Source plasma pour l'analyse chimique de liquides dans le domaine agroalimentaire

Plasma source for chemical analysis of liquids in the food industry

• Auteur / Autrice : Ludovic Sudrie
• Direction : Philippe Guillot, Laurent Thérèse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des Plasmas
• Date : Soutenance le 21/06/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Diagnostic des Plasmas Hors Equilibres
• Jury : Président / Présidente : Yann Cressault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Louis Latrasse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Pecheyran, Ana Lacoste

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse

Boissons

Spectroscopie d'émission optique à source plasma

Mots clés libres

Spectrométrie de masse

Source plasma

Diagnostic

Spectroscopie optique

Plasma source

Optical spectroscopy

Mass spectrometry

Diagnostic

Résumé

D'après le ministère de l'Agriculture, de l'Agroalimentaire et de la Forêt (MAAF), les industries agroalimentaires qui regroupent les secteurs de l'industrie alimentaire et de la fabrication de boissons, représentent environ 690 000 salariés dans 85 000 entreprises de transformation ou de commerce de gros. En 2012, la fabrication de boissons a notamment généré 23 % de la valeur ajoutée des industries de transformation alimentaire. Au niveau européen, la France occupe la première place en termes de chiffre d'affaires dans l'industrie des boissons et le commerce de gros (produits agricoles bruts et animaux vivants) et est également le premier exportateur extracommunautaire des pays de l'Union Européenne avec 30 % des ventes européennes de boissons vers les pays tiers. Au niveau régional, l'Occitanie est un territoire riche en produits du terroir issus de l'agriculture, dont les fromages, la production laitière, la viande, ou encore le vin forme une liste non-exhaustive de spécialités. Dans ce contexte que ce soit au niveau européen, national ou régional, l'industrie de la fabrication des boissons à l'image de l'industrie alimentaire est continuellement à la recherche de nouvelles technologies pour améliorer le contrôle de la qualité de ses produits. Avec l'exemple du vin en Occitanie, la concentration en sulfite, l'élaboration de vin bio, la concentration en pesticide et en métaux lourd, mais aussi la contrefaçon de vin sont autant de thèmes au centre de l'attention. Parmi les technologies disponibles, la technologie par plasma a fait la démonstration de son potentiel dans le domaine de la chimie analytique. On peut citer par exemple l'analyse par ICP (Inductively Coupled Plasma) où l'échantillon peut être mis en solution, puis la préparation est introduite par vaporisation au sein du plasma d'argon à très haute température. L'excitation thermique, engendre alors des phénomènes d'ionisation et de séparation des éléments constitutifs de l'échantillon, ce qui permet de les détecter et de les caractériser. Dans ce travail de thèse, un plasma hors-équilibre (plasma micro-onde à pression atmosphérique) est étudié puis couplé un à spectromètre de masse à temps de vol pour de l'analyse élémentaire d'échantillon liquide. Les travaux concernent : La caractérisation physique de la source par spectroscopie optique : identification des espèces excitées par imagerie iCCD et spectroscopie optique, calcul des températures (excitation, rotationnel, gaz), calcul de la densité électronique. Les caractéristiques physiques sont étudiées en fonction de la puissance et du débit. L'analyse chimique par spectrométrie de masse : modification de la source, optimisation de l'interface spectromètre de masse/plasma, tracée de courbe de calibration et calcul de la limite de détection de quelques éléments d'intérêt. Une ouverture vers l'analyse de vin.

According to the Ministry of Agriculture, Food and Forestry (MAAF), the food industries, which include the food processing and beverage manufacturing sectors, represent approximately 690,000 employees in 85,000 processing or wholesale companies. In 2012, beverage manufacturing generated 23% of the value added of food processing industries. At the European level, France ranks first in terms of turnover in the beverage industry and wholesale trade (raw agricultural products and live animals) and is also the leading extra-EU exporter of European Union countries with 30% of European beverage sales to third countries. At the regional level, Occitania is a territory rich in local agricultural products, of which cheeses, dairy products, meat and wine are just a few of the specialties. In this context, whether at the European, national or regional level, the beverage manufacturing industry, like the food industry, is constantly looking for new technologies to improve the quality control of its products. With the example of wine in Occitania, the concentration of sulfite, the elaboration of organic wine, the concentration of pesticides and heavy metals, but also the counterfeiting of wine are all themes at the center of attention. Among the available technologies, plasma technology has demonstrated its potential in the field of analytical chemistry. One example is the ICP (Inductively Coupled Plasma) analysis where the sample can be put into solution and then the preparation is introduced by vaporization into the argon plasma at very high temperature. The thermal excitation, then generates ionization and separation of the elements constituting the sample, which allows to detect and characterize them. In this thesis, an out-of-equilibrium plasma (microwave plasma at atmospheric pressure) is studied and coupled to a time-of-flight mass spectrometer for elemental analysis of liquid samples. The work concerns: -The physical characterization of the source by optical spectroscopy: identification of excited species by iCCD imaging and optical spectroscopy, calculation of temperatures (excitation, rotational, gas), calculation of the electron density. Physical characteristics are studied as a function of power and flow rate. - Chemical analysis by mass spectrometry: modification of the source, optimization of the mass spectrometer/plasma interface, calibration curve and calculation of the detection limit of some elements of interest. - An opening towards wine analysis.