¿Cómo localizan los sistemas de rayos X los contaminantes?

Los rayos X son una de varias fuentes naturales de radiación y son una forma invisible de radiación electromagnética, como las ondas de radio.

Todos los tipos de radiación electromagnética forman parte de un único continuo conocido como espectro electromagnético, que se organiza según la frecuencia y la longitud de onda. Se extiende desde ondas de radio en un extremo (que tienen una longitud de onda larga) hasta rayos gamma en el otro (que tienen una longitud de onda corta).

La corta longitud de onda de los rayos X les permite atravesar materiales opacos a la luz visible, pero no atraviesan todos los materiales con la misma facilidad. La transparencia de un material respecto a los rayos X está relacionada en términos generales con su densidad: cuanto más denso es el material, menos rayos X pasan. Los contaminantes ocultos, incluyendo vidrio, hueso calcificado y metal, aparecen porque absorben más rayos X que el producto circundante.

En términos sencillos, un sistema de rayos X utiliza un generador de rayos X para proyectar un haz de rayos X de baja energía sobre un sensor o detector.

La inspección por rayos X consiste en pasar un producto o paquete a través del haz de rayos X antes de que llegue al detector. La cantidad de energía de rayos X absorbida durante el paso del haz a través de un producto se ve afectada por el grosor, la densidad y el número atómico del producto.

Cuando el producto pasa a través del haz de rayos X, solo la energía residual llega al detector. La medición de las diferencias de absorción entre el producto y un contaminante es la base de la detección de cuerpos extraños en la inspección por rayos X.

Hay tres componentes clave en un sistema de inspección por rayos X:

• Un generador de rayos X
• Un detector
• Un panel de control

El haz de rayos X se genera mediante un tubo de rayos X encerrado en el generador de rayos X. Sale por una ventana de salida y viaja en línea recta a través de un colimador (un dispositivo para reducir el flujo de rayos X a un haz de abanico más pequeño). El haz de rayos X pasa entonces a través del producto o paquete que se está inspeccionando, hasta llegar finalmente al detector. Al llegar al detector, los diodos convierten el nivel de luz del haz en una señal eléctrica, que se envía de vuelta al panel de control. El panel de control crea entonces una imagen de rayos X en 'escala de grises' que es inspeccionada y analizada por un software de rayos X, que determina si aceptar o rechazar el producto inspeccionado.

El generador de rayos X contiene un tubo de rayos X que genera un haz de rayos X.

Los tubos modernos de rayos X constan de una envoltura de vidrio, un cátodo de filamento, un ánodo de cobre y un blanco de tungsteno. El cátodo, que es la fuente de los electrones, es un filamento de tungsteno calentado hasta incandescencia mediante una corriente eléctrica. Los electrones se aceleran hacia el objetivo aplicando un alto voltaje entre el ánodo y el cátodo. Cuando los electrones impactan en el objetivo de tungsteno montado dentro del ánodo de cobre, desaceleran rápidamente y esta desaceleración genera las emisiones de rayos X.

Existen dos tipos de tubo de rayos X utilizados para la inspección de alimentos y farmacéuticos. La diferencia está en el material de filtración utilizado para el haz de rayos X. Esto puede ser un filtro de vidrio/aluminio (el más común) o, alternativamente, un filtro de berilio. La filtración con berilio permite un contraste de imagen mejorado y una mayor sensibilidad a contaminantes de menor densidad como vidrio, piedra y hueso; sin embargo, los beneficios se limitan a paquetes más finos y productos de flujo a granel.

Elegir el sistema adecuado es fundamental para el éxito de la inspección por rayos X, ya que los sistemas no pueden detectar contaminantes de forma óptima a menos que se haya elegido cada elemento, desde el ángulo del haz hasta el mecanismo de rechazo, para adaptarse mejor a la aplicación. Los sistemas de rayos X se dividen en tres categorías: haz vertical, haz horizontal y sistemas que son una combinación de ambos.

La mayoría de los sistemas de rayos X utilizan un haz vertical de rayos X desde el generador para escanear el producto a medida que pasa por el sistema de rayos X. Los bienes de consumo de rápido movimiento suelen ser más pequeños en profundidad que en ancho y longitud, por lo que inspeccionarlos a través de la sección transversal vertical donde hay menor profundidad del producto proporciona la mejor sensibilidad. Las máquinas para paquetes sellados, incluyendo productos en envolturas de flujo, bolsas, cartones compuestos o bandejas, suelen tener sistemas de vigas verticales.

Los sistemas horizontales utilizan un generador de rayos X montado en un lateral para escanear los productos que pasan por la cinta transportadora y se emplean principalmente en productos envasados que son más altos que anchos. Dado que un factor clave en la sensibilidad a la detección es la profundidad del producto por la que deben pasar los rayos X, los sistemas horizontales suelen ofrecer una mejor detección para estos productos, ya que pueden escanear a través del lateral de los recipientes.

Un sistema de inspección por rayos X es esencialmente un dispositivo de escaneo. Cuando un producto atraviesa el sistema a velocidad constante, los sensores internos capturan una imagen en 'escala de grises' del producto, que se genera midiendo la cantidad de energía de rayos X que llega al detector.

Cada imagen está compuesta por píxeles y cada píxel tiene un valor que denota un valor en escala de grises (de negro 0 a blanco 255). A medida que el producto o paquete pasa sobre el detector, cada línea de datos de niveles de gris se reconstruye para proporcionar una imagen completa del producto.

El software dentro del sistema de rayos X analiza la imagen y la compara con un estándar aceptable predeterminado. A partir de esta comparación, el sistema acepta o rechaza la imagen y, en caso de rechazo, el software envía una señal a un sistema automático de rechazo, que luego retira el producto de la línea de producción.

Los diodos (elementos individuales del detector) están disponibles en diferentes tamaños para ofrecer una resolución de imagen distinta. Los diodos más pequeños requieren niveles más altos de miliamperios (mA) para mantener la calidad de imagen, por lo que esto suele suponer un compromiso en este ámbito.

Una de las principales razones por las que la inspección por rayos X se está convirtiendo rápidamente en una característica común en las industrias alimentaria y farmacéutica de todo el mundo es porque una amplia gama de contaminantes físicos (tanto metálicos como no metálicos) absorben más rayos X que el producto circundante y, por tanto, se reflejan claramente en una imagen de rayos X.

La detección de contaminación está directamente relacionada con la densidad del producto y el contaminante. La mayoría de los productos alimentarios tienen una densidad similar a la del agua, que tiene una Gravedad Específica (SG) de 1,0. Como regla general, si un posible contaminante flota en el agua, probablemente será difícil de detectar mediante inspección por rayos X.

La inspección por rayos X tiene la capacidad de detectar muchos contaminantes, incluyendo vidrio, piedra mineral, hueso calcificado y plásticos y compuestos de caucho de alta densidad. La forma, tamaño y ubicación de un contaminante dentro de un producto o el tipo de envase utilizado pueden influir en los niveles de sensibilidad. La inspección por rayos X también ofrece niveles excepcionales de detección para acero inoxidable y metales ferrosos y no ferrosos, incluso en productos envasados en latas, película metalizada o lámina.

Los sistemas de rayos X pueden utilizarse para detectar contaminantes en diversas etapas del proceso de producción, en una variedad de aplicaciones, desde productos en bruto en flujo a granel hasta comidas preparadas envasadas, y productos bombeados a través de una tubería hasta productos en tarros de cristal, botellas o latas metálicas.

Los sistemas de rayos X pueden detectar contaminantes de varios tamaños, y la probabilidad de detección variará en función de varios factores, incluyendo el grosor, la homogeneidad, la densidad y el tamaño de los productos. Por ejemplo, los sistemas de inspección por rayos X suelen tener mejores tasas de detección con productos homogéneos, como el queso, ya que generan imágenes más nítidas en comparación con productos no homogéneos, como una caja de cereales con varios componentes de diferentes densidades, es decir, escamas, frutos secos y frutos secos.

Los sistemas de rayos X inspeccionan los productos a granel sueltos antes de que se empaqueten o se añadan como ingredientes a un producto terminado. Las aplicaciones típicas incluyen frutos secos, aperitivos extruidos, frutas secas, carnes procesadas, cereales y cereales.

La sensibilidad de detección en productos de flujo a granel suele ser mejor que en envases cerrados finales, ya que la profundidad del producto suele ser mucho menor. Se puede lograr una sola capa de producto, o una profundidad constante de flujo de producto, lo que mejora la sensibilidad de la detección.

Debe considerarse la ubicación de estas máquinas en la línea de producción. Por ejemplo, cuando se colocan al principio del proceso, pueden inspeccionar los productos o materias primas entrantes, permitiendo que los contaminantes se eliminen en la fuente y se rastreen inmediatamente hasta el proveedor. Los contaminantes en los productos entrantes son más grandes y fácilmente detectables, sin embargo, más abajo, existe la posibilidad de que se rompan en fragmentos más pequeños y menos detectables durante el proceso de fabricación, sin mencionar que suponen una amenaza potencial de daño a la maquinaria. Eliminar los cuerpos extraños al principio del proceso productivo tiene numerosas ventajas, incluyendo evitar que se añada más valor a los productos mediante el procesamiento y el envasado, minimizando así el desperdicio y los costes totales de producción.

Estos sistemas están diseñados para inspeccionar productos bombeados, normalmente líquidos, lodos y pastas, antes del embalaje final y de añadir más valor. Las aplicaciones incluyen salsas, mermeladas, carne picada, aves, chocolate, puré de fruta y cremas lácteos.

Un haz escanea el producto al pasar por una tubería y detecta un producto que contiene un contaminante, que luego se desvía del producto bueno mediante una válvula desviadora de rechazo. Al igual que las máquinas de flujo a granel, el sistema de tuberías de rayos X suele situarse aguas arriba para inspeccionar el producto en una fase temprana y ofrece niveles de detección mejorados, ya que el producto es homogéneo. Encontrar un contaminante en un sistema de oleoducto es mucho más fácil que encontrarlo en un tarro de cristal, aunque dado que el envasado de vidrio conlleva sus propios riesgos, puede ser necesario disponer de más de un Punto de Control Crítico (CCP) en una línea de producción.

Los productos envasados en venta al por menor pueden ser inspeccionados por una variedad de sistemas de rayos X dependiendo de la aplicación individual. Estos sistemas de rayos X pueden agruparse en tres categorías (o tres tipos de sistemas de armarios): sistemas de vigas verticales, sistemas de vigas horizontales y sistemas que combinan ambos.

Sistemas de haz vertical para productos envasados

Los sistemas de inspección por rayos X que utilizan vigas verticales se emplean comúnmente en líneas de producción a granel y de tuberías, así como en productos envasados al por menor. Los productos envasados inspeccionados en sistemas de vigas verticales suelen ser menores en profundidad (es decir, altura) que en ancho y longitud. Los sistemas de vigas verticales inspeccionan los productos a través de su sección transversal vertical (que tiene la menor profundidad de producto), lo que facilita la visión de los componentes internos. La imagen que se crea usando esta geometría de haz es una vista en plano del paquete que permite un análisis detallado del mismo, proporcionando en última instancia altos niveles de sensibilidad y detección.

Sistemas de haz horizontal para productos envasados

Los sistemas de rayos X de haz horizontal se utilizan principalmente para productos en embalajes, donde la altura del paquete es mayor que su ancho (recipientes altos y rígidos). Dado que un factor clave en la sensibilidad de detección es la profundidad del producto por la que deben pasar los rayos X, un escaneo horizontal suele dar lugar a mejores tasas de detección para los paquetes de este diseño. Los sistemas de haz horizontal están disponibles en geometrías de haz único o múltiple, dependiendo de la aplicación específica.

Sistemas de haz múltiple

Aunque la tecnología sigue siendo la misma (que los sistemas de haz horizontal), los sistemas de rayos X pueden adaptarse para aplicaciones particulares utilizando la probabilidad de detección en aplicaciones como frascos de vidrio y otros tipos de contenedores altos y rígidos.

Dos haces de rayos X de un solo generador (conocido como haz dividido) aumentan la probabilidad de detección de contaminantes, ya que se crean dos imágenes desde diferentes ángulos simultáneamente.

Esto es especialmente útil para envases como latas metálicas, donde es difícil detectar contaminación en la base o en las paredes laterales de la lata.

Al golpear dos detectores separados, el sistema de doble haz dividido supera este desafío, ya que cada lata se visualiza dos veces, y cada imagen representa un ángulo de visión diferente, aumentando así la cobertura dentro del contenedor y la probabilidad de detección.

Los haces dobles de rayos X de dos generadores separados aumentan la detección de forma similar al proporcionar imágenes desde dos ángulos opuestos.

Los productos envasados en botellas y tarros de cristal son de los más difíciles de inspeccionar, ya que la base, las paredes laterales y el cuello pueden causar 'puntos ciegos' al inspeccionarse con un solo haz de rayos X. La probabilidad de detección puede mejorarse utilizando múltiples haces de rayos X, una combinación de haces verticales y horizontales. Por ejemplo, un haz vertical y tres horizontales escanearán el producto simultáneamente para producir una serie de imágenes desde diferentes ángulos, reduciendo los puntos ciegos y optimizando la detección. La orientación del haz también puede optimizarse en diferentes ángulos para adaptarse al tipo de contenedor y al tipo de producto.

Seleccionar el tipo de haz correcto para una aplicación específica es una decisión compleja y rara vez es posible una opción de "una solución para todos". Por este motivo, se recomienda obtener asesoramiento adicional de profesionales experimentados en inspección de productos y, en muchos casos, realizar pruebas individuales de productos.

Los fabricantes no solo usan la inspección por rayos X para detectar contaminantes; Los sistemas de rayos X pueden realizar simultáneamente una amplia gama de controles de integridad y calidad del producto en línea.

Las comprobaciones adicionales que puede realizar un sistema de rayos X incluyen:

• Medición de la masa zonificada y la masa bruta
• Componentes de conteo
• Identificación de productos perdidos o rotos
• Monitorización de los niveles de relleno
• Inspección de la integridad del sellado
• Comprobación de productos y envases dañados
• Detección de aglomerados como grumos de sabor y polvo
• Medición del espacio libre

Con el endurecimiento de las normativas de seguridad alimentaria y farmacéutica, el cumplimiento y la trazabilidad en todas las etapas del ciclo de vida de un producto están ganando importancia y la inspección por rayos X es cada vez más utilizada por fabricantes de marcas conocidas para detectar y rechazar productos contaminados.

Los sistemas de inspección por rayos X pueden detectar contaminantes en todas las etapas de la producción para productos sueltos, a granel, bombeados y envasados, pero la eficacia de la tecnología depende de la densidad, grosor y homogeneidad del producto.

Los rayos X no atraviesan todos los materiales con la misma facilidad y medir las diferencias en la absorción entre el producto y un contaminante es la base para la detección de cuerpos extraños en la inspección por rayos X. La transparencia de un material respecto a los rayos X está relacionada en términos generales con su densidad: cuanto más denso es un producto, más rayos X absorbe y aparecen contaminantes ocultos, incluidos cuerpos extraños como vidrio, hueso y metal, porque absorben más rayos X que el producto circundante, lo que significa que parecen más oscuros en una imagen en escala de grises.

Aunque los principios básicos de la inspección por rayos X son los mismos, es una tecnología versátil y diferentes aplicaciones requieren distintos sistemas de rayos X. Elegir el sistema adecuado es crucial para el éxito de la inspección por rayos X, ya que los contaminantes no pueden detectarse a menos que cada elemento, desde el ángulo del haz hasta el mecanismo de rechazo, haya sido seleccionado para ajustarse a la línea y al producto. Por tanto, la comprensión de los distintos formatos y su idoneidad para distintos tipos de desafíos de detección de contaminación sustenta la especificación y elección del sistema.

Sin embargo, una cosa es segura: los productos que superan con éxito los sistemas de inspección por rayos X aumentan la confianza de los fabricantes de alimentos y farmacéuticos en la calidad y seguridad de sus productos, ayudándoles a cumplir con estándares del sector como la Iniciativa Global de Seguridad Alimentaria (GFSI), el British Retail Consortium (BRC), la Certificación del Sistema de Seguridad Alimentaria 22000 (FSSC 22000), la Ley China de Seguridad Alimentaria y la Norma Internacional Destacada para Alimentos (IFS).