Brevet FR3118057A1 — publié le 20220624

L’invention porte sur un procédé et un système de surveillance in-situ d’un processus biochimique dans un réacteur comprenant une cuve (5) destinée à recevoir un liquide (7), ledit système comportant : - un dispositif de mesure (9) destiné à être introduit en flottant dans ladite cuve (5), ledit dispositif de mesure (9) étant instrumenté de capteurs configurés pour réaliser à des instants successifs des mesures relatives au processus biochimique et pour transmettre auxdits instants successifs des données d’observation représentatives desdites mesures, et - un dispositif de contrôle (11) configuré pour commander auxdits instants successifs la régulation du réacteur (3) biochimique en fonction desdites données d’observation reçues depuis le dispositif de mesure (9). Fig. 1 SYSTEME DE SURVEILLANCE D’UN PROCESSUS BIOCHIMIQUE La présente invention concerne le domaine de surveillance de processus biochimique. Etat de la technique antérieure La régulation d’un procédé biochimique peut adresser de nombreuses applications industrielles dans des domaines variés comme par exemple, les agroalimentaires (vin, cidre, bière, spiritueux, aliments liquides…), les pharmaceutiques (médicaments ou nutriments complémentaires…), les environnementaux (analyse de l’eau dans des stations d’épuration, méthanisation…), les pétrochimiques (biogaz…), les électrochimiques etc. Les processus biochimiques impliquent l’action de microorganismes sur des substrats complexes (jus de fruits, lixiviats, …). Leur régulation en milieu industriel comme pour l’agroalimentaire est en général faite par des analyses manuelles hors ligne « off-line ». La régulation dans des bioréacteurs par un suivi de paramètres de contrôles en ligne « on-line » est réservée aux produits de haute valeur ajoutée comme les produits médicaux. Les paramètres de contrôles comportent en général des mesures de température, et éventuellement d’autres mesures complémentaires qui peuvent être spécifiques à l’application comme par exemple l’acidité, la turbidité, le dégagement gazeux, la densité, l’oxygène dissout, etc. Dans le cas des boissons alcooliques, on a besoin de mesurer à minima la température et la densité d’un liquide pour contrôler la qualité alimentaire comme le taux de sucre et d’alcool. Pour réaliser des médicaments ou pour analyser l’eau dans des stations d’épurations, les mesures concernent plus généralement le pH, le potentiel Redox, la conductivité et la présence d’oxygène et de gaz carbonique dissout etc. Concernant, la mesure de densité, il existe des densimètres manuels qui sont couramment répandus dans divers domaines d’activités. Leurs dimensions et leur poids définissent la gamme et la précision de mesure. Toutefois, ils nécessitent des prélèvements pour faire des analyses hors ligne et les opérations sont totalement manuelles. Il existe des densimètres électroniques qui mesurent la fréquence d’oscillation de tubes en forme de U qui varient selon la masse du liquide prélevé. Ces appareils peuvent être utilisés en ligne mais sont chers et sensibles à certaines perturbations (encrassement, bulles). Il y a par ailleurs, des appareils qui déterminent la densité d’un liquide en mesurant l’indice de réfraction. Toutefois, la mesure peut être perturbée par la présence de gaz (par exemple, CO 2 ) ou l’encrassement du capteur. Tous ces appareils permettent dans certains cas des mesures en ligne « on line » mais pas « in situ ». Il existe cependant, des modules autonomes en forme de boule destinés à mesurer le pH, la conductivité, la pression et le mouvement dans un liquide. Ces modules peuvent être en libre circulation dans des bioréacteurs et permettent ainsi, des mesures in situ. Toutefois, ces modules sont limités à des mesures très spécifiques et ne sont pas adaptés pour mesurer la densité. En outre, la transmission des données n’est pas aisée depuis le milieu liquide et de plus, on ignore leur localisation dans le liquide engendrant un manque de référence spatiale des mesures. Par ailleurs les bioprocédés impliquent en général la régulation de la température, de l’agitation, de l’oxygénation et de l’apport de nutriments. La détermination de ces paramètres de contrôles a pour but d’améliorer à la fois la qualité et le rendement du produit tout en optimisant les apports en énergie et en nutriments. Ce contrôle repose généralement sur le savoir-faire de l’utilisateur (œnologue dans le cas du vin, microbiologiste pour les produits pharmaceutiques…) et peut ainsi être très fastidieux tout en prenant beaucoup de temps. L’objet de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un ajustement automatique et précis des paramètres de contrôle du produit recherché en utilisant une surveillance en temps réel et in situ de l’évolution du processus biochimique tout en permettant des mesures multiparamétriques précises au moyen d’un seul appareil de mesure. Présentation de l’invention L’invention a pour objet un système de surveillance in-situ d’un processus biochimique dans un réacteur comprenant une cuve destinée à recevoir un liquide, ledit système comportant : - un dispositif de mesure destiné à être introduit dans ladite cuve, ledit dispositif de mesure étant instrumenté de capteurs configurés pour réaliser à des instants successifs des mesures relatives au processus biochimique et pour transmettre auxdits instants successifs des données d’observation représentatives d’au moins la température et la densité, et - un dispositif de contrôle configuré pour commander à des instants successifs la régulation du réacteur biochimique en fonction desdites données d’observation reçues depuis le dispositif de mesure. Ainsi, le dispositif de mesure permet de suivre l’évolution des paramètres physiques et de les transmettre au dispositif de contrôle de sorte que ce dernier puisse commander par rétroaction et en temps réel la réaction dans la cuve. Ce système permet ainsi de contrôler automatiquement le processus biochimique tout en réagissant directement en temps réel en cas de détection d’une anomalie dans le processus. Avantageusement, lesdites mesures comportent des mesures de température et de densité du liquide et au moins un autre type de mesures parmi les mesures suivantes : mesures mécaniques de pressions et/ou de débit gazeux et/ou d’accélérations et/ou de niveau de flottaison, mesures électriques de tensions et/ou de courants et/ou de fréquences de résonance, et mesures optiques. Ceci permet d’avoir plusieurs indicateurs pour une rétroaction et un contrôle plus efficace et plus précis du processus biochimique. Selon un mode de réalisation, le dispositif de mesure comporte un microprocesseur configuré pour déterminer auxdits instants successifs des vecteurs de variables physiques relatives au processus biochimique en fonction des mesures correspondantes réalisées auxdits instants successifs, les données d’observation transmises par le dispositif de mesure audit dispositif de contrôle comportant lesdits vecteurs de variables physiques et lesdites mesures correspondantes. Ainsi, le dispositif de mesure traite les mesures pour déterminer au cours du temps des vecteurs de valeurs physiques d’intérêt dont la densité avant de les transmettre au dispositif de contrôle. Selon un autre mode de réalisation les données d’observation transmises par le dispositif de mesure audit dispositif de contrôle comportent lesdites mesures. Dans ce cas, le dispositif de contrôle est configuré pour déterminer auxdits instants successifs des vecteurs de variables physiques relatives au processus biochimique en fonction des mesures correspondantes. Selon ce mode de réalisation, le dispositif de mesure transmet uniquement les mesures et c’est le dispositif de contrôle qui les traite pour déterminer les paramètres physiques d’intérêt. Ceci permet de minimiser le traitement et la consommation électrique au niveau du dispositif de mesure . Chacun desdits vecteurs de variables physiques comporte une variable de température, une variable de densité du liquide déterminée à partir des mesures de niveaux de flottaison et/ou de pressions, et au moins une autre variable parmi les variables suivantes : dégagement gazeux déterminé à partir des mesures de pressions,, conductivité et/ou permittivité électriques du liquide déterminées à partir des mesures électriques, mouvement du liquide déterminé à partir des mesures d’accélération, PH et/ou potentiel redox déterminés à partir des mesures électriques, oxygène et/ou CO 2 dissout déterminés à partir des mesures électriques et/ou mesures optiques, spectre d’absorption optique et/ou pouvoir rotatoire déterminés à partir des mesures optiques. Ces indicateurs physiques permettent de détecter avec une grande précision la moindre anomalie dans le processus biochimique. Avantageusement, le dispositif de contrôle est configuré pour commander la régulation du réacteur biochimique par au moins une action parmi les actions suivantes : modification de la vitesse d’agitation, modification de la température, modification du débit d’apport en oxygène, apport de nutriments ou autres éléments d’activation ou de stabilisation du processus biochimique, apport de levures ou de souches bactériennes. Avantageusement, le dispositif de contrôle est configuré pour : - prédire auxdits instants successifs des vecteurs prédictifs de variables physiques en fonction desdits vecteurs de variables physiques précédents issus des mesures, - prédire auxdits instants successifs des mesures anticipatives en fonction desdits vecteurs prédictifs de variables physiques, -calculer auxdits instants successifs des écarts de mesures entre les mesures anticipatives et les mesures réelles correspondantes, -corriger auxdits instants successifs les vecteurs de variables physiques en fonction desdits écarts de mesures, -déterminer auxdits instants successifs des vecteurs d’actions de régulation en fonction desdits vecteurs de variables physiques correspondants, et -commander la régulation du réacteur biochimique en déclenchant auxdits instants successifs des actions de régulation basées sur lesdits vecteurs d’actions de régulation. Ceci permet de déterminer avec précision et pour chaque instant de temps, une série d’actions en connaissance des variables physiques observables grâce aux capteurs du dispositif de mesure . Avantageusement, le dispositif de contrôle est configuré pour déterminer les vecteurs d’actions de régulation en fonction des vecteurs prédictifs de variables physiques en cas de défaut du dispositif de mesure Ceci permet de poursuivre la régulation du processus en cas d’un dysfonctionnent momentané du dispositif de mesure . Avantageusement, le dispositif de contrôle est configuré pour : - prédire chaque vecteur prédictif de variables physiques en utilisant une première fonction f temporelle définissant des valeurs de variables physiques en connaissance de leurs valeurs à un instant de temps précédent, ladite première fonction f étant prédéterminée par un modèle de Markov standard d'ordre d’au moins 1, - prédire chaque mesure anticipative en utilisant une deuxième fonction g associant les mesures réalisées par le dispositif de mesure aux variables physiques à un instant de temps donné, ladite deuxième fonction g étant prédéterminée par des équations liant les mesures et les variables physiques, et - détermination de chaque vecteur d’actions de régulation en utilisant une troisième fonction h définissant une correspondance entre les actions à réaliser et les valeurs des variables physiques à un instant de temps donné, ladite troisième fonction h étant prédéterminée par une sélection préalable de seuils de déclenchement d’actions. Ces fonctions peuvent être préadaptées pour être utilisées de manière simple pour le contrôle de toute réaction biochimique. Avantageusement, le système de surveillance comporte une base de données construite lors d’une phase d’apprentissage de régulation comprenant des données de correspondance entre des mesures réalisées par le dispositif de mesure et des actions réalisées dans la cuve, lesdites données de correspondance étant générées automatiquement par un processus d’apprentissage, et au moins l’une quelconque desdites première, deuxième et troisième fonctions est déterminée à partir desdites données de correspondance acquises depuis ladite base de données. Ainsi, dans le cas où au moins une des trois fonctions est inconnue, elle peut être apprise automatiquement en connaissance d’une série temporelle complète de réaction biochimique réalisée précédemment par des experts du processus biochimique. Avantageusement, le dispositif de contrôle est configuré en outre pour construire un modèle d’apprentissage de propriétés définissant des liens associant des propriétés du produit final en fonction des variables physiques et caractéristiques correspondantes. La connaissance du modèle d’apprentissage de propriétés permet d’obtenir un produit aux propriétés , sachant ses caractéristiques par la régulation de ses variables physiques lors du processus de réaction biochimique. En effet, en connaissant d’une part le modèle qui relie les variables physiques et les caractéristiques aux propriétés du produit, et d’autre part les caractéristiques d’entrées c (par ex. dans le cas du vin ça pourrait être le cépage), le dispositif de contrôle peut lors de la réaction biochimique contraindre les variables physiques à suivre un certain profil pour obtenir des propriétés p désirées en sortie. Autrement dit, le dispositif de contrôle permet d’adapter les caractéristiques des éléments mis dans la cuve et de réguler l'évolution des variables physiques de réactions biochimiques selon les caractéristiques des éléments mis dans la cuve afin d'obtenir des propriétés spécifiques souhaitées du produit en sortie du réacteur. Avantageusement, le dispositif de contrôle est configuré pour déterminer lesdits liens par estimation d’une fonction d’apprentissage au moyen d’un modèle statistique de type régression polynomiale, ou modèle à noyau, ou réseau de neurones. Ainsi, la fonction d’apprentissage permet de comprendre l'influence des caractéristiques des éléments mis en réaction ou de l'évolution du processus biochimique dans les propriétés obtenues sur le produit. Avantageusement, le dispositif de mesure comporte au moins une sonde de température, et un capteur de pression différentielle comprenant deux tubes reliés de longueur différentes. Avantageusement, le dispositif de mesure est intégré dans un flotteur comportant : - au moins une sonde de température, - un capteur de pression différentielle comprenant deux tubes de longueur différentes en partie immergées dans le liquide, - au moins deux capteurs électromagnétiques, électrochimiques ou optiques comprenant des parties sensibles fixées sur les parois du flotteur à proximité du liquide, - un capteur de mouvement configuré pour mesurer les mouvements du flotteur, - un module de communication sans fils comprenant une antenne disposée sur la partie haute du flotteur, le module de communication étant destiné à transmettre les données relatives aux mesures réalisées par les capteurs, - un module de gestion de l’énergie comprenant un moyen d’alimentation électrique disposé dans la partie basse du flotteur, et - un circuit électronique relié à tous les capteurs et éléments électroniques intégrés dans le flotteur, le circuit électronique comprenant un microprocesseur destiné à gérer l’acquisition de l’ensemble des capteurs, un premier niveau de traitement et la transmission des données. Le flotteur est très peu encombrant et peut être installé de manière très simple dans une grande variété de cuves quelle que soit leur niveau de remplissage. De plus, il permet la mesure de densité de manière très précise à la fois dans un régime transitoire au début du processus ainsi que dans un régime permanent. En outre, l’antenne étant disposée dans la partie émergente du flotteur permet de transmettre les données de manière simple, régulière et précise. Avantageusement, le flotteur comporte un module de calibration et de recharge inductive destiné à calibrer le flotteur et à télé-recharger le moyen d’alimentation intégrée dans le flotteur, ledit module de calibration et de recharge inductive étant compris dans un étui de protection du flotteur. Ainsi, le flotteur est complétement autonome tout en permettant une fusion et une synthèse de mesures variées dans un unique dispositif embarqué. L’invention vise également un procédé de surveillance in-situ d’un processus biochimique dans un réacteur comprenant une cuve destinée à recevoir un liquide, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - réaliser à des instants successifs des mesures relatives au processus biochimique, - transmettre auxdits instants successifs des données d’observation représentatives d’au moins la température et la densité, et - commander auxdits instants successifs la régulation du réacteur biochimique en fonction desdites données d’observation. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. Brève description des figures On décrira à présent, à titre d’exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l’invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : illustre très schématiquement un système de surveillance in-situ d’un processus biochimique dans un réacteur biochimique, selon un mode de réalisation de l’invention ; et illustrent un algorithme de contrôle du réacteur biochimique, selon un mode de réalisation préféré de l’invention ; est un graphe orienté représentant un algorithme d’apprentissage de propriété du composé à la sortie du réacteur biochimique, selon un mode de réalisation préféré de l’invention ; illustre très schématiquement un système de surveillance in-situ d’un processus biochimique de fermentation dans un réacteur, selon un mode de réalisation de l’invention ; illustre très schématiquement un procédé de surveillance in-situ du processus biochimique de fermentation en relation avec le système de la ; illustre très schématiquement un système de surveillance in-situ d’un processus biochimique dans un réacteur biochimique, selon un mode de réalisation préféré de l’invention ; illustre très schématiquement un flotteur instrumenté, selon un mode de réalisation préféré de l’invention ; et illustre de manière très schématique la disposition d’un capteur électromagnétique capacitif sur la surface latérale du flotteur, selon le mode de réalisation de la . Système de surveillance in-situ d’un processus biochimique dans un réacteur comprenant une cuve (5) destinée à recevoir un liquide (7), caractérisé en ce qu’il comporte : - un dispositif de mesure (8) destiné à être introduit dans ladite cuve (5), ledit dispositif de mesure (8) étant instrumenté de capteurs configurés pour réaliser à des instants successifs des mesures relatives au processus biochimique et pour transmettre auxdits instants successifs des données d’observation représentatives d’au moins la température et la densité du liquide, et - un dispositif de contrôle (11) configuré pour commander auxdits instants successifs la régulation du réacteur (3) biochimique en fonction desdites données d’observation reçues depuis le dispositif de mesure (8). Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites mesures comportent des mesures de température et de densité du liquide et au moins un autre type de mesures parmi les mesures suivantes : mesures mécaniques de pressions et/ou de débit gazeux et/ou d’accélérations, et/ou de niveau de flottaison, mesures électriques de tensions et/ou de courants et/ou de fréquences de résonance, et mesures optiques. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de mesure comporte un microprocesseur (171) configuré pour déterminer auxdits instants successifs des vecteurs de variables physiques relatives au processus biochimique en fonction des mesures correspondantes réalisées auxdits instants successifs, les données d’observation transmises par le dispositif de mesure (8) audit dispositif de contrôle (11) comportant lesdits vecteurs de variables physiques et lesdites mesures correspondantes. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les données d’observation transmises par le dispositif de mesure audit dispositif de contrôle (11) comportent lesdites mesures et en ce que le dispositif de contrôle est configuré pour déterminer auxdits instants successifs des vecteurs de variables physiques relatives au processus biochimique en fonction des mesures correspondantes. Système selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que chacun desdits vecteurs de variables physiques comporte une variable de température, une variable de densité du liquide déterminée à partir des mesures de niveaux de flottaison et/ou de pressions et au moins une autre variable parmi les variables suivantes : dégagement gazeux, déterminée à partir des mesures de pressions, conductivité et/ou permittivité électriques du liquide déterminées à partir des mesures électriques, mouvement du liquide déterminé à partir des mesures d’accélération, PH et/ou potentiel redox déterminés à partir des mesures électriques, oxygène et/ou CO 2 dissout déterminés à partir des mesures électriques et/ou mesures optiques, spectre d’absorption optique et/ou pouvoir rotatoire déterminés à partir des mesures optiques. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (11) est configuré pour commander la régulation du réacteur biochimique par au moins une action parmi les actions suivantes : modification de la vitesse d’agitation, modification de la température, modification du débit d’apport en oxygène, apport de nutriments ou autres éléments d’activation ou de stabilisation du processus biochimique, apport de levures ou de souches bactériennes. Système selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (11) est configuré pour : - prédire auxdits instants successifs des vecteurs prédictifs de variables physiques en fonction desdits vecteurs de variables physiques précédents issus des mesures, - prédire auxdits instants successifs des mesures anticipatives en fonction desdits vecteurs prédictifs de variables physiques, -calculer auxdits instants successifs des écarts de mesures entre les mesures anticipatives et les mesures réelles correspondantes, -corriger auxdits instants successifs les vecteurs de variables physiques en fonction desdits écarts de mesures, -déterminer auxdits instants successifs des vecteurs d’actions de régulation en fonction desdits vecteurs de variables physiques correspondants, et -commander la régulation du réacteur biochimique en déclenchant auxdits instants successifs des actions de régulation basées sur lesdits vecteurs d’actions de régulation. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (11) est configuré pour déterminer les vecteurs d’actions de régulation en fonction des vecteurs prédictifs de variables physiques en cas de défaut de mesures par le dispositif de mesure (8). Système selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (11) est configuré pour - prédire chaque vecteur prédictif de variables physiques en utilisant une première fonction f temporelle définissant des valeurs de variables physiques en connaissance de leurs valeurs à un instant de temps précédent, ladite première fonction f étant prédéterminée par un modèle de Markov standard d'ordre d’au moins 1, - prédire chaque mesure anticipative en utilisant une deuxième fonction g associant les mesures réalisées par le flotteur aux variables physiques à un instant de temps donné, ladite deuxième fonction g étant prédéterminée par des équations liant les mesures réalisées par le dispositif de mesure et les variables physiques, et - détermination de chaque vecteur d’actions de régulation en utilisant une troisième fonction h définissant une correspondance entre les actions à réaliser et les valeurs des variables physiques à un instant de temps donné, ladite troisième fonction h étant prédéterminée par une sélection préalable de seuils de déclenchement d’actions. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comporte une base de données construite lors d’une phase d’apprentissage de régulation comportant des données de correspondance entre des mesures réalisées par le dispositif de mesure et des actions réalisées dans la cuve, lesdites données de correspondance étant générées automatiquement par un processus d’apprentissage, et en ce qu’au moins l’une quelconque des première, deuxième et troisième fonctions est déterminée à partir desdites données de correspondance acquises depuis ladite base de données. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (11) est configuré en outre pour construire un modèle d’apprentissage de propriété définissant des liens associant des propriétés du produit final en fonction des variables physiques et caractéristiques correspondantes. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (11) est configuré pour déterminer lesdits liens par estimation d’une fonction d’apprentissage au moyen d’un modèle statistiques de type régression polynomiale, ou modèle à noyau, ou réseau de neurones. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de mesure comporte au moins une sonde (13a, 13b) de température, et un capteur de pression différentielle (151) comprenant deux tubes (151a, 151b) reliés de longueur différentes. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de mesure est intégré dans un flotteur (9) comportant : - au moins une sonde (13a, 13b) de température, - un capteur de pression différentielle (151) disposé sur la partie basse du flotteur (9) et comprenant deux tubes (151a, 151b) reliés de longueur différentes, - au moins deux capteurs électromagnétiques (153a, 153b) comportant des armatures fixées sur les parois du flotteur, - un capteur de mouvement (152) configuré pour mesurer les mouvements du liquide, - un module de communication (19) sans fils comprenant une antenne (20) disposée sur la partie haute du flotteur, le module de communication (19) étant destiné à transmettre les données relatives aux mesures réalisées par les capteurs, - un module de gestion de l’énergie (21) comprenant un moyen d’alimentation électrique disposé dans la partie basse du flotteur, et - un circuit électronique (17) relié à tous les capteurs et éléments électroniques intégrés dans le flotteur, le circuit électronique comprenant un microprocesseur (171) destiné à gérer l’acquisition de l’ensemble des capteurs et la transmission des données. Système selon la revendication 14, caractérisé en ce qu’il comporte un module (31) de calibration et de recharge inductive destiné à calibrer le flotteur (9) et à télé-recharger le moyen d’alimentation intégrée dans le flotteur, ledit module (31) de calibration et de recharge inductive étant compris dans un étui (33) de protection du flotteur. Procédé de surveillance in-situ d’un processus biochimique dans un réacteur comprenant une cuve (5) destinée à recevoir un liquide (7), caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : - réaliser à des instants successifs des mesures relatives au processus biochimique, - transmettre auxdits instants successifs des données d’observation représentatives d’au moins la température et la densité du liquide, et - commander auxdits instants successifs la régulation du réacteur biochimique en fonction desdites données d’observation.