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Una mela al giorno, o come la conservazione intelligente ha reso il gusto e la freschezza della frutta un’esperienza non più di stagione

Le applicazioni in atmosfera controllata (AC), il tema portante dello stand di Angst+Pfister Sensors and Power alla fiera ACHEMA del prossimo anno, sono usate per controllare e massimizzare le performance di migliaia di processi organici e inorganici nell’industria, al fine di ottenere prodotti di maggior qualità e valore per i clienti.

Controllando il contenuto di ossigeno in alcuni prodotti alimentari confezionati, ad esempio, è possibile estendere la data di scadenza riducendo così gli sprechi alimentari. Poter gustare frutta fresca tutto l’anno è già da tempo una realtà nella nostra vita quotidiana. Ma quali sono i trucchi impiegati per rendere il gusto e la freschezza della frutta un’esperienza non più di stagione?

Uno dei tanti metodi è l’uso di sensori di gas stabili e di lunga durata per controllare l’atmosfera in grandi moduli di stoccaggio riempiti con frutta raccolta precocemente, al fine di gestire i tempi di maturazione. Questo articolo descrive soluzioni di rilevazione dei gas per la conservazione e la maturazione della frutta: un business che sta crescendo in tutto il mondo e nel quale la nostra esperienza è la chiave del successo.

«Scoprite con me l’affascinante mondo dei sistemi di atmosfera controllata: vi illustrerò due delle migliaia di applicazioni esistenti. Ogni singola applicazione richiede esperienza nella progettazione e capacità di garantire la qualità richiesta dal cliente.»

Thomas Clausen, Product Manager Gas Sensors Angst+Pfister Sensors and Power

 

Gas che mantengono la frutta fresca fuori dagli impianti di stoccaggio

Nel mio paese d’origine, la Danimarca, le banane sono state considerate per molto tempo un bene di lusso e tassate di conseguenza. Proprio come le auto, il cioccolato e tutte quelle cose che trasformano ogni giorno in una buona giornata. Per dissuadere noi bambini dal rubarle, giravano storie di serpenti verdi e ragni velenosi che si nascondevano nei cesti delle banane durante il lungo viaggio per mare. Oggi le banane, e la frutta in generale, non sono più considerate un bene di lusso ma un elemento essenziale per uno stile di vita più sano e salutare. Nel mio caso, una mela al giorno ha davvero tolto i medici di torno. Questa è a tutti gli effetti la storia di come ho superato i miei traumi infantili (serpenti, ragni, vermi, scarafaggi e insetti) e ho potuto cominciare a mangiare tutti i giorni frutta fresca, appena uscita dagli impianti di stoccaggio.

Gli impianti di stoccaggio della frutta e della verdura raccolte precocemente contengono di norma moduli di varie dimensioni, che possono arrivare alla grandezza di un container, con volumi fino a 30 m3 per ciascuno. Alcuni di questi moduli sono a tenuta stagna e consentono di portare l’ossigeno al loro interno a un livello molto basso, mentre altri sono facilmente accessibili mediante l’apertura di uno sportello e pertanto sono solo parzialmente ermetici o non lo sono affatto. Di norma, il sistema di controllo dei gas viene installato nell’area di servizio e il gas viene pompato all’interno del modulo attraverso i sensori per monitorare il processo di conservazione ed essere in grado di reagire in caso di alterazioni indesiderate dell’ambiente all’interno del modulo durante lo stoccaggio.

I gas di maggior interesse per i produttori di impianti di stoccaggio a maturazione controllata di frutta e verdura sono l’ossigeno, l’umidità, l’anidride carbonica e l’etilene. Le strategie di conservazione variano a seconda del tipo di frutta e persino per la frutta dello stesso tipo (mele, pere...) si possono adottare metodi differenti. Mi limiterò a illustrare due casi, che descriverò nel dettaglio in modo da mostrare cosa può offrire Angst+Pfister Sensors and Power in termini di prodotti e competenze. Per prima cosa, una breve descrizione dei diversi tipi di gas e del modo in cui influiscono sulla maturazione di frutta e verdura:

Ossigeno (O2): noi respiriamo ossigeno per vivere. Togliete l’ossigeno e praticamente ogni organismo vivente avrà un serio problema. Ciò significa che riducendo l’ossigeno in un impianto di stoccaggio, si elimina il problema dei parassiti! Volete rallentare il metabolismo? Riducete l’ossigeno. È questo il segreto che consente di conservare la frutta per oltre 9-12 mesi, rendendo possibile la fornitura di frutta fresca just-in-time.

Anidride carbonica (CO2): gode di una pessima reputazione, ma nell’industria alimentare è un gas essenziale per la conservazione della frutta. Negli impianti di stoccaggio, la CO2 è usata per rallentare la maturazione o per ridurre la concentrazione di ossigeno all’interno di quei moduli di stoccaggio in cui la concentrazione di ossigeno non viene controllata in altro modo.

Etilene (C2H4): è il gas di scarico della maturazione. È usato per accelerare la maturazione o monitorato per prevenire una maturazione indesiderata. Una mela marcia che rilascia etilene può rendere invendibile l’intero lotto. Per questo i depuratori di etilene sono così popolari.

Umidità (anche il contenuto di acqua nell’aria è un gas): la frutta contiene molta acqua e questo suggerisce che può seccarsi se conservata in condizioni di scarsa umidità. Pertanto, la maggior parte della frutta viene conservata in ambienti con un alto grado di umidità per fare in modo che l’acqua presente al suo interno non evapori.

Figura 1. Sensore FCX-U completo (sinistra), sensore FCX-U aperto; si può notare l’elemento in
ceramica bianca sulla parte superiore della fibra ceramica bianca (al centro); principio del
sensore (a destra).


I sensori di ossigeno di Angst+Pfister Sensors and Power

Le mele, succose e dal sapore dolce o talvolta aspro, sono una prelibatezza dall’inizio dei mesi autunnali fino alla prima metà della stagione invernale. Le moderne tecniche di stoccaggio hanno esteso questo periodo anche oltre 12 mesi. Ecco come hanno fatto.

Gran parte delle tipologie di mele vengono raccolte precocemente, nelle prime settimane d’autunno. Vengono stoccate nei cosiddetti moduli ULO (Ultra-Low Oxygen, a tenore di ossigeno molto basso) ermetici, con livelli di umidità che possono raggiungere il 95% e concentrazioni di CO2 fino al 2,5%, abbassando al contempo la temperatura al di sotto dei 4 °C. In questo modo, le mele vengono mandate in letargo. Al momento giusto, vengono fatte lentamente maturare e preparate per la commercializzazione. Il principio ULO per lo stoccaggio della frutta non si limita alle mele: anche pere, kiwi, mirtilli, mango, uva e ciliege possono essere conservati in atmosfera ULO e commercializzati come frutta fresca tutto l’anno. Così come le cipolle, l’aglio, i cavoli e gli asparagi.

Per misurare le concentrazioni di ossigeno e assicurarsi che rimangano stabili e basse, occorrono sensori di ossigeno altamente affidabili. Ne è un esempio il sensore di ossigeno amperometrico FCX-U (in foto) di Fujikura Ltd, il nostro partner più importante non solo per i sensori di ossigeno ma anche per i sensori di pressione. Fujikura produce circa 600 000 sensori di ossigeno all’anno, tutti assemblati a mano e dal prezzo molto competitivo. Circa il 95% dei sensori di ossigeno viene venduto al settore medico e destinato ai dispositivi mobili di respirazione assistita. Il resto lo impieghiamo noi, quasi interamente.

Il sensore FCX-U è un dispositivo in ceramica a lunga durata, perfetto per molte applicazioni, in particolare per quelle in atmosfera controllata. Richiede una tensione di riscaldamento predefinita, molto precisa, in modo che la temperatura dell’elemento di rilevazione sia mantenuta costante a 450 °C (figura 1). Quando viene inserito un potenziale tra l’anodo e il catodo dell’elemento sensore, si sviluppa una corrente che scorre attraverso l’elemento (figura 1). La corrente è proporzionale alla concentrazione di ossigeno. Questa sarebbe la situazione ideale: bassa concentrazione di ossigeno uguale a corrente debole. In realtà, sia la CO2 che l’umidità esercitano un’influenza reciproca sul sensore. Tale influenza reciproca dipende molto dal potenziale che attraversa l’elemento sensore. Quando il potenziale è troppo alto, le molecole di acqua e anidride carbonica si rompono e si genera più ossigeno (2H2O → 2H2 + O2), provocando un errore sistematico. Quando il potenziale è troppo basso, il sensore smette di funzionare dopo solo un paio di anni di servizio, nonostante sia garantito per un minimo di 4 anni.

Produciamo moduli di rilevazione dell’ossigeno personalizzati che impiegano il sensore FCX-U. Il più richiesto, mostrato nella figura 2, è il modulo FCX-MC25-FLOW-A-CH, che è sviluppato appositamente per applicazioni in atmosfera controllata tenendo conto di tutte le variabili del caso, come la CO2 (fino al 50%) e l’umidità (fino al 100%). Il potenziale è scelto in modo da ridurre al minimo l’impatto della rottura delle molecole e garantire un’operatività prolungata. Tutti i moduli vengono prodotti in Svizzera e abbiamo una capacità di oltre 10 000 unità all’anno. Questo tipo di modulo è molto richiesto da produttori di frutta e impianti di stoccaggio, ma è venduto anche per altre applicazioni in atmosfera controllata come bioreattori anaerobici, sistemi di produzione additiva e generatori di azoto/ossigeno.

 

                                        

Figura 2. Modulo di rilevazione dell’ossigeno
FCX-MC25-FLOW-A-CH OEM sviluppato per
applicazioni in atmosfera controllata.

 

I sensori di etilene di Angst+Pfister Sensors and Power

Le camere di maturazione delle banane possono essere considerate quasi una scienza a parte. Termini come «congelamento delle banane» o «cottura delle banane» non hanno nulla a che vedere con la rilevazione dei gas ma sono la conseguenza di variazioni della temperatura di conservazione. Pertanto, il primo obiettivo è mantenere una temperatura ottimale e costante durante tutto il processo di maturazione. Anche l’umidità è essenziale per evitare che le banane si secchino. Ciò che rende speciali le banane dal punto di vista della rilevazione dei gas è l’accelerazione controllata del processo di maturazione in appositi impianti di stoccaggio.

Le camere di maturazione rapida più avanzate sono pressurizzate e dispongono di un ricircolo dell’aria che aiuta a mantenere le condizioni ideali durante il processo di maturazione. Sebbene alcuni studi sostengono che il livello di ossigeno nella camera di stoccaggio possa dare un contributo, per l’accelerazione del processo di maturazione entra in gioco un altro gas: l’etilene. L’etilene è usato attivamente per favorire il processo di maturazione: più elevata è la sua concentrazione, più rapida sarà la maturazione. Molti produttori raccomandano livelli costanti di etilene tra 100 e 300 ppm, ma non sorprende sapere che molti impianti di maturazione rapida delle banane funzionano a livelli di 400-500 ppm. L’etilene non è un gas facile da rilevare.

Ha un’impronta ottica, vale a dire che assorbe i raggi infrarossi (IR) a una certa lunghezza d’onda. L’ampiezza di assorbimento è proporzionale alla concentrazione di etilene. Costruire un sensore basato sul principio di assorbimento IR è relativamente semplice, nella teoria, ma poiché l’assorbimento è piuttosto debole, l’uscita del sensore è soggetta a molte potenziali variazioni. Nonostante ciò, i sensori basati sull’assorbimento dei raggi infrarossi sono molto usati per la misurazione e il controllo del processo di maturazione delle banane poiché offrono un buon compromesso tra prezzo e prestazioni.

Tutto ciò che può interagire con le radiazioni (compresi i raggi infrarossi) viene eccitato fino a raggiungere uno stato intermedio e instabile, seguito abbastanza rapidamente da un rilassamento e dal ritorno allo stato fondamentale. Lo stesso avviene per l’etilene irradiato dalla luce IR a una determinata lunghezza d’onda. Durante la fase di rilassamento, gli atomi di etilene si liberano dell’energia in eccesso e tale energia ha un’impronta acustica. L’ampiezza del segnale acustico è proporzionale alla concentrazione di etilene. Per captare l’ampiezza del segnale acustico viene usato un microfono: questo è il principio fondamentale dei sensori di etilene fotoacustici (PA), che offrono migliori prestazioni rispetto ai sensori basati sull’assorbimento dei raggi infrarossi ma sono anche più costosi. In alcuni casi, tra cui l’uso negli impianti di maturazione delle banane, la differenza di prezzo è ben spesa poiché l’uscita di un sensore di etilene PA è più stabile e affidabile rispetto a quella di un sensore di etilene IR.

In presenza di sufficiente energia potenziale e ossigeno, è possibile rompere l’atomo di etilene. Se il processo avviene in elettrodi a contatto con un elettrolita, si può generare una corrente su un circuito esterno che sarà proporzionale alla concentrazione di etilene. Si tratta di una tecnica molto semplice e ben nota; di fatto, i sensori elettrochimici (EC) sono i sensori di gas più diffusi sul mercato. Sono sensori buoni ed economici; ideali, si potrebbe pensare, per l’uso negli impianti di maturazione delle banane. Ma lo svantaggio, in un prodotto così economico, è l’influenza reciproca esercitata da altri gas come l’etanolo, il monossido di carbonio e il biossido di azoto, che possono essere presenti durante il processo di maturazione. Ad esempio, un camion carica le banane con il motore in marcia ed emette gas di scarico, che vengono rilevati dai sensori. L’uso di sensori di etilene elettrochimici è limitato, sebbene sarebbe possibile rendere questi sensori meno sensibili agli altri gas. Tuttavia, la progettazione sarebbe complessa e i vantaggi scarsi.

La nostra attività impiega principalmente sensori di tipo IR, per i quali collaboriamo con un noto fornitore. La figura 3 mostra un sensore di etilene IR da 0-2000 ppm, insieme a uno schema approssimativo del principio di rilevazione, perfetto per il controllo del processo di maturazione delle banane. Il sensore è provvisto di un lungo tubo di assorbimento cavo, realizzato in alluminio e lucidato in modo che la capacità di riflessione della sua superficie sia prossima al 100%. La luce IR viaggia da un’estremità del tubo, dove viene emessa da una sorgente IR, all’altra estremità, dove viene rilevata la luce rimanente (cioè la luce che non è stata assorbita). L’ingresso e l’uscita del gas avvengono attraverso adattatori di flusso montati all’esterno del sensore. La rilevazione non avviene tramite un solo rilevatore, ma sono presenti due rilevatori per il controllo della luce IR. Un rilevatore misura la luce che non è stata assorbita dall’etilene nel tubo, mentre l’altro misura l’intensità della fonte IR, indipendentemente dall’assorbimento da parte del gas di etilene.

Conclusioni e prospettive commerciali

Il dibattito sul clima fa parte della nostra quotidianità e molti di noi concordano sul fatto che ci stiamo muovendo nella direzione sbagliata. Negli ultimi due anni si è verificato un aumento delle restituzioni dei sensori di ossigeno a causa di guasti imprevisti e precoci. In questi casi, cerchiamo di offrire ai nostri clienti il miglior servizio possibile effettuando un’analisi di ciò che potrebbe aver causato il guasto imprevisto. Gran parte delle segnalazioni riguardava il sensore FCX-UC che aveva smesso improvvisamente di funzionare. Era un fatto sospetto, poiché i sensori normalmente hanno un’operatività molto estesa nel tempo e il segnale di uscita è stabile per tutta la vita utile. Dopo aver ricevuto oltre 10 sensori non funzionanti in un periodo di 6 mesi, abbiamo deciso di aprirne uno e cercare la causa del guasto nei suoi componenti. Abbiamo scoperto che a causare il problema era stata la combinazione di condizioni ambientali meno umide (dovute al cambiamento climatico) e di una procedura fissa di preparazione delle mele per la raccolta.

Prima della raccolta, infatti, sulle mele viene spruzzata una soluzione di solfato di rame per evitare la comparsa di muffa e ticchiolatura. A causa della mancanza di umidità nell’ambiente, la soluzione non veniva lavata via in modo naturale dalla superficie delle mele e permaneva in quantità significative quando queste venivano inserite nell’impianto di stoccaggio. All’interno dell’impianto di stoccaggio, dove l’umidità è elevata, la soluzione si dissolveva nell’aria insieme all’umidità. L’aria, contenente elevate concentrazioni di umidità e solfato di rame, attraversava i sensori di ossigeno: e se c’è una cosa che i sensori FCX-UC non amano, è proprio la combinazione di umidità, rame e zolfo.

Quando abbiamo aperto il sensore e lo abbiamo osservato al microscopio elettronico con un elevato livello di ingrandimento, abbiamo trovato tracce di rame sui bordi dei grani di rilevamento dell’ossigeno sulla superficie dell’elemento sensore (figura 4). Pertanto, siamo potuti tornare dal nostro cliente e puntare il dito contro le condizioni ambientali.

Le prospettive commerciali delle soluzioni di rilevazione dei gas per lo stoccaggio a lungo termine non solo di frutta e verdura, ma anche di altri tipi di prodotti alimentari, chimici e medici, sono buone e l’attività è in crescita. In tutto il mondo, gran parte del business è nelle mani di aziende specializzate che operano entro i confini nazionali. Quello che funziona in Corea, infatti, potrebbe non funzionare bene in Danimarca. Il nostro lavoro consiste nel selezionare la soluzione di rilevazione dei gas corretta per ciascun prodotto basandoci sulla nostra esperienza, sulle nostre competenze e sulla nostra capacità di discutere con il cliente dei requisiti, che si tratti di requisiti predefiniti e rigidi o di requisiti ancora da stabilire e flessibili, con l’obiettivo di aggiudicarci la commessa.

Figura 4. Immagini SEM della superficie di a) un
sensore perfettamente funzionante e 2) un
sensore guasto. Si noti la differenza nell’ingrandimento.
Per il perfetto funzionamento del
sensore, è essenziale che i bordi dei grani siano
puliti e ben definiti. L’immagine a destra
(ingrandimento maggiore) mostra in maniera
evidente come i bordi dei grani siano pieni di
sostanze contaminanti. L’analisi ai raggi X ha
rivelato che le sostanze contaminanti erano
composte principalmente da rame.

 

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published: 10 mar 2022, 15:19:00  by: Angst+Pfister Magazin2022