La décontamination bactérienne de l'eau par impulsions électriques ultracourtes

Bacterial decontamination of water by nanosecond pulsed electric field

• Auteur / Autrice : Alexis Guionet
• Direction : Fabienne David
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie, santé, biotechnologie
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Techniques des impulsions (électronique)

Champs électriques

Eau -- Épuration

Mots clés libres

Décontamination bactérienne

Champs électriques pulsés nanoseconde (nsPEF)

Changement d'échelle

Traitement de l'eau

Résumé

Les effets des champs électriques pulsés (CEP) sur les microorganismes ont été montrés depuis Sale et Hamilton. L'une des premières applications en a été l'électroporation cellulaire pour permettre la transfection de plasmides à travers la membrane plasmique. Il s'agit de la principale méthode de transfert de gènes. Un autre champ d'application est la décontamination de nourriture liquide. Mais la technologie capable de donner ces résultats en termes de décontamination requièrt, pour un champ électrique de faible amplitude, l'utilisation d'impulsions de longues durées provoquant une grande consommation énergétique. Ceci a été montré pour la décontamination du lait, des jus de fruits et du vin. Le mécanisme par lequel les CEP avec une durée milliseconde (ms) ou microseconde (µs) agissent est bien décrit et intervient sur la bicouche lipidique. Le but de cette thèse est d'étudier les possibilités d'utilisation des champs électriques pulsés nanosecondes (nsCEP) pour décontaminer de l'eau de procédés industriels. Un générateur d'impulsions haute tension associé à un applicateur constitué de deux électrodes planes permettent de générer un champ électrique homogène dans l'eau. Ce dispositif a d'abord été éprouvé en batch puis en flux sur des suspensions bactériennes (Escherichia coli BL21(DE3) et Legionella pneumophila sérogroupe 1) cultivées en laboratoire. L'utilisation de générateurs de plus en plus performants et l'optimisation des conditions de flux ont permis d'améliorer drastiquement le rendement énergétique de décontamination et la vitesse globale de traitement. Il a également été montré qu'il est possible de déterminer par le calcul, la vitesse de décontamination d'un tel système, à partir des caractéristiques des générateurs et des paramètres de fluidiques. Si ce travail n'a pas permis la réalisation d'un prototype d'échelle industrielle, les grandes lignes permettant le passage du procédé de l'échelle laboratoire à l'échelle industrielle ont été données.

Since Sale and Hamilton, many effects of electric field pulse on microorganisms have been described. One of the first applications that has been performed was cell electroporation to allow plasmid transfection through the plasma membrane. This is the main method for gene transfer. Another application field leads in liquid food decontamination. However, the technology able to give these results in terms of decontamination needs, for low electric field amplitude, the use of pulses with a long duration period inducing higher energy consumption. This had been shown for milk, fruit juice and wine decontamination. The mechanisms by which pulsed electric field (PEF) with duration at the level of the millisecond (ms) or the microsecond (µs) acts, are well described and affect the lipid bilayer. The goal of the thesis is to study the possibility of using nanosecond pulsed electric field (nsPEF) to decontaminate water in industrial processes. A high voltage generator able to provide nanosecond pulses has been associated with an applicator which consists in 2 flat electrodes to generate an homogeneous electric field in water. These devices were tested first in batch and then flow on bacterial suspensions (Escherichia coli BL21(DE3), and Legionella pneumophila serogroup 1) grown in the laboratory. The use of more efficient generators and optimization of flow requirements helped to drastically improve the decontamination efficiency and the overall processing speed. It has also been shown that it is possible to determine by calculation, the speed of decontamination of such a system, based on characteristics of generators and the parameters of fluidics. If this work did not bring the development of an industrial scale prototype, the guidelines allowing the passage of the method for laboratory scale to industrial scale have been given.