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Développement de microréacteur pour la synthèse de radio-traceurs pour l'imagerie médicale (TEP)

Renault, Cyril. Développement de microréacteur pour la synthèse de radio-traceurs pour l'imagerie médicale (TEP). PhD, Institut National Polytechnique de Toulouse, 2011

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Official URL: http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00001515/

Abstract

Cette étude concerne l'optimisation, la conception et la caractérisation de microréacteurs, de type multicanaux, appliqués à l'électrosynthèse organique de composés fluorés à intérêt médical tels que le 2-Fluoro- 2-Deoxy-D-Glucose (18FDG). Les microsystèmes ont connu un développement important ces dernières années dans le domaine de la chimie fine où la volonté est de développer des outils toujours plus compétitifs. Les microréacteurs appliqués à la synthèse offrent l’avantage d’un rapport surface sur volume de la zone réactionnelle élevé (> 100 cm-1), ce qui améliore nettement les transferts de masse et d’énergie et permet de traiter de très faibles quantités dans des conditions plus sûres et plus respectueuses de l’environnement. L’élément de base du microréacteur est souvent constitué d’un simple microcanal qu’il est nécessaire de dupliquer pour fournir le débit de production adapté à une application donnée. Ainsi, un microréacteur sera souvent composé d’une série de microcanaux disposés en parallèle et connectant un canal distributeur et un canal collecteur. Cette configuration peut entraîner une faible uniformité de la distribution de l’écoulement dans les différents microcanaux de réaction et il est particulièrement important d’optimiser la géométrie du microréacteur complet pour tendre vers une distribution uniforme des temps de séjour (DTS). Dans le cas de la synthèse électrochimique, les microcanaux sont directement gravés dans deux électrodes placées en vis-à-vis et séparées par une membrane échangeuse d’ions. Une optimisation préliminaire de la DTS au sein d’une électrode composée de microcanaux parallèles de section rectangulaire est réalisée. L’arrivée et la sortie du fluide s’effectue par l’intermédiaire de deux canaux distributeur et collecteur de section également rectangulaire, mais non constante. L’optimisation vise à déterminer une évolution linéaire optimale de la largeur de ces canaux distributeur et collecteur. Un modèle analytique basé sur des hypothèses simplificatrices permet de calculer les différentes pertes de charge ainsi que les débits dans chaque microcanal, dans le cas d’un écoulement laminaire de liquide. Les résultats obtenus sont ensuite confirmés par des simulations numériques 3-D, plus précises. Un modèle hybride combinant les simulations numériques pour les canaux distributeur et collecteur et le modèle analytique pour les microcanaux parallèles est également développé. Il permet d’augmenter la finesse du maillage dans les zones sensibles de l’écoulement, sans nécessité d’accroître les ressources informatiques (mémoire et temps de simulation). Les résultats obtenus montrent un très bon accord entre les simulations numériques 3-D, le modèle hybride et le modèle analytique. Sur un exemple de 10 microcanaux parallèles, il est montré que dans le cas de la géométrie initiale, pour laquelle les canaux collecteur et distributeur sont de section constante, des écarts de l’ordre de 50 % existent entre les débits traversant les microcanaux latéraux et centraux. Après optimisation, cet écart est réduit à moins de 0,1 %. Le modèle analytique est ensuite étendu au cas d’écoulements gazeux en prenant en compte les effets non linéaires et antagonistes de la raréfaction et de la compressibilité de l’écoulement. La raréfaction est ici caractérisée par un nombre de Knudsen compris entre 0 et 0,1 et se traduit pas des sauts de vitesse à la paroi ; les écoulements dans ce régime modérément raréfié sont alors correctement modélisés par les équations compressibles de Navier Stokes associées à des conditions de glissement du second ordre en Knudsen, en prenant en compte la géométrie tridimensionnelle des microcanaux de réaction et des canaux collecteur et distributeur. Dans le cas de la géométrie initiale, les écarts entre les débits massiques des canaux latéraux et centraux atteint 48 % ; après optimisation, il n’est pas possible d’aboutir à une distribution des temps de séjour parfaitement uniforme, mais cet écart est considérablement réduit et devient inférieur à 2 %. A l’aide du modèle analytique précédant, deux types d’électrodes sont conçues : l’une est composée de 150 microcanaux de section rectangulaire (gravés par DRIE sur support silicium) et l’autre de 152 microcanaux de section semi-elliptique (réalisés par gravure mécanique). Un bilan thermique du système conduit à la conception d’un échangeur de chaleur intégré aux électrodes, permettant une régulation fine de la température du mélange réactionnel. Dans le but de réaliser la réaction de fluoration électrochimique du 2-Deoxy-D-Glucose (DG) en 2- Fluoro-2-Deoxy-D-Glucose (18FDG), l’optimisation des conditions opératoires est réalisée en microréacteur ; le comportement de différents solvants (CH3CN, DMF, DME, CH3OH) et différents agents de fluoration (Et3N- 3HF, CsF) est mis en évidence et le choix se porte principalement sur l’utilisation du solvant binaire acétonitrile / dimétoxyéthane (CH3CN / DME) et de la triéthyalmine (Et3N-3HF) en tant qu’agent de fluoration. Des résultats encourageants sont mis en évidence par analyse en RMN du fluor des produits de la réaction. Par ailleurs, il est montré que le solvant DME ((CH3OCH2)2) est fluoré ; en effet, quatre produits de réaction sont mis en évidence (2 produits monofluorés et 2 produits difluorés) avec des conversions atteignant 27 % pour l’un des produits monofluorés.

Item Type:PhD Thesis
Uncontrolled Keywords:
Institution: Université de Toulouse > Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT
Laboratory name:
Research Director:
Colin, Stéphane and Cognet, Patrick
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