SENSORES DE PARÂMETROS QUÍMICOS

Apresentação em tema: "SENSORES DE PARÂMETROS QUÍMICOS"— Transcrição da apresentação:

1 SENSORES DE PARÂMETROS QUÍMICOS
pH Potencial redox Oxigênio dissolvido Gás carbônico dissolvido

2 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

3 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

4 Esquema de um eletrodo de pH esterilizável.
Eletrodo de referência Diafragma Eletrodo de medida Membrana de vidro Esquema de um eletrodo de pH esterilizável.

5 Esquema de um eletrodo combinado desenhado para esterilização em autoclave.

6 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

7 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: - Não determina seletivamente o tipo de oxidante ou redutor - Depende muito do valor do pH

8 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

9 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)

10 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 Pb e- A corrente gerada provoca uma voltagem que é medida e está correlacionada com o fluxo de oxigênio que chega na superfície do catodo.

11 Nos dois tipos ocorre a reação de redução do oxigênio no catodo:
O2 + 2 H2O + 4 e-  4 OH- Na sonda polarográfica ocorre a reação de oxidação da prata no anodo: 2 Ag + 2 Cl-  2 AgCl + 4 e- A corrente resultante é medida e está correlacionada com o fluxo de oxigênio que chega na superfície do catodo.

12 Esquema de uma sonda de oxigênio dissolvido tipo polarográfica.
Anodo Eletrólito Capa Isolante Catodo Membrana Esquema de uma sonda de oxigênio dissolvido tipo polarográfica.

13 Esquema de uma sonda de oxigênio dissolvido tipo polarográfica.
Anodo Isolamento Eletrólito Fio de platina O-ring Catodo de platina Membrana Esquema de uma sonda de oxigênio dissolvido tipo polarográfica.

14 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.

15 Solubilidade do gás oxigênio em água a várias temperaturas, na pressão atmosférica de 1 atm (760 mmHg).

16 Solubilidade do O2 em água, a 1 atm de O2, a várias temperaturas e soluções de sal ou ácidos, a 25 oC.

17 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

18 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.

19 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 Fase líquida Eletrodo de pH Esquema de uma sonda de CO2 dissolvido e do mecanismo de detecção.

20 Foto de uma sonda de CO2 dissolvido.

21 Medida de CO2 dissolvido em bioprocessos
Sonda de CO2 São feitas medidas em linha (com registro contínuo) Finalidades: Balanço gasoso em processos fermentativos aeróbios

22 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.

23 Microrga-nismo ou enzima
Sinal Microrga-nismo ou enzima Receptor bioativo Transdutor Amplificação e tratamento do sinal Biossensor Amostra ou padrão Esquema geral de um biossensor.

24 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 Uréia Urease NH4+, H2O2 Penicilina Penicilinase H+ Exemplos de sistemas enzimáticos em biossensores.

25 Camada de gel com urease
de gu Eletrodo de vidro Uréia NH4+ vidro HCO3- Esquema de um eletrodo para detecção de uréia construído por imobilização de urease em um gel fixado num eletrodo de vidro.

26 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 amostra Sistema enzimático com termistor: 1- coluna com enzima, 2- coluna de referência.

27 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.

28 Exemplos de sensores microbianos para análise de fluidos.
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.

29 Análise de gases de exaustão
CO2 Espectrofotômetro de Infravermelho Condutibilidade térmica Cromatografia em fase gasosa Espectrometria de massa

30 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.

31 Esquema de um medidor por radiação infravermelha.
4b 4a Radiador Tubo separador de radiações Câmara de medição a - entrada de amostra b - saída de amostra 5. Câmara de recepção 6. Canal de interligação 7. Sonda de fluxo 8. Câmara de referência Esquema de um medidor por radiação infravermelha.

32 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

33 Esquema de um medidor por condutibilidade térmica.

34 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

35 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. Esquema de um analisador paramagnético por deflexão.

36 O oxigênio é atraído para um forte campo magnético
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.

37

38 H2 Cromatografia em fase gasosa Espectrometria de massa CH4 Cromatografia em fase gasosa Espectrometria de massa Componentes voláteis como etanol, acetaldeído e ácidos carboxílicos Cromatografia em fase gasosa Espectrômetro de massa

39 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)

40 Esquema de um sistema de preparação de amostra gasosa.
Sonda para tomada de gás Válvula de três vias Resfriador de gás Recipiente para água de condensação Filtro para H2S Filtro para H2SO4 Filtro de membrana Aparelho analisador Fonte de alimentação Tubo U para teste de densidade Bomba de aspiração Esquema de um sistema de preparação de amostra gasosa.

41 Esquema de um sistema computadorizado para análise de gases de exaustão.

42 Análise dos gases de exaustão em bioprocessos
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)