Brevet FR2954188A1 — publié le 20110624

DEMANDE DE BREVET B 09-4922 FR - ODE/ae Association régie par la loi 1901 dite : Institut National de Recherche et de Sécurité pour la prévention des accidents du travail et des maladies professionnelles (I.N.R.S.) Cellule de génération d'aérosols et générateur d'aérosols pourvu d'une telle cellule Invention de : SIMON Xavier DUQUENNE Philippe JEANDIDIER Vincent Cellule de génération d'aérosols et générateur d'aérosols pourvu d'une telle cellule L'invention concerne, de manière générale, la génération d'aérosols et, plus particulièrement, la génération de bioaérosols. Alors qu'un aérosol est un ensemble de particules en suspension dans un milieu gazeux, un bioaérosol est un aérosol de particules biologiques, tels que des microorganismes. Dans certaines applications, et en particulier pour la mise en oeuvre de tests menés en laboratoire, il est nécessaire de disposer de générateurs d'aérosols artificiels. Dans le cadre de la mise en oeuvre d'essais expérimentaux, il est en particulier nécessaire de disposer de générateurs de bioaérosols expérimentaux pour générer des bioaérosols comprenant, exclusivement ou mélangés, des bactéries, par exemple sous forme de cellules végétatives ou de spores, des moisissures, sous forme de spores, des endotoxines, ou des particules solides dont la nature et la distribution granulométrique sont susceptibles de varier. Il est en outre nécessaire de pouvoir générer des bioaérosols expérimentaux dont les paramètres physiques et biologiques sont parfaitement connus et maîtrisés. De même, certaines propriétés du bioaérosol, comme la stabilité de ces paramètres dans le temps ou leur reproductibilité d'un essai à l'autre, doivent être garanties pour mener des études expérimentales en laboratoire. Il est en outre souhaitable de permettre d'obtenir une gamme de concentrations la plus large possible de manière à pouvoir mener des essais dans des conditions représentatives d'un grand nombre de niveaux de contamination ou d'exposition rencontrés en situation réelle. Il existe déjà, dans l'état de la technique, des générateurs de bioaérosols expérimentaux. De tels générateurs cherchent à reproduire les phénomènes et les modes de mise en suspension qui conduisent à la dispersion naturelle des microorganismes dans l'air. I1 est généralement admis que la génération de bioaérosols expérimentaux peut s'effectuer soit par voie sèche, soit par voie humide. Les techniques de génération de bioaérosols par voie sèche sont généralement utilisées pour les moisissures et certaines bactéries, tels que les spores ou cellules déshydratées, lyophilisées. Les techniques de génération d'aérosols par voie humide sont, quant à elles, adaptées pour les bactéries (cellules végétatives ou spores), les levures, les virus et, dans une moindre mesure, les moisissures. Elles reposent sur la mise en suspension dans l'air de gouttelettes formées à partir d'une suspension de particules biologiques. Une première technique de génération de bioaérosols par voie humide est la nébulisation pneumatique, notamment celle qui utilise les technologies Collison ou deVilbiss. Toutefois, cette technique comporte un certain nombre d'inconvénients, notamment en raison du fait qu'elle occasionne de nombreuses sollicitations néfastes pour la viabilité et l'intégrité des microorganismes. Une autre technique de génération de bioaérosols par voie humide, fréquemment rencontrée, est la mise en suspension de microorganismes dans l'air par éclatement de bulles et formation de gouttelettes contenant des particules biologiques. Les bulles sont formées par injection d'air comprimé, diffusé à travers un milieu poreux complètement immergé dans une suspension microbienne liquide. Une seconde injection tangentielle d'air comprimé, généralement située au plus près de la surface de la suspension, permet une réduction rapide de la taille des gouttelettes et un transport facilité des particules vers la sortie du générateur d'aérosols. Moins violent que la nébulisation pneumatique, ce mode de mise en suspension minimise les contraintes et réduit le stress et les dommages imposés aux microorganismes. Toutefois, les effets néfastes liés aux impacts des particules biologiques contre les parois du générateur et à la recirculation d'une partie de la suspension sont certes réduits, mais existent toujours. Enfin, une troisième technique de génération de bioaérosols par voie humide consiste à déposer sur la surface supérieure d'un disque poreux la suspension microbienne, sur lequel elle forme un film liquide. Cette technique est connue sous l'appellation LSA (« Liquid Sparging Aerosolizer »). Elle est décrite en détail dans l'article de Mainelis et al., Atmospheric Environment 39 (19) : 3521-3533. On a représenté sur la figure 1 un générateur d'aérosols mettant en oeuvre cette technique LSA. Comme on le voit sur cette figure 1, le générateur comporte essentiellement une enceinte globalement cylindrique pourvue d'un couvercle 2 doté d'une sortie 3 pour le bioaérosol. I1 comporte encore un disque poreux 4 placé sur un support 5 qui délimite, avec le disque 4, un réceptacle dans lequel est placée une suspension microbienne liquide qui forme un film sur la surface du disque poreux. Un conduit 6 est utilisé pour injecter de l'air comprimé à travers le disque poreux et permettre la formation de bulles qui, lorsqu'elles éclatent en surface du film liquide, permettent la mise en suspension dans l'air de gouttelettes et de microorganismes. L'air comprimé permet également de transporter l'aérosol ainsi formé vers la sortie 3 et de sécher les gouttelettes. Les particules biologiques et les gouttelettes qui sédimentent dans le fond 7 de la cuve ne sont pas recyclées. Les particules entraînées dans le bioaérosol 8 ainsi formé et délivré en sortie 3 ne subissent donc qu'une seule fois le stress lié à leur mise en suspension. Un deuxième conduit 9 est utilisé pour alimenter le réceptacle contenant la suspension de particules en liquide. Le réceptacle est alimenté avec un débit de suspension liquide dont la valeur peut être comprise entre 0,17 et 2 ml.mn-1. Or, afin de conserver une concentration constante en particules, il est nécessaire que la hauteur du film au-dessus du disque poreux soit constante. Ainsi, selon la technologie LSA, il semble être nécessaire de créer un équilibre entre l'apport de suspension liquide et la consommation de suspension liquide. I1 est impossible, avec un tel générateur, de garantir que la hauteur du film liquide est reproductible d'un essai à l'autre, le bouillonnement incessant engendré dans le film liquide par l'injection d'air comprimé ne permettant pas une mesure précise ou un réglage manuel. Or, la hauteur du film liquide est un paramètre crucial qu'il faut parfaitement maîtriser pour assurer la stabilité et la reproductibilité des niveaux de concentration générés. L'invention propose donc une cellule de génération d'aérosols et un générateur d'aérosols permettant de garantir la hauteur du film liquide de particules en suspension garantissant, de la sorte, la stabilité de la concentration en particules lors de la génération de l'aérosol et, en outre, la reproductibilité des niveaux de concentration d'un test à un autre. L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, une cellule de génération d'aérosols par voie liquide comprenant une embase, un disque poreux venant se monter sur l'embase, une paroi périphérique délimitant avec le disque poreux un réservoir destiné à contenir une suspension de particules liquide, l'embase étant destinée à être raccordée à des moyens d'alimentation dudit réservoir en suspension de particules et à être alimentée en air comprimé pour engendrer un aérosol après passage de l'air comprimé à travers le disque poreux. Cette cellule comporte en outre, selon une caractéristique générale, des moyens de contrôle du niveau de liquide dans le réservoir. Dans un mode de réalisation, la paroi périphérique est dotée d'un ensemble d'au moins un trou radial traversant, s'étendant à partir dudit réservoir, à une hauteur par rapport au disque poreux correspondant à la hauteur d'un film liquide à obtenir et débouchant vers l'extérieur. En outre, le réservoir est destiné à être alimenté en continu et en excès en suspension de particules. Les trous constituent ainsi un système de trop plein garantissant, sous l'action combinée de l'alimentation en excès, un niveau stable de la suspension de particules dans le réservoir. Avantageusement, les trous sont formés en pente dans ladite paroi. Selon encore une autre caractéristique de la cellule de génération d'aérosols, l'embase comporte un raccord axial pour le raccordement d'une source d'air comprimé. L'embase peut en outre comporter une paroi périphérique globalement conique s'étendant entre ledit raccord et un logement de réception du disque poreux pour diffuser l'air comprimé issu dudit raccord vers le disque. De préférence, le raccord est disposé à une extrémité inférieure de l'embase. L'invention propose également, selon un deuxième aspect, un générateur d'aérosols comprenant une enceinte pourvue intérieurement d'une cellule de génération d'aérosols et comprenant un orifice de sortie d'aérosol, une source d'alimentation de la cellule en suspension de particules liquide et une source d'alimentation de la cellule en air comprimé. Ladite cellule est constituée par une cellule de génération d'aérosols telle que définie ci-dessus. Selon une autre caractéristique de ce générateur d'aérosols, la source d'alimentation comporte une pompe péristaltique assurant l'alimentation en suspension liquide de la cellule en continu et en excès. Le générateur peut en outre comporter une source d'alimentation de l'enceinte en air d'entraînement de l'aérosol vers l'orifice de sortie. La sortie du générateur peut, par ailleurs, être située à l'aplomb de la cellule de génération d'aérosols. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention, apparaitront à la lecture de la description suivante, donnés uniquement à titre d'exemples, et faits en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, dont il a déjà été fait mention, illustre la structure générale d'un générateur d'aérosols LSA selon l'état de la technique ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un générateur d'aérosols selon l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe de la cellule du générateur de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue de détail en coupe de la paroi périphérique constitutive du réservoir de la cellule de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue en perspective de la paroi de la figure 4 ; - la figure 6 est une vue éclatée de la cellule du générateur de la figure 2 et de ses moyens d'alimentation en air comprimé ; - la figure 7 montre la cellule à l'état assemblé sur ses moyens d'alimentation en air comprimé ; 20 - la figure 8 est une courbe montrant les résultats obtenus au moyen d'un générateur d'aérosols conforme à l'invention ; et - la figure 9 illustre un autre mode de réalisation d'un générateur d'aérosols 25 En se référant à la figure 2, on va tout d'abord décrire la structure générale d'un générateur d'aérosols conforme à l'invention. Ce générateur, désigné par la référence numérique générale 10, est ici destiné à la génération de bioaérosols, en l'espèce et de manière nullement limitative, un bioaérosol de microorganismes. 30 Sur la figure 2, le générateur 10 est représenté dans sa position d'utilisation verticale. I1 comporte essentiellement une enceinte 12, ici de forme générale sphérique, comportant une extrémité inférieure reposant sur un support 13 et une extrémité supérieure 14 formant un col ouvert sur 10 15 lequel est fixé un couvercle 15 d'obturation doté d'un conduit 16 de sortie par lequel les aérosols sont délivrés en sortie du générateur 10. Intérieurement, l'enceinte 12 comporte une cellule 18 de génération d'aérosols. Cette cellule 18 est alimentée, d'une part, en air comprimé, par l'intermédiaire d'un conduit 19 raccordé à une source d'alimentation en air comprimé appropriée pour l'utilisation envisagée et, d'autre part, en suspension de particules liquide, par l'intermédiaire d'un deuxième conduit 20. La suspension de particules liquide peut être réalisée par tout moyen approprié, par exemple en préparant une solution de particules à analyser mélangées à de l'eau au moyen d'un agitateur, et prélevée grâce à des moyens d'alimentation comprenant une pompe péristaltique assurant en continu l'alimentation de la cellule 18 en suspension de particules. On notera toutefois que les conduits 19 et 20 traversent le couvercle 15 dans des zones désaxées par rapport à l'axe générale X-X' du générateur 10 de sorte que le conduit 16 débouche, à l'intérieur de l'enceinte 12, à l'aplomb de la cellule 18, c'est-à-dire selon l'axe X-X' dans lequel est également située la cellule 18. De même, le conduit 19 d'alimentation en air comprimé assure l'alimentation de la cellule 18 par son extrémité inférieure, selon l'axe X-X' et adopte à cet effet une configuration coudée. En se référant également à la figure 3, la cellule 18 comprend essentiellement une embase 22 comprenant une extrémité supérieure 23 recevant un disque poreux 24, par exemple réalisé en inox, et une extrémité inférieure 25 pourvue d'un connecteur (non représenté) pour le raccordement du premier conduit 19 d'alimentation en air comprimé. La cellule 18 comporte encore une paroi périphérique 26 de forme générale cylindrique comprenant un alésage 27 prolongé, vers le bas, par une jupe périphérique 28 par lequel la paroi périphérique 26 vient se monter sur l'embase 22. En d'autres termes, la paroi 26 constitue un couvercle ouvert vers le haut rapporté sur l'embase 22. Ainsi, la paroi périphérique 26 délimite, conjointement avec le disque poreux 24, un réservoir 30 destiné à contenir un film 32 de particules biologiques en suspension, en étant alimenté en continu en suspensions microbiennes qui se déposent sur la surface supérieure du disque poreux pour former un film liquide. En fonctionnement, l'air comprimé issu du premier conduit 19 avec un débit variable est injecté à travers le disque poreux 24, puis à travers le film liquide ce qui engendre la formation de bulles qui éclatent en produisant des gouttelettes et des particules biologiques isolées, en l'espèce des microorganismes. Les gouttelettes et les microorganismes sont ensuite entraînés par le flux d'air ascendant vers la sortie 16 du générateur. On pourra, à cet égard, comme cela sera décrit en détail par la suite, prévoir une injection d'air d'entraînement additionnel de manière à créer un courant forçant les particules vers la sortie 16. Par ailleurs, en se référant aux figures 3 à 5, dans le but de garantir la hauteur du film liquide 32 tant au cours d'un essai que d'un essai à l'autre, la cellule 18 est pourvue de moyens de contrôle du niveau de liquide dans le réservoir 30. Ces moyens de contrôle sont ici agencés sous la forme d'un ensemble de trous radiaux traversant, tels que 34, régulièrement répartis dans la paroi 26 et formés à une hauteur Hl,q par apport au disque poreux. Comme on le voit, ces trous 26 s'étendent radialement en pente du réservoir 30 vers l'extérieur de la cellule et constituent dès lors un système de trop plein. Les moyens d'alimentation du réservoir 30 en suspension microbienne, et en particulier la pompe péristaltique, sont activés en continu de manière à alimenter le réservoir 30 en suspension microbienne en excès. Par conséquent, en alimentant le réservoir 30 en suspension microbienne avec un débit légèrement supérieur au débit consommé, par exemple avec un débit compris entre 0,004 et 5 ml.mn-1, on garantit le maintien d'un niveau Hl,q constant dans le réservoir 30, sans avoir à piloter la pompe péristaltique de manière à faire correspondre exactement le débit d'alimentation avec le débit consommé, et sans nécessiter de mettre en oeuvre des moyens de mesure du niveau de liquide, nécessairement imprécis en raison du bouillonnement incessant engendré par le passage de l'air comprimé à travers le disque poreux. On notera que les trous 34 pratiqués dans la paroi 26 sont ici au nombre de 4. Mais, bien entendu, on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque l'on utilise un nombre différent de tels trous de sorte que, de manière générale, la paroi 26 comporte au moins un trou d'évacuation de liquide. On notera également que le diamètre d des trous, l'angle a qu'ils forment par rapport à l'horizontal ainsi que la hauteur Hl,q constituent des paramètres réglables qui peuvent être adaptés, lors de la réalisation de la paroi 26, en fonction de la hauteur de liquide à obtenir et du débit d'évacuation de liquide en excès. En particulier, ces paramètres peuvent être modifiés pour changer la hauteur du film liquide ou pour optimiser l'évacuation de l'excès de liquide en fonction de la nature de la suspension à générer. Dans tous les cas, l'angle a devra être choisi suffisamment grand pour permettre l'écoulement du liquide et devra être non nul pour vaincre les forces de capillarité du liquide. En se référant maintenant aux figures 6 et 7, la cellule de génération d'aérosols vient, comme mentionné précédemment, se monter sur un raccord 36 prévu à l'extrémité du premier conduit 19 d'alimentation en air comprimé, dans l'axe X-X' de l'enceinte 12. L'embase 22 comporte à cet effet une portion cylindrique 38 filetée destinée à coopérer avec un filetage 39 complémentaire du connecteur 36. En partie supérieure, l'embase 22 comporte un logement 40 de réception du disque poreux 24. L'ensemble est coiffé par la paroi 26 qui délimite, conjointement avec le disque 24, le réservoir 30. Par exemple, la paroi 26, et en particulier la jupe 28, est pourvue intérieurement d'un filetage destiné à coopérer avec un filetage complémentaire 42 pratiqué extérieurement dans l'embase 22. L'ensemble ainsi assemblé vient ensuite se monter dans l'embase 12 (figures 2 et 7). L'étanchéité du système est assurée par des moyens appropriés tels que joints toriques et/ou plats. On notera que, de préférence, comme illustré sur la figure 3, l'embase 22 comporte une surface conique s'étendant de l'extrémité inférieure 25 jusqu'à la zone de réception du disque poreux 24 de sorte que l'injection de l'air comprimé s'effectue par diffusion conique de l'air sous le disque poreux afin d'obtenir une formation homogène de bulles sur la totalité de la surface du film liquide. L'angle du cône de diffusion pourra être modifié pour optimiser la formation des bulles en fonction des propriétés du disque poreux utilisé, par exemple le diamètre des pores. On notera enfin que l'invention qui vient d'être décrite, dans laquelle la paroi constitutive du couvercle ouvert, délimitant avec le disque poreux un réservoir empli en continu et en excès en suspension microbienne, qui est dotée de moyens de contrôle du niveau de liquide dans le réservoir sous la forme d'au moins un trou radial traversant, permet de garantir et de maîtriser parfaitement la hauteur du film liquide disposé au-dessus du disque poreux. Une telle cellule simplifie dès lors considérablement les essais et apporte une grande liberté aux opérateurs qui peuvent ainsi se consacrer à d'autres aspects des expérimentations que celui de la génération des bioaérosols et du contrôle du niveau de film. En effet, le temps consacré au réglage de débit d'air et de liquide pour tenter de fonctionner avec un équilibre entre apport et consommation de liquide est supprimé, le générateur de bioaérosols fonctionnant en excès de liquide. En outre, le temps alloué à la surveillance de la stabilité des concentrations qui existait lorsqu'il s'agissait d'équilibrer l'apport et la consommation n'existe plus, le générateur s'autorégulant à une hauteur de liquide donnée en fonctionnant par trop plein et évacuation de l'excès de liquide. En se référant à la figure 8, qui montre la reproductibilité d'un bioaérosol généré pour un échantillon de trois essais distincts, dans des conditions opératoires dans lesquels le coefficient de variation des valeurs de concentration en microorganismes cultivables sur chaque essai autour de la moyenne sur les trois essais est de l'ordre de 15%, la hauteur de liquide Hl,q est de 8 mm, la valeur d'humidité relative de l'air RH est de 50% plus ou moins 2%, le débit d'air comprimé QG est de 2,5 L.min-' et dans lesquelles un air d'entraînement est utilisé avec un débit QE de 20 L.min-1, on obtient un niveau sensiblement constant des concentrations en particules dans la suspension microbienne en fonction du temps. Dans cet exemple, et comme indiqué précédemment, un flux d'air d'entraînement est utilisé pour faciliter la sortie du bioaérosol de l'enceinte. En référence à la figure 9, pour réaliser un tel flux d'entraînement, on pourra prévoir de doter l'enceinte 12 d'un conduit additionnel 42, par exemple annulaire, prévu en partie inférieure de l'enceinte et raccordé à un conduit 43 d'alimentation en air d'entraînement lui-même connecté à l'extérieur à une source d'alimentation en air approprié, ce conduit annulaire pouvant être doté d'un ensemble d'orifices 44 pour injecter l'air d'entraînement du bas vers le haut dans l'enceinte 12. Un tel air d'entraînement pourra être composé d'un mélange d'air sec et d'air humide en proportion variable pour assurer une valeur d'humidité relative de l'air dans l'enceinte constante, par exemple à plus ou moins 2% au cours d'un essai. REVENDICATIONS1. Cellule de génération d'aérosols par voie liquide, comprenant une embase (22), un disque poreux (24) venant se monter sur l'embase et une paroi périphérique (26) délimitant avec le disque poreux un réservoir (30) destiné à contenir une suspension de particules liquide, l'embase étant destinée à être raccordée à des moyens d'alimentation dudit réservoir en suspension de particules et à être alimentée en air comprimé pour engendrer un aérosol après passage de l'air comprimé à travers le disque poreux (24), caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de contrôle du niveau de liquide dans le réservoir. 2. Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi périphérique (26) est dotée d'un ensemble d'au moins un trou (34) radial traversant s'étendant à partir dudit réservoir, à une hauteur par rapport au disque poreux correspondant à la hauteur d'un film liquide à obtenir, et en ce que le réservoir est destiné à être alimenté en continu et en excès en suspension de particules. 3. Cellule selon la revendication 2, caractérisée en ce que les trous sont formés en pente dans ladite paroi. 4. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'embase comporte un raccord axial (38) pour le raccordement d'une source d'air comprimé. 5. Cellule selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'embase comporte une paroi périphérique globalement conique s'étendant entre ledit raccord et un logement de réception du disque poreux pour diffuser l'air comprimé issu dudit raccord vers le disque. 6. Cellule selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le raccord est disposé à une extrémité inférieure de l'embase. 7. Générateur d'aérosols comprenant une enceinte pourvue intérieurement d'une cellule de génération d'aérosols (18) et comprenant un orifice (16) de sortie d'aérosol, une source (20) d'alimentation de la cellule en suspension de particules liquide et une source (19) d'alimentation de la cellule en air comprimé, caractérisé en ce que laditecellule (18) est constituée par une cellule de génération d'aérosols selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Générateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la source d'alimentation en liquide comporte une pompe péristaltique assurant l'alimentation en suspension liquide de la cellule en continu et en excès. 9. Générateur selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une source (42, 43) d'alimentation de l'enceinte en air d'entraînement de l'aérosol vers l'orifice de sortie. 10. Générateur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la sortie du générateur (16) est située à l'aplomb de la cellule de génération d'aérosols.