Onderzoekers van Case Western Reserve University leiden de ontwikkeling van een 'slim verpakking'-systeem om temperatuurschommelingen, vochtveranderingen en ziekteverwekkers in bederfelijke voedselproducten tijdens transport te monitoren.

Hun energie-efficiënte aanpak kan een kosteneffectievere toeleveringsketen voor distributeurs, besparingen voor voedselproducenten en voedsel van hogere kwaliteit voor consumenten opleveren.

"Als dit goed werkt, heeft iedereen er baat bij", zegt Chanyong (Chase) Cao, assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek en elektrische, computer- en systeemtechniek bij Case Western Reserve, die het onderzoeksteam leidt. "Ongeveer een derde van al het voedsel dat voor menselijke consumptie wordt geproduceerd, gaat verloren of wordt verspild – grofweg 1,3 miljard ton voedsel per jaar. Onze oplossing zou het bederf aanzienlijk kunnen verminderen, de kosten kunnen verlagen en de voedselveiligheid kunnen garanderen."

Het onderzoek van het team is onlangs online gepubliceerd in het tijdschrift Nano Energy .

Zelfaangedreven monitoring

Een centraal kenmerk van hun systeem is een klein, zelfaangedreven monitoringapparaat dat bestaat uit flexibele sensoren en een energieoogster die droogmiddelen gebruikt – de kleine pakjes silicagelpellets die in verpakkingen worden aangetroffen om vocht te absorberen – om omgevingsenergie te benutten en op te slaan. Bij dit systeem wordt de energie opgewekt uit de trillingen van de voedselbezorgwagen zelf.

Deze energie drijft een realtime monitoringsysteem aan dat voedselproducenten en transportpersoneel zou voorzien van digitale gegevens over temperatuur, vocht en bederfomstandigheden van het verpakte voedsel.

Om dit mogelijk te maken, bedachten Cao en zijn team een ​​zogenaamde droogmiddelgebaseerde tribo-elektrische nanogenerator (D-TENG) om de werkingsduur van het sensorsysteem te verlengen.

Tribo-elektrische nanogeneratoren zijn apparaten voor het oogsten van energie die mechanische energie (vaak tussen twee objecten die tegen elkaar aan schuiven) omzet in elektriciteit.

Het team ontwierp een op karton gebaseerd honingraatframe om de droogmiddelen op te slaan, die nu ook worden gebruikt om elektriciteit op te wekken terwijl ze in de honingraat rondstuiteren.

Cao zei dat hoewel sommige moderne transportbedrijven al sensoren gebruiken om temperatuur, vochtigheid en kooldioxide te registreren, de traditionele batterijen die nodig zijn om deze systemen te laten werken duur en zwaar zijn en kunnen bijdragen aan milieuvervuiling. Veel van deze systemen bieden geen realtime gegevens om voedselbederf te detecteren, zei Cao. Bestaande kleine, draagbare systemen kunnen omgevingsomstandigheden slechts binnen een zeer beperkte periode detecteren.

Potentieel bereik, volgende stappen

De aanpak van het team sluit aan bij de door de Wereldbank voorgestelde oplossingen voor voedselverspilling, waaronder betere technologie voor het opslaan en vers houden van bederfelijke waren in de toeleveringsketen. Hoewel Cao en zijn team in dit project nog niet hebben besproken hoe bederfelijk voedsel tijdens het transport beter kan worden gekoeld, zouden ze zich bezig houden met de eerste taak:vaststellen wanneer en wat er mis kan gaan.

Het team is nu bezig met het samenstellen van een functionerend prototype; Cao zei dat hij hoopt de productie op te schalen en deze in de komende vijf jaar op de markt te brengen.

Cao en zijn team concentreren zich op het opsporen en voorkomen van voedselbederf, maar hij gelooft dat de technologie ook voordelen kan bieden voor het verzenden van vaccins. Het systeem zou bedrijven en overheidsinstanties nauwkeurige realtime informatie kunnen bieden over de temperatuur van die kritieke zendingen.

Meer informatie: Yaokun Pang et al, Op weg naar een zelfaangedreven geïntegreerd slim verpakkingssysteem − Op droogmiddelen gebaseerde tribo-elektrische nanogeneratoren, Nano-energie (2023). DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108659

Journaalinformatie: Nano-energie

Aangeboden door Case Western Reserve University