SENSORES DE PARÂMETROS
QUÍMICOS
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•
•
•
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
Eletrodo de referência
Diafragma
Eletrodo de medida
Membrana de vidro
Esquema de um eletrodo de pH esterilizável.
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
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
- 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 OHNa 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.
Nos dois tipos ocorre a reação de redução do
oxigênio no catodo:
O2 + 2 H2O + 4 e-  4 OHNa 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.
Capa
Eletrólito
Anodo
Isolante
Catodo
Membrana
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.
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.
Eletrólito
Eletrodo de referência Ag/AgCl
Eletrodo combinado Ag/AgCl
Solução tampão
Membrana de vidro
Membrana de silicone
Eletrodo de pH
Membrana de vidro
Eletrólito
Membrana de silicone
Fase líquida
Esquema de uma sonda de CO2 dissolvido e do
mecanismo de detecção.
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.
Biossensor
Microrganismo ou
enzima
Amostra
ou padrão
Receptor
bioativo
Transdutor
Amplificação e
tratamento do sinal
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).
Exemplos de sistemas enzimáticos em biossensores.
Substrato
Enzima
Produto
β-D-glicose
Glicose oxidase
H2O2 (O2)
Sacarose
Invertase
H2O2
Lactose
β-galactosidase
H2O2
Uréia
Urease
NH4+, H2O2
Penicilina
Penicilinase
H+
Eletro
do de
vidro
Camada
de gel
com
urease
de
gu
Uréia
vidro
NH4+
HCO3-
Esquema de um eletrodo para detecção de uréia
construído por imobilização de urease em um gel fixado
num eletrodo de vidro.
Outra possibilidade é o emprego de um calorímetro (ou
outra forma de quantificar calor), medindo-se a quantidade
de calor liberada pela reação bioquímica.
Saída de amostra
Tampão
Saída de amostra
Bomba
Amostra
Medida de
Temperatura
Registrador
Sistema enzimático com termistor: 1- coluna com enzima,
2- coluna de referência.
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 multietapas 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.
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
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.
1. Radiador
2. Tubo separador de
radiações
3. Câmara de medição
4b
4. a - entrada de amostra
b - saída de amostra
5. Câmara de recepção
6. Canal de interligação
7. Sonda de fluxo
4a
8. Câmara de referência
Esquema de um medidor por radiação
infravermelha.
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
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.
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
• CH4
Cromatografia em fase gasosa
Espectrometria de massa
• Componentes voláteis como etanol, acetaldeído
e ácidos carboxílicos
Cromatografia em fase gasosa
Espectrômetro 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)
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 de preparação de
amostra gasosa.
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)