Cause fondamentale de l'odeur générée par la désinfection germicide UV avec des unités mobiles

Par Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D. et Benoit Despatis, Eng., Membre ASHRAE

INTRODUCTION

Au fil des années, de nombreux utilisateurs ont souvent remarqué que, chaque fois qu’une désinfection germicide UV de surface est effectuée dans une pièce, il reste presque toujours une odeur étrange. Ce n’est pas l’odeur de l’ozone, qui peut être facilement identifiée et mesurée. Cela ressemble plus à une odeur légèrement piquante semblable à celle des œufs pourris ou des cheveux brûlés. En fait, il est plus facile de reconnaître l’odeur que de la décrire. Jusqu’à présent, aucune explication satisfaisante sur l’origine de cette odeur particulière n’a été fournie. Plusieurs hypothèses de travail ont été explorées pour expliquer ce phénomène délicat :

1) Dégagement gazeux des surfaces murales, telles que peinture ou autres matières volatiles.

2) Colle des bouchons de lampes UV dégageant des gaz.

3) Connecteurs de lampes UV ou embouts en caoutchouc en surchauffe.

4) Interaction des UV avec les poussières en suspension dans l’air et en surface.

Après plusieurs tests et expériences, les trois premières hypothèses ont rapidement été écartées comme cause potentielle. Les dégagements gazeux de peinture ont été éliminés après des essais dans un boîtier métallique en aluminium nu, témoignant de la même odeur.

Les embouts des lampes UV ont été complètement enlevés et toute la colle nettoyée sans effet. La même chose a été faite pour les connecteurs de lampes et n’a montré aucun impact sur l’odeur. Cependant, alors que nous effectuions ces tests, il a été noté que, lorsque les cycles de désinfection étaient répétés plusieurs fois dans le même local, le niveau d’odeur perçu après chaque cycle semblait diminuer. C’est ce qui nous a amenés à nous concentrer sur la présence de particules de poussière dans l’air, sur la composition de ces particules et sur la manière dont les UV pourraient les transformer en composés odorants perceptibles.

COMPOSITION DE LA POUSSIÈRE DANS L’AIR

La poussière en suspension dans l’air des maisons, des bureaux et d’autres environnements humains contient généralement jusqu’à 80% de peau humaine morte et de poils squameux, le reste étant constitué de petites quantités de pollen, de fibres textiles, de fibres de papier, de minéraux provenant de sols extérieurs et de nombreux autres microns matériaux qui peuvent être trouvés dans l’environnement immédiat1,2. Dans un environnement intérieur typique, la charge volumétrique des poussières en suspension dans l’air est comprise entre 100 et 10 000 μg/m3 (0,000044 à 0,0044 grain/pi3). La charge de poussière dépend du taux d’occupation, du type d’activité humaine, de l’efficacité du système de filtration de l’air, etc. Il est à noter que le niveau maximum acceptable d’ASHRAE pour la poussière totale est de 10 000 µg/m3 (0,0044 grain/pi3) et de 3 000 µg/m3. (0,0013 grain/pi3) pour PM10.

Étant donné que la poussière en suspension dans l’air est essentiellement de la peau humaine morte et des mèches de cheveux squameuses, il convient de regarder de plus près le matériau fondamental dont elles sont faites. Le constituant principal de la peau humaine est un groupe moléculaire appelé kératine. La kératine est une famille de protéines structurelles fibreuses. La kératine est le matériau structurel clé constituant la couche externe de la peau humaine. C’est également l’élément clé de la structure des cheveux et des ongles. Les monomères de kératine s’assemblent en faisceaux pour former des filaments intermédiaires durs et insolubles. La kératine renferme de grandes quantités de cystéine, un acide aminé contenant du soufre, nécessaire aux ponts disulfures, qui confèrent une résistance et une rigidité supplémentaires par réticulation permanente et thermiquement stable ; rôle que jouent également les ponts soufrés dans le caoutchouc vulcanisé. Les cheveux sont constitués d’environ 14% de cystéine. La cystéine3 est un acide aminé de formule chimique HO2CCH (NH2) CH2SH. L’odeur âcre de poils brûlants et de caoutchouc est due aux sous-produits du soufre. La composition moyenne des cheveux consiste en 45,2% de carbone, 27,9% d’oxygène, 6,6% d’hydrogène, 15,1% d’azote et 5,2% de soufre.4

INTERACTION DES UVC AVEC LA KÉRATINE ET LA CYSTÉINE

Lorsque les photons de lumière UV-C à haute énergie frappent une molécule de kératine / cystéine, ils ont le pouvoir de casser leurs liaisons chimiques internes et de les briser en molécules plus petites. L’énergie des photons UV germicides à la longueur d’onde de 254 nm est de 470 kJ/mol, une valeur supérieure à celle des liaisons chimiques énumérées dans le tableau 1. Il est donc clair que les molécules protéomiques, telles que la kératine et la cystéine, peuvent être dissociées par l’irradiation des UV germicides, mais pas par la lumière visible, pour laquelle la longueur d’onde moyenne est de 550 nm et l’énergie maximale des photons de 217 kJ/mol.

Tableau 1. Force des liaisons chimiques

Liaison chimique

Énergie moyenne des liaisons chimiques (kJ/mol)

C – C347
C – H413
C – N305
C – O358
C – S259
N – H391

Par conséquent, certaines des liaisons chimiques entre les atomes de carbone et les atomes d’hydrogène, d’azote, d’oxygène et de soufre seront brisées par les photons ultraviolets germicides. Certains des fragments de molécules produits à la suite du bombardement de photons UV suffisamment intense contiendront du soufre, et entreront donc dans une catégorie appelée molécules de thiol. Les thiols sont une famille de composés soufrés également appelés mercaptans. Leur seuil d’odeur est extrêmement bas. Le nez humain peut détecter des thiols à des concentrations aussi faibles que 1 partie par milliard. L’odeur des œufs pourris et de l’ail est une caractéristique dominante des mercaptans, comme le montre le tableau 2.

Lorsque la peau brûle, elle dégage une odeur similaire à celle des thiols, tandis que mettre le feu aux cheveux émet une odeur sulfureuse. En effet, la kératine présente dans nos cheveux contient de grandes quantités de cystéine, un acide aminé soufré. L’odeur des cheveux brûlés peut persister dans le nez pendant des jours.

Tableau 2.

Seuil sensoriel rapporté pour les composés thiol / soufre6

Nom du composé
Formule chimique
Description sensorielle
Seuil d’odeur (ppb)
Sulfure d’hydrogèneH2SŒuf pourri, eaux usées0.5 – 1.5
ÉthylmercaptanCH3CH2SHAllumette brûlée, sulfuré, terreux1.1 – 1.8
MéthylmercaptanCH3SHChou pourri, caoutchouc brûlé1.5
Sulfure de diéthyleCH3CH2SCH2CH3 Caoutchouteux0.9 – 1.3
Sulfure de diméthyleCH3SCH3 Maïs en conserve, choux cuit, asperge17 – 25
Disulfure de diéthyleCH3CH2SSCH2CH3Ail, caoutchouc brûlé3.6 – 4.3
Disulfure de diméthyleCH3SSCH3 Végétal, choux, oignon intense9.8 – 10.2
Disulfure de carboneCS2 Sucré, éthéré, légèrement vert, sulfuré5

CALCUL DE LA CONCENTRATION DANS L’AIR DES COMPOSÉS DE SOUFRE RÉSULTANTS

Afin de confirmer l’hypothèse liant l’origine de l’odeur de désinfection post-UV à la présence de kératine et de cystéine dans la poussière de l’air, un simple calcul de la concentration moléculaire a été effectué.


Compte tenu de la charge de poussière, et en supposant que cette poussière se compose de 80% de peau ou de cheveux, les deux contenant environ 5% de soufre qui seront finalement décomposés par UV en molécules de thiol les plus petites, telles que méthylmercaptan, éthylmercaptan ou même sulfure d’hydrogène, la concentration en thiol peut être estimée comme suit :

où :

Dustload = poids de poussière par unité de volume d’air en μg/m3 (lb/ft3)

SK = % de soufre dans la kératine/cystéine = 5%

%Skin_Hair = fraction de peau et de cheveux dans la poussière = 80%

ρThiol = densité de méthylmercaptan à température et pression ambiantes normales = 1,974 kg/m3 (0,1232 lb/ft3)

L’équation (1) montre que lorsque la charge de poussière en suspension dans l’air dépasse 75 µg/m3 (0,000033 grain/pi3), ce qui est souvent le cas dans des espaces occupés, le niveau de thiol généré par la fragmentation des protéines de kératine dépasse le seuil olfactif de 0,5 à 1,5 ppb. Il en résulte que même dans le cas d’un environnement relativement propre avec une charge de poussière aussi faible que 100 µg/m3 (0,000044 grain/pi3), les conséquences du processus de désinfection par UV produiront une concentration de 2 parties par milliard, ce qui est supérieur au niveau de seuil olfactif, laissant ainsi une odeur perceptible. Tracer un graphique de l’équation 1 et permettre à la charge de poussière d’aller jusqu’à 1 000 μg/m3 (0,00044 grain/ft3) montre que, sauf si la poussière ne contient pas beaucoup de peau morte ou de squames pileuses, la désinfection par UV d’une pièce laissera presque toujours derrière elle une concentration en thiol supérieure au seuil olfactif.

Figure 1. Concentration en thiol en ppb par rapport à la charge de poussière

Avec des charges acceptables de niveau de poussière en suspension dans l’air maximales de 10 000 μg/m3 (0,0044 grain/pi3) selon ASHRAE, la concentration en thiol pourrait atteindre 200 ppb après désinfection par UV. Selon l’Institut national américain pour la sécurité et la santé au travail7 (NIOSH), le niveau de danger pour la vie ou la santé de méthylmercaptan est de 150 ppm, soit 150 000 ppb. En outre, selon la CSST du Québec et selon OSHA8 (Administration de la sécurité et de la santé au travail), le niveau acceptable TLV-TWA (valeur limite pondérée – valeur pondérée dans le temps) pour une exposition de 8 heures est de 0,5 ppm, soit 500 ppb. Par conséquent, les niveaux potentiels de concentration en thiol générés par la désinfection par UV sont sans danger, même lorsque le niveau acceptable de poussière en suspension dans l’air est le plus élevé.

CONCLUSION

Étant donné que l’occupation humaine génère normalement des concentrations de poussière bien supérieures à 75 μg/m3 (0,000033 grain/pi3) et que cette poussière est principalement composée de peaux et de cheveux morts, eux-mêmes composés de molécules de kératine et de cystéine ; et que les photons UV-C à haute énergie peuvent décomposer ces molécules en molécules de thiol qui ont un seuil d’odeur très bas, cet article a révélé la cause fondamentale de l’odeur produite par la désinfection par UV9 des pièces. Étant donné que les concentrations potentielles de molécules de thiol qui en résultent sont négligeables par rapport aux limites d’exposition acceptables publiées, il est sans danger de pénétrer dans une pièce une fois la désinfection germicide par UV effectuée.

REMERCIEMENTS

Les auteurs sont reconnaissants au Dr. Wladyslaw Kowalski les données et la révision de l’article.

NOMENCLATURE

μg = microgramme

ppm = concentration volumétrique en parties par million

ppb = concentration volumétrique en parties par milliard

nm = nanomètre (10-9 m)

grain = lb/7000

Références

Spengler, Samet, McCarthhy, Indoor Air Quality Handbook. McGraw-Hill, 2001.

Fergusson,J.E.,Forbes,E.A.,Schroeder,R.J., The Elemental Composition and Sources of House Dust and Street Dust, Science of the Total Environment, Vol.50,pp.217-221, Elsevier, April 1986.

Pure Appl. Chem. 56 (5), 1984: 595–624, Nomenclature and symbolism for amino acids and peptides (IUPAC-IUB Recommendations 1983) », doi:10.1351/pac198456050595.

C.R. Robbins, Chemical and Physical Behavior of Human Hair, DOI 10.1007/978-3-642-25611-0_2, # Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012.

UWaterloo, Bond Lengths and Energies. n.d. Web. 21 Nov 2010. http://www.science.uwaterloo.ca/~cch…20/bondel.html

EPA. Reference Guide to Odor Thresholds for Hazardous Air Pollutants Listed in the Clean Air Act Ammndments of 1990. EPA/600/R-92/047, March 1992.

Pas encore de commentaire, ajoutez le vôtre ci-dessous !


Ajouter un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *