Brevet FR2566525A1 — publié le 19851227

Capteur de niveau pour fermenteurs sous atmosphère stérile et anaérobie. La présente invention a pour objet des capteurs de niveau destinés plus particulièrement à l'équipement de fermenteurs destinés à fonctionner sous atmosphère stérile et anaérobie. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des réacteurs biologiques ou fermenteurs. Les fermenteurs dans lesquels on cultive des micro-ganismes en milieu stérile doivent fonctionner à volume constant. Lorsque la culture a lieu en aérobiose, cette condition est facile à obtenir grâce à des fermenteurs dans lesquels le niveau de liquide est maintenu constant par déversement au-dessus d'un seuil. Lorsqu'il s'agit d'une culture de micro-organismes anaérobie, il est difficile de maintenir le niveau constant en évitant toute contamination gazeuse de la culture. A ce jour, on connait divers dispositifs de régulation du ni veau dans les fermenteurs qui font appel, soit. à la pesée du réacteur, soit à des capteurs de hiveau de différente nature, tels que des capteurs capacitifs, des couples émetteur-récepteur d'infrarouges, des électrodes de contact, des détecteurs électroniques par mesure de dissipation thermique ou des flotteurs. Aucun de ces capteurs de niveau connus n'est satisfaisant pour des cultures en anaérobiose stricte réaliséesavec du matériel stérilisable. On connait des capteurs de niveau à flotteurs. Le brevet FR. A. 1.336.826 (GROUPEMENT ATOMIQUE ALSACIENNE ATLANTIQUE) décrit un capteur de niveau du liquide modérateur dans un réacteur nucléaire. Ce capteur comporte un flotteur qui est prolonge par une tige verticale qui porte, à son extrémité, un noyau magnétique qui se déplace dans un transformateur différentiel. Un ressort Equili bre le poids de l'équipage mobile. La publication FR. A. 2.021.431 (FIRMA JENARR GLASWERK SCHOTT et GEN) décrit un capteur de niveau comportant un flotteur annulaire creux qui coulisse sur une tige de guidage verticale à l'intérieur d'un corps creux. Ce flotteur porte intérieurement une t81e opaque ou fer romagnétique selon que le flotteur est utilise en combinaison avec un capteur de déplacement photo-electrique ou magnetique. La publication FR. 2.345.708 (Robert BOSSE G.m.b.E) décrit un dispositif de contrôle de niveau d'un liquide dans un réservoir d'un véhicule. Ce dispositif comporte un flotteur qui se déplace dans un tube de guidage vertical et qui porte un noyau en ferrite qui coopère avec une bobine qui fait partie du circuit oscillant d'un oscillateur. Ces trois documents antérieurs décrivent des capteurs de niveau comportant un flotteur qui coopère avec un dispositif electroma- gnétique. Aucun de ces capteurs connus n'est conçu pour fonctionner dans un fermenteur stérile anaérobie et ne pourrait y fonctionner. En effet le capteur de niveau d'un fermenteur stérilisable devant fonctionner à niveau constant sous atmosphere anaérobie, doit répondre aux exigences suivantes. Les mesures de niveau doivent être réalisées sans aucune dérivation tubulaire externe au fermenteur. Tout le matériel doit être entièrement stérilisable à l'autoclave avec le fermenteur. Il faut pouvoir réaliser les mesures de niveau dans des milieux plus ou moins visqueux et/ou hétérogènes et/ou moussants (substrats en suspension ou émulsions). Lës matériaux utilisés doivent être chimiquement inertes et non toxiques pour les 'micro-organismes et pour les cellules eucaryotes. Ils doivent être insensibles aux dépôts de surface d'amas de microorganismes. Le capteur de niveau doit être insensible aux variations de lumière ambiante et il ne doit apporter aucune source de lumière ni de chaleur dans le milieu de culture. Le capteur de niveau doit entre démontable et facilement nettoyable. Il doit pouvoir être remplacé sans perturbation majeure d'une culture en cours. Il doit être anti-déflagrant. Le niveau de référence souhaité doit pouvoir être commandé de l'extérieur et entre éventuellement changé en cours d'expérience. La précision de mesure et de régulation du niveau doit être bonne, de l'ordre du millimètre. La taille du capteur de niveua doit être aussi réduite que possible. Le capteur de niveau doit délivrer des signaux qui filtrent, en les intégrant, les variations rapides et transitoires de niveau dues - à l'agitation du milieu de culture L'objectif de la présente invention est de procurer des capteurs de niveau qui sont conçus plus particulierement pour équiper des fermenteurs sous une atmosphère anaéxobie anaérobie et qui répondent à tou- tes les exigences énumérées ci-dessus. Toutefois, l'application des capteurs de niveau selon l'invention à des fermenteurs n'est pas limitative et ces capteurs peuvent être utilisés dans d'autres applications. Un capteur de niveau selon l'invention est du type comportant un flotteur annulaire creux qui coulisse sur un tube de guidage vertical. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'un capteur de niveau dans lequel le flotteur est en un matériau amagnétique et contient une bague en acier doux et ledit tube de guidage est creux, il a une extrémité inférieure fermée qui plonge dans le liquide et il contient une tige coaxiale portant un capteur électromagnétique de déplacement de ladite bague. Avantageusement le capteur électromagnétique de déplacement est un transformateur différentiel composé d'une bobine émettrice et de deux bobines réceptrices coaxiales avec ladite bobine émettrice et symétriques-par rapport au plan médian de celle-ci. Selon un mode ae réalisation pr8férentiel, l'extrémité supérieure de la tige portant le capteur électromagnétique émerge hors dudit tube de guidage et comporte un filetage mâlè sur lequel est vissée une bague filetée qui prend appui sur l'extrémité supérieure dudit tube de guidage. L'invention a pour résultat de nouveaux capteurs de niveau qui sont particulièrement adaptés pour réguler ou pour mesurer le niveau du liquide contenu dans un fermenteur sous atmosphère stérile et anaérobie. En effet, un capteur selon l'invention ne comporte aucune pièce en mouvement traversant les parois du fermenteur ni aucune dériva tion qui mette l'atmosphère externe au contact de l'atmosphere interne au fermenteur. L'atmosphère externe pénètre à l'intérieur du tube de guidage creux contenant le capteur électromagnétique mais l'intérieur de ce tube est isolé de 1'atmosphère interne. Les seules pièces qui soEt au contact du liquide et de l'atmosphere interne sont le flotteur creux et le tube de guidage et ces pieces sont faciles a démonter, 9 stériliser et à remonter a l'état stérile. Un capteur de niveau selon l'invention répond a toutes les exigences d'un matériel destiné a équiper un fermenteur destiné a une culture sous atmosphère stérile, en anaérobiose. La description suivante se réfere aux dessins annexEs qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un capteur de niveau selon l'invention. La figure 1 est une coupe axiale du capteur. La figure 2 est une coupe axiale, à plus grande échelle, du capteur électromagnétique de déplacement du flotteur. La figure 1 représente un capteur de niveau qui est placé dans un fermenteur dont seul le couvercle 1 est représenté. Ce fermenteur contient un milieu de culture liquide 2, dans lequel où cultive des micro-organismes anaérobie. L'atmosphere qui surmonte le liquide ne contient pas d'oxy gene et elle doit rester stérile pour éviter de contaminer la culture. Le niveau de la surface du liquide 2 doit être maintenu constant. Dans certaines expériences, ce niveau doit varier en suivant une loi d'évolution déterminée. Le capteur de niveau comporte un flotteur 3 qui flotte sur le liquide 2. Le flotteur 3 est creux et il a une forme annulaire. Il est construit en un matériau amagnétique inoxydable, inerte et facile à nettoyer et a stériliser. Selon un mode de réalisation prEérentiel, le flotteur 3 est en verre soufflé. Le flotteur 3 contient une bague interne en acier doux 4, qui entoure la paroi interne et qui est centrée sur l'axe vertical du flotteur. Le flotteur 3 est engagé sur un tube de guidage vertical 5, en matériau amagnétique, le long duquel il coulisse librement. Le tube 5 plonge dans le liquide 2. L'extrémité inférieure du tube 5 est obturée de façon étanche. L'extrémité supérieure du tube 5 comporte une collerette 6, sur laquelle prend appui une bague 7. Le tube 5 est par exemple un tube en verre ou en tout autre matériau inozydablea amagnétiqua, inerte et facile S nettoyer et a stériliser. L'extrémité supérieure du tube 5 traverse le couvercle 1 du fermenteur. L'étan chéité du passage est assurée par exemple par un presse-étoupe.Le tube 5 est démontable-pour pouvoir etre stérilisé. Le liquide 2 ne pénètre pas dans le tube 5. L'atmosphère externe au fermenteur pénètre dans le tube 5, mais elle est séparée par le tube de l'atmosphère interne au réacteur. Le tube 5 contient une tige verticale 3 en un matériau amagnétique qui portera son extrémité inférieure, un capteur de déplacement électromagnétique 9 qui est un transformateur différentiel composé d'une bobine centrale émettrice 10 à axe vertical, dans laquelle on envoie une tension alternative et de deux bobines réceptrices coaxiales lia et îîb, qui sont symétriques par rapport au plan horizontal PP1, passant par le milieu de la bobine centrale. Les tensions induites dans les deux bobines réceptrices lia et îîb, sont montées en opposition. Les tensions induites varient avec la position relative de la bague 4 par rapport aux deux bobines. Lorsque la bague 4 est symétrique par rapport au plan PP1, les deux tensions induites sont égales et on recueille une tension nulle à la sortie. Si une dissymétrie apparaît, les deux tensions induites dans les deux bobines deviennent inégales et on recueille à la sortie une tension positive ou négative selon le sens de déplacement du niveau par rapport au plan de référence fixe eet l'amplitude de cette tension est proportionnelle à l'amplitude du déplacement du flotteur dans une large plage. L'extrémité supérieure de 'la tige 8 comporte un filetage mâle 12 et la bague 7 comporte un filetage femelle 13 qui est vissé sur le filetage mâle 12. En tournant la bague 7, on déplace verticalement la tige 8 et on peut ainsi régler la position du capteur de déplacement 9 et la position du plan de référence PPI. La bobine émettrice 10 et les bobines réceptrices lia et îîb sont connectées sur des conducteurs 14 qui aboutissent sur une prise 15 permettant d'alimenter le capteur et de le connecter sur des appareils électroniques de traitement des signaux (amplificateurs, filtres, enregistreurs, comparateurs, régulateurs etc..). La figure 2 représente, a- plus grande échelle, une coupe partielle du capteur électromagnétique de déplacement. On retrouve sur cette figure la bobine émettrice 10 et les deux bobines réceptrices lia et îîb, qui sont toutes trois coaxiales. Chaque bobine est enroulée sur un noyau en fer doux, respectivement 16, 17 et 18. Ces noyaux en fer doux sont séparés-par des entretoises amagnétiques 19 et 2,0. On voit sur la figure 2 l'extrémité inférieure de la tige porteuse 8 qui comporte une rainure longitudinale 21 dans laquelle passent les conducteurs 14. Un dispositif selon l'invention peut être utilisé pour rEgu- ler le niveau du liquide a une valeur constante. Dans ce cas, le capteur de déplacement est positionné a une hauteur constante telle que le plan médian PP1 se trouve au milieu de la bague 4, lorsque le niveau de liquide se trouve au niveau de référence souhaité. La tension émise par le transformateur différentiel commande automatiquement le fonctionnement de pompes et de vannes motorisées qui maintiennent le niveau de liquide constamment égal au niveau de référence qui est fixe. Un dispositif selon l'invention peut être utilisé également pour mesurer le niveau du liquide et éventuellement, pour programmer les variations de celui-ci suivant une loi d'évolution déterminée comme cela est nécessaire dans certaines expériences. Dans cette deuxième application, la tige porteuse 8 est motorisée et peut être déplacée verticalement par un servomécanisme qui utilise les signaux émis par le capteur. Le capteur de déplacement est asservi a suivre les déplacements du flotteur. Les déplacements de la tige sont mesurés par des codeurs de recopie et ils indiquent les variations du niveau. Ce systeme peut être couplé avec un dispositif de programmation commandant des pompes ou des vannes motorisées de circulation de liquide ou d'injection de solides et il permet de contr8ler les variations de niveau et la vitesse d'évolution de celles-ci. On peut ainsi réaliser des mélanges contrôlés, des dilutions, des dissolutions, des prélevements etc... Les capteurs de niveau selon l'invention permettent de contrôler des volumes allant de quelques centaines de millilitres 3 plusieurs milliers de m R E V E N D I C A T I O N S 1. Capteur de niveau destiné plus particulièrement à contrôler le niveau de liquide (2), dans un fermenteur anaérobie du type comportant un flotteur annulaire creux (3) qui coulisse sur un tube de guidage vertical (5), caractérisé en ce que ledit flotteur (3) est en un matériau amagnétique et contient une bagueen acier doux (4) et ledit tube de guidage (3) est creux, il a une extrémité inférieure fermée qui plonge dans ledit liquide (2) et il contient une tige coaxiale (8) portant un capteur électromagnétique (9) de déplacement de ladite bague. 2. Capteur de niveau selon la revendication 1, caractérisé en ce que lendit capteur électromagnétique de déplacement est un transformateur différentiel composé d'une bobine émettrice (10) et de deux bobines réceptrices (lia', 11b),coaxialesavec ladite bobine émettrice (10) et symétriques par rapport au plan médian (pli) de celle-ci. 3. Capteur selon là revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure de ladite tiRe (8) émerge hors dudit tube de guidage et comporte un filetage mâle (12) sur lequel est vissée une bague filetée (7) qui prend appui sur l'extrémité supérieure dudit tube de guidage. 4. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite tige (8) est déplaçable verticalement par un servomécanisme qui est asservi à suivre les déplacements verticaux dudit flotteur et qui est associé a un capteur qui mesure les déplacements verticaux de ladite tige, lesquels déplacements correspondent aux variations du niveau de liquide. 5. Capteur selon la revendication 2D caractérisé en ce que lesdites bobines (10, lia, 11b) sont montées sur des noyaux en acier doux (16, 17, 18) qui sont séparés entre eux par des entretoises (19, 20) en matériau amagnétique. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé en ce que ledit flotteur (3) est en verre soufflé.