Brevet FR2683632A1 — publié le 19930514

Capteur à réactif biologique pour le contrôle in situ de la toxicité des effluents hydriques. La présente invention, réalisée par le laboratoire de toxicologie du Centre des Sciences de l'Environnement de l'Université de Metz, concerne le domaine de la protection et de la surveillance de l'environnement, plus particulièrement le contrôle des milieux hydriques, et a pour objet un capteur à réactif biologique pour le contrôle in situ de la toxicité des effluents hydriques. Ce type de contrôles s'adresse plus spécifiquement aux effluents en sortie des industries, d'établissements classés de stations d'épuration ou similaires, avant leur rejet dans les milieux aquatiques. Ces contrôles s'appliquent également aux eaux en entrée de station de potabilisation, en vue d'apprécier la qualité des eaux de surface ou des eaux souterraines utilisées pour la production d'eaux d'alimentation. Actuellement, le controle des effluents chargés en polluants d'origine industrielle ou agricole, des milieux hydriques et celui des eaux susceptibles de recueillir des effluents contaminés, sont, dans la plupart des cas, effectués sporadiquement par l'intermédiaire d'analyses d'échantillons prélevés régulièrement, mais à des intervalles de temps généralement importants, ne permettant pas de détecter une pollution des milieux hydriques dès son apparition, et souvent après constatation des effets de ladite pollution sur l'environnement et, éventuellement, sur l'homme. Il existe également différents types de capteurs pouvant être installés in situ et détectant automatiquement une pollution spécifique des milieux hydriques à surveiller. Néanmoins, ces capteurs existant se présentent sous la forme de systèmes volumineux, spécialisés et sensibles aux perturbations extérieures, nécessitant une maintenance suivie et des contrôles de fonctionnement fréquents. Le problème posé à la présente invention consiste à réaliser un capteur pour le contrôle in situ de la toxicité des milieux hydriques, à fonctionnement automatique continu ou semi-continu, permettant une détection en temps réel d'une pollution quelconque néfaste pour les êtres vivants, ledit capteur présentant, en outre, une grande fiabilité, une autonomie de fonctionnement importante ainsi qu'une faible sensibilité aux perturbations extérieures. A cet effet, elle a pour objet un capteur à réactif biologique, notamment pour le contrôle in situ de la toxicité des effluents complexes, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué, d'une part, par au moins une sonde consistant essentiellement, chacune, en une fibre optique dont l'extrémité est recouverte d'une membrane translucide supportant une culture de bactéries luminescentes immobilisées, la ou lesdites sondes pouvant être alimentée(s), soit en fluide à contrôler, soit en fluide de régénération, par l'intermédiaire de différents circuits de circulation de fluides; sélectionnés au moyen de vannes actionnables, d'autre part, par des dispositifs de régulation de certaines caractéristiques physiques et/ou chimiques du fluide à contrôler, disposés en amont de la ou des sondes, et, enfin, par un dispositif de traitement et d'analyse du ou des signaux fournis par la ou les sondes. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique du capteur conforme à l'invention; la figure 2 est une vue identique à celle de la figure 1, le capteur étant configuré différemment, et, la figure 3 est une vue à plus grande échelle d'une sonde faisant partie du capteur selon l'invention. Conformément à l'invention, et comme le montrent les figures 1 et 2 des dessins annexés, le capteur 1 est principalement constitué, d'une part, par au moins une sonde 2, 2' consistant essentiellement, chacune, en une fibre optique 13 dont l'extrémité 14 est recouverte d'une membrane translucide 15 supportant une culture de bactéries luminescentes immobilisées, la ou lesdites sondes 2, 2' pouvant être alimentée(s), soit en fluide à contrôler, soit en fluide de régénération; par l'intermédiaire de différents circuits 3, 4 de circulation de fluides, sélectionnés au moyen de vannes 5, 6 actionnables, d'autre part, par des dispositifs de régulation 7, 8, 9, 10 de certaines caractéristiques physiques et/ou chimiques du fluide à contrôler, disposés en amont de la ou des sondes 2, 2', et, enfin, par un dispositif 11, 12 de traitement et d'analyse du ou des signaux fournis par la ou les sondes 2, 2'. Les bactéries utilisées sont préférentiellement du type "Photobacterium phosphoreum", très sensibles à une grande variété de substances toxiques pour les espèces aquatiques, la présence de ces substances toxiques entraînant une baisse plus ou moins importante de la luminosité des dites bactéries, fonction de la concentration desdites substances dans le milieu à analyser, et éventuellement la mort desdites bactéries. La diminution de la luminescence est très rapide et se stabilise au bout de quelques minutes. Ainsi, en fixant ces bactéries à l'extrémité d'une fibre optique, par l'intermédiaire d'un support ou d'une membrane translucide, il est possible d'enregistrer directement la diminution de luminescence et de réaliser une mesure en temps réel de la toxicité du milieu auquel sont exposées ces bactéries. L'extrémité 14 de la fibre optique 13 est avantageusement montée, par l'intermédiaire d'un moyen de fixation 16 étanche et amovible, dans une cellule de contrôle 17 traversée en permanence par I'un des deux fluides en circulation, la membrane translucide 15 étant maintenue appliquée sur ladite extrémité 14 grâce à un élément de serrage 18 amovible. Le moyen de fixation 16 devra être ajustable à des fibres optiques 13 de différentes grosseurs, fonction, notamment, de la sensibilité du contrôle à effectuer, et le moyen de serrage 18 pourra se présenter, par exemple, sous la forme d'une bague. Conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention, représenté aux figures 1 et 2 des dessins annexés, le capteur 1 comporte deux sondes 2 et 2' alimentées alternativement et de manière complémentaire, par l'intermédiaire de tuyaux calibrés 19, 19', 20, 21, en fluide à contrôler, dérivé du flux principal, et en fluide de régénération, provenant d'un réservoir 23 amovible. Ainsi chaque sonde 2, 2' ne fonctionne que par intermittence, en opposition de phase l'une par rapport à l'autre, tout en permettant au capteur 1 de fonctionner en continu, sans interruption. En outre, en soumettant chacune des sondes 2, 2', à intervalles réguliers, à une phase de régénération, il est possible d'augmenter considérablement la durée d'utilisation desdites sondes 2, 2', d'où résulte une maintenance peu contraignante dudit capteur 1. Les configurations des circuits 3 et 4 de circulation du fluide à contrôler et du fluide de régénération sont déterminées, d'une part, au moyen d'une vanne 5 à quatre voies et à deux états et, d'autre part, au moyen de deux vannes 6 à deux voies et à deux états, disposées, respectivement, en amont et en aval des sondes 2, 2' le débit des fluides dans lesdits circuits 3, 4 étant réglé par une pompe péristaltique 24 multicanaux. Le passage d'une configuration à l'autre peut avantageusement être réalisé au moyen d'un dispositif à temporisation 25 commandant la commutation des vannes 5 et 6 d'un premier état en un second état et vice et versa. Dans le configuration du capteur 1 selon la figure 1 des dessins annexés, le tuyau 20 irrigue la sonde 2 en fluide à contrôler provenant d'un tuyau de dérivation 21 et évacué par un tuyau de sortie 22, alors que le tuyau 20', irrigant la sonde 2', est intégré dans le circuit 4 fermé de circulation du fluide de régénération comprenant, notamment, les tuyaux d'alimentation 19 et de retour 19' ainsi que le réservoir 23. Par contre, sur la figure 2 des dessins annexés, c'est la sonde 2 qui est irriguée par le fluide de régénération, alors que le tuyau 20' alimentant la sonde 2' fait partie du circuit 3 de circulation du fluide à contrôler. Les circuits 3 et 4 de circulation du fluide à contrôler et du fluide de régénération sont respectivement représentés en traits interrompus et en traits continu sur les figures 1 et 2. Lors de chaque changement de configuration, une partie au moins des circuits 3, 4 et, notamment, les tuyaux 20, 20' irrigant les sondes 2, 2' pourront, éventuellement, être soumis à un rinçage par un liquide désinfectant, inoffensif pour les bactéries utilisées, puis à un rinçage à l'eau distillée, afin d'éliminer, notamment, tout risque de contamination du circuit 4 de circulation du fluide de régénération. La mise en oeuvre d'une pompe péristaltique 24 multicanaux, permet d'obtenir un débit de circulation uniforme et identique dans les deux circuits 3, 4, déterminé par le calibrage des tuyaux 19, 19', 20, 20', 21 et 22. Selon une caractéristique de l'invention, représentée également sur les figures 1 et 2 des dessins annexés, au moins les sondes 2, 2', la pompe péristaltique 24, les vannes 5, 6, le circuit 4 de circulation du fluide de régénération et une partie du circuit 3 de circulation du fluide à contrôler sont disposés dans un boîtier 26 étanche, thermorégulé et opaque à la lumière. Un tel boîtier 26, réalisé préférentiellement en un matériau chimiquement inerte, permet de conserver une température de fonctionnement optimale pour les sondes 2, 2' à réactif biologique, de limiter au maximum les risques de contamination par le milieu externe et d'éviter les interférences des ondes lumineuses du milieu extérieur avec les signaux optiques délivrés par les sondes 2, 2'. Conformément à une caractéristique de l'invention, les dispositifs de régulation de certaines caractéristiques du fluide à contrôler consistent, d'une part, en un régulateur de température 7, d'autre part, en un régulateur de pH 8 et, enfin, en un dispositif de filtrage 9, traversés par le fluide à contrôler avant son amenée au niveau des sondes 2, 2' Les dispositifs de régulation permettent d'éliminer, par filtration grossière ou tangentielle, les matières solides en suspension et, de garantir une température et un pH constants du fluide à contrôler, situés en permanence dans des plages optimales pour le fonctionnement des sondes 2, 2', évitant toute variation de luminosité accidentelle des bactéries, non générée par la présence de substances toxiques dans le fluide à contrôler. Ainsi dans le cas dù Photobacterium phosphorez le pH devra être compris entre 6 et 8 et la température entre 150 C et 20 C. Selon une autre caractéristique de l'invention, également représentée sur les figures 1 et 2 des dessins annexés, le capteur I comporte également un régulateur de salinité 10 du fluide à contrôler, composé d'un réservoir 27 alimentant, par l'intermédiaire de la pompe péristaltique 24, une cellule de mélange 28 traversée par Ie fluide à contrôler et reliée au tuyau de dérivation 21. Le milieu nutritif, contenu sous forme concentrée dans le réservoir 27 et servant à salifier le fluide à contrôler, est, par conséquent, dilué de manière uniforme dans ledit fluide et ce en fonction du débit de circulation dudit fluide. les réservoirs 23 et 27 devront être aisément interchangeables et pouvoir être remplis axéniquement hors du boîtier 26, afin d'assurer une conservation du milieu nutritif et du fluide de régénération dans des conditions stériles. Lesdits réservoiispourront également se présenter sous forme de poches scellées renfermant sous forme lyophilisée les constituants du fluide de régénération et du milieu nutritif, reconstitués avant utilisation par addition d'eau déminéralisée. Comme le montrent également les figures 1 et 2 des dessins annexés, le dispositif de traitement et d'analyse est composé, d'une part, d'un photomultiplicateur 11 à l'entrée duquel sont connectées les fibres optiques 13 transportant les signaux optiques issus des sondes 2, 2', d'autre part, d'un dispositif informatique 12, emmagasinant et analysant les signaux optiques amplifiés par ledit photomultiplicateur 11, et, enfin, un dispositif d'alarme 12' actionnable par ledit dispositif informatique 12. La baisse de luminosité des bactéries, due à une substance toxique présente dans le fluide à contrôler, est donc enregistrée et la vitesse de décroissance de l'extrémité du signal optique est comparée à des valeurs limites, au-delà desquelles l'alarme est déclenchée. La prise en compte de la vitesse de variation du signal, permet de s'affranchir de la baisse d'intensité du signal due au vieillissement des sondes 2, 2'. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, le capteur 1 comporte, en outre, d'une part, un dispositif 29 d'évacuation du fluide contrôlé, essentiellement composé d'un tuyau de sortie 22, d'une pompe péristaltique 30 et d'une cellule de vidange 31 et, d'autre part, des dispositifs de contrôle de la continuité de circulation des fluides et de l'étanchéité du boîtier 26 et des circuits 3, 4 de circulation, reliés au dispositif 12 d'analyse et permettant de relever tout dysfonctionnement dudit capteur I. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments, ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS 1. Capteur à réactif biologique, notamment pour le contrôle in situ de la toxicité des effluents complexes, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué, d'une part, par au moins une sonde (2, 2') consistant essentiellement, chacune, en une fibre optique (13) dont l'extrémité (14) est recouverte d'une membrane translucide (15) supportant une culture de bactéries luminescentes immobilisees, la ou lesdites sondes (2, 2') pouvant être alimentée(s), soit en fluide à contrôler, soit en fluide de régénération, par l'intermédiaire de différents circuits (3, 4) de circulation de fluides, sélectionnés au moyen de vannes (5, 6) actionnables, d'autre part, par des dispositifs de régulation (7, 8, 9, 10) de certaines caractéristiques physiques et/ou chimiques du fluide à contrôler, disposés en amont de la ou des sondes (2, 2'), et, enfin, par un dispositif (11, 12) de traitement et d'analyse du ou des signaux fournis par la ou les sondes (2, 2'). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité (14) de la fibre optique (13) est montée, par l'intermédiaire d'un moyen de fixation (16) étanche et amovible, dans une cellule de contrôle (17) traversée en permanence par l'un des deux fluides en circulation, la membrane translucide (15) étant maintenue appliquée sur ladite extrémité (14) grâce à un élément de serrage (18) amovible. 3. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux sondes (2 et 2') alimentées alternativement et de manière complémentaire, par l'intermédiaire de tuyaux calibrés (19, 19', 20, 21 ), en fluide à contrôler, dérivé du flux principal, et en fluide de régénération, provenant d'un réservoir (23) amovible. 4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les configurations des circuits (3 et 4) de circulation du fluide à contrôler et du fluide de régénération sont déterminées, d'une part, au moyen d'une vanne (5) à quatre voies et à deux états etf d'autre part, au moyen de deux vannes (6) à deux voies et à deux états, disposées, respectivement, en amont et en aval des sondes (2), le débit des fluides dans lesdits circuits (3, 4) étant réglé par une pompe péristaltique (24) multicanaux. 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que au moins les sondes (2, 2'), la pompe péristaltique (24), les vannes (5, 6), le circuit (4) de circulation du fluide de régénération et une partie du circuit (3) de circulation du fluide à contrôler sont disposés dans un boîtier (26) étanche, thermorégulé et opaque à la lumière. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les dispositifs de régulation de certaines caractéristiques du fluide à contrôler consistent, d'une part, en un régulateur de température (7), d'autre part, en un régulateur de pH (8) et, enfin, en un dispositif de filtrage (9), traversés par le fluide à contrôler avant son arrivée au niveau des sondes (2, 2'). 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte également un régulateur de salinité (10) du fluide à contrôler, composé d'un réservoir (27) alimentant, par I'intermédiaire de la pompe péristaltique (24), une cellule de mélange (28) traversée par le fluide à contrôler et reliée au tuyau de dérivation (21). 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que le dispositif de traitement et d'analyse est composé, d'une part, d'un photomultiplicateur (11) à l'entrée duquel sont connectées les fibres optiques (13) transportant les signaux optiques issus des sondes (2, 2'), d'autre part, d'un dispositif informatique (12), emmagasinant et analysant les signaux optiques amplifiés par ledit photomultiplicateur (11), et, enfin, un dispositif d'alarme (12') actionnable par ledit dispositif informatique (12). 9. Capteur selon I'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, d'une part, un dispositif (29) d'évacuation du fluide contrôlée, essentiellement composé d'un tuyau de sortie (22), d'une pompe péristaltique (30) et d'une cellule de vidange (31) et, d'autre part, des dispositifs de contrôle de la continuité de circulation des fluides et de l'étanchéité du boîtier (26) et des circuits (3, 4) de circulation, reliés au dispositif (12) d'analyse.