Séparation magnétique à grande échelle

La séparation magnétique à grande échelle est généralement réalisée à l'aide des séparateurs magnétiques à haut gradient du champ (HGMS) développés par Jones en 1960. Ces séparateurs magnétiques utilisés à l'échelle industrielle utilisent une matrice d'extraction ferromagnétique placée dans le champ intense généré par une bobine ou un aimant supraconducteur. La matrice est soumise à un champ magnétique uniforme. Les filaments de la matrice ferromagnétique d'acier de diamètre environ 50 µm, sont saturés magnétiquement et vont créer à leur voisinage de très forts gradients de champ facilement capturant les particules magnétiques. Cette technique est largement utilisée pour l'enrichissement de minerais [Svoboda (2004)] (Fig. 10). Les matériaux à traiter sont soumis à des gradients de champ magnétique suffisants pour séparer des particules de faible susceptibilité magnétique et

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de faible taille. Une fois la matrice du filtre saturée par les particules magnétiques, il est nécessaire de la rincer pour récupérer les particules et pouvoir réutiliser la matrice pour un autre cycle de filtration.

Fig. 10. Représentation d’un séparateur magnétique à haut gradient de champ (High gradient Magnetic Separation) cyclique (à gauche) et continu (à droite) [selon Svoboda (2004)]

Pour que la séparation magnétique puisse être menée avec un succès, la force magnétique Fm agissant sur les particules doit dominer autres forces en compétition lorsque le

colloïde s'écoule le long de la colonne du filtre [Gómez-Pastora et al. (2014)]. Les systèmes HGMS ont bien trouvé leur place pour la séparation des solides magnétiques dans plusieurs applications industrielles depuis plus de 40 ans [Kolm et al. (1967); Latour (1973); Oder (1973)]. En outre, les HGMS ont été testés pour la séparation des particules magnétiques des fluides visqueux [Mishima (2007); Menzel (2012)]. Par conséquent, l'étude de l'accumulation des particules magnétiques sur la matrice est importante. Il existe plusieurs paramètres de configuration de HGMS qui influent l'efficacité de capture des particules magnétiques. Ces facteurs comprennent le rayon de particule r_p, la densité _p, la force magnétique Fm, le gradient du champ magnétique, la vitesse de l'écoulement v, la viscosité dynamique du fluide η et la taille de la matrice magnétique [Zheng et al. (2015) b, c]. Les séparateurs HGMS sont utilisés non seulement pour les particules ferromagnétiques mais aussi pour les particules fines paramagnétiques, donc en général faiblement aimantées [Oberteuffer (1974); Ohara, (2001)]. Avec le progrès de la nanotechnologie, les filtres HGMS ont également été appliqués pour la séparation des NPM, utilisées pour le tri de cellules biologiques. Cette application repose sur l'utilisation de billes magnétiques recouvertes des anticorps spécifiques. Les cellules cibles réagissent avec des billes magnétiques par liaison anticorps/antigène. Les billes sont manipulées par un champ magnétique. Le premier système commercial de séparation magnétique de cellules biologiques a été proposé par Miltenyi 1990 (Fig.11). Il s'agit tout

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simplement d'une éprouvette avec une culture cellulaire où on ajoute des nano-billes de polystyrène magnétique fonctionnalisées et on soumet l'éprouvette à un champ magnétique.

Fig.11. Représentation de la séparation des cellules biologiques à l'aide d'un séparateur magnétique (MACS) [selon Miltenyi (1990)].

Les cellules qui réagissent avec des particules magnétiques sont attirées par le champ magnétique et séparées des autres cellules. Depuis les années 1990, cette technique s'est développée considérablement. L'avantage le plus important des systèmes HGMS est qu'ils offrent des forts gradients du champ magnétique à l'intérieur de la colonne, entre 104-105T/m-1 pour des champs magnétiques de l'ordre d'1T en raison de la présence de la matrice ferromagnétique [Svoboda (2004); Yavuz et al. (2006); De las Cuevas et al. (2008); Garcia et al. (2015)].

Cependant, la présence d'une matrice non homogène à l'intérieur du filtre rend l'estimation de la distribution du champ magnétique (et donc de la force magnétique) très difficile [Yavuz et al. (2006)]. A fin d'évaluer la performance du HGMS au cours du temps, le dépôt de particules sur la matrice doit être prédit.

La plupart des travaux théoriques sont limités aux simulations de capture de particules autour d'un seul fil du HGMS sous l'action de forces hydrodynamiques et magnétiques [Friedlaender (1981); Clarkson (1978)]. Hoffman et Franzreb (2004) ont étudié la forme et la taille des dépôts des particules magnétiques autour d'un fil magnétique et montrent que dans le cas des nanoparticules, le mouvement brownien est important et doit être pris en compte. Fletcher (1991) calcule la taille du dépôt en déterminant la distance à partir du fil pour laquelle la force diffusive F k T_B (avec φ-la concentration de NPM) est plus importante que la force magnétique et empêche ainsi l’attraction des particules paramagnétiques sur le fil

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aimanté. Hovorka et al. (2005) ont développé une théorie qui prend en compte des interactions magnétiques entre les particules et prédisent l’ordre de grandeur de l’effet des interactions interparticulaires sur l'efficacité de la séparation magnétique.

Les systèmes de séparation magnétique conventionnels ont des inconvénients dans le sens qu'ils ont tendance à être relativement couteux et complexes, nécessitent une énergie importante pour fonctionner. Ce sont des équipements volumineux et couteux, limitées aux applications industrielles où l'utilisation d'importantes quantités d'énergie pour générer la force magnétique est justifiée par le besoin de traiter des volumes et débits élevés. Alors que l'application de HGMS était initialement limitée seulement à quelques domaines en industrie, son développement augmente rapidement en raison de développement des nanotechnologies. L'inconvénient de ces systèmes résulte de la nécessité d'utiliser des volumes et concentrations importants d'échantillons, ce qui limite leurs utilisations pour des applications spécifiques comme par exemple la détection de marqueurs de maladies présentes en très faible quantité dans le sang ou plasma humain. Pour cette raison, les recherches se sont orientées vers l'utilisation de microsystèmes pour augmenter le rapport surface/volume [Nagrath et al. 2007]. Ces systèmes de nouvelle génération sont utilisés, pour la capture de cellules tumorales et aussi plusieurs recherches ont récemment prouvé la faisabilité de la technologie de microfluidique pour contrôler avec précision le processus de séparation.