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One of the different ways to eradicate microorganisms, and particularly bacteria that might have an impact on health consists in the delivery of pulsed electric fields (PEFs). The technologies of millisecond (ms) or microsecond (μs) PEF are still well known and used for instance in the process of fruit juice sterilization. However, this concept is costly in terms of delivered energy which might be too expensive for some other industrial processes. Nanosecond pulsed electric fields (nsPEFs) might be an alternative at least for lower energetic cost. However, only few insights were available and stipulate a gain in cost and in efficiency as well. Using Escherichia coli, the impact of frequency and low rate on eradication and energy consumption by msPEF, μsPEF and nsPEF have been studied and compared. While a 1 log10 was reached with an energy cost of 100 and 158 kJ/L with micro- and millisecond PEFs respectively, nsPEF reached the reduction for similar energy consumption. The best condition was obtained for a 1 log10 deactivation in 0.5h, for energy consumption of 143 kJ/L corresponding to 0.04 W · h when the field was around 100 kV/cm. Improvement can also be expected by producing a generator capable to increase the electric field.

Aims This article shows the effect of nanosecond pulsed electric field (nsPEF) on Escherichia coli, which could imply a durable change in protein expressions and then impacted the phenotype of surviving bacteria that might lead to increase pathogenicity. Methods and Results The effects of nsPEF on E. coli viability and membrane permeabilization were investigated. One log10 reduction in bacterial counts was achieved at field strength of 107 V m−1 with a train of 500 successive pulses of 60 × 10−9 s. Incubation of germs after treatment with propidium iodide showed that membrane permeabilization was reversible. Possible protein changes of surviving bacteria were checked to assess potential phenotypical changes using two-dimensional electrophoresis. In our study, after 40 generations, only UniProt #P39187 was up-regulated with P ≤ 0·05 compared with the control and corresponded to the uncharacterized protein YtfJ. Antibiograms were used to check whether or not the pattern of cultivable bacteria after nsPEF deliveries changed. Conclusions The results tend to show that nsPEFs are able to inactivate bacteria and have probably no serious impact in E. coli protein patterns. Significance and Impact of the Study The use of nsPEF is a safe promising new nonthermal method for bacterial inactivation in the food processing and environmental industry.

Using various prototype of nanosecond pulsed electric field (nsPEF), eradication of microorganisms that are pathogens in industrial and domestic water was investigated. This matter becomes a societal issue since new European administrative constraints are coming out such as the legislation named REACH and the biocide directive. This legislation tries to limit the use of chemicals able to eradicate microorganisms. One of the different ways to eliminate micro-organisms such as bacteria consists in the delivery of pulsed electric fields (PEF). Nanosecond pulsed electric field (nsPEF) may be an interesting alternative with a lower energy cost when compared with ms or μs PEF technologies. However, only few insights are available that report a gain in cost and in efficiency as well. The aim of this study is to show that a strong decontamination in a reservoir can be obtained by using a derivated flow. A mathematical model (algorithm), using a language C program was developed to predict the effectiveness of the flow decontamination through a bypass. The work carried out has been to compare this theoretical model with laboratory tests. Efficiency and speediness of bacteria destruction was drastically improved and energy cost reduced thanks to optimization of flow parameter and improvement of generator performance., Les effets des champs électriques pulsés (CEP) sur les microorganismes ont été montrés depuis Sale et Hamilton. L'une des premières applications en a été l'électroporation cellulaire pour permettre la transfection de plasmides à travers la membrane plasmique. Il s'agit de la principale méthode de transfert de gènes. Un autre champ d'application est la décontamination de nourriture liquide. Mais la technologie capable de donner ces résultats en termes de décontamination requièrt, pour un champ électrique de faible amplitude, l'utilisation d'impulsions de longues durées provoquant une grande consommation énergétique. Ceci a été montré pour la décontamination du lait, des jus de fruits et du vin. Le mécanisme par lequel les CEP avec une durée milliseconde (ms) ou microseconde (µs) agissent est bien décrit et intervient sur la bicouche lipidique. Le but de cette thèse est d'étudier les possibilités d'utilisation des champs électriques pulsés nanosecondes (nsCEP) pour décontaminer de l'eau de procédés industriels. Un générateur d'impulsions haute tension associé à un applicateur constitué de deux électrodes planes permettent de générer un champ électrique homogène dans l'eau. Ce dispositif a d'abord été éprouvé en batch puis en flux sur des suspensions bactériennes (Escherichia coli BL21(DE3) et Legionella pneumophila sérogroupe 1) cultivées en laboratoire. L'utilisation de générateurs de plus en plus performants et l'optimisation des conditions de flux ont permis d'améliorer drastiquement le rendement énergétique de décontamination et la vitesse globale de traitement. Il a également été montré qu'il est possible de déterminer par le calcul, la vitesse de décontamination d'un tel système, à partir des caractéristiques des générateurs et des paramètres de fluidiques. Si ce travail n'a pas permis la réalisation d'un prototype d'échelle industrielle, les grandes lignes permettant le passage du procédé de l'échelle laboratoire à l'échelle industrielle ont été données.

Using various prototype of nanosecond pulsed electric field (nsPEF), eradication of microorganisms that are pathogens in industrial and domestic water was investigated. This matter becomes a societal issue since new European administrative constraints are coming out such as the legislation named REACH and the biocide directive. This legislation tries to limit the use of chemicals able to eradicate microorganisms. One of the different ways to eliminate micro-organisms such as bacteria consists in the delivery of pulsed electric fields (PEF). Nanosecond pulsed electric field (nsPEF) may be an interesting alternative with a lower energy cost when compared with ms or μs PEF technologies. However, only few insights are available that report a gain in cost and in efficiency as well. The aim of this study is to show that a strong decontamination in a reservoir can be obtained by using a derivated flow. A mathematical model (algorithm), using a language C program was developed to predict the effectiveness of the flow decontamination through a bypass. The work carried out has been to compare this theoretical model with laboratory tests. Efficiency and speediness of bacteria destruction was drastically improved and energy cost reduced thanks to optimization of flow parameter and improvement of generator performance., Les effets des champs électriques pulsés (CEP) sur les microorganismes ont été montrés depuis Sale et Hamilton. L'une des premières applications en a été l'électroporation cellulaire pour permettre la transfection de plasmides à travers la membrane plasmique. Il s'agit de la principale méthode de transfert de gènes. Un autre champ d'application est la décontamination de nourriture liquide. Mais la technologie capable de donner ces résultats en termes de décontamination requièrt, pour un champ électrique de faible amplitude, l'utilisation d'impulsions de longues durées provoquant une grande consommation énergétique. Ceci a été montré pour la décontamination du lait, des jus de fruits et du vin. Le mécanisme par lequel les CEP avec une durée milliseconde (ms) ou microseconde (µs) agissent est bien décrit et intervient sur la bicouche lipidique. Le but de cette thèse est d'étudier les possibilités d'utilisation des champs électriques pulsés nanosecondes (nsCEP) pour décontaminer de l'eau de procédés industriels. Un générateur d'impulsions haute tension associé à un applicateur constitué de deux électrodes planes permettent de générer un champ électrique homogène dans l'eau. Ce dispositif a d'abord été éprouvé en batch puis en flux sur des suspensions bactériennes (Escherichia coli BL21(DE3) et Legionella pneumophila sérogroupe 1) cultivées en laboratoire. L'utilisation de générateurs de plus en plus performants et l'optimisation des conditions de flux ont permis d'améliorer drastiquement le rendement énergétique de décontamination et la vitesse globale de traitement. Il a également été montré qu'il est possible de déterminer par le calcul, la vitesse de décontamination d'un tel système, à partir des caractéristiques des générateurs et des paramètres de fluidiques. Si ce travail n'a pas permis la réalisation d'un prototype d'échelle industrielle, les grandes lignes permettant le passage du procédé de l'échelle laboratoire à l'échelle industrielle ont été données.