Sensores electrónicos, de bajo coste, que se ‘acoplan’ a la cadena de producción alimentaria

Básicamente, en el ámbito de la pequeña y mediana empresa alimentaria, la mayor parte de los controles de calidad son análisis sensoriales a cargo de operarios expertos (subjetivos) o bien ensayos de laboratorio (offline). Estos últimos, acostumbran a ser lentos y costosos, normalmente requieren equipos de alto coste y la manipulación e interpretación de los datos se debe llevar a cabo por parte de personal altamente cualificado, no pudiéndose aplicar a toda la cadena de producción. Con la incorporación de nuevos sensores y sistemas electrónicos, basados en tecnologías no destructivas tales como la electromagnética y la ultrasónica, se facilita el desarrollo de sistemas automáticos de control de la calidad y seguridad de los alimentos. Asimismo, estos pueden incorporarse a lo largo de la línea de producción (online) y proporcionar parámetros objetivos de control a los operarios (objetivos).

En el laboratorio, no resulta difícil, hallar nuevos sensores y/o sistemas electrónicos, en vías de desarrollo, destinados al análisis de carnes, pescado, vegetales, frutas y bebidas. Por ejemplo, mediante la espectroscopia de infrarrojos se puede averiguar la frescura del pescado, el grado de humedad del café o del azúcar, así como el estado bueno o malo de los alimentos. A través de ultrasonidos, se puede determinar el grado de curado de los quesos, la contaminación microbiana en leche o la detección de substancias extrañas en alimentos envasados, entre otras. Sin embargo, a efectos prácticos, se requiere un esfuerzo importante para conseguir dimensionar estos desarrollos e implantarlos en la cadena de producción. Desde hace tiempo, el grupo Sistemas Sensores del departamento de Ingeniería Electrónica de la Universitat Politècnica de Catalunya desarrolla sensores y sistemas electrónicos, basados en tecnologías no destructivas, a través de su participación en diversos proyectos de ámbito estatal y europeo. Entre otros, se diseñan aplicaciones basadas en ultrasonidos para la medida de masas panarias y batidas, en infrarrojos para el control en planta de la eficiencia de extracción de aceite. O la medida de la conductividad por acoplamiento magnético para el desarrollo de un sistema de clasificación automática según el estándar Europ de las canales de ovejas, cerdos y terneras, en función del porcentaje de carne, grasa y hueso de cada canal.

Las principales ventajas de todos estos sensores/sistemas frente a los sistemas de medida convencional son su baja inversión, la reducción del tiempo de medida y la posibilidad de incorporarlos en la cadena de producción. Algunos de los proyectos más relevantes de este grupo de investigadores son: Rheodough y Viscotul, ambos a base de tecnología de ultrasonidos, Meatgrading, a través de inductancia magnética, y finalmente, Olivematic con tecnología infrarroja.

En la actualidad, las masas de pan se caracterizan mediante análisis físicos y/o químicos que resultan lentos e interrumpen el proceso productivo al ser métodos offline. El uso de técnicas no destructivas, basadas en ultrasonidos, permitiría analizar dichas masas durante el proceso de producción, de manera online, y, a la vez, automatizar el control del proceso sin destruir la muestra. Durante el proyecto (Fig. 1), se desarrolló un sistema de medida para la caracterización mediante ultrasonidos de harinas de trigo a partir de masas de pan. Se amasaron un total de 36 harinas distintas según el método del alveógrafo y también se caracterizaron a partir de su valor de velocidad y atenuación, con el propósito de estudiar la capacidad de los ultrasonidos para proporcionar información sobre la calidad de la harina. Las harinas no aparecieron dispersas, sino más bien concentradas a lo largo de una diagonal sin que existiera un solapamiento excesivo. Las harinas fuertes tienden a situarse en la esquina superior izquierda con un valor alto de velocidad y bajo de atenuación, mientras que las harinas débiles tienden a colocarse en la esquina contraria. La relación atenuación/velocidad se puede utilizar como indicador de la calidad de la masa. Con el sistema de medida desarrollado, se llevaron a cabo otras pruebas adicionales que permitieron llegar a la conclusión que los ultrasonidos se pueden emplear en el control del proceso de panificación.

El sensor ultrasónico Viscotul, de bajo ruido, ha sido concebido para la caracterización de masas batidas. Tal y como se aprecia en la fotografía, (Fig. 2), este equipo funciona de la siguiente manera: en primer lugar, al aplicar un pulso eléctrico a la cerámica piezoeléctrica (A0), uno de los ecos recibidos se emplea como referencia (Aref) y el otro como señal de medida (Ameas). La impedancia acústica del batido (Zb) se puede obtener atendiendo a la relación entre las amplitudes de los dos ecos anteriores y la impedancia acústica del material de referencia (Z0[3]). El proyecto demuestra que la correlación hallada entre la impedancia acústica del batido y los parámetros del bizcocho es superior a la que se obtiene mediante instrumentos convencionales que miden la densidad y la viscosidad del batido. Estas correlaciones, significativas desde un punto de vista estadístico, se deben a la capacidad de la impedancia acústica de detectar pequeñas incorporaciones de aire durante el amasado del batido. Los resultados muestran que dicha impedancia acústica puede ser útil en el proceso de inspección de calidad en línea, dentro de una producción industrial.

El sistema de clasificación actual de carne se basa en el estándar europeo Europ (porcentaje de músculo) que se utiliza para fijar el precio de las canales del ganado sacrificado. Esta clasificación se lleva a cabo mediante apreciación visual por un evaluador experto, lo que implica un proceso de evaluación lento, intensivo y subjetivo. Desde el grupo Sistemas Sensores, del departamento de Ingeniería Electrónica de la UPC, se ha desarrollado un sistema de clasificación que sigue el estándar Europ y que actúa de manera automática, no invasiva y objetiva. Este sistema (Fig. 3) de bajo coste se inspira en el principio de medida de la inducción magnética con la que se determina el porcentaje de carne, grasa y hueso a través de la medida de la conductividad eléctrica en diferentes secciones del animal.

El equipo se verificó en el matadero Dawn Meats de Midleton (Irlanda). Las pruebas se realizaron en condiciones reales, esto significa que se midieron canales en movimiento, muy cercanas entre sí, la humedad alta, etc. La velocidad de la línea fue de 250 canales/hora y, en total, se evaluaron 263 canales (161 tipo S, 98 tipo E, 3 tipo U y 1 tipo R). Como método de referencia se utilizó la sonda Hennessy. En la próxima imagen, (Fig. 4), se muestra la relación entre la medida proporcionada por la sonda (cantidad de magro) y la conductancia total obtenida, sumando la señal en cuadratura de todas las bobinas. Como se puede apreciar, existe una gran correlación entre la conductancia total y la cantidad de magro (R2 = 0,82). Por tanto, el sistema es viable. En las medidas presentadas no se ha tenido en cuenta la forma de la canal, cuyas características se obtienen mediante métodos ópticos.

Tradicionalmente, el control del rendimiento en la extracción de aceite de oliva tiene lugar en laboratorios externos al molino. El control de operación en planta es responsabilidad de un operario que se sirve de su propia experiencia y de unas medidas muy básicas: caudal extraído en cada momento, la textura de la masa prensada, entre otras. En esta ocasión, el proyecto consiste en disminuir la dependencia del operador humano. De esta manera, se pretende desarrollar un sistema de control predictivo, totalmente automático, con el que evaluar el rendimiento de la producción en cualquier momento. Para ello, se precisa incorporar diversos sensores entre los que figuran aquellos que indican la cantidad de grasa y humedad de la pasta en todo momento. Hoy, los sensores online que facilitan la mejor información al respecto parten de la espectroscopia Nir. No obstante, los equipos que se comercializan hoy, han sido pensados para aplicaciones más generales, se basan en ruedas mecánicas de filtros y tienen un precio elevado.

La solución propuesta pasa por el desarrollo de un sensor Nir de bajo coste, inspirado en Led de infrarrojo comercial que haga posible medir el contenido del agua y del aceite en puntos distintos de la cadena de producción. Así, se podrá implementar el control predictivo que optimice todo el proceso de producción dentro de unos costes razonables.

La puesta en marcha de este sistema se inicia con los led de infrarrojo. Estos emiten en forma de longitudes de onda donde se sabe que el agua o el aceite absorben la radiación. El detector recibe la radiación reflejada en la pasta de aceituna y el sistema de control y procesado permite calcular la cantidad de agua y aceite presente. El ordenador representa el centro de recogida de datos que se comunica con todos los sensores y donde se toman las decisiones de control del proceso de extracción. Finalmente, en la siguiente fotografía se muestra el sensor, que consta de una sección de tubería, y del cabezal sensor montado sobre ella.

Los métodos actuales de control de calidad acostumbran a ser realizados por operarios expertos o bien por medio de ensayos de laboratorio. El desarrollo de nuevos sensores, basados en tecnologías no destructivas, resultan muy atractivos para la industria alimentaria pues permiten hacer controles en línea, rigurosos, objetivos, automáticos y extendidos, mejorando a su vez la competitividad de las empresas.

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