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)