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Le prix "Recherches et technologies" du dernier Salon international du process alimentaire 2010 (IPA) a été attribué à un détergent enzymatique, BioREM 10, issu de la collaboration entre le laboratoire Processus aux interfaces et hygiène des matériaux (PIHM) de l'Inra de Lille et Realco, une société belge. Ce nettoyant s'est montré aussi performant, voire plus, que les traitements classiques à la soude pour lutter contre les biofilms dans les chaînes de transformation des industries alimentaires. L'innovation avait déjà été distinguée avec le Trophée de l'innovation au Carrefour des fournisseurs de l'industrie alimentaire (CFIA) en 2009.
Les biofilms : cauchemars des IAA
Véritables réservoirs de micro-organismes (bactéries, champignons…) adhérant entre eux et englobés dans une gangue de polymères (polysaccharides, protéines, ADN, lipides et minéraux), les biofilms colonisent toutes les surfaces industrielles, les canalisations, les filtres à membrane… Pour les nettoyer et les éliminer, il est essentiel de déstructurer cette gangue. Le problème est que les biofilms sont très résistants et les détergents classiques comme la soude ne sont pas assez efficaces. De plus, leurs formules chimiques agressives représentent un danger pour les utilisateurs, sont corrosives pour le matériel, et ont un impact négatif sur l'environnement.
Biofilms observés en microscopie à balayage.
A gauche : biofilm de Burkholderia cepacia établi dans un milieu à base de viande. A droite : biofilm de Bacillus spp., établi dans un milieu à base de lait. © Inra, PIHM, G. Ronse
"Nous étudions la formation des souillures et leur décrochement dans les chaînes de transformation des aliments afin de pouvoir améliorer les conditions d'hygiène. Nous avons collaboré avec la société Realco dans le cadre du projet Eureka*. Notre contribution a porté sur les recherches en amont pour déterminer les souches bactériennes les plus aptes à former des biofilms résistants. Notre unité étudie également les conditions environnementales influençant le développement et la résistance des biofilms en industrie et les activités enzymatiques les plus efficaces contre ces biofilms. La résistance des biofilms dépend des microorganismes qui les composent", explique Christine Faille, directrice de l'unité PIHM.
Du microscope à la halle technique
La valeur ajoutée du laboratoire Inra PIHM dans son partenariat avec Realco repose sur son expertise dans l'étude des processus microbiens, chimiques et physiques entrant en jeu dans la formation et le décrochement des biofilms. Grâce à de nombreux équipements, l'unité travaille sur des échelles d'études très différentes allant des analyses microscopiques à des essais en boucle pilote dans une halle technique de 800 m2. Ces atouts lui permettent de fournir aux industriels des éléments objectifs pour l'amélioration de leurs procédés de transformation grâce à une meilleure compréhension des phénomènes de contamination et de nettoyage des surfaces et des mécanismes impliqués.
Boucle d'essai instrumentée de nettoyage en place dans laquelle sont insérés les dispositifs pour tester l’efficacité du BioRem dans des conditions proches de celles rencontrées dans les chaînes de transformation des IAA. © Inra PIHM.
"Un des problèmes pour éliminer les biofilms vient aussi du fait qu'ils se nichent dans les endroits où les écoulements sont perturbés ou difficilement accessibles aux produits détergents," continue Christine Faille. Dans son atelier mécanique, l'équipe PIHM a conçu des dispositifs de géométrie particulière qui miment le rétrécissement des conduites, zones identifiées comme étant peu hygiéniques dans les chaînes de transformation des produits agro-alimentaires.
Ces dispositifs, préalablement contaminés par des biofilms, ont été soumis à une procédure de nettoyage en place avec le BioREM 10. Démontés, ils sont ensuite passés au crible des analyses microbiologiques pour dénombrer les bactéries résiduelles, et microscopiques à épifluorescence afin d’observer la structure des dépôts.
A gauche, dispositif créant un rétrécissement de conduites (de 2 pouces à 1 pouce - 5,08 cm à 2,54 cm) et sur laquelle le biofilm se développe. Au centre, le dispositif est adapté sur un tube ouvert de 2 pouces qui sera rempli de la suspension contaminée afin de permettre l’installation du biofilm. A droite, le dispositif est ensuite inséré dans une boucle de nettoyage en place pour être nettoyé par le BioREM ou la soude. © Inra PIHM
Des enzymes pour mettre en pièces les biofilms
Les enzymes utilisées sont des protéines qui dégradent la matière organique en résidus de petite taille, solubles dans l'eau, donc facilement décrochables. Les chercheurs de l'Inra ont d'abord sélectionné neuf souches bactériennes capables de former des biofilms résistants dans différents milieux alimentaires et cinq activités enzymatiques pour leur efficacité contre ces biofilms. Les résultats effectués sur des coupons d’acier inoxydable ont mis en évidence le rôle majeur des polysaccharidases contre les biofilms de type Pseudomonas fluorescens et des protéases contre les biofilms de Bacillus. La combinaison de ces activités enzymatiques à des tensioactifs à pH alcalin a permis d’améliorer le nettoyage des biofilms quelque soit l’espèce. "Un pH alcalin, pH 10 est ce qui fonctionne le mieux dans le nettoyage des biofilms, quelque soit le milieu alimentaire" conclut la directrice du laboratoire lillois.
A gauche : biofilm de Pseudomonas fluorescens sur coupon d’acier inoxydable. Au centre : après traitement par la soude à 0.5%, quelques amas de cellules entourées de polymères sont encore observés sur la surface du coupon. A droite : après traitement par le BioREM 10, on n’observe plus que des bactéries isolées et non entourées de polymères, donc probablement plus sensibles aux procédures de désinfection. © Inra PIHM, Y. Lequette
À partir de ces résultats, la société Realco a élaboré une solution enzymatique de nettoyage qui a été testée à l'Inra. "Nous avons testé ces solutions enzymatiques sur des pièces en acier inoxydable présentant des singularités de géométrie difficiles à nettoyer. Nous pouvons ainsi étudier le décrochement des biofilms à l'échelle semi-industrielle, dans des conditions proches de celles des IAA," explique Christine Faille. Le détergent enzymatique, utilisé à 45°C, a montré une efficacité de nettoyage supérieure à un traitement à la soude 0,5 % à 45 °C pour tous les biofilms et similaire à un traitement à la soude 2 % à 60 °C pour les biofilms de Bacillus cereus. Comparativement aux traitements classiques à la soude, l’utilisation du BioREM 10 limite la consommation d’énergie (température d’utilisation préconisée : 50°C) ainsi que les rejets de détergents. Les enzymes présentent aussi l’avantage d’être biodégradables, et ont donc un moindre impact sur l’environnement.
Des essais sur sites industriels, menés par la société Realco, ont confirmé l’efficacité du nouveau cocktail enzymatique. Le produit mis au point, BioREM 10, a fait l'objet d'un dépôt de demande de brevet par Realco et l’Inra. Il est préconisé pour des utilisations préventives ou curatives après un audit complet de l'installation qui aura mis en évidence, localisé et quantifié la contamination. La préparation enzymatique représente une alternative écologique aux traitements chimiques, susceptible de séduire de plus en plus les entreprises agroalimentaires s'inscrivant dans une démarche de développement durable.
* Projet Eureka : "Nettoyage enzymatique : nettoyage en profondeur et élimination des bactéries adhérentes et des biofilms", (NETZYM, n°2006 EUKA 003 01).
Références :
Lequette Yannick, Boels Gauthier, Clarisse Martine and Faille Christine (2010) 'Using enzymes to remove biofilms of bacterial isolates sampled in the food-industry', Biofouling, 26: 4, 421 — 431. 01 March 2010. http://dx.doi.org/10.1080/08927011003699535.
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