Mousses en écoulement pour le nettoyage d’équipements fermés contaminés par des spores de Bacillus cereus ou des biofilms de Pseudomonas fluorescens

Foam flow for cleaning of closed equipment contaminated by Bacillus cereus spores or Pseudomonas fluorescens biofilms

• Auteur / Autrice : Alexandre-Ahmad Al Saabi
• Direction : Thierry Bénézech, Christine Faille, Gaétan Rauwel, Fethi Aloui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies agroalimentaires, sciences de l'aliment, physiologie
• Date : Soutenance le 17/09/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Processus aux Interfaces et Hygiène des Matériaux (PIHM)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....)
• DOI : 10.70675/11a169fdzc516z4e22zbe53z82838a922b80

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industries agroalimentaires

Nettoyage

Biofilms

Spores bactériennes

Mousse (chimie)

Surfactants

Écoulement cisaillé

Encrassement

Acier inoxydable

Surfaces

Bacillus cereus

Pseudomonas fluorescens

Mots clés libres

Nettoyage en place

Résumé

Les contaminants tels que les spores / biofilms sont problématiques dans nombreux secteurs de l'industrie alimentaire. En effet, même après les procédures d'hygiène, ces biofilm/spores pouvaient être retrouvés sur toutes les surfaces en contact direct ou non direct avec les aliments (Bénézech & Faille, 2018). Les risques associés aux biofilms peuvent être contrôlés soit en limitant le nombre des cellules adhérentes, soit en facilitant l'élimination des bactéries adhérentes. Le nettoyage en place (CIP) est une pratique de nettoyage courante et est largement utilisée dans les industries alimentaires ; cependant, il reste à un certain niveau une procédure de forte consommation d'eau. De plus, certaines études ont présenté quelques espèces bactériennes qui ont survécu même après le CIP et peuvent-être une source probable de contamination du produit.D'un autre côté, un fluide biphasique tel que la mousse peut exercer la même contrainte de cisaillement en paroi générée par un fluide monophasique, avec moins d'eau consommée. La mousse avec ses propriétés telles que le cisaillement peut être un paramètre clé pour un nettoyage mécanique des systèmes fermés tels que les tuyaux à faible consommation d'eau.Dans cette étude, nous avons étudié l'effet de l'écoulement de mousse dans les tuyaux et comparé son efficacité avec des conditions du type CIP standard sur le détachement des spores et des biofilms. La première approche consistait à travailler avec différents régimes d'écoulement de mousse (1D, 2D, 3D tout en augmentant la vitesse de 2 à 6 cm.s-1) ayant différentes qualités de mousse (quantité d'air: 50%, 60%, 70%) sur différentes espèces de micro-organismes où l'encrassement a été effectué soit en utilisant des spores de B. amyloliquefaciens 98/7 ou B. cereus 98/4 qui montrent une différence par leur caractère hydrophobe / hydrophile. Quant à P. fluorescens pf1, il a été utilisé comme un bon formateur de biofilm (biofilm de 24 heures) largement utilisé dans l'industrie alimentaire. L'encrassement a été réalisé à la position verticale ou à l'horizontale induisant des biofilms avec différentes structures. Les résultats du nettoyage de la mousse ont été comparés aux résultats des conditions de type CIP (la même action mécanique moyenne et la même concentration de tensioactif).La deuxième approche consistait à soumettre le flux de mousse à différentes singularités (réduction progressive de l'expansion soudaine - coudes) tout en travaillant avec un régime d'écoulement de mousse (1D 50%) et une espèce (B. amyloliquefaiciens 98/7 spores) pour mettre en évidence tout changement dans le flux de mousse sur l’efficacité de nettoyage.La troisième approche portait sur le travail avec une espèce (B. amyloliquefaciens 98/7) considérée comme un bon « outil microbien », en produisant la mousse à partir des différents surfactants (SDS, Capstone® FS 30, Ammonyx® LO). Ces derniers diffèrent par leurs propriétés chimiques (non ionique, anionique et zwitterion) et donc permettant de produire des mousses avec des propriétés physiques différentes en termes de taille, de nombre et de répartition des bulles, et de profil d'écoulement.Par rapport aux précédents travaux sur la caractérisation de mousse en écoulement, il a été possible de mettre en évidence le rôle potentiel de la variation de la contrainte de cisaillement en parois parallèlement à la variation d'épaisseur du film liquide au niveau des parois avec le passage des bulles, sur l'efficacité de nettoyage. De plus, selon des travaux antérieurs, l’existence des forces capillaires exercées sous les débits les plus faibles, la nature hydrophile / hydrophobe des spores et la structure du biofilm pourraient expliquer au moins en partie l'efficacité surprenante de l'élimination des spores par la mousse.

Contaminants such as spores/biofilms are problematic in many food industry sectors. Indeed even after hygiene procedures, biofilms/spores could be found on every surface that is in direct contact or not with food (Bénézech & Faille, 2018). Risks associated with microorganisms can be controlled either by limiting the number of adherent cells or by facilitating the removal of adherent bacteria. Even though Cleaning in Place (CIP) is widely used and it is a common cleaning practice in food industries; however, it remains at some level a high- water consumption procedure. In addition, some studies, presented some bacterial species that still survived even after CIP and maybe a probable source of product contamination. On the other hand, a double phase fluid such as foam can impose the same wall shear stress with less water being consumed. Foam with its properties such as shearing can be key a parameter for a mechanical cleaning of closed systems such as pipes with a lower consumption of water.In this study we investigated the effect of flowing foam in pipes and compared its efficiency with standard CIP like conditions on the detachment of spores and biofilms. The first approach was working with different foam flow regimes (1D, 2D, 3D while increasing the velocity from 2 to 6 cm s-1) having different foam qualities (amount of air: 50%, 60%, 70%) on different species of microorganisms where fouling was performed either by using spores of B. amyloliquefaciens 98/7 or B. cereus 98/4 that shows a difference by their hydrophobic/hydrophilic character. As for P. fluorescens pf1 it was used as a good biofilm former (24 hrs. biofilm) widely encountered in the food industry. Fouling was performed either vertically or horizontally inducing biofilms with different structures. Results from foam cleaning were compared with CIP like conditions results (the same mean mechanical action, and the same concentration of surfactant). The second approach was subjecting foam flow to different singularities (sudden expansion gradual reduction – bends) while working with one foam flow regime (1D 50%) and one species (B. amyloliquefaciens 98/7 spores) to highlight any changes in the foam flow cleaning efficiency. The third approach was working also with one species (B. amyloliquefaciens 98/7) considered as a good “microbial tool” producing foam from the use of different surfactants (SDS, Capstone® FS 30, Ammonyx® LO) that differs by their chemical properties ( nonionic, anionic and zwitterion) thus producing different foams having different physical properties in terms of bubbles size , number and repartition, and flow pattern. Comparing to previous related works on foam flow characterization, it was possible to highlight the potential role on the cleaning efficiency of the Wall Shear Stress variations in parallel to the liquid film thickness variation at the wall with the bubbles' passage. In addition, according to previous work, the possible capillary forces exerted under the lowest flow rates and considering the hydrophilic/hydrophobic nature of the spores, in addition to biofilm structure would explain at least partly the surprising efficiency in the spores' removal by foam.