Emballage intelligent : faisabilité de l’utilisation d’un biocapteur couplé à un tag RFID UHF pour le suivi de la température

Intelligent packaging : feasibility of using a biosensor coupled to a UHF RFID tag for temperature monitoring

• Auteur / Autrice : Fernando Teixeira Silva
• Direction : Nathalie Gontard, Verônica Calado
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et physicochimie alimentaires
• Date : Soutenance le 27/03/2017
• Etablissement(s) : Montpellier en cotutelle avec Universidade Federal do Rio de Janeiro. Escola de Química
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Agro-Polymères et Technologies Emergentes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Nei Pereira Junior
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Gontard, Verônica Calado, Nei Pereira Junior, Paulo José Do Amaral Sobral, Thomas Karbowiak, Andréa Salgado, Fabien Pascal, Valérie Guillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paulo José Do Amaral Sobral, Thomas Karbowiak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique organique

Aliments -- Qualité

Aliments -- Emballage

Mots clés libres

Qualité alimentaire

Emballage alimentaire

Sécurité alimentaire

Emballage intelligent

Food quality

Food packaging

Food Safety

Intelliegent packaging

Résumé

L’emballage intelligent (EI) est une technologie émergente basée sur la fonction communicative des emballages. La radio-identification (RFID) est considérée comme le concept le plus prometteur de l’EI. La RFID fait référence aux technologies et systèmes qui utilisent les ondes radio (sans fil) pour transmettre et identifier de manière exclusive et/ou suivre des objets avec une information précise en temps réel.Cette thèse est basée sur une recherche innovante des propriétés électriques (capacité, permittivité réelle et perte) de la protéine de soja isolée, de la gélatine et du caséinate de sodium, et vise leur utilisation comme capteurs de température, associés à l’étiquette RFID. Les variables étaient la température (20°C jusqu’à 80°C) et l’humidité (90% HR) qui sont normalement utilisées pour la cuisson de la viande. La gélatine s’est révélée être le capteur le plus sensible. Après cette partie, plusieurs étapes ont été menées :• L’analyse de l’impact de l’épaisseur du film de gélatine sur la capacité et la détermination de plusieurs paramètres tels que la sensibilité, l’hystérésis et la répétabilité;• La couverture de gélatine sur l’étiquette RFID, testée à 90% HR et à température variable (de 20°C à 80°C) en condition pilote. L’impact sur la bande de lecture a été analysé.Le potentiel de la gélatine en tant que capteur a été démontré à une épaisseur de 38 µm à laquelle la capacité était stable de 20°C à 80°C et à Ultra-Haute Fréquence (300-900 MHz). L’échantillon de 125 µm a subi une dégradation électrothermique entre 60°C et 80°C. Pour surmonter ce phénomène, 600 MHz ont été appliqués. Un équilibre entre l’épaisseur et la fréquence devrait être considéré pour augmenter la sensibilité qui était de 0,14 pF/°C (125 µm à 600 MHz) et 0,045 pf/°C (38 µm à 868 MHz), influençant les résultats lors de la simulation de cuisson de la viande. La réutilisation du même capteur a conduit à une perte de masse réduisant la sensibilité. L'étiquette RFID couverte d’un film de gélatine sur l'antenne a pu donner de différence significative (p <0,05) dans la bande de lecture théorique (BLT) à 868, 915 et 960 MHz. Également dans cette layout, la BLT a été la même pour la même température croissante et décroissante (pas de hystérésis) dans la zone critique (60°C-80°C et 60°C-20°C) à 915 MHz. Ces résultats prometteurs ouvrent une porte à une nouvelle conception de capteurs de température basés sur les biomatériaux, renouvelable at à faible coût, couplé avec des étiquettes RFID passives pour l’emballage intelligent.

Intelligent packaging (IP) is an emerging technology based on the communication function of packages. Radio frequency Identification (RFID) is considered the most promising concept of IP. RFID refers to technologies and systems that use radio waves (wireless) to transmit and uniquely identify and/or track objects with accurate information in a real time.The present thesis is based on an innovative study of the electrical (capacitance) and dielectric properties (real permittivity and loss factor) of soybean isolated protein, gelatin and sodium caseinate aiming at their use as a sensor of temperature coupled with RFID tags. The environmental variables were temperature (range from 20°C up to 80°C) and humidity (90% RH) that are normally used for meat cooking. Gelatin was the most sensitive sensor. After this first part, several steps have been set up:• Analysing the impact of gelatin film thickness on electrical capacitance and the determination of several parameters such as sensitivity, hysteresis and repeatability;• The coating of gelatin on a RFID tag tested at 90% RH and variation of temperature (20°C up to 80°C) in a pilot condition. The impact on the reading range was analysed.The potential of gelatin as a sensor was demonstrated at thickness of 38 µm and 125 µm. For the first case, the capacitance was stable at 20°C up to 80°C and at Ultra High Frequency band (300-900 MHz). Sample with 125 µm has suffered the electro-thermal breakdown between 60-80°C. To overcome this phenomenon, 600 MHz was applied. A balance between thickness and frequency should be consider to increase the sensitivity that was 0.14 pF/°C (125 m at 600 MHz); this value was higher than 0.045 pF/°C (38 m at 868 MHz) influencing the results in the simulation of meat cooking. Reuse of the same sensor has led to mass loss reducing the sensitivity. The feasibility of gelatin sensor-enable RFID tag was demonstrated. The tag covered by gelatin film in the whole antenna was suitable because it was able to deliver different Theoretical Reading Range (TRR) (p<0.05) for 868 MHz, 915 MHz and 960 MHz. At this layout also, the TRR was the same (without hysteresis) for the rising and descending temperature at the critical zone (60°C- 80°C and 60°C-20°C) at 915 MHz. These promisor results open a window for new conception of temperature sensor based on biomaterial that confers advantages, such as low cost and eco-friendly property sought to be interfaced to passive RFID tags for intelligent packaging.