Brevet FR2730544A1 — publié le 19960814

La présente invention concerne une vanne à congélation d'un fluide substantiellement monophasique. Par " fluide ", on entend tout corps ou matériau susceptible de s'écouler, pouvant avoir au moins deux formes physiques extrêmes, l'une solide lorsqu'il est refroidi, et l'autre liquide lorsqu'il est réchauffé. A température ambiante, un luide selon l'invention peut être aussi bien un liquide qu'un corps ayant une viscosité plus importante, le rendant par exemple relativement visqueux. Les corps ou matériaux considérés selon l'invention peuvent être aussi bien des corps purs, que des mélanges divers ou complexes, contenant différents composés ou composants, chimiques, biochimiques, et biologiques. A titre d'exemple, selon la présente invention, le fluide considéré sera par exemple un échantillon biologique, tel qu'une culture cellulaire. Pour un fluide constitué par un sorbet ou glace alimentaire, conformément au document WO-A-90/04927, on a déjà proposé une vanne statique à congélation, comprenant un élément de conduit, dont la paroi est conductrice de la chaleur, agencé pour recevoir le fluide précité, dans pratiquement toute sa section de passage. Une source froide, en l'occurrence un serpentin de circulation d'un fluide frigorigène, est disposée au contact thermique, à savoir en échange de chaleur avec cet élément de conduit. La température et a puissance frigorifique de la source froide sont adaptées à la congélation du fluide (glace alimentaire), au travers du passage dans l'élément de conduit. Une source chaude, en l'occurrence l'atmosphère ambiante, est disposée en contact thermique avec l'élément de conduit, pour permettre la fusion du fluide congelé, au travers du passage dans ledit élément de conduit, lorsque la source froide cesse son effet. Par conséquent, selon le document précité, on contrôle le courant du fluide traité, à savoir la circulation de la glace alimentaire, successivement en congelant ledit fluide au travers du passage dans le conduit, pour obturer ce dernier, et en faisant fondre ce même fluide congelé au travers dudit passage, pour libérer ce dernier. La présente invention a pour objet une vanne statique à congélation, telle que définie précédemment, adaptée à tout processus automatisé de traitement de tout échantillon d'un fluide tel que défini précédemment, et en particulier d'un échantillon biologique. Conformément à l'invention, en coopération et en combinaison 1) L'élément de conduit de la vanne statique est dimensionné en relation avec la source froide, et la source chaude définie ci-après, pour passer rapidement, par exemple dans un temps élémentaire inférieur à dix secondes, et préférentiellement inférieur à cinq secondes, d'un état froid dans lequel le fluide est susceptible par congélation de boucher de manière étanche le passage au travers dudit élément de conduit, y compris vis-à-vis de pressions internes relativement importantes, par exemple au moins égales à 50 bars, notamment 150 bars, à un état chaud dans lequel ce même fluide est liquéfié ou vaporisé en libérant le passage précité. 2) L'élément de conduit est obtenu en un matériau, notamment métallique, mécaniquement résistant susceptible de dissiper de la chaleur par effet ohmique, de telle sorte que la masse dudit conduit constitue directement une source chaude, distincte de l'atmosphère ambiante. 3) Une source électrique est connectée à l'élément de conduit, pour faire passer dans ce dernier, de manière contrôlée, un courant électrique générant la source chaude. Grâce à l'invention, on obtient une vanne statique de faible inertie thermique, de telle sorte qu'elle peut être commandée ou contrôlée, exactement à la manière d'une électrovanne par exemple. S'agissant du contrôle d'un flux d'un échantillon biologique, la solution selon l'invention apporte un avantage déterminant, puisque la vanne selon l'invention est entièrement stérilisable ; il suffit à cet effet de faire passer un courant électrique dans l'élément de conduit, pour obtenir une forte élévation de température, par exemple jusqu'à 600 "C. A de telles températures, il est également possible de supprimer toute contamination par du matériel biologique exogène, par exemple du matériel nucléique non désiré pour le traitement de l'échantillon biologique. Selon un mode préférentiel d'exécution de l'invention, une enceinte élémentaire allongée, notamment pour le traitement d'un échantillon biologique, est constituée d'une extrémité à l'autre par un conduit, notamment un tube métallique enroulé en hélice, dont les deux extrémités sont comprises respectivement dans deux vannes statiques à congélation, telles que définies précédemment, et constituent par conséquent les deux éléments de conduit desdites vannes respectivement. Par ' traitement " au sens de la présente invention, on entend toute opération ou action ayant pour effet de modifier ou transformer un échantillon de fluide. Il peut s'agir aussi bien d'un traitement physique que chimique, ou autre ; il s'agit par exemple d'un traitement de lyse cellulaire, sous l'effet notamment de pressions importantes, permettant de libérer les composants cellulaires tels qu'acides nucléiques, protéines, etc... Une enceinte élémentaire de traitement selon l'invention présente également l'avantage d'être entièrement stérilisable, y compris au niveau des vannes, par simple passage d'un courant électrique dans le conduit. Une telle enceinte permet également une régulation thermique relativement précise et rapide, notamment en raison d'un très grand rapport entre la surface intérieure et le volume interne de ladite enceinte1 ceci dans des gammes de températures relativement larges. Une enceinte élémentaire selon l'invention peut être intégrée dans différents montages, comme décrit ci-après, être utilisée selon différents protocoles de traitement, notamment automatisés selon toutes séquences d'opérations élémentaires, obtenues à partir d'un même montage. La présente invention est maintenant décrite en référence au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 représente de manière schématique une vanne statique à congélation, selon l'invention - la figure 2 représente un montage dans lequel est inclus une enceinte élémentaire de traitement selon l'invention ; - les figures 3 et 4 représentent deux autres montages, combinant chacun plusieurs enceintes élémentaires de traitements selon l'invention. Conformément à la figure 1, une vanne statique 1 à congélation d'un fluide monophasique, par exemple d'un échantillon biologique liquide, comprend un élément de conduit 2a, agencé pour recevoir ledit échantillon, pratiquement dans toute sa section de passage. Le conduit 2 auquel appartient l'élément 2a est obtenu en un matériau, notamment métallique, mécaniquement résistant, et susceptible de dissiper en son sein de la chaleur par effet ohmique. Une source froide 3, comportant un serpentin de circulation 75 d'un fluide frigorigène, est disposée en contact thermique, à savoir en échange de chaleur avec l'élément de conduit 2a. La température et la puissance frigorifique de la source froide sont adaptées à la congélation du fluide, au travers du passage 2b dans l'élément de conduit 2a ; ainsi, si l'échantillon biologique est aqueux, le fluide frigorigène est traditionnellement un fluoro-alcane. Une source chaude est donc directement apportée dans la masse de l'élément de conduit 2a, en prévoyant une source électrique 5, constituée par deux bornes 5a et 5b avec interrupteurs, connectées à l'élément de conduit 2a, pour faire passer dans ce dernier, de manière contrôlée, un courant électrique générant la source chaude précitée.L'élément de conduit 2a est dimensionné en relation avec les sources chaudes et froides précitées, pour passer rapidement, par exemple dans un temps élémentaire inférieur à 10 secondes, d'un état froid dans lequel le fluide est susceptible par congélation de boucher de manière étanche le passage au travers de l'élément de conduit 2a, y compris vis-à-vis de pressions internes relativement importantes, par exemple au moins égales à 50 bars, notamment 150 bars, à un état chaud dans lequel ce même fluide est liquéfié, en libérant le passage 2b dans l'élément de conduit 2a. Quoique des matériaux composites ne puissent pas être exclus, le matériau de l'élément de conduit 2a est préférentiellement un alliage métallique, par exemple du type cuivre-nickel. L'élément de conduit 2a a une épaisseur comprise entre înm et 50 mm, préférentiellement, entre 0,001 mm et 2 mm , et avantageusement entre 0,1 et 2mm. L'élément de conduit 2a a également une section interne au plus égale à 50 mm, et est préférentiellement du type capillaire, pour présenter une section interne comprise entre 0,001 mm et 2 mm. Pour obtenir une même vanne statique à congélation selon l'invention, de manière non représentée dans le dessin annexé, et selon une variante d'exécution de l'invention, l'élément de conduit 2a est disposé au sein d'une source froide 3 ayant une capacité frigorifique relativement importante, par exemple dans une enceinte frigorifique contenant un liquide réfrigérant, par exemple de l'éthylène-glycol, lui-même refroidi par un circuit frigorigène, mais de puissance frigorifique relativement faible, tandis que la puissance calorifuge dissipée par effet ohmique dans l'élément de conduit 2a est ajustée à une valeur relativement importante. Conformément à la présente invention, et de manière quasi instantanée, on contrôle le courant fluide, reçu dans l'élément de conduit 2a, successivement - en congelant le fluide au travers du passage 2b, grâce à la source froide 3, pour obturer l'élément de conduit 2a, et par conséquent fermer le conduit 2 - et en faisant passer un courant électrique 5 dans la masse de l'élément de conduit 2a, dissipant par effet ohmique de la chaleur, transférée directement au fluide, on fait fondre le fluide congelé au travers du passage 2b, en libérant ce dernier, et par conséquent en ouvrant la vanne. En conclusion, à la manière d'une électrovanne, une vanne à congélation selon l'invention peut être ouverte ou fermée à volonté, en commandant notamment le passage d'un courant électrique dans l'élément de conduit 2a. Dans la description ci-après, par conséquent, par ouverture et fermeture d'une vanne selon l'invention, on entendra respectivement les opérations décrites précédemment, de liquéfaction et congélation respectivement. Conformément à la figure 2, on obtient une enceinte élémentaire de traitement, allongée, à partir d'un conduit 2, à savoir un tube métallique enroulé en hélice, dont les deux éléments d'extrémité 2a sont associés chacun à une source froide et à une source électrique, respectivement 51a/51b et 52a/52b, pour constituer deux vannes 11 et 12 respectivement. Du fait du montage électrique explicité précédemment, une source électrique, en l'occurrence 51b/52b se trouve connectée à la portion 2c du conduit 2, confinée, comprise entre les deux vannes 11 et 12, pour faire passer dans ladite portion un courant électrique, dissipant directement de la chaleur dans ledit conduit, par effet ohmique. Bien entendu, de manière non représentée, une seule et même source électrique peut être connectée à la fois à la portion confinée 2c du conduit 2, et aux éléments 2a de conduit des deux vannes 11 et 12. Et des moyens de connexion électrique non représentés, sont agencés pour faire passer un courant électrique dans cette portion confinée 2c, et/ou les éléments de conduit 2, de manière contrôlée, selon toute séquence préétablie de branchements électriques élémentaires de la portion confinée 2c et/ou des éléments de conduit 2a. Par exemple, ces moyens de connexion électrique comprennent au moins un contact ou borne électrique avec le conduit 2, agencé de manière mobile selon la direction ou longueur de ce dernier, pour inclure la portion confinée 2c, et/ou les éléments de conduit 2a, de manière contrôlée, dans un circuit électrique. De la même manière, chaque vanne statique à congélation 11 ou 12 peut être déplacée selon la direction ou longueur du conduit 2, en agençant de manière mobile la source froide 3, et les contacts électriques 51a/51b, 52a/52b, le long du conduit 2. Dans le sens de circulation d'un échantillon biologique à traiter, de la gauche vers la droite de la figure 2, l'entrée lla de la vanne 11, et par conséquent amont, est reliée à un moyen 71 de prélèvement de l'échantillon dans un tube 72, et la sortie 12b de la vanne 12, et par conséquent aval, est reliée à un moyen de circulation ou pompage 73 de l'échantillon. Des moyens 70 de contrôle de la pression et/ou température dans la portion de confinement 2c, sont prévus. Grâce aux dispositions montrées à la figure 2, les deux vannes 11 et 12 selon l'invention délimitent une portion ou zone 2c de confinement, et les deux vannes 11 et 12 contrôlent le passage du fluide traité dans la zone précitée. Et en faisant passer un courant électrique dans la masse du conduit 2, on dissipe par effet ohmique de la chaleur, directement dans la zone 2c de confinement, laquelle est transférée directement au fluide traité, lequel voit alors sa température et/ou sa pression augmenter, en relation avec la quantité de chaleur ainsi transférée. Le montage selon la figure 2 peut être utilisé pour une lyse cellulaire, de la manière suivante: - par actionnement de la pompe 73, et par le moyen de prélèvement 71, on aspire dans le conduit 2 un échantillon provenant notamment d'un prélèvement ou d'une culture cellulaire, remplissant notamment la portion confinée 2c. - on ferme successivement les vannes 12 et 11, de telle sorte que l'échantillon se trouve emprisonné entre les vannes 11 et 12. - on fait passer un courant électrique entre les bornes 51b et 52b, de manière contrôlée, dans la portion confinée 2c, ce qui élève la température, et par conséquent la pression dans la zone 2c, et a pour conséquence de lyser les cellules contenues dans le fluide traité. - en ouvrant les vannes 11 et 12, on récupère l'échantillon traité. Le moyen de circulation 73 peut être supprimé, en opérant de la manière suivante - les vannes 11 et 12 étant ouvertes, on fait circuler un courant électrique dans la portion confinée 2c, de telle manière que le conduit 2 s'échauffe et se vide de son air. - on cesse cette circulation électrique, on ferme la vanne 12, et on refroidit le tube 2, de telle sorte qu'il se crée un vide partiel dans le tube 2, lequel a pour effet, si le moyen de prélèvement 71 est plongé dans un échantillon liquide dans le tube 72, de prélever par aspiration ledit échantillon, jusque dans la portion confinée de traitement 2c. - le traitement se poursuit alors comme précédemment, à partir de l'obturation de la vanne 11. Conformément au montage de la figure 3, deux enceintes élémentaires 62 et 63, telles que définies précédemment, sont disposées en série, et séparées entre elles par une vanne 13 statique à congélation, selon l'invention. Cette vanne 13 peut être elle-même pourvue d'un étranglement, c'est-à-dire d'une section de passage plus faible que sur le reste du conduit 2. La vanne statique 13 à congélation est commandée par les bornes électriques 53a et 53b, tandis que l'alimentation électrique des enceintes élémentaires 62 et 63 peut être commandée respectivement par les bornes électriques 51b et 53a, et 53b et 52b. Le montage de la figure 3 peut être mis en oeuvre de la manière suivante, toujours pour lyser un échantillon provenant notamment d'un prélèvement ou d'une culture cellulaire a) les vannes 11 à 13 étant ouvertes, par la pompe 73, on aspire un échantillon dans le conduit 2, et on ferme les vannes 13 puis 11 b) en appliquant un courant électrique dans l'enceinte 62, on élève la température et/ou la pression de l'échantillon traité, comme précédemment c) on ferme la vanne 12, et on ouvre la vanne 13, de telle sorte que l'échantillon traité se trouve propulsé au travers de l'étranglement prévu dans la vanne 13, de l'enceinte de traitement 62 à l'enceinte de traitement 63 d) en fermant la vanne 13, et en appliquant un courant électrique dans l'enceinte 63, on élève à nouveau la température, et donc la pression dans la zone 63 e) la vanne 11 étant demeurée fermée, en ouvrant la vanne 13, l'échantillon traité se trouve à nouveau page omise par le demandeur l'invention, à savoir respectivement 11 et 15, 15 et 13, 13 et 14, et 14 et 12. Comme précédemment, chacune de ces enceintes peut être chauffée par passage d'un courant électrique. Un tel montage s'avère particulièrement utile, lorsque l'échantillon biologique traité ne doit pas être chauffé ou soumis à des pressions particulièrement importantes.Pour ce faire, on opère alors de la manière suivante, au moyen de la pompe 73 - aspiration et confinement d'un échantillon biologique dans l'enceinte 62, entre les deux vannes 15 et 13 fermées - aspiration et confinement dans la zone 65 d'un autre fluide, en l'occurrence un liquide neutre comme de l'eau ou un tampon, entre les vannes 11 et 15 - chauffage de l'enceinte 65, pour augmenter la pression du liquide neutre dans l'enceinte 65 - fermeture de la vanne 14, et ouverture des vannes 13 et 15, de telle sorte que l'échantillon biologique est poussé au travers de la vanne 13, pourvue éventuellement d'un étranglement, par le liquide neutre de l'enceinte 65, de l'enceinte 62 à l'enceinte 63 - aspiration et confinement dans l'enceinte 64, entre les vannes 14 et 12 fermées, d'un liquide neutre comme précédemment ; chauffage de ce liquide par passage d'un courant électrique dans l'enceinte 64 - fermeture de la vanne 15 et ouverture des vannes 14 et 13, de telle sorte que l'échantillon biologique se trouve poussé au travers de la vanne 13, de l'enceinte 63 à l'enceinte 62, sous l'effet du liquide neutre sous haute pression, présent dans l'enceinte 64 - et ainsi de suite, en considérant l'ouverture ou la fermeture appropriée des vannes précédemment et respectivement considérées. Bien entendu, et c'est un avantage essentiel obtenu selon l'invention, l'ensemble de chaque montage peut être complètement stérilisé ou décontaminé, vis-à-vis de toute espèce moléculaire telle qu'acide nucléique, après chaque traitement, notamment par passage d'un courant électrique, dans la totalité du conduit 2, par exemple du moyen de prélèvement 71 à l'entrée de la pompe 73 selon le montage de la figure 4, et par conséquent dans toutes les vannes selon l'invention, et dans toutes les portions confinées ou enceintes élémentaires selon l'invention. REVENDICATIONS 1/ Vanne (1) statique à congélation d'un fluide substantiellement monophasique, comprenant un élément (2a) de conduit agencé pour recevoir ledit fluide dans la section de passage (2b), dont la paroi est conductrice de la chaleur, une source froide (3) disposée au contact thermique, notamment en échange de chaleur avec ledit élément de conduit, dont la température et la puissance frigorifique sont adaptées à la congélation dudit fluide, au travers du passage (2b) dans ledit élément de conduit, et une source chaude disposée au contact thermique avec ledit élément de conduit, caractérisée en ce que, en combinaison, premièrement ledit élément de conduit est dimensionné en relation avec les sources chaude et froide (3), pour passer rapidement, par exemple dans un temps élémentaire inférieur à dix secondes, d'un état froid dans lequel le fluide est susceptible par congélation de boucher de manière étanche le passage (2a) au travers dudit élément de conduit, y compris vis-à-vis de pressions relativement importantes, par exemple au moins égales à 50 bars, notamment 150 bars, à un état chaud dans lequel ledit fluide est liquéfié ou vaporisé, en libérant ledit passage, deuxièmement ledit élément de conduit (2a) est obtenu en un matériau, notamment métallique, mécaniquement résistant, susceptible de dissiper de la chaleur par effet ohmique, pour constituer une source chaude directement dans sa masse, et troisièmement une source électrique (5) est connectée audit élément de conduit, pour faire passer dans ce dernier, de manière contrôlée, un courant électrique générant la source chaude. 2/ Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau métallique de l'élément de conduit (2a) est un alliage métallique. 3/ Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de conduit (2a) a une épaisseur comprise entre 1 nm et 50 mm, et préférentiellement entre 0,001 mm et 2 mm, et avantageusement entre 0,1 et 2 mm. 4/ Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'élément de conduit (2a) a une section interne au plus égale à 50 mm, et préférentiellement comprise entre 0,001 mm et 2 mm. 5/ Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de conduit (2a) est disposé au sein d'une source froide (3) ayant une capacité frigorifique relativement importante, mais de puissance frigorifique relativement faible, tandis que la puissance calorifique dissipée par effet ohmique dans ledit élément de conduit est ajustée à une valeur relativement importante. 6/ Enceinte (61) élémentaire allongée, équipée d'au moins une vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite enceinte est constituée d'une extrémité à l'autre par ledit conduit (2), notamment un tube métallique enroulé en hélice, dont au moins un élément (2a) associé à la source froide et à la source électrique constitue ladite vanne (11,12). 7/ Enceinte (61) selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'élément (2a) de conduit appartenant à ladite vanne (11,12) est disposé à une extrémité dudit conduit. 8/ Enceinte (61) selon les revendications 6 et 7, caractérisée en ce que deux vannes (11,12) sont agencées aux deux extrémités dudit conduit respectivement, lesdites extrémités constituant les deux éléments de conduit (2a) des deux vannes (11,12) respectivement. 9/ Enceinte selon la revendication 6, caractérisée en ce que la source froide (3) et les contacts électriques (5a,5b) aux deux bouts de l'élément de conduit (2a) compris dans ladite vanne (11,12), sont agencés de manière mobile le long dudit conduit, moyennant quoi la vanne peut être déplacée selon la direction dudit conduit. 10/ Enceinte (61) selon la revendication 8, caractérisée en ce que une source électrique (51b,52b) est connectée à la portion (2c) de conduit, confinée, comprise entre les deux vannes (11,12), pour faire passer dans ladite portion un courant électrique, dissipant directement de la chaleur dans ledit conduit, par effet ohmique. 11/ Enceinte (61) selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'une seule et même source électrique est connectée à la fois à la portion confinée (2c) de conduit, et à l'élément (2a) de conduit d'au moins une vanne (11,12) , et des moyens de connexion électrique sont agencés pour faire passer un courant électrique dans ladite portion confinée et/ou ledit élément de conduit, de manière contrôlée, notamment selon toute séquence préétablie de branchements électriques élémentaires de ladite portion confinée et/ou dudit élément de conduit. 12/ Enceinte (61) selon la revendication 11, caractérisée en ce que les moyens de connexion électrique comprennent au moins un contact électrique avec ledit conduit (2), agencé de manière mobile selon la direction de ce dernier, pour inclure ladite portion confinée (2c) et/ou ledit élément de conduit (2a), de manière contrôlée, dans un circuit électrique. 13/ Dispositif comprenant une pluralité d'enceintes élémentaires (62,63), chacune selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que lesdites enceintes sont disposées en série, et séparées entre elles par une vanne (13) statique à congélation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 14/ Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'une vanne (13) statique à congélation, disposée entre deux enceintes élémentaires (61,63), joue le rôle de vanne d'étranglement pour le passage du fluide, d'une enceinte élémentaire à une autre, et éventuellement en sens inverse, de ladite autre enceinte à ladite enceinte. 15/ Dispositif de traitement d'un échantillon du fluide, comprenant une enceinte (61) élémentaire selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que l'entrée (lla) d'une vanne statique (11) à congélation, amont selon le sens de circulation ou traitement dudit échantillon, est reliée à un moyen (71) de prélèvement dudit échantillon, et la sortie (12b) d'une autre vanne statique (12) à congélation, aval, est reliée à un moyen de circulation (73) dudit échantillon, par exemple une pompe. 16/ Application d'une enceinte élémentaire selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, au traitement d'un échantillon dudit fluide, notamment d'un échantillon biologique, dans la portion confinée (2c) du conduit (2). 17/ Procédé de contrôle d'un courant fluide substantiellement monophasique, reçu dans un conduit (2), selon lequel, successivement on congèle ledit fluide au travers du passage (2b) dans ledit conduit, pour obturer ce dernier, et on fait fondre ledit fluide congelé au travers de même dit passage, pour libérer ce dernier, caractérisé en ce qu'on fait fondre ledit fluide, en faisant passer un courant électrique (5) dans la masse du conduit, dissipant par effet ohmique de la chaleur, transférée directement audit fluide. 18/ Procédé de confinement d'un fluide monophasique, mettant en oeuvre au moins une étape de contrôle d'un courant dudit fluide selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'on délimite une portion dudit conduit, formant zone (2c) de confinement, et à chacune des deux extrémités de ladite zone, on controle (11,12) le passage du fluide selon ledit procédé de contrôle de la revendication 17. 19/ Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'on chauffe la zone (2c) de confinement, en faisant passer un courant électrique dans la masse du conduit, dissipant par effet ohmique de la chaleur, transférée directement audit fluide, lequel voit sa température et/ou sa pression augmenter, en relation avec la quantité de chaleur transférée.