La problématique est la réalisation d'un capteur sensible à l'élément biotique et fonctionnel dans tout milieu aqueux. Il n’existe à ce jour pas de capteur capable d'une telle fonctionnalité. Les problèmes issus du développement des biofilms sont nombreux. Ils favorisent le développement d’agents pathogènes (légionelle), accélèrent l’oxydation des tuyaux, 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. Le capteur biofilm mis au point par NéoSENS correspond aux besoins scientifiques et industriels de mieux contrôler et appréhender l’apparition des biofilms afin de déterminer les processus locaux de formation et d’optimiser l'utilisation de biocides en surveillant leur activité (asservissement de l'injection de biocide à la détection précoce de biofilm). Il répond donc aux attentes des industriels spécialisés dans le contrôle et le traitement de l'eau. D’autant plus que les nouvelles directives européennes en matière de contrôles des eaux sont plus strictes.
Le capteur biofilm reprend le principe de mesure d'un macro-capteur électrochimique existant ayant démontré l’efficacité et la fiabilité industrielle du principe. Toutefois,
[Photo : Figure 1 : Variation de l’intensité délivrée par le capteur biofilm en fonction du temps. Le capteur est spécifique du développement précoce du biofilm (courbe noire). La courbe rouge indique le comportement des capteurs les plus répandus, qui ne s’appliquent qu’à des biofilms déjà épais.]
L’utilisation de ce macro-capteur reste limitée à une utilisation en eau de mer car il exige des eaux très conductrices. Grâce à son savoir-faire, NéoSENS a levé ce verrou technologique en élargissant le domaine d'application à tous milieux aqueux (même de conductivité ionique extrêmement faible) en créant un micro-capteur sur les bases technologiques des microsystèmes (intégration sur silicium) et en développant des structures et géométries spécifiques et particulières. Le capteur biofilm repose sur la mise en œuvre de technologies nouvelles pour obtenir un capteur présentant des avantages considérables : sélectivité vis-à-vis de l’élément biotique, suivi en ligne, mesure précoce du biofilm, robustesse. En outre, du fait de sa taille réduite, le micro-capteur rend possible une identification locale des sites les plus exposés à la croissance du biofilm et sa technique de fabrication en série assure une reproductibilité élevée.
Le capteur électrochimique à biofilm
Principe de fonctionnement
Le capteur électrochimique à biofilm repose sur le principe suivant : en se développant sur une surface métallique maintenue à un potentiel qui assure la réduction électrochimique de l’oxygène, un biofilm produit des composés qui catalysent cette réduction. En conséquence, la mesure de l’intensité de réduction de l’oxygène croît donc à mesure que le biofilm se développe. Après une phase d'initiation, l’intensité suit une croissance exponentielle jusqu’à atteindre un plateau de saturation. À ce stade, la surface de l’électrode est totalement recouverte par un biofilm qui catalyse de façon maximale la réduction électrochimique de l’oxygène. Le capteur ne détecte que la modification induite par le biofilm de la cinétique de réduction de l’oxygène sur le matériau. 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 sa capacité à détecter et à suivre la phase de développement précoce des biofilms (cf. figure 1). La plupart des capteurs commercialisés actuellement, fondés sur des mesures optiques, de transfert de matière ou encore de transfert thermique, détectent uniquement des biofilms assez épais pour modifier significativement les paramètres mesurés.
Description générale du capteur électrochimique à biofilm
Le circuit imprimé cylindrique intégrant la puce capteur biofilm (cf. figure 2) est monté dans une partie mécanique en inox permettant d’offrir au milieu de mesure les surfaces sensibles du capteur et d’être facilement monté/démonté sur le corps de sonde cylindrique par simple vissage et dévissage (cf. figure 4). Le corps de sonde en inox contient l’électronique de proximité et de traitement (version analogique ou numérique). Enfin la sonde peut être associée à un système déporté d’acquisition et de traitement des données (cf. figure 3).
La sonde de détection offre les avantages suivants :
- autonomie de fonctionnement en continu compatible avec les délais d’apparition des biofilms (en conditions réelles) ;
- capacité à pouvoir insérer dans tout circuit d’eau la sonde afin d’effectuer les mesures en ligne ;
- maintenance simple, rapide et donc extrêmement allégée, permettant également une remise en route immédiate du système en cas de changement du capteur.
Grâce à une étroite collaboration entre NéoSENS et de nombreux partenaires scientifiques (LAAS-CNRS, LGC et CRITT Basse Normandie pour les biofilms précoces, IRH Environnement pour les biofilms matures), plusieurs campagnes d’essais sont en cours pour qualifier et calibrer le capteur biofilm en eau potable. L’objectif de ces essais est de corréler le signal obtenu aux quatre paramètres : densité de microorganismes, taux de recouvrement, quantité d’ATP, activité réductrice du biofilm.
À ce jour, les premiers résultats sont encourageants et très prometteurs car ils montrent que le capteur biofilm détecte une augmentation du signal électrique de très faible intensité dans de l'eau potable très résistive. Ces tests s’accompagnent systématiquement d'une analyse simple du biofilm, par microscopie équipée en fluorescence, afin de corréler l’évolution de l’intensité du courant avec le taux de recouvrement des puces-capteurs par le biofilm. De plus, des observations en Microscopie Électronique à Balayage vont être menées afin de caractéri-
[Photo : Figure 2 : Exemple de puce-capteur biofilm.]
sur la morphologie du biofilm correspondant au début de la croissance de l'intensité, la phase de croissance exponentielle et au plateau de saturation. L’ensemble des tests en cours donne déjà bon espoir sur la validité du fonctionnement du capteur de détection de microorganismes dans les réseaux d’eaux potables.
Applications potentielles
La qualification du capteur biofilm est focalisée sur les eaux de consommation mais il permet d’aborder tous les types d’eaux (depuis les eaux industrielles utilisées comme fluide de refroidissement, jusqu’aux eaux ultra-pures ou stériles utilisées dans l’industrie électronique ou en milieu hospitalier). NéoSENS envisage de très nombreux segments d'application, avec des objectifs et des mises en œuvre à adapter à la cible.
Pour les circuits de pompage, de production, de transport ou d’embouteillage de l’eau, la détection précoce des biofilms assure une protection optimale contre tout risque de dégradation organoleptique, voire de pollution par les pathogènes. Le faible coût permet de disposer plusieurs séries de capteurs sur les installations en identifiant les parties sensibles à traiter. Les réseaux d'eau chaude, d’eaux thermales, peuvent de la même manière être criblés de micro-capteurs placés en tout point supposés favorables à une croissance bactérienne.
[Photo : Figure 3 - Sonde de détection biofilm avec le système d'acquisition et de traitement des données]
En parallèle du capteur biofilm, NéoSENS travaille sur un autre modèle de capteur capable de mesurer des biofilms plus épais. Au travers de ces deux produits, c'est toute la gamme de détection des biofilms qui est ainsi couverte.
La découverte progressive de la multiplicité des effets dont sont responsables les biofilms (cas de légionelloses mettant en cause l'eau des tours aéroréfrigérantes, phénomènes de dégradation/corrosion des matériaux servant de support au développement des biofilms, formation de biosalissures sur les coques de navires et les structures portuaires, libération de grosses particules pouvant entraîner de graves dysfonctionnements des machines à papier...), conjuguée à l’évolution des normes européennes en termes d’hygiène et de qualité font émerger de nombreux besoins en termes de capteurs et vont à très court terme multiplier la création de nouveaux marchés.
[Photo : Figure 4 - Nouveau capteur consommable, la maintenance s'effectue en quelques secondes et le système redevient immédiatement opérationnel]
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