Je tiens également à remercier Denis BEMER, Philippe DUQUENNE et Xavier SIMON de l'INRS pour leurs conseils, leurs avis critiques et les échanges que nous avons eus lors des réunions. L’ensemble du travail expérimental n’aurait pu être réalisé sans l’aide précieuse de l’équipe technique du REM DSEE. La qualité microbienne de l’air intérieur représente un problème de santé important, notamment dans le secteur professionnel.
Ce travail de thèse a permis d'étudier les conditions de développement d'espèces microbiennes collectées sur les supports fibreux utilisés dans les CTA, ainsi que leur réintroduction en aval de filtration, susceptible de dégrader la qualité de l'air. La première partie de l'étude s'est déroulée en laboratoire sur la base de la filtration d'un consortium bactérien-fongique composé de Staphylococcus epidermidis et Penicillium oxalicum. L'influence de trois paramètres a été étudiée sur la croissance microbienne : l'humidité relative (HR) de l'air, la nature du milieu fibreux, la présence/absence de flux d'air.
Un suivi de la température, de l'humidité, de la perte de charge du filtre et de la concentration de particules totales dans l'air en amont de la filtration a été assuré tout au long de l'étude. Suivi du comportement d'un aérosol microbien formé d'un consortium bactério-fongique en phase de filtration d'une station de traitement d'air – Application aux bâtiments tertiaires.
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Introduction
Les aérosols microbiens
- Présence des aérosols microbiens dans l’air intérieur
- Une catégorie d’aérosols : les bioaérosols
- Composition microbienne de l’air intérieur
- Dangerosité d’une exposition aux bioaérosols sur la santé humaine
- Généralités
- Danger d’une exposition aux fragments microbiens
- Qualité de l’air et bénéfices économiques
La ventilation
- Généralités sur la ventilation en France
- Les systèmes de ventilation
- Centrale de Traitement de l’Air
- Description
- Les inconvénients des CTA
Filtration particulaire sur média fibreux
- Filtration des aérosols
- Caractérisation des performances d’un média fibreux lors de la phase stationnaire
- Médias fibreux filtrants
- Filtration des microorganismes
- Facteurs influant sur le comportement des microorganismes lors de la filtration
Génération et échantillonnage des aérosols microbiens
- Génération d’aérosols microbiens
- La génération par voie sèche
- La génération par voie liquide
- Les différentes techniques d’échantillonnage des particules microbiennes en suspension
- Choix d’un échantillonneur
Méthode d’analyses quantitatives et qualitatives
- Analyses Quantitatives
- Méthode de quantification sur milieu de culture
- Suivi du développement fongique par l’évaluation du taux d’ergostérol
- Analyse par PCR quantitative
- Analyse du matériel biologique total par une méthode protéique
- Analyse du matériel biologique viable total par la détermination de l’ATP
- Granulométrie et concentration d’un aérosol microbien
- Analyse Qualitative – Identification des espèces
Aérosol microbiens
- Sélection des espèces microbiennes modèles
- Méthodes de quantification des microorganismes
- Méthode par culture
- Evaluation du taux d’ergostérol
- Suivi qualitatif du développement microbien par observations MEB
- Génération et échantillonnage de l’aérosol microbien
- Préparation de la suspension microbienne
- Génération de l’aérosol microbien
- Echantillonnage des aérosols microbiens
- Effet de la génération et de l’échantillonnage sur la cultivabilité des microorganismes
Dispositif expérimental de filtration
- Principe du dispositif expérimental de filtration
- Validation du dispositif de filtration : de la génération à l’échantillonnage
- Homogénéité du flux lors de la filtration
- Caractérisation de la génération du bioaérosol à l’aide de compteurs à particules
Suivi du comportement microbien sur les filtres
- Préparation et contamination des filtres
- Analyse des filtres
- Développement des microorganismes sur les filtres contaminés
- Relargage microbien en aval des filtres
- Méthodes d’extraction des microorganismes des filtres
Synthèse de la méthode
Conclusion
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Matériel, méthode et protocoles
- Plan expérimental
- Description générale
- Spécifications pour chaque étude
- Médias fibreux testés
- Caractéristiques des médias fibreux testés
- Efficacité fractionnelle initiale théorique de filtration
- Efficacité initiale de filtration des microorganismes cultivables
- Récapitulatif des résultats d’efficacité initiale de filtration
Porosité interfibre, rugosité de surface et agrégat filtrant en fibre de verre et en fibre synthétique (porosimétrie au mercure). Evolution des pertes de charge des filtres en fibres de verre pures et fibres synthétiques en fonction de la vitesse de filtration. Le média en fibres synthétiques est 3 fois plus perméable qu'un filtre en fibre de verre.
La figure III-8 présente l'efficacité de filtration du filtre en fibre de verre en fonction du diamètre des particules de PVA naturellement chargées générées. C'est pourquoi l'efficacité de filtration du média en fibres synthétiques a été évaluée par la filtration d'un aérosol PVA selon différentes configurations de chargement. Efficacité initiale du filtre en fibres synthétiques sous différentes configurations de charge : Pc-fc ; P0-fc; P0-f0.
La figure III-10 montre l’efficacité de filtration initiale totale théorique d’un filtre en fibre de verre. En théorie, la filtration minimale (MPPS) d'un filtre en fibre de verre est atteinte pour des particules de 0,2 µm. Premièrement, l’efficacité de filtration initiale totale théorique du filtre en fibres synthétiques a été calculée sans tenir compte de l’effet des charges électrostatiques sur la collecte des particules.
La figure III-11 représente l'efficacité de filtration théorique globale du filtre en fibres synthétiques calculée sans tenir compte de l'effet des charges électrostatiques sur la collecte des particules. La filtration minimale du filtre en fibres synthétiques est atteinte par rapport aux particules de 0,3 µm. De même, ce résultat montre une bonne concordance avec la mesure de l'efficacité de filtration du filtre en fibre de verre vis-à-vis des particules inertes (Figure III-8).
En revanche, le modèle théorique permet d'évaluer l'efficacité de filtration du filtre en fibres synthétiques lorsque les forces électrostatiques ne sont pas intégrées au modèle. La figure III-13 regroupe les efficacités de filtration initiales du filtre en fibre de verre. Cette opération de désinfection est réalisée avant de mesurer l'efficacité de filtration du média en fibres synthétiques vis-à-vis de S.
Etude du comportement microbien en l’absence de flux d’air
- Représentation des résultats
- Influence de l’humidité de l’air
- Ajout d’une source de nutriments sur le filtre
- Croissance microbienne en absence de flux d’air
- Relargage de microorganismes en aval des filtres
- Influence de la nature du média
- Ajout d’une source de nutriments sur les filtres
- Croissance microbienne en absence de flux d’air
- Relargage de microorganismes en aval des filtres
- Influence d’un flux d’air
L'humidité relative de l'air est un facteur important qui peut influencer la croissance microbienne (Pasanen, 1998). Une photographie d'un échantillon de filtre en fibre de verre découpé immédiatement après contamination par S. Toutes les valeurs obtenues sont accessibles dans le tableau III-11 de l'annexe III-1 Concentrations de micro-organismes extraits du filtre en fibre de verre après 168 heures 25°C et 60 %, 80 % et 100 % d'humidité relative et libération microbienne à la reprise du flux d'air.
En effet, le rapport de la concentration en spores après 48 heures sur la concentration en spores obtenue immédiatement après contamination du filtre pour le filtre en fibre de verre et pour le filtre en fibre synthétique est de 114 (maximum 227 et minimum 96) et 7 (maximum 10 et minimum 4), respectivement. Les spores semblent se développer moins rapidement sur un filtre en fibre synthétique que sur un filtre en fibre de verre. Le rapport entre la concentration en spores après 168 heures et celle immédiatement après la contamination du filtre s'applique respectivement au filtre en fibre de verre et au filtre.
Il est possible que la croissance mycélienne sur le filtre en fibres synthétiques favorise l'absorption de l'humidité de l'air ambiant. Ils ont ensuite constaté que la concentration en micro-organismes cultivables extraits du filtre en fibre de verre était significativement plus élevée lors des 4 premières semaines de filtration (différence de 3,105 UFC.m-2). Dans le cas de la présente étude, une première hypothèse consiste donc à expliquer les différences de croissance de P. oxalicum observées après 48 heures à 100% HR et 25°C par la meilleure capacité de rétention d'eau du filtre en fibre de verre.
Niveaux d'ergostérol extraits des filtres en verre et en fibres synthétiques après 48 h et 168 h à 100 % HR et 25 °C. Les photographies a) et b) de la figure III-23 montrent des échantillons de filtres en fibre de verre et de filtres en fibres synthétiques immédiatement après la contamination microbienne. Les photographies c) et d) représentent des échantillons de filtres en fibre de verre et en fibre synthétique après 48 heures en l'absence de flux d'air à 100 % HR et.
Le développement mycélien est visible sur deux échantillons photographiés, bien qu'il soit plus visible sur l'échantillon du filtre en fibre de verre. Les photographies e) et f) représentent des échantillons de filtres en fibre de verre et en fibre synthétique après 168 heures à 100 % HR et 25 °C. Concentrations de micro-organismes extraits et libérés de la fibre de verre et des supports synthétiques après 168 heures à 100 % HR et 25 °C sans flux d'air.
Conclusions
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Matériel et méthode
- Principe expérimental
- Méthodologie
- Suivi des paramètres en continu
- Mesures ponctuelles de la qualité microbiologique de l’air
Le dispositif de filtration est composé de deux sous-unités de filtration d'air dont chaque côté assure en parallèle la filtration de l'air semi-urbain à travers un filtre plat en fibre de verre. Par la suite, les deux sous-unités, composantes du système global illustré sur la figure IV-1, sont nommées UFA1 et UFA2. De nombreuses CTA fonctionnant dans les bâtiments du secteur tertiaire sont régulièrement arrêtées le week-end et rallumées le lundi matin pour économiser l'énergie.
Avant d'entrer dans le tube de transfert, commun aux deux UFA, l'air passe à travers un grillage pour retenir les éléments grossiers indésirables comme les feuilles mortes, les brindilles, etc. Elle est ensuite aspirée dans chaque UFA avec un débit de 16 m3.h-1 au travers de deux ventilateurs installés derrière chaque filtre testé. Le système d'asservissement maintient cette vitesse constante tout au long du colmatage des filtres en mesurant en continu le débit d'air issu des deux débitmètres massiques derrière chaque filtre, ainsi que les pertes de charge des filtres.
A la sortie de chaque UFA, l'air est à nouveau filtré par des filtres à très haute efficacité (HEPA). Les filtres HEPA sont utiles dans la mesure où les tests sont effectués dans les UFA et peuvent nécessiter l'élimination des particules avant leur rejet à l'extérieur du bâtiment. Lorsque la ventilation de l'UFA2 est arrêtée, une vanne dans le conduit de transmission d'air se ferme pour isoler cette unité.
Enfin, un emplacement en amont et en aval de chaque filtre est prévu pour positionner des cannes de prélèvement destinées au prélèvement d'air dans les UFA. Le schéma de principe du dispositif général ainsi qu'une photo se trouvent en annexe IV-1. La température et le niveau d'humidité relative sont enregistrés chaque minute par des sondes (Elektronik – série EE08) situées en amont de chaque filtre.
Un TEOM 1405 (Thermo scientific) mesure en continu à un débit de 0,18 m3.h-1, négligeable par rapport au débit d'air de 16 m3.h-1 dans l'UFA, la concentration massique (PM totales) des particules de l'air en amont de le filtre UFA1, qui est approximativement le même que celui en amont du filtre UFA2.
Caractérisation de l’air à filtrer
- Caractérisation particulaire de l’air et évolution de la concentration des particules
- Caractérisation particulaire de l’air
- Evolution de la concentration massique des particules
- Evolution journalière de la concentration massique des particules
- Composition microbienne de l’air
- Evolution des microorganismes, bactéries et champignons cultivables totaux
Performance de filtration des filtres vis-à-vis des particules d’alumine et de fluorescéine
- Performance du filtre vis-à-vis de particules d’alumine
- Evolution des pertes de charge au cours du colmatage avec des particules atmosphériques
- Efficacité fractionnelle initiale de filtration vis-à-vis de particules de fluorescéine
Filtration des particules biologiques et comportement microbien en aval des filtres
- Présentation des résultats
- Comparaison des résultats d’efficacité de l’UFA 1 et de l’UFA 2
- Comparaison entre le comportement des particules bactériennes atmosphériques collectées par
- Influence de la température et du taux d’humidité sur le comportement des microorganismes
- Influence du diamètre des particules microbiennes sur l’efficacité de filtration
- Influence du transport des particules microbiennes sur l’efficacité de filtration
- Espèces bactériennes et fongiques analysées
