multisensores para el control de la materia prima, procesos y productos final. phd cecília...

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Multisensores: control de materia prima, de procesosy de calidad del producto final

Dra. Cecilia Jiménez


Materias primas

Control en la industria alimentaria

Que necesitamos:• Clasificación según calidad• Control de fraude• Cumplimiento de parámetros legales

• Sistemas sensores at‐line• Sistemas multisensores

Control de procesos

Tipos de medidas:• Medidas en línea• Medidas continuas• Resultados en tiempo real

Medidas del proceso:• Verificación de la composición• Parámetros físicos: T, caudal, P• Parámetros químicos indicadores del proceso

• Sistemas sensores in line o on‐line• Sondas para parámetros discretos• Sondas multiparamétricas

Productos

Que necesitamos:• Análisis cuantitativo• Análisis cualitativo

Tipos de medidas:• En laboratorio• Medidas discretas• Resultados rápidos (pero no inmediatos)• Precisión y exactitud

• Sistemas sensores at‐line• Sistemas multisensores

Tipos de medidas:• En laboratorio/recepción• Medidas discretas• Resultados rápidos (pero no inmediatos)• Precisión y exactitud


Materias primas




Productos



• Sistemas sensores at line

• Sistemas multisensores


Estado actualde los sistemas de medida de alimentos líquidos y semisólidos

HOY tienen LÍMITES

Análisis químicos‐ Requieren un laboratorio‐ Parámetros estándar‐ Transporte de la muestra‐ Duración del proceso analítico‐ No resultados en tiempo real‐ Número de medidas limitado‐ Equipos coste elevado

Análisis sensorial‐ Básicamente sobre producto final‐ Saturación y subjetividad

Conclusión: limitación de la velocidad en la toma de decisiones


Sistema de medida para análisis cualitativo y cuantitativoPara alimentos líquidos y semisólidos.

lechebatidos

yogurescaldo

cremasinfantil

vinos aguas

untablesqueso

salsaconcentradosbases

MultisensoresSoluciones para la industria alimentaria

cerveza

zumosrefrescos

heladopostres


Aplicaciones‐ Control de materia prima, producto intermedio y producto final

‐ In situ, en continuo, en minutos

‐ Con parámetros a medida y exactitud

‐Confirmación de la composición requerida en la materia prima, los productos intermedios y el producto final.

‐Medición de composiciónvinculada a característicasorganolépticas.

‐Medición específica de color.

Además cuantifica:• Parámetros generales: pH, conductividad, potencial redox, etc.

• Iones: Na, K, Ca, NO3, Cl, etc.• Gases disueltos: CO2, SO2, SH2, O2• Especies moleculares: acido láctico, acido málico, glucosa, fructosa, fenoles, lactosa,

• Color en el rango de UV‐visible• Turbidez• Contaminantes: metales pesados, pesticidas

• Otras especies según el producto (adaptado a cada empresa)



Ventajas

‐ Parámetros estándar

‐ Transporte de la muestra

‐ Duración del proceso analitico

‐ No resultados en tiempo real

‐ Sólo sobre producto final

‐ Saturación y subjetividad

parámetros a medida, desde uno concreto hasta la composición global

control in situ

minutos vs. horas/días

medición en continuo

desde materia prima hasta producto final

objetividad constante



En que consiste?

análisisSensores +Electrónica

DETECCIÓN

RESPUESTA

customizable

Sensores químicos GTQ fabricados con tecnología microelectrónica:‐ tamaño pequeño bajo peso y espacio portabilidad instrumento‐ bajo consumo energético y velocidad de respuesta‐ reproducibles

Software de procesamiento de datos: Reconocimiento de patrones o calibración multivariante (PCA, Redes Neuronales, PLS)

Software

ANÁLISIS DE DATOS

Análisis cualitativo•Composición global•ClasificaciónAnálisis cuantitativo•Iones•moléculas



ISFETIDEs

Tipos de sensores

• ISFETs (potenciometria): pH, iones Na, K, Ca, Cl, NO3, etc

• Microelectrodos (voltamperometria): gases disueltos, glucosa, metales pesados, moleculas(biosensores)

• Electrodos interdigitados (impedimetria): conductividad, propiedades dielectricas.

• Sensores ópticos de absorbancia

• Conjuntos de sensores integrados

Chip Multisensor

microelectrodo

En que consiste?

óptico



Clasificación según composición

aguas

OrganolepsiaDurezaMineralizaciónCloroSodio

PC1, 74%

PC2,

15%

poco mineralizadas

bajo Cl‐ ybicarbonatos

muy mineralizadas

muy duras


Clasificación en función tipo de uva

vinos

Clasificación de vinos monovarietalesAño cosecha




vinos

Clasificación de vinos monovarietalesOrigen geográfico



vinosINCAVIMutisense

Porcentaje de tipo de uva en bi‐trivarietales




Clasificación según composición

Clasificación según tipo

caldos precocinados



Clasificación según sabor

Clasificación según sabor

caldos precocinados

00.51

1.52

2.53

3.54

4.55

SABO

R PO

LLO

Cata Lengua Electronica

12 muestras de entrenamiento

6 muestras de predicción



Tahiti

Bourbon

Discriminación materia prima: Vainillina


Resultados proyecto EU MICs

Lengua electrónica Alpha-MOS (ISFETs)

Sensor amperométrico de Vainillina


Análisis cuantitativo

• Determinación de n compuestos con un único instrumento

• Determinamos parámetros sin sensores específicos

GlicerolGrado de alcoholGrado BrixAcidez totalIones, pH, etc….Error < 10 %

Muestra GAV % Acidez total pH Ca2+ K+ GlicerolMacabeo 2.8 −3.7 −0.8 −0.7 −4.9 6.0Parellada 0.1 9.5 −3.6 5.1 −0.1 2.0Chardonnay 3.3 −2.7 1.2 5.7 −2.2 −4.3Xarel∙lo −0.6 1.0 −4.8 4.0 −2.8 12.3

Muestra Intensidad de color

Tonalidad CIELab L*

Macabeo 4.7 1.1 0.05Parellada 4.6 3.7 ‐Chardonnay 0.9 2.5 ‐0.46Xarel∙lo 7.3 −4.2 ‐0.10



Control de procesos en tiempo realOportunidades

Cecilia Jiménez



Materias primas



• Sistemas sensores at line (fuera de línea)• Sistemas multisensores

Control de procesos

Tipos de medidas:• Medidas en línea• Medidas continuas• Resultados en tiempo real

Medidas del proceso:• Verificación de la composición• Parámetros físicos: T, caudal, P• Parámetros químicos indicadores del proceso

• Sistemas sensores in line o on‐line• Sondas para parámetros discretos• Sondas multiparamétricas

Productos



• Sistemas sensores at line (fuera de línea)• Sistemas multisensores


Sistemas actuales control de procesos

• Limitado a unos cuantos parametros• Problemas de fouling• Dificultades de mantenimiento• Medidas uniparametricas• Calibración poco frecuente• Costes elevados

• Parámetros estándar• Transporte de la muestra• Número de medidas limitado• Duración del proceso de análisis• No mide en continuo

Análisis en LABORATORIO

Control in situ SONDA


Sistemas de medida GTQ

InlineIn situ



Resultados en tiempo realAuto calibración/acondicionamiento del sensorSensor dura mas tiempoNo foulingMulti análisis

• Sondas o sistemas minifluidicos

• Equipos portátiles

• Tratamiento de la muestra en el sistema

• Acondicionamiento y calibración en el sistema

• Señal de salida compatible con estándar

Sondas o sistemas minifluidicosSoluciones para la industria alimentaria



SensorespHIones: Ca 2+, K+, Na+, NH4ConductividadORPglcuosaOxigeno disuelto, Cloro disueltoMetales Cu2+, Ni2+, Pb2+,Sistemas multisensores



28

29

30

31

32

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

1 2 3 4 5 6 7

Tem

pera

ture

(deg

. C)

Ca

(mM

ol)

CSM Cycle No.

Leche enteraCa Sensor 1233-8-A2

Ca

Temperature

29,5

30

30,5

31

31,5

32

32,5

33

33,5

34

34,5

4

4,2

4,4

4,6

4,8

5

5,2

5,4

5,6

5,8

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

pera

ture

(deg

. C)

Con

duct

ivity

(mS/

cm)

CSM Cycle No.

Leche enteraConductivity Sensor 1406-A3-CRL

Conductivity

Temperature

30

31

32

33

34

35

6,2

6,3

6,4

6,5

6,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tem

pera

ture

(de

g. C

)

pH

CSM Cycle No.

Leche enterapH Sensor 1387-3-A2

pH

Temperature

Medidas de parámetros básicos en leche


SensorespHIones: Ca 2+

Conductividad

Medidas a lo largo de procesode pasteurización


Medida de glucosa

• Sensor: Microelectrodo + Material compuesto con catalizador• Medida amperométrica en medio básico

-100

100

300

500

700

900

1100

1300

1500

1700

33,4 200 2000 5000

Con

c gl

ucos

a, p

pm

Diluciones

y = 0.988x + 15.871R² = 0.9987

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 500 1000 1500 2000

Concen

tracion de

glucosa

sensor

Concentracion glucosa teorica



Aplicación en vinos

• Sensores

• Bureta automática (calibración)

• Electrónica de recogida señal

• Matriz de datos PCA, PLS, SIMCA• Interpolación de resultado en un PCA

DEMOSTRACIÓN: Sistema multisensensor


EMPRESAS PARTNER PARA COLABORAR EN EL DESARROLLO DE equipo de demostración

Multisensor laboratorio

Qué buscamos

lechebatidos

yogurescaldo

cremasinfantil

vinos aguas

untablesqueso

salsaconcentradosbases

cerveza

zumosrefrescoshelado

postres


Gracias por su atención

Dra. Cecilia Jiménez

multisensores para el control de la materia prima, procesos y productos final. phd cecília...

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