Automatización y Simplificación de Procedimientos Analíticos

Tema 3: Simplificación del Procedimiento Analítico

Automatización vs. Integración de Etapas

  • Generación de Información Industrial y Ambiental: El procedimiento analítico es fundamental en la generación de información en los ámbitos industrial y ambiental.
  • Etapas del Procedimiento Analítico:
    • Muestra
    • Muestreo
    • Transporte de la muestra
    • Procesado de la muestra
    • Separación
    • Reacción
    • Medida
    • Descodificación
    • Codificación
    • Procesado de señal
    • Calibración
    • Resultados

Necesidad de Simplificación

  • Integración y Interconexión: Es esencial simplificar el procedimiento analítico integrando e interconectando etapas.
  • Automatización: La automatización juega un papel crucial en la simplificación, utilizando sensores y sistemas de análisis total.
  • Información Requerida:
    • Precisión y exactitud mejoradas.
    • Incorporación del vector espacial y temporal junto al dato numérico.

Sistemas de Análisis Total

  • Interconexión de Etapas: Los sistemas de análisis total se basan en la interconexión de las etapas del procedimiento analítico.
  • Automatización Robotizada: Se utiliza la automatización mediante sistemas robotizados.
  • Conectividad: La conectividad es un elemento clave en estos sistemas.

Sistemas de Análisis Total: Integración del Procedimiento Analítico

  • Selectividad: La selectividad es una característica importante.
  • Proceso de Medición:
    • Elemento
    • Reconocimiento
    • Señal primaria (óptica, electroquímica, másica, térmica)
    • Transducción
    • Señal secundaria
    • Señal eléctrica
    • RTA (Respuesta Transitoria Analítica)
  • Uso de Sensores y Biosensores: Los sensores y biosensores son componentes fundamentales.

Operaciones Unitarias del Procedimiento Analítico

  • Preparación de la Muestra:
    • Homogenización, tamizado, secado, etc.
  • Disolución:
    • Calentamiento con solvente, ignición, descomposición, tratamiento con ácido, base, oxidante o reductor, sonicación, ablación láser, disolución electrolítica, etc.
  • Separación/Eliminación de Interferencias:
    • Filtración, diálisis, extracción, destilación, pervaporación, cromatografía, etc.
  • Medida de la Respuesta Analítica:
    • Medida de propiedad física que se relaciona con la concentración.
    • Absorbancia molecular, transmitancia, reflectancia.
    • Fluorescencia, "quenching" emisión, tiempo de vida emisión, quimioluminiscencia.
    • Absorción o emisión atómica.
    • Potencial, intensidad de corriente, conductividad, impedancia.
    • Masa molecular.
  • Adquisición, Tratamiento y Presentación de Resultados:
    • Presentación de datos con precisión y exactitud, en las unidades de concentración requeridas.
  • Automatización:
    • La automatización total de todas las operaciones unitarias es muy difícil de conseguir.
    • La automatización de las interfases entre ellas, también presenta desafíos.

Automatización del Proceso Analítico

  • Técnicas de Automatización: Se utilizan diversas técnicas para automatizar las diferentes etapas del procedimiento.
  • Métodos Automáticos Globales:
    • Analizadores robotizados.
    • Analizadores automáticos discretos.
    • Analizadores automáticos en continuo.

Computadora como Herramienta Básica

  • Adquisición de Datos: El ordenador ejecuta instrucciones para la adquisición de datos experimentales.
    • Señales analógicas se convierten en señales digitales.
  • Monitorización Continua vs. Muestreo Discreto:
    • Análisis automatizado frecuente.
    • Muestreo manual discreto.
    • Análisis continuo automatizado.

Automatización del Muestreo

  • Clasificación de los Sistemas Automáticos de Muestreo:
    • En función del tipo de muestra (líquidos, gases, sólidos).
    • En función del modo en que la muestra es transportada (discreto, continuo).
    • En función de la forma en que la muestra es cuantificada (peso/volumen, sin cuantificación).
Muestreo de Líquidos
  • Analizadores Discretos:
    • Dosificación de un volumen discreto usando jeringas (reagente y muestra).
  • Analizadores de Flujo Continuo:
    • Dosificación de un volumen continuo o discreto.
Muestreo de Gases
  • Muestreo Discreto: Se utiliza una válvula de 6 vías.
  • Muestreo Isocinético vs. No Isocinético:
    • VnV_n = Velocidad de toma de muestra.
    • VsV_s = Velocidad de gases en chimenea.
  • Muestreo Continuo
Muestreo de Sólidos
  • Proceso: Extracción, transporte, procesamiento.
  • Muestreo Automático: Se utilizan sistemas como el belt drive linear cross stream sampler y el ball screw linear cross stream sampler.

Automatización del Tratamiento de Muestra

  • Objetivos Básicos:
    • Preparación de la muestra (disolución, disgregación, extracción, filtración).
    • Preconcentración.
    • Eliminación de interferencias.
    • Simplificación del desarrollo de la reacción analítica.
    • Transferencia para el sistema de detección.
  • Interconexión: Muestreo-tratamiento-instrumento de medida.
Muestreo Compuesto de Sólidos
  • Características:
    1. El sistema puede tratar hasta 10 kg de mineral.
    2. Trituración de 110 mm a 6 mm que asegura un rápido rendimiento con una reducida generación de polvo.
    3. El pulverizado de los 10 kg de muestra genera una mejora significativa en la calidad de la muestra final que será más representativa.
    4. Sistema de salida de 75 micras, con peso de muestra y número de porciones recogidos seleccionable.
    5. Material rechazado con tamaño de partícula grande eliminado automáticamente.
    6. Limpieza por chorro de aire minimiza la contaminación.
    7. Ocupa poco espacio y es fácilmente transportable.
    8. Instalación sencilla y rápida.
    9. La manipulación manual de muestras muy reducida.
    10. Menor riesgo de error humano.
    11. Diseñado para un fácil mantenimiento.
  • Proceso: Trituración gruesa, división, pulverización fina, división.
Automatización del Método Kjeldahl
  • Método Kjeldahl Manual: Utilizado para la cuantificación de proteínas en alimentos.
    1. Digestión Kjeldahl: Conversión del nitrógeno en ion amonio mediante calentamiento a una temperatura de 400º C aprox. con ácido sulfúrico y catalizador (Cu(II)).
    2. Destilación Kjeldahl: Separación por arrastre con vapor del amoníaco (NH3) tras la adición de NaOH, solubilización en forma de amonio en una disolución ácida.
    3. Valoración: Medición de la cantidad de ácido neutralizado por el amoníaco disuelto.
      • Sobre ácido fuerte: se emplea una base y el indicador rojo metilo.
      • Sobre ácido bórico: se emplea un ácido y el indicador rojo metilo.
  • Nitrógeno Total Kjeldahl: Suma del nitrógeno orgánico y el ion amonio (NH4+NH_4^+).
Digestión y Destilación Automatizada
  • Esquema de la unidad de destilación semiautomática Tecator KjelTec
  • Analizador automático Tecator KjelTec Auto 1030: Incluye destilación y valoración ácido-base fotométrica del amoníaco.
  • Sistema automático para la digestión de muestras de alimentos sólidos.
  • Sistema automático para la determinación de trazas de metales en alimentos sólidos, incluyendo la disolución de la muestra.
Extracción Líquido-Líquido Automatizada
  • Proceso de extracción líquido-líquido por lotes controlado por ordenador.
  • Configuración automática de extracción líquido-líquido por lotes basada en la separación de fases por centrifugación.
Extracción Sólido-Líquido Automatizada
  • (A) Sistema combinado de rejilla y extracción sólido-líquido para muestras sólidas.
  • (B) Separación de fases posterior mediante centrifugación de alta velocidad.

Técnicas de Automatización y Clasificación

  • Clasificación del tipo de automatización en función del transporte de muestra a través de las diferentes etapas del procedimiento:
    • Método Manual / Método Robotizado
    • Método Automático Discreto
    • Método Automático De Flujo
Sistemas Robotizados
  • Características:
    • Reproducción casi literal del procedimiento analítico manual.
    • Adecuados para la automatización de operaciones con sólidos (pesar, tamizar, fusiones, disolver).
    • Ideal para manejar muestras o reactivos peligrosos.
Analizadores Discretos (Automated Batch Analysers)
  • Características:
    • Las muestras son tratadas de forma discreta, una a una.
    • Análisis rápidos (~ 300/hr frente 3-30/hr manuales).
    • Sin contaminación entre muestras (un recipiente/una muestra)
    • Valoradores automáticos, analizadores elementales, analizadores centrífugos, etc.
    • Usualmente complejos, dedicados a un análisis especifico, y muy caros!
Analizadores de Flujo Continuo
  • Características:
    • Las muestras son introducidas en un flujo de líquido o de gas en movimiento.
    • Operaciones unitarias realizadas dinámicamente.
    • Señal medida continuamente.
    • Contaminación entre muestras posible, pero evitable.
    • Mecánicamente más simples y menos caros que los analizadores discretos.