Brevet FR2004343A1 — publié le 19691121

-1- 2004343 lia présente invention se rapporte à un procédé, et à un appareil pour analyser en continu des liquides au moyen de mesures micro-calorimétriques pour déterminer la quantité de chaleur du liquide avec ou sans addition d'un réactif liquide au liquide en question; la quantité de liquide traversant l'appa-5 reil de mesure peut être très petite, allant par exemple, de quelques centimètres cubes à quelques gouttelettes individuelles. Il est déjà connu d'effectuer des analyses microcalorimétriques sur des liquides en utilisant des réceptacles ou des 10 vases de mesure alimentés de façon discontinue et dont, au moins deux côtés sont entourés de tfe.erm.opiles qui, à leur tour, établissent un "bon contact thermique avec un corps de dissipation de chaleur qualifié ci-après de "calori dissipateur'5 » Pour améliorer l'exactitude des valeurs mesurées, il est d'usage de pré-15 voir, dans le même corps, uns unité d'équilibrage analogue au récipient de mesure, mais ne comportant cependant pas ce dernier, les deux groupes de thermopiles étant connectés à l'opposé. Cette disposition dite "Jumelée" équilibre les fluctuations éventuelles de la température dans le corps de dissipation de la 20 chaleur ou dans le caloridissipateur. la calorimétrie est une méthode utilisée depuis très longtemps (150 ans) pour étudier diverses sortes de réactions. Bien que celle-ci soit fondée sur un principe universellement connu, les études n'ont porté jusqu'à présent que sur la microaalori-25 métrie discontinue, celle-ci étant la forme la plus développée de la détection des quantités de chaleur dans le domaine de la microcalorimétrie. les principes d'un microcalorimètre discontinu ont été décrits en détail par Wadso dans un article paru dans "Acta Chemica Scandinavica", 22 (1968) 927-937» 50 Par contre, la microalcalorimétrie continue est un domaine entièrement nouveau, qui n'était pas exploré jusqu'à présent. Il peut sembler évident de construire tin calorimètre à circulation continue quand les principes de la calorimétrie et ceux des cellules utilisées pour des mesures optiques sont connus. Toutefois, 35 cela ne semble pas être le cas puisque la calorimétrie existe depuis 150 ans et que les cellules à circulation existent sûre-. ment depuis 20 ans. Le développement des calorimètres à circulation continue conformes à la présente invention a permis d'effectuer des études 69 08163 -2- 2004343 "biologiques intéressantes. En -effet» les biologistes souhaitent depuis longtemps pouvoir examiner les processus vitaux des bactéries. Pendant de nombreuses années, des tentavives ont été faites avec des photomètres et avec des dispositifs mesu-5 rant la turbidité. toutefois, les courbes ainsi obtenues n'apportent que très peu d'informations au chercheur. Le présent procédé, dans lequel la chaleur de réaction est mesurée pendant qu'elle est dissipée rapidement à travers une thermopile dans un caloridissipateur qui est maintenu dans des 10 conditions de température constantes compensées par un montage jumelé et en enregistrant le flux thermique en fonction du temps, diffère entièrement dans son. principe des procédés dans lesquels les températures des composants de réaction sont lues séparément et où la température du mélange de réaction est 15 ensuite mesurée pour déterminer, par exemples l'achèvement d'une neutralisation. Ces procédés sont basés sur des mesures de différences de températures et non sur un© mesure du flux thermique pendant un certain temps et sur l'enregistrement de ce débit thermique en fonction du temps. 20 Le procédé microcalorimétrique, permet de suivre des cy cles avec ou sans addition d'un second composant de réaction, par exemple, des cycles biochimiques, tels que des processus de fermentation. La présente invention propose maintenant un procédé pour 25 analyser en continu des liquides par microcalorimétrie en utilisant une cellule de circulation adaptée à mesurer et à enregistrer des processus de réaction internes, tels que des processus biochimiques, sans addition d'un composant de réaction, ainsi que des réactions dans lesquelles un second com-30 posant est ajouté. Dans ce dernier cas, la formation d'un mélange homogène dans le récipient de mesure pendant l'intervalle de temps durant lequel le liquide traverse le récipient soulève des difficultés considérables. Déjà dans les mesures discontinues, l'obtention-d'un mé-35 lange homogène rencontre des difficultés et c'est pour cette raison que les divers réservoirs de mesure à deux chambres ont été suggérés. Les liquides dont les températures doivent /être: équilibrées sont mis au contact dans uji tel récipient, par 69 08163 -s- 2004343 exemple, en le faisant tourner, et de l'air est utilisé, entre autres, pour assurer une mixtion rapide et homogène des deux composants de réaction (comme il a été suggéré, par exemple, par l'inventeur dans un travail antérieur). Dans, cette procé-5 dure, on exploite donc la différence de densité entre l'air et les liquides pour "brasser et mélanger les composants. Toutefois, dans les cellules de mesure à circulation conformes à la présente invention, d'autres problèmes se posent également, En effet, la simple présence de "bulles d'air isolées peut perturber 10 le processus de mixtion et de mesure de la cellule et c'est pour cette raison que de telles bulles doivent être évitées, ce qui n'est pas le cas dans les cellules opérant en discontinu. Selon l'invention, ces bulles sont évitées, entre autres, par le fait que le canal de circulation de la cellule de mesure a ou 15 une petite section, par exemple, 1,5 mm,/de préférence moins. Une section de cet ordre doit être utilisée, indépendemment du fait que le liquide à analyser est mélangé ou non avec un second composant. De plus, l'aire de la section du canal de circulation dépend de la vitesse de la réaction se déroulant dans la cellu-20 le de mesure et, dans une certaine mesure, aussi de la viscosité du liquide. Avec un calorimètre discontinu, la procédure expérimentale est très simple. Par ailleurs, le procédé à circulation en continu de la présente invention est, par principe, entièrement au-25 tomatique et n'exige aucun temps d'équilibrage. En conséquence, ce procédé à circulation offre des avantages considérables, en particulier lorsqu'on utilise le calorimètre pour de grandes séries de mesures ou comme appareil d'analyse pour des mesures continues. 30 La sensibilité, c'est-à-dire, la tension de la thermopile en fonction d'un apport de chaleur donné, est sensiblement la même dans les deux procédés. Par principe, le calorimètre discontinu est un instrument plus sensible, car la chaleur d'un certain volume, par exemple, de 5 de liquide, est dégagée 35 et mesurée rapidement telle une impulsion. Dans le procédé à circulation, la quantité correspondante de chaleur se dégage en l'espace d'une demi-heure, par exemple. Toutefois, la sensibilité du procédé à circulation peut être considérablement 69 08163 -4- 2004343 t augmentée, alors qu'une amélioration correspondante du procédé discontinu ne semble pas possible. Le calorimètre discontinu convient pour des réactions couvrant des processus momentanés et jusqu'à des réactions 5 ayant une durée de plusieurs heures. Par contre, le calorimètre à circulation exige que la chaleur soit engendrée à l'intérieur de la zone de mixtion, c'est-à-dire que le temps de réaction doit être court comparativement au temps de séjour du liquide dans la cellule de mesure. Dans la cellule à circulation -10 conforme à la présente invention, le temps de séjour est généralement de l'ordre de 5 minutes et un temps de réaction de 1 minute ou moins convient donc parfaitement. La cellule de mesure peut, évidemment, être formée avec un canal plus long qui assure au liquide un temps de circulation et un temps de 15 séjour plus longs dans la cellule de mesure, ce qui permet aussi de suivre des réactions plus lentes. Dans les réactions lentes il est, en outre, possible d'arrêter la circulation à travers la cellule de mesure pendant un temps suffisant pour que la réaction se termine. Le procédé à circulation offre, en 20 outre, de grands avantages par rapport au procédé discontinu lorsqu'on étudie des réactions constantes, telles que des processus enzymatiques avec des enzymes à substrat saturé. Ceci est particulièrement évident quand le calorimètre est utilisé comme instrument d'analyse. 25 Ces mesures exigent un calorimètre à circulation conforme à l'invention. D'autres procédés ne peuvent pas être utilisés. La microcalorimétrie discontinue a des inconvénients considérables comparativement à la microcalorimétrie à circulation et ne peut pas ! être utilisée. 30 Dans la microcalorimétrie discontinue, il est plus diffi cile d'obtenir la stérilisation désirée que dans les systèmes à circulation car les exigences de pureté sont plus strictes dans le premier cas. En effet, des cultures nuisibles peuvent se développer lorsqu'on n'utilise pas des récipients stériles. 35 Ceci n'est pas possible dans les systèmes à circulation lorsque le débit est de l'ordre d'un litre de substance par 24 heures. Quand il s'agit de bactéries aérobies, celles-ci doivent 69 08163 être alimentées en oxygène, ce qui est plus facile à réaliser dans les calorimètres à circulation que dans les calorimètres discontinus. En effet* dans le premier cas, on sature la solution avec de l'oxygène dès le commencement * ce qui, par contre, est plus difficile dans le second cas, car une cellule discon-5 tinue contient des échantillons de liquide dans un environnement d'air. Ainsi, une évaporation peut plus facilement se produire . De plus, les systèmes à circulation sont plus avantageux -10 Que les systèmes discontinus quand on travaille avec des suspensions. En effet, la circulation élimine les dépôts et les problèmes qui s'attachent à une alimentation uniforme en substances nutritives et en oxygène. Le système à circulation convient extrêmement bien à des 15 études biologiques étendues avec des additions successives d'antibiotiques, de vitamines, de substances nutritivess etc... Le système à circulation peut aussi être utilisé directement pour le contrôle de l'évolution de processus continus ou discontinus dans l'industrie chimique. 20 Bien que de nombreux avantages soient liés depuis longtemps à l'utilisation de calorimètres à circulation, aucun calorimètre de ce genre n'a encore été développé. Le développement daas ce domaine a été principalement limité aux cellules à circulation optiques. Des tentatives ont certainement été faites en ne 25 procédant qu'à une détection de la température pendant les mesures de débit, mais ce procédé a des inconvénients évidents. En effet, des réactions très rapides sont nécessaires dans ce cas. Quand on effectue des mesures calorimétriquess le niveau de la température ne présente pas d'intérêt, l'essentiel étant la 30 quantité de chaleur délivrée. Par contre, le temps de réaction peut être relativement long. Actuellement, des réactions d'une durée pouvant atteindre 5 minutes peuvent être étudiées avec le calorimètre à circulation, mais des réactions encore plus lentes pourraient aussi être étudiées en augmentant le temps de circu-35 lation. D'ailleurs, il est toujours possible d'arrêter temporairement la circulation. En examinant et en mesurant une réaction chimique avec addition d'une solution contenant un composant de réaction pour le 69 08163 2004343 liquide devant être analysé» on s'est.aperçu, conformément à la présente invention, qu'une mixtion absolument complète pouvait être atteinte à l'intérieur de la cellule de mesure en prévoyant dans celle-ci un passage ou un canal s'étendant, par exemple, en 5 zigzag. De plus, au voisinage de l'entrée des deux liquides, ledit canal peut présenter un ou plusieurs étranglements qui diminuent la formation d'un voile entre les différents liquides. Toutefois, la mixtion des composants de réaction pourrait également s'effectuer à- l'extérieur de la cellule de mesure. 10 Quand on met au contact deux liquides dans la zone de mix tion de la cellule de circulation., un débit constant se traduit par un apport de chaleur constant dans la cellule calorimétrique. Si on laisse cet apport de chaleur se poursuivre pendant un temps suffisamment long, des conditions stables s9établis-15 sent, c'est-à-dire, que la chaleur dégagée dans la cellule par unité de temps devient égale à la chaleur évacuée de celle-ci» I»' exploitation de telles conditions stables constitue la manière la plus judicieuse pour utiliser le présent calorimètre, et c'est la raison pour laquelle ce principe va être discuté 20 maintenant plus en détail„ La majeure partie de la chaleur (W) engendrée dans la cellule est, en régime constant transportée par conduction dans la thermopile environnante (W^) et dans une proportion mineure est perdue par l'intervalle drair entre les parties de la sur-25 face de la cellule qui ne sont pas au contact de la thermopile. Une petite fraction de la chaleur totale engendrée dans la cellule quitte également celle-ci par le courant de liquide. On pourrait s'attendre à ce que pour un calorimètre donné et pour des valeurs données de débit, de vitesse de réaction et des 30 propriétés physiques du liquide calorimétrique, le rapport y t soit constant, c rest-a-dire que l'on ait : V W = et . Wt (i) Il est à prévoir que le gradient" de températures des diverses parties de la thermopile sera proportionnel à la fois 35 au flux de chaleur et à la tension engendrée. Une intégration sur toute 1'aire de la thermopile conduit à l'expression : Wt = & . Y (2} dans laquelle p est une constante et. Y la tension de la thermopile. Eft combinant les équations (1) et (2) on obtient : 69 08163 -7- 2004343 W = oc .aY =, iv (3) Une petite fraction de la clialeur engendrée dans la cellule résulte de la circulation du liquide, par exemple, par friction, etc., la contribution de cette chaleur au signal pro-5 duit par la thermopile peut être déterminée par des expériences séparées. Si l'on prend cette valeur du signal de la thermopile comme point de référence pour la tension de celle-ci à l'expérience principale, on a alors : WP = £ • 7P « 10 dans laquelle est la chaleur produite par le processus se déroulant dans la cellule de circulation et V est l'écart de la tension de la thermopile de la valeur de base déterminée, la constante £ peut être déterminée par un étalonnage électrique. Il est à remarquer que lorsqu'un composant de réaction n'a 15 pas besoin d'être ajouté au liquide devant être analysé %t examiné, le canal de circulation de la cellule de mesure peut être rectiligne. Sous sa forme la plus simple, un appareil d'analyse conforme à l'invention peut donc ne comprendre qu'un simple tube de circulation qui, en un certain point, est entou-20 ré d'une thermopile elle-même en contact d'échange de chaleur avec un caloridissipateur, et qui est reliée à un instrument de mesure. Dans cet appareil, il suffit d'avoir une seule gouttelette de liquide à analyser. Ceci implique que différents liquides ayant des chaleurs spécifiques différentes peuvent être 25 avancés successivement et peuvent être espacés d'une petite distance dans le tuyau d'analyse. Il peut alors être^udicieux d'introduire un liquide de rinçage entre les échantillons séparés par des bulles d'air. Selon l'invention, il est, en outre, possible d'arrêter pé-30 riodiquement la circulation dans l'appareil de mesure pour suivre le déroulement de la réaction dans un échantillon donné pendant une période prolongée, ce qui correspond à un mode de mesure continu mais néanmoins intermittent. le procédé et l'appareil de la présente invention offre 35 ainsi la possibilité d'un grand nombre de variantes dans un processus d'analyse continu, permettant d'améliorer considérablement le contrôle des processus dans la plupart des domaines de la chimie minérale et organique, y compris en biochimie et no- 69 08163 -s- 2004343 ( tamment dans les processus de fermentation, et une analyse continue d'échantillons de liquide successifs. A cette fin, le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on fait avancer le liquide à travers un canal 5 qui, à un point de mesure microcalorimétrique, abrité des perturbations thermiques externes et sous bonne dissipation thermique, est entouré par une ttiermopile connectée à un instrument indicateur, éventuellement à travers un amplificateur, pour mesurer le flux thermique en'fonction du temps quand le liquide 10 passe devant la thermopile, le liquide ou le mélange de liquides traversant le point de mesure en continu, ou avec des intervalles d'arrêt, sous la forme d'un courant continu ou discontinu. L'appareil d'analyse microcalorimétrique conforme à l'invention pour la mise en oeuvre de ce procédé comprend un canal 15 vde circulation qui est relié par au moins Tin conduit, à un dis-positif d'alimentation pour véhiculer, au moins, un liquide à travers le canal qui traverse une cellule de mesure qui, de fa-. çon connue, est enfermée entre des thermopiles dont les côtés tournés à l'opposé de la cellule portent contre une matière 20 ayant une haute conductibilité thermique et qui, de leur côté, sont enfermés dans une chemise de matière thermoconductrice, deux thermopiles jumelées étant, de préférence, enfermées dans la même chemise et connectées à l'opposé par rapport aux: thermopiles de la cellule de mesure qui sont adaptées à mesurer le 25 flux thermique du liquide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel : 30 - la figure 1 est une vue schématique d'un appareil de me sure conforme à l'invention dont la cellule est enfermée dans un caloridissipateur ; - la figure 2 est une vue en plan de cette cellule de mesure ; 35 - les figures 3-5 sont des diagrammes pris au moyen de l'appareil des figures 1 et 2, la figure 3 étant une courbe d'étalonnage, la figure 4 un diagramme montrant les variations de la constante d'étalonnage pour divers débits et la figure 5 des 69 08163 2004343 variations de l'effet de zéro par rapport à la viscosité du liquide calorimétrique -r - la figure 6 est un diagramme montrant le cycle vital de Escherichia eoli* 5 L'appareil représenté sur la figure 1 comprend un calori dissipateur principal 1 qui est sensiblement du même type que ceux utilisés pour les mesures discontinues. Il est constitué par un cylindre d'aluminium en deux parties ayant un diamètre de 150 mm et une longueur- de 200 mm. Ce cylindre est percé 10 d'une ouverture centrale de 75 aim et est pourvu de deux parois d'extrémité 2 de 10 mm. Dans l'ouverture sont logées l'unité d'échange de chaleur 3 et les unités calorimétriques 4. Le cylindre d'aluminium est entouré d'une couche de mousse de polystyrène 5, de 20 mm, le tout étant entouré d'une chemise cylin-15 drique en acier inoxydable 6 qui est fermée par un couvercle garni d'un joint annulaire. Cette chemise repose horizontalement sur un support dans un bain à température stabilisée 7 dont les fluctuations de température ne dépassent pas environ 0,005°C« Des conducteurs électriques et des tubulures pour le 20 liquide calorimétrique partent de la chemise et du bain à travers un tube d'acier de 10 mm (non-représentê}0 Etant donné que la plupart des thermopiles semiconductri-ces du commerce sont quadrangulaires, il est préférable, en pratique, de donner aux pièces mentionnées ci-dessus, une sec™ 25 tion correspondante pour établir une bonne liaison avec les thermopiles et les exploiter efficacement. L'unité d'échange de chaleur 3 est constituée par des tubes d'or de 0,6 mm de diamètre intérieurs qui sont couverts d'étain et sont encastrés dans une cheville de laiton de 75 smu 30 Dans le présent mode de construction, les tubes d'or ont une longueur d'environ 500 mm à l'intérieur de la cheville de laiton. La constance du signal de la thermopile n'a pas été affectée par une variation de 25°C de la température de l'eau pompée dans le calorimètre sous un débit de Qs17 cmP/mn. 35 Les unités calorimétriques 4- sont du type "sandwich". La cellule de circulation, qui a extérieurement la forme d'une plaquette carrée, est en bon contact theasique avec les plaquettes de la thermopile disposées de part et d'autre de celle-» 69 08163 2001343 ci. Les thermopiles sont d'un type disponible dans le commerce, par exempleî le "Œhermoelectric Modulas 3951™^w de la société Cambion de Cambridge, Massachusetts» Etats-Unis D'Amérique. Les conducteurs électriques des deux paires de thermopiles sont 5 montés en série, les surfaces externes des plaquettes des thermopiles sont en contact thermique avec des chevilles d5 aluminium (de 75 mm de diamètre et de 25 mm d'épaisseur), constituant des caloridissipateurs primaires. L'unité calorimétrique est assemblée au moyen de trois vis de 6 mm. 10 Fendant les expériences faites pour mettre au point le présent appareil, -un grand nombre de cellules de circulation ûe modèles différents ont été essayées. Une partie d© l'expérience ainsi acquise sera brièvement exposée par- la suit 2, Soutsf ois -, k, on va décrire auparavant la cellule qui a été finalement adoptes 15 pour les réactions rapides et qui a été utilisée pour les essais décrits ci-après. Cette cellule est constituée par une plaquette métallique carrée comportant un 5E 8 qui conduit à un système de sanaus: 9 fraisés dans la surface de la plaquette. Ces canaux sont eou-20 verts par un couvercle constitué par une plaquette d© 0,6 mm. et le tout est enrobé dans une résine dpoxyde (Araldite AT 103). Entre le système de canaux de la plaquette et son couver-cls gst interposée une feuille d*or à 24 carats de 0,05 am faisait fonction de goint . La plaquette et le couvercle sont en argent 25 pur, mais toutes les surfaces qui sont au contact du liquide calorimétrique sont plaquées d'or» Deux courants de liquide sont mis en -.contact dans le T en or placé dans un trou de la plaquette de la cellule. Un tube d'or dirige le courant de liquide vers le canal où, dans la so-= 30 ne de mixtion, il traverse trois étranglements 10 destinés à assurer une mixtion complète des réactants. Chaque étranglement est constitué par un tampon de matière plastique percé d'un petit trou. Le diamètre intérieur des tubes d'or est de 0,6 mm dans la pièce en T. Le canal a une section carrée de 1 ,'5 ma de 35 côté et les orifices des étranglements ont un diamètre ds environ 0S3 mm. Un élément d'étalonnage électrique 11 d'une résistance de 30-A-et qui est fait d'un fil de aanganine isolé est enroulé sur 69 08163 -11- 2004343 le tube d'or entre le T et le canal. Cet élément est isolé par un intervalle d'air du corps de la cellule de circulation et la majeure partie de la chaleur qu'il dégage est absorbée par le courant de liquide le plus voisin de 1'endroit où la chaleur est 5 dégagée pendant la réaction. Aux fins de comparaison, un second élément chauffant est placé en 12, Cet élément chauffant est en "bon contact thermique avec le corps et le couvercle de la cellule de circulation. Avec cette cellule, 15 minutes ont été nécessaires pour atteindre un état stable sous des débits normaux 0 d1 environ 1 à 1,5 cm^ de chaque liquide. Le liquide est pompé à travers la cellule au moyen de pompes péristaltiques. On a constaté que ces pompes assurent une circulation très stable sous un débit constant. Pendant une période de pompage de 48 heures, le débit n'a varié que de 0,1 %. 5 Dans le cas présent, où seules des solutions aqueuses sont analysées, des tubulures souples en chlorure de polyvinyle sont utilisées pour raccorder les pompes, l'unité d'échange de chaleur, la cellule de circulation et le réceptacle collecteur. La différence de tension de la thermopile dans les deux 0 unités calorimétriques est amplifiée par un microvoltmètre-ampèremètre Keithley 150B. Le signal amplifié est enregistré sur un enregistreur Sargent SR. Pour les faibles signaux, la visibilité du diagramme est augmentée en utilisant un intégrateur. Pour l'étalonnage, on utilise un circuit d'étalonnage électrique ^ classique. La chaleur dégagée pendant une expérience d'étalonnage et celle dégagée pendant une réaction d'analyse doivent être tout à fait comparables. En conséquence, il est essentiel que la position de l'élément d'étalonnage soit telle qu'une certaine quan-® tité de chaleur produite par voie électrique donne lieu au même signal de thermocouple qu'une quantité de chaleur identique provenant d'une réaction dans la cellule de circulation. La série d'expériences suivantes a été entreprise pour démontrer les propriétés du présent calorimètre à cet égard. Certains étalonna-^ ges électriques ont été exécutés en utilisant l'élément chauffant 11, d'autres avec l'élément chauffant 12. La position de l'élément chauffant 11 est telle que pratiquement toute la chaleur dégagée est absorbée par le liquide à un endroit où une 69 08163 2004343 t 10 15 25 35 partie appréciable de la chaleur se dégage dans une réaction» Par contre, la chaleur dégagée par l'élément 12 est directement transférée au corps d'argent de la cellule de circulation et, de là, est conduite vers diverses parties de cette dernière. L'apport de chaleur électrique et les débits de circulation ont été les mêmes dans les deux séries d'expériences. La constante d'étalonnage £ est donnée en microcalories par seconde. Les résultats de ces expériences sont résumés dans le tableau 1 ci-après. TABLËAU 1 Constantes d'étalonnages£ déterminée avec l'élément chauffant normal 11 et avec l'élément 12. Le débit a été de 0,182 cm3/mn. Apport de chaleur ;u cal/sec € Elément chauffant normal 11 20 331,0 331,2 330.8 330.9 331,0 330,6 moyenne = 1,876 ± 1.874 1.875 1,878 1.877 1,872 1.878 0,002 Elément chauffant 12 259,6 259,6 259.4 259.5 259.6 259.3 30 moyenne = 1,883 1,884-1,885 1,885 1,883 1,882 1,881 0,002 On voit sur le tableau qu'il n'y a qu'une différence insignifiante (0,4%) entre les constantes d'étalonnages obtenues avec les deux éléments chauffants. On peut donc en conclure que pour le présent calorimètre, la partie de la zone de mélange dans laquelle la chaleur se dégage n'est pas très critique et que, par conséquent, la position de l'élément chauffant doit être convenable. De plus, on peut admettre que les constantes d'étalonnages ne sont pas très sensibles aux variations de la vitesse de réaction ou de la vitesse de mixtion, à condition que le processus se déroule raisonnablement près de l'élément d'étalonnage, c'est-à-dire, dans la zone de mixtion de la cellule de circulation. 69 08163 -15- 2004343 les résultats obtenus par des expériences répétées d'éta -lonnage permettent de conclure qu'une mesure de lrapport de clialeur peut être effectuée sous des conditions appropriées avec une précision de 0,1 % sous un apport de chaleur de 100/ical/ 5 sec. (voir tableau 1) et de 1 % quand l'apport de chaleur est de l'ordre de 10yucal/sec. On a évalué line valeur de sensibilité de 0,1 /ical/sec à partir de la stabilité de la courbe tension-temps. lia stabilité à l'état constant pendant une période de 12 heures est généralement meilleure que 1 ^ical/sec. 10 L'équation 4 exige que la constante d'étalonnage t ne soit pas influencée par les variations de Dans une série d'essais d'étalonnage, on a fait varier l'apport de chaleur électrique en maintenant les autres paramètres constants. Les résultats ainsi obtenus sont résumés dans le tableau 2 qui montre qu'il 15 n'y a pas de variation systématique de la valeur de £ avec l'apport de chaleur. L'écart standard de la moyenne (_+ 0,2 %) est bien dans les limites prévues des erreurs d'amplification et d'enregistrement. TABLEAU 2 20 Constantes d'étalonnage £■ pour différents apports de cha- leur électriques. Le débit total a été de 0,163 cnr/mn. Aport de chaleur ucal/sec. £• 88,5 1,879 136,6 1,856 25 157,4 1,863 241,3 1,870 307,2 1,862 372,9 1,866 moyenne = 1,866 + 0,003 30 La figure 4 résume les résultats d'expériences d'étalon nage électrique exécutées avec un apport de chaleur électrique constant mais avec des débits différents. On voit sur cette courbe que la différence de la constante d'étalonnage entre le débit nul et un débit normal (environ 0,17 cm^/mn) est infé-35 rieure à 3 %• Au débit zéro, aucune chaleur n'est évacuée de la cellule par le courant de liquide et W = Ces résultats permettent ,de conclure que dans des conditions opératoires normales 97 % de la chaleur dégagée dans la cellule de circulation traversent la thermopile. 69 0816 -•m- 2004343 La chaleur engendrée dans des conditions stables est calculée par l'équation (4), = t .V^ . Ici est l'écart du signal de la thermopile d'une certaine ligne de tension de base vers la valeur constante enregistrée. lia valeur de la ligne de 5 base varie légèrement avec les conditions expérimentales et les expériences suivantes ont été faites pour étudier ces variations. L'effet sous un débit nul ou "effet zéro", peut être exprimé en termes d'un effet thermique W', à savoir : V = t (V -, VQ) (5) 10 où est la tension de la thermopile sous des conditions d'équilibre apparentes du calorimètre et quand le débit est nul. V est la tension de la thermopile ("la valeur de la ligne de base") sous le débit spécifié. n'est généralement pas nul même après une très longue période d'équilibrage du calorimètre. 15 Dans le cas présent, VQ est environ 1 jiV. Dans l'équation (5) on suppose £ identique à la valeur déterminée par les expériences d'étalonnage électriques bien que la valeur véritable £ puisse, dans ce cas, être légèrement différente . 20 la figure 4• donne V en fonction du débit total. Le débit était égal dans les deux branches et le liquide de l'eau pure. Il est à noter que l'effet zéro devient plus négatif jusqu'à des débits de 0,15 cm^/mn, après quoi la pente de ia courbe devient positive et que la valeur de V est assez sensible aux variations 25 du débit. La figure 5 montre les variations de l'effet zéro quand, sous un débit constant, la viscosité du liquide varie. De l'eau pure et des solutions contenant des quantités variables de sucro-se ont été respectivement pompées à travers les deux branches 30 sous un débit total de 0,165 cm^/mn. Le diagramme montre que pour ce débit particulier, la valeur de la ligne de base devient mooins négative, puis positive quand la viscosité augmente, mais que la variation est faible. .Les figures 4 et 5 mettent en évidence que les variations 35 de l'effet zéro avec le débit" du liquide et avec la viscosité de celui-ci doivent être considérées comme faibles quand on mesure les apports de chaleur. La variation exprimée en apport de chaleur est très petite et aucune erreur systématique appréciable ne 69 08163 _15_ 2004343 se produit lorsqu'on détermine la valeur de la ligne de "base dans des conditions (débit, viscosité, etc..) raisonnablement proche de celle de l'expérience principale. L'efficacité de mixtion a une très grande importance dans 5 la calorimétrie de circulation. Au cours de la mise au point du présent appareil, plusieurs modèles de cellules de mélange ont été essayés et trouvés inadéquats pour des expériences où une mixtion complète est exigée. Un essai sensible de l'efficacité de mixtion, les "courbes" >]q de titration" pour des solutions HC1 - NaOH a été déterminé. Il consiste à pomper à travers l'une des branches de la cellule de circulation des solutions NaOH de différentes concentrations, en maintenant constante la concentration de la solution HCl dans l'autre branche (0,005 ou 0,01 M). Les variations de l'apport 15 de chaleur résultant de la dilution et de la mixtion d'espèces ioniques peuvent être négligées dans les plages de concentrations examinées. En principe, on devrait constater un apport de chaleur constant tant que NaOH est en excès et à partir du point d'équivalence, la chaleur devrait décroître linéairement à zéro 20 à mesure que la concentration de NaOH approche de zéro. Dans les limites des erreurs de mesure, la "courbe de titration" idéale a été obtenue avec la construction finale de la cellule. La première cellule examinée comportait un T en or et un élément chauffant monté comme dans le modèle final, fig. 2. On 25 fait passer le courant mélangé à travers un tube d'or rectili-gne (de 0,6 mm de diamètre intérieur) entouré d'alliage de Vood (qui est un alliage fusible de bismuth, de cadmium, de plomb et d'étain) dans une plaque de cuivre qui forme le corps de la cellule. Dans cette cellule, la mixtion était très médiocre. Dans 30 une expérience de titration, l'apport de chaleur n'approcha pas d'une valeur constante jusqu'à ce que le point d'équivalence calculé ait été dépassé par plus d'un décuple d'excès de NaOH. Dans un autre mode de réalisation, on interpose un réservoir de mixtion de 0,08 cnr entre le T et le tube d'or encastré dans 35 la plaque de cuivre. L'efficacité de mixtion est ainsi augmentée mais pas suffisamment, comme le montre le fait qu'un double excès de NaOH fut nécessaire pour atteindre la partie horizontale de la courbe de titration. On modifie le dessin de cette cellule de différentes manières, par exemple, en intercalant des étran 69 08163 2004343 glements dans le réservoir de mixtion. Ces modifications se traduisent par une amélioration des performances qui, toutefois, ne sont pas très sûres. On a pu constater que les bulles d'air entrant dans le circuit sont facilement emprisonnées dans le réser-5 voir et diminuent l'efficacité de mixtion. Les études qui ont conduit à la conception finale de la présente cellule de circulation montrent que pour l'eau à la température ambiante, la section des tubes ou des canaux utilisés dans la cellule doit, de préférence, être de 1,5 mm pour éviter 10 d'emprisonner des bulles d'air. Les expériences de neutralisation mentionnées ci-dessus ne constituent pas des essais précis pour déterminer la valeur absolue de l'apport de chaleur mesuré avec le calorimètre. Pour cela il serait nécessaire de prendre des précautions rigoureuses, 15 difficilement réalisables pendant les expériences, pour éviter les interférences du COg. Des réactions d'essai plus pratiques pour déterminer la valeur absolue sont constituées par des expériences de dilution avec, par exemple, de l'urée et de la sucrose. Il convient, tou-20 tefois de noter que des dilutions successives d'un composé ont généralement pour résultat des dégagements de chaleur de plus en plus petits. On peut donc s'attendre à obtenir une valeur de chaleur de dilution essentiellement correcte, même si la mixtion n'a pas été parfaite. Pour l'une des cellules de circulation an-25 térieures qui ont été essayées par les travaux préliminaires,de bonnes valeurs de chaleur de dilution ont été obtenues avec l'urée, bien qu'il ait été démontréjar des expériences de titration acide-base que la mixtion n'était pas bonne. Les solutions d'urée utilisées pour les expériences de dilu-30 tion avec le présent calorimètre peuvent être relativement diluées et avoir une faible viscosité. En conséquence, elles se mélangent assez facilement avec l'eau dans la cellule de circulation. La sucrose forme une solution aqueuse presque parfaite et, par conséquent, les chaleurs de dilution sont très petites. Pour 35 obtenir un dégagement de chaleur raisonnable dans une expérience de dilution, il est nécessaire d'utiliser des solutions relativement concentréeso Toutefois, de telles solutions sont assez visqueuses et ne se mélangent pas facilement avec l'eau dans 69 08163 -17- 2004343 10 la cellule de circulation sans avoir recours à un agitateur mécanique ou à un dispositif analogue. Des expériences_faites avec une autre cellule de circulation ont conduit à des valeurs très basses de dilution avec une solution de sucre à un mole dans un volume égal d'eau (55 % de la valeur calculée), les tableaux 3 et 4 résument les résultats des expériences de dilution avec des solutions d'urée et de sucrose en utilisant le modèle final de cellule de circulation. TABLEAU 3 Clialeur de dilution de solutions aqueuses d'urée à 25°C. +AH cal/mole AH Ip.100 Eapport molaire Apport de chaleur ________ Initial Final ^tcal/sec Valeur Valeur expérimentale calculé e 15 20 0,916 0,447 40,38 36,54 36,34 100,6 1,053 0,512 52,16 41,31 41,28 100,1 1,279 0,619 74,68 49,16 49,10 100,1 1,456 0,700 94,29 55,28 55,15 100,2 1,659 0,806 119,49 61,60 60,78 101,3 1,957 0,933 158,70 70,25 70,64 99,4 TABLEAU 4 Chaleur de dilution de solutions aqueuses de sucrose à 25°C 25 Eapport molaire Initial Final Apport de chaleur ji cal/sec -AH cal/mole ^exp Valeur ~~ valeur AH ® expérimentalecalculée 30 0,516 0,731 0,752 1,252 0,250 0,347 0,375 0,598 22,45 43,22 41,45 106,42 34,49 48,81 47,40 79,70 34,37 48,77 4-7,75 79,50 100,3 100,1 99,3 100,3 35 Les valeurs de chaleur de dilution obtenues ont été comparées avec celles calculées à partir des expressions données par Gucker et par d'autres pour la teneur calorifique apparente q in de l'urée 7 et de la sucrose en solution aqueuse. Toutes les expériences ont été effectuées à 25°C. L'examen des tableaux montre que dans, tous les cas, la concordance est bonne entre les valeurs déterminées et celles cal- 69 08163 2004343 culées. Les différences, généralement inférieures à 1 sont considérées comme étant à l'intérieur des limites d'incertitude des expériences. La cellule de mesure décrite ci-dessus peut aussi être 5 utilisée avantageusement pour analyser des liquides auxquels aucun réactif ne doit être ajouté. Danx ce cas, les deux branches du T peuvent être raccordées, à travers leurs pompes au réservoir contenant le liquide à analyser. Comme il a déjà été mentionné ci-dessu^ les dimensions des 10 canaux de la cellule de mesure dépendent, dans une certaine mesure, de la viscosité des liquides analysés, mais comme il a été indiqué à propos des recherches faites sur les solutions de sucrose, des solutions relativement visqueuses peuvent être avantageusement étudiées dans la cellule décrite. 15 11 convient de souligner une fois encore que quand aucune mixtion des composants de réaction ne doit avoir lieu le canal pourrait s'étendre en ligne droite à travers la cellule de mesure, sans prolonger la voie de circulation. Pour montrer les possibilités qui sont maintenant offertes 20 par les nouveaux; calorimètres à circulation de l'invention, il convient de se référer à la figure 6, qui montre le cycle vital d'une culture de bactéries Escherichia coli dans un milieu nutritif constitué de Difco. Comme le montre la courbe, plusieurs grandes variations (d^La quantité de chaleur exprimée en yucal) 25 se produisent. C'est ainsi, par exemple, que l'on voit sur la courbe qu'il se produit des déplacements chimiques, que la nourriture a été consommée, et que certains effets sont obtenus par des additions d'antibiotiques. L'information véhiculée est réellement très ample et les bactériologistes disposent mainte-30 nant d'un outil leur permettant de mieux explorer ce qui se passe dans les solutions. Une mesure turbidimétrique correspondante dorme une courbe ayant une allure plus uniforme. Les modifications chimiques n'apparaissent pas sur cette courbe, puisqu'elles peuvent très 35 bien avoir lieu sans modifier la turbidité. Cette courbe ne permet également pas de voir quand le cycle vital cesse. De plus, les mesures ne peuvent pas être prolongées dans le temps comme on le désire car la turbidité ne tarde pas à atteindre un maximum. 69 08163 -19- 2004343 REVENDICATIONS 1. Procédé pour analyser en continu des liquides par des mesures microcalorimétriques du flux thermique du liquide avec ou sans addition d'un réactif liquide au liquide en question qui 5 consiste à faire avancer ledit liquide à travers un canal qui, à un point de mesure microcalorimétrique, est abrité des perturbations thermiques externes et sous bonne dissipation thermique, est entouré par une thermopile connectée à un instrument indicateur éventuellement, à travers un amplificateur, pour mesurer 10 le flux thermique en fonction du temps quand le liquide passe devant la thermopile, le liquide ou le mélange de liquide traversant le point de mesure en continu ou avec des intervalles d'arrêt, sous la forme d'un courant continu ou discontinu. 2.- Procédé selon 1, dans lequel après la mixtion, on fait 15 circuler le liquide vers le point de mesure dans la thermopile à travers un canal qui est prolongé au moyen de plusieurs courbes. 3-- Procédé selon 2, dans lequel on fait circuler le liquide mélangé à travers un canal en zigzag. 20 4.- Procédé selon 2 ou 3» dans lequel on oblige le mélan ge contenu dans le canal prolongé de traverser un ou plusieurs étranglements. 5.- Procédé selon 1-4, dans lequel le ou les liquides sont pompés sous un débit constant à travers le point de mesure 25 au moyen de .pompes péristaltiques. 6.- Procédé selon 1, dans lequel on fait avancer le liquide à mesurer goutte à goutte vers le point de mesure. 7.- Procédé selon 6, dans lequel les liquides qui avancent goutte à goutte ont des compositions différentes. 30 8.- Appareil d'analyse microcalorimétrique pour la mise en oeuvre du procédé spécifié sous 1-7 qui comprend un canal de circulation qui est relié par au moins: un conduit, à un dispositif d'alimentation pour véhiculer, au moins, un liquide à travers le canal qui traverse une cellule de mesure qui, de fa-35 çon connue, est enfermée entre des thermopiles dont les côtés tournés à l'opposé de la cellule portent contre une matière ayant une haute conductibilité thermique et qui, de leur côté, sont enfermés dans une chemise de matière thermoconductrice, 69 08163 -20- 2004343 deux thermopiles jumélées étant, de préférence, enfermées dans la même chemise et connectées à l'opposé par rapport aux thermopiles de la cellule de mesure qui sont adaptées à mesurer le flux thermique du liquide. 5 9«- Appareil selon 8, dans lequel la cellule de mesure a la forme d'une mince plaquette plane dans laquelle le canal est ménagé, par exemple, par fraisage, un couvercle étant placé au-dessus du canal et de la plaquette. 10.- Appareil selon 8 ou 9, dans lequel le canal s'étend 10 en ligne droite d'un côté de la plaquette à l'autre. 11.- Appareil selon 8 et 9 dans lequel le canal décrit une trajectoire incurvée alternative au-dessus de la surface de la plaquette, par exemple, une trajectoire en zigzag. 12.- Appareil selon 8 ou 11,dans lequel le canal est relié 15 à deux conduits d'alimentation, par exemple, au moyen d'un T. 13«- Appareil selon 8, 11 ou 12 dans lequel le canal comporte un ou plusieurs étranglements. 14.- Appareil selon 8 à 13,dans lequel le canal a une section carrée. 20 15'- Appareil selon 8 à 14, dans lequel le canal a une 2 section dont l'aire est, de préférence,de 2,3 mm . 16.- Appareil selon 8, dans lequel la cellule de mesure est en une matière chimiquement inerte "bonne conductrice de la chaleur. 25 17.- Appareil selon 8, dans lequel le liquide est fourni goutte à goutte à la cellule de mesure. 18.- Appareil selon 8, dans lequel le courant traversant le canal de la cellule de mesure est intermittent afin de prolonger le temps de séjour du liquide dans cette cellule.