Vers une meilleure compréhension de la cristallisation en solution de polymorphes : étude expérimentale et modélisation par bilan de population et par équations cinétiques

Toward a better understanding of polymorph crystallization in solution : experimental study and modeling using population balance equation and kinetic equations

• Auteur / Autrice : Yousra Tahri
• Direction : Denis Mangin, Émilie Gagnière, Tijani Bounahmidi, Élodie Chabanon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 15/09/2016
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Université Mohammed V (Rabat)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Automatique et de Génie des Procédés (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Mosto Bousmina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Veesler, Mostapha Maalmi, Mohamed Tahiri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations cinétiques

Nucléation

Solutions (chimie)

Cristallisation

Mots clés libres

Cristallisation

Solution

Polymorphe

Nucléation

Mûrissement d’Ostwald

Règle des phases d’Ostwald

Modélisation

Bilan de population

Crystallization

Solution

Polymorph

Nucleation

Ostwald ripening

Ostwald rule of stages

Modeling

Population balance

Résumé

La règle des phases d'Ostwald classiquement utilisée pour justifier la cristallisation d'un système polymorphique, stipule que la phase métastable apparait en premier puis subit une transition polymorphique vers la phase stable. Les modèles classiques, qui ne considèrent que la nucléation et la croissance, ne permettent pas de refléter l'avantage cinétique de la phase métastable formulé par la règle d'Ostwald. Cette étude propose d'étudier et de mieux comprendre la cristallisation d'un système polymorphe en prenant en compte le mécanisme de mûrissement d'Ostwald, habituellement négligé. Un produit modèle, l'acide L-Glutamique, est choisi pour l'étude expérimentale menée en milieu agité et stagnant. Deux modèles, l'un basé sur les bilans de population, l'autre basé sur les équations cinétiques, sont développés et qualitativement comparés pour simuler le comportement expérimental des phases polymorphes. Alors que le modèle de bilan de population s'avère limité, le modèle des équations cinétiques a permis de souligner l'effet du mécanisme de mûrissement sur la compétition entre les phases polymorphes et de valider, ainsi, une nouvelle explication pour la règle des phases d'Ostwald

The Ostwald rule of stages is conventionally used to explain the crystallization behavior of a polymorphic system. It states that the metastable phase first appears and undergoes a polymorphic transition toward the stable phase, in a second step. The Classical models, which only consider nucleation and growth, fail to reflect the kinetic advantage of the metastable phase formulated by Ostwald’s rule. Hence, this work intends to study and better understand the crystallization of a polymorphic system, taking into account the Ostwald ripening mechanism, usually neglected. A model compound, L-Glutamic acid, is chosen for the experimental study in agitated and stagnant conditions. Two numerical models, one based on the population balance equation and the other based on the kinetic equations, are developed to simulate the behavior of that polymorphic system, observed experimentally. A qualitative comparison between these two models is proposed. The model that relates the population balance equation does not permit correct implementation of all the mechanisms. Conversely, the model based on the kinetic equations highlights the effect of the ripening mechanism on the competition between the two polymorphic phases and allows us to propose a new explanation of the Ostwald rule of stages