Fermentacion sensores

Características de operación de los electrodos potenciométricos al nivel industrial para la referencia.

Medida de pH

        Para la medida de este parámetro se utiliza por lo general un electrodo combinado de vidrio. En realidad, éste consta de dos electrodos; uno, el de vidrio, cuyo potencial depende de las variaciones de pH, y un electrodo de referencia cuyo potencial no varía con el pH. El potencial del electrodo de trabajo sigue la ley de Nernst

o sea que varía tanto con el pH como con la temperatura. A 25°C el potencial de este electrodo  varía unos 57 mV/unidad de pH.

        Debe tenerse en cuenta que ésta es una medida potenciométrica, o sea que se mide a velocidad de reacción nula, en el equilibrio; por lo tanto durante la medida no circula corriente por los electrodos. Este tipo de electrodos poseen una gran resistencia interna (de unas cuantas decenas de MΩ), por lo que la circulación de corriente por el electrodo por más pequeña que sea produce grandes errores en la medida del pH.

        A manera de ejemplo, supongamos que circula a través del electrodo una ínfima corriente 1nA = 1.10-9A, la resistencia típica de un electrodo es 40 MΩ = 4 x 107Ω, la caída de potencial que se produce será V = I.R, V = 10-9A . 4 x 107Ω = 4.10-2V = 40 mv, lo que equivale a 0,7 unidades de pH.

Calibración del electrodo: En general los peachímetros poseen dos perillas para la calibración del electrodo, una (la de ajuste de pH o ΔpH) que produce un corrimiento del 0 del instrumento sin variar la relación Δm / Δ pH, o sea que generaría una serie de rectas paralelas, Fig. 1.

La otra perilla que normalmente se la denomina compensación por temperatura, varía la relación Δmv / ΔpH sin alterar la posición del 0 (Fig. 2). Para calibrar entonces un electrodo se debe proceder de la siguiente manera: Se debe disponer de al menos dos soluciones tampón de valor

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                                Fig. 1                                                Fig. 2

conocido, una de pH 7 o lo más cercano posible a éste y otro ácida o alcalina (pH ~ 4 o 10) dependiendo de la zona donde se va a trabajar.

        La calibración ideal sería la siguiente: Con las soluciones a la temperatura de trabajo, lavar prolijamente el electrodo con agua destilada, secarlo con papel de filtro (no tocarlo con los dedos, sumergirlo en la solución de pH 7, dejar que se estabilice la lectura y con la perilla ΔpH llevar la lectura del instrumento al valor del pH de la solución tampón. Retirar el electrodo de la solución, lavarlo y secarlo e introducirlo en el otro tampón, dejar que la lectura se estabilice y luego con la perilla de compensación de temperatura llevar el instrumentos al valor correcto. Normalmente, el electrodo de pH debe ser por medios físicos (calor) o químicos (desinfectantes). La generalidad de los electrodos esterilizables por calor soportan temperaturas de hasta 130°C sin dañarse, siempre y cuando el ambiente esté saturado en agua. En el caso de esterilización por métodos químicos hay que tener la precaución de no utilizar mezclas fuertemente deshidratantes que pueden dañar al electrodo de medida.

        Como resultado de la esterilización puede ocurrir que el electrodo pierda su calibración, y en la mayoría de los casos no se puede calibrar en dos puntos como se describió anteriormente, ya sea porque está inserto en el reactor en contacto con el medio de cultivo, o porque una recalibración implicaría el riesgo de perder la esterilidad. En estos casos se procede a recalibrar al electrodo en forma indirecta, esto se logra sacando una muestra del medio de cultivo del reactor, tomarle pH en otro peachímetro, y luego, con la perilla de ΔpH ajustar al valor correcto.

Medida de oxígeno disuelto:

        Para la medida de este parámetro se utiliza por lo general un electrodo de  difusión que consta fundamentalmente de una membrana permeable al oxígeno que separa la celda de medida del medio de fermentación. Existen fundamentalmente dos tipos de electrodos, potenciométricos (miden el potencial de equilibrio a velocidad de reacción 0) y amperométricos (que miden la corriente generada en la celda de medida por la reducción del oxígeno que atraviesa la membrana hacia la celda); y a su vez estos últimos pueden dividirse en dos tipos, los polarográficos (en los cuales se les coloca un potencial externo de polarización) y los galvánicos (que funcionan como una pila y generan su propia FEM).

        En realidad, en el único tipo de electrodo en que hay transporte difusional de oxígeno a través de la membrana en el momento de medida es en los amperométricos y en consecuencia la dependencia de la lectura con la temperatura en este caso se debe a la variación de la difusividad del oxígeno en la membrana, que en la mayoría de los casos es del orden del 2 %/°C. En cambio en los potenciométricos sigue la variación de la ley de Nernst.

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En el caso de electrodos amperométricos la reacción catódica es:

y la anódica para los galvánicos, donde el ánodo está constituído por  un metal no noble:

para los polarográficos, los electrones necesarios para la reducción del O2 son suministrados exteriormente por el potencial aplicado al electrodo.

        Si hacemos una gráfica de los gradientes de concentración para los electrodos galvánicos obtendríamos

Donde RL, Rm y RE  son respectivamente las resistencias al flujo de oxígeno en el líquido, la membrana y el electrolito. Aquí vemos que las resistencias más importantes son RL y Rm , pues RE puede achicarse tanto como se quiera al acercar el cátodo a la membrana.

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