Pour un air plus sain

La Catalyse Athermique pour un air plus sain

1 Les systèmes de traitement d’air sont-ils contaminés par des microorganismes ?

De nombreuses études font état de la contamination d’unités de conditionnement d’air par des bactéries et des champignons et leur rôle dans le transport de ces contaminants [1,2,3,4].
Très souvent, ces travaux de recherche sont effectués sur le sujet dans des hôpitaux car ces établissements accueillent des personnes plus particulièrement sensibles aux risques infectieux. Ainsi, il est avéré [5,6,7] que les éléments intérieurs des locaux les plus contaminés sont, d’abord, les filtres, puis les matériaux de protection contre le feu, les bouches d’aération, les climatiseurs et enfin la poussière contenue dans les espaces situés au-dessus des faux-plafonds, les murs, les papiers peints et les tapis.
Le cas des champignons a fait l’objet de nombreuses publications du fait de leur risque pathogène très élevé. Il a été ainsi mesuré que, sur 820 unités de conditionnement d’air, le nombre moyen de champignons les contaminant était de 1252 UFC/m3, les valeurs s’étalant entre 17 et 9100 UFC/m3. Parmi les espèces identifiées, on retrouve Alternaria, Aspergillus flavus, Aspergillus fumigatus, Aspergillus niger, Aspergillus ochraceus, Aspergillus versicolor, Botrytis cinerea, Cladosporium herbarum, Epiccocum purpurascens-sterilia, et Penicillium spp. Les bactéries (Propionibacterineae, Staphylococcus, Streptococcus et Corynebacterineae) ont, quant à elles, été détectées dans les gaines d’aération et sur les filtres.

2 Ces contaminants survivent-ils longtemps sur les filtres ?

Dans une étude menée par Mittal et al.[8], Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli, Brevundimonas diminuta, Bacillus atrophaeus, MS-2 coliphage, et Aspergillus brasiliensis ont été sélectionnés pour représenter des classes différentes de microorganismes susceptibles d’être présents sur des filtres. Les auteurs ont ainsi montré que, dans des conditions normales d’utilisation d’un filtre (vitesse d’air, température et humidité régulées), les organismes les plus fragiles, à savoir S. epidermidis, E. coli et B. diminuta, parvenaient à survivre entre 2 et 6 jours sur le filtre tandis que les plus résistants (B. atrophaeus, MS-2 coliphage, A. brasiliensis) survivaient au-delà de la durée des tests (6 jours). Un essai réalisé sur une durée de 210 jours a même montré que B. atrophaeus résistait sans aucune perte de viabilité.
Pour pallier ces risques élevés de contamination, des filtres antimicrobiens furent développés afin d’éviter la croissance de ces contaminants et le risque d’entraînement du bioaérosol au travers des filtres. Différents agents antimicrobiens ont été utilisés dans le prétraitement des filtres, parmi eux, l’iode et l’argent [9,10]. Même si le traitement antimicrobien permet de ralentir l’entraînement du bioaérosol dans l’air intérieur, il ne l’empêche pas complètement[11] du fait que les particules se déposant sur les filtres créent une barrière entre l’agent antimicrobien et le microorganisme. Ainsi, il est désormais avéré que les microorganismes peuvent même se développer sur des filtres dits « antimicrobiens » [12].
La même conclusion a été formulée par comparaison entre un filtre avec un média en fibre de verre standard et un autre en polymère hygroscopique constitué de trois couches[13]; les microorganismes ont eu tendance à survivre et à se développer moins longtemps sur le filtre composé de trois couches durant les premiers mois mais cet avantage a disparu par la suite du fait de l’apport de nutriments amenés par les particules accumulées sur le filtre après 6 semaines.

3 Existe-t-il une corrélation entre la propreté particulaire et la maîtrise de l’aérobiocontamination ?

C’est à cette question que la Société Française d’Hygiène Hospitalière a répondu en analysant cinq études cliniques menées en blocs opératoires pour en conclure que, contrairement aux idées reçues, il était « difficile de conclure sur l’existence d’une corrélation entre concentration aérienne bactérienne et comptage particulaire »[14].

4 Comment expliquer alors qu’il n’y ait pas de corrélation avérée ?

Plusieurs facteurs peuvent l’expliquer. Une des raisons réside dans la mesure même. Pour comprendre cela, il faut préalablement expliquer les principes même de la filtration et de la mesure des particules dans l’air.

4.1 Principe de la filtration

Les filtres agissent par effet de tamisage pour empêcher le passage des plus grosses particules mais pas seulement : d’autres effets tels que l’inertie, l’interception électrostatique ou la diffusion entre autres participent à la filtration des particules plus petites.
En sommant tous ces effets, il est avéré que la capacité de rétention des filtres Haute Efficacité (filtres HEPA) est moindre pour des tailles de particules comprises entre 0,03 et 3 microns (voir Figure 1, courbe bleue), ce qui représente, d’après le diagramme de Whitby (Figure 2), près de la moitié en nombre de la totalité des particules présentes dans l’air, soit 95% de la surface sommée de toutes les particules.

Figure 1 : efficacité de filtration des filtres HEPA selon la taille des particules (source: GVS)

Figure 2 : diagramme de Whitby

Or, c’est cette gamme de taille qui couvre la plupart des virus et de nombreuses bactéries et spores, qu’elles soient fongiques ou bactériennes. C’est pour cette raison que les filtres haute efficacité sont classés selon des normes (EN 1822 : 2019, ISO 29463 : 2017) permettant de les comparer, sur un banc de tests, quant à leur capacité de rétention de particules dont les tailles sont comprises entre 0,12 et 0,25 micron ; les filtres les mieux classés sont ceux qui ont l’efficacité la plus élevée dans cette gamme de tailles. Cette norme est propre à évaluer l’intégrité des filtres après leur fabrication ; le contrôle de leur intégrité lors de leur mise en place dans la salle fait l’objet d’autres normes, notamment l’ISO 14644-3.

4.2 Principe de la mesure particulaire

Les compteurs de particules en suspension dans l’air utilisant le principe de diffusion de la lumière sont les plus fréquemment utilisés pour le comptage particulaire (préconisations normes ISO 14644). Leur gamme de mesures s’étendent de 0,1 à 10 microns. Pour ces appareils, les erreurs sur la mesure du premier canal mesuré peuvent atteindre jusqu’à 70% ! (voir Figure 3 selon norme ISO 21501[15]).

Figure 3: erreurs acceptables sur les mesures selon la norme ISO 21501. Les valeurs mesurées par le premier canal de taille de particules des compteurs optiques sont entachées d’une erreur pouvant atteindre 70%

En pratique, les comptages particulaires pour des tailles inférieures à 0,3 microns sont rarement utilisés pour diverses raisons. D’abord, plus les tailles de particules à mesurer sont petites, plus le matériel nécessaire à leur mesurage est coûteux. Par exemple, pour un compteur dont la plus petite taille de particules mesurable serait 0,1 micron, le coût de l’appareil est trois plus élevé que pour un compteur dont la taille commencerait à 0,3 micron. En outre, plus la taille est petite, plus le compteur est sensible à la contamination. Ainsi, les compteurs permettant de mesurer des particules de taille de 0,1 ou 0,2 micron sont généralement utilisés dans des environnements ultrapropres (classe inférieure à ISO 6 selon ISO 14644-1). Seules quelques applications en microélectronique utilisent ce genre d’appareil, les plus courants étant donc des compteurs mesurant des tailles supérieures à 0,3 microns.

Ainsi, d’un côté, les contaminants microbiologiques, dont la taille est comprise entre 0,03 et 3 microns, sont moins bien filtrés par les filtres Haute Efficacité que les autres particules. D’un autre côté, les tailles de particules mesurées par les compteurs particulaires ne couvrent qu’en partie les contaminants non filtrés (taille supérieure à 0,3 microns) avec, en plus, une incertitude élevée sur la mesure.
En outre, la survie des virus, bactéries et spores et leur propension à se développer sur les filtres, l’étanchéité de ces filtres lors de leur montage et le maintien de leur intégrité dans le temps sont autant de facteurs pouvant expliquer l’absence de corrélation entre la contamination particulaire et les microorganismes aréoportés. Il est donc faux de croire que seule la filtration standard, même Haute Efficacité, est suffisamment efficace pour protéger de la contamination microbiologique de l’air tout comme il est faux de penser que la seule mesure des particules suffit à évaluer l’aérobiocontamination.

4.3 Mesure particulaire vs prélèvement microbiologique de l’air

La facilité d’utilisation et la rapidité d’obtention des résultats par le biais du comptage particulaire conduisent le plus souvent à favoriser la mesure des concentrations de particules dans l’air plutôt que la biocontamination. En effet, plusieurs jours, voire plusieurs semaines, sont généralement nécessaires pour connaître le niveau de biocontamination d’une salle (contre quelques minutes pour le comptage particulaire) avec pour conséquence un arrêt de l’activité opératoire tant que les résultats des prélèvements ne sont pas connus. Or, c’est la maîtrise de l’aérobiocontamination et non de la concentration en particules dans l’air qui a pour rôle de prévenir et de réduire les risques d’Infections sur Site Opératoire. Aussi, Cristina et al.[16] concluent, dans leur étude, que « le mesurage microbiologique reste la meilleure méthode d’évaluation de la qualité d’air dans les blocs opératoires ». On comprend alors mieux les limites de la filtration Haute Efficacité.

5 Et pourtant les normes recommandent que les zones les plus sensibles soient traitées par de grandes surfaces filtrantes tels que les plafonds à flux unidirectionnels ?

De nombreuses études, synthétisées dans le rapport de l’OMS, « suggèrent que les systèmes de ventilation à flux unidirectionnel (laminaire) ne doivent pas être utilisés pour réduire le risque d’Infections sur Site Opératoire chez les patients subissant une chirurgie orthopédique d’arthroplastie totale »[17]; il s’agit pourtant d’une des activités chirurgicales à risque infectieux très élevé demandant la plus grande protection vis-à-vis du patient. Alors pourquoi le flux unidirectionnel qui offre une telle surface filtrante et qui est tant préconisé pour les zones à classe de risque élevé est-il contre-indiqué ?
Il est précisé que « les systèmes de ventilation dits conventionnels en salle d’opération sont de type flux mixte ou turbulent. Ces systèmes ont pour rôle d’homogénéiser l’air, les aérosols et les particules dans la pièce. Les systèmes de ventilation utilisant un flux unidirectionnel (ou laminaire) font passer l’air de manière unidirectionnelle à une vitesse constante et des lignes de flux à peu près parallèles dans le but de créer une zone dans laquelle l’air, les aérosols et les particules de la salle sont chassés. Les flux laminaires sont couramment utilisés dans un environnement où la contamination par des particules peut avoir des conséquences graves, par exemple, en chirurgie d’implant orthopédique. Cependant, les systèmes à flux unidirectionnels sont complexes, coûteux et nécessitent un entretien soigneux. Dans de nombreux pays à faible revenu, ni les systèmes de ventilation conventionnels, ni les systèmes à flux laminaire sont abordables ou maintenus de manière régulière et, souvent, la ventilation naturelle est la seule option. Une revue systématique de la littérature a été effectuée afin de déterminer si un système de ventilation à flux unidirectionnel est plus efficace dans la réduction du risque d’Infections sur Site Opératoire par rapport à un système de ven-tilation conventionnel. […] Une revue systématique[18] et huit études d’observation [19,20,21,22,23,24,25,26]  comparant un flux d’air unidirectionnel avec un flux turbulent ont été identifiées. La plupart des études ont porté sur les arthroplasties totales de la hanche et du genou et seules seulement peu d’études étaient disponibles pour d’autres types de chirurgie [20, 21, 23]. Les méta-analyses ont montré que le flux unidirectionnel ne présente aucun avantage par rapport à la ventilation conventionnelle (flux turbulent) pour réduire l’incidence des Infections sur Sites Opératoires sur l’arthroplastie totale de la hanche ou du genou. […] Considérant ces résultats et les coûts associés, le groupe d’experts a décidé de suggérer que les systèmes de ventilation à flux unidirectionnel (ou laminaire) ne devraient pas être utilisés à titre préventif pour réduire le risque d’Infections sur Site Opératoire chez les patients admis en chirurgie pour subir une arthroplastie totale. »[27] A noter qu’à volume égal de salle à traiter, un flux unidirectionnel va avoir une consommation énergétique beaucoup plus élevée puisqu’il va traiter 10 à 15 fois plus de débit d’air qu’un flux turbulent (hypothèses d’un flux turbulent avec un taux de brassage à 30 volume/heure et d’une vitesse sous flux comprise entre 0,25 et 0,35 m/s)
Zheng et ass.[28] ont par ailleurs mené une méta-analyse sur 123 788 remplacements de hanche et « n’ont pas trouvé de preuve convaincante de la supériorité du flux unidirec-tionnel sur le flux turbulent pour la prévention des Infections sur Site Opératoire ». Au contraire, ils ont même montré que le nombre d’Infections sur Site Opératoire augmentait avec un flux unidirectionnel par rapport à un flux turbulent.

6 Quels sont les risques d’une biocontamination des filtres ?

La biocontamination des filtres peut entraîner une biocontamination de l’environnement du fait que les microorganismes sont, nous l’avons vu, moins bien filtrés du fait de leur taille, ou encore à cause d’un défaut d’intégrité ou d’installation des filtres ou lié à leur installation ou encore du fait de leur manipulation lors de leur remplacement par exemple[29, 30]. Des contaminants potentiellement très pathogènes peuvent alors se retrouver dans l’environnement direct, à savoir l’air et les surfaces (murs, plafonds, matériels, patients, …) où ils vont pouvoir se développer. Les conséquences sanitaires peuvent être très graves, pouvant conduire jusqu’à la mort des personnes les plus sensibles.
La contamination microbiologique n’est pas le seul risque. Ainsi, les bactéries Gram – libèrent dans l’air des endotoxines lors de leur multiplication ou de la lyse de leur paroi cellulaire. Ces endotoxines peuvent être dangereuses pour l’homme et ne sont pas stoppées par les filtres. Elles sont constituées de lipopolysaccharides (LPS). Selon l’INRS[31], « leur présence dans les atmosphères de travail, évoquée par B. Ramazzini dès 1713, a été confirmée au milieu du XXième siècle. […] La contamination par voie respiratoire en milieu professionnel est à l’origine de toux, dyspnée, asthme souvent associés à un état fébrile. […] Les professions identifiées comme concernées sont de plus en plus variées : personnels de […] l’industrie agro-alimentaire, travail dans les locaux pourvus d’humidificateurs ou de climatiseurs, […] ».
De la même manière, les moisissures libèrent des mycotoxines, toxiques pour le foie, le système nerveux et le système immunitaire et qui présentent également des propriétés CMR (Cancérigène, Mutagène et Reprotoxique). Elles libèrent également des Composés Organiques Volatils qui sont à l’origine des « mauvaises odeurs » des filtres et qui agissent comme facteur déclenchant et aggravant de pathologies respiratoires comme l’asthme. Les moisissures peuvent aussi être porteuses d’allergènes pouvant causer asthme, rhinite allergiques et pathologies respiratoires.

7 Quelle alternative à la filtration mécanique ?

D’un point de vue des particules inertes, la filtration mécanique reste, actuellement, la meilleure solution de traitement et celle dont les performances sont avérées depuis longtemps, même si tous les filtres ne se valent pas.
D’un point de vue microbiologique, c’est, en revanche, est un « vrai nid à microbes » qui, loin de protéger le personnel et l’environnement, peut devenir une source importante de contamination. Aussi, il est primordial de la coupler avec des technologies destructrices ; la catalyse athermique est la solution efficace et adaptée aux environnements intérieurs.
Des tests internes ont été effectués avec la technologie de catalyse athermique sur des bactéries (L. pneumophilia), des spores bactériennes (B. subtilis) et des virus (virus bactériophages T2). Lors des essais, l’échantillonnage des bactéries sous forme végétative et sporulée a été réalisé à l’aide de deux biocollecteurs : l’un de la marque Bertin Technologies (Coriolis), l’autre d’AES Laboratoire (Sampl’air). Les comptages via le Coriolis ont été réalisés de deux manières : 1- filtration sur une membrane, puis transfert du filtre sur un milieu gélosé et enfin incubation pour comptage, 2- ajout de deux fluophores (kit LIVE/DEAD Baclight d’Invitrogen) à un échantillon du milieu liquide de récupération provenant du Coriolis. Ce test basé sur l’intégrité de la membrane des bactéries et spores permet d’identifier par microscopie à épifluorescence les microorganismes morts ou vivants. Le caractère infectieux ou non des virus bactériophages avant et après traitement par catalyse a été évalué à l’aide du Sampl’air et de boîtes de Petri contenant un milieu gélosé recouvert de bactéries E. coli BAM. Les virus toujours vivants infectent les bactéries créant ainsi des plages de lyses identifiables à la surface de la gélose. Les résultats ont montré des abattements de 2 à 3 log en un seul passage.

D’autres tests effectués par un laboratoire indépendant ont permis de prouver l’efficacité de la technologie lorsqu’elle est mise en place dans une unité de type centrale de traitement d’air. Les résultats ont montré un abattement total sur des souches d’Aspergillus brasiliensis et de Staphylococcus epidermidis[32].

La catalyse athermique détruit les contaminants microbiologiques et tout contaminant constitué de matière organique. Ainsi, par exemple, le mécanisme menant à la destruction des endotoxines, par des procédés oxydatifs catalytiques a été démontré [33,34,35]. En particulier, le contact direct des microorganismes avec les radicaux libres et les espèces hyperoxydantes formés lors du processus de catalyse photoactivée conduit d’abord à l’oxydation de la couche constituée de lipopolysaccharides, c’est-à-dire la couche externe de la membrane cellulaire, spécialement les acides gras polyinsaturés. Ainsi, la lyse des bactéries Gram – conduit, en premier lieu, à l’oxydation même des endotoxines présentes dans la paroi membranaire.
CALISTAIR a mené de très nombreux essais sur terrain et a fait valider sa technologie en laboratoire, par des entités indépendantes, selon les normes en vigueur.

8 Que faut-il retenir ?

D’abord, qu’il n’existe pas de solutions miracles mais que des combinaisons de technologies permettent de pallier les faiblesses des unes par rapport aux autres ; c’est dans cette optique que la catalyse athermique a été développée. Cette technologie est très efficace quant à la destruction des aérobiocontaminants qui ne sont pas détruits par les filtres Haute Efficacité. En absence de technologies destructives, des microorganismes pathogènes trouvent un environnement favorable à leur croissance et leur développement sur ces filtres et sont ensuite véhiculés par l’air. Ils se retrouvent ensuite dans l’environnement et sont notamment à l’origine d’infections dans le milieu médical.
La combinaison de la catalyse athermique et de la filtration mécanique standard permet ainsi de garantir un air dénué de contaminants.

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