Учёные из Сколтеха совместно с исследовательским центром «СИБУР ПолиЛаб» и авторами из других университетов и организаций представили результаты работы над проектом по использованию технологии «электронного носа» для контроля качества и соблюдения технологии производства пищевого пластика. Группа учёных предложила метод оценки потребительских качеств переработанного пластика, распознавания его запаха и идентификации источника пластика по запаху с помощью «электронного носа». Используя данные оценки запаха пластика экспертной панелью, исследователи предложили модель, позволяющую использовать «электронный нос» вместо человека в заводской лаборатории. Исследование опубликовано в журнале Journal of Cleaner Production.

«Электронный нос» состоит из линейки газовых сенсоров и использует алгоритмы распознавания образов для точной идентификации запаха, что имитирует работу обонятельной системы человека. Разница в том, что «электронный нос», в отличие от носа человека, может реагировать не только на вещества обладающие запахом.

К пластику для упаковки продуктов и фармацевтических препаратов предъявляются высокие требования по качеству и безопасности. Он не должен иметь постороннего запаха, который сигнализирует о наличии в образце вредных для человека химических веществ. Появление запаха также может свидетельствовать об отклонении от технологии производства полимеров.

«Мы рассчитываем, что разработанная нами газоаналитическая система сможет не только определить наличие и природу запаха у пластика, но и позволит понять, на каком этапе производства могло произойти нарушение технологии, чтобы его исправить. Обычно для контроля запаха пластика собираются экспертные панели, в состав которых входят подготовленные сотрудники производства, но это не всегда даёт объективный результат и сложно автоматизируется. К тому же, «электронный нос» позволяет классифицировать тип полимера в основе пластика. Внедрение такой технологии не потребует существенной модернизации производственных линий», — объясняет Федор Федоров, старший преподаватель Сколтеха и соавтор исследования.

Для оценки запаха первичных и вторичных (переработанных) образцов полимеров разной природы использовали газоаналитическую систему, чувствительным материалом в которой был оксид цинка, допированный алюминием. Пары органических соединений, выделяемые образцами первичного и вторичного пластика, меняли сопротивления сенсоров на основе выбранного чувствительного материала, давая «отпечаток пальца» запаха полимера. Выделяемые вещества также оценивались с помощью парофазной хроматографии и масс-спектрометрии. 

«При обработке данных мы применяли методы уменьшения размерности пространства — линейный дискриминантный анализ и метод главных компонент, а также метод машинного обучения Random Forest для классификации изучаемых полимерных составов», — добавляет Валерий Зайцев, аспирант Сколтеха и соавтор работы. 

Результаты исследования также вносят вклад в решение глобальной проблемы чрезмерного использования пластика. Один из способов сокращения его объёмов — применение вторичного пластика, однако в производстве пищевой упаковки оно сейчас ограничено, при этом вторичный пластик может быть использован в других областях. Тем не менее, используемые вторичные материалы могут содержать опасные для человека вещества. Исследователи надеются, что уже скоро «электронный нос» научится не только определять источник вторичного пластика, но и его компонентный состав, что поможет решить эту проблему.

«Подобная работа требует компетенций как в области материаловедения, так и сенсорики и машинного обучения, которые накоплены в нашей лаборатории. Мы видим большой научный и прикладной потенциал, включая важный экологический аспект проблемы. Полагаем, что наши результаты будут востребованы для контроля качества продуктов в разных отраслях промышленности не только в России, но и других странах», — рассказывает профессор, руководитель лаборатории наноматериалов Сколтеха и соавтор работы Альберт Насибулин.

Результаты работы стали важной частью совместного проекта Сколтеха и первого в России исследовательского центра для разработки и тестирования продуктов из полимеров «СИБУР ПолиЛаб».

«Мы очень рады сотрудничеству с компанией «СИБУР» и считаем его успешным примером взаимодействия науки и бизнеса. Нам удалось не только провести исследование, но и представить его результаты на конференции, создать макетный образец, который включает «электронный нос» и пневматическую систему подачи газов. Это подкреплено совместной заявкой на патент», — добавляет Федоров.