Brevet FR2803659A1 — publié le 20010713

La présente invention concerne un procédé un dispositif pour déterminer l'épaisseur d'un biofilm. On sait que, notamment dans le domaine du traitement des eaux, on met en oeuvre des techniques à cultures fixées dans lesquelles on utilise la capacité de microorganismes à produire des exopolymeres permettant leur fixation sur des supports très divers pour former des biofiltres. Si, dans ces applications, les propriétés des biofilms sont exploitées de façon bénéfique pour éliminer des contaminants (nitrates, phosphates, etc...), par contre, ce≈ mêmes biofilms sont souvent indésirables, voire nuisibles. Ainsi, dans certaines installations industrielles immergées en milieux aqueux, le développement de microorganismes, bactéries, algues qui se déposent sur les installations sous la forme de biofilms, constitue une véritable pollution microbiologique et la prévention et le contrôle de la croissance de ces biofilms nécessitent la mise en oeuvre de techniques plus ou moins sophistiquées, efficaces et onéreuses, dont la plus courante est la chloration. L'optimisation des traitements (amélioration des performances, elimination des rejets, baisse des coûts) est liée à la possibilité de connaïtre temps réel la vitesse de croissance des biofilms. A l'heure actuelle les procédés permettant de détecter la présence de biofilms et qui ont fait l'objet d'un développement industriel sont peu nombreux. Afin d'illustrer l'état de la technique dans ce domaine on peut citer notamment les publications suivantes. US-A-4912332 et 5337376 qui concernent un procédé de détection la pollution microbiologique mettant en oeuvre des fibres optiques. Cette technique connue est basée sur la mesure de la lumière transmise et absorbée pour suivre la formation des biofilms. Elle présente l'inconvénient d'être difficile à utiliser dans des canalisations. US-A-5576481 décrit un procédé de détection des biofilms en ligne basé la mesure du coefficient d'échange thermique. L'évolution de celui- ci est directement liée au développement du biofilm. connaît sous la marque BIOSCAN un appareil permettant d'identifier les biofilms et de contrôler l'utilisation de bio-dispersants qui met en oeuvre la méthode classique de mesure de l'adénosine triphosphate. Cet appareil présente notamment les inconvénients suivants : d'une part, la mesure est fonction des cellules bactériennes prélevées dans le milieu étudié et non du biofilm lui-même et, d'autre part, il est compliqué et cher. On connaît en outre un capteur de suivi du biofilm dénommé BIO- GEORGE qui est constitué de deux électrodes en acier inoxydable; montées sur un corps également en acier inoxydable, et d'un système de contrôle d'acquisition de données. La mesure est basée sur l'analyse de l'évolution du courant circulant entre les deux électrodes, après interruption d'une prepolarisation galvanostatique. Cette évolution est corrélée à la présence du biofilm et à la nature des produits de corrosion à la surface des électrodes. Etant donné que l'intéraction entre le biofilm et les aciers inoxydables est très complexe, la détection du seul biofilm semble très difficile avec ce capteur et, de plus, la mesure ne peut être effectuée qu'en eau de Le capteur BIOX enregistre la valeur du courant de couplage galvanique entre un acier inoxydable et un alliage de cuivre qui est associé à la phase de croissance du biofilm. Le capteur BIOGUARD basé sur la détection électrochimique de la catalyse de la réduction de l'oxygène par les bactéries permet de suivre les premières étapes de la formation du biofilm. B.N.Stokes et al ( Developments in on-line fouling and corrosion surveillance publié dans Microbiologically influenced corrosion testing en 1 par Keans J.R. and Little B., Philadelphie USA) ont ' au point un dispositif permettant le suivi de la corrosion et des salissures présentant la forme échangeur de chaleur miniaturisé dans lequel suivi de la corrosion est réalisé par une mesure par ampèremètre à résistance nulle, une mesure du bruit électrochimique (courant/potentiel) et une mesure de la résistance linéaire de polarisation, alors que la détection des salissures est effectuée par mesure du coefficient de transfert de chaleur. L'utilisation de ces quatre techniques électrochimiques rend le système complexe et peu adaptable sur site. Salvago et al ( Biofilm monitoring and on-line control : 20-month expérience in seawater publié en 1994 dans Microbial Corrosion , par European Fédération of Corrosion) ont étudié le comportement d'aciers inoxydables et de laitons d'aluminium exposés à l'eau de mer. L'association de la résistance de transfert de chaleur et des mesures électrochimiques sous polarisation cathodique permet de suivre la croissance d'un biofilm sur la surface interne de tubes. Les différentes techniques mises en oeuvre dans un tel système le rendent complexe. L'expérience démontre que l'ensemble des détecteurs de biofilms connus actuellement présentent l'inconvénient d'être complexes dans leur mise en oeuvre. La présente invention s'est donc fixé pour objectif d'apporter un capteur de biofilm permettant la mesure de l'épaisseur biofilm et pouvant être utilisé dans différents milieux (eau de mer, douce, eau de procédés industriels, etc...). Selon la présente invention l'évaluation de la capacité d'un milieu donné à développer un biofilm sur le parcours d'un circuit est réalisée voie électrochimique en mettant en oeuvre un capteur basé sur le principe de la cellule électrochimique à trois électrodes. Cette invention vise en premier lieu, et selon un premier aspect, un procédé de détermination de l'épaisseur d'un biofilm se développant sur un support immergé dans un milieu aqueux où se développe un tel biofilm caractérisé en ce qu'il consiste à a) faire circuler en continu ledit milieu dans une cellule électrochimique comportant une électrode de référence, une électrode auxiliaire et au moins une électrode de travail; b) interrompre la circulation dudit milieu et isoler la cellule; c) introduire un traceur électrochimique dans le milieu présent dans la cellule; d) faire circuler la solution milieu + traceur dans ladite cellule de façon à diriger un jet de ladite solution perpendiculairement à l'électrode de travail; e) mesurer et enregistrer la valeur du courant limite de réduction dudit traceur, en fonction des conditions hydrodynamiques à la surface de l'électrode de travail, et f) calculer l'épaisseur de la couche poreuse de biofilm à la surface de ladite électrode par application de la relation de KOUTECKY - LEVICH, basée sur l'analyse du transport de matiere à travers la couche poreuse qui relie la valeur du courant limite de réduction du traceur au débit de la solution. En ce qui concerne la relation de KOUTECKY-LEVICH on peut se reporter à l'article de D. HERBERT-GUILLOU et al publié dans Electrochimica Acta, 1999, vol. 45, n 7, page 1067. Selon un deuxième aspect, l'invention vise également un procédé de détermination de l'épaisseur d'un biofilm se développant sur un support immergé dans un milieu aqueux où se développe tel biofilm caractérisé en ce qu'il consiste à a) faire circuler en continu ledit milieu dans une cellule électrochimique comportant une électrode de reférence, une électrode auxiliaire et au moins une électrode de travail; b) interrompre la circulation dudit milieu et isoler la cellule; c) faire circuler, dans ladite cellule, ledit milieu dans lequel de l'oxygène est normalement dissous et fait fonction de traceur électrochimique, de façon à diriger un jet dudit milieu perpendiculairement à l'électrode de travail; d) mesurer et enregistrer la valeur du courant limite de réduction de l'oxygène dissous dans le milieu, en fonction des conditions hydrodynamiques à la surface de l'électrode de travail, et e) calculer l'épaisseur de la couche poreuse de biofilm à la surface de ladite électrode par application de la relation de KOUTECKY - LEVICH, basée sur l'analyse du transport de matière à travers la couche poreuse relie la valeur du courant limite de réduction du traceur au débit de la solution. Ainsi selon le procédé objet de l'invention, on enregistre la valeur du courant limite de réduction d'un traceur électrochimique, pouvant être par exemple l'oxygène présent dans le milieu ou du ferricyanure de potassium introduit dans le milieu contenu dans la cellule avant la mesure, en fonction des conditions hydrodynamiques à la surface de l'électrode de travail. La relation KOUTECKY - LEVICH basée sur l'analyse du transport de matière à travers une couche poreuse relie la valeur du courant limite de réduction du traceur au débit de la solution électrolytique (milieu + traceur et permet de calculer l'épaisseur de la couche poreuse à la surface de l'électrode de travail. L'invention vise en second lieu un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé defini ci-dessus qui est caractérisé en ce qu'il comporte - une cellule électrochimique munie d'une électrode de référence d'une contre-électrode et d'au moins une électrode de travail, ladite cellule délimitant une enceinte recevant les conduits d'amenée d'évacuation du milieu à étudier, avec interposition d'électrovannes; - une boucle de recyclage dans laquelle circule en continu durant la mesure, la solution électrolytique constituée du milieu à étudier auquel a été ajouté le traceur électrochimique, ou dans lequel l'oxygène naturellement dissous fait fonction de traceur électrochimique; - un ensemble de buses, chacune disposée en regard d'une électrode de travail pour diriger un jet de la solution électrolytique perpendiculairement sur lesdites électrodes; - une pompe à débit variable sur ladite boucle de recyclage, et - une instrumentation pour la mesure de l'épaisseur du biofilm qui se dépose sur les électrodes de travail lors de la circulation du milieu étudier au travers de la cellule. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description faite ci-après d'un exemple de réalisation de l'invention donné à titre non limitatif en se référant aux dessins sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention, - les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en plan et en coupe selon 3-3 de la figure 2 d'un capteur selon l'invention, - la figure 4 illustre l'épaisseur moyenne d'un biofilm obtenu en de mer naturelle, pour un débit de 6 ml.s"', en fonction du temps d'immersion. En se référant aux figures 1 à 3 on voit que, dans exemple de realisation, le dispositif selon l'invention comporte cellule électrochimique désignée dans son ensemble par la réference 10 qui comprend une électrode de référence 11, une contre-électrode 12 et des électrodes de travail telles que 13. Dans cet exemple de réalisation on prévoit six électrodes de travail pour s'affranchir de l'hétérogénéité spatiale du biofilm. Les électrodes sont de préférence constituées matériaux suivants - électrode de référence 11 au calomel (Hg/Hg2Ci2). - contre-électrode 12 platine platiné, - électrodes de travail 13 : or. Le milieu à étudier, notamment eau de mer, eau douce, eau de procédé industriel, est introduit dans la cellule par une buse centrale 14 et il en ressort par des conduites telles que 15, des électrovannes etant prévues ces entrées et sorties. Un circuit en boucle fermée 16 est associé à la cellule 10. Dans ce circuit est introduit le traceur électrochimique et la solution électrolytique (milieu + traceur) circule en continu grâce à une pompe à débit variable 18. Comme on le voit sur la figure 1 des électrovannes permettent de mettre la boucle 16 hors service lorsque le capteur n'est pas utilisé pour une mesure d'epaisseur du biofilm. Le circuit en boucle 16 débouche dans la cellule par des buses telles que 17 en regard de chaque électrode de travail 13 de façon à diriger un jet à débit variable de la solution électrolytique perpendiculairement sur lesdites électrodes. Le dispositif est complété par une instrumentation telle que potentiostat et multimètre pour la mesure de l'épaisseur de la couche de biofilm sur les électrodes de travail telles que 13. Ce dispositif est mis en oeuvre de la façon suivante 1') mise en circulation du milieu étudié dans la cellule 10, 2 ) mesure à t=o sans biofilm sur les électrodes de travail a) arrêt de la circulation du milieu, isolation de la cellule par fermeture des électrovannes sur les conduites d'arrivée et d'évacuation du milieu; b) polarisation à un potentiel déterminé, de l'électrode de travail (13) sélectionnée; c) mise en service de la pompe à débit variable 18 après avoir introduit le traceur électrochimique dans la boucle 16; stabilisation du débit; mesure du courant; changement de la valeur du débit de la pompe 18, nouvelle mesure du courant; répétition de ce cycle un nombre fois prédétermine; d) arrêt de la pompe à débit variable; e) arrêt de la polarisation de l'électrode; f) passage à l'électrode de travail suivante; répétition du cycle précédent sur cette électrode. 3 ) remise en circulation du milieu dans la cellule par ouverture des électrovannes sur les conduites d'admission 14 et d'évacuation 1 Mise hors service la boucle 16. 4 ) à intervalles réguliers a) reprise du cycle 2; b) calcul de l'épaisseur du biofilm déposé les électrodes de travail 13. 5 ) remise en circulation du milieu. Le capteur selon l'invention a permis de suivre l'évolution de l'épaisseur biofilm lors d'un vieillissement en eau de mer naturelle pendant période de quarante trois jours. Après huit jours d'immersion, un biofilm de quelques micromètres a été détecté sur les électrodes, pour atteindre plusieurs dizaines de micromètres après quarante trois jours. La courbe illustrée par la figure 4 illustre la variation de l'épaisseur moyenne du biofilm ainsi obtenu en fonction du temps d'immersion, pour un débit de circulation de 6 ml.s-'. II resulte de la lecture de la description qui précède l'invention apporte dispositif simple, peu coûteux et facile à mettre oeuvre, permettant de mesurer l'épaisseur du biofilm dans différents milieux. II demeure bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux exemples réalisation et/ou de mise en oeuvre décrit et/ou representés ici mais qu'elle englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de détermination de l'épaisseur d'un biofilm se développant sur un support immergé dans un milieu aqueux où se développe un tel biofilm caractérisé en ce qu'il consiste à a) faire circuler en continu ledit milieu dans une cellule électrochimique comportant une électrode de référence, une électrode auxiliaire et au moins une électrode de travail; interrompre la circulation dudit milieu et isoler la cellule; introduire un traceur électrochimique dans le milieu présent dans la cellule faire circuler la solution milieu + traceur dans ladite cellule de façon à diriger un jet de ladite solution perpendiculairement à l'électrode de travail; e) mesurer et enregistrer la valeur du courant limite de réduction dudit traceur, en fonction des conditions hydrodynamiques à la surface de l'électrode de travail, et f) calculer l'épaisseur de la couche poreuse de biofilm à la surface de ladite électrode par application de la relation KOUTECKY- LEVICH, basee sur l'analyse du transport de matière à travers la couche poreuse qui relie la valeur du courant limite de réduction du traceur au débit de la solution. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en que le traceur électrochimique est du ferricyanure de potassium. 3 - Procédé de détermination de l'épaisseur d'un biofilm se dévelop pant sur un support immergé dans un milieu aqueux où se developpe un tel biofilm caracterisé en ce qu'il consiste à a) faire circuler en continu ledit milieu dans une cellule électrochimique comportant une électrode de référence, une électrode auxiliaire et au moins une électrode de travail; b) interrompre la circulation dudit milieu et isoler la cellule; c) faire circuler, dans ladite cellule, ledit milieu dans lequel de l'oxygène normalement dissous et fait fonction de traceur électrochimique, de façon à diriger un jet dudit milieu perpendiculairement l'électrode travail; mesurer et enregistrer la valeur du courant limite réduction de l'oxygène dissous dans le milieu, en fonction des conditions hydrodynamiques à la surface de l'électrode de travail, et calculer l'épaisseur de la couche poreuse de biofilm à surface de ladite électrode par application de la relation de KOUTECKY LEVICH, basée sur l'analyse du transport de matière à travers la couche poreuse qui relie la valeur du courant limite de réduction du traceur au débit de la solution. 4 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte - une cellule électrochimique (10) munie d'une électrode référence (11), d'une contre électrode (12) et d'au moins une électrode de travail (13), ladite cellule délimitant une enceinte recevant les conduits d'amenée (14) et d'évacuation (15) du milieu à étudier, avec interposition d'électrovannes; - une boucle de recyclage (16) dans laquelle circule en continu, durant la mesure, la solution électrolytique constituée du milieu à étudier auquel a été ajouté le traceur électrochimique, ou du milieu lui-même dans lequel l'oxygène naturellement dissous fait fonction de traceur; - un ensemble de buses (17), chacune disposée en regard d'une électrode de travail (13) pour diriger un jet de la solution électrolytique perpendiculairement sur lesdites électrodes; une pompe à débit variable (18) sur ladite boucle de recyclage, et une instrumentation pour la mesure de l'épaisseur du biofilm qui se dépose sur les électrodes de travail lors de la circulation du milieu à étudier au travers de la cellule.