Brevet FR2581453A1 — publié le 19861107

1.- "Dispositif de prélèvement d'échantillons L'invention concerne un dispcsitif de pré- lèvement d'échantillons avec un micro-filtre susceptible d'être relié à un bioréacteur, et qui est relié à une ca- nalisation pour le prélèvement d'échantillons. De tels dispositifs de prélèvement d'échan- tillons sont surtout prévus pour la détermination de subs- tances dissoutes, telles que des substances alimentaires, des métabolites, des produits, ainsi que pour la détermina- tion de leurs concentrations. La mesure de ces paramètres, à côté des paramètrespar ailleurs classiquestels que la température, le pH, l'oxygène, le C02, etc... permet d'amé- liorer la gestion de processus biologiques. Cette tendance est de plus soutenue actuelle- ment par la mise en oeuvre de microprocesseurs. Mais cela n'est possible que lorsque toutes les mesures peuvent être effec- tuées en continu ("on line"), pour pouvoir obtenir en continu et rapidement les données de mesures nécessaires pour la ges- tion du processus. De nouvelles méthodes ont été par ail- leurs développées pour des paramètres déterminés, comme par exemple des électrodes enzymatiques ou des sondes de mesures avec membranesde silicone, mais qui-sont très spé- cifiques du produit et qui, en partie pour des raisons de possibilités de stérilisation, ne peuvent pas être mises en 2.- oeuvre directement dans le bioréacteur. Pour maîtriser ce problème, il a été récem- ment proposé un dispositif de prélèvenenz dt'échantilons du type initialement mentiornné, dans lequel le prélève- ment en continu d'échantillons s'effectue au moyen d'un système de microfiltration, qui est paroouru par le pro- duit de réacteur et qui est raccordé à un système de mesure. Une description de ces nouveaux systèmes exis- tants peut par exemple, être trouvée dans les documents sui- vants: a) A. Dincer et al (1984), Developments in Industrial Micro- Biology 25; 603, b) Kempe u. Schallenberger (1983), Process Biochemistry, Dec.; 7. Un inconvénient important du dispositif de prélèvement d'échantillons ainsi proposé, est que le pré- lèvement d'échantillons s'effectue dans une boucle externe. Cela impose la construction de systèmes de prélèvements conçus spécialement dans ce but, avec des pompes, des ca- nalisations d'alimentation et de retour, et des dispositifs de séparation. Il vient s'y ajouter que la stérilisation absolument nécessaire de ces systèmes externes, pose des problèmes. En outre, la quantité d'échantillons prélevée est relativement importante. La mise en oeuvre de membranes de micro- filtration in situ dans des bioréacteurs, a été jusqu'ici seulement décrite pour une évacuation en continu des produits terminaux souhaités (voir EP 7133-A). Le but de l'invention est de créer un dis- positif de prélèvement d'échantillons qui ne présente pas les inconvénients précités. Il s'est avéré que le problème de la mesure stérile in situ de substances dissoutes dans le bioréac- teur peut être résolu grâce à un dispositif de prélèvement d'échantillons conforme à l'invention, caractérisé en 3.- ce qu'il comprend une sonde dont la tête comporte un micro- filtre réalisé sous la forme d'une membrane semi-perméable, cette membrane étant reliée à un moyen permettant de dépla- cer la surface de la membrane. Des formes de réalisation avantageuses du dispositif de prélèvement d'échantillons sont définies par les caractéristiques suivantes de l'invention: - le moyen pour déplacer en permanence la surface de la membrane est un vibrateur, - la membrane est susceptible d'osciller en direction longitudinale de la sonde, - la membrane est montée conjointement avec la sonde de façon à pouvoir être déplacée dans un bottier de sonde, - la sonde comporte un tronçon de tube monté de façon à pouvoir coulisser dans le bottier de la sonde en étant étanché par des joints d'étanchéité, ce tronçon de tube portant,à l'une de ses extrémités> la membrane etj à son autre extrémité,un bottier d'accouplement, auquel est raccordé le vibrateur et dans lequel la canalisation est raccordée au tronçon de tube, - la membrane est perméable pour les substan- ces dissoutes, tandis qu'elle est imperméable pour les cel- lules, - la partie ouverte en direction du bioréac- teur est constituée d'un matériau qui résiste aux processus de stérilisatioh du bioréacteur, - le bottier de la sonde est prévu pour être fixé de façon amovible à une tubulure de raccordement du bioréacteur, - le bottier de la sonde comporte une tubulure de raccordement normalisée pour des sondes de mesure, - ce dispositif est susceptible d'être rac- cordé à un appareil de mesure et/ou de réglage. Ces dispositifs de prélèvements d'échantillons 4.- sont avantageusement munis de raccordements répondant aux normes de raccordement existantes pour des bioréacteurs, tels qu'ils sont prévusspar exemple> pour des sondes pH, p02, PC02, etc..Du fait de ce mode de construction, la surface de section transversale disponible est relativement rédui- te. Ceci accroit le risque que, selon la nature du produit du bioréacteur, des substances se déposent sur la membrane et réduisent son aptitude au fonctionnement. Ce problème est évité par le déplacement de la membrane, ce déplace- ment pouvant s'effectuer de façon intermittente ou de préférence de façon continue. Ce déplacement peuten outre, s'effectuer par rotation autour de l'axe propre de la mem- brane ou bien par un mouvement d'aller et retour, c'est- à-dire par un mouvement de vibration en direction périphé- rique ou bien en direction axiale. Dans ce cas, le dépla- cement axial est préféré, car on peut obtenir avec une dépense réduite, un écoulement régulier ("crossflow")avantageux la membrane par un mouvement aller et retour de faible amplitude à une fréquence très élevée. Ainsi, l'influence du produit de réacteur sur le prélèvement d'échantillons est maintenue à un niveau réduit pour une efficacité op- timale. Des avantages du dispositif de prélèvement d'échantillons conforme à l'invention, sont notamment les suivants: a) mise en oeuvre dans des bioréacteurs existants sur des tubulures normalisées, b) grande efficacité dde à la très faible influence du produit du bioréacteur, c) possibilité de détecter en continu et très rapidement des valeurs instantanées de substances dans le bio- réacteur, d) prélèvement des quantités d'échantillons respectivement nécessaires qui grâce au volume mort réduit des sondes permettent des mesures très précises, 5.- e) stérilisation in situ. Pour les membranes, on peut choisir des maté- riaux qui ne sont perméables que pour les substrats que l'on souhaite mesurer. On peut utiliser des membranes clas- siques, telles que> par exemplejdes membranes symétriques ou asymétriques, polaires ou non polaires, hydrophiles ou hydrophobes, qui peuvent être choisies selon la nature des substances dissoutes à mesurer, ces membranes devant surtout être imperméables pour les micro-organismes cultivés, les cellules, etc.. Pour les protéines, des dimensions de pores d'environ 0,01 à 0,1 M m seraient par exemple avan- tageuses. Le dispositif de prélèvement d'échantillons selon l'invention peut être utilisé aussi bien pour le prélèvement d'échantillons individuels que pour des pré- lèvements continus. Dans ce dernier cas notamment, les échantillons prélevés sont de préférence amenés à un sys- tème de mesure en ligne approprié, qui est choisi selon des principes connus. Les composants individuels sont, par exemple, ceux décrits dans le document a) et peuvent, par exemple être raccordés à un appareil de commande de micro- processeur. Le déplacement de la membrane peut être ob- tenu par un dispositif approprié assurant un déplacement en rotation ou bien un déplacement aller et retour. Dans ce dernier cas, on peut par exemple obtenir avec un dépla- cement de par exemple seulement 0,1 mm d'amplitude, un écoulement régulier ( "cross-flow")sur la membrane d'environ 4 m/s par mise en oeuvre d'un vibrateur ultrasons à une fréquence d'environ 20 kHz. Un exemple typique de réalisation de l'inven- tion va être décrit plus en détail en se référant au des- sin ci-joint, dont la figure unique est une coupe d'un dispositif de prélèvement d'échantillons monté sur un bio- réacteur. 6.- Le dispositif de prélèvement d'échantillons 2 conorend un boltier de sonde 4 qui est fixé de façon amo- vible aux tubulures de raccordement 6 d'un bioréacteur 8, en étant,par exemple,vissé. Le dispositif de prélèvement d'échantillons 2 comprend une sonde 10 montée de façon à pouvoir coulisser en direction axiale dans un bottier de sonde 4. La sonde 10 comporte une tête constituée d'une membrane semi-perméable 12 qui est fixée sur un tronçon de tube 14 lequel est monté de façon à pouvoir se déplacer dans le bottier 4 de la sonde. La membrane 12 est fixée sur un support 16 du tronçon de tube 14, ce support 16 étant relié au bottier 4 de la sonde par l'intermédiaire d'un soufflet 18 pour assurer l'étanchéité. Le tronçon de tube 14 guidé dans le boltier 4 de la sonde est, en outre, étanché par l'intermédiaire de joints annulaires d'étanché- ité 20. Dans le bottier 4 de la sonde, est ménagée une chambre annulaire 22 qui entoure le tronçon de tube 14 et qui est en communication avec des raccordements de ca- nalisations 24 pour assurer une barrière de stérilité, par exemple au moyen d'une circulation de vapeur. L'extrémité, opposée à la membrane 12, du tronçon de tube 14 de la sonde 10, porte un autre boitier 26 grâce auquel le tronçon de tube 14 est relié à un vibra- teur 28 qui communique à la sonde un déplacement oscillant axial 30. Au tronçon de tube 14 est raccordée, à l'in- térieur du bottier 26, une canalisation 32 qui est reliée Dar l'intermédiaire d'une pièce d'accouplement 34, à une canalisation flexible 36 aboutissant à un système de me- sure 38. A ce système de mesure 38 est raccordé un micro- processeur qui traite les données mesurées du système de mesure 38 et commande ainsi, d'une façon non représentée plus en détail, le processus du bioréacteur 8. Au lieu de la canalisation 36, un robinet destiné au prélèvement d'échan- tillons individuels peut être raccordé à la pièce d'accou- 7.- plement 34. Les parties du dispositif de prélèvement d'échantillons 2 en relation avec l'intérieur du bioréac- teur 8, sont constituées de matériaux qui résistent aux mesures de stérilisation prises habituellement dans un bioréacteur. Pendant le fonctionnement, le bottier 26 est maintenu en vibration par le vibrateur 28, ces vibra- tions se transmettant par l'intermédiaire du tronçon de tube 14 à la membrane 12 de la sonde 10. On empêche ainsi, dans une large mesure1 un dépôt, par exemple de cellules, sur la membrane. De filtrat de culture pénètre à travers la membrane 12 et il est amené par l'intermédiaire du tronçon de tube 14, de la canalisation 32 et de la canalisa- tion 36, dans le système de mesure 38 oh il est exploité. Les joints d'étanchéité annulaires 20 empêchent la péné- tration du produit du réacteur dans le dispositif de pré- lèvement d'échantillons ou bien inversement, préservent la stérilité interne du bioréacteur. 8.- RE V E N DI C A T I 0 N S 1.- Dispositif de prélèvement d'échantil- lons avec un micro-filtre susceptible d'être relié à un bioréacteur, et qui est relié à une canalisation pour le prélèvement d'échantillons, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend une sonde (10) dont la t8te comporte un micro- filtre réalisé sous la forme d'une membrane semi-perméable (12), cette membrane (12) étant reliée à un moyen (28) per- méttant de déplacer la surface de la membrane. 2.- Dispositif de prélèvement d'échantil- lons selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (28) pour déplacer en permanence la surface de la membrane est un vibrateur. 3.- Dispositif de prélèvement d'échantil- lons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (12) est susceptible d'osciller en direction longitudinale (30) de la sonde (10). 4.- Dispositif de prélèvement d'échantil- lons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane est montée conjointement avec la sonde (10),de façon à pouvoir être déplacée dans un bottier de sonde (4). 5.- Dispositif de prélèvement d'échantil- lons selon la revendication 4, caractérisé en ce que la sonde (10) comporte un tronçon de tube (14) monté de fa- çon à pouvoir coulisser dans le bottier (4) de la sonde en étant étanché par des joints d'étanchéité (20), ce tronçon de tube portant,à l'une de ses extrémités1la mem- brane (12) et à son autre extrémité, un bottier d'accou- plement (26), auquel est raccordé le vibrateur (28) et dans lequel la canalisation (32) est raccordée au tron- çon de tube (14). 6.- Dispositif de prélèvement d'échantil- lon selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (12) est perméable pour les substances dissoutes 9.- tandis qu'elle est imperméable pour les cellules. 7.- Dispositif de prélèvement d'échantil- lons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie ouverte ern direction du bioréacteur est constituée d'un matériau qui résiste ai processus de stérilisation du bioréacteuro 8.- Dispositif de prélèvement d'échantil- lons selon la revendication 1,caractérisé en ce que le bottier (4) de la sonde est prévu pour 9tre fixé de fa- çon amovible à une tubulure de raccordement (6) du bio- réacteur (8). 9.- Dispositif de prélèvement d'échantil- lons selon la revendication 8, caractérisé en ce que le bottier (4) de la sonde comporte une tubulure de raccorde- ment normalisée pour des sondes de mesure. 10.- Dispositif de prélèvement d'échantil- lons selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce dispositif est susceptible d'être raccordé à un appareil de mesure et/ou de réglage.