FR2683632A1 - Biological-reagent sensor for the in-situ monitoring of the toxicity of water effluents - Google Patents
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Abstract
Description
Capteur à réactif biologique pour le contrôle in situ de la toxicité des effluents hydriques.Biological reagent sensor for in situ control of the toxicity of water effluents.
La présente invention, réalisée par le laboratoire de toxicologie du Centre des Sciences de l'Environnement de l'Université de Metz, concerne le domaine de la protection et de la surveillance de l'environnement, plus particulièrement le contrôle des milieux hydriques, et a pour objet un capteur à réactif biologique pour le contrôle in situ de la toxicité des effluents hydriques. The present invention, produced by the toxicology laboratory of the Center for Environmental Sciences of the University of Metz, relates to the field of environmental protection and monitoring, more particularly the control of water environments, and to for object a biological reagent sensor for the in situ control of the toxicity of water effluents.
Ce type de contrôles s'adresse plus spécifiquement aux effluents en sortie des industries, d'établissements classés de stations d'épuration ou similaires, avant leur rejet dans les milieux aquatiques. Ces contrôles s'appliquent également aux eaux en entrée de station de potabilisation, en vue d'apprécier la qualité des eaux de surface ou des eaux souterraines utilisées pour la production d'eaux d'alimentation. This type of control is more specifically intended for effluents leaving industries, classified establishments of treatment plants or the like, before their discharge into aquatic environments. These controls also apply to water entering the drinking water treatment plant, in order to assess the quality of surface water or groundwater used for the production of feedwater.
Actuellement, le controle des effluents chargés en polluants d'origine industrielle ou agricole, des milieux hydriques et celui des eaux susceptibles de recueillir des effluents contaminés, sont, dans la plupart des cas, effectués sporadiquement par l'intermédiaire d'analyses d'échantillons prélevés régulièrement, mais à des intervalles de temps généralement importants, ne permettant pas de détecter une pollution des milieux hydriques dès son apparition, et souvent après constatation des effets de ladite pollution sur l'environnement et, éventuellement, sur l'homme. Currently, the control of effluents loaded with pollutants of industrial or agricultural origin, water environments and that of waters likely to collect contaminated effluents, are, in most cases, carried out sporadically by means of sample analyzes. sampled regularly, but at generally long time intervals, not allowing pollution of water environments to be detected as soon as it appears, and often after observation of the effects of said pollution on the environment and, possibly, on humans.
Il existe également différents types de capteurs pouvant être installés in situ et détectant automatiquement une pollution spécifique des milieux hydriques à surveiller. Néanmoins, ces capteurs existant se présentent sous la forme de systèmes volumineux, spécialisés et sensibles aux perturbations extérieures, nécessitant une maintenance suivie et des contrôles de fonctionnement fréquents. There are also different types of sensors that can be installed in situ and automatically detect specific pollution of the water environments to be monitored. However, these existing sensors are in the form of large, specialized systems sensitive to external disturbances, requiring ongoing maintenance and frequent operating checks.
Le problème posé à la présente invention consiste à réaliser un capteur pour le contrôle in situ de la toxicité des milieux hydriques, à fonctionnement automatique continu ou semi-continu, permettant une détection en temps réel d'une pollution quelconque néfaste pour les êtres vivants, ledit capteur présentant, en outre, une grande fiabilité, une autonomie de fonctionnement importante ainsi qu'une faible sensibilité aux perturbations extérieures. The problem posed by the present invention consists in producing a sensor for the in situ control of the toxicity of water environments, with automatic continuous or semi-continuous operation, allowing real-time detection of any pollution harmful to living beings, said sensor further having high reliability, long operating autonomy and low sensitivity to external disturbances.
A cet effet, elle a pour objet un capteur à réactif biologique, notamment pour le contrôle in situ de la toxicité des effluents complexes, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué, d'une part, par au moins une sonde consistant essentiellement, chacune, en une fibre optique dont l'extrémité est recouverte d'une membrane translucide supportant une culture de bactéries luminescentes immobilisées, la ou lesdites sondes pouvant être alimentée(s), soit en fluide à contrôler, soit en fluide de régénération, par l'intermédiaire de différents circuits de circulation de fluides; sélectionnés au moyen de vannes actionnables, d'autre part, par des dispositifs de régulation de certaines caractéristiques physiques et/ou chimiques du fluide à contrôler, disposés en amont de la ou des sondes, et, enfin, par un dispositif de traitement et d'analyse du ou des signaux fournis par la ou les sondes. To this end, it relates to a biological reagent sensor, in particular for the in situ control of the toxicity of complex effluents, characterized in that it is mainly constituted, on the one hand, by at least one probe consisting essentially, each, made of an optical fiber, the end of which is covered with a translucent membrane supporting a culture of immobilized luminescent bacteria, the said probe or probes being able to be supplied either with the fluid to be checked or with the regeneration fluid, by the 'through various fluid circulation circuits; selected by means of actuatable valves, on the other hand, by devices for regulating certain physical and / or chemical characteristics of the fluid to be controlled, arranged upstream of the probe (s), and, finally, by a device for processing and analysis of the signal (s) supplied by the probe (s).
L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels:
la figure 1 est une vue schématique du capteur conforme à l'invention;
la figure 2 est une vue identique à celle de la figure 1, le capteur étant configuré différemment, et,
la figure 3 est une vue à plus grande échelle d'une sonde faisant partie du capteur selon l'invention.The invention will be better understood from the description below, which relates to a preferred embodiment, given by way of nonlimiting example, and explained with reference to the appended schematic drawings, in which:
Figure 1 is a schematic view of the sensor according to the invention;
FIG. 2 is a view identical to that of FIG. 1, the sensor being configured differently, and,
Figure 3 is an enlarged view of a probe forming part of the sensor according to the invention.
Conformément à l'invention, et comme le montrent les figures 1 et 2 des dessins annexés, le capteur 1 est principalement constitué, d'une part, par au moins une sonde 2, 2' consistant essentiellement, chacune, en une fibre optique 13 dont l'extrémité 14 est recouverte d'une membrane translucide 15 supportant une culture de bactéries luminescentes immobilisées, la ou lesdites sondes 2, 2' pouvant être alimentée(s), soit en fluide à contrôler, soit en fluide de régénération; par l'intermédiaire de différents circuits 3, 4 de circulation de fluides, sélectionnés au moyen de vannes 5, 6 actionnables, d'autre part, par des dispositifs de régulation 7, 8, 9, 10 de certaines caractéristiques physiques et/ou chimiques du fluide à contrôler, disposés en amont de la ou des sondes 2, 2', et, enfin, par un dispositif 11, 12 de traitement et d'analyse du ou des signaux fournis par la ou les sondes 2, 2'. According to the invention, and as shown in Figures 1 and 2 of the accompanying drawings, the sensor 1 is mainly constituted, on the one hand, by at least one probe 2, 2 'consisting essentially, each, of an optical fiber 13 the end 14 of which is covered with a translucent membrane 15 supporting a culture of immobilized luminescent bacteria, the said probe (s) 2, 2 'being able to be supplied either with the fluid to be checked or with the regeneration fluid; by means of different circuits 3, 4 for circulation of fluids, selected by means of valves 5, 6 actuable, on the other hand, by regulating devices 7, 8, 9, 10 of certain physical and / or chemical characteristics of the fluid to be checked, arranged upstream of the probe (s) 2, 2 ', and, finally, by a device 11, 12 for processing and analyzing the signal (s) supplied by the probe (s) 2, 2'.
Les bactéries utilisées sont préférentiellement du type "Photobacterium phosphoreum", très sensibles à une grande variété de substances toxiques pour les espèces aquatiques, la présence de ces substances toxiques entraînant une baisse plus ou moins importante de la luminosité des dites bactéries, fonction de la concentration desdites substances dans le milieu à analyser, et éventuellement la mort desdites bactéries. La diminution de la luminescence est très rapide et se stabilise au bout de quelques minutes. The bacteria used are preferably of the "Photobacterium phosphoreum" type, very sensitive to a wide variety of substances toxic to aquatic species, the presence of these toxic substances causing a more or less significant drop in the brightness of said bacteria, depending on the concentration said substances in the medium to be analyzed, and possibly the death of said bacteria. The decrease in luminescence is very rapid and stabilizes after a few minutes.
Ainsi, en fixant ces bactéries à l'extrémité d'une fibre optique, par l'intermédiaire d'un support ou d'une membrane translucide, il est possible d'enregistrer directement la diminution de luminescence et de réaliser une mesure en temps réel de la toxicité du milieu auquel sont exposées ces bactéries. Thus, by fixing these bacteria to the end of an optical fiber, by means of a support or a translucent membrane, it is possible to directly record the reduction in luminescence and to carry out a measurement in real time. the toxicity of the environment to which these bacteria are exposed.
L'extrémité 14 de la fibre optique 13 est avantageusement montée, par l'intermédiaire d'un moyen de fixation 16 étanche et amovible, dans une cellule de contrôle 17 traversée en permanence par I'un des deux fluides en circulation, la membrane translucide 15 étant maintenue appliquée sur ladite extrémité 14 grâce à un élément de serrage 18 amovible. The end 14 of the optical fiber 13 is advantageously mounted, by means of a waterproof and removable fixing means 16, in a control cell 17 permanently traversed by one of the two fluids in circulation, the translucent membrane 15 being kept applied to said end 14 by means of a removable clamping element 18.
Le moyen de fixation 16 devra être ajustable à des fibres optiques 13 de différentes grosseurs, fonction, notamment, de la sensibilité du contrôle à effectuer, et le moyen de serrage 18 pourra se présenter, par exemple, sous la forme d'une bague. The fastening means 16 must be adjustable to optical fibers 13 of different sizes, depending, in particular, on the sensitivity of the control to be performed, and the tightening means 18 may be, for example, in the form of a ring.
Conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention, représenté aux figures 1 et 2 des dessins annexés, le capteur 1 comporte deux sondes 2 et 2' alimentées alternativement et de manière complémentaire, par l'intermédiaire de tuyaux calibrés 19, 19', 20, 21, en fluide à contrôler, dérivé du flux principal, et en fluide de régénération, provenant d'un réservoir 23 amovible. According to a preferred embodiment of the invention, shown in Figures 1 and 2 of the accompanying drawings, the sensor 1 comprises two probes 2 and 2 'supplied alternately and in a complementary manner, via calibrated pipes 19, 19' , 20, 21, in fluid to be controlled, derived from the main flow, and in regeneration fluid, coming from a removable reservoir 23.
Ainsi chaque sonde 2, 2' ne fonctionne que par intermittence, en opposition de phase l'une par rapport à l'autre, tout en permettant au capteur 1 de fonctionner en continu, sans interruption. En outre, en soumettant chacune des sondes 2, 2', à intervalles réguliers, à une phase de régénération, il est possible d'augmenter considérablement la durée d'utilisation desdites sondes 2, 2', d'où résulte une maintenance peu contraignante dudit capteur 1. Thus each probe 2, 2 'operates only intermittently, in phase opposition to each other, while allowing the sensor 1 to operate continuously, without interruption. In addition, by subjecting each of the probes 2, 2 ′, at regular intervals, to a regeneration phase, it is possible to considerably increase the duration of use of said probes 2, 2 ′, which results in less restrictive maintenance. of said sensor 1.
Les configurations des circuits 3 et 4 de circulation du fluide à contrôler et du fluide de régénération sont déterminées, d'une part, au moyen d'une vanne 5 à quatre voies et à deux états et, d'autre part, au moyen de deux vannes 6 à deux voies et à deux états, disposées, respectivement, en amont et en aval des sondes 2, 2' le débit des fluides dans lesdits circuits 3, 4 étant réglé par une pompe péristaltique 24 multicanaux. The configurations of the circuits 3 and 4 for circulation of the fluid to be controlled and of the regeneration fluid are determined, on the one hand, by means of a four-way valve with two states and, on the other hand, by means of two two-way, two-state valves 6, disposed respectively upstream and downstream of the probes 2, 2 ′, the flow rate of the fluids in said circuits 3, 4 being regulated by a multi-channel peristaltic pump 24.
Le passage d'une configuration à l'autre peut avantageusement être réalisé au moyen d'un dispositif à temporisation 25 commandant la commutation des vannes 5 et 6 d'un premier état en un second état et vice et versa. The transition from one configuration to another can advantageously be carried out by means of a time-delay device 25 controlling the switching of the valves 5 and 6 from a first state to a second state and vice versa.
Dans le configuration du capteur 1 selon la figure 1 des dessins annexés, le tuyau 20 irrigue la sonde 2 en fluide à contrôler provenant d'un tuyau de dérivation 21 et évacué par un tuyau de sortie 22, alors que le tuyau 20', irrigant la sonde 2', est intégré dans le circuit 4 fermé de circulation du fluide de régénération comprenant, notamment, les tuyaux d'alimentation 19 et de retour 19' ainsi que le réservoir 23. In the configuration of the sensor 1 according to FIG. 1 of the appended drawings, the pipe 20 irrigates the probe 2 with fluid to be controlled coming from a bypass pipe 21 and discharged by an outlet pipe 22, while the pipe 20 ′, irrigating the probe 2 'is integrated in the closed circuit 4 for circulation of the regeneration fluid comprising, in particular, the supply and return pipes 19' and the reservoir 23.
Par contre, sur la figure 2 des dessins annexés, c'est la sonde 2 qui est irriguée par le fluide de régénération, alors que le tuyau 20' alimentant la sonde 2' fait partie du circuit 3 de circulation du fluide à contrôler. By cons, in Figure 2 of the accompanying drawings, it is the probe 2 which is irrigated by the regeneration fluid, while the pipe 20 'supplying the probe 2' is part of the circuit 3 for circulation of the fluid to be checked.
Les circuits 3 et 4 de circulation du fluide à contrôler et du fluide de régénération sont respectivement représentés en traits interrompus et en traits continu sur les figures 1 et 2. The circuits 3 and 4 for circulation of the fluid to be checked and of the regeneration fluid are respectively shown in broken lines and in solid lines in FIGS. 1 and 2.
Lors de chaque changement de configuration, une partie au moins des circuits 3, 4 et, notamment, les tuyaux 20, 20' irrigant les sondes 2, 2' pourront, éventuellement, être soumis à un rinçage par un liquide désinfectant, inoffensif pour les bactéries utilisées, puis à un rinçage à l'eau distillée, afin d'éliminer, notamment, tout risque de contamination du circuit 4 de circulation du fluide de régénération. At each change of configuration, at least part of the circuits 3, 4 and, in particular, the pipes 20, 20 'irrigating the probes 2, 2' may possibly be subjected to rinsing with a disinfectant liquid, harmless to them. bacteria used, then rinsing with distilled water, in order to eliminate, in particular, any risk of contamination of the circuit 4 for circulation of the regeneration fluid.
La mise en oeuvre d'une pompe péristaltique 24 multicanaux, permet d'obtenir un débit de circulation uniforme et identique dans les deux circuits 3, 4, déterminé par le calibrage des tuyaux 19, 19', 20, 20', 21 et 22. The use of a multi-channel peristaltic pump 24 makes it possible to obtain a uniform and identical circulation flow in the two circuits 3, 4, determined by the calibration of the pipes 19, 19 ', 20, 20', 21 and 22 .
Selon une caractéristique de l'invention, représentée également sur les figures 1 et 2 des dessins annexés, au moins les sondes 2, 2', la pompe péristaltique 24, les vannes 5, 6, le circuit 4 de circulation du fluide de régénération et une partie du circuit 3 de circulation du fluide à contrôler sont disposés dans un boîtier 26 étanche, thermorégulé et opaque à la lumière. According to a characteristic of the invention, also shown in Figures 1 and 2 of the accompanying drawings, at least the probes 2, 2 ', the peristaltic pump 24, the valves 5, 6, the circuit 4 for circulation of the regeneration fluid and a part of the circuit 3 for circulation of the fluid to be checked are arranged in a sealed housing 26, thermoregulated and opaque to light.
Un tel boîtier 26, réalisé préférentiellement en un matériau chimiquement inerte, permet de conserver une température de fonctionnement optimale pour les sondes 2, 2' à réactif biologique, de limiter au maximum les risques de contamination par le milieu externe et d'éviter les interférences des ondes lumineuses du milieu extérieur avec les signaux optiques délivrés par les sondes 2, 2'. Such a housing 26, preferably made of a chemically inert material, makes it possible to maintain an optimal operating temperature for the probes 2, 2 ′ with biological reagent, to minimize the risks of contamination by the external environment and to avoid interference. light waves from the outside environment with the optical signals delivered by the probes 2, 2 '.
Conformément à une caractéristique de l'invention, les dispositifs de régulation de certaines caractéristiques du fluide à contrôler consistent, d'une part, en un régulateur de température 7, d'autre part, en un régulateur de pH 8 et, enfin, en un dispositif de filtrage 9, traversés par le fluide à contrôler avant son amenée au niveau des sondes 2, 2'
Les dispositifs de régulation permettent d'éliminer, par filtration grossière ou tangentielle, les matières solides en suspension et, de garantir une température et un pH constants du fluide à contrôler, situés en permanence dans des plages optimales pour le fonctionnement des sondes 2, 2', évitant toute variation de luminosité accidentelle des bactéries, non générée par la présence de substances toxiques dans le fluide à contrôler.In accordance with a characteristic of the invention, the devices for regulating certain characteristics of the fluid to be controlled consist, on the one hand, of a temperature regulator 7, on the other hand, of a pH regulator 8 and, finally, of a filtering device 9, crossed by the fluid to be checked before it is brought to the level of the probes 2, 2 '
The regulation devices make it possible to remove, by coarse or tangential filtration, the suspended solids and, to guarantee a constant temperature and pH of the fluid to be controlled, permanently located in optimal ranges for the operation of the probes 2, 2 ', avoiding any accidental variation in luminosity of the bacteria, not generated by the presence of toxic substances in the fluid to be checked.
Ainsi dans le cas dù Photobacterium phosphorez le pH devra être compris entre 6 et 8 et la température entre 150 C et 20 C. So in the case of Photobacterium phosphorus the pH should be between 6 and 8 and the temperature between 150 C and 20 C.
Selon une autre caractéristique de l'invention, également représentée sur les figures 1 et 2 des dessins annexés, le capteur I comporte également un régulateur de salinité 10 du fluide à contrôler, composé d'un réservoir 27 alimentant, par l'intermédiaire de la pompe péristaltique 24, une cellule de mélange 28 traversée par Ie fluide à contrôler et reliée au tuyau de dérivation 21. According to another characteristic of the invention, also shown in FIGS. 1 and 2 of the appended drawings, the sensor I also includes a salinity regulator 10 of the fluid to be checked, composed of a reservoir 27 supplying, via the peristaltic pump 24, a mixing cell 28 traversed by the fluid to be checked and connected to the bypass pipe 21.
Le milieu nutritif, contenu sous forme concentrée dans le réservoir 27 et servant à salifier le fluide à contrôler, est, par conséquent, dilué de manière uniforme dans ledit fluide et ce en fonction du débit de circulation dudit fluide. The nutritive medium, contained in concentrated form in the reservoir 27 and serving to salify the fluid to be controlled, is therefore diluted uniformly in said fluid and this as a function of the circulation rate of said fluid.
les réservoirs 23 et 27 devront être aisément interchangeables et pouvoir être remplis axéniquement hors du boîtier 26, afin d'assurer une conservation du milieu nutritif et du fluide de régénération dans des conditions stériles. Lesdits réservoiispourront également se présenter sous forme de poches scellées renfermant sous forme lyophilisée les constituants du fluide de régénération et du milieu nutritif, reconstitués avant utilisation par addition d'eau déminéralisée. the tanks 23 and 27 must be easily interchangeable and able to be filled axenically out of the housing 26, in order to ensure conservation of the nutritive medium and of the regeneration fluid under sterile conditions. Said reservoirs can also be in the form of sealed bags containing in lyophilized form the constituents of the regeneration fluid and the nutritive medium, reconstituted before use by addition of demineralized water.
Comme le montrent également les figures 1 et 2 des dessins annexés, le dispositif de traitement et d'analyse est composé, d'une part, d'un photomultiplicateur 11 à l'entrée duquel sont connectées les fibres optiques 13 transportant les signaux optiques issus des sondes 2, 2', d'autre part, d'un dispositif informatique 12, emmagasinant et analysant les signaux optiques amplifiés par ledit photomultiplicateur 11, et, enfin, un dispositif d'alarme 12' actionnable par ledit dispositif informatique 12. As also shown in Figures 1 and 2 of the accompanying drawings, the processing and analysis device is composed, on the one hand, of a photomultiplier 11 at the input of which are connected the optical fibers 13 transporting the optical signals from probes 2, 2 ', on the other hand, of a computer device 12, storing and analyzing the optical signals amplified by said photomultiplier 11, and, finally, an alarm device 12' actuable by said computer device 12.
La baisse de luminosité des bactéries, due à une substance toxique présente dans le fluide à contrôler, est donc enregistrée et la vitesse de décroissance de l'extrémité du signal optique est comparée à des valeurs limites, au-delà desquelles l'alarme est déclenchée. La prise en compte de la vitesse de variation du signal, permet de s'affranchir de la baisse d'intensité du signal due au vieillissement des sondes 2, 2'. The decrease in luminosity of the bacteria, due to a toxic substance present in the fluid to be controlled, is therefore recorded and the speed of decay of the end of the optical signal is compared with limit values, beyond which the alarm is triggered . By taking into account the speed of variation of the signal, it is possible to overcome the drop in signal intensity due to the aging of the probes 2, 2 '.
Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, le capteur 1 comporte, en outre, d'une part, un dispositif 29 d'évacuation du fluide contrôlé, essentiellement composé d'un tuyau de sortie 22, d'une pompe péristaltique 30 et d'une cellule de vidange 31 et, d'autre part, des dispositifs de contrôle de la continuité de circulation des fluides et de l'étanchéité du boîtier 26 et des circuits 3, 4 de circulation, reliés au dispositif 12 d'analyse et permettant de relever tout dysfonctionnement dudit capteur I. According to an additional characteristic of the invention, the sensor 1 further comprises, on the one hand, a device 29 for evacuating the controlled fluid, essentially composed of an outlet pipe 22, a peristaltic pump 30 and d '' a drain cell 31 and, on the other hand, devices for controlling the continuity of circulation of the fluids and the tightness of the housing 26 and of the circulation circuits 3, 4, connected to the analysis device 12 and allowing to detect any malfunction of said sensor I.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments, ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. Of course, the invention is not limited to the embodiment described and shown in the accompanying drawings. Modifications remain possible, in particular from the point of view of the constitution of the various elements, or by substitution of technical equivalents, without thereby departing from the scope of protection of the invention.
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|---|---|
| FR2683632B1 (en) | 1994-01-28 |
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