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L'industrie chimique prépare sa mutation

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LE LABORATOIRE DU FUTUR DE RHODIA

Depuis 2004, le groupe français a créé un laboratoire qui effectue des travaux sur de nouvelles technologies de R&D en chimie, en partenariat avec le CNRS et l'université Bordeaux 1. « Ce laboratoire réunit un effectif d'environ 60 collaborateurs de neuf nationalités différentes, et provenant d'horizons très différents » indique Patrick Maestro, directeur du LOF. Avant d'ajouter : « Le LOF (Laboratory of the future) travaille sur la possibilité d'augmenter la productivité de la R&D en chimie, en conjuguant deux types d'outils : la microfluidique et la robotique. Et cela vise à mettre au point des technologies incrémentales et de rupture en amont des technologies de microréaction ». La robotique va ainsi accélérer la sélection d'ingrédients pour la formulation de détergents, solvants, ou peintures et d'effectuer un screening plus rapide des compositions. « Par exemple, la productivité de la mise au point d'un détergent pourra être multipliée par 50 grâce aux technologies de robotique », affirme Patrick Maestro. En ce qui concerne la microfluidique, le LOF cherche à mettre au point des techniques pour manipuler les fluides à très petite échelle. « Nous avons mis au point un "laboratoire sur puce", pouvant servir à suivre la réaction d'un mélange concentré en une goutte. Une puce contenant des milliers de gouttes permettraient ainsi d'étudier autant de mélanges réactionnels », explique Patrick Maestro. Avant de continuer : « Cela représente un gain de productivité énorme en termes de temps et de résultats ». Et les travaux de recherche ne manquent pas : le LOF est actuellement engagé sur différents projets avec des clients, notamment autour de la formulation de détergents écologiques, de compositions plus durables pour la cosmétique, et de solvants verts à basse teneur en composés organiques volatils pour l'agrochimie et les peintures.

L'industrie chimique prépare sa mutation

Depuis 2008, la MEPI se propose d'optimiser les procédés en intégrant des technologies intensifiées comme les microréacteurs à plaques.

© © MEPI

Bien que leurs bénéfices soient connus depuis longtemps, les procédés intensifiés peinaient encore à prendre forme dans les procédés de production chimique. Mais le déploiement semble s'accélérer sous l'impulsion de nouvelles politiques et problématiques industrielles.

Depuis longtemps, les procédés intensifiés font l'objet d'un intérêt croissant auprès des industriels avec les avantages qu'ils procurent. En effet, ces technologies promettent une chimie plus sûre, plus propre et moins énergivore. « Elles utilisent des produits plus concentrés mais en volumes plus réduits par rapport aux systèmes batch tout en augmentant le rendement de production, notamment du fait de la réduction significative d'impuretés. En conséquence, elles reviennent moins cher en diminuant potentiellement le nombre d'étapes au sein d'un procédé et donc d'énergie et de matières à engager. Elles permettent une gestion des transferts thermiques plus aisée et une production moindre d'effluents », indique Laurent Pichon, directeur des affaires à la Maison européenne des procédés innovants (Mepi). Avant d'ajouter : « Les réactions mises en jeu dans les systèmes intensifiés sont maitrisées plus facilement au regard des volumes et des quantités de matières engagées ». Bien que ces bénéfices soient indéniables, les procédés intensifiés connaissent des difficultés à s'imposer dans les usines de production. « Le marché mondial des procédés innovants s'est révélé depuis la fin des années 1990, mais le marché européen a stagné depuis 2000 à cause d'une concurrence interne en Europe », indique Laurent Pichon. Cette difficulté peut s'expliquer par l'existence d'un parc d'installations batch qui est déjà amorti. « Il est nécessaire de prouver aux clients potentiels l'intérêt économique et stratégique des procédés intensifiés », avoue Laurent Pichon. Une problématique parmi d'autres, comme témoigne Laurent Falk, directeur de recherche au Laboratoire Réactions et génie des procédés (LGRP) de Nancy : « Ces technologies représentent un coût important. En outre, plusieurs difficultés techniques sont encore à résoudre avant une industrialisation, comme le scale up, l'écoulement des fluides qui est différent selon la nature des matières premières, ou encore le débit faible dû à la taille des canaux. Par conséquent, ce genre de procédés est utilisé davantage à la production de produits à forte valeur ajoutée ». Cette nécessité d'investissement pour ces procédés innovants va à l'encontre de la politique de réduction de coûts des entreprises, selon Philippe Caze, directeur de Novelia Engineering et ex-employé du groupe Corning spécialisé dans les microréacteurs : « Il y a dix ans, nous étions dans une phase de technologie push. Le besoin a changé aujourd'hui, les industriels cherchent davantage à réduire les coûts de production. Or ce type de technologie possède un coût caché pour adapter un système batch à une production en continu ». C'est pour pallier à cette problématique que Novelia Engineering s'est davantage focalisé sur les usines, en proposant des prestations de revamping et d'optimisation d'installations batch via l'intégration de technologies en continu.

Un environnement favorable

 

Cependant, les procédés intensifiés semblent avoir le vent en poupe, ces derniers temps, notamment sous l'impulsion des politiques environnementales. Selon une étude réalisée par le cabinet lyonnais Yole Développement spécialisé dans les technologies émergentes, le marché des procédés en continu et des technologies de micro-réaction (MRT) s'est structuré, ces cinq dernières années, et s'apprête à se développer fortement. En effet, ces travaux démontrent qu'il y a actuellement une transition des modules unitaires vers des modules de microréaction intégrés dans des systèmes entiers de production ou de R&D. Sur la période 2007-2012, le nombre de ces technologies intégrées s'est accru de 18 % et le marché global des MRT pour la recherche et le développement a connu un taux de croissance annuelle de 25 %.

En France, les industriels et organismes de recherche sont très actifs sur la thématique de l'intensification des procédés, et notamment des MRT. Dès 2005, le pôle Axelera avait lancé un projet de 15 millions d'euros sur quatre ans dénommé « Intensification des procédés ». « Ce projet réunissant 5 acteurs (3 industriels et 2 académiques), avec l'implication tout au cours du projet de 66 personnes pour le secteur industriel et 15 personnes pour la partie académique, travaillaient sur différents thèmes autour des procédés intensifiés, comme le mélange des réactions, le couplage des fonctions ou encore l'amélioration des catalyseurs de réaction », détaille Virginie Pevere, directrice du pôle de compétitivité Axelera. Avant d'ajouter : « Certains axes de recherche du premier projet ont donné suite à d'autres projets plus spécifiques comme le projet Innoval sur l'analyse industrielle en ligne débuté en 2010. Les technologies qui seront issues de ces projets spécifiques pourront servir à d'autres applications ». Depuis 2008, la MEPI basée à Toulouse (Haute-Garonne) propose des études de faisabilité et d'optimisation à ses clients pour effectuer une transposition d'un système batch à des technologies de réaction en continu intensifiée. « La Mepi met en relation les équipementiers, les industriels et les technologies », indique Laurent Pichon. Avant d'ajouter : « Au départ, les prestations de la Mepi étaient destinées davantage à la pharmacie, puis elles se sont étendues à la chimie fine et celle de spécialités. Aujourd'hui, la Mepi sert des marchés variés comme les PEA (peintures encres et adhésifs), le spatial ou encore l'agrochimie ».

Pour répondre à la demande de ses clients, elle propose une panoplie de technologies innovantes en propre ou en partenariat avec INP Toulouse notamment, allant du microréacteur à plaques pour une synthèse intensifiée de produits jusqu'à des technologies de microondes, ou de mélangeurs statiques. Toujours à Toulouse, la société Solvionic travaille sur des procédés innovants afin de substituer les solvants organiques. « Les liquides ioniques qui sont ininflammables permettraient d'augmenter le rendement et la sélectivité d'une réaction chimique, en divisant par cinq le volume utilisé », affirme François Malbosc, p-d-g de Solvionic. En outre, la société toulousaine effectue des travaux sur des procédés de extraction à contre-courant, notamment pour la dépollution et la catalyse acide. Elle participe également à un projet européen Eureka, qui vise notamment à mettre au point un réacteur intensifié en continu utilisant la technique d'activation par micro-ondes.

De son côté, le LGRP cherche à trouver une solution pour développer rapidement un procédé applicable. « Notre vision est moins tournée vers la chimie mais davantage vers l'énergie et l'optimisation industrielle », témoigne Laurent Falk. Avant de continuer : « Nous cherchons également à développer une méthodologie pour permettre à l'utilisateur de savoir comment intensifier son procédé. Elle se base sur des indicateurs comme par exemple, le rendement de production, le gain de solvant engendré, la sécurité du procédé ou encore l'analyse de cycle de vie ».

Du côté de chez Rhodia, les équipes de recherche ne se concentrent pas seulement sur la réaction de synthèse du produit en elle-même mais également sur les étapes aval (purification, distillation, etc.). « Nous cherchons à améliorer continuellement les procédés, que ce soit par des innovations incrémentales ou par des innovations de rupture », indique Jean-Pierre Brunelle, directeur Innovation Procédé chez Rhodia. Avant d'ajouter : « Les éco-procédés ou procédés durables que nous cherchons à concevoir entrent pleinement dans notre stratégie de développement durable et visent notamment à réduire les coûts opératoires (énergie et matière) et à diminuer l'intensité capitalistique de nos procédés, c'est-à-dire le coût des investissements ou encore à diminuer les rejets. Pour cela, nous développons de nouvelles voies de synthèse ou de catalyse et travaillons sur des technologies d'intensification ». Concernant le domaine de l'intensification de procédés, le chimiste a défini trois axes de recherche pour ses travaux, comme le précise Jean-Pierre Brunelle : « Nous cherchons à sélectionner des technologies réduisant les limitations de transfert de chaleur ou de matière, à réduire le nombre d'étapes nécessaires à une réaction donnée grâce aux technologies hybrides (ndlr : combinant plusieurs fonctions au sein d'un même équipement), et enfin à concevoir des outils de production intensifiés modulaires ».

D'autres procédés intensifiés à venir

 

Rhodia étudie deux aspects, comme le détaille Dominique Horbez, expert Procédés et Technologies du groupe : « Pour augmenter l'efficacité des transferts, et donc la productivité d'une réaction, il est possible soit de travailler sur le ratio surface/volume via des réacteurs à plaques ou tubulaires, soit d'assurer une meilleure efficacité de mélange via des équipements comme des mélangeurs statiques ou intensifs de type Hartridge-Roughton ». Un autre exemple de simplification d'un procédé est l'utilisation d'une technologie hybride en distillation réactive pour une réaction équilibrée telle qu'une estérification. « Cette technologie permet ainsi d'utiliser une alimentation stœchiométrique en réactifs, ce qui induit une diminution de la dépense énergétique d'environ 40 %, alors qu'en conditions classiques, le procédé nécessite un recyclage important de réactif. Un autre exemple concerne les colonnes à cloison qui permettent de séparer trois réactifs au sein d'un même équipement de distillation », affirme Jean-Pierre Brunelle. Avant d'ajouter : « Le procédé ne se résume pas seulement à la réaction, mais il comprend toutes les étapes aval de séparation et de purification du produit de la réaction. L'essentiel des investissements sont généralement effectués en aval de la réaction elle-même ». Actuellement, Rhodia travaille sur une dizaine de technologies intensifiées, à des stades plus ou moins avancés. « Grâce à ce choix de procédés intensifiés, il est aussi possible dans certains cas de générer de nouveaux produits », souligne Jean-Pierre Brunelle.

Les procédés intensifiés commencent à se développer au stade du pilotage en production industrielle. Et cela ne fait donc que commencer. En effet, le projet européen F3 Factory, réunissant un consortium d'industriels et de partenaires académiques va toucher à sa fin dès l'année prochaine. Ce programme de recherche financé à hauteur de 30 millions d'euros sur la période 2009-2013 vise à mettre au point des technologies innovantes de production continues, modulaires et flexibles pour une intensification de procédés dans l'industrie chimique. « Le projet devrait aboutir à la construction à Leverkusen en Allemagne d'une plateforme appelée Invite permettant de fabriquer plusieurs types de produits (polymères, API, etc.) grâce à des modules de production interchangeables », précise Laurent Falk (LRGP).

 

Pas seulement la réaction mais aussi les étapes aval.

 

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