Etude d'un réacteur de post-décharge d'azote en flux dédié à la décontamination de l'instrumentation médicale : application à la détermination des probabilités de recombinaison hétérogène de l'azote atomique

Study of a reactor post-discharge of nitrogen flow dedicated to the decontamination of the medical instrumentation : application to the determination of nitrogen atoms loss probabilities

• Auteur / Autrice : Benoît Rouffet
• Direction : André Ricard, Jean-Philippe Sarrette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et ingénierie des plasmas de décharge
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stérilisation (microbiologie)

Fluorescence induite par laser

Décontamination

Traitements de surface

Catalyse hétérogène

Plasmas (gaz ionisés)

Azote

Décharges électriques dans les gaz

Mots clés libres

Plasma

Post-décharge

Azote

Azote atomique

Fluorescence induite par laser

Catalyse hétérogène

Probabilité de recombinaison

Stérilisation basse température

Décontamination

Résumé

Les stérilisateurs actuels (autoclaves, stérilisateurs à oxyde d'éthylène, irradiateurs gamma) sont incompatibles avec les matériaux thermosensibles de plus en plus souvent utilisés dans l'instrumentation médicale moderne et avec les prescriptions sanitaires imposées par les organismes de normalisation. La stérilisation par plasma apparaît aujourd'hui comme un possible moyen alternatif en termes de pouvoir décontaminant, de sécurité d'utilisation pour les personnes et les matériels et de coût de production. Des travaux précédents réalisés dans notre équipe ont démontré la bonne efficacité antibactérienne de post-décharges en flux fonctionnant à basse pression dans l'azote pur et ont permis d'identifier les atomes d'azote comme vecteur essentiel de la décontamination. L'optimisation du procédé implique une bonne compréhension de l'écoulement réactif post-décharge. Dans cette thèse, nous avons réalisé un réacteur de post décharge expérimental permettant d'effectuer un ensemble de diagnostics concernant la concentration en atomes d'azote (titrage au monoxyde d'azote et fluorescence induite par laser), la température du gaz et la température des substrats exposés. Les cartographies obtenues sont ensuite comparées à celles fournies par un modèle fluide tridimensionnel du réacteur. Pour le domaine de pression étudié (5-30 Torr), la disparition des atomes d'azote est principalement liée aux processus de recombinaison hétérogène à l'interface gaz / paroi, caractérisés par la probabilité de recombinaison de gN. Dans la littérature, les données quantitatives concernant ces probabilités sont inexistantes ou peuvent différer de plusieurs ordres de grandeur. Deux méthodes, basées sur les profils de densité atomique mesurés au voisinage des substrats introduits dans le réacteur et sur l'augmentation de leur température de surface (liée au caractère exothermique de la recombinaison hétérogène) ont permis d'obtenir des valeurs de gN pour différents matériaux. Enfin, des résultats de tests de décontamination de tubulures de faibles diamètres(d < 1 cm) par le procédé post décharge sont présentés.

The current sterilizers (autoclaves, ethylene oxide sterilizers, gamma irradiation) are incompatible with the temperature materials increasingly used in medical instrumentation and with modern sanitary requirements imposed by standards rules. Plasma sterilization emerged as a possible alternative means in terms of power decontaminant, security of use for people and materials and production costs. Previous works made in our team showed good antibacterial effectiveness of post-discharge flow operating at low pressure in pure nitrogen and have identified the nitrogen atoms as the vehicle for decontamination. The optimization process involves a good understanding of the flow reactive post-discharge. In this thesis, a post discharge reactor was made to make a diagnosis on the concentration of nitrogen atoms (titration of nitrogen monoxide, laser-induced fluorescence), the gas temperature and the temperature of the substrate exposed. The maps obtained are then compared to those provided by a fluid three-dimensional CFD model of the reactor. For the pressure range studied (5-30 Torr), the disappearance of nitrogen atoms is mainly related to the processes of heterogeneous recombination at the gas / wall interface, characterized by the recombination probabilities gN. In literature, quantitative data on those probabilities are nonexistent or can differ by several orders of magnitude. Two methods, based on atomic density profiles measured in the vicinity of substrates introduced into the reactor and on surface temperature increase (related to the exothermic character of the heterogeneous recombination) have yielded the gN values for different materials. Finally, test results decontamination of small diameter tubing (d <1 cm) by the post discharge process are presented.