Yeast and microfluidics : study of bioclogging with model objects
Levures et microfluidique : étude du biocolmatage avec des objets modèles
Résumé
Studying the filtration of living particles involves multiple processes taking place at various spatiotemporal scales. Due to this complexity, reaching a consensus based on membrane scale studies is challenging. In this thesis, we studied the permeability and mechanical behaviour of a clog of living particles based on observations at the microscale in a model configuration: we used baker's yeast Saccharomyces cerevisiae, with well-known mechanical and biological properties, to form clogs that were observed in microfluidic devices with well-controlled dimensions. The clogs' permeability is found to decrease with increasing hydrodynamic forcing intensity, due to the yeast cells' deformability, and then reaches a plateau. These results were modelled by a double pore network induced by the high confinement of the device: the smallest pores close progressively as the pressure increases, thus reducing the permeability of the clog until they close. In contrast, the largest pores are relatively unaffected by changes in forcing. Besides, compression and decompression cycles were applied to the clogs, demonstrating their porous and deformable nature. The results show that the observations diverge from the poroelastic theory's predictions and conventional interpretations in the literature. A continuous model is proposed, taking into account the coupling between the fluid flow, the deformation of the clog (assumed to be a linear elastic material) and the friction against the device's walls. This model reproduces all observations remarkably well, except for weak hydrodynamic forcing. Numerical simulations representing the granular nature of the clogs were then carried out. Their results show that the mechanical behaviour of the clogs is non-linear at low stresses and suggest that, at higher stresses, the clog behaves like a linear elastic material. Collectively, these results provide a first theoretical framework for the study of bioclogging on small scales and provide information that could contribute to improving filtration methods.
L'étude de la filtration de particules vivantes révèle plusieurs processus en interaction, qui occupent une large gamme d'échelles spatio-temporelles, si bien qu'un consensus est difficile à trouver à partir des études réalisées à l'échelle de la membrane. Au cours de cette thèse nous avons donc étudié la perméabilité et le comportement mécanique d'un bouchon de particules vivantes à partir d'observations à la microéchelle, dans une configuration modèle : la levure du boulanger Saccharomyces cerevisiae, aux propriétés mécaniques et biologiques bien connues, a été utilisée pour former des bouchons que l'on observe dans des dispositifs microfluidiques aux dimensions bien contrôlées. Les résultats montrent que la perméabilité des bouchons diminue à mesure que l'intensité du forçage hydrodynamique augmente, en raison de la déformabilité des cellules de levures, puis atteint un plateau. Ces résultats ont été modélisés par un double réseau de pores, induit par le fort confinement du dispositif : les pores les plus petits se ferment progressivement à mesure que la pression augmente, réduisant ainsi la perméabilité du bouchon, jusqu'à leur fermeture, alors que les pores les plus grands sont relativement peu affectés par les variations de forçage. Par ailleurs, des cycles de compression et de décompression sont appliqués sur des bouchons, ce qui démontre leur nature poreuse et déformable. L'analyse des résultats montre que les observations s'écartent des prédictions de la théorie poroélastique et des interprétations classiques de la littérature. Une modélisation continue est proposée, représentant le couplage entre l'écoulement du fluide, la déformation du bouchon (supposé être un matériau élastique linéaire) et le frottement contre les parois du dispositif. Cette modélisation reproduit remarquablement bien l'ensemble des observations réalisées, sauf pour des faibles forçages hydrodynamiques. Des simulations numériques représentant la nature granulaire des bouchons sont alors mises en place. Celles-ci montrent que le comportement mécanique des bouchons est non-linéaire aux faibles contraintes et suggèrent que pour des contraintes plus élevées, le bouchon se comporte bien comme un matériau élastique linéaire. L'ensemble de ces résultats offrent alors un premier cadre théorique pour l'étude du biocolmatage aux petites échelles, et fournit des informations qui pourraient contribuer au développement de méthodes de filtration améliorées.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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