Outils microfluidiques pour l'étude des processus de cristallisation : solubilité, polymorphisme et cinétique de nucléation

par Philippe Laval

Thèse de doctorat en Sciences chimiques. Physicochimie de la matière condensée

Sous la direction de Mathieu Joanicot et de Jean-Baptiste Salmon.

Soutenue en 2007

à Bordeaux 1 .


  • Résumé

    Ce travail porte sur la réalisation de systèmes microfluidiques pour l’étude de processus de cristallisation. Le but est de rendre plus rapide et plus simple l’acquisition de données expérimentales sur la cristallisation, essentielles pour les industries chimiques et pharmaceutiques. L’ensemble des outils est basé sur un contrôle précis des températures et sur la production et la manipulation de gouttes d’une centaine de nanolitres dans des systèmes microfluidiques. Ces gouttes sont utilise��es comme microréacteurs indépendants dans lesquels il est possible d’induire la formation de cristaux dans des conditions contrôlées. Par ailleurs, les différents systèmes s’appuient sur la possibilité d’observer un grand nombre de gouttes pour réaliser des criblages de conditions opératoires et accéder à des données statistiques sur des phénomènes stochastiques tels que la nucléation. Le premier système permet d'effectuer des criblages rapides de diagrammes de solubilité de soluté dans un solvant. Le second dispositif permet de détecter les formes polymorphiques d’un composé qui se forment lors de l’étape de cristallisation, et les deux derniers ont pour but de mesurer des cinétiques de nucléation. Le faible volume des gouttes est un point crucial dans ces dispositifs. En effet, dans de tels volumes, il est possible d’atteindre des sursaturations élevées, d’induire la nucléation mononucléaire et par conséquent, d’isoler les cristaux formés. Grâce à ces outils, nous avons pu entre autre, mesurer pour la première fois la limite de solubilité d’une forme métastable du nitrate de potassium, et mettre en évidence l’importance des impuretés lors du processus de nucléation.

  • Titre traduit

    Microfluidic tools for investigating crystallization processes : solubility, polymorphism, and nucleation kinetics


  • Résumé

    This work deals with the development of microfluidic devices for studying crystallization processes. The goal is to simplify and to increase the speed of experimental data acquisition on crystallization, which is important for chemical and pharmaceutical industries. The devices are based on a precise temperature control and on the production and manipulation of hundreds of nanoliter-sized droplets in specific microfluidic systems. The droplets are used as independent microreactors in which we can induce crystal formation in a controlled way. Besides, since the different systems offer the possibility to observe directly a large number of droplets, they enable us to perform high-throughput screening of experimental conditions and to carry out statistical measurements of stochastic phenomenon such as nucleation. The first device was developed for the rapid screening of solubility diagrams. The second one enables us to detect polymorphic forms of a compound appearing during a crystallization step, and the two last systems are used to measure nucleation kinetics. The small droplet volume is crucial for these applications. Indeed, in such a small volume, it is possible to reach very high supersaturations, to induce mononuclear nucleation and as a consequence, to separate all nucleation events. Thanks to these microfluidic tools, for the first time we measured the solubility limit of a metastable form of potassium nitrate, and show the importance of impurities in crystal nucleation process.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XII-243 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 147-155. Annexes

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  • Bibliothèque : Université de Bordeaux. Direction de la Documentation. Bibliothèque Sciences et Techniques.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : FTA 3420
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