Impact de la géométrie d’écoulement sur la formation de panaches

L’hypothèse présentée ne permet pas d’expliquer pourquoi le développement des panaches bactériens est plus important dans les microsystèmes en quinconces qui présentent des écoulements secondaires en aval similaires aux autres géométries de microsystèmes.

Dans le cas de l’écoulement en quinconces, il existe des écoulements secondaires aux niveaux de chaque angle entre l’entrée et la sortie. Cette géométrie est proche de celle étudiée par l’équipe d’Howard Stone (Rusconi, 2011). Or, les auteurs de ces travaux montrent que pour ces écoulements les bactéries sont capables de créer des filaments d’EPS, puis des panaches bactériens entre des angles consécutifs dans l’écoulement (Figure IV-23).

144 Figure IV-23 : Reconstruction 3D d’un streamer et superposition des résultats numériques des écoulements secondaires au niveau des coins. (Image Rusconi,

2011).

Ces auteurs expliquent que ce développement est lié aux conditions hydrodynamiques : En effet de la biomasse va s’accumuler sur les parois latérales du canal et former un filament précurseur à mi-hauteur du canal en raison du sens des écoulements secondaires. Ensuite le flux va étirer et entrainer le filament jusqu'à ce qu'il atteigne le coin suivant.

Nos expériences sur la géométrie Ftest, qui présente plusieurs géométries de microcanaux dans le même microsystème, mettent en évidence un développement rapide de panaches à l’intérieur des canaux (voir Figure IV-22).

Ces panaches bactériens sont probablement favorisés par le développement (et l’accroche) de filaments en amont de la sortie qui peuvent expliquer une cinétique de développement plus rapide en aval de canaux présentant une tortuosité. En effet sur la Figure IV-24 suivante, les zones en blanc ne présentent pas de panache, tandis que les zones en noir qui ont des filaments en sortie de microcanaux ont aussi les intersections des canaux remplies.

145 Figure IV-24 : Image à t = 10 min pour la filtration d’Escherichia coli sur FQ10.

Zones noires : présence de filaments en aval et dans les microcanaux ; Zones blanches : absence de filaments.

En résumé, lors de l’écoulement des suspensions bactériennes dans des canaux droits ou avec des plots, le comportement est sensiblement identique. La création de filaments d’EPS conduit en sortie de canaux à la formation d’un filet de filaments qui va favoriser la capture des bactéries et la formation de panaches bactériens. Pour les géométries en plots alignés, les zones mortes (au niveau des connections entre les microcanaux) ne favorisent pas spécialement la formation de panaches. En revanche, l’écoulement à travers des plots en quinconces favorise le développement de filaments d’EPS entre deux angles consécutifs dans l’écoulement qui vont donc traverser les lignes de courant et pouvoir par capture de bactéries former un panache bactérien. Nous avons pu par ailleurs noter sur le microsystème comportant les différentes géométries que le développement à l’intérieur des canaux en quinconces peut conduire à l’obstruction totale des canaux.

146 IV.4. Conclusion

Dans ce chapitre une étude approfondie des écoulements à travers les microséparateurs pour les différents géométries, taille d’ouverture et débit d’alimentation a été effectuée par simulation numérique obtenue avec le logiciel Comsol afin d’analyser la formation des panaches.

Dans une première partie la présence d’écoulements secondaires a été mise en évidence dans les microséparateurs : l’écoulement ne reste pas parrallèle aux parois comme cela pourrait être supposé en régime laminaire. Ces écoulements secondaires apparaissent lors de changement de courbure important (présence d’angle) dans des géométries confinées. Cet écoulement secondaire est caractérisé par une hélicité positive ou négative d’un côté et de l’autre d’un angle et au niveau supérieur ou inferieur des parois. La présence de ces vitesses dans la direction de l’épaisseur a une influence non négligeable sur les lignes de courant : les lignes de courants vont être déviées, vers les parois à l’entrée du microcanal, vers le centre de la veine fluide en sortie de canal. La variation de la contrainte de cisaillement sur les parois est également analysée car il est connu qu’elle peut jouer un rôle sur l’adhésion bactérienne. Ces simulations numériques permettent d’analyser les résultats expérimentaux et de développer une hypothèse sur la formation d’un panache à travers un microcanal. La présence d’écoulements secondaires conduit à une adhésion importante des bactéries sur les parois à l’entrée du canal. Dans ces zones où la contrainte de cisaillement est importante, le temps de séjour des bactéries est important (mécanisme de « shear enhanced adhesion ») ce qui favorise la formation de filaments d’EPS. Ces filaments sont entraînés par l’écoulement et les écoulements secondaires les renvoient au centre du flux en sortie de microcanaux. Les filaments issus des parois opposées peuvent se rejoindre et former un filet capable de capturer les bactéries pour constituer un panache bactérien.

147 Les simulations numériques et l’hypothèse formulée permettent alors d’expliquer l’effet des différents paramètres étudiés :

• L’augmentation de débit à l’entrée des microcanaux va jouer sur l’augmentation de la vitesse des écoulements secondaires et sur l’augmentation de la contrainte de cisaillement.

• Plus les canaux vont avoir une taille d’ouverture faible plus les zones d’écoulement dans la direction z vont avoir un maximum important, ce qui va entrainer une déviation des lignes de courant plus importante. La contrainte de cisaillement va également être plus importante dans le cas de canaux de petite taille d’ouverture.

• La tortuosité des canaux va augmenter le nombre des zones d’écoulements secondaires. Plus les canaux vont être tortueux plus les lignes de courant vont se rapprocher des parois à l’entrée.

Dans le chapitre suivant d’autres paramètres ont été étudiés notamment l’influence de la physico-chimie des milieux bactériens avec l’ajout de calcium pour évaluer le rôle de l’adhésion. Egalement différents type de bactéries (Gram – et Gram +) ont été filtrés afin de déterminer si la formation de panaches est généralisable à d’autres sortes de bactéries qu’Escherichia coli ou reliée à des caractéristiques pariétales. Enfin le microsystème Ftest a permis l’étude de l’influence de l’hydrodynamique sur les bactéries Pseudomonas areruginosa et Staphylococcus aureus.

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Chapitre V. Etude de l’effet des paramètres