ES2315122B1 - Sensor perfeccionado para la medida de la toxicidad del agua. - Google Patents
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Abstract
Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad del agua.
La invención se basa en un sensor de medida para
la toxidad del agua y consiste en una red de
micro-electrodos recubiertos de una membrana y de
un biofilm. La red de micro-electrodos puede ser
estándar, y es posible su funcionamiento con un único electrodo,
aunque ello acarrearía una perdida de sensibilidad. La membrana se
usa para evitar la pasivación del electrodo por las bacterias
presentes en el agua, y se utilizará en una de las realizaciones
posibles "Nafion", aunque también es posible que el sensor
trabaje sin membrana, pero ello iría en contra de un funcionamiento
adecuado. Mediante la medida del oxígeno (relacionada con la
respiración de las bacterias) se puede determinar la contaminación
de las aguas, dado que la presencia de sustancias tóxicas inhibe la
respiración de las bacterias.
Description
Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad del agua.
La presente solicitud de Patente de Invención
consiste conforme indica su enunciado en un "Sensor perfeccionado
para la medida de la toxicidad del agua", cuyas nuevas
características de construcción, conformación y diseño, cumplen la
misión para la que específicamente ha sido proyectado con una
seguridad y eficacia máximas.
Más concretamente, la invención se basa en un
sensor de medida para la toxicidad del agua y consiste en una red
de micro-electrodos recubiertos de una membrana y
de un biofilm. La red de micro-electrodos puede ser
estándar, y es posible su funcionamiento con un único electrodo,
aunque ello acarrearía una perdida de sensibilidad. La membrana se
usa para evitar la pasivación del electrodo por las bacterias
presentes en el agua, y se utilizará en una de las realizaciones
posibles "Nafion", aunque también es posible que el sensor
trabaje sin membrana, pero ello iría en contra de un funcionamiento
adecuado. Mediante la medida del oxígeno (relacionada con la
respiración de las bacterias) se puede determinar la contaminación
de las aguas, dado que la presencia de sustancias tóxicas inhibe la
respiración de las bacterias.
La finalidad de la invención es como su título
indica determinar la contaminación de las aguas, muy necesaria, por
cuanto la medida del oxígeno en el agua proveniente de la
respiración de las bacterias, permite evaluar la contaminación del
agua. La invención puede ser aplicada como una forma de sensor en
sistemas de alarma de agua residuales, por ejemplo en el diseño de
un sistema de producción de alarmas en continuo de afluentes, donde
eventualmente pueden aparecer sustancias tóxicas de forma puntual.
Otra aplicación sería utilizar el sensor preconizado en análisis
puntuales de toxicidad empleando electrodos de un solo uso.
Existen en el mercado y por tanto pueden ser
considerados como estado de la técnica sensores de toxicidad,
llamados en el sector "respirómetros", es decir medios que
miden el consumo de oxígeno e indican de qué manera dicho consumo
se ve afectado por sustancias tóxicas, pero utilizan otros sistemas
de medir, como por ejemplo células inmovilizadas, emisión de luz y
otros. Estos sistemas convencionales presentan la característica
adicional de que son mucho más grandes. También existen
biosensores, es decir biofilms depositados sobre sensores, pero
ninguno de ellos destinados a la aplicación mostrada en la presente
invención. La toxicidad del agua puede pues ser determinada
mediante diversos sistemas que se basan fundamentalmente en la
respuesta de organismos vivos como peces, algas y bacterias, de
manera que con ellos se diagnostica la toxicidad observando y
midiendo las alteraciones en la fisiología de estos organismos.
Los biofilms son conjuntos de bacterias los
cuales se asocian de forma totalmente espontánea a superficies en
orden a mejorar su ratio de supervivencia en ciertos medios. Los
biofilms que se utilizan en la invención utilizan como medio de
crecimiento un cultivo, que es medido a su vez por un sistema de
electrodos. Sin embargo también podrían utilizarse biofilms que han
crecido de forma natural en el medio de medida. El proceso de
cultivo lleva aproximadamente entre diez y quince días, después
estos biofilms permanecen estables. El consumo de oxígeno en dichos
biofilms está fuertemente influenciado por los parámetros del
entorno, particularmente por la presencia de nutrientes y tóxicos,
y su ratio de respiración puede ser utilizado como un indicador de
toxicidad media.
La invención muestra un biofilm basado en un
dispositivo micro-respirómetro posibilitando la
monitorización de la toxicidad aguda del agua. Todas las mediciones
en las que se han implicado biofilms, fueron realizadas en medios
libres de fuentes de carbono. Por consiguiente en ausencia de
nutrientes, un biofilm se comporta como una mera barrera a la
difusión, dado que el biofilm no requiere una cantidad
significativa de oxígeno. Sin embargo, tan pronto como los
nutrientes estén disponibles, las cantidades de consumo de oxígeno
son un resultado de la actividad metabólica de las bacterias.
El ratio de consumo de oxígeno está afectado por
la presencia de componentes tóxicos, los cuales, si están en
concentraciones elevadas pueden destruir una amplia fracción de las
bacterias que forman el biofilm. A pesar de esto, se precisan
algunas horas para destruir todas las bacterias de un biofilm
desarrollado.
No se conocen antecedentes relevantes de la
invención, por ejemplo en la Patente de Invención japonesa nº
2004-208228 se describe un método y/o aparato de
detección de sustancias tóxicas usando microorganismos biosensores
y membranas sensoras, que a diferencia de la invención preconizada
utilizan una capa celular colocada en el sensor de forma
artificial, mientras que la capa utilizada por la presente invención
es un biofilm, que crece de forma totalmente espontánea y sin
intervención exterior, por otra parte en el antecedente se miden
cambios de volumen del material que se utiliza como electrodo. El
dispositivo de la invención mide exclusivamente corriente de
reducción de oxígeno disuelto en agua. También se conoce la
utilización del Nafion con la misma finalidad, sin embargo en esa
aplicación no se utilizan biofilms. La función de la membrana es la
de evitar la pasivación del electrodo que forma parte del sensor
por parte de las bacterias presentes, y se usa a título meramente
experimental una membrana de Nafion, para evitar que fuera
atravesada por iones, (por ejemplo, de este modo el cloro no afecta
la medida de oxígeno), en cualquier caso el sensor puede funcionar
sin membrana pero su funcionamiento es mucho peor. La utilización
del Nafion aporta la ventaja frente a otras membranas de que aparte
de proteger el electrodo, ofrece una buena resistencia al ataque
químico (por lo que se espera un mayor tiempo de vida útil del
sensor), a la vez que se evita el paso de sustancias electroactivas
cargadas negativamente, como por ejemplo el hipoclorito, que
pudieran existir en el medio y dieran lugar a errores de
estimación.
En definitiva el sistema sirve como indicador de
toxicidad, los resultados pueden ser expresados en porcentajes de
inhibición de la actividad respiratoria. El dispositivo objeto de
la invención puede ser utilizado para el control de la toxicidad en
fuentes de agua sin tratamiento para el consumo humano, y también
en la gestión de desechos en las plantas de tratamiento del agua
reduciendo la toxicidad.
Otros detalles y características de la invención
se irán poniendo de manifiesto en el transcurso de la descripción
que a continuación se da, en la que se hace referencia a las
figuras que se acompañan en la presente memoria. Esta realización
se muestra a título de ejemplo ilustrativo pero no limitativo de la
invención.
La figura nº 1 es un representación
esquematizada de la invención en la que se pueden ver dos válvulas
de regulación del nivel de Nitrógeno y Aire que se mezclan a la
salida de dichas válvulas y que alimentan un baño en el que se
encuentra el sensor, y los correspondientes electrodos.
La figura nº 2 muestra unas gráficas
representativas (a) de la evolución de la repuesta electroquímica
de distintas combinaciones aire-nitrógeno en la
solución empleada en el sensor y (b) de la respuesta del
sensor.
La figura nº 3 es un diagrama representativo
(sin escala) de la estructura interfacial del
micro-respirómetro en solución.
La figura nº 4 es la representación en
ordenadas-abscisas de los valores de las corrientes
de oxígeno registradas en el
micro-respirómetro.
La figura nº 5 es la representación en unos ejes
de ordenadas-abscisas de las tres etapas de
desarrollo del biofilm. La figura nº 6 es una gráfica de las
corrientes de oxígeno registradas en una solución salina saturada
de oxígeno.
En la Fig. 1, se muestra una de las
realizaciones preferidas del objeto de la presente invención, en
donde el sensor precisa al menos de:
- -
- Un bioreactor 1 para la formación de un biofilm.
- -
- Un biofilm 2 con un grosor de entre 20 a 60 micras.
- -
- Unas líneas de aire 3 y nitrógeno 4 controladas y reguladas mediante unas válvulas de nivel 5, 6, que suministran dichos fluidos a una solución 7.
- -
- Una solución 7 formada por agua pura desionizada con una resistividad no menor que 18 M\Omega\cdotcm^{-1}.
- -
- Un micro-electrodo 8 formado por 256 discos, de 10 micras de diámetro ordenados según una distribución espacial cúbica.
- -
- Una protección 9 del electrodo 8 anterior a base de "Nafion".
La protección del electrodo con una membrana
tiene el objetivo de proteger el electrodo de la pasivación por
adsorción de moléculas orgánicas procedentes del medio o del
biofilm. La ventaja del Nafion es que, además de proteger al
electrodo, ofrece una buena resistencia al ataque químico (por lo
que se espera que aporte un mayor tiempo de vida al dispositivo) y
que evite el paso de sustancias electroactivas cargadas
negativamente (como el hipoclorito) que pudiera haber en el medio y
dieran lugar a errores de estimación, aunque podrían usarse
membranas de otro tipo que consiguiesen la protección deseada o
incluso podría no usarse membrana aunque ello reduciría el
rendimiento del electrodo.
El bioreactor para la fabricación del biofilm
para el sensor preconizado, está formado por un cultivo puro de
cualquier tipo de batería con capacidad de formar biofilms y de
llevar a cabo respiración aeróbica, por ejemplo, Pseudomonas
putida el cual ha sido preparado con suministro de oxígeno
controlado y a 37ºC de temperatura. Las bacterias crecen con un
nutriente a base de sales con glucosa. El biofilm se desarrolla
vigorosamente en estado sólido en la superficie del
microespirómetro, en función de la sensibilidad requerida pueden
utilizarse espesores de 20 a 60 micras, aunque son posibles otros
espesores fuera de los valores anteriormente indicados.
El electrodo usado en el sensor y experimentado
conforme a los resultados que se muestran en la figura nº 2, se ha
construido a base de 256 discos, de 10 micrones de diámetro, y
ordenados en una distribución espacial cúbica, con una distancia
entre centros de 100 micras. Otras disposiciones espaciales, tales
como hexagonales o similares son posibles con rendimientos
similares.
Con el fin de proteger de contaminación la
superficie de los electrodos del contacto directo con las bacterias
del biofilm, el micro-electrodo ha sido protegido
con una capa de Nafion a modo de membrana. La membrana no es un
elementos esencial, ya que el sensor puede trabajar sin membrana,
por lo que la naturaleza de la misma será cualquiera siempre que
cumpla los requisitos de impedir el paso de los productos de
desecho bacteriano hasta la superficie del electrodo, y suponga
para el oxígeno solo una mera barrera difusional, que pueda servir
a los propósitos de la invención.
Debido a la naturaleza del sensor propuesto en
esta invención, esquematizado en la figura nº 3, es necesario
determinar el coeficiente de difusión del oxígeno en el Nafion. Las
propiedades del Nafion han sido explicadas extensamente en la
documentación científica. En esta invención los parámetros tenidos
en cuenta son tales como el coeficiente de difusión del oxígeno, la
solubilidad del oxígeno y el coeficiente de distribución del
oxígeno en la mezcla agua-Nafion. En orden a
estimar estos parámetros se han llevado a cabo algunos experimentos
de crono-amperometría, en un entorno de oxígeno
saturado ([O2] = 8.1 ppm).
El crecimiento del biofilm fue seguido
electro-químicamente. Las muestras fueron extraídas
del cultivo y se sumergieron en una solución salina con el oxígeno
suficiente. Bajo estas condiciones, la concentración de oxígeno
disuelto fue siempre de 8.2 +- 0.2 ppm (ca. 0.25 mM).
Descrita suficientemente la presente invención
en correspondencia con las figuras anexas, es fácil comprender que
podrán introducirse en la misma cualesquiera modificaciones de
detalle que se estimen convenientes siempre y cuando no se altere
la esencia de la invención que queda resumida en las siguientes
reivindicaciones.
Claims (12)
1. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua del tipo utilizado para la medida del consumo
de oxígeno y que indica de qué manera queda afectado dicho consumo
de oxigeno por sustancias tóxicas presentes en el agua, también
llamados respirómetros con el fin de evaluar la contaminación del
agua caracterizado porque dicho sensor está formado al menos
por:
- -
- Un biofilm (2) con un espesor en función de la sensibilidad requerida
- -
- Unos medios (5, 6) que regulan unas líneas de suministro (3, 4) de nitrógeno y aire a una solución contenida en un recipiente formando parte de un bioreactor.
- -
- Una red de electrodos (8)
- -
- Una protección (9) para dichos electrodos (8) a base de una membrana.
2. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua según la primera reivindicación
caracterizado porque para la preparación del biofilm para el
sensor se utiliza cualquier tipo de bacteria con capacidad de
formar biofilms y de llevar a cabo respiración aeróbica.
3. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua según la primera reivindicación
caracterizado porque la red de electrodos está formada por,
como mínimo, un electrodo.
4. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua según la primera reivindicación
caracterizado porque cada uno de los electrodos en la red de
electrodos está formado por una pluralidad de discos con una
separación entre centros de los discos que forman un electrodo de
100 micras.
5. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua según la primera reivindicación
caracterizado porque el electrodo está protegido con una
capa de Nafion.
6. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua según la primera reivindicación
caracterizado porque los medios de suministro que regulan
las líneas (3, 4) de oxígeno y nitrógeno son unas válvulas de
nivel.
7. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua según la primera reivindicación
caracterizado porque el sensor dispone de un electrodo
formado por 256 discos de 10 micras de diámetro ordenados
espacialmente en una distribución cúbica.
8. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua según la primera reivindicación
caracterizado porque el sensor dispone de un electrodo
formado por una red de electrodos distribuidos espacialmente de
forma hexagonal o similar.
9. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua según la segunda reivindicación
caracterizado porque el sensor dispone de un cultivo de
Pseudomonas putida.
10. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua según la novena reivindicación en
caracterizado porque dicho cultivo ha sido preparado con un
suministro de oxígeno y nutrientes controlado y a 37ºC de
temperatura.
11. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua según la segunda reivindicación,
caracterizado porque el biofilm ha crecido en el medio de
medida.
12. Sensor perfeccionado para la medida de la
toxicidad en el agua según la primera reivindicación
caracterizado porque dicho sensor está formado al menos
por:
- -
- Un biofilm con un espesor de entre 20 a 60 micras.
- -
- Unas válvulas de nivel (5, 6) que regulan unas líneas (3, 4) de suministro de nitrógeno y aire a una solución contenida en un recipiente (1) formando parte de un bioreactor.
- -
- Una solución formada por agua pura desionizada con una resistividad no mayor de 18 M\Omega\cdotcm^{-1}.
- -
- Un electrodo (8) formado por 256 discos, de 10 micras de diámetro ordenados espacialmente en una distribución cúbica.
- -
- Una protección (9) para el electrodo anterior a base de "Nafión".
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|---|---|---|---|---|
| SE381935B (sv) * | 1974-04-04 | 1975-12-22 | Kaelle Regulatorer Ab | Apparat for metning av akuttoxicitet, spec. hos en delstrom av avloppsvatten |
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-
2006
- 2006-09-16 ES ES200602390A patent/ES2315122B1/es not_active Withdrawn - After Issue
Non-Patent Citations (2)
| Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2315122A1 (es) | 2009-03-16 |
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