¿Qué es un sistema de monitorización de etileno y por qué es crítico para los productos frescos?

• Los sistemas de monitorización de etileno pueden contar con sensores fijos o portátiles.
• Otros componentes de los sistemas de monitorización pueden ser el registro de datos, la transmisión de datos, la conectividad, el acceso remoto y un programador de eventos de control.
• Los sensores utilizados para detectar etileno deben ser sensibles, selectivos, estables, rápidos y tener el límite inferior y el rango de detección requeridos.

La monitorización del etileno en las etapas de poscosecha es imprescindible para prolongar la vida útil y garantizar la inocuidad de los productos frescos. En un artículo exhaustivo publicado por Felix Instruments, se analizan las características esenciales a buscar en un sistema eficiente para esta tarea.

Los sistemas de monitorización de etileno (ya sean fijos o portátiles) son cruciales, dado que el etileno, incluso en concentraciones mínimas (≤1 ppm), actúa como una fitohormona que acelera el deterioro y la senescencia.

Un sistema de monitorización completo consta de varios elementos interconectados: un sensor central, la recopilación, procesamiento y almacenamiento de datos, el suministro de alertas y, finalmente, mecanismos de control para regular los niveles de gas.

El sensor de etileno es el elemento central y debe cumplir con requisitos técnicos estrictos: ser sensible, selectivo, estable y rápido, con capacidad para detectar niveles mínimos, de hasta partes por mil millones (ppb). Para lograr esta precisión y fiabilidad, la detección electroquímica se destaca actualmente como la tecnología estándar preferida en estos sistemas.

La necesidad de un sistema de monitorización de etileno

El gas etileno (C2 H4 ) es una fitohormona producida por las plantas en varias etapas de su crecimiento y desarrollo. Su valor económico radica en su capacidad para regular la maduración en frutos climatéricos y producir las características deseadas de color, suavidad, sabor y aroma. Sin embargo, también tiene efectos adversos, ya que tiene una propensión a acelerar la senescencia, la putrefacción del fruto, las lesiones fisiológicas y la actividad de patógenos en una amplia gama de productos frescos.

La presencia de etileno en la atmósfera, ya sea procedente de frutas y verduras cercanas, o debido a la quema de combustible en máquinas y humo, puede desencadenar la producción endógena de etileno en los productos frescos, lo que lleva a una maduración no planificada, deterioro y pudrición. Así pues, aunque el etileno es necesario para la maduración de los frutos climatéricos, es también uno de los factores más importantes que pueden reducir la vida útil, por lo que se controla estrictamente en las fases de poscosecha para extender la vida útil de todos los productos frescos.

Es ampliamente reconocido que incluso concentraciones mínimas de etileno, de 0.01 ppm a 1 ppm (partes por millón), pueden afectar la calidad de los productos frescos. Para controlar los niveles de etileno por debajo de los dañinos para el producto, es necesario monitorizar las instalaciones de almacenamiento, los contenedores de transporte y los minoristas las 24 horas del día. Los sistemas de monitorización de etileno deben ser capaces de detectar los niveles de gas a partir de menos de un ppb (partes por mil millones) en tiempo real para controlar rápidamente sus niveles en las fases de poscosecha de almacenamiento y transporte (véase la Figura 1 para posibles aplicaciones).

Figura 1: Marco conceptual de control multi-estrategias habilitado por la monitorización dinámica de etileno, Wang et al. 2020. (Créditos de la imagen: https://www.mdpi.com/1424-8220/20/20/5830)

Sistemas de monitorización de etileno

Los componentes de un sistema moderno de monitorización de etileno deben incluir sensores precisos y sensibles para detectar el gas, además de otras tecnologías capaces de analizar los datos y controlar los niveles de gas en tiempo real. Los sensores deben poder integrarse en sistemas inalámbricos IoT (Internet de las Cosas), lo que proporciona acceso remoto y permite la monitorización constante de las instalaciones de productos frescos sin requerir personal in situ en todo momento. El sistema puede ser portátil o fijo, pero requiere tecnología miniaturizada. Los elementos de los sistemas de monitorización se muestran en la Figura 2 y son los siguientes:

Sensores: Incluyen sensores de etileno y de otros factores ambientales que afectan a su generación en los productos frescos. Los sensores recopilan datos para su análisis y forman parte del IoT.

• Detectores de etileno. Los sensores deben ser sensibles, selectivos, estables, rápidos, de alta resolución y tener el límite inferior y el rango de detección requeridos.
• Sensores ambientales de temperatura, humedad y otros gases. La temperatura y la humedad pueden afectar la generación de etileno endógeno, por lo que estos parámetros también se controlan. Dado que niveles de respiración más altos aumentan la producción de etileno, también se miden los niveles de oxígeno y dióxido de carbono.

Servidores: En un sistema IoT, el personal tiene acceso remoto al sistema de monitorización, y este conecta los sensores con los elementos de interfaz. En muchos casos, los servidores permiten el registro de datos para fundamentar la toma de decisiones.

Interfaz: El módulo de interfaz puede ser una aplicación (App) o un ordenador que proporciona advertencias, alertas, visualizaciones, y gestiona los equipos y los eventos de control.

La configuración exacta de estos tres componentes será diferente. Sin embargo, la medición de gases, la recopilación y el análisis de datos, la emisión de alertas y el control de eventos para regular los niveles de gas y mitigar los riesgos son necesarios para la calidad del producto y para prolongar su vida útil.

Otros factores que pueden influir en la elección de los sensores y del sistema de monitorización son los siguientes:

• Costo de los instrumentos, facilidad de uso y compatibilidad con la infraestructura actual.
• Facilidad de calibración y mantenimiento para garantizar mediciones precisas de etileno.
• La disponibilidad de soporte técnico fiable por parte de los fabricantes y piezas de repuesto.

Figure 2. "The framework of the ethylene dynamic monitoring," Wang et al. 2020. (Image credits: https://www.mdpi.com/1424-8220/20/20/5830)

Características de los sensores de etileno

Existen varios sensores en el mercado, cada uno utilizando un principio diferente para detectar y cuantificar el gas etileno. Las tecnologías estándar son:

• Cromatografía de gases
• Detección electroquímica
• Detección óptica (espectroscopia de infrarrojo no dispersiva)

Cada tecnología tiene sus fortalezas y debilidades, y entre las tecnologías disponibles, la detección electroquímica es la más adecuada para la detección de etileno debido a su precisión, selectividad, estabilidad, respuesta y recuperación rápidas, y repetibilidad. Los dispositivos también deben poder funcionar en las condiciones ambientales de temperatura y humedad que existen en las unidades de almacenamiento en frío y de transporte de productos frescos.

La elección de sensores debe centrarse en sus características, que se analizan a continuación.

Selectividad

La selección también denominada sensibilidad cruzada, determina la precisión del instrumento. Es la capacidad del sensor para identificar solo etileno entre otros gases presentes en la atmósfera y evitar la selectividad cruzada. Las mediciones de etileno se complican por la presencia de etanol, amoníaco, vapor de agua y óxido nitroso en el aire. Por ejemplo, el amoníaco y el etanol podrían causar sensibilidad cruzada en instrumentos ópticos, ya que sus espectros de absorción se superponen con el del etileno.

La medición cuantitativa precisa del etileno no es posible cuando se incluyen diferentes gases en la respuesta del sensor. Una alta selectividad es fundamental para la medición de gases en tiempo real y mejorará la fiabilidad del instrumento.

Sensibilidad

La sensibilidad es la relación entre el cambio en la salida del sensor y el cambio en la entrada, y viene determinada por la tecnología utilizada. Dado que el gas etileno necesita monitorizarse a niveles de ppb (partes por mil millones), los sensores deben tener una alta sensibilidad para detectar y medir estas trazas.

La precisión exacta requerida depende de la aplicación, como el control de calidad o la maduración, y a veces puede requerir mediciones de menos de una parte por mil millones. La sensibilidad se ve afectada por la temperatura y la humedad relativa de los sensores, el tiempo de exposición a los gases y el tiempo de respuesta.

Límite Inferior de medición y rango dinámico

El sistema de monitorización debe tener la sensibilidad para medir las concentraciones mínimas a las que el etileno puede afectar a los productos frescos.

La sensibilidad del instrumento puede correlacionarse con el rango de detección, es decir, la diferencia entre los límites mínimo y máximo del gas a monitorizar. Algunas tecnologías no son igualmente sensibles en todo el rango de mediciones requeridas. Por ejemplo, los instrumentos ópticos son más sensibles a ciertas longitudes de onda que a otras, y no son fiables para medir todo el rango de etileno que debe monitorizarse. Por lo tanto, es esencial considerar el rendimiento de la tecnología y el rango dinámico, que es el rango dentro del cual el instrumento mantiene la precisión, al seleccionar un sistema de monitorización.

Tiempo de respuesta y de recuperación

El tiempo de respuesta es el tiempo que necesita un instrumento para pasar de cero y alcanzar el 90% de su señal máxima tras la exposición al etileno, en comparación con cuando no hay etileno en el aire. Los fabricantes informan del tiempo de respuesta de sus dispositivos como T 90.
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 Para que la monitorización, la detección y el análisis en tiempo real sean eficaces, deben ser rápidos, especialmente en entornos dinámicos de maduración, para prevenir la sobremaduración y la pérdida de alimentos. El tiempo de respuesta dependerá de la tecnología y puede llevar desde unos pocos segundos hasta unos pocos minutos.

El tiempo de recuperación es el tiempo que un sensor necesita para volver a los valores de referencia de cero después de que se retira la fuente de etileno.

Las diferentes tecnologías de detección tienen distintos tiempos de respuesta y recuperación. Para mediciones rápidas, el tiempo de respuesta y el de recuperación son cruciales, y juntos representan el tiempo requerido por un instrumento desde el comienzo de una medición hasta un estado de preparación para nuevas mediciones de etileno.

Estabilidad

La estabilidad se refiere a la estabilidad de la respuesta a largo plazo durante el tiempo de trabajo. Depende de la deriva cero y la deriva de intervalo. La deriva cero es el cambio en la respuesta de salida del sensor durante todo el tiempo de trabajo cuando no hay gas objetivo o etileno en el aire. La deriva de intervalo es el cambio en la respuesta de salida cuando el sensor está continuamente en aire que contiene etileno, lo que a menudo puede resultar en una disminución de la señal con el tiempo. Un sensor debe ser capaz de mantener la estabilidad incluso durante la detección de bajo nivel.

Un buen sensor continuo debe tener una deriva cero anual de menos del 10% y permanecer estable durante dos o tres años en condiciones variables.

Condiciones de funcionamiento

Las temperaturas muy altas del sensor pueden dañar los instrumentos. Además, el alto vapor de agua en el aire reduce la sensibilidad del sensor. Por lo tanto, los instrumentos deben estar optimizados para operar en las condiciones extremas que existen in situ en la cadena de suministro de productos frescos.

Calibración

Las condiciones ambientales, el uso prolongado y el envejecimiento pueden reducir el rendimiento de un sensor de etileno. La sensibilidad y el tiempo de respuesta son los más afectados, pero también lo son las otras características de un sensor. Además, los instrumentos pueden tener discreción del sensor o ligeras diferencias en instrumentos individuales del mismo fabricante. Una calibración adecuada y regular puede remediar parcialmente estos problemas. Los usuarios deben seguir las instrucciones del fabricante para la calibración.

El Sensor estándar

Entre las diversas tecnologías disponibles, los sensores electroquímicos ofrecen la mejor combinación de características y son la tecnología estándar utilizada en los detectores de etileno portátiles y fijos.

Felix Instruments Applied Food Science ofrece una gama de detectores de etileno, con límites inferiores y rangos dinámicos optimizados para diversas aplicaciones de monitorización de etileno en la cadena de suministro de alimentos. Los detectores fijos tienen una unidad de sensor y una unidad de control que pueden conectarse a través de servidores como Modbus y Ethernet. La unidad de sensor tiene detectores de etileno, oxígeno, dióxido de carbono, temperatura y humedad relativa. Tiene más de una opción de interfaz, envía alarmas sonoras y por correo electrónico, y cuenta con un programador de eventos de control. La empresa también ofrece varias opciones portátiles para la monitorización de etileno.

Obtenga más información sobre los detectores fijos y portátiles de Felix Instruments para sus necesidades de monitorización de etileno.

Sobre Felix Instruments

Felix Instruments es ampliamente reconocida como un líder mundial en ciencia de los alimentos aplicada innovadora y tecnología de gestión de productos. Se especializan en el control de calidad no destructivo para productos frescos, proporcionando datos cruciales y objetivos que ayudan a los agricultores, empacadores y manipuladores a optimizar el tiempo de cosecha, gestionar el almacenamiento y reducir significativamente el desperdicio de alimentos.

Su conjunto de herramientas innovadoras incluye medidores de calidad NIR (Infrarrojo Cercano) especializados —como la serie F-751— adaptados para productos específicos como mango, aguacate, kiwi y uva, que ofrecen mediciones muy precisas y específicas para cada cultivo. Además, mantienen su ventaja en el análisis de gases al haber introducido el primer analizador de 1-MCP dedicado del mundo para un control preciso de este inhibidor clave del etileno.

En esencia, Felix Instruments proporciona herramientas de medición precisas y portátiles, llevando los datos de calidad de laboratorio directamente al campo y a la planta de envasado.