Depuis plusieurs années, NéoSENS SA travaille sur le développement de capteurs de biofim/d'encrassement en collaboration avec des partenaires universitaires et scientifiques. Aujourd'hui, la société dispose d'une gamme complémentaire de trois technologies de mesure pour le contrôle en ligne, en continu et en temps réel du biofilm/encrassement/dépôt dans les eaux de procédés industriels. Les applications ciblées sont l'évaluation du risque légionelle dans les tours aéroréfrigérantes, l'optimisation des décharges chimiques dans les circuits de refroidissement et le contrôle du slime/dépôt dans les industries papetières.
, Ingénieur R&D, Chef de projet “Biofilm”, NéoSENS SA
NéoSENS, société d'innovation technologique et spécialisée dans l'instrumentation physico-chimique pour les milieux liquides, a relevé l’enjeu de développer des capteurs pour la détection et la mesure de biofilm et/ou d’encrassement correspondant aux attentes et aux exigences des industriels.
À ce jour, trois produits sous la gamme Biomosys™ décrivent le concept : systèmes de mesure et de surveillance en ligne, en continu, en temps réel, 7/7 24/24 du biofilm et de l’encrassement se produisant dans les circuits industriels de refroidissement et de procédés industriels. Les trois capteurs sont issus de plusieurs années de développement et collaborations étroites avec de nombreux partenaires scientifiques (LAAS-CNRS, LGC et INRA) afin de réaliser des composants de mesure en technologies Microsystèmes (MEMS).
Des produits de hautes technologies…
Les trois produits, baptisés respectivement Biomosys™-TN, Biomosys™-TK et
Tableau 1 : Des technologies nouvelles au service de l’application
| Biomosys™-TN | Détection rapide et précoce du biofilm. Surveillance et détection, fonctions d’alerte. |
|---|---|
| Biomosys™-TK | Mesure qualitative et semi-quantitative d'encrassements épais. Surveillance en continu de procédés industriels. |
| Biomosys™-HW | Mesure quantitative d’encrassements épais en conditions sévères. Surveillance et qualification en ligne des cycles de nettoyage. |
Biomosys™-HW sont complémentaires dans leurs performances métrologiques pour couvrir toute la gamme de formation et de développement du biofilm ainsi que l'ensemble des besoins identifiés (cf. tableau 1).
Les systèmes Biomosys™ sont conçus selon une approche industrielle, de robustesse, de performances, d’allégement de la maintenance et de simplicité d'utilisation : une à plusieurs sondes de mesure (inox 316L, IP 68) reliées à un transmetteur industriel mural (affichage local, retransmission, gestion des alertes) tel que représenté en figure 1. Ils offrent les avantages suivants :
- Retranscription/recopie des mesures et alertes vers le superviseur (des alertes ou des actions de nettoyages peuvent être paramétrées et déclenchées automatiquement, connaissance critique de l’épaisseur de biofilm/dépôt selon l'application),
- Implantation aisée sur tout circuit existant (piquage ou by-pass) ; adaptabilité de la sonde au support existant de capteurs,
- Capteurs sans maintenance et simples d'utilisation : l’opérateur est libéré de contraintes particulières liées à la calibration, maintenance, réparation/régénération des sondes ; installation aisée et rapide (maniabilité des systèmes),
- Systèmes intégrables aux outils de surveillance déjà existants (GTC, Palm, PC avec logiciel spécifique ou Plug-in, etc.),
- Résistance à l'environnement (matériaux inaltérables, résistance aux milieux agressifs tels que les hydrocarbures, fonctionnement possible en conditions sévères de température et pression),
- Adaptation rapide et flexibilité du système pour chaque application : mesure portable, mesure en ligne, multi-sondes, automatisation et supervision, stockage et transmission de données, systèmes autonomes, systèmes étanches ou anti-déflagrants.
Les capteurs Biomosys™ sont issus de développements spécifiques réalisés en technologies Microsystèmes pour obtenir les structures et géométries de capteurs (ultra-micro électrodes) nécessaires pour les paramètres de mesure envisagés (biofilm et encrassement en ligne). À l'inverse, l'emploi de ces technologies confère une très grande répétabilité et qualité de fabrication. Les procédés de « fabrication collective » (production à l'identique et en même temps de grandes séries de composants) répondent également aux attentes industrielles de réduction des coûts de production.
Vers une surveillance en continu du risque légionelle
L’apparition inévitable de biofilms dans tous les systèmes industriels mettant en œuvre de l'eau naturelle, potable, voire stérile et ultrapure provoque de multiples effets néfastes qui sont maintenant de mieux en mieux identifiés. Les problèmes issus du développement des biofilms sont nombreux. Ils favorisent le développement d’agents pathogènes (Légionelle), accélèrent l’oxydation des circuits, obstruent les canalisations. Afin de prévenir ces problèmes, les industriels injectent dans les canalisations des doses massives de biocides (chlore, brome...). Les coûts induits sont importants et l'impact sur l'environnement non négligeable.
Concernant la détection des Légionelles (tours aéroréfrigérantes), les techniques utilisées sont basées sur un prélèvement local et une analyse biologique en laboratoire (techniques analytiques discontinues comme la PCR, le dénombrement sur milieu de culture approprié) ou par le biais d'un kit de mesure spécifique (ATPmétrie, ...).
Le système Biomosys™-TN correspond aux besoins scientifiques et industriels de mieux contrôler et appréhender l'apparition des biofilms afin de déterminer les processus locaux et d’optimiser l'utilisation de biocides en surveillant leur activité (asservissement de l'injection de biocide à la détection précoce du biofilm). Il vient en parfait complément des analyses normées, par prélèvement, qui fournissent des informations ponctuelles précises. Biomosys™-TN produit une information d’alerte et de surveillance en continu sur l’état du réseau.
De plus, les capteurs « miniatures » ont l’avantage de pouvoir être placés facilement dans les réseaux et réagir en temps réel aux modifications du biofilm suite par exemple à l’injection de désinfectants. Il répond donc aux attentes des industriels spécialisés dans le contrôle et le traitement de l'eau.
Le système Biomosys™-TN reprend le principe de mesure d'un macro-capteur électrochimique existant ayant démontré l’efficacité industrielle du principe. Toutefois, ce macro-capteur ne peut être utilisé qu’en eau de mer et il exige des eaux de très forte conductivité. Ce verrou technologique a été levé en élargissant le domaine d’application à tous milieux aqueux (même de conductivité ionique extrêmement faible) en créant un microcapteur sur les bases des technologies microsystèmes et en développant des structures et géométries spécifiques. Grâce à sa faible surface active (microélectrodes), le capteur va très vite saturer ; le biofilm peut continuer à épaissir alors que le capteur a atteint son niveau de saturation. En fait, le capteur tire tout son intérêt de son exceptionnelle capacité à détecter et à suivre la phase de développement « précoce ».
des biofilms. Il s'agit d'une mesure qualitative, ce que nous cherchons à mesurer étant le taux de recouvrement des microélectrodes par le biofilm (%).
Son utilisation principale reste la prévention de la légionelle dans les circuits de refroidissement des tours aéroréfrigérantes (TAR), en milieu hospitalier et dans les réseaux d'eau chaude sanitaire. Prenons l’exemple de l'utilisation d’un tel système dans les circuits de refroidissement des TAR, l'impact sera d’ordre :
- • Économique : en réduisant les produits de traitement utilisés (produits oxydants, biocides) et en limitant les arrêts d’installation (obligatoires si contaminations en légionelles supérieures à 10⁵ UFC/l) ;
- • Environnemental : en limitant les rejets de sous-produits toxiques ;
- • Sanitaire : en permettant d’assurer en tout temps une bonne qualité des eaux circulantes ;
- • Réglementaire : en permettant d’assurer le respect de la législation et des arrêtés préfectoraux (1 700 arrêtés préfectoraux de 1999 à 2003 pour les exploitants des TAR).
Le système peut également être utilisé dans les réseaux de distribution d’eau potable pour éviter les problèmes de contamination microbiologique.
Vers une optimisation du traitement des eaux de process
Un autre problème auquel les industriels se confrontent concerne les phénomènes d’encrassement dans leurs unités de production et de procédés, liés ou non à la présence d’un biofilm.
Dans les industries de procédés (industrie agroalimentaire, pétrochimie, environnement, etc.), les opérations de pompage et de transformation sont fondamentales et omniprésentes. Durant ces opérations unitaires, les produits évoluent (réactions chimiques et biochimiques, croissances microbiennes, traitements thermiques, etc.) induisant dans de nombreux cas des phénomènes d’encrassement des équipements avec des cinétiques et des intensités variant respectivement de quelques heures à quelques années et de quelques micromètres à quelques centimètres.
Le contrôle, la compréhension et la maîtrise de l'encrassement (dépôt minéral ou organique, développement de biofilm) constituent des enjeux scientifiques et techniques indéniables avec des applications industrielles évidentes dans la plupart des procédés : rendement énergétique, sécurité sanitaire et qualité des produits, performances et efficacité des opérations. L’encrassement s'accroît avec la durée d'utilisation, ce qui entraîne une réduction du rendement du procédé et conduit parfois à rendre inefficace l'installation nécessitant son arrêt pour nettoyage (exemple des “slimes” dans les industries papetières).
Différents systèmes de mesure du niveau d'encrassement sont d’ores et déjà connus et peuvent s’avérer plus ou moins satisfaisants (mesures globales ou locales, précision et robustesse de la mesure, estimation de l’épaisseur de dépôt) et peuvent parfois présenter l’inconvénient d’être complexes tant en terme de conception que de mise en œuvre.
Les systèmes Biomosys™-TK et Biomosys™-HW ont été développés pour étudier et quantifier localement et en ligne l'intensité des phénomènes d'encrassement et/ou pour suivre l'efficacité du nettoyage dans des procédés continus et discontinus.
Également issu des technologies microsystèmes, le système Biomosys™-TK concerne un capteur dont le mode de fonctionnement repose sur le principe d'un “sondage électrique”. La mesure du biofilm « mature » est basée sur une mesure dérivée de conductivité sur des canaux de multi-électrodes.
La chaîne de mesure du capteur comprend également un boîtier électronique de contrôle, d’acquisition et de traitement du signal ainsi qu'un logiciel développé spécifiquement permettant de suivre et de quantifier en ligne, en temps réel et en continu, l'épaisseur de dépôt se formant et évoluant sur la surface sensible dudit capteur.
En complément des précédents systèmes, l’utilisation du Biomosys™-HW ne se limite pas uniquement aux milieux aqueux mais s’étend à tous milieux liquides (eaux, hydrocarbures, boues d’eau résiduaire, produits …).
Tableau 2 : Spécificités techniques des produits Biomosys™
| Features | Biomosys-TN | Biomosys-TK | Biomosys-HW |
|---|---|---|---|
| Medium | Aerobic water | Water | Liquids |
| Fouling stage detection | Early | Growth/Mature | Growth/Mature |
| Measurement | 0…100 µm (%) | 0,5…5,0 mm @ 0,1 µm (mm) | 0,01…10,0 µm @ 5 µm (mm, T°C) |
| Wallmount transmitter | Yes | Yes | Yes |
| # probes | 1 à 4 | 1 | 1 |
| Applications | Legionella risk assessment | Paper industry / Chemical discharges | Drinking/tap water / Food industry |
pâteux d'origine alimentaire…). Le mode de fonctionnement de ce capteur est basé sur le principe du « fil chaud » simple à installer et à utiliser. Il s'agit d'un capteur qui permet de suivre l’encrassement de n’importe quel organe d'une installation de traitement d’un fluide : tubulure de communication fluidique et tout type de réacteur (échangeur de chaleur, réacteur de chambrage…).
Ce capteur a été développé, caractérisé et validé en procédés agro-alimentaires. Il fournit des informations locales, ce qui permet une exploration précise et fiable des zones d'encrassement, et une optimisation de la géométrie des installations. Simple et robuste, il se positionne aisément sur les lignes de production.
Une algorithmie complexe des signaux de mesure associés aux mesures des conditions environnementales (pression, débit, température) permet de calculer l'épaisseur du dépôt sans connaissance préalable des coefficients de transfert de chaleur.
La figure 4 illustre le comportement du capteur Biomosys™-HW dans un process agro-alimentaire.
En résumé, le tableau 2 ci-contre résume les caractéristiques techniques et fonctionnelles des produits de la gamme Biomosys™.
Au travers de ces trois technologies Biomosys™, de très nombreux segments d’applications avec des objectifs et des mises en œuvre répondent aux besoins du marché. NéoSENS apporte donc des réponses concrètes aux besoins actuels de surveillance en ligne et en continu (sans arrêt du process) des circuits industriels.
Les prochains développements concernent l'interprétation, en dynamique, des signaux transitoires de mesure pour tirer des informations complémentaires sur la nature du dépôt.
Les technologies de fabrication Microsystèmes associées au savoir-faire et à l'expertise métrologique sont autant d’atouts pour la promotion de ces nouveaux outils de mesure et de contrôle.
