Brevet FR2483458A1 — publié le 19811204

La présente invention est du domaine de la microbiologie industrielle et elle a pour objet un dispositif destiné à la mesure et l'enregistrement automatique des taux de consommation oxygène, de production d'anhydride carbonique et de quotients respiratoires d'une pluralité de cultures de microorganismes aérobies dans des réacteurs biologiques dits fermenteurs, ledit dispositif pouvant scruter successivement chaque fermenteur. On rappelle que l'on entend par biomasse la quantité pondérale d'organismes vivants ou morts dans un certain milieu. S'agissant de culture microbienne on sait mesurer la biomasse par échantillonnage du milieu et par centrifugation. Une telle méthode de mesure directe de la biomasse des milieux microbiens a l'inconvénient d'être relativement longue à mettre en oeuvre puisqu'elle comporte la centrifugation, l'essorage et le pesage précis d'un échantillon de la culture.On a proposé d'autres méthodes physiques de mesures de-la biomasse, par exemple des mesures néphélométriques bases essentiellement sur la transmission optique du milieu ; la méthode néphélométri- que est assez rapide mais elle est peu précise du fait qu'elle peut prendre en compte des perturbations optiques du milieu de culture dues par exemple à des précipités n'entrant pas euxmêmes dans la biomasse. On a aussi proposé pour suivre l'evolu- tion de la biomasse de doser les produits consommés ou rejetés par les bactéries ; ainsi on a pu lier la biomasse présente dans un milieu de culture a la quantité, de sucre par exemple, consommée par les bactéries ; l'inconvénient d'une telle méthode est d'être, elle aussi, longue et imprécise.Ainsi encore,dans le cas de bactéries produisant des acides,on a pu lier la biomasse à des grandeurs du milieu telles que le pH ; il s'agit là d'une mesure très rapide mais représentant de façon peu précise l'évolution de la biomasse, et seulement applicable dans les cas ou un acide est rejeté par les bactéries. On rappelle aussi que dans les procédés de culture aérobie de micro-organismes, les mesures simultanées de l'oxygène absorbé, de l'anhydride carbonique produit, et du débit de gaz traversant le fermenteur permettent d'établir un bilan respiratoire et de calculer un quotient respiratoire ces valeurs étant dites paramètres de la culture. Les résultats peuvent, à leur tour, être utilisés soit pour calculer la concentration cellulaire active, le taux de croissance, le débit de substrats à fournir, soit pour connaître les voies métaboliques empruntées, ou la formation de métabolites secondaires. Des relations entre les différentes grandeurs précitées ont été proposées parmi lesquelles Qo2. X = Q . (Ce - Cs) dans laquelle Q 2 = vitesse spécifique d'absorption d'oxygène en milli-moles de O2 par unité de poids de biomasse et par unité de temps (millimoles/g/heure) Q = débit du gaz (en 1/heure) Ce, Cs = concentration en oxygène en Entrée et en Sortie (en mil li-moles/litre de gaz) X = biomasse (g) Qo2.X= i . dx + M.X Yo2 dt dans laquelle en outre Yo2 = rendement en biomasse par rapport à l'oxygène (g. de biomasse/g. d'oxygène consommé) wdt = vitesse de croissance de la biomasse (g/heure) M = quantité d'oxygène absorbé par unité de biomasse et de temps pour la maintenance sans croissance de la biomasse (milli-moles par g et par heure) Qs.X = l dx + M.X Ys dt dans la quelle en outre Qs = vitesse spécifique d'absorption du substrat (en g. de substrat / g. de biomasse/heure) ys = rendement par rapport au substrat (g. de biomasse / g. de substrat consommé) Qo2 . X = M . X + 1 dP K.Ys dt dans laquelle en outre K = coefficient numérique = = vitesse de biosynthèse du produit (en g/heure), le produit dt pouvant être par exemple un métabolite secondaire. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif fournissant à moindre coût, de façon quasi instantanée et quantitative, et de préférence sous forme numérique, le taux de consommation d'oxygène, le taux de production d'anhydride carbonique et le quotient respiratoire des cultures d'une pluralité de fermenteurs autrement dit les paramètres de la culture. Conformément à la présente invention, la détermination des grandeurs sus visées consiste en la mesure différentielle entre l'entrée et la sortie d'au moins un fermenteur du taux d'oxygène, du taux d'anydride carbonique, du flux gazeux traversant le fermenteur, et en la mesure du débit massique du flux gazeux et, en vue de déterminer le quotient respiratoire, en la comparaison des grandeurs sus visées. Pratiquement la mesure des grandeurs sus visées, leur comparaison, et la détermination quantitative du quotient respiratoire seront effectuées par un dispositif relevant de l'invention et comprenant un groupe de capteurs constitué lui-même d'un capteur différentiel de teneur en anhydride carbonique (CO2), d'un capteur différentiel d'oxygène (02) et d'un débitmètre massique, un ensemble multiplexeur-convertisseur analogique/numérique destiné à convertir en valeur de taux et de débit les tensions brutes provenant des capteurs sus visés, une unité de calcul numérique placée sous la dépendance d'une horloge, destinée à traiter les valeurs fournies par l'ensemble précédent en vue de fournir les paramètres sur une ligne de transmission normalisuée, et destinée à gérer le temps de'mesure des grandeurs sus visées, et un ensemble convertisseur numérique analogique destiné à convertir en signaux analogiques les valeurs traitées et fournies par l'unité précédente pour les fournir sur des lignes de sortie en direction soit d'enregistreur analogique, soit d'afficheur numérique. De préférence, et en vue de permettre son utilisation en relation avec plusieurs fermenteurs, le dispositif de l'invention comprend en outre un effecteur de sélection dit sélecteur, du flux gazeux propre à chaque fermenteur, et un ensemble, ou interface, de commande dusélecteur ; le sélecteur par exemple est constitué d'autant d'électro-vannes qu'il y a de fermenteurs, chaque fermenteur étant en relation avec ure électrovanne ; l'ensemble des électro-vannes est relié par un conduit commun à un organe de conditionnement préliminaire des gaz situé lui-même en amont des capteurs de débit et de teneur en 2 et CO2; le sélecteur permet ainsi d'utiliser pour plusieurs fermenteurs, le même ensemble de conditionnement et de capteurs ; on notera qu'en raison de la relative lenteur des phénomènes biologiques il n'est pas gênant de scruter séquentiellement les fermenteurs en vue d'obtenir une mesure périodique. De façon pratique, le dispositif de l'in vention met en oeuvre les relations suivantes, dites formules pratiques de traitement,qui ont été établies par le Laboratoire de Fermentation de la Station de Génie Microbiologique de Dijon QR = OUR (III) dans lesquelles OUR = taux de consommation d'oxygène de la culture (milli moles par heure) CPR = taux de production d'anhydride carbonique de la culture (milli-moles par heure) Xe 02 = teneur en oxygène du gaz à l'entrée ( en Xe N2 = teneur en azote du gaz à l'entrée (en %) Xe C02 = teneur en anhydride carbonique du gaz à l'entrée (en %) en pratique, pour l'air ambiant (standard) on admet Xe 02 = 0,2643228 Xe N2 Xe C02 = o, 00037941 Xe N2 Y = taux d'oxygène absorbe par la culture (pourcentage d'entrée moins pourcentage de sortie) S = taux d'anydride carbonique produit par la culture (pourcen- tage de sortie) Q = débit de gaz total (en litres/heure) Le coefficient 0,44623 permet d'afficher les valeurs en millimoles (1/22,4 1) QR = quotient respiratoire La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant appanitront à la description qui va en être faite en relation avec la figure de la planche unique an nexée schématisant une forme particulière de réalisation de l'invention. Un dispositif conforme à la présente invention et destiné à la détermination de paramètres d'une pluralité de cultures microbiennes tels que OUR (taux de consommation d'oxygène de la culture), CPR (taux de production d'anhydride carbonique), Qr (quotient respiratoire), comprend essentiellement un premier ensemble 1 d'acquisition des données dit mesureur et un second ensemble 2 de traitement des données dit processeur. Selon un premier point caractéristique de l'invention, le processeur a pour fonction de commander le mesureur afin de lui faire scruter séquentiellement l'effluent gazeux d'une pluralité de fermenteurs tels que 3,4,5, de recueillir pour chaque séquence de scrutation des signaux de mesure provenant du mesureur, et de traiter ces signaux pour fournir les paparamètres précités. Le mesureur 1 est principalement constitué d'un sélecteur 6, d'un organe de conditionnement 7 de l'effluent gazeux et d'un ensemble 8 de capteurs. Le sélecteur 6 est constitué essentiellement d'électro-vannes trois voies telle que l'électro-vanne 9 en nombre égal à celui des fermenteurs ; chaque vanne est reliée à un fermenteur par une conduite telle que 10, et elle a pour fonction de diriger l'effluent gazeux du fermenteur soit vers une conduite d'échappement 11, soit vers une conduite collectrice 12 commune à toutes les électro-vannes. Le fonctionnement du sélecteur est tel que successivement pendant la période de scrutation chaque électro-vanne mettra en communication la conduite 12 avec le fermenteur auquel elle est affectée, tandis que toutes les autres électro-vannes mettront leur fermenteur en relation avec l'échappement 11. L'organe 7 de conditionnement a essentiellement pour fonction de sécher et de filtrer l'effluent gazeux des fermenteurs avec chacun desquels il est successivement mis en relation avec la conduite collectrice 12. L'ensemble 8 de capteurs est essentiellement composé d'un débitmètre 13, d'une sonde de mesure différentielle 14 de la teneur en 02 et d'une sonde de mesure différentielle 15 de la teneur en C02 ; dans l'exemple de la figure, le débitmètre est monté en amont des sondes qui sont elles-mêmes montées en parallèle l'une par rapport à l'autre ; l'effluent gazeux ayant traversé l'ensemble de capteurs est rejeté par une conduite d'échappement 16. Les capteurs sus indiqués développent des signaux, en tension par exemple, indicatifs de la grandeur mesurée ; ces signaux sont sortis du mesureur sur les lignes 17. Le processeur 2 est-essentiellement cons titué d'un multiplexeur-convertisseur 18 analogique/numérique (CAN), d'une unité de calcul numérique 19 sous la dépendance d'une horloge 20, d'un convertisseur 21 numérique/analogique (CNA) et d'un ensemble 22 ou interface de commande du sélecteur 6. I1 est entendu que chacun des éléments sus mentionnés du processeur est connu en lui-même et que ces éléments ne sont compris dans l'invention que dans la mesure où leurs actions se tontinent pour assurer le processus séquentiel de mesure, de calcul et d'affichage. Ainsi la fonction principale du multiplexeur CAN est de collecter successivement les grandeurs fournies par les capteurs et de les transformer en signaux numériques pour les transmettre successivement à l'unité de calcul 19 ; les fonctions de l'unité de calcul 19 sont de traiter les valeurs numériques des grandeurs fournies par le multiplexeur CAN en particulier en leur appliquant les formules pratiques de traitement sus indiquées, de fournir conséquemment des valeurs numériques de OUR, CPR et Qr, soit sur une ligne de transmission normalisé 23, soit au CNA 21, enfin de commander séquentiellement à travers la ligne 24, l'interface 22 qui lui-même à travers une ligne 5 va piloter séquentiellement le sélecteur 6.Le CNA peut fournir sur des sorties 26 et 27 des signaux analogiques représentant respectivement les valeurs CPR et OUR ; ces signaux peuvent être fournis soit à des enregistreurs f (t), soit à un afficheur numérique 28. Les avantages du dispositif de l'invention sont très nombreux, et il va en être énuméré quelques uns en premier lieu il permet d'afficher instantanément les paramètres intéressant l'opérateur (OUR et CPR) ; il permet de suivre ou de modifier la culture (aide à la prise de décision) ; il peut facilement être complété pour réaliser automatiquement une ou plusieurs commandes ou alarmes dépendant des résultats (boucle fermée). I1 permet par simple modification des mémoires comprises dans l'unité de calcul de traiter les résultats de n'importe quel analyseur (étalonnage, linéarisation) ou de modifier le déroulement des séquences ; il comporte une mise en oeuvre simplifiée au maximum ; les résultats stockés peuvent être conservés sur support physique (cassette, disque, etc...) ou traités "en ligne" ("ON line") plus complètement sur un calculateur ; le dépouillement des résultats d'une même expérience devient très simplifié, tandis qu'auparavant les teneurs étaient enregistrées sur un enregistreur potentiométrique et tous les relevés, suivis des calculs, étaient faits à la main. Bien que l'on ait décrit et représenté une forme particulière de réalisation de l'invention, on doit comprendre que celle-ci s'étend d'une manière'générale à tout dispositif comprenant des moyens (8) pour mesurer simultanément le débit d'un effluent gazeux provenant d'une culture, sa teneur différentielle en oxygène et sa teneur différentielle en anhydride carbonique, lesdits moyens délivrant les mesures sous formes de tensions continues, des moyens (18) pour convertir lesdites tensions continues en grandeurs numériques, ou binaires, des moyens (19), associés à une horloge (20), pour traiter numériquement lesdites grandeurs selon les formules (I, II, III) pratiques de traitement précitées en vue de fournir sous forme numérique des valeurs calculées du taux de consommations d'oxygène, du taux de production d'anhydriae ! car bonlque, et du quotient respiratoire de la culture, des moyens (6)pour sélectionner un fermenteur parmi une pluralité de fermenteurs et mettre son effluent en relation avec lesdits moyens de mesure et des moyens pour, sous la dépendance des moyens de traitement as sociés à l'horloge, commander séquentiellement la sélection de chacun des fermenteurs de ladite pluralité ; le dispositif de l'invention peut comporter en outre des moyens (21) pour convertir lesdites valeurs calculées en signaux analogiques représentatifs de ces valeurs. REVENDICATIONS 1.- DiSpo5itaf pour la détermination de paramètres de l'évolution d'une culture microbienne dans au moins un fermenteur, tels que taux de production d'anhydride carbonique, consommation dwoxygeneRquotient respiratoire, à partir de grandeurs telles que teneur en oxygène et en anhydride carbonique de l'efflu ent gazeux, et que débit de ce dernier, caractérisé en ce qu'il comprend pour agir en combi naison - un groupe (8) de capteurs constitué d'un capteur (14) dif férentiel de teneur en oxygène, d'un capteur (15) différentiel de teneur en anhydride carbonique et d'un débitmètre (13), - un ensemble (2)iniitiplexeur-convertisseur analogique/numérique (CNA) destiné à convertir en valeur de taux et de débit les tensions brutes desdit: capteurs, - une unité (19) de calcul sous la dépendance d'une horloge (20), destinée à traiter les valeurs fournies par l'ensemble précédent en vue de fournir les paramètres sur une ligne (23) de transmission normalisée, et à gérer le temps de mesure des grandeurs sus visées 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, destiné à être appliqué à une pluralité de fermenteurs (3,4,5), il comprend en outre - un effecteur (6) de sélection, dit sélecteur, du flux gazeux propre à chaque fermenteur, et - un interface (22) de commande du sélecteur destiné à scruter séquentiellement chacun des fermenteurs de ladite pluralité 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un conver tisseur numérique/analogique (CNA) (21) destiné à fournir sur des sorties (26,27) des signaux analogiques représentatifs des paramètres calculés 4.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit sélecteur est essentiel lement constitué d'une pluralité d'électro-vannes (9) trois voies en nombre égal à celui des fermenteurs, chaque vanne étant reliée à un fermenteur.