Titre de l'invention : Dispositif de mesure de la viscosité d’un fluide, en particulier pour des fluides actifs

La présente invention concerne un dispositif de mesure de la viscosité d’un fluide et en particulier d’un fluide biologique contenant, par exemple, des micro-organismes tel que des suspensions de bactéries motiles, de micro-algues, de microtubules...

Au cours des dernières années, et du fait de leur pertinence en médecine et en écologie ainsi que de leur importance dans de nombreux domaines technologiques, l’hydrodynamique des suspensions actives, c’est-à-dire comprenant des microorganismes vivants, est au centre de nombreuses études. En effet, de nombreux microorganismes se déplacent de manière autonome dans des fluides et on a pu mettre en évidence que les fluides dits « actifs » tels que des suspensions de bactéries motiles montrent une relation entre l’activité des bactéries en suspension et la viscosité de la suspension.

Le développement croissant de l’utilisation de ce type de micro-organismes vivants dans des procédés industriels nécessite de pouvoir les caractériser, et en particulier pour pouvoir les sélectionner. Dans une application comme les bioréacteurs ou les fermenteurs, la rhéologie des fluides et l’activité des bactéries sont des paramètres qui jouent simultanément sur les performances. La rhéologie contrôle les propriétés de transfert de masse et de chaleur tandis que l’activité des bactéries influe sur les quantités produites. Il est donc important de pouvoir mesurer à la fois la rhéologie et l’activité des microorganismes vivants comme les bactéries de manière à déterminer si elles sont « mortes » ou actives

A l’heure actuelle, la mesure de la dynamique des bactéries, à savoir la puissance du « moteur » biologique, la vitesse de nage, la diffusion, les tailles caractéristiques des bactéries, les concentrations, la nature des souches, se base principalement sur des observations sous microscope optique et sur l’acquisition vidéo de leurs trajectoires dans un fluide au repos. Il est alors nécessaire d’enregistrer un grand volume de données pour ensuite les analyser afin d’établir une statistique sur l’ensemble d’une population. Un tel procédé est long et demande en particulier une expertise dans l’analyse des données.

Un dispositif de mesure de la viscosité tel qu’un rhéomètre permet de réaliser un rhéogramme, courbe donnant la viscosité d’un fluide, c’est-à-dire sa résistance à l’écoulement en fonction du taux de cisaillement qui lui est appliqué et qui correspond à un gradient de vitesse imposé entre les couches d’un fluide. Une telle mesure est classique pour les fluides dits « passifs » et permet de comprendre le comportement hydrodynamique à l’échelle macroscopique des fluides.

Des études récentes ont permis d’obtenir de manière fiable et reproductibles des rhéogrammes de fluides « actifs » tels que des suspensions de bactéries motiles. Ces rhéogrammes ont permis de caractériser leur activité mécanique sur le fluide porteur.

Ainsi, dans l’article « Rafaï Salima, Jibuti Levan, Peyla Philippe », 2010. Physical Review Letters 104, 098102, on a montré que la viscosité effective des suspensions cisaillées de microalgues vivantes unicellulaires (Chlamydomonas reinhardtii) est beaucoup plus importante que pour les suspensions contenant la même fraction volumique de ces cellules mortes.

De même, dans l’article « Lopez Hector, Gachelin Jérémie, Douarche Carine, Auradou Harold et Clément Eric », PRL 1 15, 028301 (2015) de Physical Review Letters of American Physical Society, on a pu mettre en évidence que des bactéries s’organisent d’un point de vue spatial et sous l’effet de cisaillement, l’activité de nage rendant possible la diminution de la viscosité macroscopique à des valeurs inférieures à la viscosité du fluide de la suspension.

On a également pu se rendre compte que des bactéries en suspension peuvent réduire la viscosité de fluides ordinaires comme l’eau et leur permettre notamment de s’écouler plus facilement parfois même jusqu’à un point où la viscosité est quasi nulle voir, « Aurore Loisy, Jens Eggers, Tanniemola B. Liverpool », Physical Review Letters 121.018001 , (2018).

Il est donc important de pouvoir étudier la viscosité de fluides biologiques dits actifs à l’aide de dispositifs de mesure de la viscosité appropriés.

On connaît de nombreux dispositifs de mesure de la viscosité tel que les rhéomètres. Un rhéomètre permet de connaître les grandeurs fondamentales telles que le taux de cisaillement, la contrainte de cisaillement T(t) et la viscosité. Les rhéomètres rotatifs sont les plus utilisés.

Pour ce type de rhéomètre, la solution étudiée remplit l'espace entre deux pièces coaxiales (le rotor et le stator). Le rapport entre le couple de rotation M(t) transmis d'une pièce à l'autre par la substance cisaillée, et la vitesse de rotation Q(t) du rotor, donne la viscosité, à une constante géométrique près. L'angle de rotation f(ί) peut aussi être mesuré à chaque instant t. On distingue les appareils à vitesse de rotation imposée (les plus fréquents) et ceux à couple imposé.

Un rhéomètre permet donc d'étudier l'effet des propriétés des particules d'une suspension sur les propriétés rhéologiques. Il existe plusieurs types de rhéomètres tels que ceux à cylindres coaxiaux de type Searle ou Couette. Un rhéomètre de type Searle, très courant, est adapté aux échantillons fluides : le cylindre intérieur constituant le rotor offre une grande surface de contact, pour augmenter le couple résistant et donc la sensibilité.

Il existe également des rhéomètres à plateaux parallèles (plan-plan, PP). L'entrefer, modifiable de 0,2 à 3 mm, permet d'étudier des échantillons à « particules » ou chargés (exemple : produit polymère fondu). Le taux de cisaillement est variable dans le volume de mesure : nul au centre et maximum à la périphérie.

Enfin, on peut également utiliser un rhéomètre de type cône plan, l’angle de cône Q étant très faible (en général 0,5 < Q < 4) pour obtenir un quasi constant dans le volume de mesure. Pour une même vitesse de rotation, plus Q est faible, plus le taux de cisaillement est élevé.

A partir de ces dispositifs de mesure de viscosité, on établit un rhéogramme c’est-à- dire une courbe donnant la viscosité d’un fluide en fonction du taux de cisaillement qui lui est appliqué. Lors d’études menées, on peut obtenir de manière fiable et reproductible les rhéogrammes de suspensions de bactéries motiles qu’on appelle fluides actifs. Ces rhéogrammes permettent de caractériser l’activité mécanique des bactéries sur le fluide porteur.

Comme déjà évoqué, pour effectuer de telles mesures, on peut utiliser un dispositif de mesure de la viscosité tel qu’un rhéomètre de Couette comportant deux cylindres concentriques métalliques. Or, une fois le cylindre interne plongé dans le cylindre externe également appelé godet, la surface entre l’air et le fluide est réduite et la suspension qui se trouve entre les cylindres métalliques se trouve alors rapidement dans des conditions anaérobies. Cette insuffisance de diffusion d’une quantité d’oxygène conduit à l’asphyxie des bactéries après quelques minutes. Les rhéomètres actuels ne permettent pas de maintenir l’activité de nage des bactéries pendant plusieurs heures.

Des solutions ont été proposées pour fournir de l’oxygène dans des solutions aqueuses sous forme d’un ajout d’éléments chimiques dans la solution que l’on nomme généralement « Oxygen Release Compound (ORC) », composés libérant de l’oxygène. On compte parmi ces ORC les peroxydes d’hydrogène, de calcium et de magnésium. Cependant, il est difficile de contrôler alors le niveau d’oxygène qui se trouve dissous dans la solution et si celui-ci devient trop important on risque l’hyperoxie des bactéries ce qui arrête toute activité métabolique.

Il existe également des rhéomètres dont l’un des supports est constitué d’un matériau poreux. Ainsi, on connaît par le document AU3107577, un dispositif de mesure des propriétés rhéologiques de fluides biologiques tels que le sang, la salive, la glaire cervicale qui sont des fluides hétérogènes, composés de plusieurs fractions liquides de compositions chimiques, de poids moléculaires et de propriétés rhéologiques différents. L'une des surfaces de support du rhéomètre est réalisée poreuse de sorte que les composants de faible viscosité sont absorbés dans le composant poreux, ne laissant que les composants de haute viscosité dans la zone de test. Un tel dispositif permet ainsi de réaliser des mesures de propriétés rhéologiques de valeurs reproductibles, sur les composants de viscosité élevée évitant notamment de variations dans les mesures liées aux variations structurelles aléatoires de ce type de compositions hétérogènes.

Dans le document US2009/176261 est proposé un dispositif pour déterminer le point de coagulation auquel le sang forme un caillot. Ce dispositif est constitué d’un rhéomètre dans lequel l'un des supports de mesure est prévu poreux et dans lequel on introduit des cellules endothéliales et des fibroblastes de manière à constituer une surface biomimétique du sang. Ces structures poreuses sont des films polymères microporeux incorporant donc des cellules vivantes.

Dans le document JP2008/261724, un rotor est réalisé en matériau poreux, en l'occurrence du mortier durci, pour étudier des suspensions à concentration élevée de mortier ou ciment. La porosité du matériau permet d’absorber un excès d'eau contenu dans la solution ce qui permet d’éviter une couche de "glissage" glissement sur le rotor qui nuirait aux analyses.

La porosité du matériau utilisé dans ces dispositifs permet soit d’absorber une partie de la suspension, c’est-à-dire une porosité permettant l’absorption d’eau ou autres fluides, soit d’incorporer des éléments permettant de créer un environnement favorable à la suspension.

De tels dispositifs ne peuvent être utilisés avec des suspensions comportant des micro-organismes, la porosité du matériau provoquant un risque de modifications des suspensions étudiées par migration du fluide ou des microorganismes vers le matériau poreux.

On connaît également par le document US2010/139375 un rhéomètre oscillant destiné à mesurer les propriétés rhéologiques d'échantillons sanguins ou la capacité de coagulation du sang. Ce rhéomètre présente deux surfaces (plaques) entre lesquelles un échantillon de sang est introduit. De manière à contrôler l’environnement de l’échantillon sanguin et en particulier, la composition gazeuse du sang, l’une des plaques est poreuse et recouverte d'une membrane perméable aux gaz. Au-dessous de la plaque poreuse, circule un flux de gaz qui permet en traversant la plaque poreuse et la membrane perméable aux gaz de maintenir l'équilibre de pression à l’intérieur de l’échantillon analysé. Ce dispositif dédié à l’analyse d’échantillons sanguins permet de contrôler l’environnement de l’échantillon sanguin en particulier la composition gazeuse du sang, par rapport aux conditions de coagulation étudiée, en permettant notamment de contrôler le niveau d’oxygène, d’azote et de CO2. Toutefois, le support poreux est recouvert d’une membrane perméable aux gaz et ne peut être utilisé sans cette membrane qui forme une barrière pour le fluide étudié. D’autre part, les géométries citées ne soumettent pas les échantillons à un cisaillement homogène et identique pour tout le volume de l’échantillon. Les méthodes considérées permettent donc d’obtenir une pseudo viscosité.

Afin de pallier ces inconvénients, la présente invention a pour but de proposer un rhéomètre dans lequel on puisse maintenir un niveau d’oxygène ou de tout autre gaz approprié, suffisant et constant dans la suspension étudiée pour maintenir une activité métabolique des microorganismes vivants étudiés contenus dans ladite solution. A cet effet, l’invention concerne un dispositif de mesure de la viscosité d’un fluide tel qu’un rhéomètre comprenant deux pièces coaxiales dont l’une est entraînée en rotation par rapport à l’autre qui reste fixe, un espace ou compartiment de réception étant ménagé entre les deux pièces pour accueillir le fluide à étudier, caractérisé en ce qu’au moins l’une desdites pièces est réalisée en un matériau poreux.

L’invention concerne ainsi un dispositif de mesure de la viscosité d’un fluide actif tel qu’une suspension comportant des microorganismes vivants, tel qu’un rhéomètre comprenant deux pièces coaxiales dont l’une est entraînée en rotation par rapport à l’autre, un compartiment de réception étant ménagé entre les deux pièces pour accueillir un fluide à étudier, caractérisé en ce qu’au moins l’une desdites pièces est réalisée en un matériau poreux, perméable aux gaz, tout en étant imperméable à la suspension et aux microorganismes qu’elle contient.

Ainsi, de manière très avantageuse, le dispositif de mesure selon l’invention du fait de la porosité du matériau, qui est une porosité non fermée, constituant l’une des pièces définissant l’espace dans lequel se trouve la suspension à étudier permet, en maintenant cet espace à l’air, de réaliser des mesures continues, répétables et de précision sur des fluides, en particulier biologiques, dont la composition chimique nécessite d’être contrôlée, au niveau notamment du pH, de la concentration en oxygène, ou encore contrôlée à l’aide d’injections d'antibiotiques, de principes actifs ou de tout autre élément d’intérêt, par exemple des éléments pouvant influer, modifier le milieu dans lequel se trouve les microorganismes.

Les injections peuvent notamment être réalisées par diffusion liée à la porosité de la pièce, par injection ponctuelle à l’aide d'un orifice ménagé dans l’une des pièces du dispositif selon l’invention.

De préférence, la porosité du matériau se trouve dans une plage de 5 à 40 %. De plus, la dimension des pores est avantageusement choisie non mouillante à la suspension et inférieure à la dimension des microorganismes en suspension, de préférence de dimension inférieure à 20 microns.

En effet, la matière poreuse est choisie non mouillante au fluide placé dans le rhéomètre, ou du moins avec des pores suffisamment petits pour que le fluide ne s’écoule pas à travers, donc imperméable au fluide de la suspension. Par contre, le matériau poreux présente une dimension de pores tel qu’il présente une perméabilité aux gaz, tout en étant imperméable à la suspension et aux microorganismes qu’elle contient. De préférence le matériau poreux selon l’invention présente des pores de dimension inférieure à 20 microns, en particulier lorsqu’il est constitué de PTFE. De manière encore plus préférée, les pores ont une dimension de 1 micron.

Ainsi, le matériau utilisé est perméable aux gaz et permet la diffusion des gaz (comme l’oxygène) avec un coefficient de diffusion proche de celui dans l’air, de préférence entre 2,5 et 3,5. 10 ^-9 m ² /s. Un matériau poreux présentant une telle perméabilité est avantageusement imperméable à une suspension et aux micro-organismes contenus dedans.

Ainsi de manière avantageuse, le matériau étant perméable aux fluides gazeux tel que l’air, de l’oxygène peut ainsi diffuser au travers du matériau constituant au moins l’une des pièces. De ce fait, une suspension qui contient des bactéries ayant besoin d’oxygène et qui est logée dans l’espace de réception entre les pièces coaxiales, ne se trouve plus en milieu anaérobie, de l’oxygène pouvant diffuser vers la suspension en quantité suffisante pour maintenir l’activité métabolique de bactéries de la suspension.

On peut également envisager qu’en fonction des micro-organismes présents dans la suspension, le gaz soit différent de l’oxygène et peut être notamment de l’azote ou du dioxyde de carbone par exemple.

Comme l’activité métabolique des micro-organismes vivants présents dans la suspension est maintenue, il est possible d’établir une seule mesure macroscopique de la viscosité de ce fluide biologique et on peut alors en déduire les caractéristiques de dynamique des micro-organismes vivants en solution à l’aide d’un modèle déjà établi caractérisant la puissance du « moteur » biologique, la vitesse de nage, la diffusion, les tailles caractéristiques des cellules, la concentration, la nature des souches, etc.

En variante, le matériau poreux perméable aux fluides gazeux peut être utilisé pour apporter un autre gaz à la solution étudiée, en fonction du type de microorganismes vivants en suspension ce qui permet là encore de contrôler la composition chimique du fluide actif.

Un matériau dont la porosité et la perméabilité aux fluides gazeux sont appropriées, est choisi parmi des matériaux plastiques poreux tels que l’ABS (acrylonitrile butadiène styrène), les matériaux frittés comme le PTFE (polytétrafluoroéthylène), une céramique à base de silico-alumineux telle que la mullite C530, ou encore un matériau polymère par lequel les gaz peuvent diffuser comme le PDMS (polydiméthylsiloxane).

Ainsi, des pièces du dispositif de mesure de la viscosité réalisées en ABS dont la porosité est ajustable lors de la fabrication, en PMDS au travers duquel un gaz comme l’oxygène diffuse avec un coefficient de diffusion de 2.5 et 3.5 10 ⁹ m ² /s très proche de celui dans l’air ainsi qu’en fritté de mullite C530 dont la porosité est de 24%, réunissent les propriétés de porosité et de perméabilité aux gaz souhaitées.

De manière avantageuse, la pièce réalisée en ABS peut être facilement réalisée avec des techniques de fabrication additive comme l’impression 3D.

La fabrication d’une pièce moulée en PTFE est réalisée par compression et frittage de granulés de PTFE ou par tout autre méthode de fabrication additive.

La fabrication d’une pièce en mullite est réalisée par usinage de précision.

Une pièce en PDMS est avantageusement réalisée par moulage, et présente en outre l’intérêt d’être transparente ce qui peut permettre l’observation des microorganismes et ainsi l’enrichissement des mesures effectuées.

Selon un premier mode de réalisation, le dispositif de mesure de la viscosité est un rhéomètre de Couette, par exemple tel que celui connu sous la référence « low shear Contraves LS-30 ». Le fluide à analyser est ainsi placé entre les deux surfaces cylindriques concentriques formées par un cylindre externe se présentant sous forme d’un godet environnemental et un cylindre interne fixé sur un fil de torsion et qui pend au centre de la solution. Le godet constitue le rotor et est mis en rotation à une vitesse constante réglable. Dans cette forme de réalisation, le godet est réalisé en un matériau poreux perméable aux fluides gazeux et en particulier à l’air.

De préférence, le godet est ainsi réalisé en ABS, par exemple fabriqué à l’aide d’une impression en trois dimensions.

On peut également prévoir en variante, que le cylindre interne est réalisé en matériau poreux ou bien que les cylindres interne et externe soient tous deux en matériau poreux. En variante dans un rhéomètre Searle, le godet en matériau poreux devient la pièce fixe mais offre toujours la possibilité de contrôler l’environnement du fluide étudié dans le compartiment de réception constitué de l’entrefer entre les deux pièces du rhéomètre.

Selon un autre mode de réalisation, le rhéomètre est du type à plateaux parallèles (plan-plan, PP). Dans ce type de rhéomètre, l’un des plateaux ou les deux peuvent être constitués d’un matériau poreux, perméable aux fluides gazeux permettant ainsi également de contrôler l’environnement du fluide étudié.

Selon encore un autre mode de réalisation, le rhéomètre est de type cône plan, et dans ce cas, l’une des pièces ou les deux du cône et du plan sont en matériau poreux.

Un dispositif de mesure selon l’invention comportant une pièce en matériau poreux perméable aux fluides gazeux permet ainsi de réaliser un contrôle de l’environnement du fluide étudié, en particulier au niveau du pH, de la concentration en oxygène.

La porosité peut permettre également de contrôler la composition chimique du fluide biologique étudié, en permettant la diffusion d’antibiotiques, de principes actifs, agissant sur les microorganismes vivants dans le fluide. On peut également prévoir qu'un orifice est ménagé dans le bas du godet par exemple pour permettre une injection de principes actifs dans la suspension.

L’invention concerne également un procédé de mesure de la viscosité d’un fluide « actif » comportant des particules actives tel que des microorganismes vivants motiles, à l’aide d’un dispositif de mesure selon l’invention, comportant les étapes suivantes

(a) mise en place du fluide à l’intérieur de l’espace de réception ménagé entre les deux pièces coaxiales dont au moins l’une est en un matériau poreux,

(b) entraînement en rotation à vitesse constante réglable ou variable temporellement selon une courbe prescrite de l’une des pièces par à l’autre, ce qui met en écoulement le fluide qui exerce un couple de forces sur la pièce fixe,

(c) mesure de la variation du couple avec la vitesse de rotation,

(d) calcul à partir de la variation de du couple, de la viscosité du fluide et de sa dépendance avec le taux de cisaillement contrôlé par la vitesse de rotation de la pièce entraînable en rotation. L’invention a trait également à un procédé d’analyse d’un fluide actif à partir de la courbe obtenue lors du procédé de mesure. Les valeurs sont obtenues par ajustement linéaire des données sur des plages prédéfinies, par étalonnage réalisé sur des fluides de viscosité connue (comme l’eau) permettant de traduire le signal en viscosité. Les variations temporelles des signaux lors des phases de mise en route ou d’arrêt donnent aussi des informations utiles comme la concentration en micro-organismes, par exemple en bactéries, ou l'existence de mouvement collectif.

On décrira maintenant l’invention plus en détails en référence au dessin qui représente :

[Fig. 1 ] une vue schématique d’un dispositif de mesure de la viscosité selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

[Fig. 2a] une vue en perspective d’un godet pour un dispositif de la figure 1 ;

[Fig. 2b] une vue en coupe longitudinale du godet de la figure 2a ;

[Fig. 2c] une vue du dessus du godet de la figure 2a ;

[Fig. 3] une courbe obtenue avec un dispositif de mesure de la viscosité selon l’invention pourvu d’un godet en PTFE ;

[Fig. 4] une courbe similaire à celle de la figure 3 avec un godet en PDMS ;

[Fig. 5] une courbe similaire à celle de la figure 3 avec un godet en ABS ;

[Fig. 6] une courbe représentant la mesure de la viscosité en fonction du taux de cisaillement ;

[Fig. 7] une vue schématique d’un dispositif de mesure selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;

[Fig. 8] une vue schématique d’un dispositif de mesure de la viscosité selon un troisième mode de réalisation de l’invention ;

[Fig. 9] une vue schématique d’un dispositif de mesure de la viscosité selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.

Comme on peut le voir à la figure 1 , un rhéomètre de Couette 1 selon l’invention présente deux pièces cylindriques concentriques 11 et 12. L’une de ces pièces présente la forme d’un godet 12 et est montée entraînable en rotation autour d’un axe de rotation R constituant ainsi un rotor. A l’intérieur de ce godet 12 est engagée la pièce 1 1 de forme cylindrique complémentaire au godet 12 mais dont le rayon extérieur R1 est inférieur au rayon intérieur R2 du godet 12 de manière à ménager entre les deux pièces 1 1 , 12 un entrefer. Cet entrefer forme ainsi un espace ou compartiment de réception 13 pour un fluide actif dont on souhaite étudier la viscosité. La pièce interne 1 1 est fixée à un fil de torsion 14.

Comme on peut le voir aux figures 2a, 2b et 2c, le godet 12 présente de préférence une forme sensiblement tronconique, et est réalisé par exemple par impression 3D en ABS. Ce matériau permet que le godet 12 présente une porosité de l’ordre de 10% et dont la dimension de pores est inférieure à 15 pm est appropriée pour ne pas laisser diffuser la suspension et les bactéries étudiées et lui conférant cependant une perméabilité aux fluides gazeux, et en particulier à l’oxygène pour lequel le coefficient de diffusion au travers l’ABS poreux est de l’ordre d’environ ~10 ⁹ m ² /s; valeur très proche de celui dans l’air. Le fond 12a du godet 12 présente notamment une forme conique avec un angle a de 20°, par exemple, la partie stator 1 1 est de forme complémentaire à la forme intérieure du godet 12 tel que visible à la figure 2b et de dimensions appropriées pour réaliser l’entrefer dans lequel la solution en suspension est introduite.

L’espace de réception 13 accueille un volume de 1 ml. Dans ce volume de 1 ml, on a de préférence une quantité allant de 10 ⁶ à 10 ¹ ° bactéries par ml. Les bactéries utilisées sont des Escherichia coli (E.Coli).

Le godet 12 est entraîné en rotation à une vitesse constante réglable permettant ainsi la mise en écoulement du fluide qui exerce alors un couple de forces sur le fil de torsion 14. La variation du couple avec la vitesse de rotation permet après un traitement du signal enregistré de déduire la viscosité du fluide et sa dépendance avec le taux de cisaillement qui est contrôlé par la vitesse de rotation du godet 12.

Dans un rhéomètre classique, les pièces concentriques 1 1 et 12 sont métalliques et la surface entre l’air et le fluide contenu dans l’espace 13 est réduite à environ 15 mm2. De ce fait, lorsque le fluide est une suspension contenant des microorganismes vivants tels que des bactéries, il ne peut y avoir diffusion d’une quantité d’oxygène suffisante pour maintenir l’activité métabolique des bactéries. Selon un autre exemple de réalisation, le godet 12 est réalisé en PTFE. Le godet 12 ainsi réalisé présente une taille de pores de 10 pm et une perméabilité à l’air permettant la diffusion d’oxygène vers la suspension dans l’espace 13.

On a réalisé d’abord une mesure à l’aide d’un fluide de référence tel qu’une solution aqueuse tamponnée ou une solution sans bactéries. On a ainsi mis en rotation le godet 12, à un taux de cisaillement de 0.04 s ^-1 , 30 secondes entre les instants 1 ,5 min et 2 min. Pendant cet intervalle de temps, l’amplitude du signal (correspondant à la variation du couple) augmente rapidement avant de devenir constant comme on peut le voir sur la courbe 10 de la figure 3. Lorsque la rotation est arrêtée, le signal diminue brusquement et se stabilise. L’écart entre ces deux valeurs permet de déterminer la viscosité du fluide. Ainsi pour une solution aqueuse tamponnée servant de fluide de référence, la courbe 10, permet de mesurer une viscosité de 0.9 mPa.s.

Si on réalise cette mesure avec un fluide chargé de bactéries, la figure 3 montre que la courbe 20 du signal obtenue est nettement différente de la courbe 10 du signal du fluide de référence. En effet, une fois la rotation du godet 12 initiée, le signal augmente puis relaxe lentement avant d’atteindre un plateau. Une fois la rotation stoppée, le signal diminue brusquement avant d’augmenter de nouveau et de retrouver sa valeur d’avant la mesure. La différence entre les deux plateaux donne la viscosité de la suspension avec les bactéries.

En présence de bactéries de type pousseuse (pusher) comme les E-coli utilisées dans l’étude, on trouve systématiquement des valeurs de viscosité inférieures de 5 à 100 % à celle du fluide porteur seul. La différence entre ces deux valeurs de viscosité permet de mesurer l’activité des bactéries. Par ailleurs, la variation temporelle est également un indicateur de l’activité des micro-organismes vivants.

Les figures 4 et 5 représentent les mêmes mesurées réalisées respectivement avec un godet 12 en PDMS et un godet 12 en ABS présentant respectivement une perméabilité à l’air d’environ 3.10 ^-9 m ² /s et une taille de pore de 10 pm.

Ces mesures ont été réalisées dans des godets 12 réalisés en matériau poreux, ABS, PDMS ou PTFE, 60 minutes après que la solution avec bactéries ait été introduite dans le dispositif ainsi équipé. De tels résultats montrent que les bactéries sont toujours vivantes alors que, si on avait utilisé un godet de l’état de la technique, métallique non poreux, on aurait constaté qu’au bout d’une minute, l’oxygène aurait été entièrement consommé et les bactéries seraient mortes.

La figure 6 représente la mesure de la viscosité d’un fluide chargé en bactéries pour différents taux de cisaillement (c’est-à-dire en changeant la vitesse de rotation du godet 2) à l’aide d’un rhéomètre de Couette (du type connu sous la dénomination commerciale Contraves LS-30) muni d’un godet 12 en matériau poreux selon l’invention et de préférence tel que dans les figures 2a, 2b et 2c et d’un rhéomètre de l’état de la technique. Un tel rhéomètre permet d’explorer la gamme de 0,01 à 60 s ^-1 .

Ainsi, on peut voir sur la courbe de la figure 6 que, pour les faibles taux de cisaillement, on retrouve la perte de viscosité de la figure 3, tandis que, lorsque le taux de cisaillement augmente, la viscosité croît pour atteindre la viscosité du fluide sans bactérie.

A partir de cette courbe et du taux de cisaillement pour lequel on passe d’un régime à l’autre, on obtient des informations sur la population de bactéries.

Ainsi, grâce au dispositif de mesure de la viscosité selon l’invention, il est possible d’établir des courbes permettant d’identifier des caractéristiques importantes de l’activité bactérienne, telles que la vitesse moyenne, la fréquence de changement d’orientation, le coefficient de diffusion ou la concentration. La mesure demande à enregistrer avec une fréquence d’au moins deux mesures par seconde le signal du rhéomètre. Le rhéomètre doit permettre des changements contrôlés dans le temps de sa vitesse de rotation.

A la figure 7, est représenté un rhéomètre de Searle 2 selon l’invention qui présente deux pièces cylindriques concentriques 21 et 22. L’une de ces pièces présente la forme d’un godet 22 et est fixe tandis que l’autre est montée entraînable en rotation autour d’un axe de rotation R constituant ainsi un rotor. A l’intérieur de ce godet 22 est ainsi engagée la pièce 21 de forme cylindrique complémentaire au godet 22 mais dont le rayon extérieur R1 est inférieur au rayon intérieur R2 du godet 22 de manière à ménager entre les deux pièces 21 , 22 un entrefer. Cet entrefer forme ainsi un espace de réception 23 pour un fluide dont on souhaite étudier la viscosité. Le godet 22 est de préférence réalisé en un matériau poreux et perméable aux fluides gazeux.

Selon la figure 8, le rhéomètre 3 est du type à plateaux parallèles (plan-plan, PP). Dans ce type de rhéomètre 3, l’un des plateaux 31 est entraîné en rotation par rapport au plateau 32 et l’un ou les deux peuvent être constitués d’un matériau poreux, perméable aux fluides gazeux permettant ainsi également de contrôler l’environnement du fluide étudié logé dans l’espace 33 entre les plateaux.

Selon encore un autre mode de réalisation comme visible à la figure 9, le rhéomètre 4 est de type cône plan, et dans ce cas, l’une des pièces ou les deux du cône 41 et du plan 42 sont en matériau poreux permettant ainsi l’étude du fluide logé dans l’espace 43 ménagé entre le cône 41 et le plan 42.

Un dispositif de mesure selon l’invention comportant une pièce en matériau poreux perméable aux gaz permet ainsi de réaliser un contrôle de l’environnement de la suspension étudiée, en particulier au niveau du pH, de la concentration en oxygène.