Le réacteur à disque rotatif

Le réacteur utilisé lors de ces expérimentations a été spécifiquement conçu pour l’étude

Biofilm VIII par le Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée

(LEMTA, Nancy). Ce réacteur est composé d’une cuve et d’un disque rotatif affleurant l’eau

contenue dans la cuve. Sa particularité est de permettre d’obtenir un flux laminaire à la

surface du disque, mais également de pouvoir réguler la vitesse de rotation du disque et

ainsi d'obtenir différents gradients pariétaux de vitesse à sa surface. Le présent chapitre

décrira dans un premier temps le réacteur, puis dans un second temps les conditions

hydrodynamiques pouvant être appliquées dans le système et enfin les matériaux utilisés

lors de cette étude.

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1. Description générale du réacteur à disque rotatif

Chaque réacteur se compose d’une cuve cylindrique en Plexiglas



, de 25 cm de rayon

et 30 cm de hauteur, pouvant contenir 35 litres d’eau avec une entrée et une sortie d’eau

situées sur la partie supérieure de la cuve, comme schématisé sur la figure 17. L’arrivée

d’eau est connectée au réseau de distribution d’eau de la Communauté Urbaine du Grand

Nancy (CUGN) à un débit de 1 litre par minute. L’eau sortant de la cuve est éliminée vers le

réseau d’eaux usées. Un disque en Plexiglas

^

d’un diamètre de 20 cm est disposé à la surface

de l’eau, ce disque est équipé d’un moteur permettant de régler sa vitesse de rotation qui est

mesurée à l’aide d’un tachymètre. La face du disque rotatif en contact avec l’eau présente des

loges circulaires disposées sur quatre cercles concentriques de 24,5 à 90,5 mm de rayon

(Figure 17). Dans les loges sont disposés des coupons du matériau à étudier. Les coupons

sont maintenus dans les loges à l’aide d’aimants. Un aimant est collé à la surface du coupon

et un second aimant amovible est disposé sur l’autre face du disque de Plexiglas

^

, ce qui

permet la récupération individuelle de chaque coupon. Pour chaque réacteur, 40 coupons

peuvent être utilisés, dont 4 pour le cercle de 24,5 mm de rayon et 12 pour les autres cercles.

Quatre réacteurs ont été utilisés pour ces expérimentations, ils sont indépendants les

uns des autres et sont placés dans une cuve en PVC remplie d’eau maintenue à une

température de 20°C ± 1°C (Figure 18). Le système est maintenu à l’obscurité.

Figure 17. Schéma d’un réacteur à disque rotatif

= 25 cm et hauteur=30 cm)(A

cercles concentriques (rayon A=24,5 mm, B=4

Figure 18 : Cuve de thermostatation en PVC pouvant contenir qu

rotatif.

Entrée d’eau

Disque rotatif

A

B

. Schéma d’un réacteur à disque rotatif composé d'un réservoir de 35 litres

A) et d’un disque rotatif composé de loges disposées en quatre

es concentriques (rayon A=24,5 mm, B=46,5 mm, C=68,5 mm et D=9

: Cuve de thermostatation en PVC pouvant contenir quatre réacteurs à

Sortie d’eau

Disque rotatif

Coupon

B

C

D

A

76

composé d'un réservoir de 35 litres (rayon

composé de loges disposées en quatre

,5 mm et D=90,5mm)(B).

atre réacteurs à disque

77

2. Conditions hydrodynamiques appliquées au réacteur à disque rotatif

La rotation du disque sur l’eau crée un gradient pariétal de vitesse (γ en s

-1

) sur le

disque. Le flux d’eau à la surface du disque est laminaire. D’après les équations de

Navier-Stokes, les gradients pariétaux de vitesse augmentent du centre du disque vers l’extérieur.

En effet, le gradient pariétal de vitesse est proportionnel au rayon du disque considéré (r en

m), à la vitesse de rotation du disque (ω

3/2

en rd.s

-1

) et dépend de la viscosité cinématique du

milieu (ν = 10

6

pour l’eau). Ainsi, la valeur de gradient pariétal (γ) à la surface de chaque

coupon peut être calculée suivant l’équation 3 (Schlichting, 1955).

ν

ω

γ

3

792

,

0 r

=

Equation 3

Chaque valeur de gradient pariétal de vitesse peut être transposée en vitesse d’eau

dans une canalisation d’un diamètre donné. Le tableau 11 présente les différentes vitesses de

rotation du disque appliquées lors des expérimentations et une évaluation des vitesses d’eau

pour une canalisation de 20 cm de diamètre.

Tableau 11 : Différentes conditions hydrodynamiques appliquées au pilote et vitesse

d’eau pour une canalisation de 20 cm de diamètre.

Vitesse de rotation du disque

ω

ω

ω

ω (rpm)

0 21 75 344

Gradient pariétal de vitesse

γγγγ (s

-1

)

0 65 à 236 450 à 1640 4 300 à 15 700

Vitesse de l’eau (m.s

-1

) pour

une canalisation de 20 cm de

diamètre

78

3. Matériaux utilisés pour l’étude

Lors de nos expérimentations, deux matériaux ont été utilisés pour les coupons : l’inox

316L et le PolyEthylène Haute Densité (PEHD).

3.1. Inox 316L

Les coupons en inox 316L (RELLY, réf. 9DVB8412) ont un diamètre de 1,8 cm et

mesurent 2 mm d’épaisseur (Figure 19). La surface de coupon en contact avec l’eau est de 2,4

cm

2

. L’inox 316 L est utilisé notamment dans l’industrie agro-alimentaire. Le « L » dans la

désignation signifie faible teneur en carbone (<0,03% de la masse totale) ce qui réduit les

possibilités de corrosion (Choubey et al., 2009). Une grande partie des réseaux de distribution

est encore constituée de canalisations en fonte. La fonte s’oxyde au contact de l’eau. Etant

donné que la détection des particules phagiques à la surface des coupons est effectuée par

biologie moléculaire dans notre étude, il était préférable de ne pas utiliser de matériaux

pouvant se corroder afin d’éviter la présence d’oxydes de fer pouvant interférer avec la

détection par RT-qPCR. C’est pourquoi le choix d’un matériau métallique de référence pour

cette étude s’est porté sur l’inox 316L.

Figure 19 : Photographie d’un coupon en inox 316L (diamètre : 1,8 cm, épaisseur 2 mm).

3.2. PEHD

Les coupons en PEHD, polyéthylène haute densité « bande bleue », ont un diamètre de

1,8 cm et une épaisseur de 2,5 mm. Ils présentent une surface en contact avec l’eau de 2,4 cm²

(Figure 20). Le PEHD « bande bleue » est un matériau utilisé dans les réseaux de

distribution d’eau potable. La fabrication de plaques a été effectuée à partir de granules de

PEHD (RYB S.A., St Etienne de St Geoirs, France et LIM, Laboratoire d’Ingénierie des

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Matériaux, ENSAM CER Paris, France) et la découpe des coupons a été effectuée par Aqua

Découpe (Uriménil, France).

Figure 20 : Photographie d’un coupon en polyéthylène haute densité (diamètre : 1,8 cm,

épaisseur : 2,5 mm).

Les coupons présentant une épaisseur différente en fonction du matériau (2 mm pour

l'inox 316L et 2,5mm pour le PEHD), des disques rotatifs ont été fabriqués spécifiquement

pour chacun d'eux, afin que chaque coupon affleure à la surface des disques.

Dans le document Intéraction de bactériophages avec des surfaces colonisées par des biofilms d'eau potable et évaluation de protocoles de nettoyage (Page 97-102)