Online bioimpedance measurement: characterisation and application in bosystems engineering

Abstract

Biological materials can be characterized by electric impedance and its variation within a range of frequencies. Specifically, the electrical behaviour of biological materials is described by the β-dispersion. This methodology has been deeply developed in different sectors including biomedicine, biotechnology and food industry. In this work it is studied its application in environmental engineering for wastewater treatment purposes. It is an 'On line', 'In situ' and 'Label free' system that could overcome the main drawbacks that conventional analytics present. To achieve that, activated sludge samples have been measured through an impedance analyser (Agilent 4294A) with the main objective to detect presence or absence of microorganisms. Since the electrical behaviour of such a heterogenic biomaterial was unknown, the experimental design has been defined along the work, describing all the followed steps from equipment configuration till the own measurement methodology. Through the obtained results, a simpler interpretation of bioimpedance readings is being suggested, rather than β-dispersion. It has been observed that there is a variation of the impedance modulus along a determined range of frequencies for biomass measurements, while it remains almost constant in absence of biomass. This simpler explanation of the method could take interest in all those Biosystems which knowing the biomass concentration in a determined point and moment would increase the efficiency of the biological process. Results show that bioimpedance correlates very well with VSS (volatile suspended solids), the usual unit expressing biomass concentration in biological wastewater treatment plants.

Els materials biològics poden ser caracteritzats per la impedància elèctrica i la seva variació al llarg d'un marge de freqüències. Concretament, el comportament elèctric dels materials biològics ve descrit per la dispersió-β. Aquesta metodologia s'ha desenvolupat en diferents sectors com són la biomedicina, la biotecnologia i la indústria alimentària. En aquest treball s'estudia la seva possible aplicació en enginyeria ambiental, en el tractament d'aigües i residus, ja que és una tècnica 'On line', 'In situ' i 'label free', que podria resultar més avantatjosa que els sistemes de mesura de biomassa habituals. Per això, s'han mesurat fangs de depuradora amb un analitzador d'impedàncies (Agilent 4294A) amb el principal objectiu de detectar presència o absència de microorganismes. Com es desconeixia el comportament elèctric d'un material biològic tan heterogeni, el disseny experimental s'ha anat definint al llarg del treball, descrivint els passos seguits des de la configuració de l'aparell al propi mètode de mesura. A través dels resultats obtinguts, es suggereix una interpretació de les lectures de bioimpedància més simple que no pas la β-dispersió. S'ha observat que hi ha una variació del mòdul de la impedància en mesurar biomassa, mentre que roman quasi constant per a absència de biomassa. Aquesta simple explicació del mètode pot tenir interès en tots aquells biosistemes en els quals conèixer la concentració de biomassa en un determinat punt i moment incrementaria la eficiència del procés biològic. Els resultats mostren que la bioimpedància es correlaciona molt bé am bels SSV (Sòlids Suspesos Volàtils), que és la unitat de mesura de concentració de biomassa habitual en plantes de tractament d'aigües residuals.

Los materiales biológicos pueden caracterizarse por impedancia eléctrica y la variación de ésta a lo largo de un margen de frecuencias. El comportamiento eléctrico de los materiales biológicos concretamente, viene descrito por la dispersión -β. Esta metodología de análisis biológico está siendo utilizada y desarrollada en diferentes sectores como la biomedicina, biotecnología e industria alimentaria. En el presente trabajo se pretende estudiar la posible aplicación de dicha metodología en la ingeniería ambiental, en éste caso, para el análisis en el tratamiento de aguas residuales. Puesto que es una técnica 'on line', 'in situ' i 'label free', podría resultar ser una tipo de medida ventajosa respecto a las técnicas actuales de medida de biomasa. Con el fin de estudiar esta posibilidad se han analizado lodos de depuradora con un analizador de impedancias (Agilent 4294A) con el objetivo de detectar presencia o ausencia de microorganismos. Debido al desconocimiento ante el comportamiento eléctrico de un material tan heterogéneo, el diseño experimental se ha ido definiendo a medida que se han ido obteniendo resultados, des de los pasos seguidos para el diseño del aparato de medida al propio método y al análisis de estas medidas. Los resultados obtenidos sugieren una interpretación más simple de las lecturas de bioimpedancia que la habitual β-dispersión. Se ha determinado que existe una variación del módulo de la impedancia al haber presencia de biomasa, mientras que éste no varía cuando no hay presencia de biomasa. Esto puede ser de gran interés para todos aquellos biosistemas en los que conocer la concentración de biomasa en un determinado momento incrementaría la eficiencia del proceso biológico. Los resultados muestran que la bioimpedancia se correlaciona muy bien con los SSV (Sólidos Suspendidos Volátiles), que es la unidad de medida de concentración de biomasa habitual en las plantas de tratamiento de aguas residuales.