EP1971840A2 - Dispositif de surveillance de la degradation d'un produit - Google Patents

Dispositif de surveillance de la degradation d'un produit

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Publication number
EP1971840A2
EP1971840A2 EP06847160A EP06847160A EP1971840A2 EP 1971840 A2 EP1971840 A2 EP 1971840A2 EP 06847160 A EP06847160 A EP 06847160A EP 06847160 A EP06847160 A EP 06847160A EP 1971840 A2 EP1971840 A2 EP 1971840A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
product
degradation
temperature
time
program
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06847160A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Renaud Vaillant
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cryolog SA
Original Assignee
Cryolog SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cryolog SA filed Critical Cryolog SA
Publication of EP1971840A2 publication Critical patent/EP1971840A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/02—Food
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K3/00—Thermometers giving results other than momentary value of temperature
    • G01K3/02—Thermometers giving results other than momentary value of temperature giving means values; giving integrated values
    • G01K3/04—Thermometers giving results other than momentary value of temperature giving means values; giving integrated values in respect of time

Definitions

  • the present invention relates to a device for monitoring the degradation of a product, in particular perishable products such as foods.
  • D.L.C deadline for consumption
  • the product status information provided by the DLC is almost always wrong. Indeed, if the actual conditions of conservation have been optimal, the product will be able to be consumed although the DLC is exceeded. Conversely, if the actual conditions of conservation have been worse than the theoretical conditions for determining the DLC, then the product will no longer be able to be consumed although the DLC has not yet been reached.
  • a method consists of measuring the temperature and the time so as to obtain the history of temperature variations over time. It is imperative to monitor these two quantities because, if the cold chain is broken between manufacturing and consumption, it must be possible to assess the importance of any exceeding of the maximum permitted temperature, as well as the duration of this break. Knowing this history, it is then possible to determine, according to each product, using calculation models derived from the predictive microbiology, whether the product is able to be consumed or not.
  • the invention relates to a device for monitoring the degradation of a perishable product, this device being intended to be arranged close to the product, this device comprising:
  • a time measuring module such as a clock
  • at least one sensor measuring at least one extrinsic variable of the product representative of the storage conditions of this product, such as the temperature, the hygrometric degree, the composition of the atmosphere
  • a program memory for storing a program representing a degradation model specific to the monitored product; a processor calculating, by the implementation of the program representing the degradation model, the state of degradation of the product as a function of time and values; the extrinsic variable measured by the sensor,
  • the program memory can store one or more additional programs.
  • the program memory stores a measurement management program.
  • the measurement management program determines the frequency of measurements of the extrinsic variable.
  • the measurement management program determines a lower measurement frequency and / or instructs the processor not to perform a new calculation of the state of degradation.
  • the device comprises radiofrequency type communication means.
  • the device provides, in response to the interrogation of a suitable reader, a signal representing information relating to the state of degradation of the product.
  • the information provided further comprises: an identifier of the product, and / or a measured use-by date, and / or the differential between the measured use-by date and the theoretical expiry date.
  • the information provided includes the history of variations of the extrinsic variable since the start of product monitoring.
  • the device includes a rechargeable battery for powering the processor (18) and / or the program memory (16) and / or the data memory (20).
  • the battery can be recharged during use of the device (10).
  • the device is reusable after consumption or degradation of the monitored product.
  • FIG. 1 shows a primary model of the growth of a microorganism
  • FIGS. 2 and 3 show a cardinal model as a function of temperature
  • FIGS. 4 and 5 represent different evolutions of the population of a microorganism modeled according to the cardinal model of FIG. 3;
  • FIG. 6 represents a device according to the invention
  • FIG. 7 represents the internal architecture of the device according to the invention.
  • the state of degradation of a perishable product, especially food products is mainly related to the presence and development of microorganisms, whether pathogenic or alteration.
  • To know the state of degradation of a food product it is sufficient to determine which is the limiting flora (s), that is to say the microorganism (s) whose quantity and / or or the growth will have a preponderant action on the degradation of the product among all the microorganisms contained in the product.
  • s the limiting flora
  • the microorganism (s) whose quantity and / or or the growth will have a preponderant action on the degradation of the product among all the microorganisms contained in the product.
  • the prediction of the degradation of a product therefore consists of modeling the population evolution of each limiting flora contained in the product.
  • Figure 1 A first approach to this modeling, shown in Figure 1, is a model of primary type that can determine the growth of a bacterium at constant temperature, pH and water activity.
  • Figure 1 shows the evolution of the population of the bacteria as a function of time. This evolution is represented on the one hand by the curve obtained by means of the model, and on the other hand by point values obtained experimentally.
  • N number of cells
  • Nmax maximum number of cells
  • ⁇ maximum specific growth rate
  • U opt growth rate under optimum conditions, that is to say under the conditions favoring the maximum development of microorganisms.
  • T op t temperature at which growth is maximal.
  • the cardinal values of temperature, pH, etc. are specific for a species of microorganism, or even a strain.
  • FIG. 3 shows the calculation of the growth rates forecast by the model according to the temperatures
  • FIG. 4 shows the evolution of the microbial population obtained respectively at the temperature of 10 ° C. for curve 42, and at the temperature of 12 ° C. for curve 44, over a period of 200 hours.
  • FIG. 5 also shows the evolution of the microbial population obtained respectively at the temperature of 10 ° C. for the curve 52, and at the temperature of 8 ° C. for the curve 54.
  • the following values are obtained here:
  • the growth estimate at 4 days is decreased (curve 44, FIG. 4) or increased (curve 54, FIG. 5) by a power of 10 (1 log ).
  • the first calculations use primary models: estimation of growth rate and latency (model proposed by ROSSO). Secondary models then make it possible to integrate the effects of the environment on the parameters of the primary models. Secondary models are polynomial or modular models; polynomial models are not very extrapolable and, in food, modular models are more widely used. The effects taken into account by these models are: temperature, pH and organic acids, water activity, inhibitors. Each of these factors is described by a function, to which is added an interaction function between these factors. In addition, the characteristics of the food are taken into account by the optimal growth rate of the microorganism in the food (challenge tests are conducted for this). Finally, the growth rate of a microorganism in a food depends on 5 factors and its optimal growth rate in this food:
  • microorganism M O pt'it 'IfpH i aw'I AH Vim: t
  • specific growth characteristics microorganism parameters temperature, pH and a w cardinal and MICs of inhibitors or organic acids
  • - the characteristics of the food / microorganism pair optimum growth rate, minimum latency time and maximum population
  • the environmental factors of the microorganism in the food three intrinsic factors (pH, a w and organic acid) and a single extrinsic factor: temperature.
  • the cardinal models make it possible to take into account as many extrinsic or intrinsic variables as desired.
  • the main extrinsic variables that influence the growth of microorganisms include:
  • Enzymatic degradation products they can correspond to degradation products relating to hydrolysis / proteolysis and aminopeptidase activities, which lead to the formation of volatile bases (including biogenic amines) and ultimately to the formation of NH 3 . It may also be the oxidation of fat, or lipase and lipolytic activities. In more general ways, it may be possible to add concentration in substrates / metabolites and waste.
  • FIG. 6 represents a diagram of the device 10 according to the invention, in an embodiment adapted to the surveillance of fresh or frozen food products.
  • the device 10 is in the form of a card, or chip, comprises a clock 12, a temperature sensor 14.
  • a processor 18 makes it possible to calculate the degradation state of the monitored product, thanks to a degradation model contained in a program memory 16. This degradation model takes into account the intrinsic parameters of the product and their evolution, their values being stored in a data memory 20.
  • Such a device is intended to be interrogated remotely by a reading device, via a device. radiofrequency communications protocol.
  • the device comprises an RFID antenna.
  • Figure 7 shows the detailed architecture of a device according to the invention. This includes an onboard power source for powering the components of the chip. A study was carried out concerning the choice of components for the realization of the demonstrator.
  • the demonstration will be based on a 15693 RFID reader.
  • a memory I 2 C of 512K is used for data storage.
  • a low-power microcontroller was chosen, implementing the calculation of the use-by date and the management of the real-time clock and the temperature sensor.
  • the RFID interface two solutions can be envisaged: the first is to use an RF head developed at Leti, and a remote-compatible component to be programmed to support the protocol
  • the second solution is to look for a component of the trade.
  • the RF head is tasked with retrieving the commands from the player and transmitting them to the microphone, which will be responsible for executing them and sending a response to the reader via the RF head.
  • the RF exchange will follow the standard 15693
  • the protocol is based on a request from the reader to the chip, and a response of the chip or chips.
  • the data transmitted between the RF head and the microcontroller may be initialization / parameterization data for the proper functioning of the device, as well as information relating to the temperature monitoring of the product.
  • the heat transfer model corresponds to the temperature change inertia of a product according to parameters such as the food itself, the nature of its packaging, the safety margin requested by the customer, etc.
  • the parameters of this heat transfer model must be loaded when the chip is activated.
  • the data returned by the chip include:
  • Reading data in memory (time / temperature pair).
  • a first card was made, including 1 microcontroller, 1 temperature sensor, 1 real time clock (RTC), 1 EEPROM memory and an RS232 link.
  • a second card is in evaluation including an RFID interface
  • the map operations are: - Calculation based on real time temperature measurements,
  • the temperature monitoring is acquired in real time on the food product. From the models of predictive microbiology, and the physiological characteristics of the main bacterial species of alteration, it is possible to simulate the speed of development of microorganisms, and to deduce the remaining freshness capital. The time remaining before the consumption limit of the product is then re-estimated in real time, depending on the temperature at which the food is subjected during its storage. Mathematical models have been simplified to a minimum to reduce computing time. The calculation of the remaining freshness capital must be updated at regular intervals. To define this time interval, tests were performed on actual temperature records.
  • the first action to perform is to switch on the battery charge.
  • the charge verification can be done by viewing on the charger in a binary mode (loaded / unloaded).
  • the monitoring device according to the invention may be in the form of a credit card having a certain rigidity. This can be placed inside the packaging if it does not present electromagnetic discomfort, but an attachment to the outside is preferable to facilitate handling.
  • the device must be firmly secured with a simple system to recover it for recycling. For example, the device can be slipped into a self-adhesive transparent envelope (of the type slip) and will be put in a new envelope after each recycling.
  • the sampling frequency must be modifiable when moving to different links in the supply chain. This parameter must be described on the chip by the various stakeholders. Access to the data contained in the chip must be controlled. The data is readable to all users but, once the activation is done, there is no possibility of external writing: only the chip uses the write function for storing temperatures.
  • the life of the chip must be defined according to the DLC of the products to be traced. In agribusiness, the DLC of fresh products can vary from a few hours to 42 days, even 60 days. However, as the chip can be placed on the intermediate packaging, the average life would then correspond to the duration of a logistic period for this type of packaging, or 20 days. In the health sector, the life span of products can be up to 2 years: the management of energy chip can be problematic, unless the recharge of batteries could be done during storage by an antenna.
  • the reading of the data contained in the chip could be done by a manual gun or by passing through a gantry.
  • the first solution is impractical in the case of reading a large number of chips.
  • the second solution involves equipping all the docks with storage areas so that the pallets can pass through the gantries entering and leaving.
  • the reading of the chips must be parallel to the gantry; in order to avoid having to turn the pallets on themselves to read the chips positioned perpendicularly to the gantry, it would be necessary to use 3D reading antennas.
  • the reading of the data must be able to provide information on: • the identifier, • the state of the products traced via simple language ("everything is fine” or "problem") by comparison between the theoretical DLC and the measured DLC,
  • the "problem" must be set by the customer who defines the acceptable margin between the theoretical DLC and the actual tolerated DLC. In addition, if the customer needs more information, then the complete reading could be done manually.
  • the calculation of the measured DLC can be performed:
  • the results could be visualized on devices intended only for the pharmaceutical sector.
  • the data could be readable directly or via a color code describing the states "everything is fine” or "problem” (this color change could be visualized for example at the level of a polymer antenna).
  • Charging by inductive coupling (or other energies: solar) could be triggered at the time of reading.
  • the end of the cycle of use takes place at the last link of the supply chain (the store) which will have to ensure the recycling of the chip.
  • This last actor will have the role of stopping the recording of the data and returning the chip to the supplier of the chip.
  • This provider will then have to retrieve the data and put it on a server accessible to the different actors in the chain. He will then reset the chip to zero and return it to the actors in the chain.
  • the maximum life of the chip depends on its life on the product and the number of returns to the supplier. It can be estimated at 2 years: average life on the product of 20 days with 20 to 30 cycles of recycling.
  • the device according to the invention has the following advantages: - STANDARD: the device communicates with its environment by radio, via the RFID standard
  • the device adapts to the various packaging used on the logistics circuit.
  • REAL TIME The portability, the communication standard used and the precision of the analysis allow the invention to transmit in real time information on the state of conservation of the product.

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Abstract

L'invention se rapporte Dispositif (10) de surveillance de la dégradation d'un produit périssable, ce dispositif étant destiné à être disposé à proximité du produit, ce dispositif comprenant: un module (12) de mesure du temps, tel qu'une horloge, et au moins un capteur (14) mesurant au moins une variable extrinsèque du produit représentative des conditions de conservation de ce produit, telle que la température, le degré hygrométrique, la composition de l'atmosphère, une mémoire programme (16) pour mémoriser un programme représentant un modèle de dégradation spécifique au produit surveillé, un processeur (18) calculant, par la mise en œuvre du programme représentant le modèle de dégradation, l'état de dégradation du produit en fonction du temps et des valeurs de la variable extrinsèque mesurées par le capteur, une mémoire de données (20) pour stocker des paramètres intrinsèques du produit, les paramètres intrinsèques du produit étant son pH, et/ou sa texture, et/ou son activité en eau, et/ou la quantité d'acide organique qu'il contient, et/ou son coefficient de transfert thermique, et/ou les flores limitantes qu'il contient, et/ou les produits de dégradation enzymatique, et/ou le potentiel redox, l'évolution des paramètres intrinsèques étant pris en compte dans le modèle de dégradation, de sorte que le calcul de la dégradation réalisé par le processeur soit fonction des seules variables extrinsèques et du temps.

Description

DISPOSITIF DE SURVEILLANCE DE LA DEGRADATION D'UN PRODUIT
La présente invention est relative à un dispositif de surveillance de la dégradation d'un produit, en particulier de produits périssables tels que les aliments.
Dans l'industrie agroalimentaire, et plus particulièrement dans le domaine des produits frais et surgelés, la surveillance du respect de la chaîne du froid est essentielle pour la sécurité alimentaire. Depuis longtemps, les industriels sont tenus réglementairement de faire figurer sur les emballages de nombreux produits une date limite de consommation (D.L.C). Ces dates sont déterminées sous la responsabilité des industriels avec des marges techniques plus ou moins importantes pour tenir compte des disparités des conditions de conservation selon les différents cheminements du produit de la fabrication au lieu de consommation. Les DLC sont ainsi déterminées en fonction de conditions théoriques de conservation des produits et ne prennent donc pas en compte l'état réel de dégradation de chaque produit.
De ce fait, l'information sur l'état du produit fournie par la DLC est presque toujours erronés. En effet, si les conditions réelles de conservation ont été optimales, le produit sera en état d'être consommé bien que la DLC soit dépassée. Inversement, si les conditions réelles de conservation ont été moins bonnes que les conditions théoriques de détermination de la DLC, alors le produit ne sera plus en état d'être consommé bien que l'on n'ait pas encore atteint la DLC.
Il est donc intéressant pour les industriels comme pour les consommateurs de pouvoir tenir compte de l'état réel de dégradation de chaque produit. On élimine ainsi les risques pour l'industriel comme pour le consommateur. En effet, pour les industriels, connaître l'état réel de dégradation d'un produit permet de simplifier la gestion logistique des produits acheminés, notamment le transfert de responsabilité entre son distributeur et lui.
Pour le consommateur, on évite tout risque sanitaire dû à la consommation d'un produit non apte, du fait de conditions de conservation plus défavorables que celles prévues dans le cadre de la détermination de la date limite de consommation des produits concernés .
Pour pouvoir connaître de manière précise l'état de dégradation d'un produit frais, une méthode consiste à mesurer la température et le temps de manière à pouvoir obtenir l'historique des variations de température dans le temps. Il est impératif de surveiller ces deux grandeurs car, si la chaîne du froid est rompue entre la fabrication et la consommation, on doit pouvoir évaluer l'importance de tout dépassement de la température maximum autorisée, ainsi que la durée de cette rupture. Connaissant cet historique, il est alors possible de déterminer, en fonction de chaque produit, grâce à des modèles de calcul issus de la microbiologie prévisionnelle, si le produit est en état d' être consommé ou non.
Toutefois, si l'on envisage facilement de connaître l'historique de température d'un entrepôt de stockage, c'est techniquement plus difficile dès lors que l'on souhaite surveiller des produits de manière totalement individuelle, ou un ensemble de produits identiques conditionnés ensemble (par exemple sur une palette), surtout qu'un dispositif de surveillance individuel doit impliquer un surcoût très faible par rapport au produit surveillé. Il est connu, par la demande internationale WO2005/106813 un dispositif de surveillance compact, se présentant sous la forme d'une « étiquette RFID » destinée à être fixée sur l'emballage d'un produit périssable, et permettant de tracer l'historique de température dans le temps. Un tel dispositif est équipé d'une fonction de calcul, permettant de renvoyer une information relative à l'état de fraîcheur du produit surveillé à partir de l'historique de température . Le dispositif décrit dans le brevet susmentionné propose d'utiliser des méthodes de calcul basé sur le modèle d'Arrhenius qui n'est pas adaptable de manière fine à chaque produit et, de plus, demande une puissance de calcul importante.
Or, dans le but de minimiser l'énergie requise par un tel dispositif ainsi que son coût, il est avantageux d'utiliser une méthode calcul permettant le meilleur compromis entre la pertinence du résultat obtenu et la puissance de calcul requise.
Ainsi, l'invention concerne un dispositif de surveillance de la dégradation d'un produit périssable, ce dispositif étant destiné à être disposé à proximité du produit, ce dispositif comprenant :
- un module de mesure du temps, tel qu'une horloge, et au moins un capteur mesurant au moins une variable extrinsèque du produit représentative des conditions de conservation de ce produit, telle que la température, le degré hygrométrique, la composition de l'atmosphère,
- une mémoire programme pour mémoriser un programme représentant un modèle de dégradation spécifique au produit surveillé, - un processeur calculant, par la mise en œuvre du programme représentant le modèle de dégradation, l'état de dégradation du produit en fonction du temps et des valeurs de la variable extrinsèque mesurées par le capteur,
- une mémoire de données pour stocker des paramètres intrinsèques du produit, les paramètres intrinsèques du produit étant son pH, et/ou sa texture, et/ou son activité en eau, et/ou la quantité d'acide organique qu'il contient, et/ou son coefficient de transfert thermique, et/ou les flores limitantes qu' il contient, et/ou les produits de dégradation enzymatique, et/ou le potentiel redox, l'évolution des paramètres intrinsèques étant pris en compte dans le modèle de dégradation, de sorte que le calcul de la dégradation réalisé par le processeur soit fonction des seules variables extrinsèques et du temps. Ainsi, on réalise une surveillance très fine car totalement adaptée au produit grâce à la prise en compte des différents paramètres intrinsèques, tout en utilisant un modèle impliquant des calculs simples et nécessitant donc une puissance de calcul relativement faible. Dans une réalisation, la mémoire programme peut mémoriser un ou plusieurs programmes supplémentaires .
Dans une réalisation, la mémoire programme mémorise un programme de gestion des mesures.
Dans une réalisation, le programme de gestion des mesures détermine la fréquence des mesures de la variable extrinsèque .
Dans une réalisation, si, entre deux mesures, la variation de la variable extrinsèque est inférieure à un seuil prédéterminé, le programme de gestion de mesures détermine une fréquence de mesure plus basse et/ou commande au processeur de ne pas effectuer de nouveau calcul de l'état de dégradation.
Dans une réalisation, le dispositif comprend des moyens de communication de type radiofréquences .
Dans une réalisation, le dispositif fournit, en réponse à l'interrogation d'un lecteur adapté, un signal représentant des informations relatives à l'état de dégradation du produit.
Dans une réalisation, les informations fournies comprennent en outre : un identifiant du produit, et/ou une date limite de consommation mesurée, et/ou le différentiel entre la date limite de consommation mesurée et la date limite de consommation théorique.
Dans une réalisation, les informations fournies comprennent l'historique des variations de la variable extrinsèque depuis le début de la surveillance du produit.
Dans une réalisation, le dispositif comprend une batterie rechargeable pour alimenter le processeur (18) et/ou la mémoire programme (16) et/ou la mémoire de données (20) .
Dans une réalisation, la batterie peut être rechargée en cours d'utilisation du dispositif (10) .
Dans une réalisation, le dispositif est réutilisable après consommation ou dégradation du produit surveillé.
Un exemple détaillé d'une réalisation de l'invention est décrit ci-après, en relation avec les figures, parmi lesquelles :
- la figure 1 représente un modèle primaire de la croissance d'un microorganisme ;
- les figures 2 et 3 représentent un modèle cardinal en fonction de la température ; - les figures 4 et 5 représentent différentes évolutions de la population d'un microorganisme modélisée selon le modèle cardinal de la figure 3 ;
- la figure 6 représente un dispositif selon 1' invention ; - la figure 7 représente l'architecture interne du dispositif selon l'invention.
L'état de dégradation d'un produit périssable, en particulier des produits alimentaires est principalement lié à la présence et au développement de microorganismes, qu'ils soient pathogènes ou d'altération. Pour connaître l'état de dégradation d'un produit alimentaire, il suffit de déterminer quelle est la ou les flore (s) limitante (s) , c'est-à-dire le ou les microorganisme (s) dont la quantité et/ou la croissance aura une action prépondérante sur la dégradation du produit parmi l'ensemble des microorganismes contenus dans le produit. Une fois que l'on a déterminé quels étaient les microorganismes ayant une influence prépondérante, il suffit de connaître leurs quantités respectives pour en déduire l'état de dégradation.
Ainsi, pour chaque type de microorganisme est fixé un seuil maximum au-delà duquel le produit est considéré comme n'étant plus consommable. La prévision de la dégradation d'un produit consiste donc en la modélisation de l'évolution de population de chaque flore limitante contenue dans le produit.
Une première approche de cette modélisation, représentée à la figure 1, est un modèle de type primaire qui permet de déterminer la croissance d'une bactérie à température, pH et activité de l ' eau constants . La figure 1 montre l'évolution de la population de la bactérie en fonction du temps. Cette évolution est réprésentée d'une part par la courbe 10 obtenue grâce au modèle, et, d'autre part par des valeurs ponctuelles obtenues expérimentalement
Le modèle utilisé dans ce cas est représenté par l'équation suivante :
si t <= a lag <&* = n 0 di
Dans laquelle :
N = nombre de cellules Nmax = nombre maximal de cellules μ = taux de croissance spécifique maximum L'intérêt de ce modèle est de bien visualiser les 3 phases successives du développement microbien : phase de latence (délai) , phase de croissance (après une rupture) , phase stationnaire (plateau) . Il ne peut cependant constituer un modèle de prévision intéressant puisqu' il ne prend en compte qu' un seul facteur, le temps . Pour décrire une croissance liée à plus de deux facteurs, on utilise des modèles, dits modèles secondaires. Ceux-ci permettent d'évaluer précisément la dégradation d'un produit en décrivant l'évolution des paramètres des modèles primaires (temps de latence, taux de croissance maximale, concentration cellulaire maximale) , par rapport aux conditions de l'environnement, représentées par les paramètres intrinsèques définis ci-dessus.
Parmi ces modèles secondaires, on distingue les modèles polynomiaux et les modèles cardinaux.
Dans le cas d'un modèle polynomial, la croissance est définie par une équation de la forme suivante :
Croissance = ax + by + cz + dx2 + eY2 +... .+ fzn, où x, y, ...z sont des facteurs environnementaux. Les modèles polynomiaux donnent des prévisions acceptables dans le domaine où ils ont été établis . Les modèles cardinaux sont basés sur les valeurs cardinales des paramètres influençant la croissance des microorganismes considérés, notamment les valeurs cardinales de températures (T1111n, Topt, TWx) , de pH (PH1111n, pHopt, pHmaχ) , d'activité en eau (aw) , etc. Par exemple, le modèle "CTMI", représenté à la figure
2, (Modèle des Températures Cardinales avec Point d'Inflexion) exprime le taux de croissance en fonction de la température : Umax = taux de croissance maximum
Uopt = taux de croissance dans les conditions optimum, c' est-à-dire dans les conditions favorisant au maximum le développement des microorganismes .
Tm1n = limite basse de température à laquelle la croissance est observée. En dessous de cette température, croissance est nulle Tmax = limite haute de température à laquelle la croissance est observée. Au-dessus de cette température, la croissance est nulle.
Topt = température à laquelle la croissance est maximale. Dans ces modèles, les valeurs cardinales de température, de pH, ... etc sont spécifiques d'une espèce de microorganisme, voire d'une souche.
Ces modèles donnent une bonne précision d'ajustement, pour des calculs d'une relative simplicité. Ils présentent en outre l'intérêt d'une signification biologique évidente des paramètres (températures, pH, aw...). Enfin ce sont des modèles évolutifs, présentant donc de larges possibilités d'amélioration des prévisions .
On décrit ci-dessous un exemple illustrant l ' incidence des valeurs cardinales sur les simulations de croissance. Il s'agit de prévoir la croissance d'une Listeria, dont les températures cardinales sont 450C, 1°C, et 33 0C. La figure 3 montre le calcul des taux de croissance prévus par le modèle selon les températures, et la figure 4 montre l'évolution de la population microbienne obtenue respectivement à la température de 10°C pour la courbe 42, et a la température de 120C pour la courbe 44, sur une période de 200 heures. La figure 5 montre également l'évolution de la population microbienne obtenue respectivement à la température de 100C pour la courbe 52, et a la température de 8°C pour la courbe 54. On obtient ici les valeurs suivantes :
Tmin = limite basse de température à laquelle la croissance est observée ; dans l'exemple, TnUn = 1°C
Tmax = limite haute de température à laquelle la croissance est observée ; Tm3x = 450C
TOpt = température à laquelle la croissance est maximale ; Topt = 330C
En modifiant la température de conservation de plus ou moins 20C, l'estimation de la croissance à 4 jours est diminuée (courbe 44, figure 4) ou augmentée (courbe 54, figure 5) d'une puissance de 10 (1 log) .
Comme précédemment décrit, les premiers calculs utilisent des modèles primaires : estimation du taux de croissance et du temps de latence (modèle proposé par ROSSO) . Les modèles secondaires permettent ensuite d' intégrer les effets de l'environnement sur les paramètres des modèles primaires. Les modèles secondaires sont des modèles polynomiaux ou modulaires ; les modèles polynomiaux sont peu extrapolables et, en alimentaire, les modèles modulaires sont davantage utilisés. Les effets pris en compte par ces modèles sont : température, pH et acides organiques, activité de l'eau, inhibiteurs . Chacun de ces facteurs est décrit par une fonction, auxquelles s'ajoute une fonction d'interaction entre ces facteurs. De plus, les caractéristiques de l'aliment sont prises en compte par le taux de croissance optimal du microorganisme dans l'aliment (des challenge tests sont menés pour cela). Finalement, le taux de croissance d'un microorganisme dans un aliment est fonction de 5 facteurs et de son taux de croissance optimal dans cet aliment :
MOpt'IT 'IfpH 'i aw'I AH Vim:t Ainsi, prévoir le développement d'un microorganisme dans un aliment, nécessite de connaître : les paramètres caractéristiques de croissance propres au microorganisme : températures, pH et aw cardinales et CMI d' inhibiteurs ou d' acides organiques ; - les caractéristiques du couple aliment / microorganisme : taux de croissance optimum, temps de latence minimum et population maximale ; les facteurs environnementaux du microorganisme dans l'aliment, trois facteurs intrinsèques (pH, aw et acide organique) et un seul facteur extrinsèque : la température .
Pour l'utilisation dans le dispositif selon l'invention des calculs présentés ici, il n'est pas nécessaire d' embarquer toute la base de données dans la puce mais un nombre restreint de données, ce qui permet de réduire la puissance de calcul nécessaire. Pour simplifier le calcul, on peut ne pas tenir compte des intervalles de confiance, en prenant par exemple systématiquement le cas le plus défavorable. Le calcul peut être incrémenté au fur et à mesure des prises de température (il ne doit pas être refait entièrement à chaque prise) .
Les modèles cardinaux permettent de prendre en compte autant de variables extrinsèques ou intrinsèques que souhaité. Les principales variables extrinsèques ayant une influence sur la croissance des microorganismes comprennent :
• la température de conservation
• le Degré hygrométrique
• la Pression atmosphérique
• la Composition de l'atmosphère, c'est-à-dire la teneur relative en O2, CO2, N2, NH3, éthylène
Parmi les paramètres intrinsèques dont l'évolution est prise en compte, on peut citer :
• pH
• l'activité en eau, ou aw • la texture de l'aliment qui intervient à plusieurs niveaux : diffusion, aw, transfert thermique)
• Quantité d' acides organiques
• Potentiel redox
• Produits de dégradation enzymatiques : ils peuvent correspondre aux produits de dégradation relative à l'hydrolyse/protéolyse et activités aminopeptidasiques , qui conduisent à la formation de bases volatiles (dont aminés biogènes) et en dernier lieu à la formation de NH3. Ce peut être également l'oxydation des matières grasses, ou des activités lipasiques et lipolytiques . De manières plus générales, on peut peut-être ajouter concentration en substrats / métabolites et déchets .
• Etat physiologique de la souche considérée (phase stationnaire, phase de latence, ...) • Charge microbienne initiale • Interactions et produits d' interactions intra et inter espèces microbiennes
• Gradient de température au sein du produit.
Une analyse de l' architecture du système a été réalisée, en prenant en compte le cycle d'utilisation du produit, les fonctions de services et de contraintes.
La figure 6 représente un schéma du dispositif 10 selon l'invention, dans une réalisation adaptée à la surveillance de produits alimentaires frais ou surgelés . Le dispositif 10 se présente sous la forme d'une carte, ou puce, comprend une horloge 12, un capteur de température 14. Un processeur 18 permet de calculer l'état de dégradation du produit surveillé, grâce à un modèle de dégradation contenu dans une mémoire programme 16. Ce modèle de dégradation tient compte de paramètres intrinsèques du produit et de leur évolution, leurs valeurs étant stockées dans une mémoire de données 20. Un tel dispositif est prévu pour être interrogé à distance par un dispositif de lecture, via un protocole de communications par radiofréquences . A cet effet, le dispositif comporte une antenne RFID.
La figure 7 présente l'architecture détaillée d'un dispositif selon l'invention. Celui-ci comprend notamment une source d' énergie embarquée pour alimenter les composants de la puce. Une étude a été réalisée concernant le choix des composants pour la réalisation du démonstrateur.
Côté lecteur, la démonstration se basera sur un lecteur RFID 15693.
Côté puce, un module RTC + capteur de température, référence DSl629 « digital thermometer and real time clock » a été retenu
Pour la démonstration, une mémoire I2C de 512K est utilisée pour le stockage des données .
Un microcontrôleur faible consommation a été retenu, implémentant le calcul de la date limite de consommation et la gestion de l'horloge temps réel et du capteur de température. Concernant l'interface RFID, 2 solutions sont envisageables : la première consiste à utiliser une tête RF développée au Leti, et un composant télé-alimentable à programmer pour supporter le protocole
Base Station T° Mémoire
Composant programmable (Microcontrôleur/FPGA) Tête RF
Composant Téléalimenté RTC
Pilotes (I2C, SPI, ...) Algorithme de calcul Interface Interface
Pilote Tête RF Stockage
Temps / Température Calcul DLC Échange d' informations Tête RF
Interface PC
Pilote Tête RF Antenne Source d' énergie embarquée
Antenne
RFID15693. La deuxième solution consiste à rechercher un composant du commerce.
La tête RF a pour tâche de récupérer les commandes du lecteur et de les transmettre au micro, qui sera chargé de les exécuter et d' envoyer une réponse au lecteur via la tête RF. L'échange RF suivra la norme 15693
Le protocole est basé sur une requête du lecteur vers la puce, et une réponse de la ou des puces. Les données transmises entre la tête RF et le microcontrôleur peuvent être des données d' initialisation/paramétrage pour le bon fonctionnement du dispositif, ainsi que les informations relatives au suivi de température du produit.
On décrit ci-après les données de paramétrage qui peuvent être utilisées :
Des coefficients pour le modèle de transfert thermique implanté dans la puce. Le modèle de transfert thermique correspond à l'inertie de changement de température d'un produit en fonction de paramètres tels que l'aliment lui- même, la nature de son conditionnement, la marge de sécurité demandée par le client, etc.... Les paramètres de ce modèle de transfert thermique doivent être chargés à l'activation de la puce.
- Les valeurs cardinales souches : coefficients de l'équation de la prévision de l'évolution microbiologique. Ces valeurs dépendent de la nature du produit.
- La personnalisation de la puce, se rapprochant d'une utilisation de traçabilité classique : chargement du numéro de lot, du numéro de produit, de la DLC théorique.
- Les paramètres pour le déclenchement de l'écriture du couple temps/température en mémoire. En effet, toutes les valeurs mesurées ne sont pas obligatoirement écrites en mémoire . Cela peut dépendre du delta de température choisi pour la mémorisation entre deux mesures. Il n'est pas nécessaire de stocker deux valeurs successives identiques, afin de limiter la taille mémoire.
- Choix d'un modèle d'échantillonnage, qui va faire varier le temps entre deux mesures en fonction de la température de l'échantillon précédent, la fréquence devant s'accélérer à l'approche des températures critiques. (Donnée paramétrable au cours de la vie du produit)
- Initialisation de l'heure de mise en route de la puce . - Un étalonnage du capteur peut être nécessaire. Les données retournées par la puce comprennent :
- Identifiant de la puce.
- La DLC mesurée, ou durée de vie résiduelle du produit.
- La DLC Théorique.
- L'état du produit tracé, en fonction du paramètre d'acceptation (écart entre la DLC Théorique/ DLC mesurée)
Lecture des données en mémoire (couple temps/température) .
Une première carte a été réalisée, comportant 1 microcontrôleur, 1 capteur de température, 1 horloge temps réel (RTC), 1 mémoire EEPROM et une liaison RS232.
Dans un premier temps, toutes les commandes de pilotage de la carte (chargement paramètres, start, stop, programmation RTC, etc..) sont réalisés par liaison série. Une seconde carte est en évaluation incluant une interface RFID
ISO15693.
Les opérations de la carte sont : - Calcul d' après des mesures de température en temps réel,
- Mémorisation de la valeur de température mesurée seulement si la température est différente de l'échantillon précédent . Conditions du test : fréquences de mesures programmée toutes les 5 secondes .
Le suivi de température est acquis en temps réel sur le produit alimentaire. A partir des modèles de microbiologie prévisionnelle, et des caractéristiques physiologiques des principales espèces bactériennes d'altération, il est possible de simuler la vitesse de développement des microorganismes, et d'en déduire le capital fraîcheur restant. Le temps restant avant la limite de consommation du produit est alors ré-estimé en temps réel, en fonction de la température à laquelle est soumis l'aliment au cours de sa conservation. Les modèles mathématiques ont été simplifiés au maximum afin de réduire le temps de traitement informatique. Le calcul du capital fraîcheur restant doit être réactualisé à intervalle de temps régulier. Pour définir cet intervalle de temps, des essais ont été réalisés sur des enregistrements de température réels .
Une étude comparative a ainsi été menée pour mesurer l'impact de l'intervalle de temps entre deux traitements d'information (mesure de température suivie d'une ré-estimation du capital fraîcheur) . Plus l' intervalle de temps est court, et plus le calcul global est fiable. On donne ci-dessous le pourcentage d'erreur des différents intervalles de temps testés, par rapport à l'intervalle de référence de 5 minutes.
Intervalle de temps testé % d'erreur 5 min : 0 %
30 min : 0,8 %
1 h : 1.9 %
2 h : 3 %
4 h : 4,8 % 4 h décalé de 2h : 7,7 %
Deux applications principales sont ici envisagées : les produits pharmaceutiques et l' agro-alimentaire. Nous allons décrire ci-dessous un cycle d'utilisation du dispositif de surveillance selon l'invention. Avant utilisation, il est nécessaire d' imposer une fonction de recharge du système par activation de la batterie. Selon le degré de surveillance recherché, la puce peut être placée soit sur une palette de produits identiques, soit sur un conditionnement intermédiaire d'une telle palette, soit encore sur chaque produit individuel, étant évident que la surveillance sera la plus efficace dans ce dernier cas .
Toutefois, un compromis intéressant consiste à placer la puce sur un conditionnement intermédiaire car ceux-ci ne contiennent en général qu'un seul lot de produits ayant la même DLC. La question se pose alors de savoir si la température est homogène au sein du conditionnement intermédiaire. La température relevée par la puce est à l'extérieur du conditionnement : il faudrait donc tenir compte d'un coefficient d'échange thermique entre l'extérieur et l'intérieur, incluant des écarts possibles en fonction de l'environnement. Ce modèle de transfert thermique doit aussi prendre en compte la nature du conditionnement intermédiaire (carton, cagette en plastique, polystyrène) : cette donnée doit être mentionnée lors de l'activâtion. On peut également prendre en compte le positionnement du conditionnement intermédiaire au sein de la palette .
Une fois la puce positionnée, la première action à réaliser est d' enclencher la charge de la batterie . La vérification de la charge pourra se faire par visualisation sur le chargeur selon un mode binaire (chargé / non chargé) .
Lors de l'activation de la puce consécutive à la charge de la batterie, plusieurs données sont nécessaires à la personnalisation de la puce :
• identification du produit à tracer (numéro de lot, type) , • paramètres microbiologiques du modèle (valeurs cardinales de la souche, informations sur les transferts thermiques, données spécifiques du produit du type pH/Aw/μopt) t
• date initiale de l'enregistrement (date absolue fournie par le système) et fréquence d'échantillonnage, • étalonnage à définir au bout de n cycles .
Les modèles mathématiques permettant le calcul de dégradation peuvent être intégrés lors de la conception de la puce ou bien lors de son activation. Ils comprennent :
• le modèle de microbiologie prévisionnelle déterminant la DLC du produit,
• le modèle de gestion de la température permettant d' accélérer ou de ralentir la fréquence d' échantillonnage en fonction de la température (il faudra alors paramétrer le modèle pour que des alertes soient mises en place si le système se situe en dehors des températures souhaitées) . Toutes les données enregistrées lors de l'activation sont importantes. Pour des raisons de confidentialité ou pour pallier aux mauvaises manipulations des acteurs de la chaîne, il est nécessaire de gérer les droits d' accès à ces informations . La mémoire peut ainsi être protégée après l'entrée des renseignements. Si une mauvaise manipulation fait qu'il est nécessaire de modifier les informations enregistrées, la seule possibilité de revenir aux données initiales se ferait comme pour le recyclage de la puce avec un nettoyage complet des données puis un nouvel enregistrement. Afin de faciliter la manipulation, la fonction écriture au cours de l'utilisation de la puce doit ainsi être gérée par la puce de manière autonome.
Dans le cas où le dispositif de surveillance selon 1' invention doit être apposé sur un conditionnement intermédiaire de produits au sein d'une palette, celui-ci peut se présenter sous la forme d'une carte de crédit présentant une certaine rigidité. Celle-ci peut être placée à l'intérieur du conditionnement si ce dernier ne présente pas de gêne électromagnétique, mais une fixation à l'extérieur est préférable pour faciliter la manutention. Le dispositif doit être fixé solidement avec un système simple permettant de le récupérer pour le recycler. Par exemple, le dispositif peut être glissé dans une enveloppe transparente autocollante (du type bordereau) et sera remis dans une nouvelle enveloppe après chaque recyclage.
La fréquence d'échantillonnage doit être modifiable lors du passage à des maillons différents de la chaîne logistique. Ce paramètre doit pouvoir être décrit sur la puce par les différents intervenants . L' accès aux données contenues dans la puce doit être contrôlé. Les données sont accessibles en lecture à tous les utilisateurs mais, une fois l'activation faite, il n'y a aucune possibilité d'écriture extérieure : seule la puce utilise la fonction écriture pour le stockage des températures. La durée de vie de la puce doit être définie en fonction de la DLC des produits à tracer. En agro-alimentaire, la DLC des produits frais peut varier de quelques heures à 42 jours, voire 60 jours. Or, comme la puce peut être placée sur le conditionnement intermédiaire, la durée de vie moyenne correspondrait alors à la durée d'une période logistique pour ce genre de conditionnement, soit 20 jours. Dans le secteur de la santé, la durée de vie des produits peut aller jusqu'à 2 ans : la gestion de l'énergie la puce peut être problématique, sauf si la recharge des batteries pourrait se faire en cours de stockage par une antenne.
La lecture des données contenues dans la puce pourrait se faire par un pistolet manuel ou par passage à travers un portique. La première solution est peu pratique dans le cas de lecture d' un nombre important de puces . La deuxième solution nécessite d' équiper tous les quais des zones de stockage pour que les palettes puissent passer à travers les portiques en entrant et en sortant. Par ailleurs, la lecture des puces doit se faire parallèle au portique ; afin d' éviter de devoir tourner les palettes sur elles-mêmes pour lire les puces positionnées perpendiculairement au portique, il faudrait utiliser des antennes de lecture 3D.
La lecture des données doit pouvoir fournir des informations sur : • l'identifiant, • l'état des produits tracés via un langage simple (« tout va bien » ou « problème ») par comparaison entre la DLC théorique et la DLC mesurée,
• la DLC mesurée. L' état des produits tracés caractérisé par la mention
« problème » doit être paramétré par le client qui définit la marge acceptable entre la DLC théorique et la DLC réelle tolérée. Par ailleurs, si le client a besoin de plus d'informations, alors la lecture complète pourrait se faire manuellement.
Le calcul de la DLC mesurée peut être réalisé :
• en temps masqué pendant la lecture de l'identifiant et de la DLC théorique,
• en temps réel à chaque écriture de température dans la puce et non pas à chaque mesure.
En effet, afin d'économiser en batterie, toutes les mesures définies par l'horloge interne ne sont pas écrites dans la puce. L'écriture peut être déclenchée dès qu'il y a un changement de température significatif, par exemple de plus ou moins 0,50C.
A cause du coût de mise en oeuvre, les résultats pourraient être visualisés sur les dispositifs destinés seulement au secteur pharmaceutique . Les données pourraient être lisibles directement ou via un code couleur décrivant les états « tout va bien » ou « problème » (ce changement de couleur pourrait être visualisé par exemple au niveau d'une antenne en polymère) . Une recharge par couplage inductif (ou autres énergies : solaire) pourrait être déclenchée au moment de la lecture . La fin du cycle d'utilisation a lieu chez le dernier maillon de la chaîne logistique (le magasin) qui devra assurer le recyclage de la puce . Ce dernier acteur aura pour rôle d'arrêter l'enregistrement des données et de renvoyer la puce au fournisseur de la puce. Ce fournisseur devra alors récupérer les données et les mettre sur un serveur accessible aux différents acteurs de la chaîne. Il remettra ensuite la puce à zéro et le renverra aux acteurs de la chaîne.
La durée de vie maximale de la puce est fonction de sa durée de vie sur le produit et du nombre de retours au fournisseur. Elle peut être estimée à 2 ans : durée de vie moyenne sur le produit de 20 jours avec 20 à 30 cycles de recyclage .
Le dispositif selon l'invention présente les avantages suivants : - STANDARD : le dispositif communique avec son environnement par radio, via le standard RFID
- PORTABILITE : le dispositif s'adapte aux différents conditionnements utilisés sur le circuit logistique.
Appliqué sur les unités logistiques à tracer, et non plus dans l'environnement du produit, il réalise un suivi continu sur l'ensemble de la chaîne.
TEMPS REEL : La portabilité, le standard de communication utilisé et la précision de l'analyse permettent à l' invention de transmettre en temps réel les informations sur l'état de conservation du produit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (10) de surveillance de la dégradation d'un produit périssable, ce dispositif étant destiné à être disposé à proximité du produit, ce dispositif comprenant :
- un module (12) de mesure du temps, tel qu'une horloge, et au moins un capteur (14) mesurant au moins une variable extrinsèque du produit représentative des conditions de conservation de ce produit, telle que la température, le degré hygrométrique, la composition de l'atmosphère,
- une mémoire programme (16) pour mémoriser un programme représentant un modèle de dégradation spécifique au produit surveillé,
- un processeur (18) calculant, par la mise en œuvre du programme représentant le modèle de dégradation, l'état de dégradation du produit en fonction du temps et des valeurs de la variable extrinsèque mesurées par le capteur,
- une mémoire de données (20) pour stocker des paramètres intrinsèques du produit, les paramètres intrinsèques du produit étant son pH, et/ou sa texture, et/ou son activité en eau, et/ou la quantité d'acide organique qu'il contient, et/ou son coefficient de transfert thermique, et/ou les flores limitantes qu'il contient, et/ou les produits de dégradation enzymatique, et/ou le potentiel redox, l'évolution des paramètres intrinsèques étant pris en compte dans le modèle de dégradation, de sorte que le calcul de la dégradation réalisé par le processeur soit fonction des seules variables extrinsèques et du temps .
2 Dispositif (10) selon la revendication 1, dans lequel la mémoire programme peut mémoriser un ou plusieurs programmes supplémentaires .
3 Dispositif (10) selon la revendication 2 la mémoire programme mémorise un programme de gestion des mesures .
4 Dispositif (10) selon la revendication 3, dans lequel le programme de gestion des mesures détermine la fréquence des mesures de la variable extrinsèque. 5 Dispositif (10) selon la revendication 4, dans lequel, si, entre deux mesures, la variation de la variable extrinsèque est inférieure à un seuil prédéterminé, le programme de gestion de mesures détermine une fréquence de mesure plus basse et/ou commande au processeur de ne pas effectuer de nouveau calcul de l'état de dégradation.
6 Dispositif (10) selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant des moyens de communication de type radiofréquences .
7 Dispositif (10) selon la revendication β, fournissant, en réponse à l'interrogation d'un lecteur adapté, un signal représentant des informations relatives à l'état de dégradation du produit.
8 Dispositif (10) selon la revendication 7, dans lequel les informations fournies comprennent en outre : un identifiant du produit, et/ou une date limite de consommation mesurée mesurée, et/ou le différentiel entre la date limite de consommation mesurée et la date limite de consommation théorique .
9 Dispositif (10) selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les informations fournies comprennent l'historique des variations de la variable extrinsèque depuis le début de la surveillance du produit.
10 Dispositif (10) selon l'une des revendications précédentes, comprenant une batterie rechargeable pour alimenter le processeur (18) et/ou la mémoire programme (16) et/ou la mémoire de données (20) .
11 Dispositif (10) selon la revendication 10, dans lequel la batterie peut être rechargée en cours d'utilisation du dispositif (10) .
12 Dispositif (10) selon l'une des revendications précédentes, le dispositif étant réutilisable après consommation ou dégradation du produit surveillé.
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