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)

Celda de medida, analizador, procedimiento, programa de ordenador y soporte de dicho programa para medir DBO.

Campo de la invención

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.

Estado de la técnica anterior

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 (DBO₅). 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.

Resumen de la invención

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,...

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.

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.

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.