Progrès de la recherche sur la technologie de stérilisation par ultrasons

Progrès de la recherche dans la technologie de stérilisation par ultrasons

La stérilisation traditionnelle utilise généralement des méthodes telles que le chauffage à haute température, des réactifs chimiques et la lumière ultraviolette. Cependant, le chauffage à haute température peut détruire les composants sensibles à la chaleur des objets ; la stérilisation chimique peut facilement laisser des résidus nocifs ; et la stérilisation aux ultraviolets présente des inconvénients tels qu'un caractère incomplet et la présence de zones mortes. Par conséquent, les chercheurs ont exploré et recherché des méthodes de stérilisation plus rapides et plus efficaces qui évitent ces limitations. Des recherches récentes ont démontré que la stérilisation par ultrasons peut être une méthode de stérilisation auxiliaire efficace et a été utilisée avec succès dans le traitement des eaux usées et la désinfection de l'eau potable. Son application dans la stérilisation d’aliments liquides tels que la bière, le jus d’orange et la sauce soja a également été largement étudiée.

Cet article présente principalement le mécanisme de stérilisation par ultrasons et passe en revue les progrès de la recherche dans la technologie de stérilisation par ultrasons et son utilisation synergique avec d'autres méthodes de stérilisation (lasers, micro-ondes, chaleur et pression).

Mécanisme de stérilisation par ultrasons

Les ultrasons font référence à des ondes sonores dont la fréquence est supérieure à 20 kHz. Sa haute fréquence et sa courte longueur d'onde offrent non seulement une excellente directivité, une puissance élevée et une forte pénétration, mais induisent également une cavitation et une gamme d'effets spéciaux, notamment des effets mécaniques, thermiques et chimiques. On pense généralement que l’effet bactéricide des ultrasons est principalement dû à l’effet de cavitation qu’ils produisent. Lors d'un traitement par ultrasons, lorsque des ultrasons de haute intensité se propagent à travers un milieu liquide, ils génèrent des ondes longitudinales, qui à leur tour créent des régions de compression et d'expansion alternées. Ces régions à changement de pression sont sujettes à la cavitation, formant de minuscules noyaux de bulles dans le milieu. Au moment de la contraction adiabatique et de l'effondrement, les minuscules noyaux de bulles subissent des températures supérieures à 5 000 °C et des pressions supérieures à 50 000 kPa, qui peuvent tuer certaines bactéries présentes dans le liquide, inactiver les virus et même endommager les parois cellulaires de micro-organismes plus petits. Cependant, le champ d'action est limité [7,8]. Des recherches sur la technologie de stérilisation par ultrasons ont été proposées dès les années 1930. Certains résultats de recherche montrent que même si l’effet stérilisant des ultrasons seuls est limité, la combinaison des ultrasons et d’autres méthodes de stérilisation présente un grand potentiel et est très efficace.

Stérilisation par ultrasons seule

Actuellement, la stérilisation par ultrasons est principalement utilisée dans le traitement des eaux usées, la désinfection de l’eau potable et l’industrie alimentaire, et de nombreux chercheurs nationaux et étrangers ont mené des recherches connexes. R. Davis a utilisé des ultrasons à 26 kHz pour tuer des micro-organismes et a découvert que certaines bactéries, telles que Escherichia coli, Bacillus megaterium et Pseudomonas aeruginosa, étaient sensibles aux ultrasons à faibles concentrations. L'échographie, cependant, était moins efficace contre les staphylocoques et les streptocoques, et était totalement inefficace contre la toxine diphtérique. McClements estime que la stérilisation par ultrasons est plus efficace lorsqu'elle est combinée à d'autres techniques de stérilisation, telles que le traitement thermique, l'ozone ou les réactifs chimiques.

Dans l’industrie du traitement de l’eau domestique, l’amélioration de la qualité de l’eau légèrement polluée et la réalisation d’un traitement avancé constituent un défi majeur auquel sont confrontées la plupart des usines de traitement de l’eau. Les méthodes traditionnelles de stérilisation des eaux usées, telles que le charbon actif et la biotechnologie membranaire, ont une faible efficacité de traitement et sont inefficaces pour éliminer les polluants organiques récalcitrants. Des recherches connexes ont montré que les ultrasons sont efficaces pour éliminer les bactéries, les matières organiques insolubles et la couleur dans l'eau légèrement polluée, l'élimination des bactéries suivant une cinétique de premier ordre. Il a également un effet, mais non significatif, sur la DCO (demande chimique en oxygène) et la turbidité, et son effet sur l'élimination de la turbidité est également limité. Dans l’industrie alimentaire, la détérioration des aliments est principalement causée par la présence de certains micro-organismes qui en modifient la qualité. Afin d'assurer la sécurité des aliments, la stérilisation est un maillon important de sa production. La qualité des aliments est directement affectée par l'effet de stérilisation. Zhu Shaohua [5] a mené un test comparatif sur la stérilisation de la sauce soja par ultrasons et a constaté que le taux de stérilisation de la sauce soja était de 72,9 % après 5 minutes de traitement par ultrasons et de 75 % après 10 minutes de traitement, ce qui était légèrement inférieur au taux de stérilisation de 78,7 % à 72°C pendant la pasteurisation. Lorsque le lait était stérilisé aux ultrasons, après 15 à 60 secondes de traitement, l'émulsion pouvait être conservée pendant 5 jours sans rancir ni se détériorer. Si le lait était stérilisé aux ultrasons, il pourrait être conservé pendant 18 mois au réfrigérateur. Les caractéristiques de la stérilisation par ultrasons sont une vitesse rapide, aucun additif étranger, inoffensif pour le corps humain et aucun dommage aux objets. Cependant, l'effet de stérilisation n'est pas complet et il existe de nombreux facteurs d'influence. Bien que les chercheurs concernés aient commencé à étudier la stérilisation par ultrasons au début des années 1930, les progrès ont été lents et elle est encore principalement utilisée pour la stérilisation auxiliaire. 

Stérilisation synergique avec ultrasons

Les résultats de la recherche sur la stérilisation par ultrasons indiquent à eux seuls que son efficacité n'est pas significative et qu'elle joue avant tout un rôle de soutien. Par conséquent, pour améliorer encore l’efficacité de la stérilisation, les ultrasons doivent être combinés à d’autres technologies de stérilisation. Des chercheurs nationaux et internationaux ont mené des recherches sur ce sujet. Les résultats indiquent que l’utilisation combinée des ultrasons avec d’autres technologies de stérilisation offre de larges perspectives d’application. Ce qui suit est une revue des dernières décennies de recherche sur les effets de stérilisation des ultrasons en combinaison avec l'ozone, le dioxyde de nano-titane, les micro-ondes, les lasers, la lumière ultraviolette, la chaleur et la pression.

Ultrasons à l'ozone

L'ozone est un oxydant puissant doté de propriétés oxydantes élevées et a longtemps été considéré comme un oxydant et un désinfectant très efficaces. L'ozone était déjà utilisé pour la stérilisation de l'eau potable au début du 20e siècle. En 1975, Gary et coll. mené des recherches sur l'effet synergique des ultrasons et de l'ozone sur la stérilisation de l'eau. Les résultats ont montré que l’ozone, combiné aux ultrasons, présentait une efficacité de stérilisation améliorée. Hu Wenrong et coll. a mené des études expérimentales sur la capacité de stérilisation améliorée de l'ozone par les ultrasons, démontrant que les ultrasons améliorent considérablement le taux de stérilisation de l'ozone. Pour une même durée de traitement, le taux de stérilisation par ultrasons combinés à l'ozone est supérieur à celui de l'ozone seul. Lorsque la quantité d'ozone utilisée est la même, la durée du traitement par ultrasons peut être raccourcie, économisant ainsi l'énergie ultrasonique. La principale raison de l'amélioration du taux de stérilisation des deux combinés est que les ultrasons peuvent briser les bulles d'ozone en microbulles, augmentant considérablement leur taux de dissolution et augmentant la concentration d'ozone. L'ozone à haute concentration peut rapidement oxyder et tuer les bactéries.

Ultrasons combinés avec du dioxyde de nano-titane

Le dioxyde de nano-titane possède à la fois des propriétés nettoyantes et stérilisantes sous catalyse par la lumière ultraviolette et est largement utilisé pour nettoyer des surfaces telles que la céramique, le verre et le carrelage. Il a également attiré l'attention dans le traitement de l'eau pour éliminer les matières organiques et tuer les bactéries présentes dans l'eau. De même, le nanodioxyde de titane a un effet stérilisant sous irradiation par ultrasons. Les chercheurs ont mené des études expérimentales sur l’effet synergique de stérilisation du nanodioxyde de titane et des ultrasons. Les résultats montrent que les catalyseurs au nano-dioxyde de titane et les ultrasons ont un effet bactéricide synergique significatif. L'augmentation du pH a un léger effet sur l'effet stérilisant des ultrasons, et son effet stérilisant est supérieur à celui du nanodioxyde de titane catalysé par la lumière ultraviolette. Le traitement ultrasonique catalysé par le dioxyde de titane a non seulement un fort effet bactéricide, mais a également un certain effet nettoyant sur les surfaces lisses. Il peut être utilisé pour nettoyer par ultrasons des équipements contaminés tout en obtenant également un effet stérilisant.

Facteurs affectant l'efficacité de la stérilisation par ultrasons

Des expériences et des recherches connexes ont montré que l'efficacité de stérilisation des ultrasons seuls varie selon les conditions. L'efficacité de la stérilisation par ultrasons est principalement influencée par des facteurs tels que les paramètres ultrasoniques (amplitude, fréquence et durée), les caractéristiques microbiennes et le milieu.

Paramètres d'action

Parmi ces paramètres, l’amplitude, la fréquence, la durée et la température de traitement des ultrasons sont les principaux facteurs influençant la stérilisation par ultrasons.

Amplitude et durée

L’efficacité de stérilisation des ultrasons contre les cellules végétatives bactériennes et les spores augmente de façon exponentielle avec l’énergie des ultrasons. Des recherches ont montré que l’effet stérilisant des ultrasons est directement proportionnel à la durée du traitement ; des temps de traitement plus longs entraînent une plus grande efficacité de stérilisation. Les taux de survie bactérienne diminuent de façon exponentielle avec l’augmentation de la durée du traitement par ultrasons. Cependant, un problème à résoudre est qu’à mesure que le temps de stérilisation augmente, l’augmentation de la température du milieu augmente, ce qui peut être préjudiciable à certaines substances sensibles à la chaleur. Intensité sonore et fréquence

Pour les liquides en général, l’augmentation de l’intensité sonore augmente l’intensité de la cavitation, mais après avoir atteint une certaine valeur, la cavitation a tendance à saturer. Augmenter davantage l'intensité sonore à ce stade générera un grand nombre de bulles inutiles, augmentant l'atténuation de la diffusion, réduisant l'intensité de la cavitation et, finalement, diminuant l'effet de stérilisation. Généralement, pour obtenir une stérilisation par ultrasons satisfaisante, il n'est pas nécessaire d'augmenter indéfiniment l'intensité sonore ; l'intensité de stérilisation doit être comprise entre 1 et 61 W/cm⊃2 ;.

Des fréquences ultrasoniques plus élevées nécessitent une plus grande intensité sonore. Les rapports indiquent que l'énergie consommée pour produire de la cavitation dans l'eau à une fréquence de 400 kHz est 10 fois supérieure à celle consommée à 10 kHz. En d’autres termes, l’intensité de la cavitation diminue avec l’augmentation de la fréquence ultrasonore. Pour cette raison, la fréquence ultrasonore actuellement utilisée pour la stérilisation est généralement comprise entre 20 et 50 kHz.

Caractéristiques microbiennes

Tous les agents pathogènes présentent un certain degré de résistance aux ultrasons, notamment lorsque les ultrasons sont utilisés seuls pour la stérilisation. On pense généralement que plus la taille des cellules d’un micro-organisme est grande, plus il est sensible aux ultrasons. Cela signifie que les bactéries en forme de bâtonnet sont tuées plus rapidement que les coques et que les gros bacilles sont tués plus rapidement que les petits bacilles. Les bactéries Gram-positives sont plus résistantes que les bactéries Gram-négatives ; les bactéries aérobies sont plus résistantes que les bactéries anaérobies ; et les spores bactériennes sont plus résistantes que les cellules végétatives.

Facteurs médiatiques

Lopez-Malo et al. étudié les effets du pH, de l'activité de l'eau et de la température sur l'efficacité bactéricide des ultrasons thermiques contre Penicillium digitatum. Ils ont constaté que lorsque l’activité de l’eau était de 0,99, l’augmentation de l’amplitude des ultrasons et la diminution du pH diminuaient la valeur D. Lorsque le pH reste constant et que l’activité de l’eau augmente, la valeur D diminue.