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Multisensores: control de materia prima, de procesosy de calidad del producto final
Dra. Cecilia Jiménez
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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
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Materias primas
Control en la industria alimentaria
Que necesitamos:• Clasificación según calidad• Control de fraude• Cumplimiento de parámetros legales
Tipos de medidas:• En laboratorio/recepción• Medidas discretas• Resultados rápidos (pero no inmediatos)• Precisión y exactitud
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
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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
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Sistema de medida para análisis cualitativo y cuantitativoPara alimentos líquidos y semisólidos.
lechebatidos
yogurescaldo
cremasinfantil
vinos aguas
untablesqueso
salsaconcentradosbases
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cerveza
zumosrefrescos
heladopostres
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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)
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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
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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
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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
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Clasificación según composición
aguas
OrganolepsiaDurezaMineralizaciónCloroSodio
PC1, 74%
PC2,
15%
poco mineralizadas
bajo Cl‐ ybicarbonatos
muy mineralizadas
muy duras
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Clasificación en función tipo de uva
vinos
Clasificación de vinos monovarietalesAño cosecha
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Clasificación en función tipo de uva
vinos
Clasificación de vinos monovarietalesOrigen geográfico
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vinosINCAVIMutisense
Porcentaje de tipo de uva en bi‐trivarietales
Clasificación en función tipo de uva
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Clasificación según composición
Clasificación según tipo
caldos precocinados
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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
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Tahiti
Bourbon
Discriminación materia prima: Vainillina
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Resultados proyecto EU MICs
Lengua electrónica Alpha-MOS (ISFETs)
Sensor amperométrico de Vainillina
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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
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Control de procesos en tiempo realOportunidades
Cecilia Jiménez
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Control en la industria alimentaria
Materias primas
Que necesitamos:• Clasificación según calidad• Control de fraude• Cumplimiento de parámetros legales
Tipos de medidas:• En laboratorio/recepción• Medidas discretas• Resultados rápidos (pero no inmediatos)• Precisión y exactitud
• 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
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 (fuera de línea)• Sistemas multisensores
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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
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Sistemas de medida GTQ
InlineIn situ
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Sistemas de medida GTQ
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
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Sistemas de medida GTQ
SensorespHIones: Ca 2+, K+, Na+, NH4ConductividadORPglcuosaOxigeno disuelto, Cloro disueltoMetales Cu2+, Ni2+, Pb2+,Sistemas multisensores
Sondas o sistemas minifluidicosSoluciones para la industria alimentaria
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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
Sondas o sistemas minifluidicosSoluciones para la industria alimentaria
SensorespHIones: Ca 2+
Conductividad
Medidas a lo largo de procesode pasteurización
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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
Sondas o sistemas minifluidicosSoluciones para la industria alimentaria
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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
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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
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Gracias por su atención
Dra. Cecilia Jiménez