ES2331767B1 - Celda de medida, analizador, procedimiento, programa de ordenador y soporte de dicho programa para medir dbo. - Google Patents
Celda de medida, analizador, procedimiento, programa de ordenador y soporte de dicho programa para medir dbo. Download PDFInfo
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Abstract
Celda de medida, analizador, procedimiento,
programa de ordenador y soporte de dicho programa para medir
DBO.
Esta invención concierne a un analizador para
medir, preferentemente in-situ y en
continuo, la demanda bioquímica de oxígeno de una sustancia, que
comprende un circuito (202) de flujo por el cual fluye la sustancia
analizada, comprendiendo dicho circuito (202) un conjunto de al
menos un tipo de bacterias que interacciona con la sustancia
disminuyendo su concentración de oxígeno.
Según esta invención, el analizador está
caracterizado porque el circuito (202) comprende una serie de
soportes poliméricos (212) colonizados por dichas bacterias,
estando adaptado el circuito para que la sustancia entre en
contacto de forma necesaria y consecutiva con cada soporte
polimérico (212).
Description
Celda de medida, analizador, procedimiento,
programa de ordenador y soporte de dicho programa para medir
DBO.
La presente invención se refiere principalmente
a una celda de medida, a un analizador que comprende dicha celda, a
un procedimiento, a un programa de ordenador y a un soporte para
dicho programa, para medir, preferentemente
in-situ y en continuo, la Demanda Bioquímica
de Oxígeno (DBO) en una sustancia, para por ejemplo estimar la
presencia de materia orgánica en dicha sustancia, como por ejemplo
agua de lagos o ríos, aguas residuales o productos de procesos
industriales.
La presencia de oxígeno disuelto es fundamental
para la vida de la fauna y la flora acuática aerobia, dado que su
supervivencia depende de la presencia de ciertas concentraciones
mínimas de esta sustancia vital en las aguas. Sin embargo, en los
lagos, lagunas, ríos, etc., cercanos a zonas altamente urbanizadas o
industrializadas se produce frecuentemente una disminución de la
concentración de oxígeno disuelto, debido a la considerable
contaminación de sus aguas. La causa principal de la desoxigenación
del agua puede atribuirse a la presencia de sustancias que, en
conjunto, se denominan "residuos con requerimiento de oxígeno".
Se trata de compuestos que se degradan o se descomponen fácilmente
debido a la actividad bacteriana aeróbica. Estas bacterias los
utilizan como alimento, originando una caída de la concentración de
oxígeno disuelto como consecuencia de su propia respiración.
El ensayo que se ha utilizado tradicionalmente
para evaluar en qué medida se degrada la materia orgánica presente
en las aguas es el de la Demanda Bioquímica de Oxígeno en cinco
días (DBO_{5}). Dicho método resulta lento puesto que se realiza
en el laboratorio y requiere 5 días para la obtención de los
resultados.
Una alternativa desarrollada recientemente ha
sido la utilización de sensores químicos sobre fibra óptica
(conocidos generalmente como FOCS), que permiten realizar
mediciones más rápidas de la DBO. Los FOCS conocidos se basan
generalmente en mediciones de luminiscencia. En términos generales,
para hacerlos funcionar, se lanza primeramente radiación de una
fuente de luz por un selector de longitud de onda. La radiación es
transportada por una fibra óptica a la capa reactiva. La capa
reactiva está formada por un polímero dopado con un indicador
químico apropiado, de forma que una propiedad óptica del indicador
experimenta un cambio medible al producirse una interacción
selectiva con la sustancia que se quiere detectar.
La capa reactiva modifica la luz incidente y la
radiación modificada se envía por fibra óptica a un fotodetector.
La señal obtenida es amplificada, analizada y comparada con la luz
inicialmente emitida. Las diferencias entre ambas permiten deducir
las concentraciones del analito que se pretende estudiar.
Otra alternativa, que puede verse como caso
particular de los FOCS, son los biosensores. En el caso de un
biosensor, la capa reactiva se cubre con una segunda capa que
contiene una biomolécula o masa biológica (por ejemplo un enzima,
anticuerpo, bacterias o células) capaz de reconocer específicamente
la sustancia de interés. Como resultado de la interacción entre la
capa biológica y la sustancia que se estudia, se produce una
reacción que es detectada por un elemento sensible que contiene el
indicador químico.
La obtención de resultados fiables depende en
buena medida del diseño del biosensor y sus componentes, además del
método de fabricación del mismo.
En Wolfbeis, O.S. et al., Anal.
Chem., 1994, 66, 1841-1846 se
describe un biosensor para la medición de DBO en aguas residuales
que comprende a) una capa sensible al oxígeno la cual comprende
perclorato de
tris(4,7-difenil-1,10-fenantrolina)rutenio(II)
inmovilizado sobre poliéster; b) una capa biológica que comprende
Trichosporon cutaneum inmovilizado sobre poli(alcohol
vinílico); y c) una tercera capa de policarbonato para retener las
células bacterianas. Los tiempos de respuesta obtenidos con dicho
dispositivo sensor varían entre los 5 y los 10 minutos con un
intervalo dinámico de DBO comprendido entre 0 y 110 mg/L.
En Orellana, G.; Moreno-Bondi,
M.C. et al. Anal. Chem., 2001, 73,
5150-5156 se describe una capa fotosensible de
tris(4,7-difenil-1,10-fenantrolina)rutenio(II)
inmovilizado en silicona recubierta por una capa de un copolímero a
base de metacrilato de dodecilo y un monómero acrílico que contiene
fosforilcolina, la cual reduce la adhesión de bacterias marinas y
trombocitos sobre la superficie de dicha capa fotosensible.
Como se deduce del estado de la técnica, en el
desarrollo de un biosensor para la medición de la DBO hay que tener
en cuenta diversas variables como, por ejemplo, la especie
fotosensora, la matriz sobre la cual se va a inmovilizar y la forma
de inmovilización, así como la naturaleza de la biomasa, siendo de
una enorme relevancia el diseño y disposición de los diferentes
elementos que componen el dispositivo de medida. Variaciones en
cualquiera de dichas variables pueden conducir a una mejora o una
merma en el funcionamiento del FOCS.
Es pues objetivo de la presente invención el
proporcionar un analizador y un procedimiento de medición de la DBO
mejorados, que permita su utilización in situ y en continuo
en aplicaciones medioambientales e industriales.
Un primer aspecto de la invención se refiere a
una celda de medida para medir la Demanda Bioquímica de Oxígeno
(DBO) en una sustancia, que comprende un circuito de flujo adaptado
para que fluya en él la sustancia, comprendiendo dicho circuito un
conjunto de al menos un tipo de bacterias que interacciona con la
sustancia disminuyendo la concentración de oxígeno de la
sustancia.
Según este primer aspecto de la invención, esta
celda está caracterizada porque el circuito comprende una serie de
soportes poliméricos colonizados por dichas bacterias, estando
adaptado el circuito para que la sustancia entre en contacto de
forma necesaria y consecutiva con cada soporte polimérico.
Preferentemente, la sustancia pasa a través de cada soporte
polimérico colonizado. En general, la sustancia tiene que ser lo
suficientemente líquida como para poder fluir a través de la celda,
sabiendo que en el ámbito de esta invención, está sustancia puede
ser por ejemplo un agua cargada con restos sólidos, un fango espeso
o un producto de un proceso industrial como por ejemplo la
fabricación de la cerveza.
Preferentemente, las bacterias que se emplean
para colonizar dicho soporte polimérico son:
- \circ
- del tipo Pseudomonas putida o
- \circ
- bacterias presentes en la sustancia a analizar o
- \circ
- combinaciones entre bacterias del tipo Pseudomonas putida y bacterias presentes en la sustancia a analizar.
Ventajosamente, una celda según la invención
está dividida pues en unidades discretas de reacción (una unidad
por cada soporte polimérico). Cada unidad discreta de reacción es
preferentemente el espacio que ocupa cada soporte polimérico
colonizado por bacterias al que se le puede añadir, dependiendo de
la realización, su entorno más próximo.
La celda es, excepto la entrada y salida de la
sustancia analizada es decir el principio y el final del circuito
dentro de la celda, un conjunto estanco sin entrada intermedia de
oxígeno o disoluciones. Una celda según la invención ofrece las
siguientes ventajas frente a una celda del estado de la técnica
anterior (es decir que contenga un biosensor puntual):
- -
- se amplía el intervalo de medida de concentración de materia orgánica degradable. Esto se lleva a cabo gracias a la concatenación de cámaras sucesivas por las que pasa (y se degrada) la muestra secuencialmente, pudiéndose compartimentar la reacción en varios bloques discretos que pueden ser observados individualmente,
- -
- se posibilita el que se pueda adaptar la sensibilidad del analizador en su conjunto a la carga orgánica de la sustancia a través de un programa de ordenador que tiene en cuenta los resultados individuales de las mediciones realizadas en cada una de las cámaras monitorizadas. Esto permite garantizar una elevada precisión tanto a baja como a alta concentración de materia orgánica y ofrece ventajas adicionales relacionadas con el tratamiento de las múltiples mediciones.
Este sistema de medidas realizadas por
compartimentos ofrece una gran flexibilidad al analizador, no
disponible en equipos basados en un biosensor puntual del estado de
la técnica anterior, lo que permite mantener una elevada
sensibilidad y garantizar un amplio intervalo de medida de
concentración para un analizador que comprenda una celda según la
invención.
El motivo por el cual el concepto de
compartimentalización implementado mediante este diseño constituye
la solución óptima es consecuencia de la propia naturaleza física
del medio de reacción, es decir, del soporte polimérico colonizado
por bacterias: como este soporte polimérico colonizado es sólido y
estático, el conjunto de este soporte con la sustancia que lo
atraviesa se aleja completamente del concepto de "mezcla (cuasi)
instantánea" que se produce, por ejemplo, en un reactor biológico
con agitación, en el que el sustrato y el catalizador biológico se
encuentran ambos disueltos o en suspensión en un medio líquido.
Dado que la sustancia realiza un recorrido
definido por el circuito de la invención atravesando secciones de
soporte polimérico colonizado (también denominado membrana
colonizada) por bacterias inmovilizadas, para una misma muestra, y
en condiciones de flujo a caudal constante, la degradación de la
muestra se produce secuencialmente y por tramos, de forma
relacionada con la posición de la disolución en un momento dado a
lo largo del circuito, también llamado camino de reacción. Se
facilita al mismo tiempo, en el conjunto del circuito, una elevada
superficie total de reacción.
De este modo cuando es preciso medir una muestra
con muy baja carga orgánica, la elevada superficie de soporte
polimérico (total de todos ellos) permite una medición realizada
por el conjunto de la celda, proporcionando una elevada
sensibilidad. Sin cambiar de configuración, cuando se introduce una
muestra con elevada carga orgánica, la medida de lo sucedido en la
primera cámara de reacción permite la realización de una medida
analíticamente útil dentro del intervalo lineal de medida de
oxígeno disuelto, y antes de que se produzca la desoxigenación
completa de la muestra, debido al exceso de sustrato orgánico, que
sería la consecuencia inevitable en caso de emplear un equipo
basado en una única gran membrana con sensor en el camino de
reacción.
Como resulta evidente, el aunar ambas
características - alta sensibilidad y capacidad de tratar muestras
con bajo y alto contenido orgánico - es una ventaja de una celda
conforme a la presente invención. Una celda de estas características
permite construir un analizador útil para la medida automática,
desatendida (por ejemplo in-situ) y en
continuo de la DBO.
Según una realización, el circuito comprende
unas cámaras, unidas entre sí por unos conductos, estando cada
soporte polimérico situado en una cámara. Los conductos pueden ser
preferiblemente cilíndricos y las cámaras pueden ser preferiblemente
ovaladas. Los soportes poliméricos están alojados en las
cámaras.
En una realización, el circuito comprende al
menos dos capas sensibles al oxígeno, estando superpuestas al menos
la primera de estas capas sobre el primer soporte polimérico de la
serie y la segunda de estas capas sobre el último soporte polimérico
de la serie. Gracias a estas capas sensibles al oxígeno, se obtiene
una indicación del oxígeno presente en los soportes poliméricos que
contienen las bacterias inmovilizadas, sobre los cuales están
dispuestas las capas sensibles al oxígeno.
Según una realización, cada capa sensible al
oxígeno comprende un indicador que tiene alguna característica
óptica que varía en función de la concentración del oxígeno,
preferentemente la luminiscencia del indicador. Por ejemplo, el
indicador puede ser una sal de
tris(4,7-difenil-1,10-fenantrolina)rutenio(II)
o una sal de tris
[4,7-di(4-bifenilil)-1,10-fenantrolina]rutenio(II)
o una combinación entre ambas sales. La característica óptica es en
estos casos la luminiscencia.
Preferentemente, cada capa sensible al oxígeno
es a su vez un conjunto de subcapas, que comprende otro soporte
polimérico de silicona y un indicador, en donde dicho soporte
polimérico a base de silicona comprende (i) una primera subcapa de
silicona que comprende sílice amorfa, y (ii) una segunda subcapa de
una silicona que recubre a dicha primera subcapa.
En una realización, la celda de medida tiene al
menos dos cavidades, estando sellado el fondo de cada cavidad por
un elemento de estanqueidad, estando adaptadas las cavidades para
poder alojar cada una de ellas por lo menos una extremidad de una
fibra óptica para poder recoger a través del elemento de
estanqueidad respectivo las variaciones de la característica óptica
del indicador de la capa sensible al oxígeno respectiva.
Preferentemente, el elemento de estanqueidad entre cada unidad
discreta de reacción y la extremidad de la fibra óptica
correspondiente es una capa (por ejemplo de plástico) transparente
o translúcida por lo menos para las longitudes de onda de las
radiaciones que van a atravesar dicha capa y que son de interés para
la medición de la DBO, tapando dicha capa transparente o
translúcida la cavidad.
Un segundo aspecto de la presente invención se
refiere a un analizador para medir la demanda bioquímica de oxígeno
en una sustancia que comprende un circuito de flujo adaptado para
que fluya en él la sustancia, comprendiendo dicho circuito un
conjunto de al menos un tipo de bacterias que interacciona con la
materia orgánica presente en la sustancia disminuyendo la
concentración de oxígeno en la sustancia.
Según este segundo aspecto de la invención, este
analizador está caracterizado porque el circuito comprende una
serie de soportes poliméricos colonizados por dichas bacterias,
estando adaptado el circuito para que la sustancia entre en contacto
de forma necesaria y consecutiva con cada soporte polimérico.
Preferentemente, la sustancia pasa a través de cada soporte
polimérico colonizado.
Se puede obtener, gracias a un analizador
conforme a esta invención, un instrumento para medir de forma
automática e in-situ la demanda bioquímica de
oxígeno. Esta medida puede ser una estimación para prever lo que
sería la medida de la DBO5 de la misma sustancia. La realización de
estas mediciones se puede hacer en continuo con una mayor
sensibilidad y vida media.
Según una realización, el analizador comprende
una celda de medida según una de las realizaciones del primer
aspecto de la invención. En esta realización, cuando la celda de
medida tiene capas sensibles al oxigeno que comprenden un indicador
que posee alguna característica óptica que varía en función de la
concentración del oxígeno, el analizador puede comprender medios de
detección para detectar la señal óptica proveniente de cada capa
sensible al oxígeno cuando las capas sensibles al oxígeno están
iluminadas por una fuente de luz. La fuente de luz puede estar
comprendida en el analizador y puede estar acoplada a un selector de
longitud de onda. La fuente de luz y/o los medios de detección
pueden comprender fibra óptica para respectivamente llevar luz a
cada elemento y/o recoger la señal óptica proveniente de cada capa
sensible al oxígeno.
Según una realización, el analizador comprende
medios de tratamiento de la señal para transformar la información
obtenida por los medios de detección cuando estos últimos detectan
la señal óptica proveniente de cada elemento, en información que
pueda ser tratada por medios de procesamiento.
En una realización, el analizador comprende
medios hidráulicos para gestionar el flujo de la sustancia dentro
del circuito.
Según una realización, los medios hidráulicos
están diseñados para gestionar el flujo de una disolución patrón
dentro del circuito. Preferentemente, esta disolución patrón está
formada por glucosa y ácido glutámico en agua.
En una realización, los medios hidráulicos están
diseñados para gestionar el flujo de una disolución reguladora de
pH dentro del circuito.
Un tercer aspecto de la invención concierne un
procedimiento para medir en continuo la demanda bioquímica de
oxígeno en una sustancia.
Este procedimiento de la invención está
caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- a)
- hacer fluir a través de un circuito de un analizador según alguna de las realizaciones precedentes, al menos una disolución reguladora para regular el pH, determinando la concentración de oxígeno, en la proximidad de al menos el primero y último soporte polimérico colonizado, llamados soportes poliméricos observados, concentración llamada ODRn siendo n la posición del soporte polimérico en el circuito;
- b)
- hacer fluir a través del circuito al menos una disolución patrón de DBO, determinando la concentración de oxígeno en la proximidad de cada soporte polimérico observado, concentración llamada ODPn;
- c)
- hacer fluir a través del circuito al menos la disolución reguladora hasta recuperar las concentraciones ODRn;
- d)
- hacer fluir a través del circuito al menos la sustancia, determinando la concentración de oxígeno en la proximidad de cada soporte polimérico observado, concentración llamada ODMn;
- e)
- hacer fluir a través del circuito al menos la disolución reguladora hasta alcanzar de nuevo las concentraciones ODRn;
- f)
- determinar para cada soporte polimérico el consumo de oxígeno de la sustancia y de la disolución patrón, respectivamente, calculando las diferencias entre ODMn y ODRn por un lado y entre ODPn y ODRn por el otro lado;
- g)
- determinar la demanda bioquímica de oxígeno de la sustancia realizando una media de los valores unitarios de demanda bioquímica de oxígeno calculados para cada uno de los soportes poliméricos observados obtenidos comparando, para cada soporte polimérico, los consumos de oxígeno de la sustancia y de la disolución patrón obtenidos en f) con valores de calibración previamente obtenidos.
\vskip1.000000\baselineskip
La media de la etapa f) puede ser ponderada.
Preferentemente, la disolución reguladora está formada por
sustancias orgánicas y/o inorgánicas que tengan capacidad de
regular el pH en el intervalo de 5,5 a 9,5, preferentemente
disueltas en una concentración que proporcione una fuerza iónica
equivalente o inferior al 2% de cloruro sódico.
Preferentemente, la disolución reguladora está
diluida en agua en las etapas a), c) y e), la disolución patrón
está diluida en disolución reguladora en la etapa b) y la sustancia
está diluida en disolución reguladora en la etapa d).
Por ejemplo, se puede preparar la disolución
reguladora ajustando sensiblemente a pH=6.8 una disolución de
fosfato sódico 0,01 M, disolución que contiene una cantidad
aproximada de N-aliltiourea de 1 mg L^{-1}, que
permite controlar el crecimiento no deseado de bacterias y evitar
interferencias en la medida debidas a la acción de bacterias
nitrificantes.
Preferentemente, la solución patrón está formada
por una o varias sustancias disueltas en un medio acuoso que
proporcionan un valor de DBO conocido y estable en el tiempo bajo
las diversas condiciones de trabajo.
Gracias a este aspecto de la invención, se
obtiene un procedimiento para medir de forma automática e
in-situ, la DBO en una sustancia o muestra
que contiene, o es sospechosa de contener, materia orgánica,
preferentemente en un analizador según una de las realizaciones del
primer aspecto de la invención.
En una de las realizaciones de la invención, se
repiten las etapas a) a e) alternando la introducción en el
circuito de la sustancia cuya DBO se quiere medir, pudiéndose
repetir varias veces en un mismo ciclo (conjunto de etapas a) a e))
las etapas c) a e). Ventajosamente, gracias a esta realización, se
obtiene una medición más precisa de la DBO.
Según una realización de la invención, la media
calculada en la etapa g) es ponderada, siendo el peso: (i) mayor
para los valores calculados en los últimos soportes poliméricos
observados del circuito si la sustancia tiene una DBO inferior a la
DBO de la disolución patrón, y (ii) menor para los valores
calculados en los últimos soportes poliméricos observados del
circuito si la sustancia tiene una DBO superior a la DBO de la
disolución patrón.
Ventajosamente, la ponderación de los valores
calculados, permite ampliar enormemente el intervalo de medida del
sistema, además de aportar una mayor fiabilidad a los resultados
obtenidos.
Un cuarto aspecto de la invención concierne un
programa de ordenador, caracterizado porque comprende medios de
código de programa para efectuar un procedimiento para medir en
continuo la demanda bioquímica de oxígeno en una sustancia según
una realización del tercer aspecto de la invención, cuando dicho
programa funciona en un ordenador.
En una realización, el programa de ordenador
está copiado en un medio legible por un ordenador.
Un quinto aspecto de la invención concierne un
soporte legible por un ordenador, caracterizado porque contiene un
programa de ordenador que comprende medios de código de programa
para efectuar un procedimiento para medir en continuo la demanda
bioquímica de oxígeno en una sustancia según una realización del
tercer aspecto de la invención, cuando dicho programa funciona en
un ordenador.
\vskip1.000000\baselineskip
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo de
realización preferente y práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La figura 1.- Muestra esquemáticamente tres
vistas de una celda de medida de acuerdo con una realización de la
presente invención.
La figura 2a.- Muestra una representación
esquemática de un detalle de una celda de medida de acuerdo con una
realización de la presente invención.
La figura 2b.- Muestra una representación
esquemática de un circuito de una celda de medida de acuerdo con
una realización de la presente invención.
La figura 3.- Muestra una representación
esquemática de bloques de un analizador de acuerdo con una
realización de la presente invención.
Las figuras 4a y 4b.- Muestran unos resultados
obtenidos siguiendo un procedimiento conforme a la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Un analizador según la invención comprende en
una realización una celda de medida conforme a la invención,
también llamada celda de flujo, en la cual está formado un circuito
adaptado para que fluya en él la sustancia cuya DBO se quiere
medir.
La figura 1 muestra esquemáticamente tres vistas
de una celda de medida de acuerdo con una realización de la
presente invención.
La celda de medida 100 es sustancialmente, en
una realización, un paralelepípedo rectangular que puede tener en
un ejemplo las siguientes dimensiones: 60 mm de largo, 40 mm de
ancho y 22 mm de alto.
Preferentemente, la celda está formada en un
material que tenga una buena conductividad térmica (sobre todo en
caso en el que la celda esté en un ambiente cuya temperatura es
controlada y mantenida constante para particularmente salvaguardar
la biomasa presente en dicha celda) a fin de favorecer su
termostatización, que sea inoxidable y que sea mecanizable. Este
material puede ser duraluminio o acero inoxidable.
Para formar el circuito por el cual fluyen las
diferentes diluciones, se puede horadar unas cámaras ovaladas 102,
104, 106 y 108 en una cara ancha (la denominada superior) del
paralelepípedo rectangular.
Para poner en relación estas cámaras, es posible
taladrar a lo largo de la anchura del paralelepípedo rectangular
unos conductos desde los lados haciendo 8 taladros roscados 110,
que pueden tener como talla M15 x 1,5 mm ¼'' x 28 hilos por pulgada
(cada cámara teniendo un conducto de entrada y un conducto de
salida, siendo los pares de conductos de entrada y salida
respectivos de cada cámara paralelos). Las cámaras ovaladas están
destinadas a alojar soportes poliméricos colonizados, unidos entre
sí por los conductos cilíndricos de diámetro comprendido
preferentemente entre 1.0 y 1.5 mm.
Para relacionar los diferentes conductos, se
pueden utilizar unos tornillos rosca de ¼ de pulgada y 28 hilos por
pulgada de tipo FIA (del inglés "Flow Injection Analysis") para
contener tubos de teflón (politetrafluoroetileno).
Algunos de estos soportes poliméricos son
denominados "observados", al poder observarse la concentración
de oxígeno de la materia que los atraviese. Las cámaras que
comprenden los soportes poliméricos observados son también llamadas
cámaras observadas.
\newpage
Las cámaras que no son observados son
recubiertos de un tapón preferentemente macizo y opaco, por ejemplo
de PVC (policloruro de vinilo) o aluminio, y roscados. Las cámaras
observadas son recubiertas de un elemento de estanquidad
preferentemente al menos parcialmente transparente como se puede
observar en la figura 2a, que muestra esquemáticamente una cámara
200, es decir, una unidad de reacción, observada.
Por esa cámara 200, pueden circular flujos
entrantes 208 de sustancias cuya DBO se quiere conocer, de
disoluciones reguladoras o de disoluciones patrón. Estos flujos
entrantes pasan por el interior de un soporte polimérico 212 para
interaccionar con una biomasa, que comprende bacterias, contenida
en el soporte polimérico 212.
En una realización, estas bacterias son del tipo
Pseudomonas putida. El cultivo de Pseudomonas putida
se puede realizar a partir de un cultivo liofilizado de dicho
microorganismo que se cultiva con agitación en un medio de cultivo
líquido, en presencia del soporte a colonizar. Posteriormente se
puede aumentar el nivel de colonización introduciendo dicho soporte
polimérico que comprende el cultivo de Pseudomas putida en
una celda de flujo del equipo de medida (ver más abajo descripción
del dispositivo de medida) y recirculando la disolución de nutriente
a través del mismo.
Las referidas bacterias se puede obtener de
forma comercial como liofilizado de la cepa de referencia de
Pseudomas putida (código CECT 324 de la Colección Española de
Cultivos Tipo, Universidad de Valencia), o de otras colecciones como
la ATCC ("American Type Culture Collection", ATCC 12633; ATCC
23467, etc. ...).
Alternativamente, es posible realizar un cultivo
mixto no caracterizado a partir de las bacterias existentes en las
muestras que se desean medir. Por ejemplo, si se desea medir la DBO
de un agua residual, es posible extraer de una muestra de dicho agua
y obtener de la misma un cultivo de bacterias que posteriormente se
utiliza como biomasa bacteriana para colonizar el soporte
polimérico.
Dicho soporte polimérico de la biomasa
bacteriana debe ser permeable a la disolución que se desea medir.
Algunos soportes poliméricos útiles son entre otros: alcohol
polivinílico (PVA), resinas autocurables, acetilcelulosa,
policarbonato, gel de agarosa, alginato cálcico y el teflón. (K.
Riedel, "Application of Biosensors to Environmental
Samples" en Commercial Biosensors: Applications to
Clinical, Bioprocess and Environmental Samples, G. Ramsay
(ed.), Wiley, Nueva York (EE.UU.), 1998).
En alguna realización, dicho primer soporte,
comprende un caucho de silicona, los cuales son comercialmente
accesibles (por ejemplo, ImmobaSil®).
En alguna realización, se obtiene un soporte
polimérico partiendo de una alícuota de un cultivo congelado, o de
una colonia aislada en medio sólido, de Pseudomonas putida:
se prepara un cultivo de esta bacteria, en condiciones de
esterilidad, en un recipiente con 30 mL de medio líquido
Y-1375 (Sigma) y con agitación, en presencia de
varias unidades de soporte polimérico (por ejemplo ImmobaSil® de
Ashby Scientific Ltd) durante 24 h a 28°C. Una vez alcanzado el
nivel deseado, se aumenta el nivel de colonización introduciendo el
soporte en una celda de flujo y circulando disolución de nutriente
a través de ella.
Sobre el soporte polimérico 212, está dispuesta
en contacto íntimo una capa sensible al oxígeno 204.
Estas capas sensibles al oxígeno comprenden un
segundo soporte polimérico de silicona y un indicador, en
donde:
- a)
- dicho soporte polimérico a base de silicona comprende (i) una primera subcapa de silicona que comprende sílice amorfa, y (ii) una segunda subcapa de una silicona que recubre a dicha primera capa; y
- b)
- dicho indicador es un complejo de Ru(II) que se selecciona entre las sales de tris(4,7-difenil-1,10-fenantrolina)rutenio(II), de tris[4,7-di(4-bifenilil)-1,10-fenantrolina]rutenio(II) y combinaciones de las mismas.
La primera subcapa puede ser de silicona (por
ejemplo Dow Corning 3140) comercial, modificada con sílice amorfa
Sigma. La composición general de estas siliconas es
poli(dimetilsiloxano) y sílice amorfa. La segunda subcapa de
silicona también puede ser accesible comercialmente (por ejemplo,
Dow Corning Gris 7091) y su función es proteger la primera capa de
silicona. Para introducir el indicador, se puede emplear el método
descrito por J. Delgado, Tesis Doctoral, Universidad Complutense de
Madrid, 2000.
Las especies de coordinación del
rutenio(II) y otros metales de transición son colorantes
luminiscentes que pueden utilizarse como indicadores de nivel de
oxígeno. Las propiedades espectroscópicas (energía de absorción y
emisión, cinética de emisión) y redox de dichas especies se pueden
ajustar a las necesidades concretas de cada caso mediante la
modificación de sus ligandos. Para cada caso concreto, se encuentra
un indicador que tenga una sensibilidad adecuada al analito
estudiado. Los indicadores también deben presentar una fuerte
absorción de la longitud de onda deseada, un desplazamiento de
Stokes suficientemente amplio y una vida media del estado excitado
que permita la obtención de medidas fiables.
Para obtener una capa sensible a oxígeno, se
puede por ejemplo preparar el
tris(4,7-difenil-1,10-fenantrolina)rutenio(II)
siguiendo el método descrito por G. Orellana, C.
Álvarez-Ibarra y M. L. Quiroga, Bull. Soc. Chim.
Belg. 1988, 97, 731-741. El
tris(4,7-difenil-1,10-fenantrolina)rutenio(II)
preparado anteriormente se inmoviliza sobre una lámina de silicona
comercial (Dow Corning 3140) siguiendo el procedimiento descrito
por J. Delgado, Tesis Doctoral, Universidad Complutense de Madrid,
2000.
\global\parskip0.930000\baselineskip
En alguna realización, dicho indicador comprende
una sal de
tris[4,7-di(4-bifenilil)-1,10-fenantrolina]rutenio(II),
sintetizada por ejemplo según el método descrito por J. Delgado,
Tesis Doctoral, Universidad Complutense de Madrid, 2000.
También es posible en alguna realización
utilizar combinaciones de sales de tris(4,7-
difenil-1,10-fenantrolina)rutenio(II)
y de
tris[4,7-di(4-bifenilil)-1,10-fenantrolina]rutenio(II).
La unidad de reacción o cámara de medida se
sella (asegurando su estanqueidad) empleando un elemento de
estanqueidad que incluye un espaciador 206, opticamente
transparente (por ejemplo fabricado en cuarzo, vidrio, plástico,
poli(metacrilato de metilo) o poliéster) y una junta tórica
216. Así, el volumen muerto de la cámara de medida es nulo y las
disoluciones de sustancia 208 cuya DBO se quiere medir difunden a
través de la membrana 212 facilitando la interacción entre las
sustancias 208 y la biomasa de la membrana 212.
Una extremidad 214 de una fibra óptica está
montada pasante en una cavidad 215 de la parte superior de la celda
200 para llegar hasta el espaciador óptico 206 y así poder a la vez
aportar la luz necesaria y observar la unidad de reacción al recoger
la luminiscencia de la capa sensible al oxígeno.
La figura 2b muestra una realización de una
celda de medida 202 para ser incluida en un analizador conforme a
la invención (que puede ser también llamado sistema de
monitorización de la respiración aerobia bacteriana). La celda de
medida 202 comprende 4 cámaras 200, 220, 222 y 224.
Unos soportes poliméricos 212 de silicona
biocompatible, llamados también membranas o biomembranas, que
contienen los microorganismos inmovilizados, están colocados en
cada una de las 4 cámaras 200, 220, 222 y 224.
Así, esta celda de medida comprende en su
interior un conjunto de soportes poliméricos, dispuestos en línea,
colonizados con una biomasa bacteriana descritos anteriormente en
la descripción de la figura 1.
Las cámaras 200 y 224 cooperan con una
extremidad de una fibra óptica y sobre sus soportes poliméricos
212, están dispuestas en contacto íntimo capas sensibles al oxígeno
204 que han sido descritas previamente.
El diseño de la celda de flujo es tal que el
caudal integro de lo que fluye a través de la misma atraviesa
necesariamente y de forma consecutiva cada uno de los soportes
poliméricos colonizados, una vez estos se incorporan en las cámaras
ovaladas de la celda. De esta forma, cuando la disolución sale de
una cámara lleva una concentración de oxígeno disuelto menor o igual
que la concentración que contenía a la entrada del mismo. Cada
cámara forma una unidad de reacción.
En cada cámara, es alojado un polímero
colonizado con una biomasa bacteriana (del tipo ya descrito para la
figura 1), colocándose una capa sensible a oxígeno en la primera y
en el última cámara de la serie (siendo estas las cámaras
observadas).
Un dispositivo o analizador para medir la
demanda bioquímica de oxígeno en una sustancia o muestra comprende
en una realización un equipo multicanal de medida de luminiscencia
con detección sensible a la fase
Este equipo multicanal comprende:
- (i)
- una fuente de luz, acoplada a un selector de longitud de onda,
- (ii)
- medios conectores, los cuales comprenden fibra óptica, entre el selector de longitud de onda y las capas reactivas sensibles a oxígeno.
- (iii)
- un detector fotónico, acoplado a un selector de longitud de onda, para detectar la señal óptica procedente las capas reactivas sensibles a oxígeno y los cambios en la misma debidos a la respiración de las colonias bacterianas y
- (iv)
- un equipo electrónico para convertir la señal óptica en una señal eléctrica y procesarla hasta obtener una señal analíticamente útil.
El equipo de medida de la luminiscencia con
detección sensible a la fase, para determinar la concentración de
oxígeno interrogando los polímeros sensibles a O2, está compuesto
preferentemente por tres bloques fundamentales. Dichos bloques son
los siguientes:
- - A.
- Sistema de generación de la señal de excitación.
- - B.
- Sistema de recepción de la señal de emisión.
- - C.
- Componentes ópticos.
\global\parskip1.000000\baselineskip
El sistema que permite la generación de la señal
que alimenta la fuente de luz que ilumina la capa sensible a
oxígeno está formado por dos partes fundamentales:
- -
- Parte digital. El componente principal es un oscilador digital que se encarga de generar la señal sinusoidal sintética que modula la intensidad de luz de la fuente de excitación. La frecuencia de esta señal es seleccionable entre 20 y 140 KHz;
- -
- Parte analógica. Se encarga de adaptar los niveles de señal generados en la etapa digital para adecuarlos a la señal necesaria para alimentar la fuente de excitación. Como fuente de luz se emplea un diodo emisor de luz azul de alta intensidad el cuál se modula dentro de los límites de respuesta lineal del diodo.
Ambas partes están conectadas por un convertidor
analógico digital (A/D) que permite generar la sinusoide analógica
a partir de la función sintética que proporciona el oscilador
digital.
Al igual que el sistema de generación, el bloque
de recepción de la señal está compuesto por dos partes:
- -
- Parte analógica. Los componentes incluidos en esta parte se encargan de la detección de la luminiscencia que proviene del terminal sensible a través de la fibra óptica, empleando para ello un módulo fotosensor Hamamatsu (H6780) que incorpora un tubo fotomultiplicador miniaturizado. Asimismo, se encarga de realizar un primer filtrado de esta señal para la reducción del ruido. Para ello dispone de un bloque de adaptación de la señal y un bloque de cuatro filtros electrónicos de paso-banda;
- -
- Parte digital. Tras el sistema analógico se encuentra un convertidor analógico/digital que permite digitalizar la señal para su posterior tratamiento. A continuación existe un integrador de señal que se encarga de llevar a cabo un primer procesado de la misma, realizando n promedios entre la señal recibida y las señales acumuladas anteriormente, lo que permite disminuir enormemente el ruido. Las muestras tomadas se procesan posteriormente utilizando un acumulador diezmador que permite reducir aún más el ruido.
El objetivo de este sistema es, junto con la
adquisición de la señal emitida por el indicador luminiscente,
obtener el desfase de la misma con respecto a la señal modulada de
excitación. El modo más sencillo de obtener este desfase es
realizando una desmodulación síncrona de la señal recibida
(emisión) respecto a la señal original. La señal sinusoidal
generada (excitación) se convierte en una función coseno
(excitación + 90°), para obtener la tangente del desfase entre ésta
y la señal recibida (emisión) mediante el cociente de ambas
funciones. Debido a los retardos acumulativos que producen en la
señal original los dispositivos contenidos en el circuito
electrónico, la señal que incide sobre el compuesto luminiscente
difiere, en cierto desfase, de la señal a la salida del convertidor
digital/analógico que alimenta al diodo emisor. Igualmente, la
sinusoide que llega a la parte digital del sistema de recepción de
señal sufre cierto retardo o desfase con respecto a la luminiscencia
detectada por el tubo fotomultiplicador. Si se toma la señal
sintetizada originalmente para actuar como referencia, el desfase
que se obtiene como resultado de la desmodulación de la emisión que
proviene del indicador de oxígeno tendrá una contribución
proveniente de los circuitos analógicos de adaptación de la
señal.
Para evitar o minimizar esta contribución, el
sistema dispone de un fotodiodo situado directamente a la salida
del LED de excitación, que recibe la luz emitida por éste y cuya
respuesta se utiliza como señal de referencia. Esta señal sufrirá
los mismos retardos acumulativos originados por los componentes
electrónicos que la señal que incide en el terminal sensible. De
este modo, quedan eliminadas en el proceso de desmodulación todas
las contribuciones al desfase total producidas por los componentes
electrónicos a excepción de la que provoca el tubo
fotomultiplicador, que queda excluido del recorrido que realiza la
señal de referencia o calibración.
En la salida del LED de excitación e
inmediatamente antes de la fibra óptica el sistema dispone de un
filtro óptico, que puede ser un filtro de banda ancha (típicamente
centrado a 400 nm) o un filtro interferencial centrado a 400 ó 420
nm. Asimismo, en la entrada del fotomultiplicador se encuentra un
filtro de corte que, dependiendo del filtro utilizado en la
excitación, tiene una longitud de onda de corte de 570, 590 ó 630
nm.
El sistema dispone de una fibra óptica de haz
bifurcado que conecta la radiación luminosa de excitación con la
capa sensible a oxígeno y éste con el sistema de detección.
Un analizador comprende también en una
realización un equipo para gestionar la alimentación de toda la
instrumentación, las interfaces eléctricas de la misma y la
activación de los dispositivos eléctricos del bloque hidráulico.
El analizador comprende también en una
realización un bloque hidráulico que comprende medios de
recolección y adaptación de una muestra, un sistema de
autocalibración y un sistema de desinfección.
Además, en una realización, el analizador
comprende medios de procesamiento y de memorización para memorizar
y poner en práctica un programa de ordenador conforme a la
invención. Este programa gestiona automáticamente un analizador
conforme a la invención (lo que asegura su autonomía) según un
procedimiento conforme a la invención. Preferentemente, este
programa puede calcular resultados, memorizarlos y visualizarlos de
forma numérica o gráfica.
En términos generales, la fuente de luz emite
una radiación luminosa que incluye distintas longitudes de onda. El
selector de longitud de onda al que está acoplado está diseñado de
forma que elige la longitud de onda adecuada para la excitación del
indicador de oxígeno. Dicha luz se transporta por los medios
conectores a través de la fibra óptica hasta la capa reactiva
sensible a oxígeno. Dentro de la celda de medida y, como
consecuencia de los cambios en la respiración de la biomasa
bacteriana, los estados excitados del indicador de oxígeno se ven
modificados en su cinética de emisión de luz. En consecuencia, la
luz que devuelve la capa reactiva sensible al oxígeno se
modifica.
Dicha luz modificada se recoge en un detector
fotónico y se transforma en una señal eléctrica, la cual se procesa
para obtener una señal analíticamente útil.
En una realización, la celda de flujo se sitúa
dentro de un bloque hidráulico. El bloque hidráulico comprende (i)
medios de recolección y adaptación de una muestra, (ii) un sistema
de autocalibración y (iii) un sistema de desinfección.
Los medios de recolección y adaptación de la
muestra comprenden una serie de tubos que conducen la muestra hasta
un depósito e impiden que éste se vacíe una vez cortado el caudal
de muestra. También incluyen medios de regulación de la temperatura
que permiten adecuar la temperatura de la muestra a la temperatura
de la disolución patrón y de la disolución reguladora (ver más
abajo). Además, comprende un aireador que permite saturar de aire
la muestra y, por último, comprende un conjunto de tubos, bombas
peristálticas y electroválvulas, que permiten modificar la muestra
por dilución para llevarla en las condiciones óptimas de medida
hasta la celda de medida.
El sistema de autocalibración comprende una
serie de tubos, bombas peristálticas y electroválvulas.
El sistema de desinfección comprende una lámpara
de emisión UV que ilumina la disolución patrón y otra que ilumina
el interior de la instrumentación.
El bloque hidráulico 300 está representado
esquemáticamente en la figura 3 que muestra un esquema de
funcionamiento de un analizador conforme a una realización de la
invención. Este bloque hidráulico está divido en tres partes: una
parte 302 de toma de muestra, una parte 304 de transporte y de
dilución de muestra y una parte 306 de medida de la muestra, que
incluye la propia celda de medida 330, cuya temperatura está
controlada por un termostato, donde se lleva a cabo la determinación
de la DBO.
A continuación se detalla un procedimiento
conforme a una realización de la invención, utilizando para ello
una realización de analizador conforme a las figuras, 1, 2 y 3.
La determinación de la DBO de la sustancia 310
se lleva a cabo siguiendo las etapas descritas a continuación.
En la parte 302 de toma de muestra del
analizador 300, llega un flujo 310 de la sustancia cuya DBO se
quiere medir, llamada muestra, procedente de un sistema de bombeo.
Este sistema de bombeo puede pertenecer al equipo de medida (bomba
de achique o bomba peristáltica) como en la figura 3 o ser un
sistema de bombeo independiente que coopere con una
electroválvula.
La muestra 310 se canaliza y almacena en un
recipiente 314 adecuado (como por ejemplo un recipiente de acero
inoxidable, PVC o Teflón) donde se oxigena mediante una corriente
de aire proveniente, por ejemplo, de un compresor 312 de aire de
caudal máximo 2,7 L min^{-1}.
El bloque hidráulico 300 comprende también en
esta realización una parte 304 de transporte y de dilución de
muestra que sirve para, controlando el caudal global para que quede
sensiblemente constante en la celda de medida 330, dirigir a dicha
celda de medida 330, según una secuencia preestablecida, la muestra
preferentemente diluida en disolución reguladora, la disolución
reguladora que puede ser diluida en agua o la disolución patrón que
puede ser diluida en disolución reguladora, tal como se describe a
continuación.
Las diferentes disoluciones son transportadas
mediante la bomba 316 (como por ejemplo la bomba peristáltica que
vende la empresa Ismatec S.A., Glattbrugg-Zürich,
Suiza) desde el recipiente 314 hasta la celda de medida 330 en la
parte 306 de medida de la muestra 310.
La selección de las disoluciones patrón,
reguladora y muestra para su bombeo hasta la celda de medida se
lleva cabo activado/desactivando las electroválvulas 318 y 320
(como por ejemplo las electroválvulas que vende la empresa NResearch
Inc., West Caldwell, New Jersey, USA).
Con las electroválvulas 318 y 320 desactivadas,
se permite el paso únicamente de la disolución reguladora 326
mezclada con agua 324. Activando únicamente la electroválvula 320
se permite el paso del patrón 322, añadiendo disolución 1 reguladora
326, a la celda de medida 330 y activando únicamente la
electroválvula 318 se permite el paso de la muestra a la celda de
medida 330, añadiendo disolución reguladora 326 si es necesario. El
hecho de añadir disolución reguladora a la muestra y a la
disolución patrón permite en otras cosas controlar el caudal que
llega a la celda de medida 330.
Para llevar a cabo una medida rutinaria de la
DBO en una muestra de agua superficial (río, lago, etc), en una
realización, se hace pasar por la celda de medida durante 45 min la
disolución reguladora 310 a un caudal entre 0.20 y 0.64 mL
min^{-1} que depende del factor de dilución definido por los
caudales del sistema de bombeo. Pasado ese tiempo, se activa la
electroválvula 320 y durante 20 minutos el patrón 322 circula a
través de la celda de medida 330 a ese mismo caudal.
De nuevo, se hace pasar por la celda de medida
durante 45 min la disolución reguladora 310 y finalmente se hace
pasar por la celda de medida durante 20 minutos la muestra 310. El
cálculo de la DBO se realiza por medio de un programa informático
que además gestiona automáticamente todo lo referente a la gestión
de los flujos que circulan por la celda de medida 330.
De la celda de medida 330, pueden salir desechos
332.
En un ejemplo se describe la utilización de un
analizador conforme a la invención para la medida en continuo de la
DBO. El analizador se instaló en las inmediaciones de la arqueta de
salida de la depuradora de aguas residuales urbanas donde se llevó a
cabo la toma de muestra con una bomba de achique.
La determinación de la DBO de la muestra se
lleva a cabo siguiendo un protocolo de las siguientes acciones, el
conjunto de las cuales se repite en el tiempo:
- -
- Entrada de una disolución reguladora (obtenida ajustando a pH 6.8 una disolución fosfato sódico 0.01 M que contiene una cantidad aproximada de N- aliltiourea de 1 mg L^{-1}) durante un tiempo fijo t1, previamente establecido;
- -
- Entrada de disolución patrón de glucosa y ácido glutámico (llamada GGA y que se describe en la norma UNE-EN 1899: Sept. 1998 - Determinación de la Demanda Bioquímica de Oxígeno después de n días (DBOn)) de concentración fijada de 20 mg L^{-1} de DBO diluida en la disolución de fosfato sódico durante un tiempo fijo t2, previamente establecido;
- -
- Repetición en 4 ocasiones de:
- \circ Entrada de la disolución reguladora durante un tiempo t1;
- \circ Entrada de la disolución de muestra diluida en la disolución de fosfato sódico durante un tiempo t2.
Las figuras 4a y 4b dan una muestra gráfica de
los resultados obtenidos. La Figura 4a está compuesta por dos
gráficos 402 y 404 que muestran la evolución del oxígeno disuelto
en mg L^{-1} (ordenadas en función del tiempo (hh:mm:ss dd/mm/aa)
en la primera cámara (gráfico 402) y en la última cámara (gráfico
404) del circuito interno de una celda de medida como la descrita
en las figuras 1 y 2. El trazado recoge medidas de series
consecutivas de 4 muestras y un patrón.
La figura 4b es un trazado representativo de la
DBO calculada tras el proceso de medida (cálculo correspondiente a
la etapa f) de un procedimiento según la invención). El trazado
recoge los resultados de series consecutivas de 4 muestras y un
patrón.
La ausencia de materia orgánica en la disolución
reguladora que atraviesa la celda provoca un aumento de la
concentración de oxígeno en cada una de las cámaras de la celda de
medida, que es cuantificada por los sensores de oxígeno. Por el
contrario, cuando hay presencia de materia orgánica en la
disolución portadora, ya sea disolución patrón GGA o muestra, en la
celda se produce una disminución de la concentración de oxígeno
proporcional a la carga orgánica presente en la disolución.
Por ejemplo, en la primera cámara (gráfico 402),
se observan:
- -
- los mínimos 410 de oxígeno disuelto, correspondientes al paso de la disolución patrón
- -
- los mínimos 412 de oxígeno disuelto, correspondientes al paso de la muestra y
- -
- los máximos 414, correspondientes al paso de la disolución reguladora.
En la última cámara (gráfico 404), se observa
una gráfica similar (mínimos correspondientes al flujo de patrón y
muestra y máximos correspondientes al flujo de disolución
reguladora) pero con menor oxígeno disuelto globalmente, al haber
sido consumida parte de la materia orgánica que atraviesa la celda
de medida en las cámaras anteriores. La concentración de oxígeno
leída en la última cámara (en esta realización el cuarto) es
siempre inferior a la leída en la primera cámara.
Esto último es generalizable a cualquier
realización de la invención, ya que al haber una serie de unidades
de reacción, el valor de concentración de oxígeno en la proximidad
de cada soporte polimérico (preferentemente dentro cada soporte
polimérico, ya que es por su interior donde fluyen las disoluciones)
es siempre inferior en la siguiente unidad de reacción que en la
anterior, siendo dicha diferencia analíticamente distinguible. Esto
es lo que aporta que la serie de cámaras produzca un mejor
analizador que los existentes en el estado de la técnica
anterior.
Después de obtenidos estos datos, se procede,
según las etapas f) y g) de un procedimiento conforme a la
invención, al cálculo de la DBO de la muestra para obtener por
ejemplo una gráfica 420 que muestra la evolución en el tiempo de la
DBO en mg L^{-1}.
En una realización, este cálculo es hecho por un
programa de ordenador conforme a la invención cargado en medios de
procesamiento contenidos en el analizador.
Este cálculo comprende las etapas de, primero,
determinar para cada soporte polimérico el consumo de oxígeno de la
sustancia y de la disolución patrón respectivamente calculando las
diferencias entre ODMn y ODRn por un lado y entre ODPn y ODRn por
el otro lado; y segundo determinar la demanda bioquímica de oxígeno
en la sustancia realizando una media, que en esta realización es
ponderada (ver más adelante), de los valores unitarios de demanda
bioquímica de oxígeno calculados para cada uno de los soportes
poliméricos observados obtenidos comparando para cada soporte
polimérico los consumos de oxígeno de la sustancia y de la
disolución patrón obtenidos en f) con valores de calibración
previamente obtenidos.
El consumo de oxígeno de una muestra (o un
patrón) se calcula pues en esta realización, para cada una de las
cámaras, como la diferencia de la concentración de oxígeno disuelto
medida por el sensor óptico en presencia de la muestra ODMn (o el
patrón ODPn) y en presencia de disolución reguladora ODRn.
El valor de DBO resultante es una media
ponderada de los valores calculados para cada una de las cámaras,
siendo el peso en dicha ponderación mayor en las últimas cámaras de
la celda de flujo para muestras con valores de DBO inferiores a la
DBO del patrón y menor en estas últimas cámaras para muestras con
valores de DBO superior a la DBO del patrón. Este sistema de empleo
de una serie de soportes colonizados y sensores de oxígeno, y de
ponderación de los valores calculados, permite ampliar enormemente
el intervalo de medida del sistema, además de aportar una mayor
fiabilidad a los resultados obtenidos.
En este caso el valor de la muestra oscila entre
5 y 19 mgL^{-1} de DBO. Se puede observar como, gracias a un
analizador conforme a la invención, se puede realizar pues la
medición, en continuo, in-situ y automática
de la DBO.
Claims (15)
1. Celda de medida (202, 330) para medir la
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) en una sustancia (310), que
comprende
un circuito de flujo adaptado para que fluya en
él la sustancia (310), comprendiendo dicho circuito un conjunto de
al menos un tipo de bacterias que interacciona con la sustancia
(310) disminuyendo la concentración de oxígeno de la sustancia,
una serie de soportes poliméricos (212)
colonizados por dichas bacterias, estando adaptada la celda para
que la sustancia (310) entre en contacto de forma necesaria y
consecutiva con cada soporte polimérico (212), y
unas cámaras (102, 200), unidas entre sí por
unos conductos, estando cada soporte polimérico en una cámara (102,
200),
caracterizada porque la celda (202)
comprende al menos dos capas (204) sensibles al oxígeno, estando
superpuestas al menos la primera (204) de estas capas sobre el
primer soporte polimérico (212) de la serie y la segunda (204) de
estas capas sobre el último soporte polimérico (212) de la
serie.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Celda de medida según la reivindicación 1,
caracterizada porque cada capa (204) comprende un indicador
que tiene alguna característica óptica que varía en función de la
concentración del oxígeno.
3. Celda de medida según la reivindicación
precedente, caracterizada porque tiene al menos dos
cavidades (215), estando sellado el fondo de cada cavidad (215) por
un elemento de estanqueidad (206, 216), estando adaptadas las
cavidades (215) para poder alojar cada una de ellas por lo menos una
extremidad (214) de una fibra óptica para poder recoger a través
del elemento de estanqueidad (206, 216) respectivo las variaciones
de la característica óptica del indicador de la capa sensible al
oxígeno (204) respectiva.
4. Analizador (300) para medir la demanda
bioquímica de oxígeno en una sustancia que comprende una celda
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.
5. Analizador según la reivindicación 4 cuando
depende de la 2, caracterizado porque comprende medios de
detección para detectar una señal óptica proveniente de cada capa
sensible al oxígeno (204) cuando las capas sensibles al oxígeno
(204) están iluminadas por una fuente de luz.
6. Analizador según la reivindicación
precedente, caracterizado porque comprende medios de
tratamiento de la señal para transformar la información obtenida
por los medios de detección cuando estos últimos detectan la señal
óptica proveniente de cada capa sensible al oxígeno (204), en
información que pueda ser tratada por medios de procesamiento.
7. Analizador según la reivindicación 4, 5, ó 6,
caracterizado porque comprende medios hidráulicos para
gestionar el flujo de la sustancia dentro del circuito (202).
8. Analizador según la reivindicación
precedente, caracterizado porque los medios hidráulicos
están diseñados para gestionar el flujo de una disolución patrón
dentro del circuito (202).
9. Analizador según las reivindicaciones 7 u 8,
caracterizado porque los medios hidráulicos están diseñados
para gestionar el flujo de una disolución reguladora de pH dentro
del circuito (202).
10. Procedimiento para medir en continuo la
demanda bioquímica de oxígeno en una sustancia (310),
caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- a)
- hacer fluir a través de un circuito de un analizador (300) según alguna de las reivindicaciones 4 a 9, al menos una disolución reguladora (326) para regular el pH, determinando la concentración de oxígeno en la proximidad de al menos el primero y el último soporte polimérico colonizado (212), llamados soportes poliméricos observados, concentración llamada ODRn, siendo n la posición del soporte polimérico en el circuito;
- b)
- hacer fluir a través del circuito al menos una disolución patrón (322) de DBO, determinando la concentración de oxígeno en la proximidad de cada soporte polimérico colonizado observado, concentración llamada ODPn;
- c)
- hacer fluir a través del circuito al menos la disolución reguladora (326) hasta recuperar las concentraciones ODRn;
- d)
- hacer fluir a través del circuito al menos la sustancia (310), determinando la concentración de oxígeno en la proximidad de cada soporte polimérico observado, concentración llamada ODMn;
- e)
- hacer fluir a través del circuito al menos la disolución reguladora (326) hasta alcanzar de nuevo las concentraciones ODRn;
- f)
- determinar para cada soporte polimérico el consumo de oxígeno de la sustancia y de la disolución patrón, respectivamente, calculando las diferencias entre ODMn y ODRn por un lado y entre ODPn y ODRn por el otro lado;
- g)
- determinar la demanda bioquímica de oxígeno de la sustancia realizando una media de los valores unitarios de demanda bioquímica de oxígeno calculados para cada uno de los soportes poliméricos observados obtenidos comparando, para cada soporte polimérico, los consumos de oxígeno de la sustancia y de la disolución patrón obtenidos en f) con valores de calibración previamente obtenidos.
\vskip1.000000\baselineskip
11. Procedimiento según la reivindicación 10,
caracterizada porque se repiten las etapas a) a e)
alternando la introducción de la sustancia cuya DBO se quiere medir
en el circuito (202) con la introducción de una disolución,
pudiéndose repetir varias veces dentro de un mismo ciclo de etapas
a) a e) las etapas c) a e).
12. Procedimiento según la reivindicación 10 u
11, caracterizado porque la media calculada en la etapa g)
es ponderada, siendo el peso: (i) mayor para los valores calculados
en los últimos soportes poliméricos observados del circuito si la
sustancia tiene una DBO inferior a la DBO de la disolución patrón, y
(ii) menor para los valores calculados en los últimos soportes
poliméricos observados del circuito, si la sustancia tiene una DBO
superior a la DBO de la disolución patrón.
13. Programa de ordenador, caracterizado
porque comprende medios de código de programa para efectuar el
procedimiento para medir en continuo la demanda bioquímica de
oxígeno en una sustancia según una cualquiera de las
reivindicaciones 10, 11 ó 12, cuando dicho programa funciona en un
ordenador.
14. Programa de ordenador según la
reivindicación 13, caracterizado porque está copiado en un
medio legible por un ordenador.
15. Soporte legible por un ordenador,
caracterizado porque contiene un programa de ordenador que
comprende medios de código de programa para efectuar un
procedimiento para medir en continuo la demanda bioquímica de
oxígeno en una sustancia según una cualquiera de las
reivindicaciones 10, 11 ó 12, cuando dicho programa funciona en un
ordenador.
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KWOK, N.Y. et al. An optical biosensor for multi-sample determination of biochemichal oxygen demand (BOD). Sensors and Actuators B. Octubre 2005, Vol 110, N$^{o}$ 2, páginas 289-298, ISSN 0925-4005 <DOI:10.1016/j.snb.2005.02.007>. * |
LIN, L. et al. Novel BOD optical fiber biosensor based on co- immobilized microorganisms in ormosils matrix. Biosensors and Bioelectronics. Marzo 2006, Vol. 21, N$^{o}$ 9, páginas 1703-1709, ISSN 0956-5663 <DOI:10.1016/j.bios.2005.08.007>. * |
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