Traitement en cours

Veuillez attendre...

Paramétrages

Paramétrages

Aller à Demande

1. WO2020107133 - SYSTÈME DE DÉTECTION ULTRASONORE EN LIGNE DE LA QUALITÉ DES FRUITS

Note: Texte fondé sur des processus automatiques de reconnaissance optique de caractères. Seule la version PDF a une valeur juridique

[ ES ]

UN SISTEMA DE DETECCIÓN POR ULTRASONIDO EN LÍNEA DE LA CALIDAD DE LA FRUTA.

Sector Técnico

La tecnología está orientada al área de frutícola, mas particularmente corresponde a un sistema para la detección por ultrasonido en línea de la calidad de la fruta.

Técnica Anterior

La exportación de kiwis en Chile ha alcanzado valores del orden de 1 ,3 millones de toneladas de unidades cosechadas, existiendo un aumento de producción de 38% entre los años 2001 y 2010. Este fruto de forma ovoide está recubierto por una piel fina de color marrón, una pulpa de color verde y en su centro se encuentra la columela, de color blanco-crema, con forma alargada en el mismo sentido de la longitud del fruto.

El principal problema que existe para la exportación de kiwis es que pueden presentar una columela dura, lo cual se produce cuando el centro de la fruta no madura al mismo tiempo que la pulpa. Generalmente, este fenómeno se manifiesta entre las semanas 16 y 24 después de la cosecha y almacenaje. Este trastorno se puede producir por variadas razones, siendo principalmente la exposición de los kiwis cosechados a niveles de dióxido de carbono por encima del 8% durante el periodo de almacenamiento (Postharvest, UC Davis, EEUU). Otro defecto se debe a cuando los frutos son cosechados antes de la maduración fisiológica, lo que genera una desincronización en la maduración de la columela y la pulpa.

Si bien existen métodos para la determinación de la textura en frutas, que pueden aplicarse a kiwis, estos sólo logran medir la firmeza de la pulpa y no la dureza de la columela debido a que se encuentra en el centro del fruto. Además, la mayoría tiene una naturaleza destructiva, por lo que consumen mucho tiempo y no son aplicables para las inspecciones en línea. Un ejemplo de estos dispositivos es el penetrómetro que mide la capa superficial de la fruta.

Por otro lado, se han desarrollado sistemas no destructivos a partir de espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) y resonancia magnética para medir la propiedad de textura y la firmeza de la fruta, que se basan en obtener valores a partir de la emisión y recepción de ondas. No obstante, estos métodos sólo entregan un valor único para la fruta, y se desarrollan enfocándose en las propiedades físicas de la pulpa y no en las características del núcleo de la fruta. En general, la mayoría de los estudios realizados en relación a los métodos no destructivos sólo estudian correlaciones entre las mediciones de firmeza de pulpa por penetrómetros y los valores entregados por el sistema, por lo que no proporcionan información sobre las diferentes secciones de un fruto. Además, la mayoría de los sistemas de detección de firmeza permiten la medición de sólo algunos ejemplares como muestra representativa de la cosecha, lo que es una limitante debido a que los frutos pueden presentar estados diferenciados de madurez fisiológica al momento de la cosecha. Adicionalmente, se ha reportado que pueden existir frutos con diferente madurez que provienen de la misma planta, por lo que el muestreo y determinación de la firmeza de la fruta conllevan un porcentaje importante de error.

Algunos documentos relacionados con métodos de determinación de textura en las frutas se detallan a continuación:

1. “Automated detection of softening and hard columella in kiwifruits duríng postharvest using X-ray testing”, Mondragon y col. (2011 ). Se divulga la determinación de la columela dura en kiwi utilizando rayos X. Esta medición se realiza cortándolos por la mitad y tomando la imagen de la sección transversal, donde las imágenes se procesan según color a través de un software.

2. “Multi-sensor data fusión in the nondestructive measurement of kiwifruit texture", Pourkhak et al, 2017. Se mencionan diferentes métodos para medir la firmeza de la pulpa del kiwi, tales como impacto de caída, impacto forzado y respuesta a impulsos acústicos. Además, se realiza una correlación de estos parámetros y se determina el módulo de elasticidad y el valor de firmeza Magness-Taylor. Finalmente, se concluye que es necesario utilizar métodos combinados para tener una precisión en la caracterización de la textura del kiwi.

3. Patente US 9,442,055 (Benedetti et al.) denominada: “Process and apparatus for the measurement of the hardness and for the selection of agricultura! producís’’ . Se resguarda un sensor de textura y firmeza de frutas compuesto por un transmisor y un receptor ultrasónico acoplados a manillas adaptadas para sostener la fruta, dispuestas en un ángulo de 180°, que van conectadas a un generador de ondas y a un procesador que genera la información requerida.

4. “Assessing plum fruit quality attributes with an ultrasonic method’, Amos Mizrach (2003). Se presenta un sistema de detección de la textura de pulpa de duraznos, donde se divide en dos el fruto y se retira el cuesco. Este sistema permite realizar un seguimiento de su madurez durante el tiempo de almacenamiento, utilizando un transductor y un receptor piezoeléctrico, un generador de ondas, una base de medición y un conversor eléctrico.

En base a estos antecedentes, es que aún persiste la necesidad de encontrar alternativas no destructivas, que permitan determinar la calidad del kiwi directamente en las líneas de proceso.

Breve descripción de las figuras

Figura 1 : Esquema general del sistema de detección en línea de la columela dura en kiwis por ultrasonido.

Figura 2: Imágenes del sistema de detección de ultra sonido, donde (a) corresponde a una vista de los transductores, (b) a vista superior del sistema, (c) a una vista frontal del sistema y (d) a la interface usuario.

Figura 3: Gráfica de la variación de la firmeza en el tiempo de cosecha para la columela (A) y la pulpa (B) de los kiwis.

Figura 4: Gráficas de tratamiento de la señal de ultrasonido, donde (a) corresponde a la señal pura del sensor, (b) a la señal filtrada y determinación de umbral de corte, y (c) a la señal de comparación, para las secciones: (1 ) cáscara, (2) pulpa, (3) columela, (4) pulpa, y (5) cáscara.

Divulgación de la Invención

La presente tecnología corresponde a un sistema de detección por ultrasonido en línea de la calidad del kiwi, más particularmente, para determinar el estado de la columela mediante ultrasonido.

Este sistema se instala directamente en la línea de proceso y permite discriminar las señales de ultrasonido recibidas de las diferentes capas de la fruta, y realizar la determinación correspondiente en el centro de ésta. Ventajosamente, la disposición del sistema produce un rango acotado de detección que permite determinar las propiedades de firmeza de un ejemplar a la vez, y asegurar la detección de la sección de la columela, independientemente de la posición del kiwi en la línea de proceso.

El sistema de detección en línea comprende al menos los siguientes componentes, para lo cual se toma como referencia las Figuras 1 y 2:

a. un arco de soporte (/) ubicado sobre la línea de proceso (//) de forma perpendicular, en la cual se fijan al menos 2 transductores a una altura entre 5 - 8 cm en relación a la base de la línea de proceso (//);

b. al menos una unidad de detección (///) acoplada al arco de soporte (/) que comprende un transmisor del tipo piezoeléctrico que opera entre 90

- 1 10 kHz y a una banda de oscilación de entre 4 - 7 kHz; y al menos un receptor de tipo piezoeléctrico que opera entre 90 - 1 10 kHz, dirigido hacia el centro de la línea de proceso y a una distancia del kiwi entre 1 ,5

- 3 cm, con un ángulo de entre 20° - 40° con respecto a la base de la línea de proceso. Dependiendo el número de hileras de fruta de la línea de proceso, el sistema puede poseer más de una unidad de detección (///) para realizar la medición de todos los frutos;

c. una unidad de control (w7) compuesta por un módulo analógico de recepción de onda, que filtra y acondiciona la señal; un conversor A/D; y un microcontrolador que configura la emisión del pulso y determina la porción de onda que contiene la información de la dureza del corazón del kiwi (/V);

d. un codificador rotatorio de sincronización (v) ubicado bajo la línea de proceso (//), conectado a la unidad de control de la unidad de detección (///) para coordinar la emisión de ondas ultrasónicas con el paso de la fruta. Este codificador (v) puede estar acoplado a una unidad de descarte (w77), compuesta por una cinta de transporte de fruta ubicada a una distancia de al menos 10 cm aguas abajo de la cámara de detección, un actuador de bypass para cambio de cinta, y un PLC que se coordina con el codificador rotatorio (v) para la eliminación de la línea de procesamiento de las frutas que fueron detectadas con defecto (columela dura); y

e. un generador de ondas (ix) conectado a la unidad de control (v/7) que produce el pulso de onda y lo entrega al transmisor conectado a la unidad de control (v/7).

La unidad de detección (///) y la unidad de descarte {vi 7/), pueden ensamblarse en la línea de procesos sin alterar su estructura, lo que permite que el dispositivo pueda adaptarse a diferentes estructuras y plantas de procesamiento.

Opcionalmente, el arco de soporte (/) puede contener una protección metálica {vi) que consiste en aletas metálica laterales de al menos 10 cm, que permiten la absorción de las ondas ultrasónicas desviadas.

Este sistema permite la detección de la columela dura a una velocidad de al menos 60 frutos por minuto, con una precisión de al menos un 93%. Ventajosamente, este sistema no es destructivo, ya que realiza la medición y si la fruta no presenta problemas puede continuar con el proceso de envasado, y en caso contrario, puede ser separada y enviada a otros procesos para ser utilizada, por ejemplo, para hacer jugos o mermeladas.

Ejemplos de aplicación

Ejemplo 1. Correlación entre Amplitud y Firmeza de la columela.

Este ensayo evaluó la firmeza de la columela y de la pulpa de diferentes kiwis en un periodo de tiempo de 0 hasta 12 días posterior a la cosecha de la fruta.

Se utilizó como control un penetrómetro manual marca Inderst modelo FT327, donde se evaluaron 30 frutos por día, a los cuales se les cortó un extremo para extraer la columela y la pulpa de cada uno, para finalmente realizar la medición de la firmeza.

En la Figura 3 se muestra un gráfico donde se puede apreciar una curva de firmeza v/s días después de la cosecha para kiwis cosechados prematuramente, donde (A) corresponde a la curva de la columela y (B) a la curva de la pulpa. A partir de esta figura se observa que la curva de firmeza de la columela y de la pulpa se desincronizan, y éstas se perciben estadísticamente después de 3 días, donde las diferencias son significativas en función de la tendencia de la firmeza. De esta manera, la diferencia entre los valores de firmeza tanto de la colemula como de la pulpa a los 3 días es pequeña, razón por lo cual la precisión de la respuesta de los sensores debe ser alta, para así determinar de forma temprana la dureza de la columela, dado que no se puede esperar 12 días para enviar la fruta al mercado de destino, lo cual incurre en costos de almacenamiento y pérdida de tiempo en transporte, además de una reducción de los días de vida de anaquel por sobre maduración.

Ejemplo 2. Evaluación del sistema de detección en línea.

Con la finalidad de evaluar la capacidad del sistema en línea para detectar las diferentes partes de la fruta, se analizaron 15 kiwis. Esto considerando, que a simple vista no hay diferencias en la fruta, sino que sólo un cambio en la tonalidad y dureza detectada solo al consumirla.

Se obtuvo la respuesta generada para cada parte de la fruta utilizando un osciloscopio GWinstek mod GDS-1022. En la Figura 4 se pueden apreciar las diferentes secciones del kiwi: (1 ) cáscara; (2) pulpa; (3) columela; (4) pulpa y (5) cáscara, las que se evaluaron para una respuesta sola de la envolvente (a), donde se pueden apreciar las diferencias de amplitudes entre las diferentes partes del kiwi. Posteriormente, se procedió a generar un filtro de envolvente y determinar un umbral para establecer un límite, donde sobre éste la columela está dura y bajo éste está blanda (4b); de este análisis se obtuvo un comparador (4c), donde si el valor del comparador está sobre el umbral (*) indica una señal de selector o descarte de la fruta indicando que no cumple con el criterio del umbral.

Este análisis puede ser aplicado a cualquier fruta para determinar sus diferentes partes que la componen.

Ejemplo 3: Validación del sistema detección en líneas de procesamiento.

Se montó una pequeña línea de selección de kiwis para simular las condiciones de un proceso real. En esta línea se procesaron las frutas a diferentes velocidades: 120 frutos/minuto, 80 frutos/minuto y 60 frutos/minuto, los que fueron enumerados para identificar la velocidad óptima de procesamiento.

Luego de hacer pasar las frutas por el sistema de detección, se procedió a cortar los kiwis y medir con un penetrómetro manual (marca Indert modelo Ft327) su firmeza. Esto permitió determinar que el sistema fue capaz de identificar la columela dura en los kiwis, alcanzando una mayor efectividad para una velocidad de 60 frutos/minutos. En total fueron 465 frutos que se evaluaron a esta velocidad, obteniendo una efectividad de 93%. Para una velocidad de 120 frutos/minuto se evaluaron 215 frutas con una efectividad del 43% y para una velocidad de 80 frutos/minuto se analizaron 320 frutos alcanzando una efectividad del 64%.

Este ensayo permitió establecer la efectividad de la medición del sistema de detección en línea, lo que facilita la verificación directamente en la línea de proceso para todas las frutas sin necesidad de intervenirlas.