Développement, caractérisation et optimisation d'une source plasma pour le traitement biologique dans le domaine agroalimentaire

par Abderrahmane Kais

Thèse de doctorat en Ingénierie des plasmas

Sous la direction de Philippe Guillot et de Laurent Thérèse.

Soutenue le 12-09-2019

à Toulouse 3 , dans le cadre de École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications (Toulouse) , en partenariat avec Diagnostic des Plasmas Hors Equilibres (laboratoire) .


  • Résumé

    Les intoxications d'origine alimentaire englobent un large éventail de maladies et constituent un problème de santé publique croissant dans le monde entier. Actuellement, les méthodes de décontamination basées sur la haute température, les radiations ou les agents chimiques sont utilisées pour limiter le nombre de foyers de maladies d'origine alimentaire. Cependant, il a été démontré que ces méthodes peuvent altérer les propriétés organoleptiques de l'aliment, causer une pollution de l'environnement ou induire des risques sanitaires. Récemment, des recherches ont démontré la capacité du plasma froid à inactiver les microorganismes. Dans ce travail de thèse, une source plasma micro-onde à structure coaxiale fonctionnant à basse pression est étudiée puis utilisée pour de la décontamination biologique. Dans un premier temps, une étude paramétrique de la source a été menée dans trois gaz : l'argon, l'ArO2 et l'air synthétique. Les variations des grandeurs caractéristiques du plasma, telles que la température électronique, la densité électronique et la fonction de distribution en énergie des électrons ont été évaluées dans différentes conditions opératoires. Les modes de chauffage électronique correspondant à un plasma sous-dense et à un plasma sur-dense ont été observés et commentés. Les profils radiaux de la densité électronique ont montré les modes de diffusion électronique de nos plasmas. Au voisinage de l'axe azimutal de la source, le mode de diffusion ambipolaire s'est révélé être le phénomène majoritaire. Un mode de transition entre le mode ambipolaire et la diffusion libre a été observé sur une large distance radiale entre l'axe de la source et la paroi du réacteur. Au plus près des parois, l'écart à la neutralité laisse place à la domination de la diffusion libre. Pour compléter cette étude, des méthodes de diagnostic ont été également développées et appliquées aux plasmas étudiés. Les tracés de Boltzmann (conventionnel et modifié) ont permis de déterminer la température d'excitation et la température électronique. Les résultats montrent de bonnes concordances avec nos mesures, obtenues par sonde de Langmuir. Une méthode calorimétrique basée sur l'exploitation de la variation temporelle de la température a permis de retrouver la puissance fournie par le plasma à un endroit donné du réacteur. Les différentes contributions liées aux énergies de bombardements électronique et ionique, à la recombinaison électron-ion et à l'énergie dégagée par les processus d'association à la surface ont été également estimées. La dernière partie de la thèse est consacrée à l'étude du potentiel biocide de la source pour la décontamination des épices. Pour cela des grains de poivre noir (Piper nigrum) du commerce ont été utilisés pour évaluer les effets du plasma sur la flore mésophile aérobie totale (FMAT) en fonction de différentes conditions de travail (puissance, gaz et temps d'exposition). Cette étude préliminaire a permis de déterminer les conditions optimales de décontamination. En parallèle, une étude concernant les effets du plasma sur les propriétés physico-chimiques du poivre a été conduite. L'effet de la morphologie du substrat sur les mécanismes de la décontamination a été étudié. Enfin des expériences permettant d'évaluer le rôle du rayonnement UV et celui des espèces réactives dans le processus de décontamination ont été réalisées.

  • Titre traduit

    Development, characterization and optimization of plasma source for biological treatment in the food industry


  • Résumé

    Foodborne diseases encompass a wide range of illnesses and are a growing public health issue worldwide. Currently, conventional decontamination methods based on high temperature, radiation or chemical agents are used to limit the number of outbreaks of foodborne diseases. However, it has been shown that they could alter the organoleptic properties of the food, cause environmental pollution, or induce sanitary risks. Recently, several research groups demonstrated the ability of cold plasma to inactivate microorganisms. The aim of this work was to investigate the plasma generated by a coaxial microwave source operating at low pressure and to assess its antibacterial efficacy for spices decontamination. Parametric studies have been conducted in three gases: argon, ArO2 and synthetic air. The variations of the plasma parameters such as electron temperature, electron density and electron energy distribution function were evaluated under different operating conditions. Electronic heating modes corresponding to the under-dense plasma and to the over-dense one were observed and commented. The investigation of the radial profiles of the electron density showed the electronic diffusion modes involved in our plasmas. In the vicinity of the azimuthal axis of the source, ambipolar diffusion mode has been proved to be the dominant phenomenon of electronic losses. A transition between the ambipolar mode and the free-diffusion one was observed over a large radial distance in the bulk of the discharge. Near the walls, the quasi-neutrality condition was not fulfilled, leading to free diffusion transport regime. In addition to the conventional measurement tools used in this thesis, several diagnostic methods have been developed to allow further insight into the physical processes characteristic for our plasmas. The Boltzmann plots (conventional and modified) were used to determine both excitation and electronic temperatures. The results obtained using this method showed good agreement with our measurements obtained by Langmuir probe technic. A calorimetric method based on the temporal temperature variations allowed us to determine the power deposited on the substrate by the plasma at a given position of the discharge. The various contributions due to the electrons and ions bombardment energies, electron-ion recombination and energy released by surface association processes were hence estimated. The last part of this thesis presents the assessment of the biocidal potential of the source for spices decontamination. Commercial black pepper (Piper nigrum) grains were used to determine the effect of plasma on total aerobic mesophilic flora (TAMF) as a function of different working conditions (power, gas and exposure time). This preliminary study allowed the determination of optimal decontamination conditions. The effects of plasma exposures on the physical and chemical properties of pepper were also evaluated. The effect of substrate morphology on the decontamination mechanisms has been investigated. Finally, experiments were carried out in order to show the role of UV radiations and reactive species in the decontamination process.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2019 par Université Toulouse 3 à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Développement, caractérisation et optimisation d'une source plasma pour le traitement biologique dans le domaine agroalimentaire
  • Détails : 1 vol. (220 p.)
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