ACENOLOGIA | Biosensores, actores de la revolución 4.0
<
 
 
 
 
CIENCIA Y TECNOLOGÍA OTROS ARTÍCULOS CIENTÍFICOS  

Biosensores, actores de la revolución 4.0

Asier Albizu
Biolan. Parque Tecnológico de Bizkaia
Zamudio, Bizkaia

La cuarta revolución industrial, también conocida como Industria 4.0, lleva varios años implantándose en sectores industriales que tradicionalmente han ido por delante en el desarrollo tecnológico. Algunas de las claves de esta revolución industrial son la digitalización, el trabajo en la nube y la manufactura avanzada, pero para poder implementarla es fundamental contar con información que procesar, y para ello la sensórica tiene un papel fundamental como pieza clave para monitorizar, generar y capturar gran cantidad de información.

  «La biosensórica es una solución imbatible para la medida y captura de información de diferentes parámetros de interés.»
 

La sensórica puede basarse en diferentes tecnologías, como son la óptica, la electrónica y la visión artificial, entre otras. Las plataformas de sensórica más avanzadas son capaces de conjugar diferentes tecnologías y aprovechar las ventajas que cada una de ellas aporta. En este sentido, la biosensórica, basada en tecnología electroquímica, necesita la electrónica y la biotecnología para ser eficaz. Este conjunto de tecnologías convierte a la biosensórica en una solución imbatible para la medida y captura de información de diferentes parámetros de interés. La tecnología biosensórica tiene tres características que la convierten en una solución atractiva, como son la rapidez de la medida, la facilidad de uso y la precisión.

El sector vitivinícola no ha sido una excepción y progresivamente se han ido implantando procesos que generan información de elevado interés para el control de producto y del proceso de producción. Tradicionalmente se vienen aplicando diferentes tecnologías provenientes de otros sectores, como son las tecnologías NIR o los sistemas enzimáticos colorimétricos, y desde hace aproximadamente 10 años también la tecnología biosensórica, nacida propiamente del sector vitivinícola de la mano de BIOLAN Microbiosensores, y exportada posteriormente a otros sectores alimentarios.

 

Cómo funciona un biosensor

Un biosensor se define como una herramienta analítica para la cuantificación de moléculas de interés que consta de dos partes diferenciadas:

• Un elemento de reconocimiento biológico ERB (molécula biológica que interacciona con el analito: enzimas, anticuerpos, fragmentos de DNA…).
• Un dispositivo para la transducción de la señal biológica (la transducción puede ser electroquímica, óptica, colorimétrica,…).

Los biosensores de Biolan se definen como enzimático amperométricos, es decir, enzimáticos porque se usan enzimas para que interaccionen con el analito de interés, y amperométricos porque la transducción de la señal biológica es electroquímica (es decir, la interacción enzima-analito se traduce en una señal electroquímica, más concretamente amperométrica, corriente eléctrica).

Esta tecnología se basa en la especificidad y selectividad de enzimas para cada analito y la posterior transducción de esa señal biológica en corriente fácilmente detectable y cuantificable.

Las medidas se realizan sobre una celda electroquímica, la celda de medida, que básicamente es un circuito que consta de tres electrodos por lo que circula corriente eléctrica tras la aplicación de un potencial. Dicha celda es una cubeta de plástico que alberga los cinco elementos imprescindibles en la medida: el electrodo de trabajo (Biotest), el electrodo de referencia, un contraelectrodo, una varilla agitadora y la solución de medida.

Dependiendo del desarrollo en concreto, el potenciostato aplica un potencial determinado, y se establece un flujo de corriente entre los tres electrodos de la celda. Este flujo de electrones, tras unos segundos de estabilización, se mantiene constante con el tiempo (el potenciostato es capaz de determinar el valor de la corriente en cada fracción de segundo).

Cuando se inyecta la muestra (en este caso, mosto o vino), la enzima cataliza la oxidación de las moléculas del analito inyectado, se liberan electrones, y dichos electrones son detectados por el potenciostato. Estos electrones suponen un aumento en la intensidad de corriente sobre nuestro sistema de electrodos, es decir, se produce un salto en la intensidad de corriente, salto que será mayor cuanto mayor sea la concentración del analito en la muestra problema.

El equipo es capaz de traducir ese aumento de electrones en el sistema como concentración en unidades de mg/l (ppm) de analito analizado, gracias a una calibración previa del equipo.

El sector vitivinícola de gran tradición y con un alto conocimiento científico-tecnológico tanto desde el punto de vista agronómico como enológico, no puede quedarse fuera de esta nueva revolución industrial 4.0 y no solo debe ser capaz de adaptarse pasivamente a las últimas tendencias en la materia sino que estratégicamente debe adoptar un rol proactivo que le posicione competitivamente en un entorno global y cambiante, lleno de oportunidades, también tecnológicas.

 

Biosensores BIOWINE para una monitorización competitiva

Desde su origen, e incluso como razón del mismo, BIOLAN Microbiosensores detectó una necesidad patente en el sector vitivinícola de disponer de mejores soluciones de monitorización, competitivas, precisas, rápidas y sencillas que permitan cuantificar los parámetros de interés para una mejor gestión y calidad de su producción. Resolver esa problemática ha sido el gran reto de BIOLAN, y como consecuencia, actualmente BIOLAN ofrece al sector un total de siete biosensores para la determinación de otros tantos analitos, los de mayor relevancia para la industria vitivinícola.

Precisamente, el origen de la empresa BIOLAN vino marcado fundamentalmente por el desarrollo de la medida de ácido glucónico en uva, mosto y vino. Este parámetro, reconocido como de gran relevancia por algunos expertos, era por el contrario muy controvertido en muchos ámbitos enológicos en los inicios de esta andadura.

El desarrollo de este parámetro respondía a la necesidad de objetivar la calidad, o más bien, el estado sanitario de la uva en vendimia, si bien, en aquel momento, había diferentes indicadores y tecnologías que marcaban tendencia, y que no eran precisamente el ácido glucónico. Probablemente la ausencia de tecnologías capaces de medir de forma precisa, y sobre todo rápida, en el proceso de recepción de uva condicionaba el uso de este parámetro.

En cualquier caso, desde la aparición del método biosensórico, la medida del ácido glucónico se ha convertido en un habitual a la hora de calificar la calidad de la uva, de los mostos e incluso de los vinos comercializados, fundamentalmente a granel.

Las ventajas que ofrece el uso de biosensores son la rapidez de la medida, la posibilidad de medir de forma individual cada muestra a la llegada de cada remolque, camión, tractor… junto con su exactitud, ya que cuantifica de forma extraordinaria, pudiéndose además utilizar diferentes rangos de medida, dependiendo de las necesidades, exigencias, coyunturas, zonas geográficas, variedades etc., que cada usuario pueda necesitar.

Este sistema de medida es ya utilizado de forma regular en zonas vitivinícolas tan diversas como Cataluña, La Rioja, diversas zonas vitivinícolas españolas, Francia, Portugal, Chile, Argentina, Brasil y California. En algunas de estas zonas, el ácido glucónico era el gran desconocido entre los indicadores de calidad en la elaboración del vino.

Otro parámetro, que por lo complicado de su desarrollo, adquiere un valor especial, es el ácido málico. Este desarrollo aporta una evidente mejora en la rutina que existía en diferentes latitudes vitivinícolas.

Este parámetro ha generado habitualmente problemas de cuantificación en concentraciones bajas, fundamentalmente en finales de fermentación maloláctica, cuando la toma de decisiones adecuadas es clave en el proceso de vinificación.

La tecnología biosensórica permite cuantificar de forma precisa el nivel de ácido málico en concentraciones por debajo de 1 g/l, de forma que el enólogo mediante un análisis que se realiza en tan solo dos minutos puede tomar decisiones basadas en información precisa a tiempo real.

El tercer parámetro de interés a destacar es el de los azúcares que se determinan al final de la fermentación alcohólica, cuando esta tecnología también ofrece la posibilidad de cuantificar. Al igual que en el caso del ácido málico, este sistema permite medir de forma precisa, rápida y sencilla la concentración de azúcares en el final de fermentación. Así, el enólogo puede decidir de forma inmediata y eficaz la concentración de azúcares deseada en cada vino que se elabora, sin la necesidad de enviar muestras a laboratorios externos o de medir con sistemas poco precisos.

Además de los parámetros mencionados, existen biosensores para la determinación de ácido láctico, sacarosa, histamina y sulfito, que aun no siendo tan extendidos, resuelven una demanda muy específica proveniente del sector.

 

Biosensores BIOWINE para cada problemática identificada

Actualmente se están comercializando tres modelos diferentes de equipos biosensores para atender a las diferentes realidades de este sector. Estos modelos se adaptan tanto al variable tamaño de las bodegas, como a los diferentes momentos que se dan en el proceso de cosecha y vinificación (fig. 1).

Figura 1. Equipos BIOWINE 300, BIOWINE 500 y BIOWINE 700.

 

El BIOWINE 300 es un equipo robusto, multiparamétrico, idóneo para bodegas medianas y grandes que necesitan medir diferentes parámetros de interés en diferentes momentos del año. Este equipo es adecuado para controlar el estado sanitario de la uva a la entrada en bodega, mediante el análisis de la concentración del ácido glucónico, también se aplica al control de los procesos de fermentación, mediante la medida de azúcares finales y de ácido málico, a la medida de sacarosa en los procesos de producción de vinos espumosos, y la concentración de histamina en cualquier tipo de vino.

Todos estos parámetros pueden ser medidos en cualquier otro momento en el que su monitorización pueda ser de interés, ya que los rangos de detección pueden ser modificados de forma sencilla, pudiendo por ejemplo realizarse la medición de la concentración del ácido málico en uva de forma previa a la cosecha en concentraciones más altas, de hasta 4-5 g/kg, que las perseguidas en el final de la fermentación maloláctica, por debajo de 1 g/l.

El BIOWINE 500 es un equipo dirigido fundamentalmente a bodegas grandes y muy grandes, para la medida de ácido glucónico en recepción de uva. Es un equipo automático que mide de forma precisa, rápida y automática los niveles de ácido glucónico en uva, de forma que esta puede ser seleccionada y parametrizada en el punto de recepción de la uva, donde el biosensor puede ser implementado e integrado con otros equipamientos.

La última novedad es el BIOWINE 700. Se trata de un equipo miniaturizado, totalmente portátil y pensado para bodegas pequeñas y muy pequeñas, así como para unidades de bodegas que por su actividad deben ser muy ágiles y donde la portabilidad aporta un valor añadido. En la actualidad, este equipo está optimizado para la medida de ácido málico y azúcares, y en un futuro, se ampliará a nuevos parámetros de forma análoga al BIOWINE 300.

 

 

 

 

CEVIPE, Bodegas Concha y Toro y la URV apostaron con visión de futuro por la innovación y credibilidad que proporciona esta tecnología.

 

Tecnología BIOWINE ampliamente validada

Las técnicas analíticas que aportan innovación a los diferentes sectores productivos cuentan con una importante barrera de entrada: la validación del método que debe aportar credibilidad y garantía. Por ello, en BIOLAN se apostó desde el primer momento en la consecución de certificados o validaciones externas con entidades de reconocido prestigio, que permitieran su acceso al mercado.

Las soluciones, una vez desarrolladas y validadas internamente, han sido evaluadas por diferentes entidades de referencia, destacando las validaciones externas realizadas por el CIVC (Centro Interprofesional del Vino de Champagne) y la URV (Universidad Rovira i Virgili). Igualmente, se han realizado trabajos de validación y adaptación con diferentes bodegas, entre las que destacamos los trabajos realizados por la Cooperativa de Vinos de Labastida, Solagüen en Rioja Alavesa, la colaboración con la cooperativa CEVIPE de Cataluña o la implementación de la tecnología biosensórica en la totalidad de las bodegas del grupo Concha y Toro.

Adicionalmente, en sectores agroalimentarios diferentes al vitivinícola, esta misma tecnología ha obtenido certificados de prestigio internacional que validan esta solución tecnológica al máximo nivel. En esta línea, podemos destacar la certificación otorgada por la Asociación americana “AOAC International”.

El AOAC Research Institute tiene como objetivo principal la creación, validación y publicación mundial de métodos de ensayo analíticos fiables, sobre todo para evaluar la seguridad de los alimentos, bebidas,  suplementos dietéticos y materiales similares consumidos por los seres humanos y los animales, o para evaluar la pureza de los materiales utilizados en producción de productos alimenticios y de sus ingredientes. 

 

  

BIOLAN 4.0: biosensórica avanzada y transformación digital

El camino recorrido en el sector tiene que continuar y el reto al que nos enfrentamos es muy importante. La cuarta revolución industrial, donde la digitalización, el Big Data, la fabricación avanzada… van a ser ámbitos de conocimiento cada vez más generalizados, debe ser asumida como una oportunidad para la mejora de la competitividad. Es la revolución 4.0.

Esta revolución debe ser afrontada, por un lado, desde la perspectiva de fabricante, mejorando capacidades y soluciones, fundamentalmente aplicando soluciones de fabricación avanzada, que nos van a permitir utilizar diferentes materiales que aportarán ventajas a nuestros equipos, o la utilización del Big Data para acortar los tiempos de análisis por debajo del minuto. En este mismo sentido, ya hemos comenzado a incorporar en el BIOWINE 700, equipo miniaturizado, nuevas aplicaciones que van a seguir facilitando el trabajo a los profesionales del sector vitivinícola.

Por otro lado, tenemos que considerar la perspectiva de nuestros clientes, consiguiendo que la información que generan nuestros sensores pueda ser utilizada de forma eficaz y on line. Para ello, la utilización de la nube digital, apps, páginas web interactivas… son algunas de las implementaciones en las que tenemos que trabajar (fig. 2).

Figura 2. BIOLAN 4.0.

 

BIOLAN, ejemplo del compromiso del sector con las start-ups

El tamaño sí importa, y la edad también, especialmente en algunos sectores. La innovación tecnológica y el emprendizaje son términos de nuevo cuño, pero utilizados tal vez, con demasiada ligereza. Cuando arrancamos en el año 2009 con el proyecto BIOLAN, creíamos firmemente en ambos paradigmas: innovación tecnológica y emprendizaje. Además, el entorno estaba impulsando desde diferentes ámbitos, el desarrollo de ambos conceptos en la convicción de que la conjunción de los mismos se debía traducir en valorizar el conocimiento para alcanzar negocios de éxito. Si bien no se contemplaba en ningún caso un plan de contingencia, es decir, nadie hablaba sobre qué hacer en caso de no tener éxito.

Por otro lado, este tipo de iniciativas, deben contar con el compromiso cierto y real de los sectores afectados para poder facilitar este complicado trayecto. Y en estos sectores debe haber personas comprometidas en estos dos paradigmas, imprescindibles para que los mismos puedan ser punteros y puedan encabezar los ránquings de innovación y por lo tanto de viabilidad futura.

En el caso de BIOLAN, hemos tenido la fortuna de contar, especialmente, con tres entidades que han creído y ayudado en nuestra solución y a las que no podemos dejar de reconocer su aportación.

En primer lugar queremos reconocer el apoyo que desde el primer día la bodega chilena Concha y Toro nos ha dispensado, accediendo a probar todas las nuevas aplicaciones que hemos ido desarrollando para equipar finalmente todas sus bodegas con tecnología BIOLAN. Esta bodega nos ha ayudado a completar las diferentes fases de madurez tecnológica necesarias en todas las propuestas tecnológicas en las que hemos participado hasta el momento actual.

En segundo lugar, la Cooperativa catalana de segundo grado CEVIPE (Centre Vinícola del Penedès) ha sido determinante en la implantación de la técnica biosensórica y en su apuesta por el apoyo a la innovación en el sector vitivinícola. Desde CEVIPE han sabido fomentar la calidad de su producción con una visión de futuro, lo cual les posiciona a la cabeza del sector en control de calidad y por lo tanto en la excelente selección de sus producciones.

Por último, querríamos también reconocer la labor a favor de la innovación, que desde la Universitat Rovira i Virgili han desempeñado, apoyándonos constantemente en esta andadura. Es cierto que las universidades y los centros tecnológicos llevan en su DNA la innovación, pero en el caso de la URV nosotros lo hemos percibido con meridiana claridad.

Todos ellos son un ejemplo del sector que apuesta y apoya la innovación tecnológica, y por tanto son los verdaderos actores de que la revolución industrial 4.0 sea también una realidad en la industria vitivinícola. BIOLAN, nuevamente para esta carrera hacia la transformación digital y la producción avanzada, trabajará de la mano del sector, aunando esfuerzos y adaptando las soluciones tecnológicas a la realidad y casuística sectorial.

 

 

 

 

[30.8.17]