rapport Hnatiuc 1ère année

Rapport intermédiaire du projet de recherche en réseau
« Application du plasma froid au traitement des eaux de lavage »
1. Introduction
Le domaine de la sécurité agroalimentaire est devenu pendant les dernières années
un des thèmes prioritaires soumis à l’attention de plusieurs équipes de recherche
spécialisées dans le monde entier, afin de trouver des solutions de traitement pour
combattre les épidémies produites par différentes bactéries présentes habituellement dans
l’eau potable. Pour répondre aux problèmes liés à la présence d’agents biologiques
(bactéries, eucaryotes, virus) pouvant nuire à la santé humaine, de nouvelles techniques
de décontamination des micro-organismes qui soient propres, efficaces et économiques
sont recherchées.
Cette problématique est encore plus d’actualité dans des pays comme la
Roumanie et le Cameroun, qui doivent respecter des normes beaucoup plus strictes
qu’auparavant du point de vue de la sécurité agroalimentaire.
Parmi les méthodes envisagées pour le traitement de décontamination des eaux de
lavage on peut signaler : les procédées physico-chimiques classiques, utilisation de la
lumière pulsée et les procédées d’oxydation avancée à l’aide du plasma froid. Les
dernières possibilités référent aux applications des décharges couronne, impulsionnelles,
DBD ou GlidArc. Nous proposons d’explorer l’efficacité des réacteurs type GlidArc
commandé.
Les nouvelles normes de réglementation dans le domaine agroalimentaire offre
une très bonne applicabilité de la technique de décontamination proposée, qui va
bénéficier pleinement des résultats escomptés dans ce projet.
2. Objectifs du projet
1. Mise au point du réacteur adapté pour le traitement bactériologique (2008) –
accompli
Vérification de sa fonctionnalité et la mesure des paramètres électriques - accompli
2. Optimisation et validation de la technologie dédiée au traitement bactériologique
(2009)
Etapes
Tests pour favoriser la synergie entre les conditions de fonctionnement électrique
du réacteur et l’efficacité du traitement bactériologique.
Appréciation des performances technico-économiques du traitement et
comparaison avec d’autres procédées ; amélioration des expériences complémentaires en
chimie du processus.
Valorisation des résultats obtenus par la publication d’un article dans un journal
de référence
Elaboration du Rapport final du projet impliquant tous les partenaires du projet.
1
3. Bilan scientifique des travaux réalisés (4 – 6 pages)
Le thème du projet est l’application des décharges électriques de type plasma
froid (GlidArc), au traitement de décontamination des eaux usées issues du lavage des
produits d’origine végétale (fruits, légumes). Nous avons confirmé pleinement la
faisabilité d’un tel traitement à l’aide du plasma froid, dans les conditions d’une paillasse
« bio » et un réacteur adapté, en tenant compte des expérimentations déjà réalisées par les
chercheurs de l’équipe française et des compétences de l’équipe roumaine concernant la
conception et le fonctionnement du réacteur.
La technologie GlidArc utilise une décharge haute tension [10 kV] à courant
alternatif [250 mA], entre au moins deux électrodes ayant une forme divergente. Son
fonctionnement implique la formation des radicaux OH, des NOx, de l’ozone (O3+) et des
électrons libres. Les réactions d’oxydation seront assurées, en majorité, par des produits
primaires (radicaux OH et espèces azotées), mais également par des produits secondaires
(H2O2 – acide nitrique). Ces réactions vont également modifier l’acidité (le pH) des
solutions, qui diminue. L’ensemble de ces réactions entraîne une dégradation de polluants
organiques et également le traitement bactériologique envisagé.
Les investigations expérimentales pour l’année 2008, se sont déroulées à UMR
BHM de Massy (INRA) en France, avec la participation de tous les partenaires et ont
confirmé l’opportunité de l’usage du procédé GlidArc pour la décontamination
microbiologique. Nous avons mis au point un réacteur adapté pour le traitement
bactériologique. Les activités prévues en 2008 dans le cadre du projet (conception et
réalisation du réacteur, vérification de sa fonctionnalité et caractérisation des paramètres
du réacteur) ont été complètement réalisées.
La construction du réacteur a été réalisée selon les schémas établis par les
partenaires (Figures 1), en tenant compte des contraintes imposées par le positionnement
du dispositif dans un poste de sécurité microbiologique de classe 2 (PSM2). Un premier
dispositif de ce type a été réalisé et testé à UMR BHM de Massy et puis on a construit 2
autres, identiques, pour les partenaires roumain et camerounais.
La géométrie que nous avons choisie pour le réacteur est plane, de type 2 + 2 (2
électrodes principales, alimentées par une alimentation haute tension et 2 électrodes
auxiliaires alimentées par une source auxiliaire, de faible puissance). Les électrodes
principales ont été réalisées en aluminium. Pour les expérimentations futures le matériel
utilisé sera l’acier inox. En ce qui concerne les électrodes auxiliaires, on a testé 4 types de
matériel : le cuivre, l’acier classique, l’acier 304 et le tungstène. La dernière solution a
confirmé les meilleurs résultats du point de vue de la stabilité du fonctionnement.
L’avantage de l’utilisation de la source auxiliaire consiste dans le fait qu’elle
permet, par le biais de la décharge électrique auxiliaire de faible puissance, produite entre
les électrodes auxiliaires, la commande et le réglage de la puissance électrique de celle
principale. En même temps, par son utilisation, il est possible d’augmenter la distance
minimale de l’amorçage entre les électrodes principales, et augmenter ainsi la surface
« cible » à traiter.
2
Figure 1 - Réacteur à GlidArc en fonctionnement
Le réacteur qu’on a utilisé pour commencer les tests est de type ouvert. La
distance d’amorçage entre les électrodes était d’environ 10 mm. La partie qui doit être
décontaminée pour chaque test en microbiologie est réduite à la taille d’une boîte Petri.
La partie électronique de la paillasse a était perturbée par des parasites
électromagnétiques, ce qui coupait l’alimentation électrique. Pour cette raison on a du
utiliser un transformateur d’isolement pour l’alimentation électrique de son prise
auxiliaire, et deux phases différentes du réseau pour l’alimentation, A1 et A2, Figure 2.
Les expérimentations ont considéré 3 valeurs différentes de la phase des
impulsions de commande, donc de la puissance électrique injectée dans le GlidArc. En ce
qui concerne l’évolution de la puissance électrique par rapport au débit de gaz soufflé
dans le réacteur, on observe dans la Figure 3 qu’il y a un maximum, qui correspond en
fait à l’optimum du point de vue électrique et aérodynamique, pour une valeur de débit
d’environ 1 m3/h. Le maximum de la puissance correspond à l’accord entre la source
d’alimentation et la construction du module du réacteur.
Pour mettre en évidence l’effet des espèces générées par le GlidArc dans un
traitement microbiologique il faut s’assurer que l’effet est causé seulement par celui-ci et
éviter l’effet thermique qui peut l’accompagner l’intervention du GlidArc. Par
conséquent les tests effectués ont imposés comme contrainte de respecter une
température dans le réacteur inférieure au seuil de 35 oC.
Le traitement microbiologique a été effectué seulement en post-décharge
(GlidArc arrêté). Dans ce but on a utilisé de l’eau activée, placée dans une boîte Petri.
Autrement dit on a exposé le plasma produit par le GlidArc sur une surface liquide,
pendant 5 minutes, qui a été ainsi activée et puis on a arrêté l’alimentation électrique et
on a introduit les bactéries de Hafnia Alvei dans ce liquide. L’analyse des résultats a été
faite par la technique de micro-spots.
3
Figure 2 – Schéma du PSM2
200
P[W]
150
100
50
0
0
0.5
1
1.5
Q[m3/h]
Figure 3 - L’évolution de la puissance électrique en fonction du débit de gaz
4
Les premiers tests (version I) ont utilisé une enceinte ouverte pour un écartement
minimum des électrodes d0 = 9.2 mm, une distance entre la partie supérieure des
électrodes et l’eau de h = 10 cm et un débit de gaz Q = 0.5 m3 / h. La suspension du
départ dans l’eau activée (pH = 6) contient 1.4 E+07 UFC/ml. Les résultats obtenus sont
montrés dans le tableau I.
Tableau 1 – Résultats du traitement microbiologique – version I
Puissance
électrique
(W)
Dénombrement sur
60 μl du -2 /
neutralisant
Survivants dans
l’eau activée
(UFC / ml)
Abattement
microbien
(log)
113.46
122.42
121.93
23
37
29
3.8 E+06
6.2 E+06
4.8 E+06
0.6
0.4
0.5
Température
de l’eau
activée après 5
min.
28.5
32.4
32.6
Nous avons mesuré également les pH de la solution après la durée d’activation de
5 minutes et nous avons constaté une diminution de l’ordre de 2 unités (pH ≈ 4), à la
limite de l’initiation des processus électrochimiques. Par conséquent nous avons décidé
d’utiliser la version II, représentée par une enceinte semi-ouverte, avec une cheminée
placée entre la partie supérieure des électrodes et la boîte Petri, Figure 4. Les résultats
obtenus dans ce cas sont présentés dans les Figures 5 et 6.
Légende : 1 – débit de gaz, 2 – décharge électrique, 3 - électrodes principales, 4 –
cheminée en pyrex, 5-radiateur en aluminium, 6 – échantillon de l’eau activée (boîte
Petri), 7 – ventilateurs, 8 – agitateur magnétique
Figure 4 – Réacteur semi-ouvert avec refroidissement
5
700000000
600000000
500000000
400000000
300000000
200000000
100000000
0
h [cm]
UFC /cm2
1
2
3
7
9
11
367000000
467000000
700000000
Figure 5 – Dénombrement des bactéries viables cultivables après différents traitements
par GlidArc – série I
1200000000
1000000000
800000000
600000000
400000000
200000000
0
h [cm]
1
2
3
4
5
7
9
11
UFC /cm2 417000000 883000000
967000000 1120000000
Figure 6 – Dénombrement des bactéries viables cultivables après différents traitements
par GlidArc – série II
Il est possible d’observer l’influence de la distance entre les électrodes et la cible
à traiter sur les unités formant colonies, mais aussi le fait que l’efficacité microbiologique
est inferieure au cas de l’exposition directe de la cible à GlidArc.
Du point de vue chimique on a effectué seulement des tests qualitatifs concernant
l’acidité de l’eau activée et respectivement de son potentiel redox.
Concernant la variation de l’acidité, celle-ci a été mise en évidence par
l’intermédiaire d’une solution de potassium en présence d’un indicateur chimique (le
bromophénol). Suite au traitement par le GlidArc, au but de 5 minutes, l’indicateur est
devenu pourpre / bleu. La diminution du pH était d’environ 3 unités (de 6 à 3), mais
l’efficacité microbiologique du réacteur était moyenne.
6
Pour les tests redox nous avons utilisé une solution de l’iodure de potassium
imbibé sur un papier filtre, positionné sur un support verre est directement exposé à
l’action du GlidArc. Suite à la formation de I2 le papier est devenu jaune – brun.
Les activités prévues pour la deuxième année considèrent les observations
expérimentales physiques et électriques et seront orientées sur l’optimisation du
traitement bactériologique. Au niveau des modèles bactériens, des souches
précédemment utilisées avec un réacteur d’ancienne génération seront testées (Hafnia
alvei, Staphylococcus epidermidis). L’évaluation de la décontamination se fera toujours
selon des techniques classiques de dénombrement sur gélose.
Les méthodes d’investigation chimiques pour identifier les espèces actives
responsables pour l’efficacité du traitement microbiologique, seront plus complexes que
celles de la première étape et vont faire appel à la spectroscopie. Plus exactement la
production des nitrates et nitrites, des OH, O3 et H2O2, sera étudiée plus précis dans le
projet l’année prochaine.
Afin de valider la technologie proposée par ce projet pour le traitement de
décontamination microbiologique on va évaluer aussi le prix de la méthode. Un article de
synthèse, interdisciplinaire, avec les résultats des expérimentations du projet sera proposé
dans un journal après les derniers tests prévus en 2009. On mentionne que les partenaires
de ce projet ont déjà réalisé ensemble un ouvrage (un chapitre d’un livre) intitulé
“Decontamination of Chemical and Microbial Targets using Gliding Electrical
Discharge” qui a été accepté pour publication en 2009 dans une édition de référence aux
Etats-Unis (NOVA SCIENCE PUBLISHERS).
7
4. Missions/ stages menés dans le cadre du projet
Missions/stages menés dans le cadre du projet en 2008
Hnatiuc Bogdan (U.T. « Gh. Asachi » Iasi) – Mission de longue durée d’un
chercheur titulaire d’un doctorat à UMR BHM de Massy (INRA), France
Todirasi Gabriel (U.T. « Gh. Asachi » Iasi) – Stage d’un doctorant à UMR BHM
de Massy (INRA), France
Doubla Avaly (Université de Yaoundé, Département de Chimie Inorganique) –
Mission d’un chercheur titulaire d’un doctorat à UMR BHM de Massy (INRA), France
Missions/ stages prévues pour le projet en 2009
Naitali Murielle (INRA Massy) – Mission de courte durée d’un chercheur titulaire
d’un doctorat à U.T. « Gh Asachi » Iasi, Roumanie
Jean – Marie Herry (INRA Massy) – Mission de courte durée d’un chercheur
titulaire d’un doctorat à U.T. « Gh Asachi » Iasi, Roumanie
Hnatiuc Bogdan (U.T. « Gh. Asachi » Iasi) – Mission de courte durée d’un
chercheur titulaire d’un doctorat à UMR BHM de Massy (INRA), France – juillet 2009
Hnatiuc Eugen (U.T. « Gh. Asachi » Iasi) – Mission de courte durée d’un
chercheur titulaire d’un doctorat à UMR BHM de Massy (INRA), France – juillet 2009
Laminsi Samuel (Université de Yaoundé, Département de Chimie Inorganique) –
Stage à UMR BHM de Massy (INRA), France – juillet 2009
5. Problèmes rencontrés
- difficultés pour obtenir les documents signés nécessaires au projet (conventions
internes) du partenaire camerounais (causées apparemment par la bureaucratie au niveau
local) ;
- difficultés pour la communication avec le partenaire camerounais (causées
apparemment par la logistique au niveau local) ;
- difficultés avec l’accès des chercheurs camerounais dans un laboratoire français
de microbiologie avec niveau 2 de sécurité dans l’absence des certains documents
officiels signés par leurs responsables ;
- difficultés de communication entre les responsables de l’A.U.F. et le responsable
du projet (je trouve qu’il n’est pas logique à préparer et envoyer les rapports scientifique
et financier du projet en décembre 2008, comme prévu, et avoir le feed-back 2 mois plus
tard par une demande d’un autre rapport, différemment structuré) ;
- le décès du responsable du partenaire camerounais, M. Avaly Doubla, au début
de cette année.
8
6. Chronogramme des activités à mener sur la deuxième année du projet
Nom et prénom /
partenaire
bénéficiaire
Hnatiuc Bogdan
(U.T. « Gh.
Asachi » Iasi)
Hnatiuc Eugen
(U.T. « Gh.
Asachi » Iasi
Laminsi Samuel
(Université de
Yaoundé I)
Hnatiuc Eugen,
Todirasi Gabriel
(U.T. « Gh.
Asachi » Iasi)
Période
Organisme
d’accueil
Activités
Montant
Du
12.07 au
24.07
Du
12.07 au
24.07
Du
12.07 au
24.07
Du
26.07 au
31.07
INRA Massy
Optimisation et validation de
la technologie dédiée au
traitement bactériologique
Optimisation et validation de
la technologie dédiée au
traitement bactériologique
Optimisation et validation de
la technologie dédiée au
traitement bactériologique
Participation à une
conférence internationale ISPC 19, Bochum, Germany
Dépenses pour la valorisation
des résultats de la recherche
Elaboration du rapport final
d’activité
Réalisation d’un article de
synthèse avec les résultats
obtenus
Elaboration du rapport final
d’activité
Réalisation d’un article de
synthèse avec les résultats
obtenus
Achat du matériel
microbiologique
Achat du petit matériel et
fournitures diverses
1300 €
-
6700 €
INRA Massy
INRA Massy
International
Symposium on
Plasma
Chemistry
Naitali Murielle
(INRA Massy)
Du
17.09 au
23.09
U.T. « Gh.
Asachi » Iasi
Jean – Marie
Herry (INRA
Massy)
Du
17.09 au
23.09
U.T. « Gh.
Asachi » Iasi
INRA Massy
-
-
U.T. « Gh.
Asachi » Iasi
Université de
Yaoundé I
Total
-
-
-
-
9
1300 €
1300 €
550 €
650 €
650 €
750 €
200 €
7. Bilan financier + pièces justificatives en annexe
Catégorie de
dépenses
Stage
Document justificatif
Partenaire
17075/29.07.2008
Stage
17076/29.07.2008
Stage
1379/19.09.2008
Participation à la
conférence
SFE2008
GR08/550-02.07.2008
Achat du matériel
microbiologique
Achat d’un
système de
commande et
contrôle
Achat du matériel
pour la réalisation
des 2 réacteurs
13F0802029/27.10.2008
U.T. « Gh.
Asachi » Iasi
(B. Hnatiuc)
U.T. « Gh.
Asachi » Iasi
(G. Todirasi)
Université de
Yaoundé
(A. Doubla)
U.T. « Gh.
Asachi » Iasi
(B. Hnatiuc et
G. Todirasi)
INRA Massy
FF12617.12.2008
U.T. « Gh.
Asachi » Iasi
FF1080171/02.09.2008
U.T. « Gh.
Asachi » Iasi
Montant prévue
(Euro)
2200
Montant réel
(Euro)
2200
900
900
2200
1015
250
236.6
1000
1055
55.07
400
285.77
6950
5747.44
Université de
Yaoundé
Total
10