Réalisation

En injectant cette relation dans l’équation II.7 (Cornet, 2010):

(II.11)

II.1.2.2 _Réalisation

La lumière est apportée par six lampes à décharge (ampoules : BLV, 270 411 MHR 250N ) à travers 977 fibres optiques de diamètre 1,5 mm en PMMA1 à diffusion latérale (réparties en 6 torons - un par lampe). Les longueurs d’onde correspondant aux domaines ultra-violet et

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infrarouge sont éliminées grâce à des filtres optiques. Sur leur longueur immergée ces fibres sont traitées au laser : les impacts créent des irrégularités géométriques par lesquelles les photons s’échappent. Ces fibres ayant un coût élevé elles ne sont pas en contact direct avec la phase liquide (éventuellement corrosive pour d’autres applications envisagées à la conception, voir aussi la réaction d’actinométrie au chapitre 4) elles sont placées dans des tubes en polycarbonate de diamètre extérieur 2,4 mm (épaisseur 0,35 mm) qui seront par la suite appelés gaines. À leur sommet, ces gaines sont solidaires d’un couvercle en acier inoxydable 316L (elles sont fixées au moyen d’époxy Loctite EA 9483) et fermées par thermo soudure à leur extrémité immergée pour empêcher le milieu de culture de remonter dans les gaines et d’être ainsi en contact avec les fibres. Ces gaines sont réparties en maille hexagonale de pas 4,8 mm (respectant ainsi le dimensionnement présenté section II.1.2.1). Les gaines permettent également de maintenir une couche d’air autour des fibres, ce qui élimine un éventuel problème de différence d’indice de réfraction entre le PMMA des fibres et le milieu de culture. En effet si cette différence est trop faible elle peut empêcher les photons de sortir des fibres1. Les perçages du couvercle en inox prévus pour les gaines ont été réalisés avec un outil à commande numérique : les gaines respectent donc bien la maille hexagonale à leur sommet, elles sont cependant très souples. Pour s’assurer qu’elles restent dans une position proche de la maille hexagonale sur toute leur longueur, un panier a été placé à l’extrémité inférieure des fibres. Ce panier est fait d’une bande de tôle d’acier inoxydable 316L cintrée en rond et soudée sur elle- même. Cette tôle a été percée de trous2 permettant de faire passer un fin câble en acier inoxydable afin de maintenir les fibres dans la position de la maille. Cette tôle est maintenue à bonne hauteur par trois tiges en acier inoxydable 316L inclues dans la maille3. Le couvercle, les gaines, les tiges métalliques et le panier sont donc solidaires et forment un ensemble appelé par la suite faisceau. Le fait que ce faisceau puisse être manipulé d’un seul bloc s’est avéré extrêmement pratique pour le nettoyage des gaines et du réacteur ainsi que pour la maintenance en général. Nous recommandons fortement pour la conception d’un tel réacteur de faciliter au maximum l’opération d’entrée/sortie du faisceau dans le réacteur. Nous attirons l’attention du lecteur sur les dimensions du panier : la différence entre son diamètre extérieur et le diamètre intérieur de la cuve doit être assez importante (2,5 mm dans notre cas) et sa hauteur telle qu’il descende plus bas que l’extrémité des gaines afin de faciliter l’entrée des gaines dans le réacteur. Ces deux considérations permettent à une personne seule de sortir ou rentrer le

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Ce phénomène a été remis en question par les premières simulations de transport des photons à l’intérieur d’une fibre, la nécessité d’une couche d’air entre la fibre et le milieu reste donc à confirmer.

2 _{Ces perçages ont été réalisés par découpe jet d’eau} 3

faisceau facilement et rapidement à l’aide d’un palan. Dans sa réalisation initiale le faisceau était muni de plusieurs paniers de diamètre trop important : il était alors difficile et long de sortir le faisceau. Il est pourtant, à notre sens, essentiel que l’inspection du faisceau et de l’intérieur de réacteur soit aisée et rapide sans qu’il soit nécessaire de vider le réacteur de son contenu.

Figure 15 : Photographies de l’installation. À gauche : installation complète (lampes, fibres et réacteur sur la partie gauche, poste de contrôle à droite, et au dessus le panneau de lentilles prévu pour le fonctionnement solaire. À droite : les fibres à diffusion latérale en dehors du réacteur. On peut noter la présence de deux paniers (en bas et à mi-hauteur des fibres, qui maintiennent les fibres dans leur agencement en maille hexagonale. Dans la version finale le panier du milieu a été retiré, pour minimiser la formation de polysaccharides (voir section II.6.3). On peut noter que le bas du panier positionné au pied des fibres descend plus bas que les fibres, ce qui permet d’insérer très facilement le faisceau dans le réacteur.

Idéalement le traitement au laser de la surface de la partie immergée des fibres doit être fait de façon à ce que la densité de flux émise soit homogène sur toute la hauteur des fibres sans résidu de lumière à leur extrémité. Dans la version actuelle des fibres ce n’est pas le cas. La mise au point de procédés de production de fibres à diffusion latérale en maîtrisant le profil d’émission en tout point est un sujet de recherche à part entière qui sort du cadre de cette thèse. Nous avons cependant montré la prépondérance du transfert radiatif dans le réacteur, il est donc important de ne pas négliger cette inhomogénéité du flux. Le chapitre 4 sera entièrement consacré à La quantification de la densité de flux. En revanche les résultats de mesures qualitatives du profil d’émission réalisées avec un capteur plan (capteur LI-COR Quantum, boîtier LI-COR LI-189) sont présentés dans le paragraphe suivant.

La mesure quantitative de la densité de flux émise par des fibres à diffusion latérale cylindriques de 1,5 mm de diamètre avec un capteur plan de 8 mm de diamètre pose un problème de facteur de forme. Le facteur de forme est défini comme le rapport entre la densité de flux mesurée par le capteur et la densité de flux émise par les fibres :

(II.12)

En connaissant nous pourrions donc mesurer quantitativement le flux émis par les fibres grâce au capteur. Le facteur de forme dépend de la configuration géométrique, c’est-à- dire de la position du capteur par rapport aux fibres (par exemple il diminue quand le capteur s’éloigne de la fibre) et de la nature de l’émission à la surface des fibres (collimatée ou lambertienne). Si la position du capteur par rapport aux fibres est connue, en revanche le degré de collimation du flux émis est une inconnue, il est donc difficile de mesurer quantitativement la densité de flux émise par les fibres avec ce capteur en modélisant le capteur de forme. Il est cependant possible de mesurer un profil d’émission (voir figure 16) en positionnant le capteur à différentes hauteurs toujours dans la même position (donc avec un facteur de forme constant si le type d’émission est considéré uniforme sur toute la fibre et la densité de flux émise par la fibre est lui considérée constante au voisinage du capteur). La courbe de la figure 16 est ainsi obtenue. Le flux n’est pas uniforme : les fibres émettent un flux plus fort sur leur partie haute (il y a presque un facteur deux entre le maximum et le minimum). La densité de flux en bout de fibre a également été mesuré1 : il est deux fois supérieur à la valeur maximale émise par les parois latérales (toujours pour un problème de facteur de forme il faut se contenter de résultats relatifs). Ces données seront reprises dans la partie modélisation du chapitre 5.

Figure 16 : Profil d’émission des fibres normalisé (aire sous la courbe égale à 1)

1 _{Le principe sur lequel repose ces fibres à diffusion latérale (créer des discontinuités géométrique à la}

Dans les travaux présentés ici les fibres sont reliées à des sources de lumière artificielle, mais, toujours dans le cadre du projet ANR Biosolis, le fonctionnement solaire de ce réacteur a été envisagé. Dans la version solaire du procédé les fibres sont reliées à un panneau de 25 lentilles de Fresnel mis au point au laboratoire PROMES. Les lentilles concentrent les rayons sur les fibres qui conduisent les photons jusque dans le réacteur.