PT2731705E - Métodos e aparelhos para a análise de sistemas químicos e/ou biológicos da água - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

"MÉTODOS E APARELHOS PARA A ANÁLISE DE SISTEMAS QUÍMICOS E/OU BIOLÓGICOS DA ÁGUA" A presente invenção diz respeito a métodos e aparelhos para a análise de líquidos, nomeadamente aquáticos, dos sistemas químicos e/ou biológicos. A maior parte dos elementos quimiostáticos "tradicionais" são bio-reactores que funcionam como um reactor de tanque de agitação contínua (CSTR). Um determinado volume de líquido está contido numa unidade de reactor de conveniente agitação. A biomassa é produzida neste meio líquido (bactérias, algas, células em cultura, etc.). 0 sistema é tornado estável no tempo por: (1) eliminar o excesso da biomassa produzida e de sub-produtos, e (2) através da adição de produtos químicos que são consumidos pelos organismos vivos (nutrientes, oxigénio, alimentos, etc.). Existe uma entrada contínua de aditivos e uma correspondente saída de produtos (desde que o volume do reactor seja constante, as taxas de fluxo de entrada e de saída são iguais) . Tanto a taxa de fluxo desta relação entrada/saída como a da composição da água de entrada são ajustadas de tal maneira que permanece estável a composição química da água no interior do reactor de agitação. Isto é feito automaticamente pela medição da qualidade da água na saída, e pelo ajustamento em conformidade da quantidade de aditivos. Normalmente, a biomassa também é mantida constante. Esta é regulada através da medição da densidade de células no reactor e alterando a taxa de fluxo de entrada/saída para mais ou para menos, diluir o meio de cultura até que a biomassa se estabilize no nível desejado no interior do reactor (assim denominado estado de regime do bio-reactor).

Um tal sistema é conveniente e eficiente para a produção de biomassa viva e permite algum cálculo do equilíbrio de massa para determinados produtos químicos, que, por sua vez, são aproximações (proxies) para se estimarem processos biológicos como o crescimento, a respiração, a fotossíntese, etc. 0 equilíbrio de massa para um determinado produto químico, por exemplo de O2, referenciado como C num reactor de tanque de agitação idealmente contínuo é:

onde Fin e Fout são respectivamente taxas de fluxo de entrada e de saída, [C] in Θ [C] out são as concentrações do produto químico considerado na entrada e na saídal, o Vreactor é o volume da unidade de reactor, o Vi é o 1 Note-se que para o gás, que não é a concentração, mas a pressão parcial que é considerada nas reacções. Nós devemos realmente ler aqui P02 em vez de [O2] , neste caso particular, mas isto não altera significativamente a explicação. coeficiente estequiométrico de C na na i-ésima reacção que ocorre no meio quimiostático e é a taxa de reacção para aquela i-ésima reacção. No caso de um reactor de volume constante, Fin = Fout e desde que se tenha um elemento quimiostático, o produto químico não é suposto que varie de forma significativa com o tempo, isto é:

(naturalmente que, assumindo que o sistema de regulação automática é eficiente). A equação simplifica-se para:

Na última equação, o membro esquerdo é um equilíbrio de entrada e saída de C no sistema, e o membro direito é um equilíbrio de todas as reacções que ocorrem dentro do elemento quimiostático, isto é, uma quantificação do fluxo resultante de C entre os organismos vivos que crescem no elemento quimiostático e a água circundante. Por exemplo, para os organismos que apenas respiram (nenhuma fotossíntese) , o equilíbrio do oxigénio de entrada e saída é uma boa estimativa da taxa de respiração dos organismos vivos dentro do elemento quimiostático. Assim, é possível estimar a respiração através de três medições efectuadas na entrada e saída de águas: Fj.n, [C]in e [C]0ut. A concentração dos produtos químicos pode ser determinada de várias formas (electroquímica, colorimetria, etc.). No caso do oxigénio, isto pode ser feito utilizando eléctrodos de oxigénio de Clark ou optodos, colocados sobre a entrada e saída de águas, e conectado a oxímetros. A medição da taxa de fluxo é um pouco mais delicada. Existem vários sistemas e eles são ou bastante dispendiosos, ou relativamente imprecisos. Uma outra opção poderia ser a utilização de uma bomba de fluxo constante muito precisa (muito dispendiosa, e também não é muito prática para regular o fluxo, e desse modo a biomassa no interior do reactor). Assim, na prática, observa-se uma fonte de erro que é comum a todos os quimiostáticos e a todos os produtos químicos que gostaríamos de estudar: o erro cometido na estimativa da taxa de fluxo de entrada/saída.

Agora, as equações que acima desenvolvemos são apenas válidas para os reactores de tanque de agitação idealmente contínuos, isto é, reactores onde temos a mistura perfeita e instantânea da água de entrada e o líquido no interior do reactor. Os sistemas reais não são ideais porque a mistura ocorre numa quantidade mensurável de tempo. Desde que a saída seja síncrona com a entrada, torna-se difícil de dizer exactamente a quantidade de adições através da entrada que são eliminadas através da saída antes mesmo de terem a possibilidade de estarem em contacto com os organismos vivos. Para além disso, [C]out não é mais uma boa aproximação de [C] inside (no interior do reactor). É difícil a integração ao longo do tempo das equações que descrevem um sistema real que idealmente não é perfeitamente misturada e devem-se considerar vários parâmetros adicionais relacionados com a dinâmica do fluido e a maneira de misturar é efectuada no interior do reactor. Assim, na prática, apenas são utilizáveis as equações para um reactor ideal, mas em seguida, são introduzidos erros, e que levam a um enviezamento na quantificação do processo biológico no reactor. A importância do enviezamento é dependente, quanto ao tempo de residência do produto químico no interior, do reactor em função do tempo de mistura. Se o primeiro fôr de 5 a 10 vezes maior do que o último, a aproximação é considerada válida para engenharia (isto é, a produção industrial de biomassa). Para a investigação, onde for visada a estimativa não enviezada dos processos, isto pode continuar a ser um problema. O documento de patente WO 2010/110773 Al, diz respeito a um "Reactor metanogénico", o documento de patente US 2004/0024493 Al, divulga um "Método, sistema e sub-sistema, para o processamento de uma reacção química" e o documento de patente CN 101 709 263 A, diz respeito a "Dispositivo de cultivo contínuo de elemento quimiostático".

Um objectivo da presente invenção é, assim, proporcionar uma maneira prática e economicamente viável para se conseguir a análise de líquido, especialmente aquático, de sistemas químicos e/ou biológicos, com um nível desejável de precisão analítica.

De acordo com uma das suas vertentes, a presente invenção proporciona um método para analisar o comportamento de uma amostra química e/ou biológica no seio de um meio líquido, por exemplo um meio de teste líquido, tal como definido pela reivindicação 1. De acordo com uma outra das seus vertentes, a presente invenção proporciona um aparelho, por exemplo um aparelho de teste, para analisar o comportamento de um sistema, por exemplo um sistema de teste, compreendendo uma amostra química e/ou biológica no seio de um meio líquido, tal como definido pela reivindicação 7. Modelos alternativos e/ou preferidos de realização da invenção são definidos nas reivindicações dependentes.

Com base nas realizações de que: (1) a taxa de fluxo é uma importante fonte de erro nos elementos quimiostáticos e, (2) ocorrem enviesamentos em elementos quimiostáticos reais devido à falta de mistura perfeita instantânea, foi concepcionado um reactor quimicamente estabilizado que funciona de forma diferente. Em vez de entrada e de saída constante, estas são intermitentes. 0 volume do reactor é variável, de modo que é possível acrescentar acção de suplemento (referido abaixo como um líquido de compensação), sem permitir numa primeira fase, que qualquer líquido possa fluir para fora do reactor. Em seguida, todo o conjunto (o líquido no reactor e o acrescento) é misturado durante o tempo suficiente para homogeneizar o conteúdo no interior do reactor. Só então, é eliminado um volume semelhante da mistura do reactor, de modo que é recuperado o volume inicial e são eliminados sub-produtos. Dessa forma, o nosso sistema comporta-se como um reactor de tanque de agitação ideal, mas intermitente.

Tanto a quantidade de liquido de adição como a quantidade que é eliminada são pesadas. As escalas de laboratório são disseminadas e permit em a determinação muito precisa do peso de liquido adicionado, para em seguida, ser eliminado do reactor. Um outro beneficio é que a concentração expressa em termos de peso, ou seja, a concentração molal ou molalidade (quantidade de massa), está a temperatura invariável. A concentração do mesmo produto químico expressa em termos de volume (a qual naturalmente advém de medições da taxa de fluxo em volume por unidade de tempo), ou seja, a concentração molar varia com a temperatura. A fonte de erro é baixa, mas pode ser significativa quando são requeridas determinações muito precisas. 0 volume variável pode ser conseguido através da utilização de um compartimento de gás no topo do líquido no compartimento de reactor cujo volume pode oscilar. 0 papel do compartimento de gás não está limitado a este propósito. É também um compartimento que pode simular atmosfera na parte superior do sistema aquático no elemento quimiostático, e deste modo, as trocas gasosas entre ar e água podem também ser simuladas na unidade. Para além disso, pode ser utilizado um compartimento de gás para regular a pressão parcial de oxigénio no interior do reactor, e/ou a pressão parcial de um ou mais de outros gases. Desde que a unidade funcione de forma intermitente, é uma unidade fechada durante um período de tempo significativo. Durante essa fase, a química da água é modificada no interior do reactor, bem como as trocas entre os compartimentos de líquido e de gás. Para ser considerado como um elemento quimiostático, as flutuações devem ser razoavelmente pequenas (podemos dizer, não mais do que 5% da concentração de produtos químicos), e ser prontamente equilibradas uma vez que ocorram adições líquidas. Isto pode ser conseguido escolhendo cuidadosamente tanto a biomassa por volume de reactor como o tempo entre duas adições. Por vezes, os efeitos de tampão ajudam a estabilizar o meio. Por exemplo, o pH é bem tamponado na água do mar e muda menos rapidamente do que o oxigénio que é consumido, devido à acumulação de C02 da respiração (discutimos aqui no exemplo de elemento quimiostático). Num litro de água do mar, existem de 5 a 7 mg de oxigénio dissolvido; isto pode ser esgotado muito rapidamente quando os organismos vivos respiram numa unidade fechada. No sistema de acordo com a invenção, um compartimento de gás contendo ar pode permitir o armazenamento de muito mais oxigénio em todo o sistema: para 1 atmosfera e 20°C, existem aproximadamente 240mg de oxigénio num litro de ar. Assim, um sistema composto por 1L de água do mar e 1L de ar no topo contém no total cerca de 246mg de oxigénio. 0 mesmo reactor completamente preenchido com água do mar contém apenas 12mg de oxigénio, ou seja, mais do que 20 vezes menos. Se as trocas gasosas entre água e ar forem suficientemente rápidas (por exemplo, tanto o líquido como o gás serem bem agitados), a concentração de oxigénio será muito mais estável no reactor com 1L ou água do mar e 1L de ar, para a mesma biomassa de organismos vivos. O sistema preferido de acordo com a presente invenção contém ambos, uma fase de líquido e uma de gás que simula as trocas gasosas entre água e ar, e permite uma concentração mais estável de oxigénio (ou outros componentes gasosos) na água. A estabilização de oxigénio no elemento quimiostático pode ser também mediada pela substituição intermitente da fase de gás, em simultâneo com a substituição parcial da fase líquida. Esta última funciona intermitentemente, com adições e eliminações de líquidos a serem dissociadas no tempo, de modo a que se tenha a certeza de que o meio é bem misturado antes de se eliminar qualquer líquido. Assim, não existe enviesamento nas equações utilizadas para quantificar os fluxos químicos. Finalmente, a unidadde não necessita de dispendiosas bombas fixas de fluxo, ou de medidores de fluxo de precisão, porque as taxas de fluxo não precisam de ser medidas. Os líquidos que são adicionados ou eliminados constituem amostras discretas, e estas amostras podem ser pesadas com precisão, o que leva a erros muito mais baixos na determinação das entradas e saídas do que em elementos quimiostáticos tradicionais. Esta concepção conduz a um sistema que é optimizado para a quantificação dos fluxos, incluindo aqueles que são normalmente difíceis de medir com muita precisão, como o fluxo resultante de CO2 num meio tamponado, por exemplo, água do mar na presença de organismos vivos e portanto, com muitos processos diferentes que têm impacte nesses fluxos (respiração, fotossíntese, calcificação, nitrificação, desnitrificação, etc.) combinados com um sistema químico bastante complexo (espécies inorgânicas de carbono na água do mar).

Um exemplo não limitativo da invenção é descrito em baixo com referência a: A Figura 1 que é uma representação esquemática de um aparelho de acordo com a presente invenção;

Figura 2 que é uma representação esquemática que mostra um ciclo de funcionamento preferido; e

Figura 3 que é uma representação esquemática de uma disposição possível de ciclo de 24 horas. 0 aparelho do modelo de realização descrito, pode ser pensado como um tipo especial de bio-reactor que encerra um sistema aquático químico ou biológico, numa unidade que tem a sua própria atmosfera fechada. As características físico-químicas do compartimento de água e de atmosfera são estabilizadas e padronizadas. Qualquer troca entre o compartimento de água e o sistema químico ou biológico sob estudo, pode ser monitorizada, bem como todas as trocas gasosas com a atmosfera interna na unidade. No exemplo, o sistema atinge principalmente as modificações das espécies químicas de carbono, mas também pode ser utilizado para quantificar as trocas de, por exemplo, nitrogénio (azoto), fósforo, silício, cálcio, etc. A Fig. 1 mostra um processo genérico e diagrama de instrumentação de um modelo de realização de um aparelho de teste conglomerado que compreende uma multiplicidade de recipientes individuais de reacção 11 (apenas um dos quais está representado) em que cada um inclui um sistema químico ou biológico 50 em estudo em água 111 e ar 112 num recipiente transparente equipado com um agitador magnético 14. Um suporte de recipiente de reacção 12 sob a forma de um banho termostático 12 retém cada recipiente de reacção 11 sob luz artificial controlável 13, de modo que cada recipiente de reacção é submetido a condições essencialmente idênticas controladas externamente. Cada aparelho de teste compreende um sistema de circulação de gás 21 (neste exemplo, o gás é o ar de composição conhecida) compreendendo uma bomba de diafragma 22, a qual faz movimentar o ar dentro do recipiente de reacção 11 e melhora as trocas gasosas na superfície de relação entre a água e o ar 23 e válvulas electromagnéticas de aperto controladas (VI, V2, V3 e V4) . Uma bomba peristáltica com tubos autoclávicos pode também substituir a bomba de diafragma 22, em que são necessárias condições esterilizadas. Várias instrumentações opcionais (aqui uma sonda de pH 24 e uma sonda de oxigénio 25) monitorizam cont inuamente a água que constitui o meio de teste de liquido. Da mesma forma, os analisadores de gás estão conectados para analisar a fase de gás. No nosso exemplo, um analisador de gases de infravermelhos (IRGA) 41 mede a pressão parcial de CCq num gás de entrada 61 o qual pode ser seleccionado a partir do ar e do gás de referência da atmosfera interna do recipiente da reacção. Um filtro mecânico 42 protege o analisador de gás de contaminação a partir de goticulas de água, bactérias, etc.

Cada aparelho de teste compreende também uma série de bombas peristálticas de adição/amostragem (aqui Pl a P4) que são configuradas e controladas para adicionar automaticamente as soluções de compensação e em seguida, recolher amostras do meio de teste liquido 111 no recipiente de reacção 11 (intervindo com a lavagem dos contentores das amostras). A unidade conglomerada compreende uma multiplicidade, (normalmente maior do que 2 e/ou menos do que 12) de aparelhos de teste, que funcionam em paralelo, cada um dos quais é selectivamente conectável com os analisadores de gás, por exemplo o IRGA 41, através de uma válvula apropriada V4. A Fig 2 mostra uma representação esquemática de um ciclo de funcionamento preferido: • Durante uma etapa de reacção, que funciona por mais do que o seu ciclo de funcionamento, o sistema está a funcionar como uma unidade fechada (Fig. 2a), em que as válvulas V2 e V3 são configuradas de modo que o gás de referência previamente introduzido é feito circular por uma bomba de diafragma (DP) 22 num circuito fechado de modo a aumentar o contacto com o meio liquido de teste 111 no recipiente de reacção 11; o gás de referência a partir de uma fonte de gás de referência 61 é alimentado para o IRGA 41 (não mostrado) durante esta etapa, de modo a registar uma base de referência com o analisador de gás. • Num modo de adição (Fig. 2b) a válvula V3 impede o gás de referência da fonte de gás de referência 61 de ser alimentado para o IRGA 41, a bomba de diafragma 22 é parada de modo que não exista mais circulação forçada de gás no interior da unidade, mas o gás do interior da unidade pode fluir livremente para o IRGA 61, deslocado por via da adição de solução de compensação 71 a partir do contentor 72 para o recipiente de reacção utilizando uma das quatro bombas peristálticas (Px) na unidade. 0 gás de referência 61 pode fluir livremente para o recipiente 72 durante esta etapa, com o fim de evitar qualquer vácuo durante o funcionamento. A solução de compensação 71 é pesada antes da utilização. • Num modo de lavagem (Fig. 2c) a bomba peristáltica (Px) lava o recipiente de liquido de compensação combinado e o recipiente receptor da amostra de liquido 72 com água homogeneizada de reacção liquida 111 a partir do recipiente de reacção 11, em virtude do funcionamento alternativo da bomba Px numa e noutra direcção. Durante esta etapa, o gás de referência 61 é alimentado para o recipiente de reacção 11, a uma taxa de fluxo suficientemente elevada para se obter o mesmo no final do modo de lavagem, ou essencialmente a mesma composição química da fase de gás no recipiente de reacção 11 como gás de referência. 0 gás de referência 61 também pode fluir livremente para o recipiente 72, com o fim de evitar qualquer diferença de pressão na parte superior do líquido no mesmo. De um modo opcional, a bomba de diafragma 22 pode ser novamente feita funcionar para uma melhor mistura da fase de gás dentro do recipiente de reacção 11. • Num modo de amostragem (Fig. 2d) é recolhida uma amostra homogeneizada do líquido da água da reacção 111, enquanto que o gás de referência é ainda nivelado dentro do recipiente de reacção 11. Uma vez que isto esteja completo, a unidade é feita regressar ao ciclo o que faz que se torne numa etapa de amostragem para a sua configuração de unidade fechada para uma etapa subsequente de reacção. 0 nível de líquido no recipiente reactor 11 é retornado aproximadamente para o mesmo valor que na Fig. 2a. A amostra líquida 73 justamente recolhida pode então ser ainda pesada para o equilíbrio de massa correcto, e em seguida, analisada com qualquer método adequado com o fim de determinar os níveis de atributos biológicos ou químicos no interior do recipiente de reacção 11 no final do ciclo (por exemplo, nutrientes, alcalinidade, carbono orgânico dissolvido, azoto ou fósforo, bactérias, algas, etc.). • 0 funcionamento do aparelho é controlado por um controlador 80, de modo preferencial, um computador adequadamente configurado.

Numa disposição de protótipo em que a amostra biológica a ser testada no meio de teste liquido foi uma parte residual liquida (nubbin) do coral Seriatopora hystrix, a duração preferida das etapas é: etapa de reacção de unidade fechada (Fig. 2a) 3 horas e 50 minutos; etapa de adição (Fig. 2b) 4 minutos; etapa de lavagem (Fig. 2c) 2 minutos; etapa de extração de amostra (Fig. 2d) 4 minutos. O que se segue é uma descrição mais detalhada do funcionamento do modelo de realização ilustrado. O aparelho de teste é uma unidade fechada que funciona a maior parte do tempo na sua etapa de reacção, com as válvulas V2 e V3 de desvio de gás de referência para o analisador de gás, por exemplo, o analisador de CO2 IRGA 41. Todas as bombas peristált icas (Pl, P2, P3, P4) estão desligadas. 0 agitador magnético 14 homogeneíza a água dentro da unidade, e a bomba de diafragma 22 mistura o ar no interior da unidade e melhora as trocas gasosas entre água e ar. A qualidade da água é monitorizada utilizando a instrumentação 24, 25 instalada dentro do recipiente de reacção 11.

Depois de permitir, que um sistema químico e/ou biológico 50 que está em contacto com o meio de teste líquido, a reagir durante um tempo de etapa de reacção pré-definido (que é calculado para permitir a suficiente mudança de gás (por exemplo, pressão parcial de 02 e C02) ) para quantificar fluxos, mas não em demasiado, de modo a evitar alterações físico-químicas significativas (isto é, seriam aceitáveis valores cerca de 5 a 10% acima ou abaixo do valor consignado para a maioria dos sistemas biológicos, mas isto depende da particular experiência a executar), é iniciada utilizando uma das quatro bombas peristálticas Pl a P4 uma etapa de amostragem que compreende um ciclo de adição/amostragem. A etapa de amostragem é executada como se segue. A unidade é ligada para o seu modo de adição. A bomba de diafragma 22 é desligada nesta fase para limitar as trocas gasosas entre ar e água. A válvula V3 é comutada para abrir a fase de gás da unidade para o analisador de C02 IRGA 41 e para bloquear a fonte do ar de referência 61. A bomba peristáltica seleccionada é activada no modo de adição: a solução de compensação 71 no recipiente de líquido de compensação correspondente é injectada no interior do recipiente de reacção 11. Aquela solução 71 é formulada para compensar com precisão as alterações químicas ocorridas na unidade entre duas etapas de amostragem. Uma vez que o volume de água no recipiente de reacção 11 aumente, ele empurra o ar a partir da fase de gás da unidade no sentido do analisador de CO2 IRGA 41 (efeito de êmbolo), que vai medir a pressão parcial de C02 da fase de gás na unidade depois de estarem completamente nivelados tubos e a célula de medição de infravermelhos (depois de 70 a 80 ml de solução de compensação serem injectados num modelo protótipo de realização) . As bombas peristálticas são configuradas para terem uma taxa de fluxo que permita a injecção de toda a solução de compensação ao longo de um período de tempo que represente de metade a dois terços do tempo em que a bomba está a funcionar no modo de adição (dois a três minutos no nosso protótipo, enquanto o modo de adição tem a duração de quatro minutos). Deste modo, não precisamos de bombas peristálticas de fluxo precisas, e todo o líquido de compensação é injectado com uma margem durante a qual o ar de referência a partir do interior do recipiente de líquido de compensação é injectado dentro do recipiente de reacção 11. Assim, não é a taxa de fluxo da bomba que é utilizada para determinar a quantidade de solução de compensação que é injectada, mas a pesagem daquela solução antes da utilização (por conseguinte, uma medição que é pelo menos uma ordem de grandeza mais precisa do que uma estimativa a partir da taxa de fluxo e do tempo). A unidade é então comutada para um modo de lavagem por um período de 2 minutos. A bomba peristáltica é colocada a funcionar três vezes durante 20 segundos numa direcção e durante 20 segundos na outra direcção. O fundo do recipiente de liquido de compensação é assim, lavado três vezes com a água do meio liquido de teste a partir do recipiente de reacção 11. Enquanto isso, a água do meio liquido de teste e a solução de compensação são progressivamente homogeneizadas na unidade de recipiente de reacção em virtude do agitador magnético 14. O re-equilíbrio da atmosfera interna na unidade também é iniciada nesta etapa: a bomba de diafragma é ligada de novo e a válvula V2 é comutada para alimentar o ar de referência para dentro da unidade. A unidade é então configurada no modo de extracção de amostra, que se prolonga por mais quatro minutos. A bomba peristáltica está activada e o recipiente liquido de compensação combinado e o recipiente de recepção da amostra 72 está completamente cheio com uma amostra 73 cujo volume aproximadamente iguala o volume da solução de compensação que foi adicionado. Isso é assegurado pelo tubo de recolha no interior do recipiente de reacção que mergulha precisamente a uma suficiente profundidade na unidade para bombear o volume correcto de solução, mas que é nivelado com o ar uma vez que a água vai apenas abaixo do nivel requirido. Uma vez mais, a bomba peristáltica está a funcionar um pouco mais prolongadamente do que o tempo requerido para recolher a amostra, e ela, o resto do tempo, irá apenas borbulhar um pouco do ar da lavagem para fora do recipiente de reacção (atmosfera interna é ainda lavada com ar de referência para uma maior taxa de fluxo do que a taxa de fluxo da bomba peristáltica neste modo). A amostra 73 é assim, uma (e não apenas uma aproximada homogeneização teórica) perfeitamente homogeneizada de (i) a água do meio liquido testado cuja composição foi ligeiramente modificada durante a etapa de reacção anterior e que estava em contacto com o sistema químico e/ou biológico em estudo e (ii) a solução de compensação que acabou de ser adicionada. Mais uma vez, a sua quantidade não é estimada por medição da taxa de fluxo, mas é medida de forma muito precisa mais tarde por pesagem da amostra. Ela encontra-se disponível ainda para análise química (alcalinidade, cálcio, amónio, nitrito, nitrato, ortofosfato, silicato, etc.).

Se a solução de compensação foi correctamente formulada, a composição química desta amostra deve ser idêntica ou pelo menos muito próxima dos valores visados num elemento quimiostático idealmente equilibrado. Uma vez que a composição da solução de compensação foi prevista utilizando um modelo matemático dinâmico, qualquer variação observada na composição química da amostra indica pelo modelo, um excesso ou subestimação daquele composto químico, temos aqui a validação em tempo real do modelo como que constituindo uma parte do aparelho e/ou do próprio método. A etapa de amostragem (e o ciclo) está terminada quando a unidade é novamente configurada como uma unidade fechada na sua configuração de etapa de reacção através da paragem da bomba peristáltica e invertendo as válvulas V2 e V3. Um novo ciclo pode então começar, o qual irá utilizar uma outra das quatro bombas peristálticas e recipientes de solução de compensação, com uma outra solução de compensação pronta para ser injectada.

Todo o sistema como se ilustra neste modelo de realização, tem portanto uma autonomia de quatro ciclos. No nosso protótipo, organiza-se o sistema químico e/ou biológico de modo que cada ciclo pode durar durante quatro horas sem uma mudança demasiado grande na composição química do meio de teste líquido e de gás no interior do recipiente de reacção. Dessa forma, a unidade tem uma autonomia de 16 horas fora do horário de trabalho, e ainda se aproxima de forma satisfatória de um ambiente estático quimicamente ideal, apesar de correcções feitas em intervalos de tempo discretos. Durante as horas de trabalho, são executados dois ciclos adicionais com as bombas Pi e P2 após a recolha de todas as amostras e formulando outras soluções de compensação (ver Fig. 3) . Isto conclui um período de tempo de 24 horas. Também é deixada margem de tempo suficiente para o trabalho de um técnico para analisar todas as amostras recolhidas. Antes do final do dia de trabalho, as duas amostras são recolhidas e todas as soluções de compensação são formuladas para os próximos quatro ciclos necessários para concluir uma pesquisa de 24 horas. Isto significa que temos seis amostras por cada 24 horas, e com um fotoperíodo (tempo de exposição à luz) de 12 horas, temos duas amostras recolhidas exactamente quando é ligada ou desligada a luz, duas amostras adicionais durante a luz do dia e duas amostras adicionais durante a fase de escuridão. Esta configuração pode ser utilizada para avaliar a forma de como é que se comporta o sistema sob um ciclo circadiano (efeito da diferença horária), incluindo talvez, mudanças não lineares durante o dia e/ou noite (uma característica chave do dispositivo para os sistemas biológicos com grandes variações que possam ser esperadas num ciclo de 24 horas). A Fig. 3 ilustra intervalos de amostragem de 4 horas (configuração utilizaada no protótipo), que podem proporcionar suficiente resolução de tempo num ciclo circadiano para quantificar como é que alguns processos, por exemplo, a fotossíntese, a respiração, a calcificação, etc. variam durante o dia, incluindo durante as fases de luz e de escuridão. Utilizando 4 bombas separadas (cada uma para completar um ciclo particular), pode-se programar um ciclo curto, com 2 bombas Pi e P2, durante as horas de trabalho, e outro, de ciclo longo com todas as quatro bombas Pi a P4 até ao dia seguinte. As setas na Fig. 3 mostram quando é que são recolhidas as amostras, e que bomba se utiliza no final de cada ciclo completo. As soluções líquidas de compensação também podem ser calculadas de forma diferente dependendo da hora do dia, em que elas serão adicionadas.

Note-se que o erro nos fluxos resultantes medidos ao longo de vários ciclos, não é mais do que a adição de erros para cada ciclo, os quais por concepção são mantidos no mínimo. Para uma resolução de tempo mais pequena, mas uma maior precisão ao longo de um período mais longo, podem ser reunidas e analisadas em conjunto várias amostras sucessivas. Por outro lado, ligeiros erros no cálculo pelo modelo das várias soluções de compensação fazem-se acumular sobre os sucessivos ciclos, levando a uma melhor detecção de mesmo ligeiras discrepâncias entre o modelo e o sistema químico e/ou biológico vigente em estudo. Esta concepção também é optimizada para medir com mais precisão fluxos resultantes e equilíbrios resultantes que são geralmente medidos por outros meios ou por equações de equilíbrio que contém várias medições, e onde os erros tendem a acumular-se numa extensão muito maior na estimativa final. Por exemplo, o crucial fluxo resultante de CO2 entre a água de reacção do meio de teste líquido e o ar da fase de gás no âmbito das previsões de acidificação do oceano não é aqui calculado, mas é quantitativamente e mais precisamente medido directamente no nosso sistema artificial pelo analisador IRGA de CO2 uma vez por ciclo, ao mesmo tempo que o funcionamento da sua etapa de amostragem. As alterações observadas no PCo2 do ar no recipiente de reacção são as acumulações de trocas entre o ar e a água que ocorrem ao longo de todo um ciclo (o tempo mínimo necessário para a adição - lavagem - amostragem, isto é, justamente 10 minutos no nosso protótipo) quando a unidade é colocada a funcionar como uma unidade fechada. Para além disso, o mesmo IRGA é utilizado para medir selectivamente aquele ar da fase de gás e alternativamente do gás de referência, minimizando ainda mais o erro de quantificação de trocas de PCo2 entre os dois gases. O sistema está particularmente adaptado para o estudo dos sistemas químicos e/ou biológicos aquáticos. As aplicações possíveis incluem, mas não estão limitadas a: • Estabelecimento experimental para estudar propriedades químicas dos cristais de carbonato de cálcio na água do mar. A química de dissolução e precipitação de carbonato de cálcio na água do mar é muito complexa e muito afastada de um sistema ideal. Existem várias formas diferentes de cristais de carbonato de cálcio (a aragonite, a calcite, a calcite de magnésio; quimicamente ou biologicamente precipitadas) e muitos iões que possam interferir com a precipitação ou a dissolução de tais cristais na água do mar, incluindo mas não se limitando a, estrôncio ou ortofosfatos. O carbonato de cálcio está amplamente saturado (entre 3 e 5 vezes) na superfície da água do mar, mas a acidificação da água pode levar a uma mudança dramática no estado de super-saturação da água do mar, ou mesmo para sob-saturação nas águas da Antártida perto de 2100. O sistema permite o estudo confortável e preciso da química do carbonato de cálcio na água do mar. • 0 sistema pode ser utilizado como uma espécie de respirómetro (dispositivo medidor da respiração) sofisticado e ultra-preciso. Um respirómetro é uma câmara onde a respiração (e portanto, o metabolismo) de organismos vivos é quantificada. Os respirómetros simples são completamente fechados e permitem a medição da respiração apenas ao longo de um curto período de tempo (não é possível um levantamento completo sobre 24h) . Os respirómetros mais complexos funcionam em sistemas abertos, mas são muito menos precisos, porque eles sofrem das mesmas fontes de erros de medição como os elementos quimiostáticos tradicionais (por exemplo, a estimativa de oxigénio consumido depende da precisão na estimativa das taxas de fluxo, e na falsa assumpção de que a solução é instantaneamente uma mistura perfeita no respirómetro). Em comparação, a invenção pode ser utilizada tanto para a medição exacta do consumo de oxigénio (ou produção de dióxido de carbono) pela respiração, como para repetidas medições ao longo de um período de tempo de 24 horas, ou ainda mais longo. • 0 sistema pode ser utilizado como um dispositivo experimental para a investigação sobre o impacte da acidificação dos oceanos sobre os organismos vivos, a aplicação foi projectada principalmente neste sentido. Todos os parâmetros estão sujeitos a apropriada selecção de acordo com o sistema biológico sob estudo, como o volume e tamanho da unidade, o volume da atmosfera retida da fase de gás, o tempo entre dois ciclos sucessivos e o volume de cada adição e amostra. • 0 sistema pode ser executado para cultura de bactérias, protistas (grupo de microorganismos eucariotas), fungos, fitoplâncton, zooplâncton,..., em condições físico-químicas bem especificadas e para monitorizar o seu crescimento e mudanças fenotípicas nestas condições. Duas específicas aplicações principais podem ser vislumbradas: (1) como em aplicações anteriores o dispositivo pode ser utilizado como uma unidade experimental para a investigação em estudos eco-fisiológicos, e (2) o dispositivo pode ser utilizado para medir com precisão a forma como o sistema biológico funciona com vista a uma melhor concepção de elementos quimiostáticos industriais, graças a meios líquidos e de gás para completar e caracterizar com precisão os fluxos entre o sistema biológico. • 0 sistema pode ser também utilizado para a cultura de células em meio líquido de suspensão onde quer que seja necessário a quantificação precisa de trocas entre estas células e o meio líquido e/ou a fase de gás. Isso é útil em situações experimentais nas áreas de fisiologia, medicina, ciências veterinárias, ou ecologia. • 0 sistema biológico também pode compreender sedimentos, e neste caso, podem ser estudadas as trocas entre os sedimentos, os organismos vivos e o meio líquido. Por exemplo, fluxos entre sedimentos provenientes do fundo do mar, ou a partir do fundo de um rio ou de um lago e a água pode ser caracterizada. Isto também pode incluir estudos eco-toxicológicos em gue o isolamento ou a libertação de substâncias tóxicas, como metais pesados, PCBs, hidrocarbonetos, etc., no interior dos sedimentos e/ou dos organismos vivos, pode ser calculada com precisão utilizando um tal dispositivo. • Estável ou radio-isótopos podem também ser utilizados nas soluções de compensação e/ou no gás de referência, com vista a melhor controlar fluxos específicos no sistema. Por exemplo, o gás de referência pode ser composto de ar, onde 14N2 (para mais do gue 99% no ar) é substituído por 15N2. Os fluxos de 15N2 dentro dos organismos biológicos guantificam a fixação de nitrogénio. Por outro lado, os fluxos de 14N2 no ar guantificam os processos de desnitrificação. Ambos os fluxos são mensuráveis no presente dispositivo, gue permite uma medição directa da fixação do nitrogénio ou desnitrificação, actualmente uma tarefa dificilmente possível com um outro sistema.

Exemplos adicionais de aplicabilidade industrial do sistema serão imediatamente evidentes para o destinatário especializado e com competência.

Por exemplo, uma das conseguências do aumento de C02 na atmosfera é uma mudança do eguilíbrio de carbono inorgânico nos oceanos, levando a assim denominada acidificação dos oceanos (neutralização parcial de pH alcalino da água do mar). Desde o início da era industrial, a média de pH da água do mar já se reduziu em cerca de 0,1 unidades, e está previsto para o proximo século, uma redução ainda maior de mais ou menos 0,2 a 0,3 unidades. Saber se esta mudança de pH tem um impacto no ser vivo aguático, tem-se agora a certeza. Ela tem impacte na taxa de calcificação, na taxa de fotossíntese, assim como, em outras reacções bioguímicas gue são sensíveis ao pH extracelular. O horizonte de saturação de carbonato de cálcio (tanto a calcite como a aragonite) está na profundidade, onde a forma de carbonato de cálcio correspondente está em eguilíbrio na água do mar. Em cima, a água é super-saturada e favorece a precipitação (principalmente por acumulação por organismos vivos). Em baixo, os carbonatos de cálcio dissolvem-se pela erosão guímica nas profundezas dos oceanos. Estes horizontes de saturação ocorrem como gueda do pH da água do mar em menores e inferiores profundidades. Devido ao grande número de efeitos potenciais sobre a fisiologia das plantas marinhas, animais e micro-organismos, os seus efeitos indirectos sobre todo o eco-sistema, e mudanças no estado de guímica global a respeito da precipitação e dissolução do carbonato de cálcio, não está claro ainda como é gue os ambientes aguáticos serão impactados em larga escala por esta queda de pH. Actualmente isto é o campo de intensa investigação por parte da comunidade científica.

Neste contexto, é importante saber que sistema funciona como um dissipador (consome mais carbono inorgânico do que o que produz) ou como uma fonte (o oposto). Na verdade, possíveis acções para limitar o aumento de CO2 na atmosfera incluem qualquer gestão de recursos que favoreça os dissipadores contra fontes de carbono inorgânico na terra. Isso requer quantificação e delicada compreensão do ciclo do carbono no planeta. Não é fácil de quantificar se um sistema químico e/ou biológico, funciona como um dissipador ou uma fonte de carbono inorgânico, porque isto é o resultado de vários fluxos de carbono em direcções opostas (sistemas biológicos, em particular, são muito dinâmicos). 0 equilíbrio resultante é muitas vezes quantificado com uma grande parte de incerteza, como o resultado resultante de muitos fluxos que são individualmente quantificados com significativo erro (fotossíntese, respiração, calcificação, nitrificação, desnitrificação, precipitação química ou dissolução,...). Estes erros acumulam-se nas equações. A quantificação mais precisa da resultante de fluxos de carbono de um dado sistema é por medição directa. Para os sistemas aquáticos, o sistema da presente invenção pode ser utilizado para colocar o sistema aquático químico ou biológico sob estudo em condições tais que a resultante que resulta das trocas de carbono na interface entre ar e água pode ser medida directamente e de forma precisa.

Um outro objectivo do sistema é o de permitir o funcionamento como um elemento quimiostático (o ambiente químico é estático), com um controlo da composição inorgânica da água, o seu pH, e a sua carga de nutrientes (para sistemas biológicos).

Um terceiro objectivo é permitir a determinação simultânea de mecanismos mais importantes que alterem a química do carbono inorgânico da água e seu pH em sistemas naturais, ou seja, a precipitação ou a dissolução de carbonato de cálcio, a fotossíntese e a respiração, a nitrificação e a desnitrificação, troca na interface do ar e da água, ... . 0 sistema da presente invenção pode ser utilizado para visar as medições destes mecanismos simultaneamente, com a mais elevada precisão possível, de modo não destrutivo, e sem a utilização de isótopos radioactivos (por exemplo, medições de incorporação de 14C). A resolução temporal é também crucial: o sistema deve continuar a ser suficientemente estável durante alguns dias e várias medições por dia devem permitir compreender as alterações circadianas nos processos.

Um quarto objectivo é conseguir um bom entendimento mecanicista dos processos que ocorrem na unidade. A abordagem que é tornada possível de acordo com a invenção pode ser utilizada para reverter o modo usual de funcionamento entre um sistema experimental e o seu modelo matemático (dinâmico). Normalmente, um sistema experimental é estudado em primeiro lugar. Sendo um elemento quimiostático, ele requer estabilização da composição química do meio. Isto é feito através de medições na água de saída, e o ajustamento da água de entrada para estabilizar a concentração dos produtos químicos no interior da unidade, de forma independente do modelo matemático. 0 modelo é finalmente ajustado nos dados experimentais, mas nunca interage directamente com a forma como a unidade experimental (o elemento quimiostático) está a funcionar. 0 modelo é, portanto, uma espécie de representação matemática passiva das mudanças que ocorrem independentemente no seio da unidade experimental. Ao contrário de uma unidade experimental normal, o sistema da presente invenção pode ser (e em algumas configurações deve ser) orientado directamente pelo modelo matemático. Este último é utilizado para antecipar de algumas horas em avanço, as mudanças que irão ocorrer no sistema e para formular acções de suplemento, com vista a trazer as necessárias correcções. A compatibilidade do modelo com o sistema real em estudo é quantificada pelas variações observadas ao longo do tempo que são devidas a incorrecta previsão pelo modelo. Num tal caso, o modelo deve ser corrigido em primeiro lugar, e a experiência no sistema é novamente executada até que todo o sistema se estabilize. Naquele momento, obtemos uma directa validação experimental do modelo matemático, uma vez que isso demonstra que as alterações no sistema estão correctamente previstas e antecipadas nos cálculos.

Lisboa, 22 de Janeiro de 2016

Claims (14)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Um método para analisar o comportamento de um sistema que compreende uma amostra química e/ou biológica num meio líquido, compreendendo o método: um primeiro ciclo que compreende: uma primeira etapa de reacção compreendendo permissão para que a amostra química e/ou biológica possa reagir num recipiente de reacção durante um primeiro momento da etapa de reacção (tl) num sistema fechado num meio líquido; e - uma primeira etapa de amostragem, compreendendo as etapas sequenciais de: (i) combinação e essencialmente a homogeneização dos conhecidos um primeiro líquido de compensação, de peso pré-determinado e da composição com o meio líquido; e (ii) a remoção para análise, de uma parte do meio líquido homogeneizado; e um segundo ciclo que compreende - uma segunda etapa de reacção que compreende a permissão para que a amostra química e/ou biológica possa reagir no recipiente de reacção durante um segundo momento de etapa de reacção (t2) num sistema fechado no meio líquido resultante do primeiro ciclo; e - uma segunda etapa de amostragem compreendendo as etapas sequenciais de: (i) combinar e essencialmente homogeneizar um segundo líquido de compensação, dos conhecidos pesos pré-determinados e da composição com o meio líquido do segundo ciclo; e (ii) a remoção para análise, de uma parte do meio líquido homogeneizado.
2. 2. Um método para analisar o comportamento de um sistema de acordo com a reivindicação 1, em que a composição de pelo menos um dos líquidos de compensação é seleccionada de modo a coincidir com uma composição prevista do meio líquido no momento em que o líquido de compensação e o meio líquido são combinados, a referida composição do líquido de compensação é determinada por modelização.
3. 3. Um método para analisar o comportamento de um sistema de acordo com a reivindicação 2, em que a modelação da composição do líquido de compensação inclui a utilização de dados derivados da análise do meio líquido a partir de uma etapa de amostragem anterior.
4. 4. Um método para analisar o comportamento de um sistema de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que o meio líquido, contacta um gás de referência durante a etapa de reacção.
5. 5. Um método para analisar o comportamento de um sistema de acordo com a reivindicação 4, em que (i) durante a etapa de reacção o gás de referência é proporcionado num sistema fechado e em que (ii) o método compreende a análise de pelo menos uma, propriedade do gás de referência de uma maneira adaptada para determinar possíveis mudanças nessa propriedade induzida durante a etapa de reacção.
6. 6. Um método para analisar o comportamento de um sistema de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que o comportamento do sistema é analisado por pesagem de cada líquido que é adicionado ao recipiente de reacção e dele removido.
7. 7. Um aparelho para analisar o comportamento de um sistema que compreende uma amostra química e/ou biológica num meio líquido, sendo o aparelho adaptado para ser comutado entre um funcionamento num ciclo de circuito fechado de reacção, e um funcionamento no ciclo de amostragem, compreendendo o aparelho: um recipiente de reacção adaptado para ser mantido num ambiente controlado e adaptado para conter a amostra química e/ou biológica no meio líquido; um sistema de circulação de gás adaptado para receber um gás de referência no sistema antecedente a um ciclo de reacção, para fazer circular o gás num circuito fechado no sistema durante o ciclo de reacção de modo a que o gás contacte o meio líquido e para abastecer uma parte do gás circulado para análise durante o ciclo de amostragem; pelo menos, um recipiente de líquido de compensação adaptado para conter um líquido de compensação a ser combinado com o meio líquido durante o ciclo de amostragem, sendo o recipiente de líquido de compensação adaptado para ser abastecido com o gás de referência; um sistema de combinação de liquido adaptado para combinar e essencialmente homogeneizar o liquido de compensação e o meio liquido como parte do ciclo de amostragem; um sistema de amostragem de liquido adaptado para receber uma parte da amostra do meio liquido como parte do ciclo de amostragem; pelo menos, um recepiente de recepção de amostra de liquido adaptado para receber a parte de amostra do meio liquido como parte do ciclo de amostragem; e um controlador adaptado para comutar o sistema entre o seu ciclo de reacção e o seu ciclo de amostragem.
8. 8. Um aparelho de acordo com a reivindicação 7, em que o mesmo recipiente está adaptado para servir como um recipiente de liquido combinado de compensação e recepiente de recepção de amostra de liquido.
9. 9. Um aparelho de acordo com a reivindicação 7 ou reivindicação 8, em que o aparelho compreende uma multiplicidade de um recipiente de liquido de compensação e recepiente de recepção de amostra de liquido ou uma multiplicidade de recipiente de liquido combinado de compensação e recepiente de recepção de amostra de liquido, e em que o aparelho está configurado de tal modo que cada recipiente de recepção de amostra de liquido está adaptado para receber uma amostra de liquido a partir de um ciclo de reacção diferente do aparelho.
10. 10. Um aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, no qual um sistema de amostragem de líquido compreende uma ou mais bombas possuindo linhas de abastecimento associadas, cada uma das bombas e as suas linhas de abastecimento associadas sendo configurada para transferir líquido entre o recipiente de reacção e um único recepiente de recepção de amostra de líquido.
11. 11. Um aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, em que o aparelho compreende ainda pelo menos uma sonda, nomeadamente, uma sonda de pH e/ou uma sonda de oxigénio, adaptada para medir uma característica do meio líquido.
12. 12. Um aparelho conglomerado que compreende uma multiplicidade de aparelhos de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, em que o aparelho conglomerado compreende um recipiente de suporte de reacção adaptado para manter os recipientes de reacção de cada aparelho numa configuração tal que cada recipiente de reacção é submetido a condições externas essencialmente idênticas.
13. 13. Um aparelho de acordo com a reivindicação 12, em que o sistema de circulação de gás é adaptado para abastecer selectivamente uma parte do gás circulado a partir de cada aparelho individual para um único analisador de gás durante o ciclo de amostragem daquele aparelho individual.
14. 14. Utilização de um método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6 e/ou um aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 13, para analisar um sistema seleccionado de entre o grupo que consiste de um sistema configurado para analisar o impacte da acidificação do oceano num organismo vivo, um sistema configurado para quantificar o consumo de oxigénio e/ou a produção de dióxido de carbono de um organismo vivo, e um sistema para o estudo das propriedades químicas de cristais de carbonato de cálcio na água do mar. Lisboa 22 de Janeiro de 2016