| Resumé |
La séparation des particules est nécessaire dans de nombreuses applications en chimie, physique, biologie, domaines médicaux et biotechnologie. Par exemple, la récolte de biomasse, qui est l'une des étapes clés de la production de biocarburants à partir des microalgues et des cyanobactéries, est un processus complexe et coûteux (20-30 % du coût total) en raison de la petite taille et aussi de la faible différence entre la densité des micro-organismes et celle de leurs milieux de culture. Ainsi, de nouvelles techniques peu coûteuses sont nécessaires pour remplacer ou améliorer le processus de la séparation. Tandis que plusieurs méthodes passives et actives ont été proposées pour la séparation des particules en écoulement stationnaire, l'écoulement pulsé a reçu moins d'attention. Le but de cette étude est de déterminer les effets de la pulsation d'écoulement sur la séparation des particules dans un microcanal du type « double Y». Seulement l'un des deux écoulements entrants contient des particules et l'efficacité de la séparation est définie comme le rapport entre le nombre des particules s'échappant de la sortie opposée et le nombre total des particules. Les cellules mortes et motiles de Chlamydomonas reinhardtii sont respectivement utilisées comme particules passives et actives. Des expériences microfluidiques et des simulations sont réalisées pour chaque partie de l'étude et les principaux résultats sont résumés ci-dessous: Pour les particules passives: - Lorsque les écoulements entrants dans le microcanal sont stationnaires, le seul paramètre qui permet de contrôler la séparation des particules est le rapport entre les débits aux entrées. L'efficacité de la séparation augmente avec l'augmentation de ce rapport. Pour approcher l'efficacité maximale (0,5), ce rapport doit être supérieur à 20, ce qui n'est pas toujours pratique. - Lorsque les écoulements entrants sont pulsés avec un déphasage, le réglage de ce déphasage peut contrôler l'efficacité de la séparation. - Lorsque 0,5 < amplitude de pulsation < 2 et 1 s < période de pulsation < 10 s, l'efficacité de la séparation augmente avec le déphasage de sorte qu'un déphasage de 180° aboutit à une efficacité maximale. Une tendance similaire est observée pour des valeurs plus élevées de l'amplitude (comme beta = 5) uniquement si la période de pulsation est suffisamment petite. Pour les particules actives: - Les particules actives (cellules motile) n'obéissent pas au protocole de contrôle imposé par la pulsation à l'entrée du système. Comme les particules actives choisissent aléatoirement leur sortie du microcanal, l'efficacité de la séparation reste toujours proche de 0,5. Par conséquent, la pulsation de l'écoulement (seule) ne présente aucun avantage par rapport à un écoulement stationnaire pour la séparation des particules actives. - Cependant, lorsque le comportement phototactique des algues est activé, l'avantage de la pulsation devient évident. En présence d'une stimulation lumineuse, l'efficacité de la séparation augmente respectivement jusqu'à 65 % et 75 % dans les écoulements stationnaires et pulsés. Bien que nos expériences soient menées sur une algue modèle (Chlamydomonas reinhardtii), une simulation numérique a démontré que l'idée d'utiliser un écoulement pulsé peut être étendue à la séparation de toutes autres particules actives stimulées par un champ externe attractif ou répulsif. Ainsi, les applications potentielles peuvent aller au-delà de la récolte des algues pour le control et l'amélioration des processus de séparation, de sélection ou d'accumulation sans avoir besoin de composants mécaniques ou de substances chimiques. |