Captation du CO2 par une mousse de sang

Plusieurs facteurs contribuent à cette efficacité : chez les mammifères, l’énorme surface spécifique des alvéoles pulmonaires permet de développer une surface d’échange importante entre le liquide et le sang. Ensuite, l’alternance des cycles d’inspiration et d’expiration permet un brassage du gaz de l’atmosphère permettant de limiter les polarisations de concentration et enfin la sélectivité des globules rouges pour l’oxygène permet de déplacer l’équilibre de solubilité de ce gaz dans le plasma afin de le concentrer en phase liquide. Enfin, la souplesse hydrodynamique du système artériel permet de convoyer ces globules rouges chargés en oxygène vers les muscles où ce dernier sera consommé.
L’objectif de ce stage est de réaliser un prototype de capteur-concentrateur de CO2, en s’inspirant de celui réalisé par le système respiratoire des êtres vivants pour l’oxygène. Pour cela, nous proposons d’utiliser des mousses aqueuses. Comme pour les systèmes de respiration, elles présentent une très grande surface d’échange liquide/gaz et peuvent être sollicités dynamiquement pour brasser le gaz. Par ailleurs, si elles sont chargées en globules rouges, les équilibres de solubilité peuvent être déplacés et les globules rouges transportés par le réseau des microcanaux de la mousse pour être concentrés.
 

Figure 1 : à gauche, une cellule élémentaire de mousse alimentée par du liquide moussant chargé en globules rouges au débit Qi sera insérée dans une enceinte hermétique en noir. La teneur en CO2 dans l’enceinte ainsi que celle dans le liquide sortant seront mesurées. A droite, un débit de gaz Qg bullera dans du sang et formera une colonne de mousse de hauteur stationnaire. Cette colonne sera alimentée par un débit Qi de solution moussante chargée en globules rouges. La teneur en CO2 dans l’enceinte sera également mesurée.
Pour tester cette idée, nous proposons de réaliser des géométries élémentaires de mousse constituées d’un assemblage de films reliés par des microcanaux liquides (cf. Fig). Dans un premier temps, nous proposons d’étudier expérimentalement comment le liquide se distribue entre les films et les microcanaux. L’épaisseur des films sera mesurée par spectroscopie UV-Vis et la vitesse d’écoulement des globules rouges par suivi dynamique des globules rouges dans les films. Ensuite, nous étudierons le transfert de gaz entre ces structures et l’atmosphère. Pour cela, les géométries seront insérées dans une enceinte hermétique dont l’évolution de la teneur en CO2 pourra être mesurée. Nous nous attacherons notamment à corréler la quantité de CO2 absorbée avec la surface d’échange du système, la concentration en globules rouges et le débit d’alimentation. Enfin, une étude à l’échelle de la mousse sera également proposée en faisant buller un mélange air/CO2 de concentration donnée à un débit de gaz Qg dans une solution moussante de sang (cf Fig. 1 droite). Tous les résultats seront rationalisés via des modèles d’advection – diffusion dans les microcanaux et les films de la mousse.
Ce stage pourra déboucher sur une thèse financée par la région AURA.