La cigarette électronique – Bonne ou mauvaise ? A la recherche d’arguments avec la débitmétrie massique

La Prof. Aufderheide travaille dans le domaine des méthodes alternatives à base de cellules biologiques et ses recherches se concentrent sur la toxicologie par inhalation, c'est-à-dire, l'effet des substances actives de l’atmosphère sous forme d’aérosols sur les cellules épithéliales des voies respiratoires.

Prof. Michaela AUFDERHEIDE
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La Prof. Aufderheide travaille depuis plus de 30 ans dans le domaine des méthodes alternatives à base de cellules biologiques et ses recherches se concentrent sur la toxicologie par inhalation, c'est-à-dire, l'effet des substances actives de l’atmosphère sous forme d’aérosols sur les cellules épithéliales des voies respiratoires. Avec ses collaborateurs, elle a développé pour cela des appareils spéciaux, les modules CULTEX RFS brevetés, qui permettent de traiter les cellules cultivées directement avec ces substances actives. La pollution croissante de l'air ambiant extérieur et du lieu de travail rend nécessaire ce type de méthodes d'essai nouvelles afin de pouvoir prédire le risque de mise en danger avec de telles substances. La haute sensibilité des systèmes d'essais biologiques nécessite un montage technique stable et précis pour tester l’air ambiant en question, sachant qu'outre la technologie CULTEX, les régulateurs de débit massique sont essentiels pour ajuster et contrôler les débits d'aérosols sur les cellules.

La cigarette électronique

L'histoire de l'être humain est marquée par la sensibilité aux excitants. Depuis des temps immémoriaux, les substances toxiques comme l'alcool et le tabac en font partie. Bien que les risques pour la santé soient connus de nous tous, "la plupart des gens n'abandonnent leurs vices que lorsque ceux-ci leur causent des soucis" (William Sommerset Maugham).

Le tabagisme colle particulièrement à cette devise. On sait généralement que le tabagisme excessif augmente le risque de maladies cardio-vasculaires et notamment de cancer des poumons et pourtant nous cédons à la tentation de la "bouffée de fumée bleue". Les études épidémiologiques nous ont montré maintes fois la nocivité de cette dépendance au plaisir mais le renoncement promis à la cigarette échoue bien souvent, en dépit de la certitude que chaque cigarette peut être celle de trop.

L'industrie de la cigarette propage alors la cigarette électronique comme alternative. La combustion du tabac produit des milliers de substances nocives que le fumeur inhale aussi bien évidemment. Avec la cigarette électronique, on inhale un brouillard qui est censé ne contenir aucun produit dangereux pour la santé issu d'une combustion. Cette "vapeur" est produite à partir d'un liquide aromatisé (principaux ingrédients : propylène-glycol, glycérine, éthanol, divers arômes et selon les besoins, nicotine) à l'aide de ce que l'on appelle un atomiseur.

La cigarette électronique est ainsi prisée par l'industrie de la cigarette comme alternative "plus saine" à la cigarette conventionnelle et pour le sevrage du tabac. De grosses sommes d'argent sont investies pour prouver scientifiquement que les produits de la cigarette électronique ne sont pas aussi nocifs que ceux du tabac. Cette déclaration est correcte en principe. Cependant, elle ne répond pas à la question de l'effet de la "vapeur" en soi. Des études épidémiologiques sur la fumée de cigarette par exemple ne sont pas disponibles et par conséquent, personne ne peut exclure qu'une consommation excessive ou à long terme ne puisse mettre notre vie en danger.

Illustration 1 - CULTEX®RFS Compact avec Transwell 6 positions

Cultex RFS

Études in vitro

Comment puis-je maintenant aborder une telle problématique ? Il ne reste qu'à réaliser des études in vitro. Pour cela, nous utilisons la culture de cellules vivantes comme alternative aux essais sur les animaux.

Les substances inhalées rencontrent d'abord l'épithélium qui les tapissent dans les poumons. Celui-ci est constitué d'une multitude de cellules qui, du fait de leurs fonctions spéciales, servent à se défendre contre les substances inhalées ou à les inactiver. On trouve les cellules produisant du mucus qui, avec leur sécrétion, "piègent" de telles substances nocives, mais aussi des cellules porteuses de cils qui peuvent évacuer ce mucus. D'autres cellules servent à désintoxiquer et dans un corps sain, nous disposons de suffisamment de cellules de remplacement qui peuvent remplacer les cellules endommagées ou nécrosées.

Dans le domaine de la recherche basée sur les cellules, nous pouvons disposer de ce genre de populations de cellules humaines pour nos travaux (voir illustration 2). Les cellules sont cultivées sur des membranes microporeuses dans ce que l'on appelle des transwells où elles sont alimentées en nutriments par leur face inférieure par le biais de la membrane, tandis que la partie apicale (extérieure) de la culture peut réagir à l'air environnant.

Coupe transversale de membranes d'insert de culture de cellules avec cellules NHBE (CL-1548) immortalisées colorées à l'HE (hématoxyline et éosine). Après 21 jours de mise en culture à l'interface air-liquide, les cellules ont été soumises de manière répétée (quotidiennement pendant cinq jours et après une phase de récupération de deux jours, de nouveau durant trois jours consécutifs, temps d’exposition maximal : 8 répétitions de l'exposition à la fumée) à de l'air propre (CA), de la fumée de cigarette ordinaire (CS ; 4x K3R4F cigarettes par passage conf. à la norme ISO 3308, University of Kentucky, Lexington, KY, USA) et à de la vapeur de liquide électronique (EC) sans nicotine (Tennessee Cured, Johnsons Creek, Hartland, WI, USA). K3R4F cigarettes ont été fumées par une machine à fumer et comme suit : 24 bouffées avec un volume de 35 mL en 2 s, une durée de soufflage de 7 s et une distance entre les bouffées de 10 s. Le type de cigarette électronique InSmoke Reevo Mini (InSmoke Shop, Suisse) a été traité de manière comparable : 50 bouffées (volume 35 mL, durée de la bouffée 2 secondes, durée de soufflage de 7 secondes) et un intervalle entre les bouffées de 10 s.

Membrane microporeuse culture cellulaire

Les régulateurs de débit massique – les gardiens de l'exposition des cellules

Avec les années, nous avons développé des systèmes d'exposition efficaces pour les cellules, les modules CULTEX®RFS, qui permettent une exposition directe, stable et reproductible de cellules pulmonaires cultivées à l'interface air-liquide (Air-Liquid Interface – ALI) (voir illustration 1). Cette stabilité est notamment le garant de résultats probants et est assurée d'une part par la conception coordonnée physiquement des aérosols des modules CULTEX®RFS mais aussi par l'emploi de régulateurs de débit massique pilotés par ordinateur (séries IQ+FLOW et EL-FLOW Select de la société Bronkhorst) qui, en termes de commande et de conception, sont adaptés aux besoins d'une exposition des cellules. La régulation de débit produit une atmosphère précise et reproductible pour l'exposition des cellules aux gaz d'essai. Seule cette fiabilité dans le montage expérimental nous fournit des résultats qui permettent de tirer des conclusions sur l'effet de chaque atmosphère d'essai. Dans ce cas, la vapeur de cigarette électronique (50 bouffées par traitement) et la fumée de cigarette normale en comparaison (24 bouffées par traitement) a été tirée sans pression sur les cellules différenciées, sachant que les cellules ont été soumises à la dose de traitement respective pendant 8 jours. Des cellules traitées à l'air sain ont été utilisées comme référence du test.

Les résultats sont regroupés sur l'illustration 2 et sont surprenants. La comparaison des préparations histologiques des cellules traitées avec la fumée et la vapeur de cigarettes électroniques avec celles de référence de l'air sain a montré que la fumée de cigarette – comme on s'y attendait - a produit une nette réduction tant dans la production de mucus que dans le nombre et la forme des cils. Cependant, un effet comparable bien que moins marqué a pu être observé également pour le liquide aérosol après cette période de traitement. En comparaison aux cellules traitées à l'air sain, nous avons là un effet significatif qui nous donne à réfléchir dans tous les cas. L'affirmation "la vapeur est moins active que la fumée" ne doit pas être associée à la conclusion que la vapeur n'a aucun effet. Il faudra s'attaquer à cette problématique à l'avenir, afin de pouvoir contrer les dégâts sur le long terme de façon prophylactique.

Apprenez-en plus sur les régulateurs de débit massique thermiques utilisés : séries IQ+ FLOW et EL-FLOW Select

Comment les débitmètres sont-ils utilisés dans le traitement catalytique des composés organiques volatils (COV) ?

Comment les débitmètres sont-ils utilisés dans le traitement catalytique des polluants atmosphériques émis par les sources fixes et mobiles?

Jean-François LAMONIER
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Enseignant-chercheur à l’Université de Lille, Jean-François Lamonier s’intéresse au traitement catalytique des Composés Organiques Volatils (COV). Il est responsable de l’équipe de recherche « Remédiation et Matériaux Catalytiques » (REMCAT) de l’Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS), équipe spécialisée dans la dépollution catalytique de polluants atmosphériques issus de sources fixes (industries) et mobiles (véhicules). Dans cet article de blog, il nous présente ses activités de recherches et nous explique la fonction des instruments de mesure et de régulation de débit dans ses applications.

Les axes de recherches de l’équipe REMCAT

L'Equipe de recherche REMCAT (Remédiation et Matériaux Catalytiques) de l'Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS)

L’équipe REMCAT est composée de 6 enseignant-chercheurs et son activité est focalisée sur le post-traitement catalytique de polluants atmosphériques, principalement les oxydes d’azote (NOx et N2O) et les Composés Organiques Volatils (COV). Notre équipe intègre de nombreux savoir-faire en catalyse hétérogène : de la synthèse des catalyseurs à la caractérisation de nouvelles formulations catalytiques, l’évaluation de leurs performances au travers de tests catalytiques poussés, la caractérisation avancée des catalyseurs par spectroscopie infrarouge operando, la cinétique des réactions et la modélisation des réacteurs.

Traitement efficace de la pollution de l'air par la combinaison du plasma non thermique avec la catalyse

Cet ensemble de compétences en catalyse environnementale nous permet de développer des procédés originaux consistant à coupler différentes technologies pour un traitement de la pollution atmosphérique plus efficace, moins coûteux et plus soucieux de l’environnement. Dans ce cadre nous collaborons avec différents groupes de recherche nationaux et internationaux, et notamment avec le « Research Group Plasma Technology » de l’Université de Gand. Ce groupe de recherche est spécialisé dans le développement de réacteur plasma et nous apportons nos compétences en catalyse hétérogène pour développer ensemble des procédés qui couplent le plasma non thermique avec la catalyse. Ce travail de recherche se réalise au sein d’un Laboratoire Associé International « Plasma-Catalyse » que nous avons récemment créé et le projet Européen INTERREG V « DepollutAir » qui finance actuellement notre recherche.

L'utilisation d'une fonctionnalité d'adsorption dans le procédé de transformation par plasma - Catalyse

Les procédés classiques par plasma-catalyse pour l’élimination des Composés Organiques Volatils (COV), présents dans les effluents gazeux industriels, nécessitent un apport énergétique constant. Notre démarche consiste à intégrer une fonctionnalité d’adsorption préalable du polluant dans le procédé de transformation par plasma-catalyse. Ceci permet un fonctionnement en mode séquentiel du plasma pour l’élimination de Composés Organiques Volatils et la régénération de l’adsorbant et donc une économie d’énergie substantielle. Notre équipe apporte ses compétences dans l’élaboration de nouveaux matériaux adsorbant/catalyseur et dans la caractérisation avancée de ces matériaux.

Les débitmètres et régulateurs de débit dans les applications de traitement catalytique des Composés Organiques Volatils (COV) Dans le cadre de nos recherches, nous devons générer des mélanges de COV pour simuler les effluents gazeux industriels. Comme ces effluents gazeux diffèrent selon le type d’industrie et que nous devons être le plus représentatif possible des réalités industrielles, il faut être en mesure de générer un flux gazeux avec des teneurs en COV très variables et avec des COV de nature très différente tels que le formaldéhyde, le toluène, le chlorobenzène, le trichloroéthylène et le butanol.

Schéma dilution

Système de dilution avec un débitmètre Coriolis

Pour cela, nous utilisons un système de dilution fourni par Bronkhorst qui intègre un débitmètre Coriolis, un régulateur de pression (déverseur) et plusieurs régulateurs de débit massique. Nous avions besoin d’un équipement permettant d’atteindre des faibles concentrations de COV car les normes de plus en plus restrictives conduisent à une diminution de la teneur des COV à l’émission dans l’atmosphère. Il fallait également que le système soit le plus flexible possible pour s’adapter à la fois à la nature des divers liquides injectés dans le système et transformés en gaz et aux teneurs en COV dans l’effluent gazeux pouvant varier de 10 à 1000 ppmv.

Formulations catalytiques

L'humidité relative des effluents gazeux est un paramètre important à prendre en considération pour le développement des formulations catalytiques. En effet la présence de vapeur d’eau peut avoir un effet positif ou négatif sur la performance du procédé catalytique. Par conséquent, le système de génération de gaz devait aussi permettre de générer une humidité relative variable dans le mélange gazeux .

Solution de dilution Bronkhorst

De plus pour proposer une formulation catalytique adaptée à l’industriel, il faut non seulement vérifier que le catalyseur soit bien actif et sélectif (c’est-à-dire que le catalyseur doit donner les produits désirés) mais également qu’il soit stable dans le temps. En effet, il est difficile d’imaginer un catalyseur qui ne fonctionne qu’une seule journée et devoir le remplacer le lendemain. C’est pour cela que nous avons besoin de reproduire un effluent gazeux industriel constant sur plusieurs jours. Lorsqu’un test catalytique est effectué sur une journée, nous pouvons envisager d’utiliser un bulleur. En revanche, quand nous avons besoin de vérifier la stabilité des catalyseurs dans le temps, nous effectuons des tests de longue durée pour voir si le catalyseur est capable de garder son activité sur plusieurs jours. Ce serait plus compliqué de faire des tests dans la durée avec un système classique alors que le système de Bronkhorst permet de générer un flux constant, continu et sans à-coups de COV dans l’air. C’est un plus indéniable pour valider notre process.

Système DilLab

Retrouvez plus d’informations sur les travaux de recherches de Jean-François Lamonier et de l’équipe REMCAT de l’Unité de Catalyse et Chimie du Solide : activités de recherches

Université de Lille

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Apport de CO2 contrôlé pour l’algoculture

Les régulateurs de débit massique sont utilisés par le groupe de recherche Radius dans l'algoculture.

Jornt Spit
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Le blogueur invité cette fois-ci est Jornt Spit, chercheur auprès du groupe de recherche Radius au sein du groupe universitaire belge Thomas More. Il dispose d’une formation en biochimie et biotechnologie. Les chercheurs au sein du groupe Radius travaillent sur une biomasse renouvelable, dans laquelle des algues et insectes sont cultivés pour être ensuite transformés en matières premières précieuses dans le cadre d’une bioéconomie. Dans cette étude, ils utilisent les régulateurs de débit massique de Bronkhorst pour un ajout précis de dioxyde de carbone.

Le CO2 en tant que source alternative précieuse de carbone

Ces dernières années, le dioxyde de carbone (CO2) en tant que source de carbone précieuse attire de plus en plus l’attention. Bien entendu, la concentration croissante de CO2 dans l’atmosphère place le sujet au centre des préoccupations. Dans ce sens, il existe une orientation accrue vers la durabilité dans la société et au sein du groupe Thomas More, nous œuvrons à une économie plus circulaire et plus biosourcée. Autrement dit, une économie dans laquelle les matériaux, les substances chimiques et l’énergie proviennent de sources (d’énergie) renouvelables, et non de combustibles fossiles. La biomasse alternative peut devenir une ressource importante pour cela.

Algoculture Thomas More

Notre groupe de recherche s’occupe de la culture de biomasse renouvelable, entre autres sous la forme d’algues. Nous réalisons ceci dans des conditions contrôlées, dans les grands tubes horizontaux d’un photobioréacteur. Nous avons choisi d’utiliser du CO2 pur en tant que source de carbone, et nous cultivons les algues en vue de différentes applications. Les algues peuvent être utiles par exemple dans le secteur de l’alimentation du bétail (« feed »), dans l’industrie alimentaire (« food »), dans l’industrie de la santé (« neutraceuticals »), ou dans l’industrie cosmétique. En tant que groupe de recherche, nous sommes moins impliqués dans le développement de ces applications ; pour nous, il s’agit plus de l’optimisation de la culture des algues, donc de l’aspect technologique du processus.

Des algues pour une transformation en matières premières précieuses

Les micro-algues forment un groupe très vaste et très divers. Plus de 50 000 sortes différentes d’algues sont décrites, et il en existe vraisemblablement des centaines de milliers au total. Il s’agit d’organismes unicellulaires, mais elles peuvent parfois également former des colonies. Les algues sont des organismes photoautotrophes. Cela signifie qu’elles utilisent le CO2 en tant que source de carbone, et qu’elles le transforment en sucres au moyen de la photosynthèse. Les micro-algues que nous cultivons contiennent un nombre particulièrement élevé de substances intéressantes. À commencer par les grands groupes que sont les protéines, les sucres et les graisses. Les micro-algues produisent ensuite aussi des substances chimiques de haute qualité, comme des pigments et des antioxydants. Ainsi dans le groupe Radius, nous cultivons une algue spéciale qui produit le colorant rouge précieux phycoérythrine. Les algues sont en fait de petites usines qui produisent toutes sortes de substances qui nous intéressent ; pour synthétiser ces substances donc, inutile pour nous de complètement réinventer la roue. Dans les cellules d’algues, tout est développé de manière évolutive pour produire ces substances intéressantes, uniquement sur la base de la lumière du soleil, du CO2 et de quelques nutriments. Il existe par conséquent un énorme potentiel pour l’utilisation de ces substances.

Culture d'algues Thomas More

Une culture d’algues croît en densité par division cellulaire. Lorsque les conditions le permettent, les algues continuent à se diviser jusqu’à ce qu’une culture atteigne sa densité maximale. À ce point, les algues sont récoltées : la biomasse algale constitue donc le produit même. Dans nos photobioréacteurs fermés, nous atteignons une densité de 1 à 2 grammes de matière sèche par litre, et nous pouvons alors extraire celle-ci. Cette biomasse peut être utilisée directement dans l’alimentation du bétail par exemple, mais nous pouvons également transformer la biomasse, la « fractionner », et en tirer les substances intéressantes. Nous réalisons cette dernière opération sous la forme de bio-raffinage ou d’extraction. La totalité du processus de culture, récolte et transformation des algues constitue un véritable défi, dont chaque étape est importante et doit être exécutée le plus efficacement possible pour rendre l’ensemble rentable.

Des régulateurs de débit massique pour un apport précis

Pour l’optimisation de la croissance, il est important de choisir une algue qui pousse dans les conditions dont nous disposons ici. Toutes les algues n’absorbent pas le CO2 avec la même efficacité, et toutes les algues ne poussent pas avec la même rapidité. Nous étudions à quelles températures les différentes sortes d'algues poussent le mieux, ainsi que la quantité de lumière dont elles ont besoin. Ici sur le campus, nous utilisons la lumière naturelle du soleil : les photobioréacteurs se trouvent dans une serre climatisée. Les algues poussent pendant la journée lorsque le soleil brille, et pas la nuit. Dans le cadre du projet interrégional « EnOp », nous posons la question de recherche suivante : si nous ajoutons du CO2 supplémentaire au réacteur, dans quelle mesure les algues pousseront-elles plus rapidement et quelles sortes d’algues absorberont le plus efficacement le CO2 ? Pour y répondre, nous avons besoin de régulateurs de débit massique, car nous voulons savoir exactement combien de CO2 nous avons ajouté.

Le CO2 est mélangé à l’air entrant qui est dirigé vers le réacteur, le CO2 se dissout ensuite dans le milieu de culture, avec à l’intérieur également d’autres substances nutritives. Étant donné que le CO2 (dioxyde de carbone) est un acide faible, l’acidité du milieu augmente de plus en plus (diminution du pH). Ceci a un effet négatif, car la plupart des algues ont une croissance optimale avec un pH compris en gros entre 7 et 8. Cependant, lorsque les algues poussent, elles absorbent le CO2 du milieu de culture, faisant remonter le pH. Le degré d’acidité est essentiel. Si le pH se retrouve en dehors de la plage souhaitée, les algues ont tendance à vouloir floculer. Les régulateurs de débit massique peuvent alors être également utilisés pour doser le CO2 de telle sorte que le pH demeure stable à un niveau optimal pour l’algue. C’est la raison pour laquelle le système de dosage a été couplé au pH, afin d’injecter le CO2 de la manière la plus optimale possible. De cette façon, nous pouvons voir quelle est la vitesse de croissance maximale de l’algue et combien de CO2 doit être ajouté à cet effet.

Description de l’image

Si une quantité excessive de CO2 est ajoutée, le pH du milieu de culture va chuter fortement (augmentation de l’acidité) et donc l’algue ne va plus pousser suffisamment. Si une quantité insuffisante de CO2 est ajoutée, il n’y a pas de problème en soi mais nous allons constater que l’algue pousse plus lentement, car la croissance est limitée par le manque de carbone. Il existe par conséquent une quantité optimale de CO2 à administrer. Et il y a encore autre chose : le CO2 doit avoir le temps de se dissoudre. Si le CO2 ne se dissout pas, il finit par simplement ressortir du réacteur, ce qui signifie qu’on gaspille du CO2. Le fait que le CO2 soit dissout et absorbé de manière efficace est donc également un facteur dont nous devons tenir compte. La conception du réacteur joue un rôle important à ce titre.

La précision joue donc un rôle majeur dans ce processus. Le régulateur de débit massique fait en sorte que nous puissions travailler en permanence de manière stable autour d’un niveau de pH déterminé et que nous sachions exactement combien de CO2 est ajouté.

... et l’avenir ?

Lorsque ce procédé est élargi pour passer à une échelle de production réelle, la logistique détermine en grande partie d’où est tiré le CO2. En principe, il est possible d’utiliser directement les gaz de fumée d’usines ; mais dans ce cas se pose le problème des substances comme l’oxyde de soufre et l’oxyde d’azote qui sont présentes dans ces gaz de fumée et qui, à certaines doses, freinent la croissance des algues. Mais il existe des solutions techniques pour cela. Reste la question : à quelle distance de la source de CO2 l’usine d’algues peut-elle se trouver au maximum ? Si cette distance est trop importante, le CO2 doit être transporté sous une autre forme contrôlée, par exemple sous forme de bicarbonate. En outre, des unités de captation de CO2 dans l’air peuvent être développées, permettant de capturer du CO2 supplémentaire à l’échelle locale. L’université de Twente y travaille par exemple dans le cadre d’un autre projet interrégional— le projet IDEA — sur la croissance des algues en Europe, auquel le groupe Radius Thomas More participe également. Ceci est possible d’un point de vue technologique, mais on en revient toujours à la question du prix de revient d’une telle technologie.

Source : pour cet article de blog, Jornt Spit est interviewé par Eddy Brinkman (Betase / Bronkhorst)

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Régulation des débits de gaz, de vapeur et de la pression pour les essais catalytiques

Régulateurs de débit massique et systèmes de contrôle de la vapeur pour la recherche et les essais catalytiques

Dirk Jan Boudeling

Aujourd’hui, je souhaite partager avec vous une application avec des débitmètres massiques mise en oeuvre par Umicore à Suzhou (Chine). Umicore est l’un des principaux fabricants mondiaux de catalyseurs pour les systèmes des émissions des gaz d'échappement des automobiles. L’entreprise développe et fabrique des catalyseurs de haute performance qui convertissent les polluants en gaz non dangereux pour les moteurs essence et diesel, ce qui permet d'avoir de l’air ambiant plus propre.

Le site de production d’Umicore à Suzhou, Umicore Technical Materials, utilise les régulateurs de débit massique et les systèmes d'évaporation pour la recherche et les essais sur les matériaux pour les catalyseurs automobiles. Les nouveaux matériaux catalytiquement actifs d’Umicore sont constitués d’oxydes et de métaux précieux, comme le platine et le palladium, incorporés dans une structure poreuse qui permet d'avoir une grande surface de contact avec les gaz d’échappement.

Quels sont les matériaux catalytiques testés par Umicore ?

Umicore à Suzhou utilise différents bancs d’essais pour tester la performance (autrement dit : la capacité à réduire la production d’émissions toxiques) des matériaux catalytiques nouvellement développés. « Umicore développe de nouveaux catalyseurs directement avec les équipementiers automobiles de premier rang. Nous testons la performance de nos nouveaux matériaux et de nos nouvelles formes de catalyseurs. » explique M. Yang Jinliang.

Projet Umicore avec débitmètres Bronkhorst

Projet Umicore avec les débitmètres massiques Bronkhorst

Comment sont utilisés les débitmètres massiques et les régulateurs pour les tests et les simulations reproductibles ?

Les débitmètres massiques et les régulateurs Bronkhorst sont utilisés pour créer un mélange de plusieurs gaz dans des proportions précises afin de simuler les gaz d’échappement d’un moteur dans des situations différentes. « Pour vraiment comparer la performance des produits nouvellement développés, nous devons nous assurer que les conditions opérationnelles de nos tests sont identiques. » M. Yang explique que cela nécessite l’utilisation de régulateurs de débit massique de précision pour créer de façon reproductible les mélanges qui simulent les gaz d’échappement.

« Nous avons besoin d’un équipement de contrôle du débit fiable et qui assure une excellente reproductibilité pendant nos simulations. C’est pourquoi Umicor a développé l’équipement pour ses tests en collaboration avec les spécialistes de la débitmétrie gaz de Bronkhorst. » Umicore effectue différentes simulations. « Nous réalisons de façon artificielle les gaz d’échappement des moteurs pour des cycles de vie variés et dans différentes conditions de fonctionnement. Par exemple, les gaz d’échappement de la voiture sont différents selon que le moteur soit encore froid ou fonctionne à un régime élevé. »

Banc d’essai pour simuler le vieillissement

Un banc d’essai spécial de Umicore simule le vieillissement des matériaux catalytiques. Cela se fait en augmentant la température ambiante du catalyseur jusqu’à 800° Celsius pendant un essai qui dure de 2 à 24 heures tout en ajoutant les gaz d’échappement artificiel. « Les instruments Bronkhorst montrent ici une très grande stabilité dans des conditions d’essai difficiles », indique M. Yang.

Banc d'essais simulation du vieillissement

Banc d'essais pour la simulation du vieillissement des catalyseurs

Recette pour la simulation des gaz d’échappement

Pour simuler le gaz d’échappement de moteur, Umicore mélange plusieurs gaz. En général, les réactions suivantes ont lieu dans le convertisseur catalytique :

  1. Réduction des oxydes d’azote en azote et en oxygène : 2NOx → xO2 + N2
  2. Oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone : 2CO + O2 → 2CO2
  3. Oxydation des hydrocarbures imbrûlés (HC) en dioxyde de carbone et en eau : CxH2x+2 + [(3x+1)/2]O2 → xCO2 + (x+1)H2O.

Des régulateurs de débit massique numériques EL-FLOW Select sont utilisés pour mélanger ces gaz. Afin de maintenir ce mélange de gaz à la même pression, un appareil Régulateur de pression EL-PRESS est utilisé pour la contrôler en même temps que le débit.

Les gaz d’échappement des moteurs contiennent également de la vapeur d'eau. C’est pourquoi le Système de mélange et d’évaporation régulé (CEM) de Bronkhorst est utilisé. Les régulateurs de débit massique numériques, le régulateur de pression et le CEM sont tous connectés à un ordinateur sur lequel un logiciel permet de piloter et faire l'acquisition de mesure des appareils.

Le banc d’essai de simulation du vieillissement de Umicore utilise les régulateurs de débit massique de Bronkhorst. Les régulateurs EL-FLOW Select de Bronkhorst ont leurs composants électroniques déportés pour résister à une température des gaz qui atteint 110° Celsius et continuer à réguler les gaz avec une très grande précision et une excellente reproductibilité.

M. Yang Jinliang d'Umicore

M. Yang Jinliang (devant l’équipement d’essai de simulation du vieillissement des catalyseurs Umicore

Quelle opinion avez-vous du support pour les produits Bronkhorst en Chine ?

À propos du support et du service Bronkhorst en Chine, M. Yang répond de façon très enthousiaste : « Tous les experts Bronkhorst en Chine sont très professionnels et répondent rapidement. C’était particulièrement vrai durant la phase de démarrage de notre projet quand nous avions besoin de plus de soutien, et mes contacts nous aidaient avec constance. Le système fonctionne sans problèmes, mais il est rassurant de savoir que Bronkhorst a l’une des agences de service à Shanghai au cas où nous aurions besoin d’étalonnage ou de maintenance. »

Logo support international Bronkhorst

  • Découvrez une autre application dans ce marché : Simulation des gaz d’échappement pour tester les sondes lambda.

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Le filtre pour les débitmètres massiques : l’accessoire souvent mis de côté

Un accessoire pour les débitmètres massique que l'on néglige souvent est le filtre. Pourtant il peut protéger contre une multitude de problèmes.

James Walton
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L’un de mes dictons préférés est « à trop vouloir économiser, on finit par acheter deux fois ». Ce constat n’a jamais été aussi évident qu’avec l’achat d’un nouveau débitmètre ou la recherche de moyens de protéger un débitmètre existant, le cas échéant. Un débitmètre peut en effet être accompagné de différents types d’accessoires. Pour les débitmètres et les régulateurs de débit massiques, l’accessoire de choix est souvent un câble de communication : l’élément indispensable qui permet de communiquer avec un instrument et de recevoir / d’avoir accès aux informations que l’instrument dispose. Le filtre est, quant à lui, l’accessoire qui tend à être négligé alors qu’il peut s’avérer essentiel aux performances sur le long terme et au coût d’exploitation d’un instrument, surtout dans le domaine des applications industrielles. Dans cet article de blog, j’aimerais partager avec vous mes idées sur les filtres et, notamment, ceux pour les débitmètres pour gaz.

Pourquoi utiliser des filtres avec vos débitmètres massiques ?

Le filtre peut protéger un nouveau débitmètre d’une multitude de problèmes :

  • Les impuretés venant de conduites de gaz contaminées
  • Les particules présentes dans les gaz industriels
  • Les petites quantités d’huile présente dans les compresseurs

Les filtres sont particulièrement utiles dans les applications où vous avez affaire à des gaz « chargés », des gaz qui contiennent des particules, dans un environnement industriel ou dans le cadre d’applications de recherche, par exemple. On pourrait penser que l’on travaille avec des gaz propres dans les applications de recherche, mais ils peuvent contenir de fines particules. Et non seulement les particules des gaz peuvent être un problème, mais l’impureté qui s’accumule dans les conduites en est un autre.

Avec un filtre, vous pouvez purifier le gaz avant qu’il n’entre dans le débitmètre et vous assurer ainsi de sa propreté à l’entrée de l’instrument. De cette façon, vous évitez toute contamination et les coûts qui en découleraient inévitablement. Et par « coûts évitables », j’entends bien évidemment les coûts dus aux temps d’arrêt et d’entretien, d’étalonnage et de travail consacré au retrait de l’instrument endommagé et à sa réinstallation.

Compte tenu de sa construction, un régulateur de débit ou un débitmètre massique thermique pour gaz est plus ou moins sensible à la contamination. Les débitmètres thermiques pour gaz fonctionnent selon deux types de principes :

  • Le principe du by-pass
  • Le principe de l’anémométrie à température constante (CTA)

Débitmètres massiques thermiques pour gaz – Le principe du by-pass

Les débitmètres qui font appel au principe du by-pass sont plus sensibles aux contaminations. Dans ces instruments, seule une partie du gaz passe par le capteur (monté en dérivation) et le reste s’écoule dans l’élément à flux laminaire. Ce répartiteur de débit contient des petits disques avec des canaux de circulation de haute précision. On imagine aisément que ces canaux risquent d’être obstrués par la contamination.

Plus d’informations sur le principe du by-pass

Principe de mesure avec by-pass

Débitmètre massique thermique pour gaz – Le principe de CTA Autre que le principe du by-pass, les instruments peuvent également fonctionner sur le principe de l’anémométrie à température constante (CTA), un principe en ligne. Ce principe ne présente aucune dérivation, mais un canal de circulation « en ligne droite ». Cette construction est moins sensible à l'humidité et à la pollution.

Plus d’informations sur le principe de « CTA »

Principe de mesure CTA

Pollution des débitmètres massiques

Pour optimiser la durée moyenne de bon fonctionnement (MTBF), il est important de s’assurer que le gaz qui pénètre dans l'instrument soit sec et propre, en particulier en cas d’utilisation d’un appareil doté d’un capteur monté en dérivation. En fonction du gaz, vous pouvez sélectionner différents types de filtres.

Nos régulateurs et débitmètres massiques sont conçus pour les faibles débits et sont par conséquent dotés de pièces délicates et finement usinées. Ces pièces sont nécessaires pour permettre de quantifier le débit du gaz avec un niveau satisfaisant de précision et de répétabilité.

Si vous considérez les dommages potentiellement causés par différentes sources de pollution et la nature délicate du fonctionnement interne d’un régulateur de débit massique, la décision la plus simple semble bien d’inclure un filtre à votre prochain achat d'un régulateur de débit massique.

Filtres pour les régulateurs de débit et les débitmètres pour gaz

Les filtres que nous proposons pour les régulateurs et les débitmètres pour gaz sont placés en ligne avec l’instrument (ce sont nos modèles de filtre en ligne). Ces filtres sont faciles à utiliser, il vous suffit de les visser sur l’entrée de l'appareil pour garantir une arrivée de gaz propre. Ils contiennent une cartouche en métal 316 L adaptée aux opérations de filtration et qui peut être nettoyée avec un solvant approprié ou remplacée lorsqu’elle est trop sale.

Ensemble de filtres pour débitmètres

Si le gaz contient beaucoup de particules, nous vous conseillons d’utiliser un pré-filtre. La cartouche de ce pré-filtre présentant une porosité supérieure, son usage est recommandé pour éliminer la plupart des particules lourdes avant qu’elles n’atteignent le filtre principal et pour réduire les opérations d’entretien / de nettoyage excessives et les pertes de pression dues à la contamination.

Découvrez nos modèles de filtre sur notre site web et sélectionnez votre filtre !

Nous avons déjà évoqué dans l’un de nos articles l’importance des filtres lors de l’installation d’un débitmètre massique.

« Vérifiez la propreté de la canalisation du système (avant d'installer l'instrument). Pour une propreté absolue, installez toujours des filtres pour assurer un débit de gaz exempt d'humidité et d'huile. Il est recommandé d’installer un filtre en ligne en amont du régulateur ou du débitmètre massique et, si un refoulement peut survenir, il est également conseillé d'installer un filtre ou un clapet antiretour en aval ».

Retrouvez d’autres conseils préalables à l'installation dans cet articles de blog : Débitmètre massique - Les 10 meilleurs conseils d'installation

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Utilisation de débitmètres massiques dans l'industrie automobile

Les débitmètres et régulateurs de débit de Bronkhorst sont utilisés dans l'industrie automobile. Dans cet article de blog, nous évoquons différentes applications.

Marlies SLUTTER
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L'industrie automobile est le plus grand secteur industriel du monde. Quelques données en bref :

  • Près de 99 millions de véhicules automobiles sont produits chaque année (source : Association des constructeurs européens d'automobiles).
  • Les plus grands pays producteurs automobiles au monde sont la Chine, le Japon, l'Allemagne, l'Inde et la Corée du Sud (2017).
  • Il existe de grands écarts en termes de distance annuelle moyenne parcourue en voiture dans chaque pays. Aux États-Unis, ce chiffre tourne autour des 21.500 km/an. En Europe, la moyenne s'élève à 12.000 km/an (source : Odyssee).
  • Une voiture est composée, en moyenne, de 30.000 éléments (source : Netstar).

Nombreuses sont les personnes qui se rendent à leur travail et en vacances en voiture. J'en fais d'ailleurs partie. J'utilise ma voiture tous les jours, mais, en conduisant jusque Ruurlo, je ne m'étais jamais rendu compte que les débitmètres que nous développons avaient servi à la fabrication de ma voiture. Le saviez-vous ? Après cette prise de conscience, j'ai découvert que nos débitmètres jouaient un rôle dans un grand nombre d'applications de l'industrie automobile ; certes, probablement pas dans les 30.000 composants d'une voiture, mais certainement dans plusieurs d'entre eux. J'ai donc sélectionné trois applications intéressantes des débitmètres dans l'industrie automobile.

1. Dosage précis de l'agent de démoulage

Dans son département automobile, une grande entreprise fabrique de la « peau » qui recouvre le tableau de bord afin de lui donner un « aspect cuir ». Cette peau est produite par la pulvérisation de polyuréthane liquide coloré dans un moule en nickel. Afin de faciliter le démoulage de cette peau sans l'abîmer, un agent de démoulage externe doit être appliqué à la surface du moule avant de pulvériser le polyuréthane. Bronkhorst a été chargé de fournir un régulateur de débit massique qui permette de doser cet agent de démoulage.

Tableau de bord

2. Test des sièges de soupapes

Les fabricants de soupapes vérifient tous les sièges de soupapes métal-métal par le biais de méthodes de dégradation de pression. Étant donné que la nouvelle génération de moteurs de véhicules subit des pressions supérieures, les fabricants ont besoin de nouvelles méthodes pour en tester l'étanchéité et répondre aux besoins des clients. Bronkhorst a récemment participé, avec les fabricants de vannes et de machines de tests des sièges de soupapes, à la mise en œuvre réussie de mesures de fuite bas débit comme méthode alternative pour de meilleures performances.

Siège de soupape

3. Simulation de gaz d'échappement pour tester la sonde lambda

Toute voiture moderne équipée d'un moteur à combustion dispose d'un système d'auto-contrôle qui optimise les performances du moteur. Une sonde lambda, un capteur situé dans le pot d'échappement de la voiture, mesure la teneur en oxygène des gaz d'échappement. Ce taux d'oxygène, appelé « valeur lambda », est une mesure qui permet de connaître l'efficacité du processus de combustion d'un moteur automobile. Le département de recherche d'un constructeur automobile doit tester les performances de ces sondes lambda sur la base de différentes compositions de gaz d'échappement. À cet effet, il a construit une conduite d'échappement artificielle dans laquelle il n'utilise pas de gaz réels d'échappement, mais un mélange synthétique à base de gaz purs, qui reconstitue la composition des gaz d'échappement d'une voiture. C'est dans ce cadre qu'il a été demandé à Bronkhorst de fournir des régulateurs de débit massique montés sur un mélangeur de gaz de précision.

Pot d'échappement

Énergies renouvelables dans l'industrie automobile

Outre ces applications destinées aux constructeurs automobiles (ou aux fournisseurs de l'industrie automobile), les instruments de Bronkhorst sont également utilisés par des universités qui participent à des concours ou mènent des recherches en matière de combustibles renouvelables pour l'industrie automobile. Green Team Twente, par exemple, tente de fabriquer la voiture à hydrogène la plus efficace possible. Consultez cet article de blog pour en savoir plus sur leurs recherches.

Voiture de course

Par ailleurs, Solar Team Twente participe au World Solar Challenge, qui a lieu tous les deux ans. Les équipes participantes ont pour défi de concevoir une voiture fonctionnant uniquement à l'énergie solaire, qui soit capable de rouler 3.000 kilomètres du nord au sud de l'Australie en six jours maximum. Bronkhorst soutient cette équipe. Découvrez-en davantage dans notre article d'actualité.

Une troisième source d'énergie renouvelable qui fait l'objet de recherches est l'acide formique (hydrozine). Dans son article de blog, Lotte Pleging, membre de Team FAST, explique pourquoi son équipe pense que l'acide formique (HCOOH) peut représenter une alternative durable aux combustibles fossiles, et présente le rôle joué par les débitmètres massiques thermiques Bronkhorst dans ce procédé. Apprenez-en plus en lisant son article.

Article Team-fast

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