Aspectos Prácticos a la hora de elegir una Nariz Electrónica

Expirado

  En la sociedad en la que vivimos rodeados de cada vez más veloces computadoras, móviles/celulares con tecnología 3G/4G y todo tipo de extraordinarios dispositivos electrónicos, parece que el uso de la nariz humana como método de medida preferente de los olores siguiendo la Norma UNE EN 13725 representa un paso atrás en el constante sometimiento de nuestra vida cotidiana a la electrónica. Más aún, cuando para un problema similar como es el de los “ruidos”, existe una suerte de “oídos electrónicos” que denominamos hoy en día por el nombre más conocido de “sonómetros”.

    Podemos pensar que los “ruidos” son más fácilmente evaluables por un dispositivo electrónico debido a su naturaleza “física”. Al fin y al cabo los circuitos electrónicos responden a señales físicas fácilmente interpretables por ellos. Así que parece que cuando se compara con la naturaleza “química” de los olores, un dispositivo electrónico tiene las de perder, a no ser que seamos capaces de hacer una equivalencia entre un fenómeno físico y uno químico. En comparación con la nariz electrónica (NE) puede ser más fácil construir un sonómetro (otra cosa dirán los señores Brüel & Kjær), no obstante no es éste el único motivo por el que resulta tan difícil diseñar una NE.

   Ya se ha comentado en otras partes de esta web que desafortunadamente, nuestros amigos los olores tienen la cualidad de no siempre variar proporcionalmente con respecto al aumento o disminución de la concentración de una substancia o grupo de substancias responsables de éste. Si a esto le sumamos otros efectos que pueden suceder entre diferentes compuestos químicos al ser mezclados (sinergia, complementariedad, antagonismo, etc.) o que los millones de receptores que existen en la nariz de diferentes individuos se comportan de manera diferente, resulta que nos encontramos con un serio problema.

    Es cierto que a los químicos les gusta guiarse por propiedades tangibles, como la longitud o la masa con unos patrones que se pueden ver y tocar a enfrentarse a la unidad de olor europea (uoE). Pues bien, la unidad de olor europea es la cantidad de sustancia(s) olorosa(s) que, cuando se evapora en 1 metro cúbico de un gas neutro en condiciones normales, origina una respuesta fisiológica de un panel (umbral de detección) equivalente al que origina una Masa de Olor de Referencia Europea (MORE) evaporada en 1 m3 de un gas neutro en condiciones normales.

La unidad de olor europea es la cantidad de sustancia(s) olorosa(s) que, cuando se evapora en 1 metro cúbico de un gas neutro en condiciones normales, origina una respuesta fisiológica de un panel (umbral de detección) equivalente al que origina una Masa de Olor de Referencia Europea (MORE) evaporada en 1 m3 de un gas neutro en condiciones normales

   Supongamos que mediante un dispositivo electrónico con una lucecita roja y otra verde, somos capaces de detectar un olor específico de tal forma que cuando la luz roja de nuestro sistema se enciende hay un olor molesto específico en el ambiente y si se ilumina la luz verde no hay olor molesto. Esta NE que vamos a denominar como la SuperNE debe tener unos detectores tan específicos que sólo reconocen la substancia olorosa que queremos medir. Además debe tener un software de reconocimiento de patrones específico para este olor. Pero como se calibra esta máquina? Quien decide que hay olor o que éste es molesto?.

    La primera consecuencia de esta reflexión es que para validar la superNE necesitamos una Nariz Humana que nos diga cuando hay un olor molesto y cuando no. De acuerdo con esto, tenemos que volver entonces a un método de referencia normalizado al respecto, es decir regresamos a nuestra UNE EN 13725 y ya tenemos una nariz o grupo de narices que hemos seleccionado con una metodología contrastada y que ponemos al servicio de nuestra SuperNE.

    Así parece que al fin y al cabo aunque algún día se desarrolle una superNE seguiremos necesitando el olfato humano como instrumento de referencia. Como resulta que hemos diseñado esta NE para un olor específico, se pueden multiplicar los problemas cuando no existe un único olor molesto, o no se dispone de un sensor tan específico para este olor, o no hay un software de reconocimiento de patrones que interprete la señal adecuadamente, etc.

    Sin contar con que los que trabajamos con “olores” nos gusta hilar fino a la hora de evaluar un olor, y no sólo nos conformamos con saber la concentración de un olor, sino que queremos conocer también su intensidad, tono hedónico, calidad o carácter, persistencia, etc.

    No obstante, pese a los inconvenientes mencionados anteriormente, varios grupos de personas valientes de diversos países han desarrollado unas NEs que cumplen su función de manera correcta y que tienen un hueco en procesos donde la monitorización on-line hace el uso de la NE una alternativa muy válida y viable en comparación con otras técnicas sensoriales. El truco está en saber cuando necesitamos una NE y cual es la más indicada para nuestro proceso.

 Carlos N. Díaz

Aspectos Prácticos a la hora de elegir una Nariz Electrónica.

F. Montalbán
licenciada en Biología. Universidad de Sevilla

En el presente artículo se describe y analiza uno de los nuevos avances en cuanto a medición de olores: las Narices electrónicas (NEs), que posibilitan una monitorización en continuo e “in situ” de emisiones de olor que permite reconocer de una manera rápida, un cambio en las emisiones de olor de una determinada actividad sin la necesidad de tener que utilizar el laboratorio. Se detallan los diferentes sensores que componen estos dispositivos, y se comentan los distintos tipos de NEs, lo que ofrecerá una visión general para poder comparar y conocer cuál nos puede interesar dependiendo del tipo de actividad. Al final de cada descripción, se ha facilitado la página web del fabricante para poder ampliar la información.

 

Financiación: Este artículo no tiene aun patrocinador.

Copyright: © 2008 olores.org. Artículo de acceso abierto (open access) distribuido bajo los términos de la licencia de atribuciones Creative Commons, que permite el uso sin restricción, distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que la fuente sea reconocida.

Abreviaciones: COV, Compuesto orgánico Volátil; NE, nariz electrónica; OD, Olfatometría dinámica; PTS, Partículas Totales en Suspensión; SAMs, sistemas automáticos de medida; PCA, análisis de componentes principales; MDA, análisis discriminante; MBC, sensores de microbalance de cuarzo; SOM, sensores semiconductores de óxidos de metal; SOA, sensores de superficie de onda acústica; PC, sensores de polímeros conductores; FO, sensores de fibra óptica; CE, sensores de células electroquímicas; APF, Análisis de Perfil de Frecuencias.

Palabras clave: Narices electrónicas, olores, unidades de olor, olfatometría dinámica, norma UNE EN 14181:2005, sensores, compuestos orgánicos volátiles, huella de olor, monitorización en línea, software estadístico.


Las narices electrónicas (NEs) aparecen pueden ser un complemento a otros sistemas de medición de olores o representar en si mismo la única alternativa viable a una situación de emisiones de olores en continuo. Una de las principales ventajas que ofrece este dispositivo, es la monitorización en continuo de las mediciones, sin embargo, a diferencia de la OD, las NEs no “huelen”, sino que son entrenadas para oler bien a través de patrones conocidos de compuestos que producen olor o bien mediante análisis en paralelo con OD. Las NEs no suelen ser útiles para medidas puntuales de olores de naturaleza desconocida.

Tabla 1.- Comparación de las condiciones de las dos metodologías.
Olfatometría
Nariz Electrónica
Toma de muestras
Bolsas de muestra Teldar en diferentes puntos de emisión de olor. Muestreo continuo del aire ambiente por una bomba interna de succión de aire.
Detección de olor
  • Nariz humana / Panelista.
  • Olfatometría dinámica.
  • Análisis en Laboratorio.
  • Combinación de varios detectores.
  • Sensores específicos.
  • Aire ambiente (en el lugar).

 

General

Las NEs son un instrumento bien establecido en los laboratorios o en el control de calidad donde se usan para realizar análisis de compuestos orgánicos volátiles (COVs) o análisis de aroma. Las NEs están compuestas de uno o varios sensores y un sistema patrón de reconocimiento que reconoce diferentes componentes de una muestra simple o compleja de olor, obteniéndose la llamada “huella del olor”.

Una NE está integrada en un sistema de monitorización en tiempo real que reconoce la secuencia de señales generadas en los sensores para el análisis de los gases procedentes de instalaciones causantes de mal olor.

Esta monitorización en línea, permite reconocer un cambio en las emisiones de olor de una determinada actividad, reflejándose en un cambio en un patrón de señales. La principal ventaja de las NEs es la rápida identificación de los gases sin la necesidad de pasar por un laboratorio.

De forma general, las NEs están formadas por:

  • Detectores (sensores semiconductores de óxido de metal, sensores de microbalance de cuarzo poliméricos, células electroquímicas, sensores de superficie de onda acústica, sensores de polímeros conductores, sensores de fibra óptica).
  • Software para el tratamiento de los datos generados por los detectores.
  • Sistema de comunicación inalámbrico para transmitir los datos medidos en la zona de estudio a un ordenador central.



Los sensores pueden ser específicos (aseguran la monitorización de moléculas de gases como H2S, NH3, R-SH, etc.) o no específicos (tienen la particularidad de poder reaccionar con una amplia variedad de COVs, gases no específicos y poseen una sensibilidad de algunas ppb).

La selección y asociación de los diferentes detectores que componen una NE, se adapta y optimiza en base a las necesidades y características de cada industria.

Funcionamiento


Los compuestos volátiles presentes en el gas, reaccionan con los sensores, lo que genera una señal electrónica que es pre-procesada, amplificada y enviada a sistema de monitorización con un software estadístico (análisis de componentes principales, PCA; análisis discriminante, MDA, análisis Fluffy) que compara las muestras de gas que le llegan con un patrón de reconocimiento que permite la identificación de los gases.

La detección de gases olorosos por parte de los sensores, muestra un cierto paralelismo con el proceso orgánico olfativo. La estimulación en el cerebro de un organismo vivo es el segundo paso en el proceso de percepción de un olor, y combina procesos fisiológicos y psicológicos, por lo que es muy difícil mimetizar este proceso en un ordenador.

Los resultados de los detectores, se pueden asociar a herramientas de dispersión atmosférica para generar un mapa de olores y visualizar cuándo se produce un exceso de olor, de COVs o de concentración de gas en la zona afectada. Esta integración de la previsión meteorológica permite prever la incidencia de los olores generados por la instalación en el vecindario, concretamente, durante los cambios de estaciones, con variaciones importantes en las presiones atmosféricas.

Las NEs no “huelen”, ya que no pueden discernir entre dos vapores de un mismo olor, incluso si lo llegaran a detectar, no se podría trasladar esta diferencia en una medida objetiva y analítica del olor. Sin embargo, estos dispositivos pueden ser útiles para distinguir emisiones de vapores petroquímicos, como el fuel oil, naphta, gasolina, combustible para reactores u olores generados por estiércol, aguas residuales o de compuestos orgánicos volátiles como el tolueno, benzeno, estireno, etc.

Utilidad


Algunos estudios (1, 2, 3, 4) muestran que las NEs pueden ser útiles en distintas instalaciones para indicar la transición de aerobiosis a anaerobiosis en plantas de compostaje, en plantas de tratamientos de aguas residuales o en vertederos.

Para asegurar la calidad de estos dispositivos de medida y de los sistemas automáticos de medida (SAMs, incluidos en los estándares de monitorización de emisiones desarrollados desde la Unión Europea), se desarrolla la norma UNE EN 14181:2005, que establece tres niveles de calidad:


Esta norma es las más importantes para la calibración de SAMs de las emisiones de contaminantes de la atmósfera y es de obligada aplicación para aquellas actividades que están incluidas en el RD 653/03 (incineración de residuos) y del RD 430/04 (grandes Instalaciones de combustión. térmicas y refinerías de petróleo).


Tipos de sensores (tipos de NEs)


SOM: Sensores semiconductores de óxidos de metal: Consiste en una fina capa de óxido de aluminio mezclada con otros metales (Pd, Pt, etc.) asociados a electrodos de metal que miden la conductancia y a un calentador que elimina los gases contaminantes de la superficie y que, al mismo tiempo, activa las reacciones.


El gas reducido, se adsorbe físicamente a los sitios reactivos de la superficie del semiconductor, reaccionando con el oxígeno de la superficie, la cual, cambia su densidad de carga y por ello, la resistencia eléctrica de la superficie, que varía con la concentración del gas, por ejemplo, la resistencia eléctrica de la superficie de los semiconductores disminuye en el caso de los óxidos de metal. Las variaciones en la resistencia eléctrica se pueden medir incorporando el sensor dentro de un circuito eléctrico que actúa como acondicionador de la señal. La señal que se genera se registra como un valor digital correspondiente al voltaje, a la resistencia o a la conductancia y se mide como una función de tiempo.

El mayor inconveniente de los sensores semiconductores de gas es su poca selectividad.

CE: sensores de células electroquímicas: Las más simples poseen dos electrodos: uno de referencia y otro opuesto separados por una capa fina de electrolito. Las moléculas volátiles en contacto con el sensor, se reducen u oxidan al nivel del electrodo de referencia asociado al electrodo opuesto. La reacción genera una corriente eléctrica que es proporcional a la concentración de gas analizado, por esta razón, es posible medir directamente la concentración de la molécula.

Otros sensores:

MBC: Sensores de microbalance de cuarzo
SOA: Sensores de superficie de onda acústica.
PC: Sensores de polímeros conductores.
FO: sensores de fibra óptica.



El método más común para la calibración de las NEs se basa en la comparación con medidas reales mediante OD. De este modo, a la vez que se toma una muestra de gas oloroso, se analiza el patrón de la señal generada por la NE, si se observa coincidencias entre la señal y la medida de concentración de olor, se le indica a la NE que dicha señal se corresponde con un “olor”.


Tipos de NEs disponibles comercialmente:

 

ODOWATCH® eNose

Este sistema de NE está ideada por Odotech Inc. (Canadá) y está compuesta por una estación meteorológica, un software de diseño de un modelo de dispersión atmosférica y NEs, conjunto al que se denomina Odowatch®.

Mediante este dispositivo se determinar el umbral de alerta en concordancia con las observaciones de los residentes cercanos a una instalación emisora de olor, pudiendo subsanar o reducir el problema causado por olor en tiempo real.

OdowatchEsta NE, se compone de cámaras de sensores de óxido de metal (SOM) que muestrean el aire a una velocidad de 1l/min. Las señales que se originan en esta cámara, se analizan cada segundo.

Conocidas las condiciones ambientales del lugar recogidas por la estación meteorológica y las señales generadas por los sensores, estos datos se transfieren a una unidad de control central sita fuera de la zona de muestreo que elabora un modelo de dispersión atmosférica de los olores que se representa superpuesto en un mapa aéreo de la zona afectada y que diferencia la variación de la pluma de olor que llega a las zonas residenciales cercanas en tiempo real.

El Odowatch® es un sistema predictivo, mediante el cual se determina la correlación entre las características de las respuestas de los sensores de la NE con los valores de concentración esperados determinados por olfatometría. El sistema de reconocimiento de patrones se basa en un modelo de elaboración propia basado en teorías estadísticas (Vapnik, 1995) que es usado por el software de dispersión atmosférica.

fotos cortesía de odotech.
http://www.odotech.com/en/

RQ BOX eNose (Alpha MOS, France)


RQ BOX eNose ofrece la posibilidad de medir de manera continua el nivel de olor y los COVs en el mismo sitio de aparición de estos y en tiempo real.

Es un sistema inalámbrico provisto de varios sensores (SOM y detectores específicos para la detección de gases diana) que permite realizar mediciones en el área de estudio y generar un mapa real de molestia de olor. Gracias a ello, es posible caracterizar las fuentes de olor.

La asociación de los detectores de la NE, permite diferenciar la huella química y la huella de olor de las fuentes de emisión consideradas y clasificar estas emisiones según su origen, así, la RQ BOX eNose provee una información tanto cuantitativa como cualitativa.

Cualitativamente, la RQ BOX puede comparar la huella química y la huella de olor y determinar el origen de emisión de COVs y por tanto, de dónde procede el olor. Desde el punto de vista cuantitativo, la información que aporta es triple: concentración en ppm de cada gas diana (NH3, H2S, RS-H…), concentración total en ppm de COVs y emisión de olor mediante un software de reconocimiento de patrones específico.

La RQ BOX eNose, se comunica cada segundo con el ordenador central, emplazado en otro lugar distinto al de la zona de estudio, y al que se puede acceder para conocer las medidas de olor emitido cerca de las fuentes desde otra oficina distinta.

Este dispositivo, se sitúa cerca de una fuente de emisión o en el vecindario, lejos de laboratorios y trabajadores. Su funcionamiento consiste en la succión de aire ambiente hacia una cámara interna, que asegura la monitorización continua y la localización en forma de red de varios dispositivos en el área de estudio establece un perfil olfativo global de todas las fuentes estudiadas.

A su vez, los resultados de los detectores, se pueden asociar a herramientas de dispersión atmosférica para generar un mapa de olores y visualizar cuándo se produce un exceso de olor, de COVs o de concentración de gas en la zona afectada. Esta integración de la previsión meteorológica permite prever la incidencia de los olores generados por la instalación en el vecindario, concretamente, durante los cambios de estaciones, con variaciones importantes en las presiones atmosféricas.

Los módulos RQ BOX eNose se usan en instalaciones como plantas de rendering, plantas de compostaje, vertederos y plantas de tratamiento de aguas residuales.

La RQ BOX eNose se compone de seis sensores de tres tipos: Sensores de óxido de metal (SOM), sensores de células electroquímicas y detector de fotoionización (DFI).

http://www.esensing.net/en/product/index.asp?parentid=3&classid=20

Comon Invent


Comon Invent y DCMR EPA han llevado a cabo un estudio piloto compuesto de una red de NEs para la monitorización de olor en tiempo real de la calidad de aire en condiciones ambientales existentes y para poder conocer de manera inmediata la existencia de algún incidente de olor en la instalación que permita actuar de manera eficaz y así disminuir esta molestia lo máximo posible.

Este tipo de NE contiene una plataforma multisensor electrónico con tres tipos de sensores de gas que son independientes de la plataforma y que se pueden adaptar según el tipo de aplicación. La resistencia del sensor no es lineal y es muy sensible para rangos muy bajos de concentración y son capaces de detectar concentraciones de compuestos químicos ambientales a nivel de ppb.

E-mail: bootsma@comon-invent.com

AirSense

PEN2


Este tipo de NE se compone de semiconductores de óxido de metal que interactúan con las muestras de aire que le llegan y se registran datos que hay que traducir en valores de concentración de olor mediante un modelo matemático, para lo que es necesario realizar un número razonable de medidas por vía olfatométrica y por NE que se puedan correlacionar.

Los datos originados se evalúan de dos maneras: visualizar el perfil métrico de las señales de los diferentes sensores (que permite distinguir entre dos fuentes de olor) y obtener la intensidad del olor a partir de los valores máximos de las señales de los sensores.

El modelo matemático se conoce como Análisis de Perfil de Frecuencias (APF) y transforma el perfil métrico en otro ordinal en cinco pasos:

  1. Definición de los límites de las categorías de concentración de olor (en unidades de olor por metro cúbico, uoE/m3).
  2. Selección de datos.
  3. Combinación de las categorías a perfiles.
  4. Aplicación del perfil principal en casos de entrenamiento y en casos de prueba.
  5. Análisis del perfil en una relación estadística.

PEN3


NE ideada por AirSense Analytics compuesta por una red de sensores de gas. Los compuestos del gas o las mezclas de compuestos se pueden identificar en un paso posterior utilizando el patrón generado por los sensores.

AirSense Analytics, ha ideado un sistema de algoritmos por el cual se puede identificar hasta 10 compuestos diferentes o responder a preguntas como “Bueno/Malo” o “Sí/No” según las necesidades a la vez que también ofrece una información cuantitativa.


www.airsense.com

Referencias

  1. “Validation of Continuous Odour Monitoring by Electronic-Nose Systems by Comparison with Observer Committees for Composting and Landfill Operations”, P. G. Micone, B. Mesbah, A. Paillier; 3rd IWA international conference on Odours and VOCs, 9-10 Oct 2008
  2. “An electronic nose for odour annoyance assessment” , Francesco F.D.; Lazzerini B.; Marcelloni F.1; Pioggia G. Atmospheric Environment, Volume 35, Number 7, 2001 , pp. 1225-1234(10)
  3. “Composting process monitoring based on RQ BOX Electronic Nose measurement”, E. Senante, L. Vivola, G. Alric, M. Commet. 3rd IWA international conference on Odours and VOCs, 9-10 Oct 2008
  4. “Continuous odour monitoring with the RQ BOX Electronic Nose”, Vivola L., Senante E., Clet F.. 3rd IWA international conference on Odours and VOCs, 9-10 Oct 200
  5. “Odour monitoring with E-noses in the port of Rotterdam”, Simon Bootsma, Bianca Milan. Odour monitoring with E-noses in the port of Rotterdam
  6. “H2S, VOC, TOC, electronic noses and odour concentration: use and comparison of different parameters for emission measurement on AirTreatment Systems”, W. Franke, F.-B. Frechen and S. Giebel. Department of Sanitary and Environmental Engineering (DESEE), Kassel University, Kurt-Wolters-Str. 3, 34125 Kassel, Germany.
  7. “Applying eNOSE Systems to Odour Abatement Monitoring”, Richard Stuetz. UNSW Environmental Emissions and Odour Laboratory.
  8. “Odour assessment using E-nose systems in wastewater treatment plants”, Dr. Kauser Jahan, Dr. Robi Polikar. Rowan University Glassboro, New Jersey, USA.

 

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Carlos Nietzsche Diaz Jimenez

Carlos is the editor-chief of olores.org and has been in the odour world since 2001. Since then, Carlos has attended over 90 conferences in odour management, both national and international and authored a few papers on the subject. He has also organized a few international meetings and courses. Carlos owns a small company named Ambiente et Odora (AEO). He spends his free time with his wife and his twins, Laura and Daniel, and of course, writing on olores.org.

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