Formation de panaches bactériens lors de la filtration à travers des microsystèmes

Le fonctionnement de procédés de filtration utilisés lors de la production d'eau potable, peut être altéré par une présence non contrôlée de bactéries. L'adhésion bactérienne et la formation de biofilm sont des phénomènes complexes qui sont influencés par des paramètres hydrodynamiques, physicochimiques ou microbiologiques. L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension du transfert bactérien lors de l'écoulement dans un milieu poreux. Des microsystèmes en PolyDiMethylSiloxane à géométries contrôlées mimant des systèmes de filtration ont été développés pour suivre par microscopie optique la dynamique d'adhésion bactérienne. Les résultats expérimentaux, en conditions non nutritives, montrent qu'Escherichia coli ainsi que d'autres bactéries de type Gram -ou de type Gram +, forment des panaches en aval des microcanaux ; ce phénomène est exacerbé par la tortuosité du milieu poreux. En parallèle, une étude numérique des écoulements a mis en évidence un lien entre la présence d'écoulements secondaires perpendiculaires à l'entrée et à la sortie des microcanaux et la formation de panaches. A partir des résultats numériques et expérimentaux, un scénario pour la formation de panaches a été élaboré : i) Transport des bactéries vers les parois facilité par les écoulements secondaires ; ii) Formation de filaments entraînés vers le centre de l'écoulement par les écoulements secondaires en sortie de canal ; iii) Capture des bactéries par les filaments (effet filet de pêche) et formation de panaches. La connaissance de ces phénomènes pourra permettre de mieux contrôler le risque de développement bactérien dans les procédés de filtration ou dans des réseaux d'eaux.The operation of filtration units, such as those used in the production of drinking water, can be altered by the uncontrolled presence of bacteria. Bacterial adhesion and biofilm formation are complex processes influenced by factors (hydrodynamic, physico-chemical, microbiological, etc.). The aim of this thesis was to make progress in the understanding of bacterial transfer during flow through a porous medium. Microfluidic devices made of polydimethylsiloxane with controlled geometries mimicking filtration systems were developed to follow, by optical microscopy, the adhesion dynamics. Experimental results, in non-nutritive conditions, show that Escherichia coli and other Gram- bacteria (Pseudomonas aeruginosa) or Gram+ bacteria (Enterococcus hirae, Staphylococcus aureus), accumulate as streamers in the downstream a zone of the microchannels and that streamers are promoted by medium's porous tortuosity. In parallel, a numerical flow study highlighted a link between streamer formation and the presence of secondary flow at the inlet and the outlet of the microchannels. From the numerical flow simulations and experimental results, a scenario for streamer formation is proposed: i) bacterial transport toward the wall, enhanced by the secondary flow at the microchannel entrance; ii) formation of filaments, driven towards the bulk by secondary flow at the microchannel outlet; iii) capture of bacteria by the filaments ("fishing net" effect) and streamers formation. A fuller understanding of these phenomena should allow better control of bacterial development in filtration processes (e.g. sand filtration or membrane filtration) or other systems such as water distribution networks