Décontamination microbiologique : Ultrasons basses fréquences

Cet article fait référence à l’introduction du mémoire de Anthony GIL réalisé durant son Master II Biologie à l’Université d’Avignon (2020/2021)

Titre du mémoire : Effets des ultrasons basses fréquences sur la décontamination microbiologique

Par souci de confidentialité, les fréquences précises du présent article ne sont pas détaillées.

Contamination microbiologique – risque sanitaire

Les produits de 4e gamme sont un marché en plein essor. Ils répondent aux demandes des consommateurs qui souhaitent pouvoir accéder à des fruits et légumes frais et pratiques d’utilisation. Ces produits sont des végétaux crus et prêts à l’emploi, (Varoquaux 2002). Ils ont subi une transformation puisqu’ils ont été lavés, triés, épluchés et coupés avant d’être conditionnés.

L’un des aspects permettant cette facilité d’utilisation est la durée de conservation de ces produits, entre 4 et 10 jours. Leur évolution et leur dégradation sont ralenties grâce à leur température de stockage entre 0°C et 4°C et à leur conditionnement sous atmosphères modifiées obtenues par des films protecteurs variés.

Les fruits et légumes cultivés sont sujets aux contaminations microbiologiques qui son présentes en grande quantité et peuvent engendrer des problèmes de santé publique. Ces risques sont encore augmentés lorsque les pratiques agricoles minimisent les intrants comme en agriculture biologique.

De nombreux pathogènes comme Escherichia, Bacillus, Salmonella, Listeria, Staphylococcus, Pseudomonas etc. sont capables d’adhérer à la surface, mais aussi dans des anfractuosités présentes sur les fruits et légumes. La maîtrise de la qualité sanitaire est évidemment essentielle, généralement un apport de chlore à 80 ppm est nécessaire pour assurer la qualité sanitaire des produits 4ème gamme (Ching et al. 2017).

Le chlore et les composés chlorés sont efficaces pour la désinfection contre les contaminants et présentent le meilleur coût/efficacité pour les industriels. Cependant, le chlore a de nombreux inconvénients, lorsqu’il est utilisé comme désinfectant, il réagit avec les matières organiques naturelles et peut former des sous-produits toxiques dans l’alimentation.

Des études tendent même à montrer que la chloration de l’eau pourrait faire légèrement augmenter le risque de cancer de la vessie (Emmanuel et al. 2013). Cette molécule est impliquée également dans l’émission de vapeurs toxiques dangereuses pour les opérateurs.

Décontamination microbiologique par ultrasons

L’objectif de ce travail de recherche est d’utiliser les ondes acoustiques pour la décontamination et le lavage des produits végétaux. Cette méthode permet, sans altérer les structures végétales, de rendre accessible l’eau dans des zones complexes comme les anfractuosités des épidermes, zones dans lesquelles se concentrent les impuretés, les microorganismes, mais aussi les résidus chimiques (Ching et al. 2017).

De manière générale, les ultrasons produisent de la cavitation. Cette cavitation est à l’origine de la formation d’ondes de choc localisées, de turbulences et de courants importants. Chaque bulle de cavitation a une durée de vie ; elle termine son cycle par une implosion qui génère localement des températures très élevées ( ≃ 5,000 K), des pressions de plus de 2000 ATM et des micro jets allant jusqu’à 280 m / s.1 (Suslick 1998).

Les ultrasons de basses fréquences se situent entre 20 kHz et 200 kHz, plus la fréquence des ultrasons est élevée et plus le nombre de bulles de cavitation devient important. Ces bulles sont beaucoup plus stables et possèdent un diamètre réduit. On parle alors d’ultrasons hautes fréquences. Mais quand ces fréquences dépassent les 1 MHz, c’est le terme « mégasons » qui prédomine.

Les mégasons provoquent le détachement des particules d’impuretés de la surface des objets par la mise en place de micro-courants alors que les ultrasons , provoquent l’implosion des bulles de cavitation à l’interface liquide-solide et sont utilisés pour le décapage et le nettoyage des pièces mécaniques par exemple.

Cette étude a pour objectif de trouver des techniques de désinfection plus respectueuses de l’environnement et en adéquation avec la santé des consommateurs. Ainsi, au cours de ce stage, notre travail a consisté à étudier l’efficacité des ultrasons à x₁ kHz sur la décontamination des eaux de lavage des laitues.

Pour ce faire, différents microorganismes sont testés, à commencer par de la flore totale issue d’eau de lavage de laitue puis, des souches pures d’E.coli, de Salmonella enterica et de Listéria monocytogenes cultivés in vitro sur différents milieux de culture sélectif. La quantité de microorganismes a été déterminée par dénombrement sur milieu gélosé et par ATP-métrie. Enfin, la cinétique de reprise de croissance des microorganismes après traitement par les ultrasons basses fréquences a été étudié.

Sonochimie

Histoire des ultrasons

L’Ultrason est une onde mécanique et élastique, qui se propage au travers de supports fluides, solides, gazeux ou liquides. En dessous de 20 Hz, on parle des infrasons, au-dessus de 20 000 Hz ou 20 kHz, on parle des ultrasons. La gamme de fréquences des ultrasons se situe entre 16 000 et 10 000 000 Hertz, trop élevées pour être perçues par l’oreille humaine. On parle de mégasons lorsque la fréquence des ultrasons dépasse les 1 MHz soit 1 000 000 Hz.

C’est Lazzaro Spallanzani qui, en 1794, soupçonna le premier l’existence des ultrasons. La découverte des ultrasons est venue avec Pierre Curie en 1880 dans ses études sur l’effet piézoélectrique (Shankar et al. 2011). PaulLangevin, un physicien français, a créé le premier générateur d’ultrasons dans le cadre de la lutte anti-sous-marine en 1917.

Différents usages des ondes acoustiques

L’usage des ultrasons dans le monde est maintenant devenu varié, en industrie comme pour la métallurgie, les ultrasons sont utilisés pour le dégazage des métaux, la détection de défauts, pour l’usinage et la soudure de certains matériaux. En médecine, les ultrasons sont utilisés à but de diagnostic, ils sont employés par l’échographie pour explorer les organes.

Dans un but thérapeutique, l’ultrasonothérapie permet de réduire l’inflammation en améliorant la circulation locale². Les ultrasons sont également très utiles en agrobiologie pour la stérilisation de certains liquides, notamment le lait, l’homogénéisation ou le prétraitement de boues d’épuration ou de résidus industriels³.

L’éco-extraction par ultrasons est utilisé pour extraire des arômes ou des molécules. Les ultrasons peuvent être classés selon la quantité d’énergie utilisée : la puissance (W), l’intensité sonore (W m^-2) et la densité d’énergie sonore (Ws m^-3), ce sont les mesures les plus significatives utilisées pour la catégorisation et l’applications des ultrasons (Knorr et al. 2004).

Effet décontaminant de la cavitation

Lorsque les ultrasons se propagent à travers un liquide, les oscillations des molécules provoquent la formation des zones de compression et de dépression (raréfaction). Quand les cycles de raréfaction augmentent, les forces maintenant la cohésion du liquide sont vaincues et des bulles apparaissent. Ce phénomène est appelé cavitation. 

Les ultrasons produisent deux grands types de cavitation : stable et transitoire, la cavitation transitoire ou inertielle se produit quand les bulles de cavitation se mettent à osciller avec des cycles de compression et de décompression jusqu’à imploser (figure 1). L’implosion des bulles produit des microjets de liquide jusqu’à 280 m / s dans le liquide lui-même, et qui ont suffisamment d’énergie pour endommager les parois et membranes cellulaires (Dolatowski, Stadnik, Stasiak, et al. 2007). 

Les bactéries ne sont pas toutes sensibles de la même manière aux ultrasons, les bactéries de forme sphérique (cocci) sont plus résistantes que celles en forme de bâtonnet et les bactéries aérobies sont plus résistantes que les espèces anaérobies (Poux et al. Dunod 2010). 

Cela dépend aussi de la surface de contact du microorganisme avec le milieu qui subit la sonication. Effectivement, les cellules plus grandes ont une plus grande surface et sont plus sensibles que les plus petites (Ananta et al. 2005 ; Piyasena et al. 2003). Les types de paroi vont aussi pouvoir jouer un rôle dans la survie des microorganismes, les bactéries Gram-positif sont reconnues comme plus résistantes que les bactéries Gram-négatif parce qu’elles ont des parois cellulaires plus épaisses qui les protègent (Poux et al. Dunod 2010). 

La cavitation stable ou non inertielle, se produit quand les bulles de cavitation oscillent de manière régulière sans imploser, l’avantage d’utiliser la cavitation stable est de pouvoir appliquer une action mécanique tout en évitant les effets destructeurs de l’implosion des bulles, c’est ce type de cavitation qui permet des utilisations à but de diagnostic comme dans le domaine médical. 

Ces différentes utilisations peuvent être classées en fonction de la fréquence des ultrasons utilisés (figure 2). Naidji 2019 dans sa thèse, cite que les ultrasons à basses fréquences (entre 20 kHz et environ 200 kHz) sont utilisés dans des procédés industriels où ils agissent sur le milieu, ou même modifient sa nature chimique ou physique, et ce à l’instar des ultrasons utilisés pour le décapage et le nettoyage des pièces mécaniques.

Les ultrasons de fréquences supérieures à 1 MHz sont utilisés pour le diagnostic, que ce soit dans l’imagerie médicale ou dans le contrôle non destructif des matériaux. Dans une bande intermédiaire (entre 500 kHz et 10 MHz), les ultrasons peuvent être utilisés pour le diagnostic et pour des applications médicales où on modifie la nature physique du milieu soumis aux ultrasons. 

La propagation des ondes acoustiques dans un fluide peut conduire à la création d’un écoulement régulier à grande échelle appelé streaming acoustique ou fontaine acoustique dans des gammes de fréquences comprises entre : 17 – 100 kHz. En outre, les streamings acoustiques transportent les débris détachés loin de la surface qui est en cours de nettoyage (Lamminen et al. 2004). 

Les technologies utilisant des ultrasons de basses fréquences (20 kHz – 100 kHz) prennent beaucoup d’importance (Chemat et al. 2011; Pingret et al. 2013). Elles permettent de résoudre beaucoup de problèmes rencontrés comme la dégradation thermique due aux températures élevées, la grande consommation d’eau, les longues durées d’extraction et les rendements faibles (Da porto et al. 2009). 

Pour plus d’informations sur ce mémoire, n’hésitez pas à vous adresser directement à l’autrice ci-dessous.

Anthony GIL

Livres pour approfondir

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Références

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