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Development of modular sensor system for real-time monitoring and controlling of storage environment of fresh produce

Keshri, Nandita

Fruit and vegetables (F&V) are highly perishable in nature and contribute to the highest percentage of food loss in the world annually (45 % to 55 %). Monitoring their respiration rates (R) is important to optimize the design of packaging systems and/or to maintain optimal conditions inside their storage systems to extend their shelf life and reduce wastage. Limitations exist for conventional methods of R measurement such as manual sampling of gases, ex-situ and discrete measurement. In addition, in the current storage and transport systems of fresh produce, the optimum conditions are mostly pre-set and are maintained throughout the storage period and in only some cases real-time monitoring of respiratory activity and adjustment of the set conditions accordingly is carried out (such as O2 and CO2 concentration) and therefore still needs further research and development. Lack of online monitoring and control often results in the early end of shelf life of fresh produce. The limitations stated above highlight the need to apply modular sensor technologies to the post-harvest area to get real-time information on R and respiratory quotient (RQ) of F&V during storage and transportation. To address these limitations, this study aimed at the following objectives: (1) Development and validation of a modular sensor based gas measurement system and a modular respirometer for continuous real-time measurement of R and RQ of F&V. (2) Testing the performance of the developed system for in-situ R and RQ measurement inside the controlled atmosphere (CA) storage systems and (3) Application of the sensor system to assist in the development of a control strategy to actively regulate the gas concentrations inside a box for bulk storage and transportation of F&V. In this study, a small size (D- 88 mm) and portable modular gas measurement system called Respiration measuring sphere (RMS88) was developed. The RMS88 consists of a fluorescence based optical O2 (0 % to 25 %), a non-dispersive infrared CO2 sensor (0 % to 20 %) and additionally measures temperature (-25 °C to 55 °C) and relative humidity (0 % to 95 %). Further, a leak proof respirometer to continuously and non-invasively measure R and RQ was developed. Their performance was tested in four different experiments with strawberries under atmospheric air and modified air conditions. Test results showed that the RMS88 and the respirometer system measured R and RQ continuously, online without the need of manual sampling, thereby, saving time and labour. Additionally, errors arising due to manual measurement were eliminated. Measurement of R could be done in a short period of 30 min. The built-in flushing arrangement of the respirometer avoided the accumulation of high CO2 inside the respirometer and allowed R and RQ measurement even at modified air conditions. For in-situ R and RQ measurement, the RMS88 and respirometer system was first tested in a lab scale CA system for storage of strawberries and later tested in a commercial CA storage of ‘Pinova’ apples. Results showed that for in-situ measurement in case of strawberries, a minimum measuring period of 2 h to 3 h and in case of ‘Pinova’ apples a measuring period of 7 h was enough to get a measurable change in gas concentrations to quantify the R and RQ values. Also, using an air pump to flush the respirometer at cycles of flushing and measurement periods while being in-situ inside the CA systems helped maintain the same conditions inside the respirometer as CA room. In objective 3, further application of the RMS88 was demonstrated to measure real-time gas concentrations inside a fruit storage/transport box (190 litres) and regulate the ON/OFF time of a blower used for atmosphere regulation inside the box. The real-time measurements assisted in active control of gas concentrations inside the box which used forced convection gas exchange induced by the air blower through a thin metal tube, both installed on the box. Gas mass transfer coefficient through metal tubes of different dimensions was measured in boxes flushed with 15 % CO2 and 5 % O2 at 10 °C. Addition of an air blower increased the gas mass transfer coefficient by at least 100 times. Further storage trial with cherries was performed at 10 °C and 20 °C in which the box maintained the initial set conditions (6.5 % O2 and 12.5 % CO2) throughout the storage period. These results provided substantial contributions to the scientific knowledge on the use of modular sensor technologies in post-harvest management of F&V for real-time and non-invasive monitoring of their quality during storage and transportation. The contributions were also substantial to the horticultural industry by aiding in developing a modular sensor and respirometer system useful for in-situ R and RQ measurement in a CA storage for dynamic monitoring of fruit physiology. For future perspectives, further application of the developed system in the area of supply chain management of fresh produce such as digital twins and active control of atmosphere inside storage box should be done.
Obst und Gemüse sind von Natur aus leicht verderblich und tragen jährlich zum höchsten Prozentsatz der Lebensmittelverluste weltweit bei (45 % bis 55 %). Die Überwachung ihrer Atmungsraten (R) ist wichtig, um das Design von Verpackungssystemen zu optimieren und/oder um optimale Bedingungen in ihren Lagersystemen aufrechtzuerhalten, um ihre Haltbarkeit zu verlängern und Verschwendung zu reduzieren. Für konventionelle Methoden der R-Messung wie die manuelle Probenahme von Gasen, ex-situ und die diskrete Messung bestehen Einschränkungen. Darüber hinaus sind in den aktuellen Lager- und Transportsystemen von Obst und Gemüse die optimalen Bedingungen meist voreingestellt, werden während der gesamten Lagerzeit beibehalten und nur in einigen Fällen wird eine Echtzeitüberwachung der Atmungsaktivität und Anpassung der eingestellten Bedingungen entsprechend durchgeführt (z.B. O2- und CO2-Konzentration). Es bedarf daher noch weiterer Forschung und Entwicklung. Das Fehlen einer Online-Überwachung und -Kontrolle führt häufig zum vorzeitigen Ende der Haltbarkeit von Obst und Gemüse. Die oben genannten Einschränkungen unterstreichen die Notwendigkeit der Anwendung modularer Sensortechnologien im Nacherntebereich, um Echtzeitinformationen über R und den respiratorischen Quotienten (RQ) von Obst und Gemüse während der Lagerung und des Transports zu erhalten. Um diese Einschränkungen zu beheben, zielte diese Studie auf die folgenden Ziele ab: (1) Die Entwicklung und Validierung eines modularen sensorbasierten Gasmesssystems und eines modularen Respirometers zur kontinuierlichen Echtzeitmessung von R und RQ von Obst und Gemüse. (2) Das Testen der Leistung des entwickelten Systems zur In-situ-R- und RQ-Messung in Lagersystemen mit kontrollierter Atmosphäre (CA). (3) Die Anwendung des Sensorsystems zur Unterstützung bei der Entwicklung einer Kontrollstrategie zur aktiven Regulierung der Gaskonzentrationen in einer Box für die Lagerung und den Transport von Obst und Gemüse. In dieser Studie wurde ein kleines (D-88 mm) und tragbares modulares Gasmesssystem namens Atmungsmesskugel (RMS88) entwickelt. Der RMS88 besteht aus einem fluoreszenzbasierten optischen O2 (0 % bis 25 %), einem nicht dispersiven infrarot-CO2-Sensor (0 % bis 20 %) und misst Temperatur (-25 °C bis 55 °C) und relative Luftfeuchtigkeit (0 % bis 95 %). Weiterhin wurde ein auslaufsicheres Respirometer zur kontinuierlichen und nicht-invasiven Messung von R und RQ entwickelt. Ihre Leistung wurde in vier verschiedenen Experimenten mit Erdbeeren unter atmosphärischer Luft und modifizierten Luftbedingungen getestet. Die Testergebnisse zeigten, dass das RMS88 und das Respirometersystem R und RQ kontinuierlich in Echtzeit ohne die Notwendigkeit einer manuellen Probenahme maßen, wodurch Zeit und Arbeit gespart wurden. Außerdem wurden Fehler, die durch manuelle Messungen entstanden sind, eliminiert. Die Messung von R konnte in einem kurzen Zeitraum von 30 Minuten durchgeführt werden. Die eingebaute Spülanordnung des Respirometers verhinderte die Ansammlung von hohem CO2 im Inneren des Respirometers und ermöglichte R- und RQ-Messungen auch bei veränderten Luftbedingungen. Für die In-situ-R- und RQ-Messung wurde das RMS88- und Respirometersystem zunächst in einem CA-System im Labormaßstab für die Lagerung von Erdbeeren und später in einem kommerziellen CA-Lager für „Pinova“-Äpfel getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass für die In-situ-Messung bei Erdbeeren eine Mindestmessdauer von 2 h bis 3 h und bei „Pinova“-Äpfeln eine Messdauer von 7 h ausreichte, um eine messbare Änderung der Gaskonzentrationen zur Quantifizierung der R. und RQ-Werte zu erhalten. Auch die Verwendung einer Luftpumpe zum Spülen des Respirometers in Zyklen von Spül- und Messperioden, während es sich vor Ort in den CA-Systemen befand, trug dazu bei, die gleichen Bedingungen im Respirometer wie im CA-Raum aufrechtzuerhalten. In Ziel 3 wurde eine weitere Anwendung des RMS88 demonstriert, um Echtzeit-Gaskonzentrationen in einer Obstlager-/Transportbox (190 Liter) zu messen und die EIN/AUS-Zeit eines Gebläses zu regulieren, das zur Atmosphärenregulierung in der Box verwendet wird. Die Echtzeitmessungen halfen bei der aktiven Kontrolle der Gaskonzentrationen im Inneren der Box. Diese nutzte einen erzwungenen Konvektionsgasaustausch, der durch das Luftgebläse durch ein dünnes Metallrohr induziert wurde, welche beide an der Box installiert waren. Der Gasdurchgangskoeffizient durch Metallrohre unterschiedlicher Abmessungen wurde in mit 15 % CO2 und 5 % O2 gespülten Boxen bei 10 °C gemessen. Die Zugabe eines Luftgebläses erhöhte den Gasmassenübergangskoeffizienten um mindestens das 100-fache. Ein weiterer Lagerversuch mit Kirschen wurde bei 10 °C und 20 °C durchgeführt, wobei die Box die anfänglich eingestellten Bedingungen (6,5 % O2 und 12,5 % CO2) während der gesamten Lagerzeit beibehielt. Diese Ergebnisse lieferten wesentliche Beiträge zu den wissenschaftlichen Erkenntnissen über den Einsatz modularer Sensortechnologien im Nacherntemanagement von Obst und Gemüse zur Echtzeit- und nicht-invasiven Überwachung ihrer Qualität während der Lagerung und des Transports. Die Beiträge waren auch für die Gartenbauindustrie bedeutend, indem sie bei der Entwicklung eines modularen Sensor- und Repirometersystems für die In-situ-Atmungsmessung in einem CA-Lager zur dynamischen Überwachung der Fruchtphysiologie durch Echtzeit-R- und RQ-Messung hilfreich waren. Für zukünftige Perspektiven sollte eine weitere Anwendung des entwickelten Systems im Bereich des Lieferkettenmanagements von Frischprodukten wie digitale Zwillinge und aktive Kontrolle der Atmosphäre in Lagerboxen erfolgen.