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Il viaggio dei prodotti freschi dopo la raccolta rappresenta un anello debole della catena di approvvigionamento alimentare globale. Ogni anno, circa un terzo del cibo prodotto per il consumo umano nel mondo viene perso o sprecato (Rif. 1). I problemi connessi alla distribuzione refrigerata e allo stoccaggio giocano un ruolo fondamentale in queste perdite, soprattutto nei Paesi in via di sviluppo come l’India, dove appena il 6% della produzione alimentare entra nella “catena del freddo” (Rif. 2), lasciando il resto vulnerabile al deterioramento. Attualmente, può accadere che il poco spazio refrigerato, come le piccole celle frigorifere alimentate a energia solare (Figura 1), venga occupato da coltivazioni che hanno già superato il loro picco di maturazione, anche se nel frattempo altri lotti si deteriorano in attesa di raggiungere una cella frigorifera.
Facendo parte di un consorzio multinazionale di soggetti interessati alla filiera alimentare, gli Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa) e la Basel Agency for Sustainable Energy (BASE) hanno sviluppato Coldtivate per aiutare a ridurre questi problemi. Coldtivate è un’app mobile che informa gli utenti sul processo di raffreddamento e deperimento di diversi tipi di frutta in tempo reale. È stata distribuita agli operatori dei magazzini frigoriferi in tre regioni dell’India alla fine del 2022 e in Nigeria nel 2023, e funziona grazie alla simulazione multifisica. Gli agricoltori che utilizzano l’app non vedono i modelli multifisici sottostanti e non interagiscono direttamente con l’app di simulazione: ricevono i risultati attraverso l’app Coldtivate, in una forma utilizzabile per loro.
Previsioni basate sulla simulazione per ottimizzare la conservazione degli alimenti
L’app mobile Coldtivate offre previsioni basate sui dati relativi alla freschezza dei prodotti in cella frigorifera. Queste previsioni arrivano da un’app di simulazione (Figura 2), che Empa ha costruito con il software COMSOL Multiphysics® e con l’Application Builder integrato in esso.
Le app di simulazione sono interfacce facili da usare, create a partire da modelli sviluppati in COMSOL Multiphysics: il progettista dell’app decide quali input e output saranno visualizzati. Le app di simulazione sono già pronte all’uso, ma Empa e BASE volevano offrire i dati della loro app di simulazione in un modo che fosse più familiare agli utenti finali, principalmente agricoltori. Poiché le app mobile sono ampiamente utilizzate nelle moderne pratiche agricole (Rif. 3), Coldtivate è stata sviluppata in modo che possa fungere da interfaccia per gli utenti finali.
“La nostra app COMSOL viene eseguita sullo stesso server headless che ospita l’app mobile”, spiega Joaquin Gajardo, data scientist di Empa e responsabile tecnico del progetto Coldtivate. Questo permette all’app di simulazione e all’app mobile di trasmettere informazioni l’una all’altra. “Abbiamo usato l’Application Builder per automatizzare l’aggiornamento delle simulazioni in base alla modifica dei parametri di input [nell’app mobile]”, racconta Gajardo. In questo modo vengono combinate le capacità del modello multifisico di Empa con la comodità di un’app mobile appositamente realizzata. Per poter utilizzare l’app di simulazione in questo modo, i tecnici l’hanno prima compilata in un eseguibile standalone usando COMSOL Compiler™.
“Senza l’Application Builder, sarebbe stato impossibile trasformare i digital twin in un’app mobile e ‘democratizzare’ queste simulazioni multifisiche e i loro risultati, rendendoli accessibili a un pubblico più ampio di beneficiari, come i piccoli agricoltori”, dichiara Thijs Defraeye, senior scientist di Empa e professore alla Wageningen University & Research.
Il modello dietro l’app di simulazione
La temperatura ambientale influenza direttamente la durata di conservazione dei prodotti freschi. Tuttavia, sebbene i termometri siano presenti nella maggior parte dei magazzini refrigerati, i dati che forniscono sono insufficienti per prevedere la durata di frutta e verdura.
“Non possiamo stabilire la durata di vita prevista per i prodotti con una singola curva di temperatura o umidità di una cella frigorifera”, spiega Defraeye. “Il modello COMSOL di ogni cassa riceve i dati reali di temperatura e umidità dalle celle frigorifere, consentendo di ricalcolare frequentemente la durata di conservazione residua”. È questo il modello su cui si basa l’app di simulazione di Empa.
Inoltre, un sensore in una sezione dello spazio di stoccaggio non riflette necessariamente la temperatura sulla superficie di una mela sepolta all’interno di una cassa, soprattutto se la cassa è stata portata al chiuso solo da poco tempo.
Per fornire un quadro più completo di come ogni spedizione di prodotti possa essere influenzata dalle diverse condizioni di stoccaggio, Empa sta attualmente ampliando i suoi modelli per simulare intere spedizioni di vari tipi di frutta e verdura utilizzando COMSOL Multiphysics® (Figura 3). “A tal fine, dobbiamo usare un approccio di modellazione dei mezzi porosi per generare parametri utilizzabili a partire dalle letture di sensori”, afferma Defraeye.
L’app in azione
“Supponiamo che una nuova spedizione arrivi in una cella frigorifera”, propone Gajardo. “L’operatore apre l’app Coldtivate sul proprio telefono e inserisce il tipo di prodotto, la temperatura attuale, i giorni trascorsi dal raccolto e altri valori rilevanti. L’app mobile genera quindi un file di testo contenente queste informazioni. I valori contenuti in questo file di testo servono come input per l’app COMSOL, che calcola la durata di conservazione prevista. Questo calcolo viene poi scritto in un file di output; la qualità residua e la durata in giorni vengono successivamente visualizzati nell’interfaccia utente dell’app mobile.”
Ogni sei ore, i valori visualizzati sull’applicazione Coldtivate vengono ricalcolati con le previsioni aggiornate in base ai dati più recenti sulla temperatura della cella frigorifera (Figura 4). Gli agricoltori possono controllare direttamente la durata di conservazione residua delle loro casse nell’app mobile. Se non possiedono uno smartphone, “gli operatori di magazzino possono tenerli informati su quanto tempo i loro prodotti rimarranno freschi nella cella frigorifera”, aggiunge Gajardo. In ultima analisi, queste informazioni aiuteranno gli agricoltori a evitare vendite affrettate e l’inutile smaltimento dei prodotti invenduti.
Il lavoro del team genera dati affidabili
Defraeye e il suo team in Empa hanno dedicato anni a costruire il processo di raccolta e modellazione dei dati. “All’inizio del 2021 stavamo già creando modelli [per analizzare la freschezza dei prodotti], ma non erano ancora stati implementati nelle catene di approvvigionamento reali”, spiega Defraeye. Le richieste da parte di organizzazioni no-profit per lo sviluppo globale hanno innescato l’impegno che ha portato alla creazione dell’app mobile Coldtivate (Figura 5).
“Siamo stati contattati da BASE, che sviluppa modelli di business innovativi per aiutare gli agricoltori a fare un uso migliore delle risorse disponibili”, racconta Defraeye. “L’idea era quella di combinare un modello di business pay-per-use con informazioni che potessero migliorare l’accesso alla refrigerazione. Per farlo, avevamo bisogno di altri partner che avessero stretti legami con le persone che volevamo aiutare”. Tra questi partner c’erano aziende che si occupano di refrigerazione e altri soggetti interessati negli stati indiani di Bihar, Himachal Pradesh e Odisha, che si sono uniti a BASE e a Empa in un’iniziativa chiamata Your Virtual Cold Chain Assistant (Your VCCA).
“La fiducia è l’ingrediente chiave”, commenta Defraeye. “Le simulazioni ci permettono di controllare ciò che accade ai prodotti nel corso del tempo, e l’app per smartphone consegna queste informazioni nelle mani di persone che possono utilizzarle, come i gestori delle celle frigorifere o gli agricoltori. L’obiettivo è aggiungere trasparenza al punto vendita, dove può fare una grande differenza. Se gli agricoltori e i gestori delle celle frigorifere possono fidarsi delle previsioni, questo li aiuta a fidarsi anche gli uni degli altri”.
Coldtivate sul campo
Nell’agosto del 2022, l’app Coldtivate è stata distribuita ad aziende di refrigerazione selezionate, con l’aggiunta di corsi di formazione per i responsabili delle celle frigorifere sull’utilizzo dell’app per monitorare i prodotti nelle loro strutture (Figura 6). Ad oggi, questa app basata sulla simulazione è stata sperimentata in 17 celle frigorifere, con oltre 300 agricoltori, che hanno registrato un aumento del 20% del loro reddito e una riduzione del 20% delle perdite alimentari post-raccolta. Empa e i suoi partner stanno ora lavorando per ampliare l’impatto di Coldtivate.
Le versioni future dell’app forniranno ulteriori informazioni rilevanti, come le previsioni dei prezzi di mercato e persino le previsioni sulla qualità dei raccolti basate sulle foto dei prodotti. Ora BASE ed Empa stanno collaborando con organizzazioni in Nigeria e nelle Filippine per portare i benefici di Coldtivate in tutto il mondo (Rif. 4).
L’entità delle perdite post-raccolta a livello mondiale è scoraggiante, ma la coalizione dietro il progetto Coldtivate ha dimostrato che il progresso è a portata di mano. “Stiamo scoprendo come la disponibilità di strumenti predittivi basati sulla simulazione possa migliorare l’accesso alla refrigerazione”, conclude Defraeye. “Ora abbiamo bisogno di qualcosa di più di piccoli passi incrementali; abbiamo bisogno di azioni coraggiose per espandere il nostro impatto. Lo facciamo mettendo la tecnologia nelle mani di un maggior numero di persone che possono usarla per fare la differenza”.
Ringraziamenti
Lo sviluppo di Coldtivate è stato parzialmente finanziato dalla sovvenzione di data.org al progetto “Your Virtual Cold Chain Assistant” per la Inclusive Growth and Recovery Challenge, sostenuta dalla Rockefeller Foundation e dal Mastercard Center for Inclusive Growth, nonché dal progetto “Scaling up Your Virtual Cold Chain Assistant”, commissionato dal Ministero Federale Tedesco per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico (BMZ) e attuato da BASE ed Empa per conto dell’Agenzia Tedesca per la Cooperazione Internazionale (GIZ). Il team del progetto desidera ringraziare i principali partner del progetto, Koel Fresh Private Ltd., Oorja Development Solutions India Private Ltd. e ColdHubs Ltd., per il loro contributo nel testare e mettere a punto il modello di shelf-life.
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Credit: COMSOL. The original article was published at:
https://www.comsol.it/story/forecasting-fruit-freshness-with-simulation-apps-119431
- Food and Agriculture Organization of the United Nations, “The Role of Producer Organizations in Reducing Food Loss and Waste,” 2012; https://www.fao.org/3/ap409e/ap409e.pdf
- Basel Agency for Sustainable Energy, “Your Virtual Cold Chain Assistant: India,” 2022; https://energy-base.org/projects/your-virtual-cold-chain-assistant/
- Basel Agency for Sustainable Energy, “BASE and Empa Release the First Version of the Coldtivate Mobile App,” Aug. 2022; https://energy-base.org/news/base-and-empa-release-the-first-version-of-the-coldtivate-mobile-app/
- L. You, S. Schudel, and T. Defraeye, “Developing of Biophysical Food for Monitoring Postharvest Supply Chains for Avocado and Potato and Deploying of Biophysical Apple,” Journal of Food Engineering.
- Your Virtual Cold Chain Assistant, “The Power of Data to Drive Resilient Agriculture in India,” 2022; https://yourvcca.org/india/
- Cool Coalition, “Sustainable Cooling to Make Post-Harvest Management Affordable for Indian Farmers,” Aug. 2022; https://coolcoalition.org/sustainable-cooling-india/
