Cómo elegir el sensor de actividad de agua adecuado para sus muestras

Los compuestos volátiles, las muestras oleosas y los laboratorios de control de calidad de alto rendimiento favorecen diferentes tipos de sensores. A continuación, se explica cómo funcionan los sensores de espejo enfriado, de diodo láser sintonizable, capacitivos y electrolíticos resistivos, y en qué aplicaciones encaja cada uno.

Estas cuatro tecnologías representan prácticamente la totalidad de las mediciones de actividad de agua en laboratorios farmacéuticos y de la industria alimentaria. La elección del sensor adecuado se reduce a tres preguntas:

1. ¿Contiene la muestra compuestos volátiles? 
2. ¿Es la muestra grasa, cuenta con recubrimiento o está sellada? 
3. ¿Cuántas lecturas necesita y con qué rapidez?

Todas las mediciones comienzan de la misma manera

Independientemente del sensor, se sella una muestra representativa en una cámara y se deja que alcance el equilibrio con el aire circundante. El agua se desplaza entre la muestra y dicho espacio de cabeza hasta que la presión de vapor se estabiliza. La muestra y la cámara también deben alcanzar la misma temperatura, ya que cualquier diferencia entre ambas se traducirá en un error.

Todo lo que diferencia a las cuatro tecnologías ocurre en el siguiente paso, cuando el sensor lee dicho espacio de cabeza.

Lo que los diferencia

La primera división se establece entre métodos primarios (directos) y secundarios (indirectos). Los sensores directos miden una propiedad física del propio vapor de agua. Los sensores indirectos observan un cambio eléctrico en un material que ha absorbido humedad, correlacionando posteriormente dicho cambio con la humedad relativa. Esto da lugar a tres diferencias prácticas: 

• Las precisiones declaradas oscilan entre ±0.003 a_w y ±0.015 a_w, un margen más amplio que la mayoría de las tolerancias de proceso. 
• Los tiempos de lectura varían desde aproximadamente cinco minutos hasta más de 30. 
• La tolerancia a los compuestos volátiles es el factor que más varía, y es el que suele determinar la elección del sensor.

Cuatro tipos de sensores de actividad de agua

1. Espejo enfriado de punto de rocío

Un sensor de espejo enfriado mide directamente la temperatura de punto de rocío del espacio de cabeza. El instrumento enfría un pequeño espejo hasta que aparecen las primeras gotas de condensación. Un sistema óptico detecta dicho momento, un segundo sensor lee la temperatura de la cámara y el instrumento calcula la actividad de agua a partir de ambos valores.

Al basarse en la relación termodinámica entre el punto de rocío y la presión de vapor, se trata de un método primario. No requiere calibración, tan solo una verificación periódica utilizando un patrón de sal. Además, es el más rápido y preciso de los cuatro, con una precisión de ±0.003 a_w en aproximadamente cinco minutos.

Ideal para: La mayoría de muestras farmacéuticas y alimentarias, así como para cualquier laboratorio que requiera velocidad y precisión simultáneamente. Debe prestarse atención a los compuestos volátiles, ya que se cocondensan en el espejo.

2. Láser de diodo sintonizable

Un sensor de láser de diodo sintonizable mide la cantidad de vapor de agua presente en el espacio de cabeza. Emite un haz de infrarrojos a través del aire situado sobre la muestra con una longitud de onda inferior a un nanómetro, adaptada al isótopo más abundante del agua. Las moléculas de agua absorben parte de esa energía, mientras que los alcoholes, glicoles, disolventes y componentes de aceites esenciales no lo hacen. El instrumento lee la atenuación del haz y calcula la actividad de agua a partir de ella.

Este también es un método primario y el único que ofrece lecturas precisas en presencia de altas concentraciones de compuestos volátiles. Su precisión declarada es de ±0.005 a_w.

Ideal para: Aceites esenciales, sistemas de aromas, bebidas espirituosas y cualquier formulación en la que los compuestos volátiles constituyan un ingrediente principal y no un rastro.

3. Capacitancia

Un sensor de capacitancia infiere la actividad de agua a partir de un polímero higroscópico. Dos electrodos se sitúan a ambos lados de un dieléctrico polimérico. A medida que el polímero absorbe vapor de agua, su constante dieléctrica aumenta y la capacitancia varía. El instrumento correlaciona dicha variación con la humedad relativa del espacio de cabeza.

Dado que infiere en lugar de medir directamente, este sensor requiere una calibración periódica y presenta un margen de exactitud más amplio, de ±0,015 a_w. Asimismo, requiere más tiempo que el punto de rocío para obtener una lectura. Ciertos compuestos deterioran el polímero por completo y la exposición prolongada al etanol provoca una deriva irreversible que, a la larga, obliga a sustituir el sensor.

Ideal para: Los sensores de capacitancia pueden constituir una opción intermedia útil para muestras con un contenido moderado de sustancias volátiles, así como una comprobación cruzada práctica frente a una lectura de punto de rocío.

4. Electrolítico resistivo

Un sensor electrolítico resistivo también infiere la actividad de agua a partir de un cambio eléctrico. Una solución electrolítica separa dos varillas de vidrio finas con electrodos metálicos. A medida que el electrolito absorbe vapor de agua, los grupos iónicos se disocian y la impedancia varía. El instrumento correlaciona dicha variación con la humedad relativa.

Estos sensores necesitan filtros de protección para soportar sustancias volátiles, y cada compuesto requiere un filtro diferente. Dichos filtros ralentizan considerablemente los tiempos de lectura.

Ideal para: Instalaciones heredadas y cribado de bajo rendimiento. La necesidad de utilizar filtros hace que no sea adecuado para conjuntos de muestras variados.

Los cuatro de un vistazo

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Compuestos volátiles

Nuestro laboratorio probó más de 20 ingredientes de uso común en estos tipos de sensores, y el patrón se mantuvo. Los ingredientes no volátiles se leen con precisión en un sensor de punto de rocío. El ácido cítrico, el ácido málico, el ácido ascórbico y la glicerina se midieron con total limpieza hasta el 100 por ciento.

La interferencia escaló con la concentración. El etanol, el isopropanol y el ácido acético se mantuvieron dentro del margen de error aceptable por debajo del 1 por ciento en masa y lo superaron ampliamente al 3 por ciento. El propilenglicol solo interfirió por encima del 5 por ciento. Los aceites esenciales sin diluir fueron otro cantar. El clavo, la menta, el limón y el romero contaminaron el espejo por completo.

La regla es la concentración, no la presencia. Los compuestos volátiles en trazas en un producto acabado rara vez causan problemas a un sensor de punto de rocío. Los volátiles como ingrediente principal exigen un diodo láser sintonizable.

Muestras aceitosas y grasas

La grasa por sí sola no es el problema, sino la presión de vapor. La glicerina es viscosa y se lee con precisión a plena concentración en un sensor de punto de rocío, porque apenas se evapora a temperatura ambiente. Los aceites esenciales son fluidos y volátiles, y estropearán el mismo sensor en una sola medición.

Así que no pregunte cuán grasienta es la muestra. Pregunte si su fase oleosa es fija o volátil. Las mantequillas de frutos secos, el chocolate y los snacks fritos son matrices de aceite fijo y se miden bien por punto de rocío, aunque un alto contenido de grasa ralentiza la equilibración. Los aceites cítricos, las oleorresinas de especias y los concentrados de aromas necesitan un láser.

En cualquier caso, limpie la cámara. Los residuos de una muestra aceitosa pueden causar errores en la siguiente medición.

Laboratorios de control de calidad de alto rendimiento

Tres factores determinan el rendimiento, y solo uno de ellos es la medición en sí.

El tiempo de lectura es el más evidente. Un instrumento de punto de rocío ofrece un resultado totalmente equilibrado en unos cinco minutos, lo suficientemente rápido para controles en la línea de producción a la mayoría de los ritmos de fabricación.

El modelado predictivo reduce aún más ese tiempo. Los dispositivos AQUALAB pueden proporcionar un valor final de actividad de agua en aproximadamente 60 segundos y señalar las muestras que están fuera de los límites operativos en ese mismo intervalo. Un minuto es tiempo suficiente para detectar una desviación en la temperatura del horno o en la velocidad de la cinta antes de que el lote requiera reprocesamiento, y la lectura equilibrada completa sigue estando disponible cuando la necesita para la documentación de liberación. Una velocidad de esa magnitud cambia lo que un equipo de control de calidad puede hacer, porque la mayor fuente de incertidumbre en la producción no es una lectura errónea, sino realizar muy pocas.

La calibración es el segundo factor. Una medición por espejo enfriado se basa en la temperatura, por lo que no necesita calibración alguna, solo verificación frente a un estándar de sal. Los sensores que deducen la actividad de agua a partir de una propiedad eléctrica requieren recalibración según un programa, y ese programa representa tiempo de inactividad en el laboratorio.

La recuperación es el tercero. Un sensor que debe limpiar, filtrar o purgar entre tipos de muestra le roba mucho más tiempo del que jamás le costó la lectura.

Lectura simultánea de ambos valores

Algunos instrumentos informan sobre el contenido de humedad y la actividad de agua a partir de la misma muestra en una sola medición, y vale la pena considerarlo, aunque ambas mediciones responden a preguntas diferentes. El contenido de humedad le indica cuánta agua contiene un producto. La actividad de agua le indica la disponibilidad de esa agua, que es lo que permite predecir el crecimiento microbiano y la estabilidad en anaquel. 

Dos productos con un contenido de humedad idéntico pueden comportarse de forma totalmente distinta. Si sus especificaciones exigen ambos valores, un solo instrumento y una única preparación de muestras superan a dos de cada uno. Nuestras guías profundizan en las diferencias entre ambas mediciones y en cómo evaluar un analizador de humedad.

Lo que los estándares reconocen

Los métodos reconocidos, incluidos AOAC 978.18 e ISO 18787, se basan en la misma relación: la actividad de agua es igual a la humedad relativa de equilibrio del espacio de cabeza dividida por 100. Ambos permiten la detección directa e indirecta. Los requisitos de precisión reducen las opciones en la práctica, especialmente cuando un resultado debe demostrar que un producto se encuentra en o por debajo de 0,85 a_w.

La posición de AQUALAB

Los instrumentos AQUALAB utilizan sensores de espejo enfriado con punto de rocío y de diodo láser sintonizable porque ambos miden el vapor de agua directamente. Uno lee su presión de vapor y el otro su concentración. Ninguno de ellos infiere un resultado a partir de un material que sufra desviaciones, absorción o degradación.

Para la mayoría de las muestras, el punto de rocío ofrece la mayor precisión y la respuesta más rápida. Cuando predominan los compuestos volátiles, el láser es la única opción fiable. Juntos cubren prácticamente todo lo que mide un laboratorio de la industria alimentaria o farmacéutica.

Cómo miden realmente los instrumentos de actividad del agua una muestra y por qué los métodos primarios (directos) son más precisos que los secundarios (indirectos).

El proceso de medición

Independientemente del instrumento o la tecnología de los sensores, todas las mediciones de la actividad del agua comienzan de la misma manera. Se introduce una muestra representativa en una cámara de medición sellada, donde se deja que alcance el equilibrio con el aire del espacio libre situado por encima de ella. Durante este proceso de equilibrio, las moléculas de agua se desplazan entre la muestra y el aire hasta que la presión de vapor (o densidad de vapor) en el espacio libre alcanza un valor estable. Una vez alcanzado el equilibrio, la actividad del agua se determina utilizando una de las cuatro tecnologías de sensores, que se dividen en dos métodos primarios (directos) y dos métodos secundarios (indirectos).

Métodos primarios (directos)

Los métodos primarios miden una propiedad física fundamental del propio vapor de agua —ya sea su presión de vapor o su concentración— en lugar de deducir la actividad del agua a partir de un efecto eléctrico secundario. Esto los hace, por naturaleza, más precisos y menos susceptibles a la deriva, la contaminación o las interferencias.

Sensor de espejo enfriado con punto de rocío. Un sensor de espejo enfriado con punto de rocío mide directamente la temperatura del punto de rocío del aire equilibrado sobre la muestra. Un pequeño espejo se enfría hasta que las primeras gotas microscópicas de condensación se forman en su superficie. Un sistema óptico detecta el inicio de la condensación, identificando la temperatura del punto de rocío, mientras que un sensor independiente mide la temperatura ambiente de la cámara. A partir de estas dos temperaturas, el instrumento calcula la humedad relativa —y, por tanto, la actividad de agua— de la muestra. Al basarse en la relación termodinámica fundamental entre el punto de rocío y la presión de vapor, la tecnología de espejo enfriado se considera un método directo y primario de medición de la actividad de agua y está ampliamente considerada como la técnica más precisa para muestras no volátiles.

Sensor de diodo láser sintonizable (TDL). Un sensor de diodo láser sintonizable mide directamente la concentración de moléculas de vapor de agua en el espacio de cabeza. El sensor emite un haz láser infrarrojo de sintonización fina a través del aire situado sobre la muestra. La longitud de onda del láser, que tiene una anchura inferior a un nanómetro, se sintoniza específicamente para el isótopo de agua más abundante. Las moléculas de vapor de agua absorben una parte de la energía del láser, mientras que otros compuestos volátiles —incluidos alcoholes, gasolina, disolventes orgánicos y propilenglicol— no interfieren en la medición. Al medir la atenuación del haz láser, el instrumento determina directamente la concentración de vapor de agua y calcula la actividad de agua. Puesto que mide directamente la densidad del vapor de agua en lugar de depender de cambios en las propiedades eléctricas, el diodo láser sintonizable también se considera un método directo y primario, siendo la única tecnología de sensores capaz de medir con precisión la actividad de agua en muestras que contienen concentraciones significativas de compuestos volátiles.

Métodos secundarios (indirectos)

Los métodos secundarios no miden el vapor de agua directamente. En su lugar, deducen la actividad del agua a partir de un cambio en una propiedad eléctrica de un material sensor a medida que este absorbe humedad. Estos métodos pueden resultar útiles, pero suelen ser más susceptibles a la deriva del sensor, la contaminación y las interferencias que los métodos directos.

Sensor de capacitancia. Los sensores de capacitancia determinan la actividad de agua de forma indirecta midiendo los cambios en las propiedades eléctricas de un polímero higroscópico. El sensor consta de dos electrodos separados por un material dieléctrico polimérico. A medida que el vapor de agua de la muestra es absorbido por el polímero, su constante dieléctrica aumenta, lo que provoca una modificación en la capacitancia del sensor. El instrumento correlaciona este cambio de capacitancia con la humedad relativa del espacio de cabeza y calcula a continuación la actividad de agua. Dado que la medición se infiere a partir de los cambios en una propiedad eléctrica y no mediante una medición directa de la presión o la concentración del vapor de agua, los sensores de capacitancia se consideran un método indirecto y secundario.

Sensor electrolítico resistivo. Los sensores electrolíticos resistivos también miden la actividad de agua de forma indirecta a través de cambios en las propiedades eléctricas. El sensor consta de dos finas varillas de vidrio con electrodos metálicos separados por una solución electrolítica. A medida que el vapor de agua es absorbido por el electrolito, los grupos funcionales iónicos se disocian, alterando la impedancia eléctrica (resistencia) del sensor. Este cambio de impedancia se correlaciona con la humedad relativa del espacio de cabeza, lo que permite al instrumento estimar la actividad de agua. Al igual que los sensores de capacitancia, los sensores electrolíticos resistivos se consideran métodos indirectos y secundarios porque se basan en respuestas eléctricas en lugar de medir directamente el vapor de agua.

Por qué AQUALAB utiliza sensores de punto de rocío y sensores láser de diodo sintonizable

Los instrumentos AQUALAB utilizan principalmente las tecnologías de punto de rocío con espejo enfriado y de láser de diodo sintonizable (TDL), ya que se trata de métodos directos y primarios para medir la actividad del agua. Ambos sensores cuantifican directamente el estado termodinámico del agua en el espacio de cabeza, ya sea midiendo la presión de vapor a través del punto de rocío o midiendo directamente la concentración de vapor de agua mediante espectroscopia láser. Por el contrario, los sensores electrolíticos de capacitancia y resistivos son métodos secundarios, ya que deducen la actividad del agua a partir de los cambios en las propiedades eléctricas de los materiales sensores. Aunque estos métodos indirectos pueden proporcionar mediciones útiles, suelen ser más susceptibles a la deriva del sensor, la contaminación y las interferencias que las técnicas de medición directa empleadas por AQUALAB.

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