Ce poste d'invité est fourni par Dr Fred Passman, président de Associés de contrôle de la biodétérioration, Inc. (BCA). Le Dr Passman est un boursier ASTM, un boursier STLE et un spécialiste certifié des fluides pour le travail des métaux avec plus de 45 ans d'expérience en microbiologie environnementale et industrielle.
Note de l'éditeur : Dans cet article, le Dr Passman explore le sujet de la corrosion microbiologiquement influencée (MIC) - un processus causé par des micro-organismes qui peut entraîner des dommages importants aux métaux et autres matériaux. Ces micro-organismes peuvent créer un environnement qui favorise la corrosion des métaux et d'autres matériaux, entraînant des dommages structurels et des risques pour la sécurité.
L'article traite des facteurs qui contribuent à la CMI, y compris la présence de nutriments et d'humidité, et le rôle de différents micro-organismes dans le processus de corrosion. Nous passons également en revue les méthodes utilisées pour détecter et prévenir le MIC, telles que les tests microbiens et l'utilisation de biocides et de revêtements protecteurs. Comprendre le MIC est important pour les industries telles que le pétrole et le gaz, le traitement de l'eau et le transport, qui comptent sur l'intégrité de leur infrastructure pour prévenir les risques de sécurité et maintenir l'efficacité opérationnelle.
Qu'est-ce que la corrosion microbiologiquement influencée ?
L'AMPP (anciennement NACE) et l'ASTM définissent la corrosion comme "la détérioration d'un matériau, généralement un métal, qui résulte d'une réaction chimique ou électrochimique avec son environnement" (Terminologie ASTM G193). AMPP définit corrosion microbiologiquement influencée (MIC) comme "corrosion affectée par la présence ou l'activité, ou les deux, de micro-organismes". La définition AMPP du MIC ajoute : "Les micro-organismes responsables du MIC se trouvent généralement dans les biofilms à la surface du matériau corrodant."
Contexte
Étude NACE ont estimé que le coût global de la corrosion était de 2.5 billions de dollars US (2,500,000,000,000 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX).
Une étude de 2022 de l'Université de l'Ohio a suggéré que les dommages attribués au MIC représentaient 20 % du total, soit 500 milliards de dollars américains.
Historiquement, MIC était l'acronyme de corrosion microbienne, et ensuite, corrosion microbiologiquement induite. Jusque dans les années 1990, la théorie dominante était que le MIC était principalement causé par un processus appelé dépolarisation cathodique (plus de détails ci-dessous). À la fin des années 1990, la plupart des chercheurs ont reconnu que le MIC était plus compliqué et qu'il était plus courant pour les microbes d'influencer plutôt que de provoquer le MIC. De manière pratique, l'acronyme MIC fonctionnait aussi bien pour la corrosion influencée par la microbiologie que pour corrosion microbienne et corrosion microbiologiquement induite.
AMPP TM0166 Détection, test et évaluation de la corrosion microbiologiquement influencée (MIC) sur les surfaces externes des pipelines enterrés donne un excellent aperçu du MIC. Bien que le document se concentre sur la corrosion des pipelines, les principes généraux qu'il décrit sont généralement applicables. TM0166 est une norme consensuelle. Il existe également plusieurs excellents livres qui traitent en détail du MIC. Quelques-uns de mes favoris incluent :
- Manuel de Biocorrosion, HA Videla, CRC Press, Boca Raton, 273 pages, 1996, ISBN 0-87371-726-0
- Corrosion microbiologiquement influencée, BJ Little et JS Lee, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, 279 pages, 2007, ISBN 978-0-471-77276-7
- CorrCompilations : introduction à la gestion de la corrosion sous influence microbiologique, R. Eckert, AMPP, Houston, 489 pages, 2015, ISBN 978-1-575-90285-2
De plus, un corpus substantiel de littérature MIC a été publié au cours de la dernière décennie. Rien qu'en janvier 2023, 180 articles évalués par des pairs ont été publiés. Un service de citation (ScienceDirect) recherche d'articles publiés depuis 2010 répertoriant plus de 8,000 XNUMX publications. Par conséquent, dans l'article d'aujourd'hui, je ne partagerai qu'un peu d'histoire et offrirai un aperçu superficiel de MIC.
Théorie de la dépolarisation cathodique
Une relation entre la contamination microbienne et la corrosion est reconnue depuis la fin du 19ème siècle. Au milieu du 20e siècle, les chercheurs étaient généralement d'accord sur la relation entre les biofilms et la CMI (pour un rappel sur les biofilms, voir mon Mai et Août 2022 A propos des articles). Cependant, les mécanismes sont encore à l'étude. L'un des premiers modèles - la dépolarisation cathodique - a été proposé dans les années 1930. Selon ce modèle, lorsqu'une surface métallique est exposée à l'eau, une dissolution du métal peut se produire. A l'anode, des ions métalliques chargés positivement (Me2+) forme (dans le cas du fer – Fe – ferreux – Fe2+ – forment des ions), libérant deux électrons (e-) par ion métallique (tableau 1, réaction 1). Les électrons migrent vers la cathode où ils se lient à l'hydrogène (H+) ions (tableau 1, réaction 3) dissociés de l'eau (tableau 1, réaction 2) pour passiver la cathode. Les enzymes bactériennes réductrices de sulfate utilisent les ions hydrogène de la surface cathodique et catalysent la réduction du sulfate en sulfure (tableau 1, réaction 4). Le Fe dissous2+ les ions réagissent avec le sulfure (S2-) et hydroxyde (OH-1) pour former du sulfure ferreux (FeS) et de l'hydroxyde ferreux (Fe(OH)2) dépôts (tableau 1, réactions 5 et 6, respectivement). Le mécanisme est illustré schématiquement sur la figure 1.
La découverte précoce de la relation entre le SRB et le MIC continue d'influencer la façon dont les enquêteurs pensent du MIC à ce jour. Cependant, il est maintenant reconnu que la dépolarisation cathodique médiée par SRB n'est qu'un mécanisme MIC.
Dénominateur commun
La définition que j'ai citée dans la deuxième phrase de cet article est assez large. Les microbiologistes et les ingénieurs de la corrosion ont maintenant reconnu que les microbes influencent la corrosion par une variété de mécanismes en plus de la dépolarisation cathodique. Cependant, le MIC est invariablement associé aux biofilms. La présence de biofilm crée un gradient électropotentiel entre les surfaces sans biofilm et celles situées sous le biofilm polymère - substances polymères extracellulaires (EPS). La figure 2 provient d'un de mes modules de cours de microbiologie des carburants. Il illustre la concentration en oxygène ([O2]) en fonction de la distance entre le fluide en vrac et la profondeur d'une matrice de biofilm. Aérobie (bactéries qui nécessitent O2) et les bactéries anaérobies facultatives (bactéries qui utilisent O2 pour la respiration quand il est disponible puis passer à la fermentation quand le [O2] est insuffisant pour soutenir la respiration aérobie) qui font partie du biofilm microbiome récupèrent et épuisent ainsi O2 (a microbiome est l'ensemble des micro-organismes présents dans un environnement spécifique) de la matrice du biofilm. Près de la surface du biofilm qui est en contact avec le fluide en vrac (par exemple, eau, carburant, fluides de travail des métaux miscibles à l'eau, etc.), la diffusion est suffisante pour maintenir le [O2] proche de la saturation (O2 les concentrations de saturation dépendent de la température). A 20° C 100 % saturation en eau = 8.77 mg L-1 . Au plus profond d'un biofilm, [O2] peut être <0.4 mg·L-1 - anoxique.
Bien que les biofilms puissent se développer à partir d'un seul microbe, le plus souvent, les microbiomes de biofilm comprennent une variété de microbes. Comme j'en ai discuté dans Mai 2022, les types de microbes et leurs physiologies respectives varient en fonction de leur emplacement au sein d'une communauté de biofilms. Par conséquent, bien que le MIC englobe plusieurs types différents de processus de corrosion, la présence de biofilm est le dénominateur commun.
Mécanismes MIC
Réduction des sulfates
Comme discuté sous Dépolarisation cathodique, les bactéries sulfato-réductrices (SRB) et les archées (SRA) – collectivement appelées procaryotes sulfato-réducteurs (SRP) utilisent SO42- au lieu d'O2 pour la respiration. Le processus - appelé réduction de sulfate dissimilatoire - génère H2S (tableau 1, réaction 4). Lorsque le fer ferreux (Fe2+) est présent, le H2S réagit avec Fe2+ pour produire du sulfure ferreux (FeS – Tableau 1, Réaction 5). Le dépôt de FeS sur les surfaces métalliques ferreuses stimule la réaction cathodique de la cellule galvanique (Figure 1) – accélérant la vitesse de corrosion.
Production d'acide
Nominalement, bactéries productrices d'acide (APB) définit une catégorie de bactéries produisant des acides organiques ou inorganiques. Classer les microbes comme APB est arbitraire. Les voies métaboliques par lesquelles tous les organismes génèrent de l'énergie produisent un faible poids moléculaire (C1 à C6) acides organiques (LMWOA) - acides mono-, di- et tricarboxyliques (tableau 2). Ainsi, tous les micro-organismes sont des producteurs d'acide. Cependant, il existe certaines classes de bactéries qui génèrent des rendements plus élevés (c'est-à-dire mg d'acide excrété par cellule) que d'autres. Par exemple, les bactéries de la famille Acétobactéries fermenter les sucres et l'éthanol en acide acétique (les processus métaboliques transforment le vin en vinaigre).
Ces LMWOA peuvent attaquer directement les métaux. Lorsque des sels de chlorure, de sulfate, de nitrate ou de nitrite sont présents, ils peuvent réagir avec le LMWOA pour former des acides inorganiques forts (respectivement chlorhydrique, sulfurique, nitrique et nitreux) et des bases organiques faibles. Les acides inorganiques forts sont extrêmement corrosifs.
Dépôt de métal
Les bactéries oxydant le fer et les bactéries oxydant le manganèse forment des oxydes et des hydroxydes métalliques qui prennent généralement la forme de tubercules (figure 3). L'oxygène s'épuise sous les dépôts. Cela crée la borne d'anode d'une cellule de corrosion galvanique.
Réduction des métaux
La respiration est le processus par lequel les organismes obtiennent de l'énergie. La dernière étape de la respiration est la libération d'un électron qui est transféré à un accepteur d'électrons terminal. Pour tous les organismes aérobies O2 est l'accepteur d'électrons terminal. Dans la respiration anaérobie, une molécule différente joue ce rôle. SRP utiliser SO42- comme accepteur d'électrons terminal. D'autres microbes peuvent utiliser le nitrate (NO3-), nitrite (NON2-), fer ferrique (Fe3+), ou du manganèse (Mn ) en tant qu'accepteurs d'électrons terminaux. Les microbes qui utilisent soit le fer soit le manganèse pour la respiration sont appelés bactéries réductrices de métaux (MRB). Le fer ferrique est réduit en ferreux (Fe2+) et Mn4+ est réduit à Mn2+ qui sont tous deux solubles dans l'eau. Ainsi, le MRB dissout les oxydes métalliques, accélérant ainsi la corrosion localisée.
Fragilisation par l'hydrogène
La fragilisation par l'hydrogène se produit lorsque des atomes d'hydrogène pénètrent dans les métaux. La figure 4 montre une fissure intergranulaire causée par la fragilisation par l'hydrogène dans l'acier. L'hydrogène s'accumule à l'extrémité cathodique des cellules de réaction galvanique. Par exemple, c'est un sous-produit de la réduction dissimilatoire des sulfates et d'autres processus métaboliques. Ainsi, l'hydrogène qui s'accumule autour de la cathode peut s'infiltrer dans les espaces intergranulaires de l'acier. Cela se produit le plus souvent dans les systèmes utilisant une protection cathodique trop agressive.
Morphologie CMI
Historiquement, on croyait que la corrosion par piqûres était le diagnostic du MIC. Cependant, nous savons maintenant que les mécanismes abiotiques peuvent provoquer le MIC et que le MIC peut provoquer à la fois une corrosion localisée (par exemple, des piqûres) et une corrosion plus générale. Cela signifie que l'observation visuelle (avec ou sans microscopie) des modèles de corrosion est insuffisante pour diagnostiquer. Un diagnostic correct est encore plus difficile lorsque la corrosion se trouve à l'intérieur des réservoirs. Les réglementations axées sur la santé et la sécurité exigent généralement que les réservoirs soient nettoyés et dégazés avant que les inspecteurs puissent y entrer. Les processus qui rendent l'espace sûr pour l'entrée perturbent ou détruisent également une grande partie des preuves. Comme illustré à la figure 5, les régions d'accumulation de biofilm lourd sont apparentes dans cet UST. Dans les années 1980, lorsque cette photo a été prise, un inspecteur pouvait entrer dans le réservoir (portant un équipement de protection individuelle approprié) et prélever des écouvillons de surface, des éraflures et des échantillons de liquide. Ces échantillons pourraient ensuite être testés microbiologiquement et chimiquement (pour la composition chimique organique et la minéralogie) pour faciliter le diagnostic. Les pratiques d'entrée dans un espace confiné utilisées aujourd'hui éliminent la plupart des résidus visibles à la figure 5 avant qu'un inspecteur ne soit autorisé à entrer dans le réservoir. Ainsi, bien que nous en sachions beaucoup plus sur le MIC aujourd'hui qu'il y a un demi-siècle, il existe encore des défis considérables pour des diagnostics rapides et précis dans les systèmes susceptibles d'être affectés par le MIC.
Résumé
Notre compréhension du MIC continue d'évoluer. Les outils analytiques actuellement disponibles n'existaient pas dans les années 1930 lorsque les articles fondateurs décrivant le MIC ont été publiés. Il existe plusieurs mécanismes MIC bien documentés. Tous sont associés à la présence de biofilms. De plus, l'observation de la corrosion par piqûres n'est plus reconnue comme une base suffisante pour diagnostiquer la CMI.
