Brevet FR2270581A1 — publié le 19751205

La mécanisation de la production agricole et l'instaura- tion de systèmes de productions agricoles dits fermés entrae- nent une demande croissante concernant des procédés et des dispositifs permettant de déterminer rapidement et de façon précise la teneur en protéines des divers produits. Pour pouvoir utiliser avec succès des installations de contrôle et de r8gulation, par exemple dans l'industrie alimentaire lors de la production de fourrages mixtes ou de concentrés de fourrage, il est nécessaire de disposer d'un dispositif de mesure fonctionnant non seulement de façon précise, mais également de fa çon rapide et reproductible et pouvant être mis en oeuvre aussi bien pour des mélanges homogènes que pour des mélanges non homogènes.En outre, à l'heure actuelle, il est presque naturel d'exiger qu'un tel dispositif puisse être branché sur une calculatrice et puisse également satisfaire aux exigences imposées quant à un mode de fonctionnement ininterrompu. On connais divers procédés pour déterminer la teneur en protéines, soit directement, soit en passant par une mesure sur l'azote. La détermination qualitative et quantitative des différents amino-acides formant les protéines peut être effectuée en général par chromatographie (chromatographie sur papier, sur couche mince et chromatographie en phase gazeuse) ou par voie spectrophotonétrique. On connaît également un procédé pour dli- terminer les amino-acides marqués à l'aide d'isotopes 15N et 14a. Ces procédés présument la séparation et l'épuration des amino-acides, sont longs, ne peuvent astre automatisés et fournissent des résultats dépassant de loin les exigences imposées quant à la détermination de la teneur brute en protéines. Parmi les procédés de déterminatiOn de la teneur en protéines, basés sur la mesure de l'azote, on counait les procédés classiques de gjeldahl et Pregl-DuSas. Ces deux procédés sont fiables; en général, les erreurs sont de t 0,2 * en ce qui concerne l'azOte et d'environ 1,2 à 1,3 * en ce qui concerne les proteines, les deux procédés étant basés sur a destruction chimique ou combustion. Ces procédés impliquent une durée de mesure importante et ne conviennent qu'à i'analyse d'échantillons de faible poids (en général de 0,5 à 1,5 g). En outre, ils ne peuvent être que partiellement automatisés, c'est-à-dire que le travail manuel ne peut être que partiellement remplacé. On connait également des procédés non destructifs de détermination de protéines basés sur la détermination radiométrique par activation de la teneur en azote. On peut citer les procédés faisant appel à des neutrons provenant d'un réacteur, ces procédés étant rapides et précis, mais ne pouvant être mis en oeuvre que dans des dispositifs stationnaires et sur des-échantillons de faible poids. Il existe également des procédés fais & t appel à des neutrons provenant de générateurs de neutrons, lesquels procédés sont relativement rapides et peuvent être automatisés, mais ne permettent également de traiter que des échantillons de poids réduit. La détermination de l'azote est perturbée par des réactions nucléaires particulièrement nombreuses, les erreurs des analyses sont relativement importantes et la mise en oeuvre exige des dispositifs onéreux. On connaît également des procédés de détermination de protéines basés sur la mesure de l'azote, lesquels procédés font appel à des sources radioactives de neutrons. Parmi les procédés déjà décrits, il en existe également qui peuvent être mis en oeuvre sur des échantillons de poids important (environ 700 g), mais par suite de la géométrie du dispositif de mesure et; d'autres causes, la durée nécessaire pour la mesure va de 13 à 14 heures jusqu'à 2 ou 3 jours. Dans un autre procédé connu, la durée de mesure est relativement courte, mais le poids des échantillons sur lesquels se font les mesures est compris entre 250 et 700 kg, la mise en oeuvre du procédé exigeant un générateur de rayonnement très motteux. Les procédés connus jusqu'à présent déterminent donc la teneur en protéines, certains par la mesure d' amino-acides, d'autres par destruction chimique, d'autres encore par voie non destructive, mais tous ces procédés connus présentent l'inconvénient, soit que la durée de mesure est longue, soit que le poids des échantillons est faible. Compte tenu des exigences réunies imposées quant à la détermination de la teneur en protéines dans certains domaines, importants tels que par exemple dans l'agriculture (où la valeur des semences des plantes cultivées doit être déterminée en fonction de leur teneur en protéines), dans le domaine d'amélioration végétale (où le résultat de l'amélioration peut être mesuré par exemple par la teneur en protéines des semences améliorées), dans l'élevage (où la base d'un élevage rentable réside entre autres dans la détermination de la teneur en protéines des fourrages utilisés en tant Qu'aliments pour le bétail et où le problème di bilan de potines du bétail et de l'exploitation optimale des protéines n'es-t pas encore résolu de façon satisfaisante, dans l'industrie alimentaire (où le problème de la qualification objective, basée sur la teneur en protéines, des produits utilisés pour l'alimentation humaine n'est pas encore résolu à l'heure actuelle en raison du manque de possibilités de détermination), il s'est avéré qu'une solution satisfaisante du problème ne peut être obtenue que par un dispositif déterminant la teneur en protéines sur la base de mesure de la teneur en azote, par la mise en oeuvre d'un procédé qui :: - est non destructif (évite la destruction chimique) - peut etre mis en oeuvre d'une manière relativement rapide (la durée d'une analyse doit s'élever au plus à 20 à 35 minutes) - convient pour la mesure sur des échantillons de poids impor tants (échantillons de 900 à 1 OqO g) - est relativement précis (erreur sur la teneur en protéines inférieure à 1,0 à 1,5 *) - est peu sensible aux non-homogénéités de l'échantillon - est basé sur une réaction-nucléaire avec une activité spécifi que bien mesurable Le dispositif doit satisfaire aux exigences suivantes : : - il doit pouvoir être mis en oeuvre au lieu où doit se faire la mesure, c'est-à-dire doit être transportable - il doit être autonome - son fonctionnement ne doit pas nécessiter un personnel spécia lisé - sa consommation d'énergie doit être faible; - sa durée de vie doit être importante - son fonctionnement doit être automatique - il doit être d'un prix de revient intéressant par comparaison avec des dispositifs connus servant à des fins semblables. La présente invention vise un dispositif remédiant aux inconvénients des dispositifs connus et satisfaisant entièrement aux exigences énumérées ci-dessus. Le procédé suivant lequel foncttonns le dispositif conforme à l'invention est basé sur la constatation de la technique nucléaire que les noyaux atomiques de l'isotope 14N qui se trou vent dans des proportions allant jusqu'à 99,6 % dans l'élément azote existant dans la nature peuvent être excités par irradiation à l'aide de neutrons thermiques et, à la suite de l'irradiation, en l'espace de 10 12 à 10l4 s, émettent des photons gamma dans la bande d'énergie comprise entre 0,25 et 10,82 MeV. Pour déterminer de cette manière la teneur en azote, il faut donc disposer de neutrons thermiques et d'un dispositif permettant la mesure du rayonnement gamma. Le dispositif transportable, c'est-à-dire susceptible d'être utilisé à l'emplacement auquel doit se faire la mesure, utilise avantageusement une source radioactive de neutrons. La littérnture concernant les sources radioactives de neutrons est très im- portante, mais il n'existe pas d'informations concernant le choix de la source de neutrons la plus favorable quant à la solution du problème posé ci-dessus. Des calculs effectués en tenant compte surtout de la durée de vie et du prix de revient ont permis d'arriver à la constatation que dans le cas présent, l'utilisation d'une source de rayonnement de PuBe, type Ca n), avec une activité minimale de 5 Ci était avantageuse. Les caractéristiques de cette source de rayonnement sont longue durée de vie (période de 87,4' ans pour 238 Pu et de 24,4 . 103 ans pour 238Pu), prix de revient relativement faible, par comparaison avec les sources usuelles de neutrons, faible activité gamma propre de la source. L'évolution actuelle très rapide de la réalisation de sources radioactives permettra vraisemblablement de disposer à l'avenir d'autres sources semblables, ayant de meilleurs paramètres, et accessibles également dans le commerce, lesquelles sources pourront également être utilisées avec succès en vue de la solution de problèmes semblables. Suivant un mode de réalisation de l'invention, le matériau modérateur est constitué par de la paraffine. L'avantage de ce mode de réalisation réside dans le faible prix de revient de la paraffine, par comparaison avec le graphite et d'autres matériaux modérateurs connus, ainsi que dans le fait que la paraffine est chimiquement indifférente, contrairement au matériau modérateur le moins coûteux, à savoir l'eau naturelle. L'utilisation d'autres matériaux modérateurs efficaces, mais très coû- teux tels que par exemple l'eau lourde, ne peut même pas êtré envisagée. I1 est avantageux de remplir partiellement, à l'aide d'un tronc de cône de bismuth, l'espace compris entre la source de rayonnement et l'échantillon. Le chine de bismuth empêche le détecteur de "voir" la source de rayonnement, c'est-à-dire d'être touché par de nombreux neutrons rapides et thermiques ou photons gamma. Simultanément le matériau du cône de bismuth n'émet, sous l'effet des neutrons, ni un rayonnement gamma prompt, ni un ra yonnement gamma retardé considérable et son facteur d'absorption de masse est favorable vis-à-vis du rayonnement gamma propre de la source. Le récipient dans lequel, suivant l'invention, est disposé l'échantillon est séparé du détecteur par une couche de modérateur. La couche de modérateur entre le récipient d'échantillon èt le détecteur permet d'établir un nuage de neutrons thermiques dans l'espace autour du récipient d'écpantillon, lequel nuage assure, pour un rendement donné de la source, un plus grand flux de neutrons dans l'échantillon, comparativement à tous les autres modes de réalisation. De ce fait, le nombre d'informations recueillies à partir de l'échantillon augmente qonsidérablement. il est en quelque sorte défavorable qu'un matériau modérateur soit disposé, dans le bloc de modérateur, en dessous de l'échantillon; lorsque cet inconvénient n'est pas éliminé, les avantages de l'établissement du nuage de neutrons ne peuvent pas être utilités. Oet inconvénient se manifeste en premier lieu par le fait qu'il s'établit dans l'espace, comme mentionné ci-dessus, un nuage de neutrons thermiques qui peut provoquer un bruit de fond important dans le détecteur sensible aux neutrons. Le dispositif conforme à l'invention permet de remédier à cet inconvénient par le fait qu'un élément de protection en lithium, réalisé à partir de l'isotope 6Li, est disposé autour du détecteur, Q I'intérieur d'un manchon en plomb assurant la protection contre les rayons gamma, dans l'intervalle entre les deux parois d'une enveloppe d'aluminium à double paroi enfilée sur le cristal scintillateur du détecteur de manière que son ouverture soit tournée vers le bas.T'utilisation de l'élément de protection en lithium permet de bénéficier des avantages de l'augmentation du flux de neutrons thermiques, en remédiant simultanément aux inconvénients qui en résultent. L'objet de l'invention est un dispositif transportable de mesure automatique pour la détermination radiométrique de la teneur en protéines d'aliments. Suivant les principales caractéristiques de l'invention, le dispositif comprend une enceinte supérieure contenant une source de rayonnement radioactif, un filtre de neutrons et un modérateur entourant la source et le filtre vers le liant et les côtés, une enceinte inférieure contenant un détecteur entouré par des éléments de protection et un modérateur séparant le détecteur de la source de rayonnement, un canal de transport avec un mécanisme de manoeuvre pour faire avancer les récipients d'échantillon, un dispositif de transfert pourvu d'un mécanisme de manoeuvre pour amener les récipients d'échantillons dudit canal au poste de mesure et inversement, et un système de mesure comportant également un organe de commande pour les mécanismes de manoeuvre. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, les mécanismes de manoeuvre sont pneumatiques et sont actionnés par une commande d'asservissement. Suivant un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le matériau modérateur dans les deux enceintes, aussi bien dans l'enceinte supérieure que dans l'enceinte inférieure, est constitué par des blocs de paraffine. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, le filtre de neutrons est constitué par un tronc dectne de bismuth Pour la protection du détecteur, il est avantageux d'utiliser un manchon en plomb, et à l'intérieur de ce dernier un élément de protection en lithium enrichi à au moins 88 * en 6ti et disposé dans l'intervalle entre les deux parois d'une enveloppe d'aluminium à double paroi engagée sur le cristal scintillateur. te diamètre des récipients d'échantillons est avantageux supérieur à la hauteur de ces récipients ; de préférence le diamètre est compris entre deux et trois fois ladite hauteur. il est en outre avantageux que le dispositif de mesure contienne également un convertisseur de signaux électropneumatique. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, la source de rayonnement radioactif est du type PuBe, présente un faible bruit de fond (activité propre gamma) et une activité d'au moins 5 Ci. Suivant un autre mode de réalisation avantageux de l'inven- tion, le dispositif de transfert pour amener l'échantillon en position de mesure comporte, en dessous du plan du canal de transport, un organe mobile pourvu d'un bloc de paraffine. Pour la description plus détaillée de -l'objet de l1inven- tion,,on va se référer à un exemple de réalisation non limitatif illustré par le dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est une coupe de la source de rayonnement, d'un récipient d'échantillon et des matériaux modérateurs du détecteur - la figure 2 représente le filtre de neutrons tronc de cône de bismuth) ; - la figure 3 représente le récipient d' échantillon ; - la figure 4 est une vue en élévation latérale du dispositif de mesure - la figure 5 est une vue en plan de ce même dispositif. Comme le montre la figure 1, une source de rayonnement 2 est disposée dans l'axe d'un bloc modérateur supérieur 1. Un bloc modérateur inférieur 8 contient le cristal scintillateur d'un détecteur 9, le bloc 1 étant séparé du bloc 8 par un bloc modérateur mobile 5. Les blocs modérateurs 1, 5 et 8 sont cylindriques et leurs dimensions sont choisies de manière que dans un cas optimal, le rapport du diamètre par la hauteur totale soit sensiblement égal à 1, c'est-à-dire que 1/E = 1; à titre d'exemple, on peut choisir 1 = H = 60 cm.Le bloc 1 présentant une hauteur h1 = C6 H et le bloc modérateur 8 une hauteur h2 = 0,3 E. La source de rayonnement 2 est PuBe, Ctype a, n), présente un faible bruit de fond gamma et une activité d'au moins 5 Ci. La source de rayonnement 2 est séparée du récipient d'échantillon 4 logé dans le bloc mobile 5 par un tronc de cône de bismuth 3. La hauteur du tronc de cône de bismuth 3 s'élève à h4 = 50 mm, son grand diamètre 2 étant supérieur au diamètre de la source de rayonne ment 2. L'angle de conicité u) doit être choisi de manière qu'il ne soit pas possible de tracer une ligne croite entre la source de rayonnement 2 et le détecteur 9, c 'est-à-dire qu'il peut avoir une valeur comprise entre 650 et 800.La valeur du diamètre (voir figure 2) peut être déterminée à partir des données cidessus. Sur la figure 3, on a représenté le récipient d'échantillon 4; ce récipient présente des dimensions 4 et h5. Si l'on désigne le diamètre du cristal scintillateur du détecteur 9 par #d, on peut écrire #d La hauteur bi de l'échantillon dans le récipient 5 est choi sie de manière que 0,66 h3 = h5 = 3,#3.L'échantillon est disposé dans le récipient 4 de manière qu i remplisse complètement l'espace intérieur de ce dernier, lequel est à son tour placé dans le bloc de modérateur mobile 5. L'échantillon est sépare du détecteur 9 par une couche de modérateur d'épaisseur h3. Cette couche de modérateur permet, dans l'espace entourant l'échantillon, l'établissement d'un nuage de neutrons thermiques. Cela assure, avec un rapport de source donné, un flux de neutrons thermiques dans l'échantillon qui est plus grand que suivant tous les autres modes de réalisation. En conséquence, le nombre d'informations obtenues à partir de l'échantillon augmente considérablement. Il est en quelque sorte défavorable qu'une couche de modérateur d'épaisseur h3 soit disposée en dessous du récipient d'échantillon 4; si cet inconvénient n'était pas éliminé, il ne serait pas possible de bénéficier des avantages procurés par l'établis- sement du nuage de neutrons. Comme déjà mentionné, cet inconvénient se manifeste en premier lieu par le fait que le nuage de neutrons provoque un bruit de fond important dans le détecteur 9. Cet inconvénient peut être éliminé, selon l'invention, par le fait qu'une couche de protection de lithium 6 est disposée autour du détecteur 9, à l'intérieur d'un manchon de plomb 7 assurant la protection contre les rayons gamma. La couche de protection de lithium 6 est disposée dans l'espace intermEdiaire entre les deux parois d'une enveloppe en aluminium à double paroi engagée sur le cristal scintillateur, le lithium étant enrichi à au moins 88 * en isotope--6L La couche de lithium 6 assure les avantages résultant de l'augmentation du flux thermique et remédie à ses inconvénients. Les signaux du détecteur 9 sont traités par un système de mesure 10 comprenant un amplificateur, un discriminateur différentiel et un compbeur et sont enregistrés par une imprimante 11. Le matériau modérateur des blocs 1, 5 et 8 est de la paraffine. Sur les figures 4 et 5, on a représenté en élévation latérale et en plan, partiellement en coupe, un mode de réalisation non limitatif du dispositif conforme à l'invention. Sur la figure 5, on reconnaît des récipients a, b, c, d, e contenant les échantillons, ces récipients étant avancés pas à pas dans un canal de transport 12. Pour amener un échantillon en position de mesure, le bloc de paraffine mobile 5 entraîné par un vérin pneumatique 13 est déplacé en direction des récipients dléohantillons, sous l'action d'une commande séquentielle. Lors que l'ouverture circulaire 15 du bloc de paraffine 5 a été ame née en dessous du canal 12 à la position , un plateau 14 ma noeuvré par un vérin 16 est soulevé jusqu'au niveau du fond au canal 12. Un vérin 17 fait ensuite avancer d'un pas la rangée de récipients d'échantillons du coté de remplissage du canal 12, de sorte que le récipient d'échantillon a parvient à la position x. On fait ensuite redescendre, par le vérin 16, le bateau 14 por tant ainsi le récipient d'échantillon a de sorte que ce dernier parvient dans l'ouverture 15 du bloc 5, ledit bloc étant a' la position z ensuite retiré par le vérin 13 pour amener le reci- pient d'échantillon a entre les blocs de paraffine 1 et 8, en tre la source de rayonnement 2 et le détecteur 9, c'est-àidire à la position de mesure. Les vérins 18, 19, 20 sont ensuite ac tionnés successivement par la commande séquentielle mentionnée pour faire avancer aXua pas les récipients d'échantillons se trouvant dans les parties associées du canal 12.Lors de l'ac tionnemènt du vérin 18, le convertisseur de signaux électropneumatique 21 émet un signal électrique qui déclencne la me sure d'activité. Sous l'effet au signal électrique, le compteur est mis en marche et à la fin de la mesure, le dispositif de mesure électronique 10 émet un signal "fin d'impression. Ce si gnal électrique parvient dans le convertisseur électropneumati- que 21 pour être transformé en signal pneumatique.Par ce signal pneumatique, le vérin 13 est actionné et ramène l'échantillon déjà mesuré à la position g, A l'aide du vérin 16, l'échantillon est ensuite amené de la position y à la position x. Par actionnement du vérin 17, on-fait ensuite avancer d'un pas les régi~ pients d'échantillons se trouvant sur le côté de remplissage du canal 12, de sorte que le récipient d'échantillon b arrive b la position x. Le vérin 16 déplace alors à la position 3~-le ré cipient d'échantillon b, et le vérin 13 amène ce récipient à la position de mesure. les vérins 18, 19, 20 font ensuite avancer les autres récipients d'échantillons d'un pas et la mesure re commence. Ce cycle de mesure peut être effectué à volonté. Les vérins pneumatiques sont commandés par un dispositif de commande pneumatique 22 et l'alimentation en air comprimé du système est assurée par un compreEseur 23. Le dispositif décrit fonctionne de façon entièrement auto matique et n'exige pas de surveillance. Le nombre des échantil lons est choisi de manière qu'il soit possible d'effectuer une mesure continue, 24 heures sur 24 heures. Une fois les échan tillons mesurés, ils peuvent être remplacés par d'autres réci pients d'échantillons permettant de nouveau une mesure de 24 heures. Etant donné que le procédé de ditermination de la teneur en protéines basé sur la mesure de l'activité de l'azote est un procédé relatif, le dispositif de mesure doit être ré-étalonné de temps en temps. Par le ré-étalonnage qui se fait par des mesures sur des échantillons standard, on détermine une relation entre la teneur an protéines des échantillons et la vites- se de comptage. De tette maniez il est possible, par mesure de l vitesse de comptage de calculer la teneur en protéines d'é cklantillons inconnus ou de lire cette teneur sur une courbe d'é talonnage. Par inaertion d'une unité arithmétique appropriée, on peut afficher et déterminer la teneur en protéines mesurée. Les avantage-s de l'invention sont les suivants - la mesure de l'échantillon s'effectue de façon relativement rapide, la durée de mesure étant comprise entre environ 20 et 30 minutes - l'analyse n'exige pas de destruction chimique - le dispositif convient à la mesure d'échantillons de poids-im portant (de 900 å 1 000 g) ; - la mesure est précise et la teneur ea protamines peut être dé terminée avec une erreur inférieure à t 1 96 ; ; - le dispositif est transportable et peut être installé à tout endroit requis - la mise en service du dispositif est simple et n'exige pas de personnel spécialisé - le dispositif fonctionne de façon automatique et peut entre maintenu en service Jusqu'à 24 heures sans surveillance - le dispositif ne présente qu'une faible consommation d'é nergie, sa durée de vie est importante et son prix de revient est réduit en comparaison avec les dispositifs connus utilisés à des fins semblables. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Dispositif transportable de mesure automatique pour la détermination radiométrique de la teneur en protéines d'alimentA caractérisé par le fait qu'il comporte une enceinte supérieure contenant une source de rayonnement radioactif, un filtre de neutrons et un modérateur entourant la source et le filtre vers le haut et les cotée, une enceinte inférieure dans laquelle est disposé un détecteur entouré par des éléments de protection et un modérateur séparant le détecteur de la source de rayonnement, un canal de transport avec un mécanisme de manoeuvre pour faire avancer pas à pas les récipients d'échantillons dans ledit ca nal, un dispositif de transfert pourvu d'un mécanisme de manoeu vre pour retirer les échantillons un à un dudit canal et les amener à l'emplacement de mesure, tt inversement, et un système de mesure comportant également un organe de commande pour les mécanismes de manoeuvre. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la source de rayonnement radioactif est une source de PuBe présentant un faible bruit de fond propre gamma et une activité d'au moins 5 Ci. 3.- Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractéri sé par le fait que le mécanisme servant à amener les récipients d'échantillons en position de mesure, en-dessous du canal de transport des récipients d'échantillons, comprend un organe pour vu d'un bloc de paraffine. 4.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le mécanisme de manoeuvre des récipients d'échantillons est pneumatique et comporte une com- mande d'asservissement. 5.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le matériau modérateur des deux enceintes, c'est-à-dire de l'enceinte supérieure et de l'enceinte inférieure, est constitué par des blocs de paraffine. 6.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le filtre de neutrons est un tronc de cone de bismuth. 7.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications i à 6, caractérisé par le fait que les éléments de protection du détecteur comprennent un manchon de plomb et une couche e lithium enrichie à au moins 88 * en isotope 6Li, cette couche de lithium étant disposée à l'intérieur du manchon de plomb lans l'intervalle compris entre les deux parois d'une enveloppe d'aluminium à double paroi engagée sur le détecteur. 8.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le diamètre des récipients d'échantillons est supérieur à la hauteur de ces récipients, de préférence deux et demi à trois'foins supérieur à cette hauteur. 9.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le système de mesure comprend un convertisseur électropneumatique.