La réaction de transestérification des huiles végétales avec de l'éthanol permet la production d’esters éthyliques dont les applications industrielles sont, à ce jour, essentiellement cosmétiques ou alimentaires. Pour ouvrir le champ des applications aux biocarburants (pour substituer les carburants actuels issus de ressources fossiles), il est apparu nécessaire de développer un procédé de transestérification plus performant pour être économiquement rentable. Selon le schéma réactionnel et les propriétés thermocinétiques du système, les limites des procédés batchs existants pourraient être franchies en utilisant des procédés continus. Le système étudié est complexe en raison des changements d’équilibres de phase notamment et de la présence simultanée de différents phénomènes (mélange, transferts de chaleur et de matière, réactions principales et compétitives) qui doivent être précisément contrôlés. Pour concevoir correctement un procédé continu et acquérir de nombreuses données, les microréacteurs apparaissent comme un outil approprié à cette transposition. Dans ce travail, nous avons transposé la réaction batch dans un dispositif microstructuré continu (tube PFA de diamètre interne 508 μm) induisant un meilleur contrôle des transferts de chaleur et de matière. L’étude de l’influence des conditions de fonctionnement (débits des réactifs, rapport molaire initial huile/éthanol, température…) a permis de trouver des paramètres réactionnels favorables qui permettent d’atteindre des conversions et rendements élevés. Dans ces conditions, nous avons montré qu’il est possible d’acquérir des données cinétiques dès les premières secondes de réaction, ce qui n’était pas réalisable en réacteur batch conventionnel. Pour acquérir ces données en batch et en microréacteurs, nous avons développé une méthode d’analyse en ligne par spectroscopie proche infrarouge en s’appuyant sur la chromatographie en phase gazeuse comme méthode de référence. Des modèles PLS ont alors été établis pour quantifier en ligne les teneurs en composés majoritaires lors de la réaction de transestérification de l’huile de tournesol hautement oléique avec l’éthanol. A partir de ces données, les phénomènes mis en jeu ont été modélisés et les constantes cinétiques ainsi que les coefficients de transfert de cette réaction ont été déterminés. Le modèle a ensuite été utilisé pour simuler des réactions avec d’autres conditions opératoires et il nous a permis de travailler sur la séparation des produits de la réaction. / Transesterification reaction of vegetable oil with ethanol leads to ethyl esters, used to date for applications principally in food and cosmetic industry. To open the application field to biofuels (to substitute current fuels resulting from fossil resources), process efficiency has to be developed to be economically profitable. According to the reaction scheme and thermokinetic properties, limits of current batch processes can be overcome by carrying out continuous processes. The studied system is complex due in particular to phase equilibrium changes as well as simultaneous presence of various phenomena (mixing, heat and mass transfers, principal and competitive reactions) which have to be precisely controlled. Therefore, microreactors appear as the appropriate tool for transposition to a continuous process and acquisition of numerous data. In this work, batch reaction was transposed to a micro-scaled continuous device (PFA tube of 508 μm internal diameter), inducing better heat and mass transfer. Study of the influence of the operational conditions (reactants flow, initial ethanol to oil molar ratio, temperature...) revealed the favourable reaction parameters necessary to reach high conversions and yields. In these conditions, we showed the possibility of acquiring kinetic data at the first seconds of the reaction, which was not feasible in a conventional batch process. To acquire data in batch and microreactors, an on-line analysis method by Near InfraRed (NIR) spectroscopy was developed by using gas chromatography as a reference method. PLS models were then set up to quantify the major compounds contents on-line during the transesterification reaction of high oleic sunflower oil with ethanol. These data were used to model occurring phenomena and to determine kinetic constants and transfer coefficients. The model was subsequently used to simulate reactions with other operational conditions and also to work on the separation of reaction products.

Cette étude concerne l'optimisation, la conception et la caractérisation de microréacteurs, de type multicanaux, appliqués à l'électrosynthèse organique de composés fluorés à intérêt médical tels que le 2-Fluoro- 2-Deoxy-D-Glucose (18FDG). Les microsystèmes ont connu un développement important ces dernières années dans le domaine de la chimie fine où la volonté est de développer des outils toujours plus compétitifs. Les microréacteurs appliqués à la synthèse offrent l’avantage d’un rapport surface sur volume de la zone réactionnelle élevé (> 100 cm-1), ce qui améliore nettement les transferts de masse et d’énergie et permet de traiter de très faibles quantités dans des conditions plus sûres et plus respectueuses de l’environnement. L’élément de base du microréacteur est souvent constitué d’un simple microcanal qu’il est nécessaire de dupliquer pour fournir le débit de production adapté à une application donnée. Ainsi, un microréacteur sera souvent composé d’une série de microcanaux disposés en parallèle et connectant un canal distributeur et un canal collecteur. Cette configuration peut entraîner une faible uniformité de la distribution de l’écoulement dans les différents microcanaux de réaction et il est particulièrement important d’optimiser la géométrie du microréacteur complet pour tendre vers une distribution uniforme des temps de séjour (DTS). Dans le cas de la synthèse électrochimique, les microcanaux sont directement gravés dans deux électrodes placées en vis-à-vis et séparées par une membrane échangeuse d’ions. Une optimisation préliminaire de la DTS au sein d’une électrode composée de microcanaux parallèles de section rectangulaire est réalisée. L’arrivée et la sortie du fluide s’effectue par l’intermédiaire de deux canaux distributeur et collecteur de section également rectangulaire, mais non constante. L’optimisation vise à déterminer une évolution linéaire optimale de la largeur de ces canaux distributeur et collecteur. Un modèle analytique basé sur des hypothèses simplificatrices permet de calculer les différentes pertes de charge ainsi que les débits dans chaque microcanal, dans le cas d’un écoulement laminaire de liquide. Les résultats obtenus sont ensuite confirmés par des simulations numériques 3-D, plus précises. Un modèle hybride combinant les simulations numériques pour les canaux distributeur et collecteur et le modèle analytique pour les microcanaux parallèles est également développé. Il permet d’augmenter la finesse du maillage dans les zones sensibles de l’écoulement, sans nécessité d’accroître les ressources informatiques (mémoire et temps de simulation). Les résultats obtenus montrent un très bon accord entre les simulations numériques 3-D, le modèle hybride et le modèle analytique. Sur un exemple de 10 microcanaux parallèles, il est montré que dans le cas de la géométrie initiale, pour laquelle les canaux collecteur et distributeur sont de section constante, des écarts de l’ordre de 50 % existent entre les débits traversant les microcanaux latéraux et centraux. Après optimisation, cet écart est réduit à moins de 0,1 %. Le modèle analytique est ensuite étendu au cas d’écoulements gazeux en prenant en compte les effets non linéaires et antagonistes de la raréfaction et de la compressibilité de l’écoulement. La raréfaction est ici caractérisée par un nombre de Knudsen compris entre 0 et 0,1 et se traduit pas des sauts de vitesse à la paroi ; les écoulements dans ce régime modérément raréfié sont alors correctement modélisés par les équations compressibles de Navier Stokes associées à des conditions de glissement du second ordre en Knudsen, en prenant en compte la géométrie tridimensionnelle des microcanaux de réaction et des canaux collecteur et distributeur. / This study focuses on the optimisation, design and characterization of microreactors, of multichannel type, applied to the organic electrosyntheses of fluorinated compounds of medical interest such as the 2-Fluoro-2-Deoxy-D-Glucose (18FDG). Microsystems have known an important development these last years in the field of fine chemicals where the aim is to develop increasingly competitive tools. The microreactors applied to synthesis offer a reaction zone with high surface to volume ratio (> 100 cm-1), which significantly improves mass and energy transfers and allows treating small quantities in safer conditions and a better respect of environment. The basic element of the microreactor is often composed of a single microchannel, which is necessary to duplicate in order to provide the suitable production rate for a given application. Thus, a microreactor is often composed of a series of microchannels arranged in parallel and connecting a distributing channel to a collecting one. This configuration can result in poor uniformity of flow distribution among the reaction microchannels and it is particularly important to optimize the geometry of the microreactor in order to obtain a uniform residence time distribution (RTD). In the case of electrochemical synthesis, microchannels are directly etched into two electrodes facing each other and separated by an ion exchange membrane. A preliminary optimisation of the RTD in an electrode composed of parallel microchannels with rectangular cross-section is performed. The fluid inlet and outlet are connected to a distributing and a collecting channel with non constant rectangular cross-section. The aim of the optimisation is to determine an optimal linear evolution of the width of the distributing and collecting channels. An analytical model based on simplifying assumptions allows calculating the various pressure drops and the flowrate in each microchannel, in the case of a laminar liquid flow. The obtained results are then confirmed by more accurate 3-D numerical simulations. A hybrid model combining numerical simulations for the distributing and collecting channels and the analytical model for the parallel microchannels is also developed. This model allows a more refined mesh in the sensitive areas of the flow, without requiring additional numerical effort (memory and simulation time). The results show a good agreement between the 3-D numerical simulations, the hybrid model and the analytical model. On an example of 10 parallel microchannels, it is shown that in the case of the initial geometry (with a constant cross-section of collecting and distributing channels), the flowrate difference through the lateral and the central microchannels is in the order of 50%. After optimization, this difference is reduced to less than 0.1%. The analytical model is then extended to the case of gas flows, taking into account nonlinear and antagonist effects of rarefaction and compressibility. Rarefaction is characterized by the value of the Knudsen number which remains lower than 0.1; the flow in this moderately rarefied regime is accurately modelled by the compressible Navier-Stokes equations associated with second-order slip boundary conditions, taking into account the three-dimensional geometry of the reaction microchannels and of the collecting and distributing channels.

Les micros-lit fixes sont des milieux poreux miniaturisés ralliant les avantages à la fois des microréacteurs et des lits fixes, comme par exemple en terme de rapport surface/volume très élevé conduisant à des taux de transfert de chaleur et de matière intensifiés. Par conséquent, la caractérisation hydrodynamique des micro-lits fixes est nécessaire afin d’appréhender de manière objective les phénomènes de transfert et les modes de contact entre phases. Ensuite l'importance des micro-lits fixes est mise en évidence tandis que les approches pour construire des bases de recherche sur les micro-lits fixes y sont explicitées. Notre recherche commence par l'étude des régimes d'écoulement, des transitions de régime d'écoulement de la multiplicité de l’hydrodynamique et du transfert de matière liquide-solide dans les micro-lits fixes. Cette étude est réalisée au moyen d’une méthode de visualisation par microscopie optique à la paroi et le traitement d’image qui s’en suit pour la partie hydrodynamique et d’une méthode électrochimique basée sur l’oxydoréduction du couple complexes ferri/ferreux hexacyanure pour la partir sur le transfert de matière. Les résultats de perte de charge et de rétention de liquide ont été discutés par rapport aux régimes d’écoulement mis en place et des observations pariétales rendues possibles par microscopie optique. L'effet de la taille des particules et de la géométrie du canal sur les transitions de régimes d’écoulement, le comportement transitoire et le phénomène d'hystérèse ont également été abordés. Finalement, les résultats des expériences hydrodynamiques ont été obtenus en faisant face à de nombreux défis pour lesquels nous avons formulé de nombreuses recommandations en vue d’investigations futures. La détermination expérimentale du coefficient de transfert de masse liquide-solide (kLS) par la technique électrochimique a été effectuée dans un micro-lit fixe rempli de couches de particules de graphite non-sphériques servant de cathode et d'anode. Les expériences ont été réalisées pour un écoulement monophasique en régime de diffusion limitée. Finalement, la correspondance de valeurs de kLS avec les corrélations construites sur la base d’études sur les lits fixes à l’échelle macroscopique a été discutée. / Micro-packed beds are miniaturized packed beds having the advantages of both microreactors (high surface-to-volume ratios leading to intensified heat and mass transfer rates, increased safety, etc.) and packed beds (effective contact between the phases) that have the potential to be successfully employed for purposes such as catalyst screening and production of hazardous materials. To assess this potential, hydrodynamic characterization of micro-packed beds is necessary as they address the actual flow phenomena and provide suggestions to improve the contacting patterns between phases for enhanced performances. This work starts with a brief review on process intensification via microreactors. Then the importance of micro-packed beds is highlighted while the approaches to build research foundations on micro-packed beds are discussed. Our research begins by studying the flow regimes, transitions in flow regime and hydrodynamic multiplicity in micro-packed beds mostly by means of microscopic wall visualization and image processing. Results on pressure drop and liquid holdup have been obtained and discussed in terms of flow regimes and wall-flow image analyses. In addition, residence time distributions of the liquid in micro-packed beds have been obtained according to two techniques, by an impulse tracing method (electrolyte tracer injection) and wall visualization with optical microscopy. The effect of particle size and channel geometry (circular vs. square) has also been investigated in terms of flow regime transitions, transient behavior and hysteresis. Finally, challenges and recommendations thereof to surpass the many difficulties encountered are methodically explained to facilitate future investigations. Experimental determination of liquid-solid mass transfer coefficient (kLS) via a linear polarization method was also carried out in a micro-packed bed filled with layers of non-spherical graphite particles serving as cathode and anode for the Redox ferri/ferrocyanide electrochemical reaction. Experiments concerned single-phase liquid flow within the diffusion-limited regime. Particle size analysis and image processing were used to evaluate deviations from spherical geometry of the graphite particles to determine liquid-solid mass transfer coefficient. Finally, the correspondence of kLS values with macro-scale packed bed correlations was discussed.

Les piles à combustible à l’hydrogène (PACH) sont des engins qui produisent de l’énergie électrique à l’aide d’une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène. Ces dispositifs sont des candidats potentiels pour le remplacement des moteurs à combustion interne conventionnels. Cependant, les PACH ne sont toujours pas compétitives sur le plan commercial, car leur coût, leur poids et leur volume sont encore trop élevés. Un défi est donc d’améliorer l’efficacité des PACH en améliorant leur design. L’objectif de ce projet est de développer des outils de modélisation mathématique et de simulation numérique, pour ensuite optimiser le design des piles à combustible à l’hydrogène. Dans un premier temps, les phénomènes de transport à très petite échelle dans les milieux poreux qui constituent les PACH sont formulés mathématiquement, et une stratégie de lissage spatial est appliquée à ces équations pour les transformer en équations lissées valides à l’échelle macroscopique. Le nouveau modèle développé démontre que l’équation de conservation de la masse contient un terme volumique additionnel, tandis que l’équation de la quantité de mouvement reste similaire à la loi de Darcy. Dans un second temps, un modèle numérique est développé pour optimiser la géométrie des canaux catalytiques dans lesquels un fluide réagit chimiquement. Ce type d’écoulement peut représenter, entre autres, les réactants qui circulent dans les canaux se trouvant dans les PACH. Des corrélations sont développées analytiquement pour prédire les designs optimaux, et ces corrélations sont corroborées par des résultats numériques. Dans un troisième temps, un modèle mathématique et numérique complet de PACH est développé et validé. Ce modèle est utilisé pour optimiser l’allocation de catalyseur entre l’anode et la cathode, et pour optimiser la distribution de catalyseur dans la cathode. Les résultats montrent qu’une allocation inégale de catalyseur entre anode et cathode permet d’augmenter le courant généré par une PACH, et une distribution non-uniforme de catalyseur dans la cathode mène aux courants les plus élevés. Enfin, les paramètres les plus influents du modèle numérique ont été identifiés par une analyse de sensibilité. / Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are devices that produce electricity by means of a chemical reaction between hydrogen and oxygen. These devices are possible alternatives for the replacement of internal combustion engines. However, they are not yet competitive, because their cost, weight and volume are still too large. A challenge is thus to increase PEMFC efficiency by optimizing their design. The main objective of the present project is to develop mathematical and numerical modeling tools in order to optimize the PEMFC design. First, small-scale transport phenomena in the porous media of PEMFC are formulated mathematically, and then a volume averaging method is used to transform these equations into equations that are valid at a larger scale in the porous media. The new mathematical model obtained with this strategy shows that the mass conservation equation contains an additional term, while the momentum equation remains similar to Darcy’s Law. Second, a numerical model is developed in order to optimize the geometry of catalytic channels in which a fluid undergoes chemical reactions. This kind of flow may represent, for example, the reacting species that move in PEMFC channels. Correlations are developed analytically in order to predict the optimal designs for these channels. These correlations were validated with numerical simulations. The results obtained may be applied to several different devices (e.g., microreactors, monolith, PEMFC). Finally, the mathematical and numerical model of a PEMFC are developed and validated. This model is used to optimize catalyst allocation between the anode and cathode sides of the fuel cell, and also to optimize catalyst distribution within the cathode catalyst layer. The analysis shows that an unequal allocation of catalyst between the anode and cathode sides results in a higher electric current. It was also shown that a non-uniform catalyst distribution within the cathode layer yields higher electric current. Finally, the most influential parameters of the numerical model were identified by a sensitivity analysis.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Le réchauffement climatique est un problème de plus en plus préoccupant pour la communauté scientifique. La plupart des experts affirment qu'une solution temporaire à ce problème consiste à réduire les émissions de CO2. Un moyen efficace permettant de réduire les émissions de CO2 tout en continuant à exploiter les ressources mondiales de pétrole et de charbon est la capture du CO2. La dernière décennie a vue naître une technologie des plus novatrices dans le domaine de la capture du CO2 soit l'utilisation de l'anhydrase carbonique, une enzyme catalysant la réaction d'hydratation du CO2 de façon très efficace (kh » ÎOV1 ). Ce projet de maîtrise présente une étude cinétique de l'hydratation du CO2 en présence de l'anhydrase carbonique humaine de type II (l'hCA II) immobilisée, réalisée à l'aide d'un microréacteur enzymatique. Présentement, l'utilisation de cette enzyme à des fins industrielles est très limitée. Le travail présenté ici est innovateur; à notre connaissance, aucune étude similaire impliquant l'enzyme immobilisée n'est disponible dans la littérature ouverte. Cette étude cinétique contribuera ultérieurement au design d'un réacteur monolithique enzymatique destiné à la capture du CO2. La réalisation de cette étude cinétique a nécessité plusieurs étapes préliminaires : la production de l'enzyme, l'immobilisation de l'enzyme et la caractérisation de l'immobilisation. Les résultats expérimentaux ont démontré que la contribution du biocatalyseur sur la réaction globale d'hydratation du CO2 augmente avec l'augmentation du débit volumétrique et l'augmentation de la concentration initiale en molécules de tampon non protonées, ainsi qu'avec la diminution de la concentration initiale en CO2. Un modèle cinétique de l'hydratation catalytique du CO2 par l'hCA II immobilisée basé sur un mécanisme Quad Quad Iso Ping-pong aléatoire a aussi été développé grâce aux résultats expérimentaux.

Ce projet de thèse s'inscrit dans la recherche et le développement de dispositifs de lutte contre les émissions de composés organiques volatils (Programme principal n°7). En effet, l'objet de ce projet est d'étudier et de développer une nouvelle génération de microréacteurs catalytiques structurés pour la dépollution d'effluents gazeux contenant des composés organiques volatils (COV) issus de sources dispersées et/ou confinées. La difficulté principale du traitement des effluents gazeux est souvent liée à la multiplicité des sources de pollution et donc à la nécessité de collecter tous les effluents pollués vers une unité de traitement de grande échelle. Tout procédé qui pourrait facilement s'adapter et répondre à des pollutions diverses et localisées quels que soient les polluants, le débit et l'application, constituerait une grande avancée technologique dans le traitement de la pollution de l'air. Ainsi, des microsystèmes catalytiques pourraient être mis en oeuvre pour le traitement de composés organiques volatils dans des environnements industriels divers comme des ateliers d'imprimerie, de séchage, de peinture, de vernissage et des ateliers de nettoyage à sec. Toutes ces applications présentent un intérêt majeur d'un point de vue environnemental et de santé publique et constituent des cas idéaux pour mettre en oeuvre ces nouveaux microsystèmes et démontrer leur efficacité. Les microréacteurs présentent un avantage certain en terme de conception de procédés. La possibilité d'associer des éléments microstructurés ou des petites unités permet d'adapter et d'intégrer le procédé catalytique de façon appropriée, indépendamment de l'échelle et l'effluent. De plus, le concept modulaire est évidemment plus sûr. Ainsi, les microréacteurs construits à partir de plaques microstructurées permettent une distribution du flux gazeux dans l'ensemble des microcanaux. En outre, en raison des dimensions caractéristiques des microcanaux, les dispositifs microstructurés permettent une grande diminution de la distance entre la zone catalytique et le fluide conduisant à de meilleures propriétés de transferts que les réacteurs à lit fixe. Enfin et surtout, les microréacteurs catalytiques permettent une manipulation plus sûre des produits dangereux, inflammables et même explosifs que dans les réacteurs conventionnels. En partenariat avec le Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS-Toulouse), ce projet vise donc à concevoir et à développer des réacteurs catalytiques microstructurés suivant les objectifs définis précédemment. Ces microréacteurs sont constitués d'un empilement de plaques de silicium recouvertes d'une couche fine de platine utilisant des technologies de la microélectronique. Les technologies utilisées par le LAAS constituent une alternative aux dépôts catalytiques sur des microstructures existantes. De plus, un des avantages majeurs de l'utilisation des microtechnologies est la possibilité d'intégrer les sources chauffantes sur une plaque de silicium (résistances thermiques métalliques). Ainsi, l'intégration de sources chauffantes au coeur du microréacteur est une solution intéressante à la question des besoins énergétiques. Les travaux associés à ce projet de thèse visent à optimiser les performances et les conditions de fonctionnement de microréacteurs catalytiques et à mieux comprendre et appréhender les phénomènes impliqués. Les performances des microréacteurs conçus sont évaluées vis-à-vis de diverses molécules représentatives des émissions industrielles aux mélanges de COV avec pour objectif final une étude sur des effluents réels. / This thesis project is part of the research and development of devices to fight against the emission of volatile organics compounds.

In the first part of this work, magnetized nanoporous silica based microparticles (MMPs) are used for horseradish peroxidase (HRP) immobilization and applied in amperometric peroxidase-based biosensors. A homemade magnetized carbon paste electrode permits the MMPs attraction close to the electrode surface. The resulting original biosensor is applied to the investigation of enzymatic oxidation of model drug compounds namely, clozapine (CLZ) and acetaminophen (APAP) by HRP in the presence of hydrogen peroxide. The biosensor operates at a low applied potential and the signal corresponds to the electro-reduction of electroactive species enzymatically generated. The biosensor allows performing the quantitation of the two drug compounds in the micromolar concentration range. It allows also the study of thiol compounds based on the inhibition of the biosensor response. Interestingly, distinct inhibition results are observed for HRP entrapped in the silica microparticles compared to the soluble HRP.<p>We expect that this type of biosensors holds high promise in quantitative analysis and in biotransformation studies of drug compounds.<p><p>In the second part of this thesis work, HRP immobilized magnetic nanoparticles are injected on-line and magnetically retained, as a microreactor, in the capillary of a CE setup. The purpose of such a configuration is to develop an analytical tool for studying “in vitro” drug biotransformation. The advantages expected are (i) minimum sample (drug compound) and biocomponent (enzyme) consumption, (ii) high analysis throughput, (iii) selectivity and sensitivity. In order to illustrate the potential of such an instrumental configuration, it has been applied to study acetaminophen as model drug compound. The mechanistic information obtained by the HRP/H2O2 system is in agreement with literature data on acetaminophen metabolization. Horseradish peroxidase kinetic studies are realized by this setup and the apparent Michaelis constant is determined. Capillary electrophoresis permitted the identification of APAP off-line biotransformed products such as N-acetyl-p-benzoquinone imine (NAPQI), the APAP dimer and APAP polymers as inferred from literature data. The formation of the APAP dimer was further confirmed by electrospray ionization mass spectrometry.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ces travaux de recherche s’inscrivent d’une part dans une thématique d’intensification de procédés : la synthèse des particules de polymères est classiquement réalisée en batch en présence de solvants, tensioactifs et agents stabilisateurs. Dans ces conditions, les particules générées ont une distribution de taille assez large. Pour palier à celà, la synthèse des particules est envisagée en continu dans des microcanaux avec l’eau en phase dispersante, sans ajout de tensioactifs et sans traitement de surface des parois du microréacteur. L’utilisation de l’échelle micrométrique va ainsi procurer une très grande régularité aux dispersions générées et empêcher la coalescence des gouttelettes au sein du milieu qui provoque la polydispersité des particules dans les cuves agitées. Nous avons donc développé des outils microfluidiques et étudié l’hydrodynamique dans ces microréacteurs pour obtenir la génération de gouttelettes sphériques afin de synthétiser des billes d’un diamètre inférieur à la centaine de microns par polymérisation directe des gouttes. Ces travaux visent d’autre part, la production de nouveaux matériaux puisque l’objectif était non seulement de produire des particules simples mais d’envisager des structures plus complexes telles que des particules multicouches de type oignon pour lesquelles on pourrait choisir la nature et l’épaisseur de chaque couche. Nous avons donc travaillé sur la manipulation de l’écoulement après polymérisation pour envisager des méthodes d’enrobage des particules coeurs. Enfin nous avons trouvé une nouvelle application liée à la synthèse de particules en microcanaux : la création de colonnes chromatographiques remplies de particules. / This work is full part of process intensification : polymer particles are usually synthesized in batch reactors with solvents, surfactants and stabilizers. In these conditions, particles are obtained with large size distribution. In order to reduce size distribution, particles synthesis is then studied in a continuous process in microchannels in water, without surfactants nor surface treatment of microreactors’ walls. The micron-size scale provides indeed better control of monomer dispersion and prevents droplets coalescence which is the major reason of polydispersity in stirred tank reactors.That is why we have developped microfluidic tools and studied hydrodynamics and droplet generation into microreactors in order to synthetize polymer beads smaller than a hundred microns by direct polymerization of spherical droplets. This work also deals with new material creaction : the objective was also to produce onion-like structures for whom we could choose each layer chemical nature and thickness. We have then analysed manipulation of partciles flow to determine ways of encapsulating core particles. Finally, we also developped a new application related to polymer beads into microchannels : the creation of micropacked chromatography columns

L'objectif de ce travail est la synthèse et la fonctionnalisation de monolithes siliciques à porosité hiérarchique et leur utilisation en tant que microréacteur en catalyse sous flux. Une synthèse reproductible de monolithes siliciques a été mise à point. La fonctionnalisation avec une variété de fonctions a été réalisée, telle que la fonctionnalisation avec des groupements aminopropyle, avec de l'oxyde d'aluminium, par incorporation des MOFs (CuBTC) et par dépôt de nanoparticules de palladium. Les monolithes fonctionnalisés ont été testés en tant que microréacteurs catalytiques sous flux pour les réactions de Knoevenagel, de Diels-Alder et de Friedländer et montrent dans plusieurs cas une augmentation de la productivité des réactions par rapport aux réacteurs batch ou à lit fixe ainsi qu'une automatisation des procédés. La transformation pseudomorphique de monolithes siliciques en monolithes zéolithiques en phase SOD et LTA a été mise a point. Nous avons ainsi montré la première utilisation d'un monolithe macroporeux à base de zéolithes en tant que microréacteur pour la synthèse de produits de chimie fine en continu. Les monolithes zéolithiques ont aussi été analysés pour l'échange d'ions en dynamique et sont prometteurs pour une application en tant que matériaux pour la décontamination d'effluents radioactifs. / The aim of this work is the synthesis and the functionalization of silica monoliths with hierarchical porosity and their use as catalytic microreactors for flow-through chemistry. A reproducible synthesis of the silica monoliths was elaborated. The functionalization with a variety of functions has been performed, such as aminopropyl groups, aluminium oxide, MOFs (CuBTC), and palladium nanoparticles. These functionalized silica monoliths have been used for the Knoevenagel condensation, Diels-Alder reaction and Fiedländer reaction, where they show increasing productivities compared to classically used reactors (batch, packed-bed) and enable process automation. The pseudomorphic transformation of silica monoliths in zeolite monoliths in the SOD and LTA phase has been elaborated. We have preformed the first implementation of a macroporous zeolite monolith as microreactor for the fine chemical production in flow continuous conditions. The zeolite monoliths have been tested for dynamic ion exchange and are promising materials for the use as decontaminants of radioactive discharges.

Cette étude est dédiée à l'amélioration du design des microréacteurs gaz-liquide. Le terme de microréacteur correspond à des appareils composés de canaux dont les dimensions sont de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de microns. Grâce à la valeur importante du ratio surface/volume, ces appareils constituent une issue prometteuse pour contrôler les réactions rapides fortement exothermiques, souvent rencontrées en chimie fine et pharmaceutique. Dans le cas des systèmes gaz-liquide, on peut citer par exemple les réactions de fluoration, d’hydrogénation ou d’oxydation. Comparés à des appareils conventionnels, les microréacteurs permettent de supprimer le risque d’apparition de points chauds, et d’envisager le fonctionnement dans des conditions plus critiques, par exemple avec des concentrations de réactifs plus élevées. En même temps, la sélectivité peut être augmentée et les coûts opératoires diminués. Ainsi, les technologies de microréacteurs s’inscrivent bien dans les nouveaux challenges auxquels l'industrie chimique est confrontée ; on peut citer en particulier la réduction de la consommation énergétique et la gestion des stocks de produits intermédiaires. Les principaux phénomènes qui doivent être étudiés lors de la conception d’un microréacteur sont le transfert de matière et le transfert thermique. Dans les systèmes diphasiques, ces transferts sont fortement influencés par la nature des écoulements, et l'hydrodynamique joue donc un rôle central. Par conséquent, nous avons focalisé notre travail sur l’hydrodynamique de l’écoulement diphasique dans les microcanaux et sur les couplages constatés avec le transfert de masse. Dans ce contexte, nous nous sommes dans un premier temps intéressés aux régimes d’écoulement et aux paramètres contrôlant la transition entre les différents régimes. Au vu des capacités de transfert de matière et à la flexibilité offerte en terme de conditions opératoires, le régime de Taylor semble le plus prometteur pour mettre en œuvre des réactions rapides fortement exothermiques et limitées par le transfert de matière. Ce régime d'écoulement est caractérisé par des bulles allongées entourées par un film liquide et séparées les unes des autres par une poche liquide. En plus du fait que ce régime est accessible à partir d’une large gamme de débits gazeux et liquide, l'aire interfaciale développée est assez élevée, et les mouvements de recirculation du liquide induits au sein de chaque poche sont supposés améliorer le transport des molécules entre la zone interfaciale et le liquide. A partir d'une étude de l’hydrodynamique locale d’un écoulement de Taylor, il s’est avéré que la perte de charge et le transfert de matière sont contrôlés par la vitesse des bulles, et la longueur des bulles et des poches. Dans l’étape suivante, nous avons étudié l'influence des paramètres de fonctionnement sur ces caractéristiques de l’écoulement. Une première phase de notre travail expérimental a porté sur la formation des bulles et des poches et la mesure des champs de vitesse de la phase liquide dans des microcanaux de section rectangulaire. Nous avons également pris en compte le phénomène de démouillage, qui joue un rôle important au niveau de la perte de charge et du transfert de matière. Des mesures du coefficient de transfert de matière (kLa) ont été réalisées tandis que l'écoulement associé était enregistré. Les vitesses de bulles, longueurs de bulles et de poches, ainsi que les caractéristiques issues de l’exploitation des champs de vitesse précédemment obtenus, ont été utilisées afin de proposer un modèle modifié pour la prédiction du kLa dans des microcanaux de section rectangulaire. En mettant en évidence l'influence du design du microcanal sur l’hydrodynamique et le transfert de matière, notre travail apporte une contribution importante dans le contrôle en microréacteur des réactions rapides fortement exothermiques et limitées par le transfert de matière. De plus, ce travail a permis d'identifier certaines lacunes en termes de connaissance, ce qui devrait pouvoir constituer l'objet de futures recherches. / The present project deals with the improvement of the design of gas-liquid microreactors. The term microreactor characterizes devices composed of channels that have dimensions in the several tens to several hundreds of microns. Due to their increased surface to volume ratios these devices are a promising way to control fast and highly exothermic reactions, often employed in the production of fine chemicals and pharmaceutical compounds. In the case of gas-liquid systems, these are for example direct fluorination, hydrogenation or oxidation reactions. Compared to conventional equipment microreactors offer the possibility to suppress hot spots and to operate hazardous reaction systems at increased reactant concentrations. Thereby selectivity may be increased and operating costs decreased. In this manner microreaction technology well fits in the challenges the chemical industry is continuously confronted to, which are amongst others the reduction of energy consumption and better feedstock utilization. The main topics which have to be considered with respect to the design of gasliquid μ-reactors are heat and mass transfer. In two phase systems both are strongly influenced by the nature of the flow and thus hydrodynamics play a central role. Consequently we focused our work on the hydrodynamics of the two-phase flow in microchannels and the description of the inter-linkage to gas-liquid mass transfer. In this context we were initially concerned with the topic of gas-liquid flow regimes and the main parameters prescribing flow pattern transitions. From a comparison of flow patterns with respect to their mass transfer capacity, as well as the flexibility offered with respect to operating conditions, the Taylor flow pattern appears to be the most promising flow characteristic for performing fast, highly exothermic and mass transfer limited reactions. This flow pattern is characterized by elongated bubbles surrounded by a liquid film and separated from each other by liquid slugs. In addition to the fact that this flow regime is accessible within a large range of gas and liquid flow rates, and has a relatively high specific interfacial area, Taylor flow features a recirculation motion within the liquid slugs, which is generally assumed to increase molecular transport between the gas-liquid interface and the bulk of the liquid phase. From a closer look on the local hydrodynamics of Taylor flow, including the fundamentals of bubble transport and the description of the recirculation flow within the liquid phase, it turned out that two-phase pressure drop and gas-liquid mass transfer are governed by the bubble velocity, bubble lengths and slug lengths. In the following step we have dealt with the prediction of these key hydrodynamic parameters. In this connection the first part of our experimental study was concerned with the investigation of the formation of bubbles and slugs and the characterization of the liquid phase velocity field in microchannels of rectangular cross-section. In addition we also addressed the phenomenon of film dewetting, which plays an important rôle concerning pressure drop and mass-transfer in Taylor flow. In the second part we focused on the prediction of gas-liquid mass transfer in Taylor flow. Measurements of the volumetric liquid side mass transfer coefficient (kLa-value) were conducted and the related two-phase flow was recorded. The measured bubble velocities, bubble lengths and slug lengths, as well as the findings previously obtained from the characterization of the velocity field were used to set-up a modified model for the prediction of kLa-values in μ-channels of rectangular cross-section. Describing the interaction of channel design hydrodynamics and mass transfer our work thus provides an important contribution towards the control of the operation of fast, highly exothermic and mass transfer limited gas-liquid reactions in microchannels. In addition it enabled us to identify gaps of knowledge, whose investigation should be items of further research.