Sistemas multisensores inteligentes para la detección de gases volátiles y parámetros de calidad de los vinos

La conferenciante explica que su experiencia con sensores es muy extensa y últimamente lo han aplicado a la elaboración de vinos. Los temas que va a desarrollar son: la motivación, los sensores fabricados con tecnología microelectrónica (su especialidad), los sistemas para detección de gases y compuestos volátiles, y los sistemas para medidas en vinos: determinación de sulfito/ácido acético, determinación de ácido málico/láctico y los sistemas multisensores (lengua electrónica). Completará la exposición con algunos ejemplos de proyectos que están llevando a cabo y en los que están implicadas la inteligencia artificial (IA) y las redes neuronales.

Motivación
La toma de decisiones durante el proceso de elaboración del vino no suele estar apoyada por datos obtenidos en tiempo real, además, los dispositivos de medición de ciertos parámetros físicos en la bodega suelen ser escasos y de baja calidad. Por ello se plantearon la utilización de sensores químicos fabricados con tecnología microelectrónica para detectar ciertos parámetros y clasificar el vino según varios criterios, desarrollándose, en estos casos, sistemas de medida ad hoc y validados en varias bodegas.
En el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNN) perteneciente al CSIC, se realiza mucha investigación, pero también mucha transferencia de tecnología. Y disponen, como infraestructura especial, de una sala blanca que les permite construir chips aplicando tecnología microelectrónica de silicio, en concreto tecnología C-MOS, parecida a la de los actuales chips de los móviles.

Sensores fabricados con tecnología microelectrónica
Fabrican chips de silicio pequeños de forma masiva y reproducible. Se producen en obleas a razón de 500/1000 chips iguales por oblea a los que pueden integrar la electrónica en el mismo chip y si se requieren producciones muy elevadas su coste es muy bajo.
Los sensores pueden ser: potenciométricos para medir iones y pH, amperométricos para medir sustratos enzimáticos modificando los sensores, impedimétricos, para medir conductividad e impedancia y resistivos, para medir gases y compuestos volátiles.
El procedimiento consiste en encapsular los chips en distintos formatos para ser utilizados donde se requiera su aplicación.

Sistemas para la detección de gases y compuestos volátiles
Se han realizado una serie de pruebas dentro del proyecto VISENS, financiado por el Departament d’Acció Climàtica de la Generalitat de Catalunya, con Fondos Europeos y coordinado por INNOVI, en las que se han utilizado estos sensores para gases. Se basan en un chip de silicio con calefactor y un semiconductor. Estos sensores detectan la presencia gaseosa en continuo (responden a la medida de oxígeno, de la humedad, etc.). Esto se aplicó a varias bodegas, poniendo un sensor chip para medir el oxígeno de cabecera de las barricas. Se trata de una medida resistiva cuyos resultados en bodega fueron bastante positivos. A pesar de que durante el día había mucho ruido eléctrico, por la noche los resultados eran adecuados.

Sistemas para medidas en vinos (determinación de sulfito/ácido acético, determinación de ácido málico/láctico)
Los sensores fabricados con tecnología microelectrónica se pueden aplicar en líquidos (especialidad de la conferenciante). En vinos se han definido para varios parámetros, especialmente las medidas de sulfito/ ácido acético. Para ello se mide indirectamente el pH (ISFET) del sulfito y acético, protegiendo del líquido los chips mediante encapsulamiento.
Determinación del sulfito/ácido acético. Se aprovechan las características del equilibrio de la reacción del bisulfito/sulfito y sabiendo que a pH < 1 podemos desplazar el equilibrio hacia la formación de SO₂, lo que permite separar el sulfito del vino mediante un método indirecto. Se trata de un sistema fluídico con detección indirecta/ISFET de pH.
El resultado de estas investigaciones ha sido posible gracias al INCAVI, que proporcionó las muestras analizadas según los métodos estándares y se pudo comprobar que había una equivalencia bastante buena con el método de sensores microelectrónicos, aunque respecto del ácido acético se obtuvieran valores bastante dispares.
Una derivación de este sistema es el que se ha utilizado para el proyecto VISENS, en el que han participado tres bodegas, La Vinyeta, Gramona y Vilarnau, y tres centros de investigación, el CNM, SC Robotics y Vega.
Determinación del ácido málico/láctico. En este caso se modifica el sensor con una membrana enzimática, en este caso se inmovilizaron las enzimas en un polímero conductor (polipirrol). Se obtiene una respuesta voltamperométrica y una recta de calibración para el ácido málico, de forma continua. Los módulos, realizados en el IMB son de metacrilato. Los sensores utilizados son enzimáticos y se aplicaron a tres vinos distintos obteniéndose los resultados en los procesos de fermentación tanto del ácido málico como el láctico. Se vio la evolución del ácido málico y el láctico comparando los datos de nuestro sensor con los de referencia obtenidos por el INCAVI. El sensor enzimático duró los días que se mantuvo la fermentación maloláctica (cerca de un mes) y el resultado fue muy bueno.

Sistemas multisensores (lengua electrónica)
La lengua electrónica se inició hace muchos años con un grupo del INCAVI y actualmente con la inteligencia artificial (IA) abre un espacio de muchas posibilidades. Nos centramos en dos aspectos: utilizar las lenguas electrónicas para clasificar vinos en función del tipo de uva y para cuantificar parámetros.
La lengua electrónica es un array (arreglo) de muchos sensores que detectan una serie de compuestos, siempre en analogías similares a las de las glándulas gustativas de la lengua humana, que captan las señales para ser transmitidas por el sistema nervioso al cerebro donde se define el gusto que percibimos. Así pues, la lengua electrónica es un sistema formado por un arreglo de sensores y un procesamiento de datos tanto cualitativa como cuantitativamente. Se han utilizado para realizar medidas en vinos y en un primer término se ha usado quimiometria (en un proceso de aprendizaje automático).
Para hacer análisis cualitativos se ha utilizado el PCA (análisis de componentes principales) o, lo que es lo mismo, normalizar o reducir las variables de los sensores y convertirlos en dos componentes para poder clasificar varios grupos. Para los análisis cuantitativos se ha usado el PLS que permite la calibración multivariante. Los resultados, obtenidos mediante estos sensores inorgánicos (no hay biosensores), han sido muy buenos.
El sistema sirve para clasificar los vinos según el tipo de uva, si son monovarietales, o bi/tri-varietales. Incluso se han llegado a distinguir las distintas añadas de merlot del 2007 y 2008, así como los vinos de distintas zonas geográficas. Al medir vinos bi/tri-varietales se pudieron clasificar en función del porcentaje de cada variedad. Así, mediante las lenguas electrónicas se pueden clasificar los vinos en función de la variedad de la uva y también pueden realizarse análisis.
La cuantificación de parámetros de la calidad en vinos nos sirvió para comparar los resultados con (sistema multisensor) y sin sensor específico (método estándar) obteniéndose un error de <5%. Ello demuestra que con sistemas de sensores muy sencillos se pueden determinar una serie de parámetros con buena exactitud.
Últimamente se trabaja aplicando los mismos sensores, pero en redes neuronales.
Hay que tener en cuenta que cuando realizamos análisis de quimiometria, ésta debe aplicarse al final, es decir, a posteriori. Pero en muchos procesos lo que se quiere es saber el resultado al momento. Luego la solución está en utilizar redes neuronales que, además, autoaprendan. Esto requiere una serie de entrenamientos, muy complejos, que pueden especificarse para cada proceso.
Todo ello podría trasladarse al mundo del vino, por lo que quisiéramos ir más allá: integrar estas redes neuronales, esta IA, en el mismo chip sensor (integrar circuitería eléctrica). En lugar de tener un sistema computador que gasta energía, mejor poner la computación dentro del mismo chip, es decir, tener la electrónica de lectura y la electrónica para computar los datos integradas, y aplicar las redes neuronales en el mismo chip. Con ello se tendría una respuesta exacta y viable de nuestro sensor.
Actualmente, esta integración se está aplicando en piscifactorías. Se trata de introducir en el sistema unos sensores en los tanques donde crecen los peces y medir las condiciones de los depósitos, de los peces y detectar aquellos procesos perniciosos para los peces, como el aumento del amoníaco e incluso poder predecirlo.

Conclusiones
Se ha demostrado las posibilidades de los sensores químicos fabricados con tecnología microelectrónica en el ámbito del vino.
Se pueden monitorizar procesos en el sector vitivinícola como: el O₂ en el proceso de maduración; el sulfito y el ácido acético, málico y láctico en procesos de fermentación, y se pueden, mediante las lenguas electrónicas, clasificar los vinos según la variedad de la uva.

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