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Histoire de la lumière pulsée pour la décontamination
Introduction
Bedford (1927) et Gates (1929) ont été les premiers à quantifier l’effet germicide des UV. Depuis, la lumière UV obtenue par vapeur de mercure (mono longueur d’ondes de 254 nm) est bien connue et couramment utilisée pour décontaminer les surfaces et l’eau [1].
Néanmoins, les lésions causées par les faibles doses UV sur l’ADN du micro-organismes peuvent être réparées, ce qui représente, pour ces lampes, une première limite. Deuxièmement, en cas de casse d’une lampe mercure, la vapeur de mercure qui s’en dégage est dangereuse et toxique.
L’alternative ? Une lampe remplie avec un gaz noble, capable de générer des impulsions UV intenses et courtes. Au travers ces quelques lignes, nous retraçons l’historique de la décontamination par lumière pulsée.
Des années 70 aux années 80 : exploration
La lumière pulsée, comme solution de décontamination, a été brevetée par Hiramoto au Japon dans les années 80 puis étendue aux US en 1984 [2]. Le résumé de ce brevet est toujours d’actualité presque 40 ans plus tard.
« La présente invention propose une méthode de stérilisation utilisant une lampe flash à décharge capable d’émettre une lumière à large spectre, permettant la destruction instantanée des micro-organismes, tout particulièrement l’Aspergillus niger et tous les autres organismes des couches inférieures pour qui les méthodes UV classiques ne sont pas efficaces. »
Plusieurs brevets ont été cités dans le brevet de Hiramoto, démontrant l’intérêt pour les lampes à décharges en tant que source de décontamination, plusieurs années auparavant. Hiramoto suggère dans son document que l’efficacité germicide de ces lampes vient de deux effets :
- L’intensité de l’impulsion UV
- L’augmentation en température du microorganisme sur un temps très court
Kira Takehiro [3] a étudié et breveté une lampe à décharge en 1977 au Japon, pour la société USHIO Electric. L’association d’un gaz mercure et d’un gaz noble dans la lampe permettait d’émettre une dose UV (entre 200 et 250 nm) plus importante qu’avec les solutions classiques. Néanmoins, l’application n’était pas la décontamination mais la photolithographie.
En 1976, aux Etats-Unis, Edward Webb, Nikolaos Barakitis et Keith Pigott ont étudié et développé une lampe à décharge d’arc de 36 inch (presque 100 cm !). La lampe a été remplie avec du gaz mercure et un gaz noble (Argon) et une petite quantité de Nobium. L’idée de ce brevet était d’améliorer la stabilité de ces lampes à décharge relativement longues [4].
Toujours en 1976, en Inde, Lowell Tensmeyer a décrit une façon d’annihiler les micro-organismes à l’intérieur d’une contenant par un rayon laser. Les successions de courtes impulsions laser focalisées (entre 1 µs et 50 ms) à l’intérieur du contenant mènent à l’effet germicide [5].
En 1977, aux Etats-Unis, Daniel Altman, Glidden Barstow et Myer Geller, décrivent dans leur brevet n° 4035691, les débuts de la lumière pulsée. Une source de haute intensité produit une lumière entre 360 nm et 430 nm (UVA). Les lampes sont remplies avec du gaz Xenon et du gaz Mercure. Les électrodes sont alimentées à une électronique permettant la réalisation d’impulsions de très haute intensité [6].
Dans les années 70 et les années 80, de nouveaux concepts ont été introduits : lampe à décharge, impulsion courte (<500µs), introduction du gaz Xenon dans les lampes, électronique permettant des impulsions de haute intensité, etc. C’est le démarrage de la décontamination par lumière pulsée.
Des années 80 aux années 90 : applications
En 1986-1987, Les laboratoires Maxwell et la start-up californienne Alwek Corp (A. Wekhof) s’investissent dans les applications liées à des sources UVC de fortes intensités. La collaboration entre les deux entités a permis d’obtenir des données sur de nombreux agents biologiques [7]. On peut dire aujourd’hui que les laboratoires Maxwell et la start-up Alwek Corp ont été à l’origine des bases technologiques de la lumière pulsée pour la décontamination.
En 1988, les laboratoires Maxwell ont racheté le brevet de Hiramoto et ont créé Purepulse Inc avec le soutien financier et le partenariat scientifique de Tetrapak. Dans les années 90, Purepulse® contribue au travers des publications scientifiques et des brevets, à l’amélioration de la technologie. Cela a permis d’enrichir, encore une fois, les connaissances sur la lumière pulsée comme solution de décontamination et d’apporter de nouvelles idées d’application [8].
En 1996, Joseph Dunn (Purepulse®) propose le traitement des aliments et des emballages agroalimentaires par lumière pulsée. La combinaison entre le traitement par lumière pulsée et un autre traitement (chaleur, agents chimiques, atmosphère contrôlée) est expliquée dans ce brevet [9] et mène à une optimisation de l’effet germicide.
Toujours en 1996, c’est une première consécration pour la décontamination par lumière pulsée. La technologie est adoptée par la US Food and Drug administration (FDA) pour l’agroalimentaire [10]. La totalité du traitement ne doit pas dépasser 12 joules/cm² ce qui est de toute façon, particulièrement élevé et suffisant pour ceux qui sont familiers avec cette technologie.
Purepulse® continuera ses activités de recherche sur les applications de la lumière pulsée en 1998 et 1999. Deux autres brevets seront déposés pour la stérilisation des packagings par lumière pulsée [11], [12], [13].
En parallèle, Alexander Wekhof, précedemment aux Etats-Unis avec sa start-up Alwek Corp, crée en 1996 la société Wek-Tek (Steribeam aujourd’hui) en Allemagne. Le but est de développer des systèmes par UV pulsés. Associé à des collègues du Fraunhofer Institut en 1999-2000, son travail mènera à plusieurs publications scientifiques qui sont aujourd’hui largement citées dans le monde entier [14].
Depuis les années 2000 : commercialisation
Depuis les années 2000, de nombreux projets et business ont vu le jour. Parmi tous les marchés qui ont émergés, Certains ont été brevetés, d’autres publiés dans des journaux scientifiques.
Pour conclure, la technologie lumière pulsée, bien que toujours considérée comme une technologie émergente est basée sur presque 50 ans de recherche ! Mais, soyons en sûrs, cette technologie a encore de belles années devant elle.
[1] Emerging technologies for food processing, edited by Da-Wen Sun
https://books.google.fr/books?id=mgJ0AwAAQBAJ&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false
[2] Method of sterilization, Tatsumi Hiramoto, US4464336
[3] Discharge lamp, Kira Takeihiro, US4190786
[4] Ultraviolet emitting arc discharge lamp, Edwar Webb, Nikolaos Barakitis and Keith Pigott, US4074166
[5] Method of killing microorganisms in the inside of a contained utilizing a laser beam induced plasma, Lowell Tensmeyer, US3955921. https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/claims?CC=US&NR=3955921A&KC=A&FT=D&ND=4&date=19760511&DB=EPODOC&locale=en_EP
[6] Pulsed laser excitation source, Altman et al., US4035691
[7] Disinfection with Flash Lamp, 2000, Alexander Wekhof
https://www.researchgate.net/publication/12392395_Disinfection_with_flash_lamp
[8] High pulsed voltage systems for extending the shelf life of pumpable food products, Andrew Bushnell, Joseph Dunn, Reginald Clark, 1989 WO9015547
[9] Pulsed light treatment of food products and packagings materials, Joseph Dunn, 1994, US19940927
[10] FDA, Pulsed light for the treatment of food, Title 21, Volume 3, 21CFR179.41, Aug 15, 1996
https://www.accessdata.fda.gov/scripts/cdrh/cfdocs/cfcfr/CFRSearch.cfm?fr=179.41
[11] Parametric control in pulsed light sterilization of packages and their contents, Reginald Clarkk, James Lierman, Donald Lander, joseph Dunn, for PurePulse, US5925885
[12] Sterilization of packages ad their contents using high-intensity, short-duration of incoherence, polychromatic light in a broad spectrum, Reginald Clarkk, James Lierman, Donald Lander, Joseph Dunn, US578698
[13] parametric control in pulsed light sterilization, Reginald Clarkk, James Lierman, Donald Lander, Joseph Dunn, US6566659
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