Brevet FR2597978A1 — publié le 19871030

PROCEDE DE MESURE EN CONTINU ET DE REGULATION DE L'ACTIVITE DE L'EAU DANS UN MILIEU LIQUIDE HYDRATE ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention concerne un procédé de mesure en continu et de régulation de l'activité de l'eau dans un milieu liquide hydraté, ainsi que le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. De nombreuses études ont montré toute l'importance que revêtait la mesure de l'activité de l'eau en milieu liquide, que ce soit pour le classement des microorganismes (Gould. G.W. 1985, "Properties of Water in foods") ou pour l'orientation de la croissance et du métabolisme des microorganismes (Northolt et Al. 1979 - Journal Food Production, 42, 6, 485-490 ; d'autres travaux (Bousquet-Richard et Al - 1980 Lebens.Wiss. U.Technol.13, 4, 169-176) ont étudié le rôle fondamental de l'eau sur la stabilité microbiologique et chimique des aliments, ainsi que sur leur stockage. De nombreuses méthodes ont donc été misés au point pour mesurer cet important paramètre, que ce soit par hygrométrie à point de rosée, par utilisation de capteurs électriques, de détecteurs rnécaniques à fibres ou par micro-psychrométrie. Toutes ces méthodes nécessitent un échantillonnage, et jusqu'à présent, il n'existe aucun système de mesure de l'activité de l'eau en continu. Or, du fait que certains microorganismes présentent des optimums de croissance ou de productions métaboliques pour des activités de l'eau inférieures à I et, du fait que l'activité de l'eau du milieu varie au cours de la culture (métabolites, apports nutritifs), il serait très important d'arriver à réguler ce paramètre durant certaines fermentations. La présente invention s'est donné pour but de mettre au point un procédé et un dispositif permettant de mesurer en continu l'activité de l'eau d'un milieu liquide et par la suite de stabiliser ce paramètre autour d'une consigne par un système de régulation automatisé. Avant de préciser la portée exacte de l'invention, et afin d'en faciliter la compréhension, il paraît nécessaire d'effectuer certains rappels théoriques sur cette notion d'activité de l'eau qui sera, par la suite, désignée par aw. L'activité de l'eau correspond à "l'activité relative" des chimistes thermodynamiciens, appliquée à un constituant particulier : I'eau, et on a pu relier la notion d'activité de l'eau d'un milieu liquide ou solide à celle d'humidité relative de la phase gazeuse en équilibre avec ce milieu. L'activité de l'eau permet de mesurer la disponibilité globale de l'eau et d'évaluer sa potentialité à réagir. Elle est définie comme étant le rapport de la pression partielle de vapeur d'eau, Pw, à la pression partielle de vapeur d'eau saturante, Pw Pw aw= Pw Ce paramètre n'a de sens que s'il est considéré dans un système en équilibre thermodynamique. On a déterminé que le potentiel chimique, noté i, représente l'énergie nécessaire pour faire passer une mole d'un composé i de l'état liquide à l'état gazeux pi = i' + RT Log Pi pi' est le potentiel chimique pour Pi = 1 atm. Lorsque deux phases A et B sont en équilibre, leurs potentiels chimiques sont égaux (lli)a = ( i)b= pi' + RT Log Pi La notion de pression partielle, Pi, dans un équilibre quelconque, est parfois difficile à mesurer ou à mettre en évidence. On introduit alors la notion d'activité relative d'un composé par rapport à un état standard. L'état standard pris comme référence est la pression partielle de vapeur saturante au-dessus du composé pur, Pi : La constante d'intégration pi est le potentiel chimique pour Pi = Pi" ou pour ai = 1 (composé pur). On peut donc introduire la notion d'activité de l'eau, aw pw = pw + RT Log aw avec par définition à l'équilibre aw= Pw avec Pw = pression partielle de vapeur d'eau, et, Pw = pression partielle de vapeur saturante au-dessus de l'eau pure. Dans le cas des solutions idéales, c'est-à-dire quand les interactions moléculaires ne sont pas modifiées par rapport à celles exercées au sein des constituants purs, la pression partielle d'un des constituants s'exprime de façon simple par la loi de RAOULT : Pi = Pi0 Xi avec : Pi = pression partielle de vapeur du composé i Pi" = pression partielle de vapeur saturante de i Xi = fraction molaire de i Pi ou : Xi = alors Xi = ai, activité relative de 1 ; pi d'où pour les solutions idéales aqueuses aw = Xw = Pw/Pw @@@@ @ @@ @@@ nw fraction molaire de l'eau nw + ns et : nw = nombre de mole d'eau ns = nombre de mole de soluté. D'après cette loi, la dissolution d'une mole d'un soluté idéal (ns) dans 1 Kg d'eau qui contient 55,51 moles d'eau (nw), donne une solution d'activité de l'eau 0,9823. La valeur mesurée de l'activité de l'eau d'une solution aqueuse contenant une mole de glycérol est de 0,9816 (TROLLER et al., 1978). Ces deux valeurs sont suffisamment proches pour permettre de considérer la solution eau distillée-glycérol comme une solution idéale. Dans le cas des solutions dites diluées, dans lesquelles la fraction molaire du soluté tend vers zéro, les interactions soluté-soluté qui s'exercent à faible distance sont supprimées par suite de l'éloignement des molécules. Ces solutions suivent la loi de HENRY Pi = ki Xi avec : ki = coefficient de proportionnalité de HENRY On peut en déduire Xi = Pi et ai = Xi ki Pw d'où : aw = Xw - pour les solutions aqucuses diluées, kw Dans le cas des solutions complexes non électrolysables, compo- sées de plusieurs solutés dont les molécules ne sont pas ionisables en solution, la pression partielle d'un composé i est une fonction complexe de sa concentration molaire.L'écart de la solution par rapport au comportement idéal, du aux interactions soluté-soluté et à la forme des molécules de soluté est donné par le coefficient d'activité g i ai = 6 i Xi d'où: aw = Xw Xw pour ces solutions aqueuses complexes non électrolysables. Enfin si l'on désire mesurer l'activité de l'eau deE solutions complexes électrolysables, à plusieurs constituants, on apporte un coeffi cient de correction, noté v, qui tient compte de la dissociation des molécules de soluté par ionisation. avec = coefficient osmotique molaire de la solution donné dans des tables. m = concentration molaire du soluté. On a, par ailleurs, déterminé que la croissance et le métabolisme des microorganismes étaient sous la dépendance du paramètre aw en raison de l'influence de la pression osmotique sur les échanges transmembranaires. L'activité de l'eau et la pression osmotique, II, sont reliées par une relation logarithmique qui prend différentes formes suivant le type de solution aqueuse - en solutions binaires idéales diluées RT =- Log aw V avec : R : constante des gaz parfaits T: température V : volume de la solution - en solutions réelles ou complexes RT # = - Log aw Vw avec : 7w = volume molaire partiel de l'eau dans la solution. On sait, d'autre part, que le degré hygrométrique ou l'humidité relative, HR, d'un air quelconque, est définie par mw HR - m0w avec mw = masse de vapeur d'eau présente dans un volume d'air à une température donnée. m0w : masse maximale de vapeur d'eau que le même volume d'air à la même température peut absorber. La vapeur d'eau étant assimilable à un gaz parfait, le rapport des masses est égal au rapport des pressions partielles. De plus, à l'équilibre thermodynamique, I'humidité relative de l'air correspond à la notion d'humidité relative à l'équilibre, notée HRE, souvent exprimée en pourcentage et définie par HRE = mw . 100 = Pw 100 mwo Pw avec Pw = pression partielle de vapeur d'eau dans un- volume d'air humide à une température donnée. Pw" = pression partielle de vapeur saturante d'eau dans le même volume d'air humide et à la même température.. Par définition à l'équilibre : Pw aw = Pw HRE d'ou : aw = 100 Cette formule s'applique quel que soit le type de solution envisagée (idéale, non idéale, électrolytique, non électrolytique ...). L'importance du paramètre activité de l'eau sur le métabolisme des microorganismes peut donc s'expliquer par l'intermédiaire de la pression osmotique. Par ailleurs, les données thermodynamiques montrent que les notions d'activité de l'eau et d'humidité relative à l'équilibre sont équivalentes dans un système en équilibre. C'est à partir de cette constatation et en faisant l'hypothèse que le système selon l'invention atteint rapidement l'équilibre liquide-vapeur que les Inventeurs ont mis au point une chaîne de mesure qui transforme la grandeur "activité de l'eau" en une grandeur équivalente "humidité relative à l'équilibre". Le procédé de mesure de l'activité de l'eau dans un milieu liquide hydraté selon l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser l'équilibre en humidité relative entre ledit milieu liquide et la phase gazeuse qui le surmonte, puis à mesurer de façon continue ladite humidité relative dans ladite phase gazeuse. L'opération de mesure de l'humidité relative est avantageusement associée à une opération de régulation de ce paramètre. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé ; ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant de réaliser, dans une chambre fermée, un équilibre en humidité relative entre un milieu liquide et la phase gazeuse qui le surmonte, associés à des moyens de mesure en continu de cette humidité relative dans la phase gazeuse. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de mesure comporte des moyens permettant de réaliser un équilibre dynamique entre les phases liquide et gazeuse par circulation dans la phase liquide d'un gaz vecteur sous forme de bulles très fines. La division du gaz vecteur en bulles très fines est avantageusement assurée par passage dudit gaz au travers d'un élément poreux. Le diamètre des pores de l'élément poreux se situe de préférence aux environs de 10 mp. Le diamètre des bulles est, en effet, un facteur important, puisqu'il détermine leur vitesse ascensionnelle et agit sur le coefficient de transfert gaz-liquide. Le gaz vecteur est avantageusement de l'air préalablement désséché. Dans le cas où l'introduction d'air dans le milieu liquide serait susceptible de perturber certains phénomènes biologiques, le gaz vecteur est un gaz neutre, prélablement desséché, tel que l'azote ou le gaz carbonique. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, I'équilibre en humidité relative est réalisé de façon statique et la phase gazeuse dans laquelle s'effectue la mesure en continu est séparée du milieu liquide par une membrane perméable aux gaz et notamment à la vapeur d'eau. Le capteur est choisi parmi les capteurs permettant la mesure en continu de l'humidité relative d'un gaz. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention le capteur d'humidité relative est relié à un système de régulation automatique destiné a stabiliser ladite humidité relative et, par là, I'activité de l'eau autour d'une valeur de consigne par envoi sélectif d'eau ou de dépresseur d'activité de l'eau, ou d'une solution nutritive. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages ressortiront bien de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé, dans lequel Figure I est une représentation schématique d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention dans le cas où l'équilibre en humidité relative est réalisé de façon dynamique. Figure 2 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans le cas où l'équilibre en humidité relative est réalisé de façon statique. Figure 3 est un diagramme de régulation de l'activité de l'eau. Sur les figures 1 et 2, le milieu liquide hydraté est représenté de façon générale par 2, la phase gazeuse dont on mesure l'humidité relative à l'équilibre par 3 et le moyen de mesure de ladite humidité relative par 4. Le mode de réalisation représenté à la figure I est prévu pour les cas où la mesure d'humidité relative est effectuée après qu'ait été réalisé un équilibre dynamique de l'humidité relative dans la phase gazeuse 3 surmontant le milieu liquide 2. Ce dispositif se compose essentiellement d'une chambre d'équilibre 5 et d'une chambre de mesure 6. La chambre d'équilibre 5 est constituée d'un élément cylindrique 7 en chlorure de polyvinyle dont la partie supérieure est fermée par un capot 8 muni d'un orifice central prévu pour recevoir une tubulure 9 d'amenée d'un gaz vecteur et d'un orifice latéral prévu pour recevoir une tubulure 10 permettant de conduire la phase gazeuse humide de la chambre d'équilibre 5 à la chambre de mesure 6. Un dispositif de bullage Il est disposé à l'extrémité inférieure de la tubulure 9 d'amenée du gaz vecteur. Il s'agit d'un élément en porcelaine poreuse permettant la projection latérale des bulles par des pores d'un diamètre approximatif de 10 mp . De plus, la partie inférieure de l'élément tubulaire 7 est perforée en 12, ce qui permet de maintenir une isoconcentration entre la partie intérieure dudit élément 7 et le milieu liquide 2, ce qui contribue à assurer une mesure effective de l'activité de l'eau dans ce milieu liquide. Un manchon coulissant 13 permet d'obstruer à volonté une partie des orifices latécaux. La chambre de mesure 6 prévue pour recevoir le gaz vecteur sortant du système de bullage 11, ayant traversé le milieu liquide 2 et mis en équilibre dans la chambre 5, est équipée d'un capteur 4, dont l'élément sensible est constitué d'une couche d'un polymère diélectrique de quelques microns d'épaisseur. La capacité électrique de cette couche est reliée par une loi linéaire à l'humidité relative de l'air ambiant. Le choix de ce type de capteur ne constitue nullement une limitation à l'invention ; tout autre type de capteur permettant la mesure en -continu de l'humidité relative d'un gaz conviendrait également. Les caractéristiques métrologiques d'un capteur convenable sont les suivantes .courant de sortie mesure variant entre 4 et 20 mA, reproductibilité + 1 % d'humidité relative, . temps de réponse inférieur à 30 s. pour 90 % de l'écart, précision + 2 % de l'humidité relative et + 6 % si le capteur est exposé plus de 30 minutes à une humidité relative supérieure à 90 %. Le fonctionnement du dispositif représenté à la figure I va maintenant être décrit en détail dans le cas où le gaz vecteur est constitué par de l'air. L'air peut être remplacé par un gaz neutre, tel que l'azote ou le gaz carbonique, dans les cas où l'introduction d'air dans le milieu liquide pourrait perturber certains phénomènes biologiques. Le gaz vecteur 14 provient du réseau d'air comprimé de l'établi- ssement (non représenté) à une pression de 1,5 bar. Cet air dont le débit est stabilisé passe dans un sécheur d'air (non représenté) à cristaux de silicagel et en ressort à environ 10 % d'humidité relative. Cette opération de séchage est nécessaire pour que l'humidité relative de l'air entrant soit toujours inférieure à celle de la solution. Le gaz 14 est ensuite divisé en fines bulles par passage dans le système de bullage 11. Les fines bulles circulent dans la solution, et renouvellent en permanence la phase gazeuse au-dessus de la phase liquide. L'équilibre en humidité relative de cette phase gazeuse 3 est réalisé dans la chambre 5 et la phase gazeuse passe ensuite, par l'intermé- diaire de la tubulure 10, dans la chambre de mesure 6 renfermant la partie sensible du capteur d'humidité 4, où la mesure des valeurs d'humidité relative est effectuée de façon continue. Il est important que le fer menteur (ou tout autre appareil dans lequel on désire effectuer en continu la mesure de l'activité de l'eau) où doit être introduit le dispositif selon l'invention possède une régulation de température précise. En effet,la mesure de l'humidité relative est effectuée sur l'air sortant. Or, I'humidité relative d'un gaz varie avec sa température à teneur en eau constante. Ainsi, une différence de 1"C pour le même air humide, entraîne une variation de 4 % d'humidité relative de cet air. C'est pourquoi il est nécessaire que les deux phases du fermenteur soient à la même température, afin d'éviter les écarts entre les valeurs d'humidité relative définies par la composition de la solution et celles mesurées par le capteur. Le compte-rendu des essais suivants permettra d'apprécier les qualités du dispositif selon l'invention, et notamment sa précision, sa fiabilité et son temps de réponse à une variation instantanée d'activité de l'eau. Les essais ont été effectués sur deux types de solutions : binaires et ternaires. La température est régulée à 25"C et le débit d'air fixé à 0,06 m 31h. Essais de mesure en solutions binaires On a mesuré l'humidité relative à l'équilibre de solutions de titres connus dans un fer menteur à l'aide du dispositif de mesure selon l'invention. Il s'agissait de trois solutions glycérol-eau distillée proches de l'idéalité et d'une solution D. glucose-eau distillée non idéale. Les résultats sont présentés dans le tableau 1. Le dispositif selon l'invention donne une mesure d'humidité relative à l'équilibre qui diffère au maximum de 0,57 % de la valeur contrôlée au réfractomètre. La fidélité minimale calculée à partir de l'intervalle de confiance à 99 % est de + 0,67 % d'humidité relative à l'équilibre. TABLEAU 1 Nature du soluté Glycérol Glycérol Glycérol D. Glucose Valeur HRE (%) théorique contrôlée 71,3% # 1,2 80,5 # 1,2 94,3 % # 1,2 92,1 % # 1,2 au réfractomètre à 23 C et erreur absolue Valeur HRE (%) 71,7 % 81,6 % 93,9 % 91,3 % mesurée par 71,5 % 80,8 % 94,1 % 91,5 % le capteur 71,4 % 80,7 % 94,0 % 91,4 % é 25 C 72,0 % 81,2 % 93,8 % 92,0 % Moyenne des mesures et intervalles 71,7 % # 0,4 81,1 % # 0,7 94,0 % # 0,2 91,6 % # 0,5 de confiance à 99 % écart : moyenne des mesures - valeur + 0,4 + 0,6 - 0,3 - 0,5 théorique Essais de mesure en solutions ternaires On a mesuré l'humidité relative à l'équilibre de deux solutions ternaires complexes de glycérol - D. glucose-eau distillée dont les valeurs d'HRE de référence ont été mesurées avec l'appareil Novasina. Les résultats de ces mesures sont donnés dans le tableau 2. TABLEAU 2 Valeurs HRE(%) moyenne des Valeur HRE(%) moyenne des Ecart entre des solutions valeurs mesu- des solutions valeurs mesu- les deux mesurées au rées au mesurées par rées par le moyennes Novasina à Novasina et le capteur à capteur et 25 C intervalle de 25 C intervalle confiance à de confiance 99 % à 99 % 84,6 % 84,2 % - 0,4 % 84,2 % 84,4% # 0,5 84,2 % 84,0% # 0,5 84,3 % 83,9 % 83,5 % 91,5 % 91,6 % 91,9 % 91,8% # 0,7 91,8 % # 0,6 0,0 % 92,1 % 91,4 % 92,2 % La comparaison entre les résultats obtenus avec le dispositif selon l'invention et ceux obtenus à partir de mesures réfractométriques ou avec l'appareil Novasina permet de conclure que le dispositif de l'invention donne une mesure juste de l'activité de l'eau d'un milieu simple (eau distillée-glycérol) ou complexe (eau distillée-glycérol-fi. glucose) puisque les écarts absolus entre les méthodes de mesure ne dépassent jamais 0,57 %. La précision calculée (+ 0,67 % d'humidité relative à l'équilibre) est tout à fait satisfaisante. Ces résultats et la rapidité de la réponse obtenue permettent de dire que le capteur donne la mesure de l'activité de l'eau en continu d'une solution et qu'il est possible d'envisager son utilisation pour réguler ce paramètre en milieu liquide. Dans le mode de réalisation du dispositif selon l'invention représenté à la figure 2, les caractéristiques de construction sont essentiellement similaires à celles du dispositif représenté à la figure 2, mais l'équilibre en humidité relative du milieu liquide 2 et de la phase gazeuse 3 est réalisé de façon statique. Dans ce dispositif, la chambre d'équilibre et la chambre de mesure sont confondues en une seule et même chambre 15 qui reçoit le capteur de mesure d'humidité relative 4 ; cette chambre 15 est séparée du milieu liquide par une membrane en Téflon 16 de diamètre de pores d'environ 0,2 mu et qui est perméable aux gaz et plus spécialement à la vapeur d'eau I'équilibre en humidité relative se fait de part et d'autre de cette membrane 16. II est prévu, d'autre part, pour la remise à zéro du dispositif une arrivée intermittente d'air sec par la tubulure 17, ainsi qu'une sortie de cet air par la tubulure 18. Le schéma de régulation de l'activité de l'eau est représenté à la figure 3. Cette régulation se fait en fonction de l'écart mesure-consigne. Le principe retenu est celui d'un ajout soit d'eau distillée soit d'un soluté dépresseur de l'activité de l'eau en fonction de cet écart. Il s'agit d'une régulation tout ou rien à trois plages, sans que ce schéma limite la portée de l'invention. L'existence d'une zone morte de 0,02 aw est nécessaire afin d'éviter un fonctionnement permanent des pompes et donc le remplissage du fermenteur. Les alarmes basses et hautes d'un régulateur classique ont été utilisées comme seuil bas et haut. Le régulateur actionne la pompe à eau distillée quand la mesure est inférieure à la valeur de l'alarme basse. La pompe à dépresseur d'activité de l'eau (soluté ou solution très concentrée en soluté) fonctionne pour une mesure supérieure à la valeur de l'alarme haute. Les deux pompes péristaltiques utilisées ont un débit fixe de 5,3 cm3/mn. - REVENDICATIONS 1- Procédé de mesure de l'activité de l'eau dans un milieu liquide hydraté, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser l'équilibre en humidité relative entre ledit milieu liquide et la phase gazeuse qui le sur monte, puis à mesurer de façon continue ladite humidité relative dans ladite phase gazeuse. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de mesure de l'humidité relative est associée à une opération de régulation de ce paramètre. 3- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I et la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant de réaliser, dans une chambre fermée, un équilibre en humidité relative entre un milieu liquide (2) et la phase gazeuse (3) qui le surmonte, associés à des moyens de mesure en continu (4) de cette humidité relative dans la phase gazeuse. 4- Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant de réaliser un équilibre dynamique entre les phases liquide et gazeuse par circulation dans la phase liquide d'un gaz vecteur sous forme de bulles très fines. 5 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la division du gaz vecteur en bulles très fines est assurée par passage dudit gaz au travers d'un élément poreux (Il). 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le diamètre des pores de l'élément poreux se situe aux environs de 10 mu 7- Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le gaz vecteur est de l'air préalablement désséché. 8- Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le gaz vecteur est un gaz neutre, tel que l'azote ou le gaz carbonique prélablement desséché. 9- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'équilibre en humidité relative est réalisé de façon statique et en ce que la phase gazeuse dans laquelle s'effectue la mesure en continu est séparée du milieu liquide par une membrane (16) sélectivement perméable à la vapeur d'eau. 1S Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le capteur (4) est choisi parmi les capteurs permettant la mesure en continu dé l'humidité relative d'un gaz. 11- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le capteur d'humidité relative (4) est relié à un système de régulation automatique destiné à stabiliser ladite humidité relative et, par là, I'activité de l'eau autour d'une valeur de consigne, par envoi sélectif d'eau ou de dépresseur d'activité de l'eau, ou d'une solution nutritive.