Qu'ont en commun les aérosols, les particules de poussière et les microbes ?

(Illustration 2 : Photo d'une Flow-Box (Spetec Clean Boy® Mini))

( illustration 1 : Tailles des particules en comparaison)

Tableau 1 : Classes de salles blanches selon ISO 14644-1

La réponse à cette question complexe est de nature physique et est assez simple à donner : c’est en fait la grandeur qui est commune à tous les trois particules ayant des effets différents, ou plutôt leur extension.

Quelles grandeurs possèdent ces particules ?

Les rapports de grandeur de certains objets sélectionnés sont illustrés dans la figure 1.

L’échelle de grandeur va de l’atome avec 10^-10 m jusqu’à une orange d’un diamètre de 10 cm (0,1 m). Dans cet article, nous nous intéressons à des objets plus petits que 0,1 mm, soit 100 µm, et qui ne peuvent donc plus être détectés à l’œil nu, et qui appartiennent donc aux micro-objets, qui, bien qu’invisibles, peuvent influencer notre vie de manière significative.

Les particules sphériques (particules, aérosols, microbes) avec des diamètres inférieurs à 30 µm peuvent en effet être transportées dans l’air sur de grandes distances, et récemment, des chercheurs japonais ont même montré que les aérosols produits par l’homme peuvent rester en suspension dans l’air intérieur jusqu’à 20 minutes, si l’on ne ventile pas, avant de tomber au sol sous l’effet de la gravité.

Un aérosol désigne un mélange hétérogène (dispersion) de particules solides ou liquides en suspension dans un gaz. Les particules en suspension sont appelées particules d’aérosol ou particules d’aérosol. Les plus petites particules ne mesurent que quelques nanomètres et ne peuvent plus être vues qu’au microscope électronique, comme par exemple les virus, mais le diamètre des aérosols qui nous intéressent ici se situe dans la gamme des micromètres. Les aérosols sont actuellement très discutés, car ils sont inévitablement produits par l’homme lors de la respiration, de la parole, mais surtout lors du chant, et d’autres personnes peuvent inhaler ces aérosols, qui peuvent être porteurs de virus ou de bactéries, si elles ne se protègent pas adéquatement, par exemple en respectant la distanciation ou en portant un masque buccal et nasal, ou ils se déposent sur des surfaces, pouvant ainsi altérer les propriétés du produit.

On appelle bioaérosol tout rassemblement de particules biologiques dans l’atmosphère, contenant des champignons, bactéries, virus ou pollen, ainsi que leurs composants de paroi cellulaire et leurs produits métaboliques (par exemple, mycotoxines), ou des particules auxquelles ces bio-particules adhèrent. Au sens large, toutes les particules d’origine biologique, comme par exemple les squames de peau ou les fibres, sont classées parmi les bioaérosols. L’être humain lui-même est donc le plus grand producteur de bioaérosols en intérieur. Lors de l’expiration, de minuscules gouttelettes sont libérées dans l’air ambiant, et à chaque mouvement, des squames, des particules de peau et des fibres de ses vêtements se détachent et flottent souvent pendant longtemps dans l’air intérieur.

Parmi les particules biologiques en suspension plus grosses, on trouve, avec des diamètres aérodynamiques compris entre 10 µm et 100 µm, le pollen, tandis que les virus ont généralement un diamètre compris entre 0,02 µm et 0,4 µm. En considérant que de très gros pollen peuvent parcourir de grandes distances pour déclencher une allergie à distance, il est possible que des particules plus petites, comme les virus, soient transportées par le flux d’air même à l’intérieur, et ne soient plus éliminées par les systèmes de climatisation modernes. Sans ventilation ni renouvellement d’air, elles peuvent rester en suspension dans l’air pendant plusieurs heures, sans entrer en contact avec une surface où elles pourraient être absorbées.

Les aérosols ne sont pas seulement inhalés par l’homme, mais aussi facilement respirés. Environ 10 % de toutes les particules inhalées restent dans les voies respiratoires, le reste étant expiré ou éliminé par l’action des cils dans les poumons. Les particules pouvant atteindre au moins la zone bronchique sont dites pulmonaires. Cela inclut toutes les particules d’aérosol de diamètre inférieur à environ 10 micromètres (PM10). Les particules plus grosses se déposent déjà dans le nez ou la gorge, ou ne peuvent pas du tout être inhalées. Les particules dont le diamètre se situe entre 0,5 et 1 micromètre sont celles qui pénètrent le plus profondément dans les poumons. Partout où des poussières, aérosols ou particules sont libérés lors d’une production, il faut protéger les personnes contre ces particules. Nous nous souvenons tous des coûteuses opérations de décontamination de l’amiante, car même quelques fibres d’amiante peuvent provoquer un cancer du poumon.

Un microbe est la forme courte de microorganisme, c’est-à-dire un organisme dont l’extension se situe dans la gamme du micromètre, inférieure à 0,1 mm, et qui n’est donc plus visible à l’œil humain. Tous les microbes ont en commun qu’ils sont constitués d’une seule cellule. Si un noyau cellulaire, généralement entouré d’une double membrane dans laquelle l’ADN est enfermé, est bien développé, on parle d’eucaryotes, tandis que les procaryotes n’ont pas de noyau cellulaire. Ce critère de petite taille est également rempli par les levures, algues, protozoaires (comme les amibes) et moisissures, mais les définitions plus récentes des microbes ne concernent que les bactéries et les archées (également des organismes unicellulaires sans noyau, très semblables aux bactéries) ainsi que les levures. Les bactéries et levures sont souvent utilisées dans l’industrie alimentaire pour obtenir certaines propriétés du produit, par exemple lors de la fabrication de bière, mais elles peuvent aussi causer la détérioration de produits, comme on le connaît avec les moisissures ou Escherichia coli.

En résumé, nous pouvons dire que les particules en suspension (poussières, germes, aérosols ou bioaérosols) se trouvent partout dans l’air et en intérieur, et en raison de leurs petites dimensions inférieures à 100 µm, elles peuvent rester en suspension dans l’air intérieur ou être transportées sur de grandes distances par le flux d’air.

Où et comment devons-nous nous protéger contre ces particules en suspension ?

Beaucoup des particules en suspension mentionnées peuvent modifier ou même compromettre les propriétés du produit.

Dans l’industrie alimentaire, tous les microorganismes transportés par l’air sont indésirables, mais ils sont néanmoins présents dans toute l’atmosphère intérieure. Nous en avons la preuve par notre expérience, car de nombreux aliments sont très sensibles. Ainsi, notre pain moisit ; le lait tourne ou les fruits pourrissent s’ils sont exposés à ces organismes sans protection. Les produits sensibles et précieux doivent donc être protégés contre les microorganismes.

Dans la fabrication optique et électronique, les particules de poussière sont le plus grand ennemi du fabricant, car elles sont également présentes dans toute l’atmosphère intérieure. Lors de la production de composants optiques ou électroniques, les particules peuvent altérer, compromettre ou détruire complètement la fonction du produit, et il faut donc protéger ces produits contre toute particule de quelque nature que ce soit.

En pharmacie et en technologie médicale, la propreté microbiologique ou la stérilité jouent un rôle particulier, mais les germes sont présents dans toute l’atmosphère intérieure. C’est pourquoi, les dispositifs médicaux tels que seringues, scalpels ou matériaux de bandage et pansements doivent être stérilisés et stockés dans des emballages stériles. Un emballage stérile peut être facilement assuré sous un flux d’air filtré, mais un stockage stérile peut devenir plus complexe. En conséquence, dans les hôpitaux, même les patients doivent être stockés de manière stérile si des germes multirésistants ont été détectés.

Lorsque l’on parle de charges particulaires en intérieur, deux sources doivent être prises en compte. Les particules de poussière provenant de l’air ambiant peuvent être contrôlées par des systèmes de filtration et de circulation d’air appropriés. Mais la deuxième source, l’homme, est beaucoup plus difficile à maîtriser, car il libère lui-même un très grand nombre de ces particules en suspension sous forme d’aérosols ou directement sous forme de particules (peaux mortes, fibres de vêtements) à chaque respiration et mouvement. Chaque fois que des personnes sont impliquées dans la production, la fabrication ou l’emballage, il est nécessaire d’agir. Seule une purification adéquate de l’air intérieur et une protection des produits peuvent les préserver de l’action de l’homme, ou inversement, dans certains cas, il faut aussi protéger l’homme lui-même contre les émissions, notamment la poussière ou les aérosols générés lors de la production.

Tous ces exemples montrent que les produits et l’homme lui-même doivent être protégés contre une grande variété de particules et d’aérosols.

Comment peut-on maintenant éloigner ces particules en suspension de ses produits ?

Ce n’est qu’avec un nettoyage approprié de l’air intérieur que l’on peut éliminer les particules en suspension dans l’air ! Parmi les différentes techniques pour purifier l’air intérieur, les filtres ont fait leurs preuves, car ils offrent une alternative économique et peu coûteuse en fonctionnement, et peuvent également être ajoutés ultérieurement.

La norme DIN EN ISO 14644 constitue la référence pour l’évaluation de la qualité d’une salle blanche ou d’un espace de salle blanche, comme une flow-box, en classant ces espaces. Les différentes classes ISO sont résumées dans le tableau 1. (1)

Selon les exigences, il est également possible d’intégrer ultérieurement des salles blanches entières dans des zones de production, ou si l’espace est plus réduit, d’installer des petites boîtes qui créent un environnement de salle blanche localisé.

Une flow-box, par exemple, comme le Spetec Clean Boy® Mini (Spetec GmbH, Erding, Allemagne), est illustrée dans la photo de la figure 1. Elle a été testée, certifiée et classée dans la classe ISO 5 (anciennement classe 100 aux États-Unis) par l’Institut Fraunhofer pour la technologie de la production et l’automatisation, ce qui signifie qu’à l’intérieur de la boîte, un maximum de 100 particules d’au moins 0,5 µm de diamètre par mètre cube (3,5 particules par litre ou 3 520 particules par m³) sont autorisées. La flow-box possède ainsi un facteur d’isolation de 10⁴ et réduit en conséquence le nombre de particules, améliorant la qualité de l’air d’au moins 10 000 fois par rapport à l’air ambiant dans la zone de production. Il en va de même pour les salles blanches plus grandes — leur qualité d’air peut être adaptée aux souhaits et exigences du client. Toutes les salles blanches sont installées, mesurées et certifiées sur site par la société Spetec GmbH.

Lors de l’évaluation de la qualité de l’air intérieur d’une salle blanche ou d’une flow-box laminaire, il n’est pas pertinent de savoir si la particule est un aérosol, un microbe, une cellule de levure ou une bactérie, car la filtration se fait uniquement en fonction de la taille de la particule, et non de ses propriétés chimiques ou biologiques.

Le fonctionnement d’une flow-box est assez simple. L’air intérieur est aspiré par un ventilateur, visible sur la photo (figure 2) situé dans la partie supérieure du boîtier, puis passé à travers un filtre à particules. Grâce à cette configuration, un flux d’air laminaire est créé dans la zone de travail derrière les plaques de plexiglas. Cela signifie que l’air circule comme un rideau de haut en bas selon des lignes de courant parallèles, et que l’échantillon ou le produit est protégé contre les particules entrantes par une surpression. Les particules ou autres particules en suspension présentes dans l’air intérieur, mais qui ont pénétré, par exemple lors du réglage ou du changement de produits à protéger, sont captées par le flux d’air et évacuées par les orifices dans le sol de la flow-box ou par l’ouverture frontale.

En combinant des salles blanches ou des flow-box laminaire, il est possible de créer toute une chaîne de production où le produit ne sera plus en contact avec des particules de quelque nature que ce soit à aucun moment du processus de fabrication. La disposition ou l’agencement, mais aussi la conception de chaque composant, peuvent être adaptés aux besoins du client.

(1) https://www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-14644-1/238330395