Dispositivo y procedimiento para medir concentración de biomasa,

y uso de un elemento electrónico chip para medir dicha concentración de biomasa.La presente invención se refiere a un dispositivo para medir la concentración de biomasa de un medio, que comprende medios para medir el cambio de impedancia eléctrica producido por la presencia de biomasa y medios de procesamiento y control para determinar la concentración de biomasa a partir de dichos medios para medir el cambio de impedancia, caracterizado por el hecho de que dichos medios para medir el cambio de impedancia comprenden por lo menos dos electrodos de configuración adecuada para permitir la medida del cambio de capacitancia de la doble capa eléctrica de la interfase electrodo/solución, producido por la adhesión electrostática de biomasa, y por el hecho de que dichos medios de procesamiento y control determinan la concentración de biomasa a partir de una curva de calibración que correlaciona dicho valor de cambio de capacitancia con la concentración de biomasa. Asimismo, la presente invención se refiere al procedimiento para medir la concentración de biomasa del medio mediante medidas de cambio de impedancia. También se refiere al uso de un elemento electrónico chip para medir dicha concentración de biomasa

Dispositivo y procedimiento para medir concentración de biomasa, y uso de un elemento electrónico chip para medir dicha concentración de biomasa.

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a un dispositivo y procedimiento para medir la concentración de biomasa del medio mediante medidas de cambio de impedancia. También se refiere al uso de un elemento electrónico chip para medir dicha concentración de biomasa.

Estado de la técnica

La biomasa es un parámetro importante de control en el campo de la fermentación, la industria alimentaria y el diagnóstico clínico, siendo indispensable un buen seguimiento de su actividad. Estos sectores industriales necesitan de dispositivos capaces de diferenciar y cuantificar los microorganismos presentes en el medio.

El control microbiológico de soluciones acuosas en sectores industriales como el del área de las aguas de bebida y consumo, requiere la cuantificación de concentraciones de microorganismos muy bajas del orden de 10² unidades formadoras de colonias por centímetro cúbico, en adelante, cfu.cm^-3.

Los métodos más extensamente empleados hasta el momento para medir bajas concentraciones de biomasa bacteriana son los basados en siembras en placa y la técnica PCR. La siembra en placas es una técnica sencilla y muy fiable aunque es demasiado lenta (requiere como mínimo 24 horas de incubación).

La espectroscopia electroquímica de impedancias (EEI) es una técnica también usada en caracterización y cuantificación de biomasa, que está basada en la aplicación de un potencial eléctrico de frecuencia variable al medio estudiado, y en la medición de la respuesta en corriente del medio para cada una de las distintas frecuencias, mediante por lo menos dos electrodos. Dicha respuesta en corriente permite obtener la impedancia eléctrica medida en un circuito eléctrico equivalente al modelo eléctrico del medio en estudio.

El barrido de frecuencias da lugar a un espectro de impedancia en el que, a una determinada frecuencia, tiene lugar una caída del valor del módulo de dicha impedancia debida a los cambios producidos en la solución por los productos del metabolismo bacteriano o por las propias células en solución. El valor del cambio de impedancia producido por la presencia de biomasa se utiliza para determinar la concentración de biomasa del medio.

Los dispositivos impedimétricos existentes que determinan la concentración de biomasa mediante espectroscopia de impedancia electroquímica presentan el inconveniente de que son lentos, puesto que requieren largos tiempos de medida, especialmente para concentraciones inferiores a 10³ cfu.cm^-3. Por otro lado, dichos dispositivos presentan también el inconveniente de que son poco fiables para medir bajas concentraciones de biomasa, puesto que la medida que realizan es muy sensible a cambios de temperatura y conductividad del medio donde se cultiva la biomasa. A bajas concentraciones la relación señal/ruido es muy pequeña, por lo que las medidas no pueden realizarse correctamente.

La patente ES 2143 911, describe un método y aparato para medir concentración de biomasa que pretende mejorar la fiabilidad y rapidez de los métodos y dispositivos existentes, sobre todo, por lo que se trata de medidas de biomasa a bajas concentraciones.

El método de la mencionada patente estima la concentración de biomasa a partir de la relación entre la impedancia a alta y baja frecuencia. En una primera opción de proceso, se utilizan directamente los valores de impedancia obtenidos a alta y baja frecuencia y, en una segunda opción, se utilizan dos valores resultantes de ajustar los datos de impedancia de un barrido de frecuencias a una curva. En el método empleado, se acepta por convención un circuito equivalente al modelo eléctrico del medio, que está compuesto por la resistencia del medio extracelular, la resistencia del medio intracelular y la capacitancia de la membrana celular.

El dispositivo impedimétrico descrito en la mencionada patente comprende sondas de medida diseñadas para adaptarse a dos conexiones estándar de un biorreactor industrial, que incluyen un sensor de temperatura y de conductividad del medio y un conjunto de electrodos. Los electrodos de cada sonda se sitúan de dos en dos en los bordes longitudinales de un agujero transversal oblongo o, en otra realización, sobre la placa o soporte en el que se deposita la capa fina de cultivo. En ambos casos, la configuración de los electrodos se ha diseñado por un lado, para limitar de forma definida el campo eléctrico, lo que facilita la medición de biomasa a bajas concentraciones y, por otro lado, para reducir la posibilidad de que burbujas presentes en la biomasa puedan influir sobre la medida.

Sin embargo, el dispositivo y método descrito en la mencionada patente sigue presentando limitaciones, puesto que las moderadas variaciones que experimenta la conductividad del medio extracelular (conductividad de la solución) en el cultivo pueden enmascarar la medida de concentraciones de biomasa bajas.

La patente ES2183677 constituye una mejora de la patente anteriormente citada, encaminada a mejorar la fiabilidad del método de detección a bajas concentraciones de biomasa. El método mejorado propuesto incluye la medición de la impedancia eléctrica del medio en dos regiones; una carente de biomasa y otra con biomasa. La medición se lleva a cabo en las dos regiones mediante conjuntos de electrodos idénticos con el objetivo de obtener información sobre las variaciones de conductividad del medio en la región carente de células. La información obtenida se utiliza para corregir la estimación de la concentración de biomasa del medio en la región con biomasa.

Sin embargo, a pesar de las mejoras propuestas, el método de medición de la mencionada patente resulta complejo y, además, poco efectivo, puesto que sigue presentando limitaciones a la hora de medir concentraciones de biomasa inferiores a 10⁵ cfu.cm^-3.

Descripción de la invención

El objetivo de la presente invención es resolver los inconvenientes mencionados, desarrollando un dispositivo y método para medir bajas concentraciones de biomasa que presenta la ventaja de que es rápido, sencillo y muy fiable.

De acuerdo con este objetivo, según un primer aspecto, la presente invención proporciona un dispositivo para medir la concentración de biomasa de un medio, que comprende medios para medir el cambio de impedancia eléctrica producido por la presencia de biomasa y medios de procesamiento y control para determinar la concentración de biomasa a partir de dichos medios para medir el cambio de impedancia. El dispositivo se caracteriza por el hecho de que los medios para medir el cambio de impedancia comprenden por lo menos dos electrodos de configuración adecuada para permitir la medida del cambio de capacitancia de la doble capa eléctrica de la interfase electrodo/solución, producido por la adhesión electrostática de biomasa, y por el hecho de que los medios de procesamiento y control determinan la concentración de biomasa a partir de una curva de calibración que correlaciona dicho cambio de capacitancia con la concentración de biomasa.

Atendiendo al mismo objetivo, según un segundo aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento para medir la concentración de biomasa de un medio mediante el dispositivo reivindicado, que se caracteriza por el hecho de que comprende las etapas de:

a) polarizar el medio aplicando un potencial eléctrico a los electrodos del dispositivo reivindicado, al objeto de adherir biomasa sobre la superficie de dichos electrodos,

b) medir el cambio de impedancia eléctrica del medio polarizado,

c) determinar en el circuito equivalente al modelo eléctrico del medio, el valor del cambio de capacitancia de la doble capa eléctrica de la interfase electrodo/solución (Cdl), a partir del valor del cambio de impedancia de la etapa b),

d) determinar la concentración de biomasa del medio a partir del valor del cambio de capacitancia de la doble capa eléctrica (Cdl) mediante la correspondiente curva de calibración que correlaciona dicho valor de variación de capacitancia con la concentración de biomasa del medio.

Por último, según un tercer aspecto, la presente invención se refiere al uso de un elemento electrónico chip que comprende por lo menos dos electrodos integrados en un sustrato de material, para medir la concentración... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para medir la concentración de biomasa (5) de un medio, que comprende medios para medir el cambio de impedancia eléctrica producido por la presencia de biomasa (5) y medios de procesamiento y control para determinar la concentración de biomasa (5) a partir de dichos medios para medir el cambio de impedancia, caracterizado por el hecho de que dichos medios para medir el cambio de impedancia comprenden por lo menos dos electrodos (2) de configuración adecuada para permitir la medida del cambio de capacitancia de la doble capa eléctrica (4) de la interfase electrodo/solución, producido por la adhesión electrostática de biomasa (5), y por el hecho de que dichos medios de procesamiento y control determinan la concentración de biomasa (5) a partir de una curva de calibración que correlaciona dicho valor de cambio de capacitancia con la concentración de biomasa (5).

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichos por los menos dos electrodos (2) están integrados en un sustrato (3) de material, constituyendo dichos electrodos (2) integrados en dicho sustrato (3) un elemento electrónico chip (1) susceptible de ser inmerso en el medio en el que se lleva a cabo la medida de concentración de biomasa (5).

3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que dicho elemento electrónico chip (1) comprende medios de conexión inalámbrica a dichos medios de procesamiento y control.

4. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que dicho elemento electrónico chip (1) comprende por lo menos un sensor para medir parámetros del medio en el que se lleva cabo la medida de concentración de biomasa (5).

5. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que dichos electrodos (2) están integrados en el sustrato (3) en forma de micro-discos.

6. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el material de dichos electrodos (2) es un material semiconductor.

7. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicha biomasa (5) está constituida por una o más células procariotas o eucariotas.

8. Uso de un elemento electrónico chip (1) que comprende por los menos dos electrodos (2) integrados en un mismo sustrato (3) de material, para medir la concentración de biomasa (5) de un medio mediante espectroscopia de impedancia electroquímica.

9. Procedimiento para medir la concentración de biomasa de un medio mediante el dispositivo reivindicado, caracterizado por el hecho de que comprende las etapas de:

a) polarizar el medio aplicando un potencial eléctrico a los electrodos (2) del dispositivo reivindicado, al objeto de adherir biomasa sobre la superficie de dichos electrodos (2),

b) medir el cambio de impedancia eléctrica del medio polarizado,

c) determinar en el circuito equivalente al modelo eléctrico del medio, el valor del cambio de capacitancia de la doble capa eléctrica (4) de la interfase electrodo/solución, a partir del valor del cambio de impedancia de la etapa b),

d) determinar la concentración de biomasa (5) del medio a partir del valor del cambio de capacitancia de la doble capa eléctrica (4) mediante la correspondiente curva de calibración que correlaciona dicho valor de cambio de capacitancia con la concentración de biomasa (5) del medio.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que la capacitancia de la doble capa eléctrica (4) del circuito equivalente es aproximada a un elemento de fase constante, siendo determinado en la etapa c) el valor de la variación del módulo de dicho elemento de fase constante.

11. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que la frecuencia de trabajo del flujo electrónico generado por la medida de la impedancia de la etapa b) es inferior a 1 MHz.

12. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que la concentración de biomasa de la etapa d) se determina a partir del valor diferencial de dos medidas de cambio de capacitancia tomadas en un intervalo de tiempo predeterminado.

13. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que la concentración inicial de biomasa (5) del medio se determina de forma indirecta, mediante la correspondiente curva de crecimiento de biomasa (5), tras monitorizar la concentración de biomasa (5) a lo largo de un periodo de incubación predeterminado.

14. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que dicha biomasa (5) está constituida por una o más células eucariotas o procariotas.