EN SOLUTION HOMOGENE »

La présente invention concerne un procédé de mélange d'une solution hétérogène contenant un liquide et une entité solide ou au moins deux liquides différents et, éventuellement, une entité solide afin d'obtenir une solution homogène, procédé dans lequel on dispose la solution hétérogène dans un récipient. Le procédé est particulièrement intéressant car il propose la combinaison d'un mouvement circulaire ou orbital non circulaire du récipient qui possède un axe de symétrie qui est lui-même incliné par rapport à la gravité.

L' invention propose également un dispositif permettant la mise en œuvre d'un tel procédé.

Le traitement des échantillons biologiques ou de produits chimiques liquides dans les laboratoires nécessite que ces liquides soient mélangés ensemble et/ou à des composés pour effectuer différentes réactions, notamment des réactions de détection. Il est donc important que le mélange de ces différents mélanges dans un récipient soit optimal pour que la réaction puisse avoir lieu. Un mélange sera d'autant plus difficile à réaliser que les solutions contenant les échantillons biologiques ou les composés réactifs auront :

• des densités différentes et/ou

• des viscosités variées et/ou

• des caractères miscibles très différents les unes des autres,

• un volume des solutions qui sera petit,

• etc .

En outre, un mélange ne doit pas être effectué avec une force trop brutale qui pourrait créer une suspension non désirée des solutions à mélanger soit par centrifugation, avec séparation de phases, soit sous forme d'aérosols ou d'émulsion, ce qui peut générer, par exemple si l'on traite des acides nucléiques, des contaminations croisées préjudiciables à un diagnostic ultérieur fiable. Enfin, un mélange doit, dans certains cas, être effectué dans un laps de temps défini pour éviter que les solutions à mélanger subissent des variations de température ou bien qu'une réaction secondaire se mette en place.

Les techniques de mélange utilisées en laboratoire sont plus ou moins complexes à mettre en œuvre.

Une des techniques de mélange consiste, lors de l'ajout d'une deuxième solution à une première solution présente dans un récipient, d'effectuer alternativement plusieurs fois une aspiration suivie d'un refoulement dans le récipient à l'aide d'un cône par action du piston d'une pipette. L'inconvénient de cette méthode est qu'elle nécessite lors de sa mise en oeuvre une certaine dextérité et délicatesse de la part de l'utilisateur. La répétitivité d'une telle opération est d'ailleurs douteuse en fonction de cet utilisateur et de son état de fatigue, d' énervement , etc. En effet, une fréquence trop élevée des aspirations/refoulements liée à une mauvaise position du cône dans le récipient peut provoquer l'apparition de bulles d'air au sein du mélange. De plus, si le refoulement est effectué avec une vitesse élevée, le volume prélevé sera éjecté avec une force trop importante, ce qui augmente le risque d' éclaboussures par ricochet contre la paroi du récipient et de sortie éventuelle de certaines gouttes. Il peut en résulter une perte de la quantité de solution à mélanger. Par ailleurs, cette perte peut aussi provenir d'une phase de refoulement incomplète au cours de laquelle l'utilisateur n'actionne pas dans sa totalité le piston permettant de chasser le liquide du cône. De plus, cette technique ne permet pas le mélange de solutions de viscosités élevées. Enfin, l'introduction répétée du cône dans le milieu à mélanger augmente sensiblement le risque d' introduire des contaminants .

Une technique très répandue en laboratoire pour effectuer un mélange consiste à faire subir un vortex, action dite « vortexer », immédiatement après leur introduction dans un récipient des deux solutions. Le brevet US-A-4 , 555, 183 décrit un appareil pour mettre en œuvre cette technique. Cet appareil permet, lorsque le contact du tube avec l' évidemment du rotor est établi, de mettre en marche le moteur et d'entraîner le rotor à des vitesses de rotation très élevées. Les solutions contenues dans le tube subissent une rotation et un mouvement ascensionnel, l'ensemble créant un tourbillon permettant de mélanger les solutions. Cependant cette technique présente les deux inconvénients majeurs suivants. Tout d'abord, lorsque l'utilisateur retire le tube de l'évidement du rotor, le tourbillon cesse et une partie des solutions redescendent selon le principe de gravité, l'autre partie des solutions restant en contact avec les parois internes du tube, les mouillant, sur une hauteur correspondant à la hauteur du tourbillon. Il est donc nécessaire de procéder à une étape supplémentaire de centrifugation pour récupérer la partie des solutions en contact avec les parois internes du tube. De plus, cette technique ne permet pas de mélanger indépendamment l'une de l'autre deux solutions non miscibles. En effet, du fait de la vitesse de rotation élevée, il se crée une dispersion sous forme de gouttelettes d'une solution dans l'autre. Or dans certains cas, cette émulsion n'est pas désirée. En effet lorsqu'un échantillon biologique est préparé pour une réaction d'amplification par exemple, les enzymes, tampons et autres réactifs utiles à la réaction d'amplification sont ajoutés à l'échantillon biologique ainsi qu'un petit volume d'huile. Ce volume d'huile recouvre le mélange d'amplification et prévient de l' évaporation des réactifs d'amplification lors des différents cycles de chauffage au cours de l'amplification. Pour obtenir un bon rendement d'amplification, il est nécessaire de bien mélanger les différents réactifs de la phase aqueuse sans détruire la couche protectrice d'huile. Or en appliquant la technique décrite dans US-B-4 , 555, 183 à un mélange pour une réaction d'amplification, du fait des fortes vitesses de rotations, la phase huileuse se mélange à la phase aqueuse en créant une émulsion qui empêchera l'action de l'enzyme.

L'art antérieur US-A-5, 921, 676 fait également état d'une technique de mélange mettant en œuvre un dispositif de mélange dont la plateforme est animée d'un mouvement orbital horizontal et/ou vertical. Cet appareil permet de mélanger des volumes de quantité importante ou moyenne, c'est-à-dire de l'ordre de millilitre. En revanche, il ne permet pas de mélanger efficacement des volumes inférieurs au millilitre. En effet, tant que le diamètre du récipient contenant les solutions à mélanger est supérieur au diamètre du mouvement orbital, le mélange des solutions sera effectif. Le centre du récipient effectue une distance orbitale équivalente à la distance orbitale de la plateforme, générant ainsi des forces centrifuges dans le liquide qui changent diamétralement de direction à chaque demi-rotation et permettent le mélange des solutions. En revanche lorsque le diamètre du récipient est inférieur au diamètre du mouvement orbital, ce qui est le cas par exemple pour des tubes Eppendorf®, les solutions subissent des forces centrifuges qui les poussent contre la paroi pendant toute la durée du mouvement orbital. Il n'y a pas de contraintes de changements de direction des forces de centrifugation, donc le mélange ne peut se faire, les solutions ont le même parcours que la plateforme sur laquelle est posé le récipient. De plus la répétitivité du mouvement est tout à fait hypothétique. Le document FR-A-2. 36.624 concerne un appareil permettant de mélanger une matière fluide dans un récipient, comprenant : un premier moyen de support du récipient, permettant sa rotation autour d'un premier axe ; un second moyen de support du récipient, permettant sa rotation autour d'un second axe qui n'est pas perpendiculaire du premier ; un premier moyen d'entraînement qui est raccordé audit second moyen de support pour faire tourner le récipient autour dudit second axe ; et un second moyen d' entraînement qui est raccordé audit premier moyen de support pour faire tourner le récipient autour dudit premier axe tandis que le récipient tourne autour dudit second axe. Le problème de ce type d'appareil est que les deux axes de rotation .sont toujours intersectés. Il y a donc une zone au voisinage de cette intersection qui ne présente quasiment aucun mouvement, il y aura donc un mélange qui sera différentiel entre les points les plus proches et les plus éloignés de ce point d' intersection et donc un mélange non homogène au sein du ou des liquides.

De plus les dispositifs de l'art antérieur ne parviennent pas à mélanger de petits volumes de solutions hétérogènes en une solution homogène tout en prévenant de la formation d' émulsions et/ou d'aérosols (risque de contamination dans le domaine médical par exemple) et du mouillage de l'ensemble des parois du récipient. Il existe donc toujours un besoin d'un nouveau dispositif de mélange contrecarrant les inconvénients de ceux de l'art antérieur.

Pour ce faire, la Demanderesse propose un nouveau dispositif permettant le mélange de solutions hétérogènes afin d'obtenir une solution homogène. Grâce au dispositif selon l' invention, les solutions contenues dans le récipient subissent des accélérations et des décélérations successives dont l'intensité sinusoïdale permet leur agitation douce tout en évitant un mouillage de la totalité des parois du récipient et/ou une dispersion des phases des différentes solutions. Ce dispositif permet également de s'affranchir d'une étape de centrifugation après le mélange.

Par « solution hétérogène » au sens de la présente invention, on entend au moins deux liquides ou fluides miscibles en phase aqueuse ayant des propriétés et viscosités différentes. Ces fluides peuvent contenir des entités solides ou des particules en suspension. Ces liquides et éventuellement les entités solides qui sont contenues dans ces liquides sont répartis de manière non-uniforme et irrégulière dans le récipient qui les contient.

Le terme « solution homogène » selon l'invention signifie une solution dont les éléments constitutifs sont répartis de manière uniforme et régulière dans le récipient qui les contient.

Le terme « mélanger », au sens de la présente invention, signifie réunir dans un récipient au moins deux liquides ayant des propriétés différentes de manière à ce qu'ils ne forment qu'un seul liquide dont les éléments constitutifs sont répartis de manière uniforme et homogène. Il peut également s'agir d'au moins un liquide associé à au moins un type d'entités solides ou de particules en suspension. Les termes « disperser » et « homogénéiser » peuvent être employés indifféremment en lieu et place du terme « mélanger ».

Par « entité solide », on entend au sens de la présente invention des particules qui peuvent être en latex, en verre (CPG) , en silice, en polystyrène, en agarose, en sépharose, en nylon, etc. Ces matériaux peuvent éventuellement permettre le confinement de matière magnétique. Il peut s'agir également d'un filtre, d'un film, d'une membrane ou d'une bandelette. Ces matériaux sont bien connus de l'homme du métier.

Le terme « rotation » au sens de la présente invention définit un mouvement plan d'un corps où tous les points du corps décrivent des trajectoires de même forme géométrique mais qui ont des centres différents, les centres étant parallèles entre eux au cours du mouvement. La trajectoire peut avoir la forme d' un cercle ; le corps subit une translation rotative. Selon une autre forme de l'invention, la trajectoire peut être elliptique ; le corps subit une translation elliptique. Par exemple, si le corps est un tube Eppendorf® positionné initialement de la manière suivante : l'extrémité du capuchon se situe à une distance Ll de l'axe du mouvement de rotation (position dite la plus proche de l'axe) et l'extrémité du fond du tube se situe à une distance L2 de l'axe du mouvement de rotation (position dite la plus éloignée de l'axe). Lorsque le mouvement de rotation se met en marche autour de son axe, l'extrémité du capuchon et l'extrémité du fond forment un segment qui se déplace de façon parallèle autour de cet axe ; le segment décrivant par exemple une trajectoire en forme de cercle. Lorsque le segment a parcouru une distance d'un quart de cercle, l'extrémité du capuchon et l'extrémité du cercle se trouvent à la même distance L3 de l'axe du mouvement. Lorsque le segment a parcouru une distance d'un demi-cercle depuis la position initiale, à cause de ce déplacement parallèle du segment, l'extrémité du capuchon se situe à une distance L2 de l'axe du mouvement et l'extrémité du fond du tube se situe à la distance Ll de l'axe du mouvement. Ainsi la partie du tube initialement la plus proche de l'axe se retrouve dans la position la plus éloignée de cet axe après une demi rotation et vice-versa. Le terme « volume d'air suffisant » désigne une partie d'un espace du récipient occupé par de l'air permettant au cours du mouvement de rotation le libre déplacement des liquides à l'intérieur du récipient.

Par « position sensiblement verticale » on signifie dans la présente invention, toute position variant d'un angle compris entre 0° et ±2° par rapport à un axe de gravité.

La présente invention concerne un procédé de mélange d'une solution hétérogène contenant au moins deux liquides différents et, éventuellement, au moins une entité solide afin d'obtenir une solution homogène, le procédé comprenant les étapes suivantes :

a) disposer tout ou partie de la solution hétérogène dans au moins un récipient ayant un axe longitudinal ;

b) positionner le récipient au niveau d'un support mû autour d'un axe de rotation, l'axe longitudinal étant incliné par rapport à l'axe de rotation ;

c) mettre en mouvement le support afin de soumettre la solution contenue dans le récipient à des accélérations et décélérations successives dont l'intensité est sinusoïdale, ce qui permet l'agitation de ladite solution hétérogène qui devient homogène.

Ce procédé peut également s'appliquer au mélange d'une solution hétérogène contenant au moins un liquide et au moins une entité solide.

Selon une variante de réalisation du procédé, lors de l'étape (c) , la mise en mouvement du support portant ledit récipient permet à la partie du récipient la plus proche dudit axe de rotation de se retrouver dans la position la plus éloignée de cet axe après une demie-rotation, et à la partie du récipient la plus éloignée de l'axe de rotation de se retrouver en position la plus proche de celui-ci après une demie-rotation .

Quel que soit le mode de réalisation, lors de la mise en mouvement du support, l'axe longitudinal du récipient coupe par deux fois l'axe de rotation dudit support par tour de rotation .

Quel que soit le mode de réalisation, le récipient contient outre la solution hétérogène un volume d'air suffisant pour permettre l'agitation sans que tout ou partie de ladite solution hétérogène né puisse sortir dudit récipient lors du mélange.

Selon une variante au mode de réalisation du paragraphe précédent, le récipient contient outre la solution hétérogène un volume d'air suffisant pour permettre l'agitation et est fermé par un bouchon, afin que tout ou partie de ladite solution hétérogène ne puisse sortir dudit récipient lors du mélange .

Quel que soit le mode de réalisation, l'inclinaison de l'axe longitudinal du récipient varie en fonction de la vitesse de rotation et/ou en fonction de sa position lors de la rotation.

Toujours quel que soit le mode de réalisation précédemment décrit, le mouvement du support est circulaire.

Selon une variante au mode de réalisation du paragraphe précédent, le mouvement du support est ellipsoïdal.

La présente invention concerne également un dispositif permettant le mélange d'une solution hétérogène contenant au moins deux liquides différents et, éventuellement, au moins une entité solide, ou bien contenant au moins un liquide et au moins une entité solide, afin d'obtenir une solution homogène, qui est constitué de : i. un châssis statique pouvant, éventuellement, être posé sur une table ou tout autre surface, ii. un support mobile pouvant accueillir au moins un récipient ayant un axe longitudinal,

iii. un moyen de motorisation fixé au châssis et apte à générer un mouvement de rotation, et iv. un moyen de transmission permettant la transmission du mouvement de rotation du moyen de motorisation vers le support mobile,

afin de soumettre la solution contenue dans le récipient à des accélérations et décélérations successives dont l'intensité est sinusoïdale.

Selon une variante de réalisation du dispositif, l'action du moyen de transmission positionne le récipient afin que la partie du récipient la plus proche de l'axe de rotation se retrouve dans la position la plus éloignée de cet axe après une demie rotation, et que la partie du récipient la plus éloignée de l'axe de rotation se retrouve en position la plus proche de celui-ci après une demie rotation.

Quel que soit le mode de réalisation du dispositif, l'axe de rotation du support est en position sensiblement verticale et que l'axe longitudinal du récipient n'est pas en position sensiblement verticale.

Quel que soit le mode de réalisation, un angle d'inclinaison de l'axe longitudinal du récipient par rapport à l'axe de rotation du support existe, et que lorsque les deux axes sont intersectés, l'angle est compris entre 1 et 60°, préférentiellement entre 20 et 50° et encore plus préférentiellement ente 25 et 45°.

Quel que soit le mode de réalisation, le récipient est fermé . La méthode que nous avons développée ne souffre d'aucun des susdits inconvénients. Les avantages de l'invention sur des méthodes de mélange disponibles actuellement sont :

1. Mouiller uniquement une zone limitée de la surface intérieure du récipient .

2. Permettre d'utiliser une gamme plus large de fréquences orbitales et des amplitudes au lieu d'une combinaison d'amplitude et de fréquence d'oscillation fermement définie.

3. Utiliser une gamme relativement large d'angles entre l'axe longitudinal du contenant et l'axe de rotation, en facilitant l'optimisation de ces paramètres plus simple et plus souple d'utilisation.

4. Autoriser un mouvement des liquides et ainsi le mélange qui soit suffisamment doux et lisse pour que le risque de formation d'aérosols soit beaucoup moins critique, voire inexistant, que dans le cas d' un mélange par vortex ou de type orbital, tel que décrit dans l'état de la technique .

5. Permettre ainsi le mélange efficace même sans fermeture du récipient et en diminuant fortement les risques de contamination.

Le mélangeur selon l'invention utilise essentiellement un dispositif de mélange « orbital » connu, mais au lieu de placer le tube avec son axe de symétrie parallèle à l'axe de rotation, nous plaçons l'axe de symétrie du tube avec un angle non parallèle avec l'axe de rotation du dispositif et avec la gravité .

L'amélioration de la performance de mélange est réalisée pour n'importe quel angle supérieur à zéro (zéro étant équivalent à deux axes parallèles) . Bien entendu, cet angle peut varier en fonction des combinaisons spécifiques utilisées, basées sur :

• la forme du récipient ou tube, et

• des propriétés des liquides à mélanger,

pour lesquelles des gammes plus limitées d'angle peuvent être nécessaires.

La méthode peut être utilisée avec des récipients de réaction de pratiquement n'importe quelle forme, et présente le plus d'avantages dans des cas où des méthodes classiques, à oscillation orbitale ou par vortex, ne sont pas adaptées.

Les exemples et figures ci-joints représentent des modes particuliers de réalisation et ne peuvent pas être considérés comme limitant la portée de la présente invention.

- La figure 1 représente un mélangeur orbital selon l'état de la technique.

La figure 2 présente un mélangeur selon la présente invention.

- La figure 3 met en exergue le récipient dans deux positions différentes de son mouvement lorsqu'il est actionné par le mélangeur orbital selon l'invention ainsi que l'intensité des forces qui sont appliquées au liquide.

- La figure 4 propose une représentation du mouvement le plus important subi par le liquide lors de la décélération montrée en figure 3.

- La figure 5 représente les principaux flux liquides qui améliorent le mélange lors d'une rotation du mélangeur.

La figure 6 montre deux types différents de récipient utilisés par les inventeurs.

- La figure 7 est un graphe avec en abscisse les vitesses du moteur, qui correspondent aux fréquences en tours par minute, et en ordonnée l'amplitude de rotation orbitale, exprimée en millimètre (mm) . La figure 8 est un graphe avec en abscisse l' angle d'inclinaison du récipient, mesuré en degré par rapport à la verticale, et en ordonnée la durée de mélange (MT exprimée en seconde) pour aboutir à l'homogénéité avec un récipient cylindrique selon la figure 6b.

La figure 9 est un graphe avec en abscisse l'angle d'inclinaison du récipient, mesuré en degré (Ang. (deg) ) par rapport à la verticale, et en ordonnée la durée de mélange en seconde (MT (s)) pour aboutir à l'homogénéité avec un récipient Eppendorf® selon la figure 6a.

- La figure 10 montre un graphe ^' avec en abscisse la fréquence du mouvement de rotation du récipient cylindrique qui possède un angle d'inclinaison fixe de 45° par rapport à la verticale, et en ordonnée la durée de mélange en seconde pour aboutir à l'homogénéité avec un récipient cylindrique selon la figure 6b selon différentes concentrations d'un produit visqueux et en présence ou absence d'une couche d'huile.

PRINCIPE OPERATOIRE

Le schéma mécanique normal pour un mouvement orbital :

La disposition mécanique normale pour le mouvement orbital comme moyen de mélange pour des liquides est montrée sur la figure 1. Il y a un support solide, par exemple une table horizontale 1, des mouvements confinés dans de petits cercles ou rotation 2 ayant un rayon 5 et un axe de symétrie/rotation 3 de la table 1, préférentiellement parallèle à la gravité. Chaque récipient 7, dont le contenu doit être mélangé, est placé verticalement sur ladite table 1 avec son axe de symétrie 4 parallèle à l'axe de rotation 3. Dans l'état de la technique sur les mélangeurs orbitaux que la Demanderesse a identifiée cette même géométrie est utilisée. Dans cette géométrie le mécanisme travaille pour générer un vortex. Ainsi le liquide (en fait les deux liquides que l'on souhaite mélanger, mais pour des raisons pratiques nous utiliserons le singulier par la suite) est accéléré et,, dans un mouvement de type oscillation, commence à se déplacer de manière synchrone le long du mur vertical du récipient avec le centre de gravité du liquide à l'extérieur de l'orbite.

Une supposition de base de cette méthodologie est que le liquide est en effet forcé dans un mouvement oscillant, qui exige une combinaison d'amplitude et la fréquence du mélangeur qui correspond à la combinaison du diamètre du récipient et des propriétés du liquide, comme la viscosité, densité et la tension de la surface. Avec les récipients de réaction non cylindriques, qui sont souvent utilisés dans biologie moléculaire, on peut supposer qu'il n'y a pas une combinaison d'amplitude de fréquence unique qui soit optimale : à une amplitude fixe la partie de fond étroit exige des fréquences plus hautes que la partie supérieure plus large du récipient. Cela est parfaitement illustré lors d'une expérimentation, qui montre que le mélange n'est pas complètement réalisé dans la partie la plus étroite du récipient la teinture du traceur étant absente.

Une solution pour améliorer ce mélange serait simple, mais souffre de quelques inconvénients. Ainsi il faut augmenter la fréquence du mouvement orbital dans une telle mesure que, indépendamment du contenu du récipient, le liquide est mélangé. Un inconvénient clé de cette approche est qu'inévitablement le bouchon, qui cloisonne ledit récipient, est mouillé, avec une perte de liquide préjudiciable dans le domaine du diagnostique médical. En plus de cela, si une fine couche d'huile était présente sur le liquide, le mélange avec les liquides aqueux aboutirait à une émulsion, que l'on souhaite bien évidemment éviter. Pour cette raison nous avons trouvé une façon différente d'utiliser le mélangeur orbital. Au lieu de chercher une façon d' introduire le vortex, nous avons décidé de chercher un autre modèle de mouvement des liquides qui induirait le mélange.

Géométrie préférée du dispositif de mélange :

Au lieu de placer le récipient 7 avec son axe de symétrie 4 parallèle à l'axe de rotation 3 du mélangeur 9, nous avons placé ledit récipient 7 sous un certain angle 6, comme cela est bien représenté sur la figure 2.

Lors de la mise en application, un mélangeur orbital 9, selon 1' invention, dans lequel le récipient 7 contenant le liquide 8 à être mélangé est placé sous un angle 6 par rapport à l'axe de rotation 3, lui-même parallèle à la gravité. De plus et cela est représenté sur la figure 3, l'inclinaison du récipient 7 est toujours la même par rapport à l'horizontale ou la verticale pour un observateur extérieur en position latérale. En d'autres termes, un observateur dans cette position aura la sensation que le récipient 7 bougera alternativement à gauche et à droite et inversement, ledit récipient 7 qui reste une inclinaison stable.

L'inspection visuelle, avec une caméra vidéo haut débit, du contenu du récipient 7 montre clairement deux différences saisissantes entre le mélange orbital classique et ce mode de mélange angulaire :

1. Sans bouger, la symétrie de la surface liquide est perdue et la circonférence du ménisque et l'angle de contact diffère avec l'angle du récipient 7.

2. En bougeant selon la flèche 2 sur le support 1, le mouvement de la surface du liquide 8 ressemble alors à des vagues, et en utilisant une teinture de traceur pour suivre sa redistribution spatiale pendant le mélange, il est facile d'observer un mouvement liquide comme présenté sur les figures 5a et 5b, selon la différence d'orientation de rotation.

C'est la combinaison de la distribution du liquide 8 qui est asymétrique, de la superficie accrue dudit liquide 8, de l'accélération sinusoïdale changeante avec de vraies accélérations, selon la flèche 9a et des ralentissements selon la flèche 9b (figure 3) qui facilite le flux, le reflux et donc le mélange. Ces accélérations selon la flèche 9a et ralentissements selon la flèche 9b correspondent respectivement aux mouvements observés dans les figures 5b et 5a. Au lieu de former un vortex, comme c'est le cas dans le mélange orbital classique à l'intérieur du liquide, et de retrouver le liquide enduit sur la surface intérieure du récipient 7, cette méthode conserve le liquide le plus groupé possible, tout en le balançant suffisamment pour que le liquide situé au fond dudit récipient 7 soit mis en mouvement également. Le mouvement interne du liquide est en fait une rotation autour d'un axe perpendiculaire aux deux autres axes, à savoir l'axe de gravité et l'axe de symétrie 4 du récipient 7.

EXEMPLES

I - Mode opératoire :

Nous avons utilisé et testé deux récipients ou tubes de formes géométriques différentes, tout d'abord un tube Eppendorf® 10 (figure 6a) et ensuite un tube plus classique, dit tube cylindrique 11 (figure 6b) . Les tubes utilisés dans ces expériences ont donc un diamètre intérieur maximal de 5 millimètres (mm) .

II y a d'autre part : 1. trois fluides différents de viscosité croissante, contenant soit 0, soit 1, soit 1,5 M de sorbitol,

2. avec pour chaque concentration la présence ou non d'huile sur la phase aqueuse,

3. avec une solution de teinture aqueuse ajoutée entre l'huile et la solution, contenant le sorbitol.

On souhaite donc examiner :

1. A quel angle d'inclinaison le mélange est amélioré ?

2. A quelles gammes de fréquence le mélange est amélioré ?

3. Quel est l'effet de la viscosité et/ou de la couche d'huile sur le temps de mélange.

La qualité du mélange a été jugée visuellement, à l'aide d'images vidéo à haut débit, enregistrées à 200 images par seconde, fournissant une résolution de temps d ' approximativement 5 millisecondes (ms) .

2 - Impact de la forme du récipient, de la viscosité du liquide et présence ou non d'une couche d'huile :

Pour une amplitude du dispositif 9 fixe, l'amplitude de la. table 1 a toujours été constante quelque soit le réglage de vitesse de rotation. C'est ce que montre bien la figure 7, avec en abscisse les vitesses du moteur (qui correspondent aux fréquences) et en ordonnée l'amplitude de rotation orbitale.

La figure 8 présente donc la réduction du temps nécessaire pour mélanger le liquide en changeant l'angle du tube cylindrique entre 0 degré (selon l'usage avec un mélange orbital classique) jusqu'aux valeurs de 50 degrés.

Sur la figure 8, on utilise un tube cylindrique 11 de rayon constant ; dans ce cas, une faible viscosité d'assez petites quantités de liquide se mélange bien même aux angles proche de zéro. Mais si la viscosité et/ou le volume augmente ou quand l'huile est ajoutée, le mélange à zéro degré devient beaucoup plus difficile. En utilisant 60 μΐ de liquide aqueux dans un tube cylindrique 11, l'amélioration du mélange est détectable même à de petits angles (figure 8) . Même de petits changements aident à réduire le temps de mélange, mais on voit que la meilleure performance est obtenue pour des angles supérieurs à 20 degrés et même avec des angles plus important, le temps de mélange est diminué à des niveaux proche des temps de mélange les plus rapides pour de petits volumes.

Cela signifie que dans un tube cylindrique 11, les liquides qui ne peuvent pas être mélangés à 0 degré, peuvent être parfaitement mélangés aux angles excédant 0 degré, avec des temps de mélange optimisés s' approchant de ceux de liquides semblables à l'eau à 0 degré.

L'angle pour là meilleure performance de mélange dépend du volume du récipient et augmente de manière caractéristique avec la viscosité du liquide 8 (fluide) et de la présence d'huile sur le liquide aqueux. A des angles dépassant à sensiblement 30 degrés la plupart des configurations examinées ont permis le mélanges en quelques secondes, en général 5 secondes. Il est à noter que ceci est avéré pour un liquide ne contenant :

• que 40 μΐ d'eau (H ₂ 0 = courbe A), ou

• 40 μΐ d'eau avec de l'huile (H ₂ 0 + HUILE = courbe B) , ou

• 60 μΐ de sorbitol à 1,5M (SORB. = courbe C) , ou enfin

• 60 μΐ de sorbitol à 1,5M avec de l'huile (SORB. + HUILE = courbe D) .

3 - Impact de la forme du récipient et de la présence d'une couche d'huile :

Selon la figure 9, on a étudié l'effet de l'angle du tube 11 par rapport à la durée de mélange dans le cas de deux liquides stratifiés, à savoir aqueux avec deux viscosités (2 (= courbe E) et 20 (= courbe F) milliPascal par seconde ou mPas) couvertes par une couche d'huile.

Dans ce cas, en optimisant l'angle du récipient 10 qui est une forme de fiole conique de type Eppendorf®, nous avons constaté qu'il y a une transition plus nette entre le mélange lent et le mélange rapide, lorsqu'une couche d'huile est utilisée en plus du liquide. Dans ce cas à un angle compris entre 28 et 30 degrés, ainsi que pour les angles plus important, la durée de mélange est considérablement réduite. En fait plus la viscosité aqueuse augmente plus l'angle doit être important mais dans le cas présent lorsque la viscosité est augmentée (par augmentation fois dix de la quantité d'huile : 2 mPas pour la courbe délimitée par des carrés et 20 mPas pour la courbe délimitée par des triangles) l'augmentation de l'angle de 28 à 30 degrés permet d'obtenir un bon résultat de mélange.

4 - Impact de la viscosité et de la présence d'une couche d'huile à forme et angle de positionnement constant pour le récipient :

Dans le cas de la figure 10, et considérant la fréquence qui doit être appliquée pour des récipients cylindriques 11 à un angle de 45 degrés et qui a été choisie pour sa faculté à permettre un bon mélange, la fréquence optimale est de plus de 20 Hz. Cette fréquence dépendra de la géométrie du tube et doit néanmoins être optimisé pour chaque configuration. Cet effet de la fréquence (RPM) du récipient sur le temps de mélange pour les liquides « simples » avec viscosité croissante a été réalisé avec trois systèmes liquides stratifiés aqueux avec trois viscosités couvertes ou non par une couche d'huile :

• 40 μΐ d'eau (0M) pour la courbe délimitée par des petits ronds (= courbe G) , • 40 μΐ d'eau (1M) avec 1 M de sorbitol pour la courbe délimitée par des croix (= courbe H) ,

• 40 μΐ d'eau (1.5M) avec 1,5 M de sorbitol pour la courbe délimitée par des gros carrés (= courbe I),

• 40 μΐ d'eau et de l'huile ( 0M + HUILE) pour la courbe délimitée par des triangles (= courbe J) ,

• 40 μΐ d'eau et de l'huile ( 1M + HUILE) avec 1 M de sorbitol pour la courbe délimitée par des petits carrés (= courbe K) ,

• 40 μΐ d'eau et de l'huile ( 1.5M + HUILE) avec 1,5 M de sorbitol pour la courbe délimitée par des losanges (= courbe L) .

REFERENCES

- Support solide ou table

- Mouvement de rotation du récipient 7 sur le support 1

- Axe de rotation du mélangeur

- Axe de symétrie du récipient 7

- Rayon de la rotation

- Angle entre l'axe de rotation 3 et l'axe de symétrie 4

- Récipient contenant le liquide 8

- Liquide contenu dans le récipient 7

- Dispositif mélangeur

- Tube Eppendorf®

- Tube classique dit cylindrique