pour contrôler le processus de maturation des bananes. Le capteur est un long tube creux d’absorption fabriqué en aluminium et poli jusqu’à un état où la réflexion des surfaces polies est proche de 100%. La lumière IR se déplace de l’extrémité du tube, où elle est émise par une source IR, à l’autre extrémité du tube, où la lumière restante (c’est-à-dire la lumière qui n’a pas été absorbée) est détectée. L’entrée et la sortie du gaz se font par des adaptateurs de débit montés à l’extérieur du capteur. Il ne s’agit pas d’un seul détecteur, mais en fait de deux détecteurs utilisés pour contrôler la lumière IR. Un détecteur mesure la lumière qui n’a pas été absorbée par l’éthylène dans le long tube et l’autre capteur mesure l’intensité de la source IR, indépendamment de l’absorption par le gaz éthylène.

Observations finales et perspectives commerciales

Le débat sur le climat fait partie de notre vie quotidienne et la plupart d’entre nous s’accordent à dire que les choses vont peut-être dans la mauvaise direction. Au cours des deux dernières années, les clients nous ont retourné davantage de capteurs d’oxygène ayant souffert d’une panne et d’une défaillance prématurées. Nous essayons d’offrir à nos clients le meilleur service possible en analysant ce qui a pu causer la panne inattendue. La plupart du temps, ce sont les capteurs FCX-UC qui ont soudainement cessé de fonctionner, ce qui semble suspect, car la durée de vie du capteur est normalement très longue et la sortie du signal très stable pendant toute la durée de vie du capteur. Après avoir reçu plus de dix modules de capteurs en retour sur une période de six mois, nous avons décidé d’ouvrir le capteur et de rechercher les causes premières possibles sur les éléments de détection. Il s’est avéré que la combinaison d’un temps sec (dû aux changements climatiques) et d’une procédure fixe sur la façon de préparer les pommes pour la récolte était à l’origine des problèmes.

Juste avant la récolte des pommes, les pommes sont pulvérisées avec une solution de sulfate de cuivre afin d’éliminer les problèmes de mildiou et de tavelure. En raison du temps sec, la solution n’a pas été éliminée naturellement de la surface des pommes et les pommes ont été placées dans les installations de stockage en ayant encore une part significative de la solution à la surface. Dans une installation de stockage, l’humidité est élevée, ce qui a provoqué la dissolution de la solution dans l’air avec l’humidité. L’air, qui présente maintenant de fortes concentrations d’humidité et de sulfates de cuivre, passe à travers les capteurs d’oxygène et s’il y a une chose qu’un capteur FCX-UC n’aime pas, c’est la combinaison de l’humidité, du cuivre et du soufre.

Lorsque nous avons ouvert le capteur et l’avons examiné avec de très gros verres grossissants dans une installation de microscopie électronique, nous avons trouvé des traces de cuivre dans les bords du grains de détection de l’oxygène à la surface de l’élément de détection (voir figure  4), et nous avons alors pu pointer du doigt notre client, accusant les conditions météorologiques de son malheur.

Les perspectives commerciales de la solution de détection de gaz pour le stockage de longue durée non seulement des fruits et légumes, mais aussi d’autres types de produits alimentaires, chimiques et médicaux, sont bonnes et l’activité se développe. La plupart des entreprises du monde entier sont soutenues et dominées par des sociétés nationales spécialisées travaillant avec des clients nationaux. Ce qui fonctionne en Corée ne fonctionne pas forcément bien au Danemark. Notre travail consiste à sélectionner la bonne solution de détection de gaz pour un produit donné en nous basant sur notre expérience, notre expertise et notre capacité à discuter avec le client des exigences - qu’il s’agisse d’exigences spécifiées, fermes et écrites ou d’exigences non spécifiées, subtiles et souples qui peuvent nous faire gagner le marché.

Figure 4. Photos MEB des surfaces a) d’un
capteur en parfait état de fonctionnement et 2)
d’un capteur défaillant. Notez la différence de
grossissement. Pour qu’un capteur fonctionne
parfaitement, il est essentiel que les bords du
grain soient parfaits et propres. Sur l’image de
droite (fort grossissement), il est clairement
démontré que les bords du grain sont remplis de
polluants. Une analyse aux rayons X a révélé
que les polluants étaient principalement du
cuivre.

 

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published: 10 mars 2022 à 15:19:00  by: Angst+Pfister Magazin2022