rapport Hnatiuc 1ère année

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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.

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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.

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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.

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Figure 2 – Schéma du PSM2
0
50
100
150
200
0 0.5 1 1.5
Q[m3/h]
P[W]
Figure 3 - L’évolution de la puissance électrique en fonction du débit de gaz

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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)
Température
de l’eau
activée après 5
min.
113.46
23
3.8 E+06
0.6
28.5
122.42
37
6.2 E+06
0.4
32.4
121.93
29
4.8 E+06
0.5
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