sensores de parÂmetros quÍmicos ph potencial redox oxigênio dissolvido gás carbônico dissolvido
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SENSORES DE PARÂMETROS QUÍMICOS
• pH
• Potencial redox
• Oxigênio dissolvido
• Gás carbônico dissolvido
pH
• Indicadores químicos
• Medidores de eletrodo
- Indicadores químicos: mudam de cor em função da concentração de íons H+
- Normalmente a substância indicadora está aderida a uma fita de papel ou plástico
- Apresentam a desvantagem de não permitir leitura nem obtenção contínua de valores
Medidores de eletrodo- São os mais amplamente empregados- A maioria são do tipo potenciométrico, no qual a
concentração de H+ é convertida em sinal elétrico
- O tipo de eletrodo mais empregado é o de vidro- Normalmente são eletrodos combinados (de
medição e de referência)- Para bioprocessos o eletrodo tem que ser
esterilizável e, de preferência, do tipo blindado- Eletrodos para esterilização in situ devem conter
um compartimento para equilíbrio da pressão
Esquema de um eletrodo de pH esterilizável.
Eletrodo de referência
Diafragma
Eletrodo de medida
Membrana de vidro
Esquema de um eletrodo combinado desenhado para esterilização em autoclave.
Medida de pH em bioprocessos
• Eletrodos combinados de vidro
Finalidades:- Preparo de meio de fermentação- Estudo da condição ideal para um bioprocesso- Recuperação de produtos- Manutenção do pH adequado durante um
bioprocesso- Indicação do término do processo
- Não determina seletivamente o tipo de oxidante ou redutor
- Depende muito do valor do pH
Potencial redox
- O potencial redox quantifica a existência de agentes oxidantes ou agentes redutores num líquido.
- A medição deste parâmetro é relativamente eficiente tendo em consideração o seu custo, no entanto também tem algumas desvantagens, como:
- Concretiza-se pela medição do potencial elétrico (em mV – milivolts) entre os diferentes átomos e moléculas presentes num meio líquido - Medido com um eletrodo combinado de platina e de referência- Existem também os eletrodos combinados para pH e potencial redox
A relação entre o potencial redox e a atividade celular ainda não está bem estabelecida
Uma das aplicações é o monitoramento de baixos níveis de oxigênio dissolvido (< 1 ppm) em processos anaeróbios, nos quais a formação de produto pode ser sensível ao potencial redox
Oxigênio dissolvido- Medido por eletrodo eletroquímico- Princípio de funcionamento é a redução do
oxigênio, o que gera uma corrente que é amplificada e medida ou transformada numa voltagem que é medida, dependendo do tipo de eletrodo.
- As sondas podem ser:Galvânica (potenciométrica)Polarográfica (amperométrica)
Nos dois tipos ocorre a reação de redução do oxigênio no catodo:
O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH-
Na sonda galvânica, ocorre a reação de oxidação do chumbo no anodo:
2 Pb 2 Pb2+ + 4 e-
A corrente gerada provoca uma voltagem que é medida e está correlacionada com o fluxo de oxigênio que chega na superfície do catodo.
Na sonda polarográfica ocorre a reação de oxidação da prata no anodo:
2 Ag + 2 Cl- 2 AgCl + 4 e-
Nos dois tipos ocorre a reação de redução do oxigênio no catodo:
O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH-
A corrente resultante é medida e está correlacionada com o fluxo de oxigênio que chega na superfície do catodo.
Esquema de uma sonda de oxigênio dissolvido tipo polarográfica.
Anodo
Eletrólito Capa
Isolante
Catodo
Membrana
Esquema de uma sonda de oxigênio dissolvido tipo polarográfica.
Isolamento
Eletrólito
Fio de platina
O-ring
Membrana
Catodo de platina
Anodo
As sondas medem a pressão parcial (ou atividade) do oxigênio, e não a sua concentração
A partir de uma situação de equilíbrio, ou seja, saturação do líquido, a atividade do oxigênio está relacionada com sua pressão parcial e as leituras das sondas são dadas em porcentagem da saturação
A determinação da porcentagem de oxigênio dissolvido em função do tempo, é uma das principais funções das sondas de OD.
A solubilidade do O2 em água pura, a 25 oC, é igual a 7,39 mg/L e, a 30 oC, é igual a 7,63 mg/L.
Solubilidade do gás oxigênio em água a várias temperaturas, na pressão atmosférica de 1 atm (760 mmHg).
Solubilidade do O2 em água, a 1 atm de O2, a várias temperaturas e soluções de sal ou ácidos, a 25 oC.
Medida de oxigênio dissolvido em bioprocessos
• Sondas polarográficas
• São feitas medidas em linha (com registro contínuo)
Finalidades:
- Estudo da condição ideal para um bioprocesso (kLa)
- Manutenção da concentração adequada de oxigênio dissolvido durante um bioprocesso
- Estudos de ampliação de escala (kLa)
- Balanço gasoso em processos fermentativos aeróbios
CO2 dissolvido
- Medido por eletrodo eletroquímico- Princípio de funcionamento é a mudança de pH
de uma solução de bicarbonato, provocada pela reação com o CO2. O hidrogênio é quantificado por um eletrodo de pH comum.
Esquema de uma sonda de CO2 dissolvido e do mecanismo de detecção.
Membrana de silicone
Membrana de vidro
Solução tampão
Eletrodo de referência Ag/AgCl
Eletrólito
Eletrodo combinado Ag/AgCl
Membrana de vidroEletrólito
Membrana de silicone
Fase líquida
Eletrodo de pH
Foto de uma sonda de CO2 dissolvido.
Medida de CO2 dissolvido em bioprocessos
• Sonda de CO2
• São feitas medidas em linha (com registro contínuo)
Finalidades:
- Balanço gasoso em processos fermentativos aeróbios
Biosensores
Um biosensor pode ser definido como um sensor que combina a atividade seletiva de um elemento biológico sensível ao analito de interesse com um transdutor que converte o sinal biológico em um sinal elétrico proporcional à concentração do analito.
De uma forma geral, são dispositivos à base de substâncias como uma enzima, um anticorpo, uma proteína, DNA, etc., cuja função é determinar, de forma seletiva, as concentrações de diversas substâncias.
Sinal
Microrga-nismo ou enzima
Receptor bioativo
Transdutor Amplificação e tratamento do sinal
Biossensor
Amostra ou padrão
Esquema geral de um biossensor.
Uma das montagens de um biossensor consiste da imobilização de um microrganismo ou enzima de forma a permitir seu contato com o analito. Paralelamente usa-se um dispositivo (eletroquímico) para quantificar o produto da ação do agente biológico (produto de uma reação bioquímica).
Substrato Enzima Produto
β-D-glicose Glicose oxidase H2O2 (O2)
Sacarose Invertase H2O2
Lactose β-galactosidase H2O2
Uréia Urease NH4+, H2O2
Penicilina Penicilinase H+
Exemplos de sistemas enzimáticos em biossensores.
Esquema de um eletrodo para detecção de uréia construído por imobilização de urease em um gel fixado num eletrodo de vidro.
Camada de gel com
urease de gu
Eletrodo de vidro
Uréia NH4+ vidro HCO3
-
Sistema enzimático com termistor: 1- coluna com enzima, 2- coluna de referência.
Outra possibilidade é o emprego de um calorímetro (ou outra forma de quantificar calor), medindo-se a quantidade de calor liberada pela reação bioquímica.
Tampão
Amostra
Bomba
Registrador
Medida de Temperatura
Saída de amostraSaída de amostra
Vantagens de se imobilizar enzimas:• Reuso de enzimas de alto valor• Enzimas imobilizadas são menos susceptíveis a
inibição por outros componentes
Quando o analito precisa passar por reações em multi-etapas ou reações acopladas, o sistema com células imobilizadas torna-se de grande importância.
Células imobilizadas proporcionam um meio conveniente, em muitos casos, para transformar o componente a ser analisado em um composto detectável.
Componente analisado
Organismo empregado
Princípio de medida
Dispositivo de detecção
Amônia Nitrobacter sp Consumo simultâneo de O2
Sonda de O2
Cefalosporina Citrobacter freundii
Liberação de H+ Eletrodo de pH
Ácido fórmico Clostridium butiricum
Produção de H2 Eletrodo de células de combustível
Ácido glutâmico Escherichia coli Produção de CO2 Sonda de CO2
Exemplos de sensores microbianos para análise de fluidos.
Análise de gases de exaustão
• CO2
Espectrofotômetro de Infravermelho
Condutibilidade térmica
Cromatografia em fase gasosa
Espectrometria de massa
Espectrômetro de Infravermelho
Todas as substâncias, orgânicas e inorgânicas, possuem espectros de absorção característicos na região do infravermelho.
Se uma radiação infravermelha passar através de uma amostra, determinados comprimentos de onda de energia são absorvidos, na proporção das concentrações dos vários componentes da amostra.
A avaliação do tipo e da quantidade de energia absorvida fornece a medida da concentração de um componente entre vários que fazem parte da amostra.
Hélio, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e outros gases monoatômicos não podem ser dosados por infravermelho.
Esquema de um medidor por radiação infravermelha.
1. Radiador
2. Tubo separador de radiações
3. Câmara de medição
4. a - entrada de amostra b - saída de amostra
5. Câmara de recepção
6. Canal de interligação
7. Sonda de fluxo
8. Câmara de referência
4b
4a
Medidor de condutibilidade térmica
- Todos os gases e vapores conduzem e transferem calor em quantidades diferentes
- Esta característica é usada para se determinar a concentração de diversos gases
- O funcionamento do medidor se baseia na alteração da resistência de um resistor quando sua temperatura é alterada pela troca de calor com o gás de análise, a qual ocorre na proporção direta da concentração do gás na amostra
- A alteração da resistência altera a voltagem de equilíbrio num circuito tipo ponte de Wheatstone
Esquema de um medidor por condutibilidade térmica.
• O2
Analisadores paramagnéticos
Cromatografia em fase gasosa
Sonda polarográfica
Espectrômetro de massa
Existem 3 tipos de analisadores paramagnéticos para oxigênio:
Analisador por deflexão
Analisador térmico
Analisador de duplo gás
Esquema de um analisador paramagnético por deflexão.
O medidor por deflexão é composto por um corpo capaz de girar livremente em torno de um único eixo. O oxigênio contido no gás que entra no instrumento é atraído pelo campo magnético, fazendo esse corpo girar. Essa rotação é medida pela deflexão do feixe de luz captado pela foto-célula.
O oxigênio é atraído para um forte campo magnético. A maioria dos outros gases não é. Este paramagnetismo é utilizado para obter medições rápidas e precisas.
Cria-se um campo magnético concentrado. Qualquer concentração de oxigênio presente será atraída para a parte mais forte do campo magnético.
Duas esferas de vidro preenchidas com nitrogênio são afixadas sobre um suporte rotatório, dentro de um campo magnético.
Um espelho é montado no centro do suporte. Uma fonte de luz incide sobre o espelho e a luz refletida é direcionada para um par de fotocélulas. O oxigênio atraído para o campo magnético deslocará as esferas de nitrogênio, acarretando a rotação do suporte. As fotocélulas detectarão o movimento e enviarão um sinal.
O sinal gerado pelas fotocélulas é repassado para um sistema de realimentação. Este sistema enviará uma corrente ao fio instalado em volta das esferas de nitrogênio. Isso causa um efeito motor, que manterá as esferas em sua posição original. A intensidade de corrente medida no fio será diretamente proporcional à concentração de oxigênio contido na mistura gasosa.
• H2
Cromatografia em fase gasosa
Espectrometria de massa
• Componentes voláteis como etanol, acetaldeído e ácidos carboxílicos
Cromatografia em fase gasosa
Espectrômetro de massa
• CH4
Cromatografia em fase gasosa
Espectrometria de massa
Preparo da amostra gasosa
- Sobretudo para determinação do teor de CO2 e de O2, é necessário desumidificar o efluente gasoso (amostra) antes de sua entrada nos analisadores
- Isto se faz necessário para evitar danos à célula de amostra, no caso do espectrofotômetro de infravermelho (CO2), e para evitar desvios de leitura, no caso do analisador paramagnético (O2)
Esquema de um sistema de preparação de amostra gasosa.
1. Sonda para tomada de gás
2. Válvula de três vias
3. Resfriador de gás
4. Recipiente para água de condensação
5. Filtro para H2S
6. Filtro para H2SO4
7. Filtro de membrana
8. Aparelho analisador
9. Fonte de alimentação
10.Tubo U para teste de densidade
11.Bomba de aspiração
Esquema de um sistema computadorizado para análise de gases de exaustão.
Obs.: Embora o esquema anterior seja para análise por espectrometria de massa, esta montagem pode ser feita para análise dos gases de exaustão empregando-se outros tipos de analisadores
Análise dos gases de exaustão em bioprocessos
Finalidades:- Balanço gasoso em processos fermentativos
- Gases como produto de fermentação (CH4, H2)
- Compostos voláteis como produto de fermentação
- Indicativo de atividade celular (CO2)
- Informações sobre o andamento da fermentação (voláteis)