Brevet FR3095697A1 — publié le 20201106

Description Titre de l'invention : Dispositif de mesure de la viscosité d'un fluide, en particulier pour des fluides actifs [0001] La présente invention concerne un dispositif de mesure (le la viscosité d'un fluide et en particulier d'un fluide biologique contenant, par exemple, des micro-organismes tel que des suspensions de bactéries motiles, de micro-algues, de microtubules... [0002] Au cours des dernières années, et du fait de leur pertinence en médecine et en écologie ainsi que de leur importance dans de nombreux domaines technologiques, l'hydrodynamique des suspensions actives, c'est-à-dire comprenant des microorganismes vivants, est au centre de nombreuses études. En effet, de nombreux microorganismes se déplacent de manière autonome dans des fluides et on a pu mettre en évidence que les fluides dits « actifs » tels que des suspensions de bactéries motiles montrent une relation entre l'activité des bactéries en suspension et la viscosité de la suspension. [0003] Lc développement croissant de l'utilisation de cc type de micro-organismes vivants dans des procédés industriels nécessite de pouvoir les caractériser, et en particulier pour pouvoir les sélectionner. Dans une application comme les bioréacteurs ou les fermenteurs, la rhéologie des fluides et l'activité des bactéries sont des paramètres qui jouent simultanément sur les performances. La rhéologie contrôle les propriétés de transfert de masse et de chaleur tandis que l'activité des bactéries influe sur les quantités produites. Il est donc important de pouvoir mesurer à la fois la rhéologie et l'activité des microorganismes vivants comme les bactéries de manière à déterminer si elles sont « mortes » ou actives [0004] A l'heure actuelle, la mesure de la dynamique des bactéries, à savoir la puissance du « moteur » biologique, la vitesse de nage, la diffusion, les tailles caractéristiques des bactéries, les concentrations, la nature des souches, se base principalement sur des observations sous microscope optique et sur l'acquisition vidéo de leurs trajectoires dans un fluide au repos. Il est alors nécessaire d'enregistrer un grand volume de données pour ensuite les analyser afin d'établir une statistique sur l'ensemble d'une population. Un tel procédé est long et demande en particulier une expertise dans l'analyse des données. [0005] Un dispositif de mesure de la viscosité tel qu'un rhéomètre permet de réaliser un rhéogramme, courbe donnant la viscosité d'un fluide, c'est-à-dire sa résistance à l'écoulement en fonction du taux de cisaillement qui lui est appliqué et qui correspond à un gradient de vitesse imposé entre les couches d'un fluide. Une telle mesure est classique pour les fluides dits « passifs » et permet de comprendre le comportement 2 hydrodynamique à l'échelle macroscopique des fluides. [0006] Des études récentes ont permis d'obtenir de manière fiable et reproductibles des rhéogrammes de fluides « actifs » tels que des suspensions de bactéries motiles. Ces rhéogrammes ont permis de caractériser leur activité mécanique sur le fluide porteur. [0007] Ainsi, dans l'article « Rafaï Salima, Jihuti Lcvan, Pcyla Philippe », 2010. Physical Review Letters 104, 098102, on a montré que la viscosité effective des suspensions cisaillées de microalgues vivantes unicellulaires (Chlamydomonas rcinhardtii) est beaucoup plus importante que pour les suspensions contenant la même fraction volumique de ces cellules mortes. [0008] De même, dans l'article « Lopez Hector, Gachclin Jérémie, Douarchc Carine, Auradou Harold et Clément Eric », PRL 115, 028301 (2015) de Physical Review Letters of American Physical Society, on a pu mettre en évidence que des bactéries s'organisent d'un point de vue spatial et sous l'effet de cisaillement, l'activité de nage rendant possible la diminution de la viscosité macroscopique à des valeurs inférieures à la viscosité du fluide de la suspension. [0009] On a également pu se rendre compte que des bactéries en suspension peuvent réduire la viscosité de fluides ordinaires comme l'eau et leur permettre notamment de s'écouler plus facilement parfois même jusqu'à un point où la viscosité est quasi nulle voir, « Aurore Loisy, Jens Eggers, Tanniemola B. Liverpool », Physical Revicw Letters 121.018001, (2018). [0010] Il est donc important de pouvoir étudier la viscosité de fluides biologiques dits actifs à l'aide de dispositifs de mesure de la viscosité appropriés. [0011] On connaît de nombreux dispositifs de mesure de la viscosité tel que les rhéomètres. Un rhéomètre permet de connaître les grandeurs fondamentales telles que le taux de cisaillement, la contrainte de cisaillement T(t) et la viscosité. Les rhéomètres rotatifs sont les plus utilisés. [0012] Pour ce type de rhéomètre, la solution étudiée remplit l'espace entre deux pièces coaxiales (le rotor et le stator). Le rapport entre le couple de rotation M(t) transmis d'une pièce à l'autre par la substance cisaillée, et la vitesse de rotation 52(t) du rotor, donne la viscosité, à une constante géométrique près. L'angle de rotation (1)(t) peut aussi être mesuré à chaque instant t. On distingue les appareils à vitesse de rotation imposée (les plus fréquents) et ceux à couple imposé. [0013] Un rhéomètre permet donc d'étudier l'effet des propriétés des particules d'une suspension sur les propriétés rhéologiques. Il existe plusieurs types de rhéomètres tels que ceux à cylindres coaxiaux de type Searle ou Couette. Un rhéomètre de type Searle, très courant, est adapté aux échantillons fluides : le cylindre intérieur constituant le rotor offre une grande surface de contact, pour augmenter le couple résistant et donc la sensibilité. 3 [0014] Il existe également des rhéomètres à plateaux parallèles (plan-plan, PP). L'entrefer, modifiable de 0,2 à 3 mm, permet d'étudier des échantillons à « particules » ou chargés (exemple : produit polymère fondu). Le taux de cisaillement est variable dans le volume de mesure : nul au centre et maximum à la périphérie. [0015] Enfin, on peut également utiliser un rhéomètre de type cône plan, l'angle de cône 0 étant très faible (en général 0,5 REVENDICATIONS[Revendication 1] Dispositif de mesure de la viscosité d'un fluide tel qu'un rhéomètre (1, 2, 3, 4) comprenant deux pièces coaxiales (11,12 ; 21, 22 ; 31,32 ; 41,42) dont l'une est entraînée rotation par rapport à l'autre qui reste fixe, un compartiment de réception (13, 23, 33, 43) étant ménagé entre les deux pièces pour accueillir un fluide à étudier, caractérisé en ce qu'au moins l'une desdites pièces est réalisée en un matériau poreux. [Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau présente une porosité de 5 à 40%. [Revendication 3] Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau présente une perméabilité aux fluides gazeux comprise dans la plage de 2,5 à 3,5 10 9 mYs. [Revendication 4] Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau est de l'acrylonrnile butadiène styrène (ABS). [Revendication 5] Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau est un matériau fritté à partir de granules de polytétrafluoroéthylène (PTFE). [Revendication 6] Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau est du polydiméthylsiloxane (PDMS). [Revendication 7] Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau est une céramique poreuse à base telle que la mullite C530. [Revendication 8] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, tel qu'un rhéomètre de Couette (1), dans lequel la solution à analyser est placée dans le compartiment de réception (13) ménagé entre deux surfaces cylindriques concentriques formées par un cylindre externe se présentant sous forme d'un godet (12) entraînable en rotation et un cylindre interne (11) fixé sur un fil de torsion et qui pend fixe au centre de la solution, caractérisé en ce que le godet (12) et/ou le cylindre interne (11) sont réalisés en matériau poreux. [Revendication 9] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, tel qu'un rhéomètre Searle (2), clans lequel la solution à analyser est placée dans le compartiment de réception (23) ménagé entre deux surfaces cylindriques concentriques formées par un cylindre externe (22) se présentant sous forme d'un godet fixe et un cylindre interne (21) entraînable en rotation, caractérisé en ce que le godet et/ou le cylindre interne sont réalisés en matériau poreux. 12 [Revendication 10] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, tel qu'un rhéomètre à plateaux parallèles (plan-plan, PP) (3) , caractérisé en ce qu'au moins l'un des plateaux est constitué d'un matériau poreux. [Revendication 11] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, tel qu'un rhéomètre de type cône plan (4), caractérisé en ce que le cône et/ou le plan sont en matériau poreux. [Revendication 12] Procédé de mesure de la viscosité d'un fluide « actif » comportant des particules actives tel que des microorganismes vivants motilcs, mis en oeuvre dans un dispositif de mesure selon rune des revendications 1 à 11 comportant les étapes suivantes : (a) mise en place du fluide à l'intérieur de l'espace de réception ménagé entre les deux pièces coaxiales dont au moins l'une est en un matériau poreux, (h) entraînement en rotation à vitesse constante réglable de l'une des pièces par à l'autre, ce qui met en écoulement le fluide qui exerce un couple de forces sur la pièce fixe (c) mesure de la variation du couple avec la vitesse de rotation (d) calcul à partir de la variation de du couple, de la viscosité du fluide et de sa dépendance avec le taux de cisaillement contrôlé par la vitesse de rotation de la pièce entraînable en rotation.