Emulsions de Pickering élaborées en continu par des mélangeurs statiques : étude du lien entre les paramètres de procédé et l'adsorption des particules aux interfaces.

Offre de thèse

Date limite de candidature

30-05-2025

Date de début de contrat

01-10-2025

Directeur de thèse

SADTLER Véronique

Encadrement

Directrice de thèse : Véronique Sadtler, LRGP - Professeure Université de Lorraine - veronique.sadtler@univ-lorraine.fr Co-directeur de thèse : Thibault Roques-Carmes - LRGP, Professeur Université de Lorraine - thibault.roques-carmes@univ-lorraine.fr

Type de contrat

Concours pour un contrat doctoral

Candidater à cette offre

école doctorale

SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE

équipe

Axe 5 - GENIE DES PRODUITS

contexte

Dans le cadre de l'évolution des produits pour répondre aux défis de la transition écologique, les industries de spécialités doivent reformuler leurs produits en substituant les matières premières pétrosourcées par des ingrédients biosourcées. De plus, les procédés de fabrication nécessitent d'être optimisés ou modifiés, afin de les rendre beaucoup moins énergivores. Les émulsions sont une des mises en forme majeures des produits formulés. Leur fabrication et leur stabilisation nécessitent des émulsifiants s'adsorbant rapidement aux interfaces liquide-liquide, et l'utilisation de procédés efficients pour disperser des phases non miscibles et former des gouttelettes. Leur reformulation implique la substitution des émulsifiants classiquement utilisés par des biomolécules et conduit, entre autres, à l'utilisation de nano et microparticules, à base de bioressources renouvelables (cellulose, chitosan, etc) ou minérales abondantes (silice, phosphate de calcium, …). Ces particules, au-delà de leur origine naturelle et leur caractère biocompatible et biodégradable, présentent de fortes propriétés d'adsorption aux interfaces et permettent d'élaborer des émulsions dites de Pickering, dont une des propriétés remarquables est la stabilité dans le temps, en limitant le phénomène de coalescence. Le nombre de publications sur cette catégorie d'émulsions a considérablement augmentées au cours de ces dernières années montrant en particulier l'efficacité de différents types de bioparticules utilisées, en lien avec l'application (alimentaire, cosmétique, etc) [1]. Ce sont donc essentiellement des recherches en formulation et stabilité d'émulsions qui sont menées. Par contre, les aspects procédés sont peu traités, et ils le sont dans la quasi-totalité des cas sur des procédés batch, en jouant sur le type d'agitateur (rotor stator, homogénéisation haute présentation) et leur paramètres contrôlables (vitesse d'agitation, nombre de passages, etc). Les procédés en continu ne sont quasiment pas décrits (à notre connaissance) [2, 3]. Ce travail de thèse s'intéresse donc à étudier le passage en continu de l'émulsification dans le cas particulier des émulsions de Pickering,

spécialité

Génie des Procédés, des Produits et des Molécules

laboratoire

LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés

Mots clés

Emulsions de Pickering, Melangeurs statiques, Emulsification, Particules , Physicochimie des interfaces, Procédé en continu

Détail de l'offre

Ce projet de thèse s'inscrit dans le contexte de la transition écologique, nécessitant la reformulation des produits industriels en substituant les matières pétrosourcées par des ingrédients biosourcés. Les émulsions, largement utilisées dans les produits formulés, requièrent des émulsifiants efficaces et des procédés optimisés. Les émulsions de Pickering, stabilisées par des particules naturelles (cellulose, chitosan, silice…), offrent une alternative prometteuse grâce à leur stabilité accrue. Cependant, la recherche s'est principalement concentrée sur la formulation et la stabilité de ces émulsions, tandis que les aspects procédés restent peu explorés, notamment en continu.
Les études existantes traitent essentiellement des procédés batch, utilisant différents types d'agitateurs et leurs paramètres de contrôle. Les procédés en continu sont peu documentés, hormis quelques recherches en microfluidique et une étude sur les mélangeurs statiques. Cette absence peut s'expliquer par le fait que ces recherches sont majoritairement menées par des laboratoires focalisés sur la valorisation des bioressources et les applications spécifiques des émulsions. Une contrainte majeure à l'industrialisation en continu réside dans la cinétique d'adsorption plus lente des particules aux interfaces, comparée aux émulsifiants moléculaires, ce qui nécessite des temps d'émulsification plus longs ou une dispersion plus énergétique.
Le LRGP (UMR 7274) possède une expertise reconnue en formulation et procédés d'émulsification, y compris dans l'utilisation d'émulsifiants naturels. Cette thèse vise à étudier la production d'émulsions de Pickering huile-dans-eau en mélangeurs statiques, qui permettent un mélange continu avec un temps de séjour réduit. Différents types de particules biosourcées seront sélectionnés et étudiés à différentes échelles : microscopique et mésoscopique (interactions interfaciales, élasticité de surface) ainsi que macroscopique (efficacité émulsifiante et stabilité). L'objectif est d'explorer les liens entre la chimie des particules, leur comportement aux interfaces et les propriétés des émulsions obtenues en continu. Des plans d'expériences seront utilisés pour optimiser les conditions expérimentales et comprendre les mécanismes d'adsorption des particules dans ces mélangeurs. En complément, des simulations numériques (CFD) pourront être développées pour affiner l'analyse des résultats expérimentaux.

Keywords

Pickering emulsions, static mixers, emulsification, particles, interfacial physicochemistry, continuous processes

Subject details

This PhD project is part of the ecological transition effort, requiring the reformulation of industrial products by replacing petroleum-based materials with bio-based ingredients. Emulsions, widely used in formulated products, require efficient emulsifiers and optimized processes. Pickering emulsions, stabilized by natural particles (cellulose, chitosan, silica, etc.), offer a promising alternative due to their enhanced stability. However, research has primarily focused on formulation and stability, while process aspects, particularly continuous processing, remain underexplored. Existing studies mainly address batch processes, using different types of agitators and their controllable parameters. Continuous processes are rarely documented, except for some research in microfluidics and one study on static mixers. This gap may be due to the fact that these studies are mostly conducted by laboratories focused on bioresource valorization and specific emulsion applications. A major constraint to industrial-scale continuous processing is the slower adsorption kinetics of particles at interfaces compared to molecular emulsifiers, requiring longer emulsification times or higher-energy dispersion. The LRGP (UMR 7274) has recognized expertise in emulsion formulation and emulsification processes, including the use of natural emulsifiers. This PhD project aims to investigate the production of oil-in-water Pickering emulsions using static mixers, which enable continuous mixing with reduced residence time. Various types of bio-based particles will be selected and studied at different scales: microscopic and mesoscopic (interfacial interactions, surface elasticity), as well as macroscopic (emulsification efficiency and stability). The goal is to explore the relationships between particle chemistry, interfacial behavior, and the properties of emulsions produced in continuous processes. Experimental design methods will be employed to optimize conditions and understand particle adsorption mechanisms in these mixers. Additionally, computational fluid dynamics (CFD) simulations may be developed to refine the analysis of experimental results.

Profil du candidat

Nous recherchons pour cette thèse un(e) candidat(e) titulaire d'un diplôme d'ingénieur ou d'un master en génie des procédés, avec des compétences solides sur les procédés de mélange, et si possible leur utilisation dans le secteur des produits formulés (en particulier sur la formulation d'émulsions, et les procédés d'émulsification). Un fort intérêt pour les approches expérimentales ainsi que pour le calcul et le dimensionnement est requis. De bonnes capacités de rédaction et de communication en français et anglais, ainsi que la capacité de travailler en équipe sont nécessaires.

Pour toute thèse proposée au sein de l'Ecole Doctorale, le futur doctorant devra bien être titulaire d'un master (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) justifiant d'un parcours remarquable.
Dans tous les cas (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) le dossier doit comporter :
• le CV du candidat et lettre de motivation
• les notes obtenues au diplôme conférant le grade de master, mention 'Assez Bien' requise au minimum et copie du diplôme s'il est disponible
• 2 lettres de recommandations émanant du Responsable de la filière de formation et du tuteur de stage de fin d'études
• des éléments tangibles sur l'initiation à la recherche (mémoire de recherche, publication, ...).
Le dossier complet de candidature doit être envoyé à la direction de thèse par les adresses messageries des directeurs de thèses :
Directrice de thèse Véronique Sadtler : veronique.sadtler@univ-lorraine.fr
et
Co-directeur de thèse Thibault Roques-Carmes : thibault.roques-carmes@univ-lorraine.fr

Candidate profile

We are looking for a candidate with an engineering degree or a master's degree in process engineering for this PhD thesis. The ideal candidate should have strong expertise in mixing processes and, if possible, experience in their application to formulated products, particularly in emulsion formulation and emulsification processes. A strong interest in experimental approaches, as well as in calculation and scale-up, is required. Good writing and communication skills in French and in English, along with the ability to work in a team, are essential.

All applicants to the Doctoral School SIMPPÉ must have successfully completed a Master degree or its equivalent with a grade comparable to or better than the French grade AB (corresponding roughly to the upper half of a graduating class). In all cases (French or foreign Master degree, engineering degree, etc.) the counsel of the doctoral school will examine the candidate's dossier, which must include:
• CV and letter of motivation
• the grades obtained for the Master (or equivalent) degree and a copy of the diploma if it is available
• 2 letters of recommendation, preferably from the director of the Master program and the supervisor of the candidate's research project
• written material (publications, Master thesis or report, etc.) related to the candidate's research project.
The complete application file must be sent to the thesis supervisors by email :
Directrice de thèse Véronique Sadtler : veronique.sadtler@univ-lorraine.fr
and
Co-directeur de thèse Thibault Roques-Carmes : thibault.roques-carmes@univ-lorraine.fr

Référence biblio

1. « Pickering emulsions in inorganic solid particles: from product development to food applications », A. Ribeiro, J.C.B. Lopes, M.M. Dias, M.F. Barreiro, Molecules (2023) 28, 2504.
2. « A microfluidic and Langmuir approach to unveil the interplay between hydroxypropylmethylcellulose and zein nanoparticles on the stability of Pickering emulsions », C.Nie, W.Wang, Z. Zhou, Z. Jiang, S. Fang, J. Xiao ; Food Hudrocolloids (2024) 157, 110382.
3. « Continuous production of hydroxyapatite Pickering emulsions using a mesostructured reactor », A. Riberiro, Y.A. Manrique, F. Barreiro, J.C.B. Lopes, M.M. Dias, Colloids and Surfaces A (2021) 616, 126365.