Development and analysis of methods for quantifying nucleation kinetics in agitated crystallizers and microfluidic systems

La nucléation est une étape essentielle dans les processus de cristallisation utilisés en industrie (pharmaceutique, cosmétique, chimie fine…). Cependant, des questions fondamentales restent sur la cinétique de nucléation, que cette thèse cherche à quantifier par des méthodes innovantes : dans des cristallisoirs agités à grande échelle industriellement pertinents, et dans des gouttes en systèmes microfluidiques (nL, pL), avec un intérêt fondamental. A l'échelle du L, nous suivons l'évolution du nombre de particules et de la concentration de la solution en utilisant la réflectance optique couplée à la spectroscopie Raman in situ. En extrapolant le nombre de particules jusqu'à une vitesse d'agitation nulle, nous obtenons la cinétique de nucléation primaire. A l’échelle du mL et du µL, l'approche de distribution du temps d'induction donne des paramètres de cinétique de nucléation qui s’écartent de sept ordres de grandeurs par rapport au L, les rendant inexploitables en industrie. Toutefois, les valeurs d'énergie interfaciale effective γeff sont cohérentes à toutes ces échelles en milieu agité. Tandis qu’au nL, en microfluidique à base de gouttes dans des capillaires, γeff est élevée due à la barrière thermodynamique. Au pL, en microfluidique à base de gouttes sessiles sur une surface, nous détectons le temps d’induction via des cycles de déliquescence-efflorescence. Un modèle d'évaporation nous donne la sursaturation au moment de la nucléation et une distribution de Poisson modifiée, la stochasticité de la nucléation. Grâce à ces trois développements, nous quantifions les paramètres de la cinétique de nucléation, avec une cohérence entre théorie et expériences.Nucleation is a key step in crystallization processes which are widely used in almost all sorts of industries (pharmaceuticals, cosmetics, fine chemicals, etc.). Thus, fundamental understanding of its nucleation kinetics is of immense importance yet it remains poorly understood from both experimental and theoretical perspective. With these motivations, this thesis seeks to develop innovative methods in quantifying nucleation kinetics both in industrially-relevant agitated crystallizers and in fundamentally-oriented microfluidic systems. Starting with agitated crystallizers, a protocol for estimating primary nucleation was developed based on laser backscattering which involves extrapolating the nucleation rates to zero agitation. To validate the approach, a multiscale investigation of nucleation kinetic parameters was performed using various techniques in L, mL, and µL scales. This sheds light into the transferability of kinetic data for engineering purposes. To focus on the fundamental aspects of nucleation, an approach to extract nucleation kinetic parameters from evaporative microcrystallizers was developed, using microdroplets at pL scale. This involves the measurement of induction time via deliquescence-efflorescence cycle, the derivation of evaporation model to accurately determine the supersaturation at nucleation, and the use of a modified Poisson distribution to model the stochastic nature of nucleation and extract nucleation kinetic parameters. The combination of these three developments have led to a successful quantification of nucleation kinetic parameters in evaporating microdroplets, demonstrating a remarkable agreement between theory and experiment