FR2693474A1 - Procédé et dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants. - Google Patents

Procédé et dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé et dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants présents dans une eau d'environnement, permettant la séparation et la concentration d'un ou plusieurs types de virus présents dans l'eau considérée et réalisant les deux opérations successives et en continu suivantes sur le terrain: - prélèvement (1) de l'eau à partir de sa source - ultrafiltration tangentielle (3) de l'eau, mettant en œuvre de façon classique une ou plusieurs membranes, permettant la récupération d'un concentrat de microorganismes de taille supérieure à 10 nanomètres, suivie d'une élution de la ou des membranes d'ultrafiltration pour récupérer les virus adsorbés. Le procédé peut comprendre, si nécessaire, une étape intermédiaire de préfiltration (2) entre le prélèvement et l'ultrafiltration tangentielle.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SEPARATION ET DE CONCENTRATION DE
MICROORGANISMES CONTAMINANTS
L'invention concerne un procédé et un dispositif de séparation et de concentration des micro-organismes contaminants présents dans une eau d'environnement. Il s'agit de mettre en évidence les virus pathogènes en particulier les entérovirus, résistants aux traitements usuels des eaux usées, pour s'assurer de la salubrité des eaux de boisson ou de baignade. Les normes en vigueur pour les eaux de boisson ou de baignade définissent que celles-ci doivent contenir moins d'une particule formant plage pour 10 litres d'eau, après concentration par une technique d'adsorption élution.
Il est aussi très important de disposer d'un procédé facile à mettre en oeuvre pour rechercher ces virus dans une eau d'environnement (rivière, bassin, étang, lac...) en cas d'épidémie ou de guerre biologique.
Il existe de nombreuses méthodes de laboratoire pour extraire et concentrer les virus dans les milieux hydriques contaminés.
La technique de détection de virus la plus utilisée depuis 1975 est fondée sur la concentration des virus par adsorption sur filtre adsorbant à pH acide, suivie d'une élution à pH alcalin.
L'appareillage de SCHWARZBROD fonctionnant suivant ce principe utilise un filtre en poudre de verre.
Dans un premier temps, l'échantillon d'eau à analyser est additionné à une solution de chlorure d'aluminium et amené à pH 3,5 par addition d'acide chlorhydrique. Dans un deuxième temps, l'eau passe à travers le filtre adsorbant en poudre de verre, tandis que les virus s'adsorbent sur la poudre de verre. Dans un troisième temps, les virus sont élués par une solution tampon de soude-glycine ou d'extrait de boeuf à pH compris entre 9 et 11,5. L'éluat est enfin neutralisé.
Cet appareillage permet de traiter de grandes quantités d'eau (50 à 400 litres) et de récupérer les virus présents avec un rendement de 60 à 80 % . Son défaut est d'être fragile et non transportable, en plus de la manipulation d'acide et de base qu'il nécessite, celle-ci étant nuisible à la survie virale.
Il existe un autre type d'appareillage fonctionnant suivant le même principe et utilisant un filtre adsorbant en microfibres de verre, qui présente des performances équivalentes à l'appareillage de SCHWARZBROD. Constitué de deux cartouches filtrantes il permet des analyses à la fois en laboratoire sur des échantillons de 20 litres et sur le terrain, à partir des eaux de rivières par exemple, sur des échantillons de 200 litres. Ce type d'appareillage a toutefois un facteur de concentration moindre que le précédent mais présente le même inconvénient, à savoir qu'il nécessite la manipulation de grandes quantités d'acide et de base, particulièrement lorsque le volume de l'échantillon d'eau est important, ce qui est le cas d'une analyse virologique se passant sur le terrain. De plus, il se colmate rapidement en présence d'une eau chargée de nombreuses particules en suspension.
On connaît des techniques séparatives, telle l'ultrafiltration, qui réalisent la séparation de particules de taille comprise entre 0,1 micron et un nanomètre. Lorsqu'il est nécessaire de traiter des liquides avec un gros débit, on utilise la méthode d'ultrafiltration tangentielle, dans laquelle les particules à séparer sont propulsées à grande vitesse parallèlement à une membrane poreuse.
L'invention a pour but de proposer un procédé de détection sur le terrain des virus présents dans une eau d'environnement, fondé sur la séparation et la concentration, et qui préserve le titre infectieux viral intégral de l'eau considérée. Il favorise en effet la survie des virus en les protégeant des variations de pH importantes exigées par les méthodes précédemment décrites.
L'invention a aussi pour but la séparation et la concentration des bactéries (salmonelles, vibrioncholériques, légionnelles, leptospires) et des cryptosporidies, présentes dans la même eau d'environnement.
L'invention a aussi pour but la séparation et la concentration des larves d'insectes, cercaires, oeufs d'helminthes, kystes d'amibes, de protozoaires et de métazoaires du zooplancton, et donc l'établissement d'un bilan biologique complet pour des eaux à usage de baignade ou de boisson ou bien pour un écosystème aquatique.
L'invention a aussi pour but de proposer un dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants permettant de traiter de grandes quantités d'eau avec un excellent rendement de récupération des virus et ne présentant pas de problème de colmatage en cours de fonctionnement. Elle est, de plus, robuste et mobile dans le but de l'utilisation sur le terrain.
L'invention a donc pour objet un procédé de séparation et de concentration de microorganismes contaminants présents dans une eau d'environnement, permettant la séparation et la concentration d'un ou plusieurs types de virus, comportant les opérations successives et en continu suivantes sur le terrain
- prélèvement de l'eau d'environnement à partir de sa source,
- ultrafiltration tangentielle de l'eau, mettant en oeuvre de façon classique une ou plusieurs membranes, permettant la récupération d'un concentrat de micro organismes de taille supérieure à 10 nanomètres (bactéries et cryptosporidies en particulier).
L'élution de la membrane ou des membranes d'ultrafiltration tangentielle est ensuite réalisée pour récupérer les virus absorbés.
Ce procédé inclut l'opération de prélèvement de l'eau d'environnement et se déroule donc sur le terrain rendant le transfert de grandes quantités d'eau vers le laboratoire inutile. Il réalise en outre en une seule opération, par ultrafiltration tangentielle, la séparation des bactéries et de s virus, ainsi que la concentration de ces deux types de micro-organismes contaminants.
L'élution est en principe effectuée par une solution alcaline, suivie d'une neutralisation éventuelle et, dans tous les cas, d'un titrage viral.
Selon le procédé de l'invention, l'opération de séparation et de concentration par ultrafiltration tangentielle est réalisée pendant le temps du prélèvement de l'eau, réalisant ainsi un gain de temps considérable par rapport aux appareils de laboratoire connus.
La méthode de filtration utilisée, à savoir l'ultrafiltration tangentielle réalisant le traitement de l'eau par circulation tangentielle à la membrane à grande vitesse permet de limiter les problèmes de colmatage de la membrane et d'espacer les lavages de celle-ci.
Le procédé, selon l'invention, peut comporter une opération intermédiaire entre le prélèvement et l'ultrafiltration tangentielle, se déroulant aussi en continu et sur le terrain, qui consiste en une préfiltration permettant la séparation des microorganismes de taille supérieure à 3 microns (larves d'insectes, kystes de protozoaires et de métazoaires).
L'invention a aussi pour objet un dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants présents dans une eau d'environnement pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe de prélèvement de l'eau d'environnement à partir de sa source, et une unité d'ultrafiltration tangentielle. Dans le cas ou le procédé met en oeuvre l'opération intermédiaire de préfiltration, le dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants comprend de plus un dispositif de préfiltration. La pompe de prélèvement est, de préférence, telle qu'elle est programmable en volumes de prélèvement, conférant ainsi une souplesse d'utilisation au dispositif de séparation et de concentration des microorganismes.
Le dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants peut comporter de plus un cadre de protection et de transport, le rendant mobile et transférable facilement d'un endroit à un autre.
Le dispositif de préfiltration peut être muni d'un moyen de mesure de l'indice de colmatage avant et après filtration.
L'unité d'ultrafiltration tangentielle peut être munie de deux débit-mètres, permettant la mesure respectivement des débits du filtrat et du concentrat, le rapport de ces deux débits ayant valeur de consigne pour la régulation de l'ensemble de l'installation.
Dans un souci d'autonomie, le dispositif de séparation et concentration de microorganismes contaminants peut être équipé de moyens de mesures physico-chimiques : pH, température, oxymétrie, conductivité.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaitront à la lecture de la description suivante faite en se référant au dessin annexé dans lequel la figure unique est un schéma du dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants selon un exemple de réalisation de l'invention.
Le dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants comprend trois circuits : circuit 1 de prélèvement, un circuit 2 de préfiltration, un circuit 3 d'ultrafiltration tangentielle.
Le circuit 1 de prélèvement comprend un conduit souple 4 équipé d'une crépine 5 réalisant un premier filtrage de l'eau d'environnement prélevée à partir de sa source (rivière, étang, lac, etc) jusqu'à une profondeur possible de sept mètres et une pompe de prélèvement 6, munie d'un programmateur 7 de volumes de prélèvement en fonction du temps.
L'eau prélevée à partir de la pompe de prélèvement 6 est conduite dans le circuit 2 de préfiltration par l'intermédiaire d'une vanne 11.
Le circuit 2 de préfiltration comprend le dispositif de préfiltration constitué par une cartouche 9 de préfiltration et une boucle 16 de mesure de l'indice de colmatage de ce circuit, comportant deux vannes 13 et 15.
L'eau préfiltrée sortant de la cartouche 9 de préfiltration est dirigée vers l'entrée du circuit 3 d'ultrafiltration tangentielle par l'intermédiaire d'une vanne 12. La sortie de préfiltrat est réalisée en fin d'opération grâce à une vanne 14. Le circuit 3 d'ultrafiltration tangentielle comprend en série un réservoir 17 de contenance 10 1, gradué sur sa partie inférieure et muni d'un couvercle, une pompe péristaltique de circulation 18, une unité 19 d'ultrafiltration tangentielle par exemple du type de la marque commerciale PELLICON, munie d'un plusieurs modules d'ultrafiltration. Une vanne 22 est positionnée entre la pompe de circulation 18 et l'entrée de l'unité 19.
Le rétentat ou concentrat est recyclé dans le circuit 3 d'ultrafiltration tangentielle par l'intermédiaire d'une vanne 25, contrôlée par un débit-mètre 33. La sortie du filtrat issu de l'ultrafiltration tangentielle est réalisée grâce à une vanne 23, précédée d'un débit-mètre 27.
Le circuit 3 d'ultrafiltration tangentielle présente deux accès, l'un situé en entrée de l'unité 19 et contrôlé par une vanne 22, l'autre situé en sortie de l'unité 19 et contrôlé par une vanne 24. Il comporte aussi une boucle équipée d'une vanne 34 pour le lavage en fin d'opération.
L'installation comprend, de plus, dans le circuit 2 de préfiltration, un capteur de pression 8 en entrée de la cartouche 9 de préfiltration, un capteur de pression 10 en sortie de la cartouche 9. De la même façon, le circuit 3 d'ultrafiltration tangentielle comprend un capteur de pression 20 en entrée de l'unité 19 d'ultrafiltration tangentielle et un capteur de pression 26 pour le rétentat à la sortie de l'unité.
L'installation est conçue pour fonctionner en continu, de la façon suivante.
Le débit d'alimentation par la pompe 6 peut varier de 20 à 180 litres/heures, à titre d'exemple.
Pour la fiabilité et la reproductibilité dans le temps des analyses virologiques il est nécessaire de pouvoir faire varier le volume de prélèvement en fonction du niveau de contamination de l'eau considéré.
Pour une eau faiblement contaminée, le volume des échantillons à prélever est compris entre 50 litres et un mètre-cube alors qu'une eau fortement contaminée nécessite des échantillons de moindre volume, inférieur à 20 litres.
L'eau prélevée à partir du circuit 1 de prélèvement est amenée dans le circuit 2 de préfiltration par ouverture de la vanne 11, les vannes 13, 14, 15 étant fermées et commence à subir l'étape de préfiltration par passage dans la cartouche 9 de préfiltration munie d'un filtre clarifiant en propylène.
La préfiltration permet d'éliminer les particules de taille supérieure à 3 microns, telles les larves d'insectes, oeufs d'helminthes, cercaires, kystes d'amibes, de protozoaires et de métazoaires.
La mesure de la pression sur le capteur 8 permet de signaler un éventuel colmatage du circuit 2 de préfiltration.
De même, la mesure de la pression sur le capteur 10 permet de signaler une éventuelle saturation dans le circuit 3 d'ultrafiltration.
La mesure de l'indice de colmatage dans le circuit 2 de préfiltration est réalisée, en début d'opération, par la mesure en fonction du temps de la variation de débit en sortie d'un filtre calibré 32.
Elle peut être réalisée soit sur l'eau prélevée avant préfiltration, les vannes 11, 13, 14 étant fermées, la vanne 15 ouverte, soit sur l'eau préfiltrée, les vannes 12, 14, 15 étant fermées, les vannes 11 et 13 ouvertes.
L'eau préfiltrée est amenée dans le circuit 3 d'ultrafiltration par ouverture de la vanne 12.
L'unité 19 d'ultrafiltration tangentielle permet la séparation des particules de taille supérieure à 10 nanomètres, et en particulier des bactéries et cryptosporidies qui sont récupérées dans un concentrat d'environ 80 millilitres en fin d'ultrafiltration par ouverture de la vanne 21 ; l'ensemble des virus est adsorbé sur la membrane ou les membranes d'ultrafiltration, dans le cas ou plusieurs modules d'ultrafiltration sont utilisés.
Au démarrage, les vannes 11, 12, 22, 23, 25 sont ouvertes pour permettre le remplissage des circuits. Le réglage de l'ensemble de l'installation est effectué par la vanne 25, que l'on ferme par la suite progressivement. Il est important de pouvoir agir sur le rapport entre le débit de filtrat mesuré par le débit-mètre 27 et le débit de rétentat mesuré par le débit-mètre 33. La valeur de ce rapport dépend de la surface disponible pour l'ultrafiltration et donc du nombre de membranes utilisées mais peut aussi être réglée grâce à la vanne 25, en fonction des indications de pressions données par les capteurs 20 et 26 et des indications de débits données par les débits-mètres 27 et 33. La vanne 25 peut être actionnée manuellement ou pilotée automatiquement à partir d'une programmation de consignes de débits et de pressions.Il en est de même pour les vannes 11, 12, 21, 22, 23, 24, qui fonctionnent en principe en tout ou rien.
La fin de l'étape d'ultrafiltration et donc de l'ensemble du processus est repérée par l'absence d'eau dans le réservoir 17 et donc la chute de pression dans le circuit 3 d'ultrafiltration. En fin de processus, le concentrat contenant les bactéries et les cryptosporidies peut être récupéré, par inversion du sens de circulation de la pompe 18, directement dans le réservoir 17 puis dirigé vers la sortie du circuit contrôlée par la vanne 21, après fermeture de la vanne 22 et retour au sens normal de circulation de la pompe 18.
Les virus adsorbés sur la membrane d'ultrafiltration ou les membranes d'ultrafiltration, sont élués par une solution d'extrait de boeuf, à titre d'exemple. Dans un premier temps, on introduit cette solution par l'accès du circuit contrôlé par la vanne 21, après inversion du sens de circulation de la pompe 18 et fermeture de la vanne 22. Dans un second temps, on réalise l'élution progressive après retour au sens normal de circulation de la pompe 18, fermeture des vannes 25, 21 et 23 et ouverture de la vanne 22, et on récupère un éluat de virus par l'accès du circuit contrôlé par la vanne 24.
Une validation expérimentale du procédé de séparation et de concentration de microorganismes contaminants précédemment décrit, effectuée avec un type donné de membrane d'ultrafiltration, montre que les virus ne s'adsorbent pas sur la membrane de préfiltration en propylène, peu sur les bactéries et cryptosporidies en suspension dans l'eau et qu'ils sont récupérés avec un excellent rendement par élution des membranes d'ultrafiltration.
Des membranes d'ultrafiltration de poids moléculaire minimal de séparation de 10 000 peuvent être utilisées. Des membranes de poids moléculaire minimal de séparation de 100 000 peuvent aussi convenir, si elles n'entrainent pas de perte significative de virus et donc de baisse de rendement. Le procédé selon l'invention permet l'utilisation de membranes de différents types et structures, après validation expérimentale.
Dans un souci d'autonomie, le dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants est équipé de moyens de mesures physico-chimiques : sonde de température 28, pH-mètre 29, oxymètre 30 et conductimètre 31.
La prise de température peut s'effectuer en différents points du circuit, par sonde ou capteur de température, notamment sur des échantillons d'eau récupérés respectivement aux sorties contrôlées par les vannes 15, 13, 14, 24, 23 et 21.
Les mesures du pH, de la concentration en oxygène dissous, de la conductivité de l'eau sont effectuées, si nécessaires, aux mêmes points du circuit que les prises de température.
Des dosages chimiques de certains anions (Cl , PO43 , Nô3 ) peuvent être effectués, si nécessaires, aux mêmes points du circuit que les mesures physico-chimiques.
Afin de permettre un transfert facile d'un endroit à un autre du dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants précédemment décrit, les différents éléments constitutifs : pompe de prélèvement 6, cartouche 9 de préfiltration, unité 19 d'ultrafiltration tangentielle, moyens de mesures physico-chimiques 28, 29, 30, 31 sont fixés à un cadre de protection et de transport de l'ensemble du système.
L'autonomie électrique du dispositif est assurée par batteries. L'utilisation d'un capteur solaire est aussi possible, ainsi que le recours à un groupe électrogène.

Claims (14)

REVENDICATIONS
1 - Procédé de séparation et de concentration de microorganismes contaminants présents dans une eau d'environnement, permettant la séparation et la concentration d'un ou de plusieurs types de virus présents dans l'eau considérée, caractérisé en ce qu'il comporte les deux opérations successives et en continu suivantes sur le terrain
- prélèvement (1) de l'eau d'environnement à partir de sa source,
- ultrafiltration tangentielle (3) de l'eau, mettant en oeuvre de façon classique une ou plusieurs membranes, permettant la récupération d'un concentrat de microorganismes de taille supérieure à 10 nanomètres, suivie d'une élution de la membrane ou des membranes d'ultrafiltration tangentielle
pour récupérer les virus adsorbés.
2 - Procédé de séparation et de concentration de microorganismes contaminants présents dans une eau d'environnement, permettant la séparation et la concentration d'un ou de plusieurs types de virus présents dans l'eau considérée, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une opération intermédiaire entre le prélèvement (1) et l'ultrafiltration tangentielle (3), se déroulant aussi en continu et sur le terrain, qui consiste en une préfiltration (2) permettant la séparation des microorganismes de taille supérieure à 3 microns.
3 - Dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants présents dans une eau d'environnement pour la mise en oeuvre du procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe de prélèvement (6) de l'eau d'environnement à partir de sa source, une unité d'ultrafiltration tangentielle (19) comprenant un ou plusieurs modules d'ultrafiltration tangentielle.
4 - Dispositif de séparation et de concentration de microorganismes contaminants présents dans une eau d'environnement pour la mise en oeuve du procédé, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de préfiltration (9).
5 - Dispositif de séparation et de concentration, selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la pompe de prélèvement (6) de l'eau d'environnement est programmable en volumes de prélèvement.
6 - Dispositif de séparation et de concentration selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte un cadre de protection et de transport.
7 - Dispositif de séparation et de concentration selon les revendications 4, 5, 6, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (16) de mesure de l'indice de colmatage dans le circuit de préfiltration (2).
8 - Dispositif de séparation et de concentration selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5, 6, caractérisé en ce qu'il est muni d'un débit-mètre (27) de mesure du débit du filtrat.
9 - Dispositif de séparation et de concentration, selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5, 6, caractérisé en ce qu'il est muni d'un débit-mètre (33) de mesure du débit de concentrat.
10 - Dispositif de séparation et de concentration selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5, 6, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de réglage (25) du rapport entre débit de filtrat et débit de concentrat.
11 - Dispositif de séparation et de concentration, selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5, 6, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un moyen de mesure (28) de la température.
12 - Dispositif de séparation et de concentration selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5, 6, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un moyen de mesure (29) du pH.
13 - Dispositif de séparation et de concentration selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5, 6, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un moyen de mesure (31) de la conductivité de l'eau.
14 - Dispositif de séparation et de concentration selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5, 6, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un moyen de mesure (30) de la concentration en oxygène dissous.
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