“La cristallisation en solution doit certainement être la plus ancienne opération unitaire en génie chimique et elle est connue depuis l’aube de la civilisation” (Mullin, 1960). Cependant, en dépit de nombreux développements expérimentaux et théoriques, et en dépit de son grand intérêt en chimie, biologie et procédés naturels, la cristallisation reste un procédé déroutant couplant plusieurs mécanismes (nucléation, croissance, agrégation, agglomération) se produisant à différentes échelles de temps et d’espace. Le procédé de cristallisation est encore peu compris principalement parce que les mécanismes de nucléation cristalline ne sont pas clairement identifiés. Les principales difficultés pour étudier la nucléation et développer une théorie précise du procédé provident de la nature stochastique de la nucléation et du fait que les objets impliqués pendant le procédé sont petits (avec des tailles allant de 100 à 1000 atomes ou molécules) et ont une courte durée de vie (quelques ns). Cette thèse à pour objectif d’améliorer la compréhension des procédés de nucléation en associant une technique expérimentale moderne (microfluidique de gouttes) et une technique puissante de caractérisation (Diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS) de source synchrotron). La combinaison de microfluidique et de SAXS permet des mesures in-situ, à l’échelle du nanomètre, des structures impliquées dans le procédé de nucléation et réduit la limite de résolution temporelle à l’échelle de la micro/milli seconde (grâce à la conversion espace-temps proposé par les dispositifs microfluidiques). Ainsi, nous présentons dans cette thèse, le développement des dispositifs microfluidiques, leur couplage avec des équipements SAXS de source synchrotron, et les résultats obtenus en terme de cinétiques de nucléation et mécanismes de nucléation pour différentes protéines. |
“Crystallization from solution must surely rank as the oldest unit operation, in the chemical engineering sense and it is known since the dawn of civilization” (Mullin, 1960). However, despite many experimental and theoretical developments, and despite its great interest in chemical, biological and natural processes, crystallization remains a puzzling phenomenon coupling several mechanisms (nucleation, growth, aggregation, agglomeration) occurring at different times and length scales. The crystallization process is still poorly understood mainly because crystal nucleation mechanisms are not clearly identified. The essential difficulties of studying nucleation and developing an accurate theory of the process arises from the stochastic nature of nucleation and from the fact that the objects involved during the process are small (sizes typically fall in the range of 100−1000 atoms or molecules) and are short lived (few ns). This thesis aims at a real breakthrough in our understanding of the nucleation process by associating modern experimental techniques (droplet microfluidics) and powerful characterization technique (Small Angle X-Ray Scattering (SAXS) from a synchrotron source). The combination of microfluidics and SAXS enables in-situ measurements, at the nanoscale, of structures involved during the nucleation process and reduces the limit of time resolution at the micro/milli second range (due the spatial-to-time conversion offered by microfluidic devices). Therefore, we present in this thesis, the development of the microfluidic devices and the coupling with SAXS from synchrotron sources, and the results in terms of kinetics of nucleation and mechanisms of nucleation for different proteins. |