PT103774A - Sistema hiperbárico para o estudo e conservação por longos períodos de organismos aquáticos de média/grande profundidade. - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"SISTEMA HIPERBÁRICO PARA O ESTUDO E CONSERVAÇÃO POR LONGOS PERÍODOS DE ORGANISMOS AQUÁTICOS DE MÉDIA/GRANDE PROFUNDIDADE"

Domínio técnico da invenção A presente invenção diz respeito a um dispositivo hiperbárico que permite circular água dentro de reservatório, a pressões controladas, a partir de reservatório de água à pressão atmosférica, bem como controlar os parâmetros fisico-químicos mais relevantes da referida água.

Sumário da invenção A presente invenção consiste num sistema completo que permite o estudo e a preservação de organismos aquáticos (por exemplo de oriqem marinha) que habitam grandes profundidades, permitindo simular as elevadas pressões hidráulicas aí existentes bem como o controlo dos parâmetros físico-químicos da água mais importantes para o desenvolvimento dos referidos organismos.

Este sistema permite realizar a circulação, em circuito aberto, de água, mantendo-a à pressão desejada no interior de um reservatório hiperbárico onde serão colocados os organismos aquáticos a estudar, bem como controlar os parâmetros físico-químicos mais importantes da referida água. A presente invenção é útil, nomeadamente, para: -estudar em laboratório o ciclo de vida de organismos aquáticos sob elevadas pressões, permitindo que estes 2 sobrevivam e possam ser comodamente observados, sendo possível medir e alterar facilmente parâmetros físicos da água, como salinidade, valor de pH, GH, KH, temperatura da água, grau de oxigenação, etc; -estudar a influência de ciclos de pressão em organismos aquáticos; -manter em boas condições e por longos períodos de tempo organismos marinhos de elevada profundidade, permitindo a sua observação por parte dos investigadores mas também, pelo público em geral.

Antecedentes da Invenção A presente invenção refere-se a um sistema hiperbárico para o estudo e manutenção de organismos aquáticos que vivam a média/grande profundidade, caracterizado por permitir o estudo e a preservação desses organismos, simulando as pressões hidráulicas existentes nos seus habitats naturais e permitindo o controlo das condições ambientais necessárias ao seu desenvolvimento. Preferencialmente, este sistema será usado para simular em laboratório as condições existentes no mar profundo incluindo fontes hidrotermais. do de da às ca,

Tem havido um crescente interesse no estudo da biologia mar profundo e em tecnologias que permitam o estudo organismos de grandes profundidades e dos efeitos exposição de organismos a condições idênticas encontradas em ambientes de elevada pressão hidrostáti marinhos ou de água doce. 0 estudo de organismos de profundidade bem como o estudo dos efeitos de elevadas profundidades e das suas variações sobre organismos aquáticos tem sido realizado fundamentalmente através de duas abordagens. Uma primeira 3 abordagem tem sido o estudo in situ, através de equipamentos que permitam a realização desses estudos nos habitats onde vivem esses organismos. Esses equipamentos são fundamentalmente submersíveis, pilotados ou não, e que implicam investimentos avultados, uma grande logística que inclui obrigatoriamente navios de apoio e que não podem operar em condições ambientais muito adversas. A segunda abordagem consiste em utilizar câmaras e sistemas hiperbáricos para simular em laboratório as condições encontradas em profundidade e que sejam realísticas e relevantes do ponto de vista biológico.

Contudo, a maior parte dos equipamentos existentes que têm sido utilizados para manter e estudar os efeitos das condições encontradas em profundidades médias/elevadas não permitem a automatização dos procedimentos de funcionamento limitando desde logo a manutenção dessas condições a períodos curtos de horas ou dias.

Outra limitação de muitos dos sistemas hiperbáricos laboratoriais existentes é a incompatibilidade dos materiais usados na sua construção com fluidos agressivos como seja a água do mar.

Ainda uma outra limitação tem a ver com o volume reduzido da estrutura de contenção dos organismos sob pressão, que na maioria dos sistemas de pressurização laboratoriais existentes apresentam volumes reduzidos, entre algumas centenas de mililitros cúbicos a pouco mais de uma dezena de litros, o que limita obviamente a sua utilização ao estudo de organismos com dimensões concordantes. 4

Assim sendo, e tendo em vista estas limitações dos sistemas anteriores e por forma a superá-los, foi desenvolvido um sistema que permite simular de forma automatizada as condições de profundidade elevada incluindo variações cíclicas de pressão hidráulica, que opere por longos períodos, que possa ser usado mesmo com fluidos agressivos (como a água do mar enriquecida com sais, etc.), com grande capacidade volumétrica, com uma grande taxa de renovação de água e com a capacidade de controlar as condições químicas e físicas dessa água. Entende-se que um sistema hiperbárico com as características do presente sistema possa será útil para as instituições de investigação, universidades, oceanários e outras que se dediquem ao estudo, exposição e manutenção de organismos de profundidades médias/elevadas.

Descrição geral da invenção A presente invenção consiste num sistema que permite o estudo e a preservação de organismos aquáticos (água doce, salgada ou outra) que habitam grandes profundidades, simulando as respectivas pressões hidráulicas e permitindo o controlo das condições ambientais necessárias ao desenvolvimento dos referidos organismos.

Com este sistema é possível simular em laboratório as condições de um determinado ecossistema aquático, durante todo o ciclo de vida dos organismos a estudar ou preservar. 0 sistema desenvolvido é composto essencialmente por: -um reservatório de pressão construído com materiais capazes de garantirem longos períodos de funcionamento sem necessidade de operações de manutenção, com janelas que permitam a visualização e iluminação do seu interior; 5 -um tanque mantido à pressão atmosférica, que alimenta o fluxo de água que passa no reservatório de pressão, e que contem um sistema completo de tratamento de água necessário para manter a qualidade desta, constituído essencialmente por uma série de filtros (mecânicos, biológicos de carvão activado e outros), bem como por uma unidade de regulação da temperatura da água. Em vez do tanque pode utilizar-se como depósito de água para o sistema o próprio oceano ou qualquer curso de água doce ou outra qualquer fonte de água. No caso da capacidade do tanque ser substancial, deixa de ser necessário utilizar-se a unidade de regulação da temperatura da água, para o arrefecimento desta; -um sistema de pressurização do reservatório de pressão, constituído essencialmente por uma bomba hidráulica accionada por motor eléctrico, uma válvula de comando proporcional redutora de pressão, pelo menos um transdutor de pressão, um controlador de pressão que deverá ter a possibilidade de receber e enviar dados para um computador pessoal equipado com uma placa de aquisição de dados e software adequado. No caso de se pretender manter a pressão hidráulica num valor constante, é possível utilizar-se neste sistema um controlador mais simples, de regulação apenas manual, dispensando assim a utilização do sistema computadorizado; -sistema de segurança habitual em aplicações hidráulicas de médias/elevadas pressões contendo, nomeadamente, válvulas limitadoras de pressão de segurança. 0 sistema objecto desta patente permite a circulação, em circuito aberto, de água, mantendo-a à pressão desejada no interior de um reservatório onde se colocam os organismos a estudar ou preservar.

Descrição das Figuras 6

Figura 1: Representação esquemática do sistema de pressurização (ou hiperbárico) desenvolvido. Neste esquema, (1) representa o reservatório hiperbárico onde se colocam os organismos a estudar ou preservar, (2) representa um tanque com água, sem pressão, que alimenta o fluxo de água que passa no reservatório hiperbárico, (3) representa um filtro de água mecânico, (4) representa um filtro biológico, (5) representa um filtro de carvão activado, (6) representa uma unidade de regulação da temperatura da água, (7) representa uma bomba hidráulica de caudal variável com accionamento por motor eléctrico, (8) representa um motor eléctrico para accionamento da bomba hidráulica, com possibilidade de trabalho a diferentes velocidades de rotação, (9) representa uma válvula hidráulica redutora de pressão com controlo proporcional, (10) representa um transdutor (ou sensor) de pressão, (11) representa um controlador de pressão com saídas de sinal eléctrico que permitam uma ligação fácil a uma carta de aquisição de dados (12), ligada a um computador pessoal (13); (14) representa um passador (ou válvula de corte) com accionamento manual, (15) representa um conversor electro-pneumático e (16) representa uma tomada de ar sob pressão.

Figura 2: Representação esquemática da segurança contra sobrepressões da câmara hiperbárica. Neste esquema, (17) representa um pressostato, (18) uma válvula hidráulica que em caso de sobrepressão poderá fazer o 'by-pass' da áqua do reservatório hiperbárico (1) para o tanque (2) e (19) uma válvula hidráulica, limitadora de pressão de segurança.

Descrição detalhada da invenção 7 0 presente sistema de pressurização (ou hiperbárico) para o estudo e conservação de organismos aquáticos é composto por dois tanques principais: o tanque hiperbárico (1) onde são colocados os organismos a estudar ou manter e um tanque (2) que funciona como reservatório de água, à pressão atmosférica. 0 tanque hiperbárico (1) poderá ter uma configuração cilíndrica com fundos esféricos ou toroesféricos e terá pelo menos uma escotilha para permitir a introdução/remoção dos organismos aquáticos a estudar. Terá também pelo menos uma janela de observação (que poderá ser fabricada, nomeadamente, com vidro, policarbonato ou acrílico) que permitirá ainda a iluminação do interior do reservatório por uma fonte de luz exterior a este. A fonte de luz deverá permitir o controlo do regime de luminosidade no interior do reservatório. Este reservatório deverá ser construído com materiais resistentes à corrosão provocada pelo fluído que circulará sob pressão no seu interior e resistir, com toda a segurança, à pressão hidráulica máxima de utilização especificada. No caso de se utilizar este sistema para o estudo de organismos marinhos, e tendo a água do mar uma composição química particularmente agressiva, poderão ser utilizados na construção do reservatório o aço inoxidável, o plástico reforçado com fibras de vidro (PRFV), o plástico reforçado com fibras de aramida (PRFA), o plástico reforçado com fibras de carbono (PRFC) ou soluções híbridas com revestimento metálico e revestimento estrutural em PRFV/PRFA/PRFC. O revestimento, que constituirá o interior do reservatório de pressão, poderá ainda ser revestido por um polímero com boas propriedades de resistência à corrosão (por exemplo, mas não exclusivamente o halar ou o politetrafluoretileno, ou PTFE). Terá ainda algumas picagens que permitirão a ligação fácil de transdutores de pressão (10) e de medida de parâmetro fisico-químicos relevantes da água. Deverá também existir pelo menos um passador (ou válvula de corte, que poderá ter accionamento manual) (14) para permitir quer a purga de ar na fase de enchimento com água do reservatório de pressão quer, se tal for necessário, a alimentação dos organismos aquáticos. O fluxo de água necessário para garantir a boa qualidade desta dentro do reservatório hiperbárico realiza-se fazendo a água de um tanque (2) entrar, sob pressão, para o reservatório hiperbárico e sair deste novamente para o tanque à pressão atmosférica. Após passar a válvula proporcional (9), a água (à pressão atmosférica) que sai do reservatório pode passar por um sistema de tratamento de água, que conterá, nomeadamente uma série de filtros mecânicos (3), biológicos (4) e de carvão activado (5). Se a capacidade deste reservatório for suficientemente grande, pode ser possível operar este sistema garantindo-se a boa qualidade da água que circulará no interior da câmara hiperbárica sem necessidade de se recorrer a qualquer sistema de tratamento de água (por exemplo, no caso de se estar a utilizar água salgada, a circulação de água pode fazer-se a partir do próprio mar). Este circuito de tratamento da água é independente do circuito de pressurização da câmara hiperbárica e permite ainda que o tratamento da água se possa fazer utilizando um sistema que filtre a água do próprio tanque.

Para se manter a temperatura da água do tanque num determinado valor desejado, poderá ter de recorrer-se a um sistema de regulação da temperatura da água (6), que 9 impedirá, sobretudo se forem utilizados tanques com pequenas capacidades, o seu aquecimento progressivo.

No sistema que se descreve, a água é bombeada a partir do reservatório para a câmara hiperbárica por uma bomba hidráulica (7) de caudal variável, capaz de garantir a pressão hidráulica máxima desejada. Como sistema de protecção da bomba, ao atingir-se a pressão hidráulica máxima, a bomba hidráulica deverá ter um sistema que permita fazer o 'by-pass' da água, da sua saida para o tanque. 0 accionamento desta bomba é realizado por um motor eléctrico (8) com um controlo de velocidade ao qual, se necessário, poderá estar ainda associado um redutor. Por variação da velocidade de rotação do motor será possível obter diferentes valores para o caudal de água que circulará na câmara hiperbárica. Este caudal de água deverá ter um valor suficiente para garantir que a mistura de água tratada do tanque com a existente no interior da câmara hiperbárica conduza à manutenção do ambiente desejado dentro da câmara hiperbárica de teste. A saída da água sob pressão do reservatório faz-se através da válvula proporcional (9) com a regulação da abertura conseguida de uma forma automática a partir de um sinal eléctrico do controlador de pressão programável 11) , com 1 PI D' (controlo 'proportional/integral/derivative' ) . Para valores de pressão hidráulica elevados o accionamento da abertura da válvula (9) pode fazer-se com recurso a actuadores pneumáticos alimentados a partir de uma tomada de ar comprimido (16). Neste caso, o sinal eléctrico do controlador de pressão não é utilizado para controlar directamente a válvula hidráulica proporcional mas para controlar o actuador pneumático, utilizando-se para isso um conversor electro-pneumático (15). Este conversor converte o sinal eléctrico do controlar num sinal pneumático que o 10 actuador pneumático utilizará para o controlo da válvula hidráulica. A medida da pressão no interior da câmara hiperbárica obtém-se utilizando-se um sensor de pressão (10) cujo sinal eléctrico de saida deverá ser convenientemente ligado à respectiva entrada do controlador de pressão. O programador compara em tempo real o valor da pressão existente no interior da câmara hiperbárica e lido pelo sensor de pressão com o valor programado para a pressão, ajustando a abertura/fecho da válvula proporcional de modo a minimizar o diferencial destes dois valores. A utilização de uma carta de aquisição de dados (12) ligada ao controlador de pressão permite, utilizando-se um protocolo de comunicação adequado, a comunicação bi-direccional entre este controlador e um computador pessoal (13). Este computador deverá ter instalado o software adequado que permita uma fácil recolha e registo de valores de pressão da câmara hiperbárica bem como uma programação também fácil do controlador de pressão. A segurança do sistema contra sobre-pressões deverá conseguir-se utilizando-se sempre uma válvula limitadora de pressão de segurança (19) . Um outro dispositivo de segurança que deverá actuar antes da válvula de segurança (19) será constituído por um pressostato (IV), convenientemente regulado para actuar se a pressão hidrostática no interior da câmara atingir um valor muito próximo do valor de pressão máximo permitido, cujo sinal eléctrico deverá ser utilizado para pilotar uma válvula hidráulica de duas vias (18) que fará, neste caso, o 'by-pass' da água do reservatório para o tanque sem pressão. 11

Poderá ser adicionada ao sistema uma válvula de detecção de fluxo, montada por exemplo à saída da bomba e que, detectando uma interrupção do caudal de água fornecido por esta, deverá permitir fechar complemente a válvula proporcional (9) e assim manter a pressão no interior da câmara hiperbárica mesmo que ocorra um corte no fornecimento de energia eléctrica. No caso do reservatório ter uma capacidade suficiente, será possível manter os organismos sob pressão e em boas condições durante algum tempo. A utilização de sistemas de 'back-up' permite o funcionamento normal do sistema mesmo quando ocorrem interrupções do fornecimento de energia eléctrica pela rede.

Exemplos de aplicação

Foi já construído um protótipo do sistema, com a câmara hiperbárica, construída em aço inoxidável, e que permitiu estudar organismos marinhos (solhas adultas, Platichthys flesus Linneeus, 1758) sob condições controladas de pressão hidrostática, durante 15 dias. Foram estudados modos de funcionamento com pressões hidrostáticas constantes bem como com ciclos de pressão. 0 valor máximo da pressão hidrostática que este sistema permite atingir é de 8 bar (0,8 MPa).

No final dos testes concluiu-se que o sistema funcionou de acordo com o previsto e de uma forma autónoma, sem necessidade de qualquer intervenção do operador. Os pormenores construtivos deste sistema e resultados obtidos podem consultar-se em: 12

Deve ficar claro que o sistema hiperbárico descrito anteriormente é simplesmente um possível exemplo de implementação, meramente estabelecido para um claro entendimento dos princípios da invenção. Podem ser efectuadas variações e modificações à concretização referida anteriormente sem que se desviem substancialmente do espirito e principio da invenção. Todas essas modificações e variações devem ser incluídas no âmbito da presente invenção e protegidas pelas reivindicações seguintes.

Lisboa, 1 de Julho de 2007

Claims (9)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Sistema hiperbárico para o estudo e conservação de organismos aquáticos de média/grande profundidade, simulando as pressões hidráulicas existentes nos seus habitates naturais e permitindo o controlo das condições ambientais necessárias ao seu desenvolvimento caracterizado por compreender os seguintes dispositivos: um reservatório de pressão (1), com janelas para a visualização e iluminação do seu interior; um tanque (2) mantido à pressão atmosférica, que alimenta o fluxo de água que passa no reservatório de pressão e que contem um sistema completo de tratamento de água necessário para manter a qualidade desta, constituído essencialmente por uma série de filtros (3, 4, 5), bem como por uma unidade (6) de regulação da temperatura da água; um sistema de pressurização hidráulica do reservatório de pressão, constituído essencialmente por uma bomba hidráulica (7) accionada por motor eléctrico (8), uma válvula hidráulica proporcional redutora de pressão (9), um transdutor de pressão (10) e um controlador de pressão (11) que recebe e envia dados para um computador pessoal (13) com placa de aquisição de dados (12) e software de aquisição de dados adequados; e por sistemas de segurança contra sobre-pressões.

2. Sistema hiperbárico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por permitir a pressurização em circuito aberto de uma câmara hiperbárica (1) para organismos a estudar e ou preservar, em que a água é bombada de um tanque (2) à pressão atmosférica para a câmara hiperbárica (1) e recolhida à salda de uma válvula 2 proporcional limitadora de pressão (9) para o mesmo tanque (2).

3. Sistema hiperbárico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a pressurização em circuito aberto da câmara hiperbárica (1) usar o próprio mar ou algum curso de água doce ou outro qualquer como tanque (2).

4. Sistema hiperbárico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por usar um computador pessoal (13) com software e uma carta de aquisição de dados (12), para a programação dos ciclos de pressão desejados bem como a recolha e armazenamento de valores da evolução da pressão.

5. Sistema hiperbárico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter uma iluminação com controlo do regime de luminosidade no interior do reservatório para a observação dos organismos no interior da câmara hiperbárica (1).

6. Sistema hiperbárico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter um sistema de segurança contra sobre-pressões que usa uma válvula limitadora de pressão de segurança (19), um pressostato (17), convenientemente regulado para actuar se a pressão hidrostática no interior da câmara atingir um valor máximo, cujo sinal eléctrico vai pilotar uma válvula hidráulica de duas vias (18) que faz a derivação da água do reservatório para o tanque sem pressão.

7. Sistema hiperbárico de acordo com caracterizado por ter um passador a reivindicação (14) ou válvula 1, de 3 corte para a purga de ar na fase de enchimento com água do reservatório de pressão. com a reivindicação 1, valores de pressão de uma válvula (9) com alimentados a partir de (16), em que o sinal são (11) não é utilizado a válvula hidráulica controlar o actuador isso um conversor . Sistema hiperbárico de acordo caracterizado por ter, para hidráulica elevados, a abertura recurso a actuadores pneumáticos uma tomada de ar comprimido eléctrico do controlador de pres para controlar directamente proporcional (7) mas para pneumático, utilizando para electro-pneumático (15).

9. Sistema hiperbárico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o tanque hiperbárico (1) ter: uma configuração cilíndrica com fundos esféricos ou toroesféricos; ter pelo menos uma escotilha para permitir a introdução/remoção dos organismos aquáticos a estudar; ter pelo menos uma janela de observação fabricada, nomeadamente, com vidro, policarbonato ou acrílico.

10. Sistema hiperbárico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o tanque hiperbárico (1) ser construído num dos seguintes materiais: aço inoxidável; plástico reforçado com fibras de vidro; plástico reforçado com fibras de aramida; plástico reforçado com fibras de carbono ou soluções híbridas com revestimento metálico e revestimento estrutural em plástico reforçado com fibras de vidro/plástico reforçado com fibras de aramida/plástico reforçado com fibras de carbono. Lisboa, 1 de Julho de 2007