Ponencía de la Jornada de Microsensores: Retos y Oportunidades para la Industria Alimentaria (07/06/13) organizada por el Grupo de Transductores Químicos (GTQ) del Instituto de Microelectrónica de Barcelona.

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Multisensores: control de materia prima, de procesos
y 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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título del patrón
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 actual
de 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 cuantitativo
Para alimentos líquidos y semisólidos.
lechebatidos
yogures
caldocremas
infantil
vinos aguas
untables
queso
salsaconcentrados
bases
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria
cerveza
zumos
refrescos
helado
postres

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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 composición
vinculada a características
organolépticas.
‐ 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)
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria

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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
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria

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En que consiste?
análisis
Sensores +
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
•Clasificación
Análisis cuantitativo
•Iones
•moléculas
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria

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ISFET
IDEs
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
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria

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Clasificación según composición
aguas
Organolepsia
Dureza
Mineralización
Cloro
Sodio
PC1, 74%
PC2,15%
poco
mineralizadas
bajo Cl‐ y
bicarbonatos
muy
mineralizadas
muy duras

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Clasificación en función tipo de uva
vinos
Clasificación de
vinos
monovarietales
Año cosecha
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria

12. Haga clic para modificar el estilo de
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Clasificación en función tipo de uva
vinos
Clasificación de
vinos
monovarietales
Origen
geográfico
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria

13. Haga clic para modificar el estilo de
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vinos
INCAVI
Mutisense
Porcentaje de tipo
de uva en bi‐
trivarietales
Clasificación en función tipo de uva
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria

14. Haga clic para modificar el estilo de
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Clasificación según composición
Clasificación
según tipo
caldos
precocinados
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria

15. Haga clic para modificar el estilo de
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Clasificación según sabor
Clasificación
según sabor
caldos
precocinados
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
SABOR POLLO
Cata Lengua Electronica
12 muestras de entrenamiento
6 muestras de predicción
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria

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Tahiti
Bourbon
Discriminación materia prima: Vainillina
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria
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
Glicerol
Grado de alcohol
Grado Brix
Acidez total
Iones, pH, etc….
Error < 10 %
Muestra GAV % Acidez total pH Ca2+ K+ Glicerol
Macabeo 2.8 −3.7 −0.8 −0.7 −4.9 6.0
Parellada 0.1 9.5 −3.6 5.1 −0.1 2.0
Chardonnay 3.3 −2.7 1.2 5.7 −2.2 −4.3
Xarel∙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 0.05
Parellada 4.6 3.7 ‐
Chardonnay 0.9 2.5 ‐0.46
Xarel∙lo 7.3 −4.2 ‐0.10
Multisensores
Soluciones para la industria alimentaria

18. Haga clic para modificar el estilo de
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Control de procesos en tiempo real
Oportunidades
Cecilia Jiménez

19. Haga clic para modificar el estilo de
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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

20. Haga clic para modificar el estilo de
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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
Inline
In situ

22. Haga clic para modificar el estilo de
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Sistemas de medida GTQ
Resultados en tiempo real
Auto calibración/acondicionamiento del sensor
Sensor dura mas tiempo
No fouling
Multi 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 minifluidicos
Soluciones para la industria alimentaria

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Sistemas de medida GTQ
Sensores
pH
Iones: Ca 2+, K+, Na+, NH4
Conductividad
ORP
glcuosa
Oxigeno disuelto, Cloro disuelto
Metales Cu2+, Ni2+, Pb2+,
Sistemas multisensores
Sondas o sistemas minifluidicos
Soluciones para la industria alimentaria

24. Haga clic para modificar el estilo de
título del patrón
28
29
30
31
32
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
1 2 3 4 5 6 7
Temperature(deg.C)
Ca(mMol)
CSM Cycle No.
Leche entera
Ca 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
Temperature(deg.C)
Conductivity(mS/cm)
CSM Cycle No.
Leche entera
Conductivity 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
Temperature(deg.C)
pH
CSM Cycle No.
Leche entera
pH Sensor 1387-3-A2
pH
Temperature
Medidas de parámetros básicos en leche
Sondas o sistemas minifluidicos
Soluciones para la industria alimentaria
Sensores
pH
Iones: Ca 2+
Conductividad
Medidas a lo largo de proceso
de pasteurización

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título del patrón
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
Concglucosa,ppm
Diluciones
y = 0.988x + 15.871
R² = 0.9987
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 500 1000 1500 2000
Concentracion de glucosa
sensor
Concentracion glucosa teorica
Sondas o sistemas minifluidicos
Soluciones para la industria alimentaria

26. Haga clic para modificar el estilo de
título del patrón
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

27. Haga clic para modificar el estilo de
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EMPRESAS PARTNER PARA COLABORAR EN EL DESARROLLO DE
equipo de demostración
Multisensor laboratorio
Qué buscamos
leche
batidos
yogures
caldocremas
infantil
vinos aguas
untables
queso
salsaconcentrados
bases
cerveza
zumos
refrescos
helado
postres

28. Haga clic para modificar el estilo de
título del patrón
Gracias por su atención
Dra. Cecilia Jiménez