Qué es y como funciona una nariz electrónica

El concepto de cómo funciona una nariz electrónica (en inglés “eNose”) fue enunciado por primera vez por los profesores Krishna Persaud y George Dood de la University de Warwick en 1982. Desarrollaron un prototipo que podía distinguir entre distintos olores, gracias a tres sensores electrónicos, cada uno de los cuales respondía de manera diferente a un amplio espectro de diferentes moléculas.

Desde entonces, el concepto de nariz electrónica ha venido desarrollándose, siendo usado en diferentes aplicaciones y dispositivos. Es importante entender las diferencias, puesto que hay mucha literatura e información en Internet y no siempre es fácil distinguir los diferentes usos o tecnologías detrás de cada “nariz”.

Cómo funciona una nariz electrónica

En este artículo, escrito basándonos en la información de nuestro partner Odotech, intentamos acercarnos de una manera global a los diferentes usos de esta tecnología. Sin embargo, queremos destacar sus usos para el control ambiental de instalaciones. Si quieres descargarte el Whitepaper completo (en inglés) lo podrás encontrar en esta página.

Qué es una nariz electrónica

La nariz electrónica se considera parte de un área de investigación llamada biomímesis, que no es otra cosa que aplicar esquemas de funcionamiento o actuación propios de la naturaleza y los seres vivos a herramientas mecánicas o electrónicas creadas por el hombre. En el caso que nos  ocupa, las narices electrónicas pretenden ser sensores de olor que puedan percibir olores con el mismo grado de fiabilidad que lo hace la nariz humana. Aunque, de partida, este concepto tiene algunos problemas, como es el componente subjetivo que nuestro cerebro aplica a cualquier análisis de información. Es decir, la sensación que nos provoca un olor y el significado que le atribuimos está basado, en parte, en nuestras experiencias y en cómo nuestro cerebro interpreta ese olor percibido por comparación con su “base de datos”.

De partida, las narices electrónicas se están desarrollando para identificar, comparar y cuantificar los olores. Por supuesto, se intenta dejar fuera la evaluación subjetiva del buen o mal olor. El funcionamiento se basa en la detección de ciertas moléculas en el aire (por métodos ópticos, eléctricos, electroquímicos, etc.), y su comparación con muestras de aire contaminadas y calibradas.

Para imitar el comportamiento de la nariz humana se toma como base una serie de sensores combinados con algoritmos y patrones de reconocimiento. Los sensores utilizados son, mayoritariamente, semiconductores de óxido metálico, detectores de fotoionización, biosensores, nanotecnología y otros. Cada uno tiene  sus ventajas e inconvenientes en función de las aplicaciones que se le quieran dar.

Ya existen en el mercado diferentes tipos de “nariz electrónica”, aunque en los próximos años se lanzarán muchos más. Los usos más importantes que se dan en la industria de la alimentación, la diferenciación de muestras, la detección de materiales explosivos, el diagnóstico y evaluación de enfermedades, la monitorización ambiental y la medición del impacto medioambiental.

Cómo funciona una nariz electrónica

Los elementos más comunes de una nariz electrónica son:

1. Una matriz de sensores de gas. Un único sensor mide un único componente u olor, lo cual difícilmente se podría comparar con el sentido humano del olfato. Una nariz necesita, por tanto, varios sensores de gases pasa replicar el funcionamiento humano.
2. Fase de olor. La nariz electrónica “huele” tomando varias muestras del aire a analizar, en diferentes intervalos y sin perder su precisión.
3. Adaptación ambiental. Para analizar los olores se tienen en cuenta factores como la temperatura, la humedad y el polvo que puedan afectar a la calidad de la muestra.
4. En función del uso para el que haya sido programada, se compara la muestra con unos patrones usando algoritmos que como resultado ofrecerán un informe detallado de los factores medidos de la muestra.

Las narices electrónicas en la industria alimentaria

Su uso es de los más extendidos en la industria. Originalmente se usaban en los laboratorios de control de calidad para testar los alimentos una vez procesados. Las muestras se analizan por una nariz electrónica que simplifica el proceso ya que el entorno de pruebas está plenamente controlado en condiciones de laboratorio.

Otras aplicaciones más recientes son las referidas a la supervisión de olores en las plantas de procesado para detectar, por ejemplo, si un ingrediente se ha puesto en mal estado o ha perdido sus propiedades gustativas.

Diferenciación de fuentes de un olor

A título científico, se está trabajando para que las narices electrónicas sean más precisas a la hora de detectar las fuentes de un olor concreto. El objetivo es detectar si un olor proviene, por ejemplo, de una manzana o de una naranja. El trabajo requiere la intervención de grandes bases de datos con las que comparar los patrones registrados con la nariz. A mayor densidad de información en la base de datos, mejor será la identificación. La complejidad reside en que la mayoría de elementos que emiten olor son de compuestos orgánicos, lo cuales van evolucionando en su composición por procesos naturales como la descomposición. Además, también influyen los factores ambientales en la muestra.

Otra de las dificultades a superar es la de los olores compuestos por más de una fuente, ya que no solo depende del tipo de sensor, sino de la base de datos y de los algoritmos utilizados.

Las narices electrónicas comparan muestras con patrones

Detección de material explosivo

Muchos dispositivos en el mercado se comercializan como narices electrónicas para detectar explosivos. Estos dispositivos están diseñados para identificar compuestos químicos con un patrón muy característico.

Se toma una muestra durante un periodo de tiempo y se analiza su composición, otorgando como resultado la probabilidad de que en esa muestra exista un componente con potencial explosivo. Se trata de varios sensores programados para detectar moléculas en el aire, no tanto de narices electrónicas en el sentido que hemos hablado más arriba.

Cómo funciona una nariz electrónica para el diagnóstico y detección de enfermedades

En los últimos años, se está avanzando en pruebas de laboratorio para conseguir mayor precisión en el diagnóstico de enfermedades, o de las probabilidades de ser adquiridas por una persona en concreto.

Las narices eléctricas se están usando para este campo, aunque una vez más no estamos ante un caso de biomímesis, dado que no se trata propiamente de captar olores. El término “nariz electrónica”, en este caso, se usa para que resulte más sencillo de entender para los pacientes y quitar los posibles temores que esta tecnología pueda provocar.

Se trataría de dispositivos con sensores de multi-gases con alta sensibilidad, que operados con una serie de patrones y algoritmos de detección, podrían ser capaces de determinar la probabilidad de un paciente de sufrir ciertas enfermedades, como algunos tipos de cáncer.

Mejora de la anosmia e hiposmia

En torno al 2-4% de la población sufre de anosmia (incapacidad de detectar olores) o hiposmia (reducción de la habilidad para detectar olores). Estas condiciones pueden ser peligrosas en casos de ingerir o preparar comida en mal estado o situaciones de riesgo como incendios o escapes de gas.

Una nariz electrónica correctamente calibrada podría ser la solución para dotar a estas personas del sentido del olfato, de modo que sustituirían o reforzarían sus órganos olfativos.

Narices electrónicas en la monitorización ambiental

La monitorización ambiental se basa en microsensores que detectan la presencia en el aire de ciertos compuestos químicos, en base a una serie de patrones programados previamente.

Una vez más, no se trata de narices electrónicas, de hecho en ocasiones ni siquiera se valen de patrones de reconocimiento, ya que ofrecen datos en volumen de moléculas de cierto gas en concreto.

Controles de olores en industria

Las industrias y los servicios municipales, como el tratamiento de aguas residuales, el compostaje, los vertederos, la agroalimentación, la ganadería industrial, la celulosa y el papel, la minería y muchas otras instalaciones, producen habitualmente olores ofensivos.

Las regulaciones y controles a los que se someten estas industrias están más en la línea de la detección de compuestos en el aire que propiamente olores. La emisión de olores, entendidos como emisiones que son molestas para los vecinos en torno a una de estas instalaciones, pueden ser controladas y cuantificadas con el uso de narices electrónicas.

Por ejemplo, la mayoría de las regulaciones en el sector se enfocan en compuestos químicos y no en olores. Las industrias tienen que limitar sus emisiones de compuestos químicos específicos (H2S, NH3, SO2, etc.). Para ello realizan una monitorización usando sensores de gas. Las escasas regulaciones sobre el nivel de sulfuro de hidrógeno (H2S) en el aire, trabajan con concentraciones muy bajas (del orden de partes por billón o ppb). El H2S es bien conocido por su olor a «huevos podridos» y está presente en la mayoría de los olores industriales. Los sensores de H2S están disponibles en el mercado. Los ingenieros pueden escribir y seguir fácilmente una regulación para reducir el impacto del olor en el residente que rodea un sitio industrial. 

El problema es que las regulaciones que se centran en un número único o limitado de odorantes no se correlacionan con las quejas de olor informadas. Los vecinos pueden seguir percibiendo olores, incluso si los olores medidos están por debajo de los niveles de umbral establecidos. Esto es fácil de entender ya que solo se monitorean unos pocos compuestos químicos y no el olor en sí. Un olor a menudo se compone de cientos de compuestos y es su combinación lo que será «percibido por las narices humanas».

Para medir la concentración de olores se suele usar la olfatometría dinámica, que requiere de un mínimo de 4 personas cualificadas que testen muestras del aire en cuestión. Sin embargo este sistema de medición es costoso de poner en marcha, no obteniendo una medición constante y que sirva para tomar medidas a corto plazo.

El uso de una nariz electrónica para monitorizar el impacto ambiental no es una tarea fácil. ¿Cómo se diseña una nariz electrónica para que funcione en todas las condiciones climáticas, durante todo el año, y que cuantifique la concentración de olor de cualquier tipo de fuente?

La monitorización del impacto ambiental usando narices electrónicas está reconocido y definido internacionalmente en las normas (EN13725 / ASTM E679-04). La nariz electrónica debe tener como objetivo «imitar el sentido del olfato humano promedio» y proporcionar la concentración de olor como lo haría un jurado en olfatometría. Esto está lejos de medir los gases con sensores.

Conclusión  

Muchas soluciones propuestas en el mercado están utilizando la expresión «nariz electrónica» para su promoción. A menudo, estos son, más bien, sensores de múltiples gases y de ninguna manera intentan imitar el sentido del olfato humano. Esto crea confusión sobre el verdadero funcionamiento de las narices electrónicas.

Los cuatro criterios para clasificarse como nariz electrónica son:

• tener más de un sensor de gas;
• estar oliendo continuamente la fuente del olor;
• que se ajuste a condiciones ambientales cambiantes;
• producir un resultado que es diferente a sólo las respuestas de los sensores de gas.

La nariz electrónica de Odotech cuantifica las emisiones de olores e identifica la fuente, con sensores que cambian en función de las condiciones ambientales. Las narices electrónicas cuantifican la concentración de olores en función de unos algoritmos matemáticos, ayudando a los responsables ambientales de una industria o instalación a conocer cómo afectan las emisiones a los alrededores.