Brevet FR2561941A1 — publié le 19851004

Procédé de fractionnement à seuil contrôlé de particules collo#dales en suspension dans un liquide et d'émulsions. La présente invention concerne un procédé de fractionnement à seuil contrôlé de particules colloidales en suspension dans un liquide et d'émulsions. Elle concerne plus particulièrement un procédé apte à séparer des particules collo#dales en suspension en fonction de leurs dimensions ou de leur potentiel électrique de surface. On sait que l'on appelle suspensions colloidales ou encore solutions colloidales des suspensions dans un liquide de particules dont la plus grande dimension est comprise entre environ 0,01 m et 5 m. On rencontre des particules de cette taille dans de très nombreux domaines techniques, par exemple dans les industries pharmaceutiques, biomdicales et agroalimentaire, qui utilisent des levures, des bactéries, des virus ou des cellules ayant de telles dimensions, ou encore da is les industries du ciment et des peintures, qui exigent des émulsions ou des micro-émulsions de particules minérales de cette taille.De rme les grandes meero- molécules, notamment les macromolécules biologiques (carboxyméthylcelluloses dextrrn, xanthanes) dont l'importance est de plus en plus graulde, ont un poids moléculaire très éleve, de l'ordre de plusieurs millions, ce qui correspond à des molécules dont la taille se situe dans le domaine colloldal. Pour pouvoir préparer et utiliser efficacelment de tels produits ollo#daux, il est nécassaire, comme pour les produits chimiques classiques, de pouvoir les fractionner afin d'obtenir des particules présentant des propriétés caractérifstiques homogènes Le fractionnement des particules collodales en fonction de leur taille est cependant extrêmement délicat, car les moyens connus dans la technique, que l'on utilise couramment avec de grosses particules -tamisage, observation au microscope optique, sédimentation- ne sont pas applicables aux particules de dimensions inférieures à quelques microns. D'autres techniques sont certes utilisables dans le domaine des dimensions dites "moléculaires" : diffusion, adsorption, distillation, diffraction de rayons électromagnétiques, etc... Elles ne peuvent malheureusement pas être employées lorsque la taille des particules dépasse 0,01 pin. Dans le domaine des tailles intermédiaires correspondant à celles des particules colloidaies, il a donc été nécessaire de concevoir des procédés originaux, mais les techniques qui ont été proposées dans ce but sont généralement peu efficaces, onéreuses et compliquees, et leur mise en oeuvre se révèle délicate. C'est ainsi, par exemple, qu'il a été proposé d'effectuer l'analyse granulomètrique des particules colloidales par observation au microscope électronique et comptage par classes de tailles. Il est cependant nécessaire que les particules résistent aux préparations successives et ne soient pas altérées par l'ultra- vide et le bcnbardement électronique. En outre, le microscope électronique est un appareil coûteux et il ne permet pas d'effectuer de fractionnsment physique des colloldes pour préparer des coupes par taille. Il est certes possible de séparer des suspensions colloidales, suivant la taille de particules, par sédimentation dans une ultra centrifugeuse. Pour éviter les perturbations dues aux sédimentations collectives qui brouillent la classification, il est toutefois nécessaire d'opérer à faible concentration. L'ultr entrifugeuse est en outre un appareil onéreux et qui nécessite plusieurs heures de travail pour ne traiter que de faibles quantités (100 ml). Il est possible d'effectuer une séparation de petites particules selon leur taille par passage et rétention sur membranes filtrantes de taille de pores calibrée. Cette technique peut être comparée à un tamisage, par lequel, à l'aide de passes successives, il est possible de séparer les colloïdes par des pores de plus en plus petits. les membranes disponibles à cet effet dans le commerce ont des pores de taille 5 vm, ï rn, 0,4 m, 0,22 m, etc... mais la gamme est très limitée au-dessous de 1 le principal problème est cependant d'éviter le colmatage des membranes par les particules retenues. Ceci entrain en effet une grande perte de charge, qui ma jusqu'à stopper le passage de la suspension. De plus, le dépôt sur la mebrane a tendance à arrêter le passage des particules et rend la coupe très imparfaite. Enfin, l'efficacité de la filtration sur membrane est limitée par deux impératifs : la nécessité de faire passer la suspension par des pores de petite taille (1 pin pour une coupe à 1 pm) et la surface de filtration disponible, qui contre l'efficacité de l'opération et ne peut guère être supérieure au mètre carré, pour n'être souvent que de quelques cm, notamment à l'échelle du laboratoire. La présente invention vise à proposer un procédé de fractionnement de particules colloTdales en suspension, en fonction de leur taille, qui puisse etre mis en oeuvre facilement, avec tri seuil de coupure très resserré, apte à être modifié aisément par simple modification de l'environnement ionique de la suspension de particules. L'invention vise également à proposer un procédé de ce type qui permette en outre une discrimination des particules en fonction du - potentiel électrique de leur surface. A cet effet, l'inventioin a pour objet un procédé de séparation de particules colloidales en suspension dans un liquide et d'émulsions en fonction de leur taille et/ou de leur potentiel électrique de surface, caractérisé en ce que l'on détermine par des essais préliminaires un type de grains solides non poreux, de formes et de dimensions sensiblement identiques, et un type d'environnement ionique correspondant au seuil de coupure désiré pour la taille et/ou le potentiel électrique de surface, dans le cas de la suspension et/ou de l'émulsion traitée, en ce que l'con fait traverser à ladite suspension ou à ladite émulsion un lit des grains ainsi choisis avec 1 'ern,ironnement ionique ainsi déterminé, et en ce que l'on recueille à la sortie dudit lit un liquide contenant les particules dont la taille est inférieure ou dont le potentiel de surface est supérieur audit seuil de coupure. les inwenteurs ont, en effet, établi qu'avee un tel lit de grains, on obtient un fractionnement des particules colloldales avec tn seuil très marqué et très resserré, qu'il est possible de modifier en jouant sur l'environnement ionique de la suspension de particules c'est-à-dire sur son pH ou sa force ionique. De façcn surprenante, ce fractionnement peut être conduit non seulement en fonction de la taille des particules colloidales, mais également du potentiel électrique de surface de ces particules, oe qui permet de séparer des particules de mAme taille, mais de potentiels légèrement différents. Il est ainsi possible d'effectuer facilement un tri entre des cellules vivantes ou nortes d'une mSme espèce animale ou végétale. les grains du lit de filtration doivent avoir des dimensions et une forme sensiblement analogues et être solides et non poreux. Dans la plupart des applications, on utilisera avantageusement des billes sphériques, par exemple en verre ou en résine synthétique. Les dimensions de ces grains dépendront de la distribution des tailles de particules de la suspension à traiter. C'est ainsi que, pour des particules colloîdales de dimensions comprises entre 0,01 pin et 5 m, on pourra utiliser des billes sphériques de dianètre compris entre 5 et 100 m. Généralement, les dimensions des grains seront comprises entre 1 et 1000 m. Pour une suspension de particules colloïdales donnez, on effectuera des essais préliminaires pour définir l'environnement ionique et les caractéristiques du lit poreux correspondant au seuil de coupure désiré, avant de procéder au fractionnement des particules. De façon surprenante, le seuil de coupure par taille de particules est très serré et est généralement de l'ordre de O, i pin. Avec le procédé conforme à l'invention, contrairement aux procédés de filtration sur membrane, on ne rencontre pratiquement pas de problèmes de colmatage, du fait de la grande surface utile du lit filtrant. C'est ainsi qu'avec un lit de grains de 4Q m de diametre, on peut réaliser, pour la mise en oeuvre ce l'invention, un système filtrant présentant de' pores de 4 pm, avec une surface effective de 0,3m, qui permet de reteni les particules colloïdales de diamètre supérieur à 1 m d'une suspension. Outre la grande précision du seuil de coupure, le système de filtration cixlfonne à l'invention présente l'avantage de se prGter à des coupés différentes dans un merne appareil, en modifiant simplement l'environnement ionique de la suspension colloldale à traiter. Le procédé conforme à l'invention comporte de nombreuses applications, dans des domaines techniques variés. On peut ainsi, par exemple, analyser la distribution de tailles des particules d'une suspension colloïdale par passes successives sur le filtre, en faisant varier la force ionique et en suivant la quantité de particules qui passe à chaque fois par un détecteur simple, non spécifique, tel que ceux utilisés en chromatographie liquide. Ceci n'est pas possible avec un filtre à membrane, du fait de la rétention sur la couche de colmatage de petites particules qui devraient nonnalement traverser la membrane. Il est aussi possible de retenir certaines particules d'une suspension colloldale, de faucon précise et réglable, en fonction de la taille des particules ou de leur potentiel de surface. On peut également préparer des suspensions de particules colloldaies de taille uniforme ou de charge en surface uniforme, susceptibles entre utilisées comme matériel modèle ou de calibration, par exemple pour la chromatographie à permeation de gel. Le procédé conforme à l'invention permet également d'anéliorer les performances de certains appareils de caractérisation des colloïdes, tels que des viscosimètres ou des spectrophotomètres à corrélation de photons, qui donnent des résultats difficiles à interpréter avec des colloïdes présentant une distribution de tailles. En effet, à partir d'une distribution de taille de particules inconnue, le filtre à seuil variable permet d'alimenter un appareil de caractérisation avec des distributions tronquées de façon bien déterminée et donc de faciliter l interprétation des résultats. Enfin, corne indiqué ci-dessus, le procédé selon l'invention permet de séparer des cellules biologiques de tailles semblables, mais de potentiel de surface différent, ce qui peut etre appliqué par exemple à la séparation de cellules vivantes malades de cellules en bonne condition. les Exemples qui suivent visent à illustrer l'invention et n'ont pas de caractère limitatif. Dans ces exemples, on se référera aux dessins annexés, sur lesquels La figure l illustre l'appareillage utilisé dans les exemples La figure 2 est un graphique illustrant le diamètre des dernières particules éluées et des premières particules filtrées, en en en fonction de la force ionique les figures 3, 4, 5, 6 et 7 sont des graphiques analogues, relatifs à d'autres essais qui seront décrits ci-après. L'appareillage représenté sur la figure 1 est un appareillage usuel du type utilisé en chromatographie hydrodynamique (voir "La chromatographie hydrodynamiquelg, J. DODUS, Analusis, 1982, vol. 10, N 3, pages 109 à ils). les particules collordales additionnées d'un marqueur sont introduites par un injecteur 1 dans une ligne 2 dans laquelle circule, sous la sollicitation d'une pope 3, un éluant provenant d'un réservoir. La suspension colloïdale ainsi obtenue est injectée à la partie supérieure d'une colonne 5 contenant des grains d'un solide non poreux, de formes et de dimensions sensiblement identiques, par exemple des billes de verre de meme diamètre. A la base de la colonne 5, on repère en continu les dimensions des particules oolloidales de l'effluent à l'aide d'un détecteur 6, comecté à un enregistreur intégrateur 7. Avec cet appareillage, divers essais ont été effectués en vue d'établir une corrélation entre le seuil de coupure du fractionnement par rapport à la taille des particules et la force ionique du système traité. Dans tous les essais qui seront décrits ci-après, les essais ont été effectués avec des particules colloTdales de latex de polystyrène, prépoaré par polymérisation en émulsion. Ces matériaux sont disponibles dans la technique avec des caractéristiques bien déterminées et sont utilises de façon usuelle pour des essais de calibration. les essais effectués l'ont été en utilisait trois topes de filtres. FILTRE N0i Le filtre n0 1 était constitué de billes de verre de 49 m de diamètre (# 4 m), avec une hauteur delit de 100 cm, un diamètre de 9 mn, et avec un débit de suspension colloïdale de 2,3 ml/mn, en utilisant comme éulants des solutions de dodécyl sulfonate de sodiun. Les résultats obtenus sont rassemblés dans le Tableau T ciaprès: TABLEAU I ( : ) ( Force Ionique Dernière taille éluée ) ( : ) ( 0,865. 10-3 M 1,15 m ) ( ) ( 1,73. 10-3 M 1,15 m ) ( ) ( 2,60 . 10-3 M 0,550 m ) ( ) ( 3,46 . 10-3 M 0,399 m ) ( : ) FILTRE N 2 Le filtre no 2 était constitué d'une résine échangeuse d'ions1 du type cationique, commercialisée sous l'appellation DOWEX 50. La longueur de lit était de 50 cm et le diametre de lit de 9 mm. le débit d'éluant était de 1,5 nil/im. On a utilisé deux types d'éluants, à savoir : - les éluants dits de la Série 1, à base de dodécylsulfate de sodium (SLS), seul ou en mélange avec de l'azide de sodium, du dihydrogénophosphate de sodium, du sulfate de sodium ou du chlorure de sodium; - les éluants dits de la Série 2, ayant les mêmes bases que ceux de la Série l, avec adjonction de polyoxyéthylène monolauryl éther (BRiJ), tensio-actif non ionique, qui, à ce titre, ne contribue pas à faire varier la force ionique. Le détail des compositions d'éluants est présenté dans le Tableau II ci-après TABLEAU II 0SITI0NS DES ELUANTS Abréviations SLS : dodecylsulfate de sodium BRiJ : polyoxyéthylène mcnolauryl éther (BRiJ 35) Séries d'éluants * Série 1 : à base de SLS (soit SLS pur, soit SLS, Na N3, Na H2 P04 et Na2SO4 en mélange * Série 2 : à base de BRiJ (les mêmes que Série 1 avec addition de BRiJ à raison de 2 g/l). Composition de la Série l, Force ionique Composition 0,865 10- 3 M = SLS 0,25 g/l 1,73 lO 3 M - SLS 0,50 g/i 2,60 10- M = SLS 0,75 g/l 3,46 10- M = SLS 1,00 g/l 6,73 10- M = SLS 0,50 g/l NAN3 0,130 g/l Na H2 PO4 0,276 g/l 8.73 10- M = SLS 0,50 g/l NAN3 0,130 g/l NaH2PO4 0,69 g/l 14,80 10- 3 M = SLS 0,50 g/l NaN3 0,130 g/l NaH2PO4 0,69 g/l Na2SO4 0,862 g/l 39,90 10- M = SLS 0,50 g/l NaN3 0,130 g/l NaH2 P04 0,69 g/l Na2SO4 1,476 g/l 95,70 10- M = SLS 0,5 g/l Nan3 0,130 g/l NaH2PO4 0,276 g/l Na2 S04 4,26 g/ 196,00 10- M = SLS 0,5 g/l NaN3 0,130 g/l NaH2 P04 0,276 g/l Na2SO4 9,02 g/l 0,154 M = NaCl 9,00 g/l 14,80 10- M = SLS 0,5 g/l NaN3 0,130 g/l NaH2PO4 0,69 g/l Na2SO4 0,862 g/l. Les résultats obtenus apparaissent dans le Tableau III ci-après TABLEAU III Eluant Force ionique Dernière taille éluée. 1,73 10- M 0,550 m 2,86 10- M 0,550 m 5,73 10- M 0,550 m 8,k73 10- M 0,550 m SERIE 1 39,90 10- M 0,550 m 95,70 10- M 0,550 m 196,00 10- M 0,09 m 154,00 10- M 0,09 m 1,73 10- M 1,15 m 5,73 10- M 1,15 m 14,80 10- M 0,550 m SERIR 2 39,90 10- M 0,550 m 95,7 10- M 0,550 m 196,00 10- M 0,550 m 154,00 10- M 0,550 m FILTRE N 3 Le filtre N 3 était constitué de billes de verre de 41 m de diamètre (# 4 m), avec une hauteur de 50 cm et un diamètre de lit de 9 mm. On a utilisé les deux types d'éluants : Série 1 et Série 2. Les résultats obtenus apparaissent dans le Tableau IV ci-après TABLEAU IV ( : : ) ( ELUANT : FORCE IONIQUE : DERNIERE TAILLE ELUEE ) ( : : ) ( : 0,865 10- M : 0,620 m ) ( 1,73 10- M 0,620 m ) ( : 2,60 10- M 0,620 m ) ( SERIE 1 : 3,46 10- M 0,620 m ) ( : 5,73 10- M 0,620 m ) ( 95,70 10- M 0,550 m ) ( : 196,00 10- M 0,550 m ) ( : 0,865 10- M 0,795 m ) ( : 1,73 10- M 0,620 m ) ( SERIE 2 : 2,60 10- M 0,620 m ) ( : 3,46 10- M 0,620 m ) ( : 5,73 10- M 0,620 m ) ( 95,70 10- M 0,620 m Les courbes des figures 3 à 7 illustrent les résultats d'essais effectués dans les conditions suivantes - Filtre n 1 et éluants de la Série 1 pour la figure 3 - Filtre n0 2 et éluants de la Série 1 et de la Série 2, pour les figures 4 et 5 ; - Filtre n 3 et éluants de la Série 1 et de la Série 2 pour les figures 6 et 7. L'invention apporte donc un moyen de séparation efficace et sûr de fractionnement de particules colloïdales avec un seuil de coupure règlable. REVENDICATIONS 1.- Procédé de séparation de particules colloIdales en suspension dans un liquide et d'émulsions en fonction de leur taille et/ou de leur potentiel électrique de surface,caractérisé en ce que l'on détennine par des essais préliminaires un type de grains solides non poreux, de formes et de dimensions sensiblement identiques, et un type d'environnement ionique correspondant au seuil de Coupure désiré pour la taille et/ou le potentiel électrique de surface, dans le cas de la suspension et/ou de l'émulsion traitée, en ce que l'on fait traverser à ladite suspension ou à ladite émulsion un lit des grains ainsi choisis avec l'environnement ionique ainsi détenniné, et en ce que l'on recueille à la sortie dudit lit un liquide contenant les particules dont la taille est inférieure ou dont le potentiel de surface est supérieur audit seuil de coupure. 2.- Procédé selon la revendication 1, appliqué à la séparation de particules colloidales de dimensions comprises entre 0,01 et 5 )un, caractérise en ce que l'on utilise comme grains solides des billes sphériques ayant un dianetre compris entre 5 et 500 m. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'en vue de retenir des particules colloldales d'une suspension ayant un diamètre supérieur à 1 j, on utilise un système filtrant présentant des pores de 4 yrn et ayant des pores de 4 ymf constitué de grains sphériques de 40 m de diamètre.