Nous suivre Info chimie

Le moment est-il venu ?

Christian Guyard
Le moment est-il venu ?

Micro-innova Engineering propose de nouveaux concepts de micro-réacteurs, produisant en continu à échelle industrielle.

© © Micro-innova

Micro-réacteurs et concepts d'intensification des procédés font parler d'eux depuis une bonne décennie. Les réalisations par contre semblent plus rares. Explications.

L'amélioration de la qualité, augmentation des rendements, ré duction des coûts d'investissements, risques accidentels et environnementaux moindres. Quel industriel ne signerait pas tout de suite à de telles propositions ? Si tel était le cas, on parlerait moins d'intensification des procédés et on en ferait plus, depuis que ce concept alimente les conversations. Or, sauf nombreuses réalisations gardées secrètes, les exemples ne sont pas légion. L'intensification est-elle réservée aux nouveaux produits, aux nouvelles unités ; les équipements (micro-réacteurs, mélangeurs, séparateurs... ) sont-ils jugés trop peu fiables, ou pas encore sur le marché ? L'intensification n'est-elle pas une démarche finalement trop dérangeante pour les habitudes et structures en place ? La pression de l'efficacité énergétique, de la rareté des matières premières, les questions d'environnement, de micropolluants et de sécurité, la crise globale devrait pourtant accélérer le mouvement. A entendre Philippe Caze, dirigeant de la société nouvellement créée Novelia Engineering, qui avait démarré l'activité micro-réacteurs chez Corning en 2000, on se dit que l'intensification des procédés relève d'abord de la culture d'entreprise avant les questions techniques. Les micro-réacteurs ont eu une vogue certaine au début de la décennie, surtout avec une vision de laboratoire de recherche et de pilote. Une vision très vite abandonnée chez Corning avec l'intuition que les micro-réacteurs devaient investir la production. Intuition testée auprès d'une dizaine d'industriels européens qui se montrent très réceptifs et veulent participer à ce type de développement et d'applications. « En fait, les équations du génie chimique décrivent bien les cinétiques, les relations surface/volume, les échanges thermiques. On sait qu'en réduisant les dimensions, on accélère les cinétiques et les échanges. » Mais au cours de ses discussions avec les entreprises, Philippe Caze prend conscience que les entreprises ne considèrent leur coût de production que par rapport aux coûts des matières premières et du rendement théorique de réaction. Pour faire ces réactions, il faut des réacteurs, des bâtiments, mais ces coûts d'immobilisation figurent ailleurs. Il y a un non dit dans l'industrie : le poids des coûts fixes pour maintenir ces installations, pour les faire tourner. En outre, dans un atelier de chimie fine, les installations ne sont pas indépendantes : on aura tendance à travailler par campagnes, par type d'opérations. Les installations sont là, la main-d'œuvre est là, il faut les faire tourner. Ceci explique beaucoup de choses ! « Aujourd'hui, l'industrie est incapable d'intégrer les micro-réacteurs et de les utiliser à bon escient, c'est-à-dire de manière économique car tout a été conçu autour du batch. Toutes les économies envisageables sont absorbées par l'existant. » Il y a un « formatage batch » de haut en bas de l'entreprise. Or les micro-réacteurs et l'intensification des procédés ne sont pas qu'une affaire d'équipements ! Il s'agit de retrouver le point optimum de fonctionnement d'une réaction (température, concentrations, pression), de construire le procédé autour, et non pas de bricoler des conditions réactionnelles supportables par les équipements, quitte à manipuler des quantités de solvants, les purifier, etc. On est alors surpris de voir un temps de réaction d'une dizaine d'heures en batch passer à moins d'une minute en procédé intensifié. « Chez Corning, nous avons fait plusieurs dizaines d'essais avec des industriels. Certains se sont concrétisés en une année comme chez DSM (exposé à Achema 2009 sur des réactions de nitration) ; d'autres sociétés n'étaient pas prêtes à absorber cette technologie, mais dans la majorité, les essais étaient concluants, les objectifs atteints voire dépassés, mais finalement il n'y a pas eu d'investissement. On touche là les limites de l'intensification des procédés. Certes on avait, sur un point précis, amélioré les choses, mais on dérangeait le reste de l'organisation, son économie générale. » Le contexte industriel montre son inertie. Persuadé que le problème d'intensification des procédés va bien au-delà de la vente d'équipements, Philippe Caze a créé son entreprise Novelia Engineering avec une stratégie : « Il faut considérer l'ensemble du processus de mise en production d'une substance et accompagner l'entreprise dans sa démarche d'adoption de cette nouvelle méthode de produire. » D'une certaine ma nière, il faut retourner le raisonnement assez classique, au moins en chimie fine, de faire entrer une nouvelle synthèse dans des équipements existants et raisonner en définissant d'abord le périmètre économique d'une nouvelle fabrication, et surtout reconsidérer toute la chaîne de valeur avec ce nouveau regard. Démarche plus facile sur un nouveau produit réalisé dans de nouvelles installations. Mais il n'y a pas que des « pages blanches », il faut aussi considérer les produits existants, le dégoulottage nécessaire pour suivre une progression de la demande. La solution d'intensification peut aussi se traduire par des combinaisons de procédés continus et discontinus qui peuvent apporter des économies sensibles. Un regard complémentaire sur l'intensification vient des outils de simulation multiphysique développés par exemple par Comsol, qui lance un nouveau module « Chemical Reaction Engi neering version 4.0a » destiné à la simulation des systèmes réactionnels en micro-réacteur. Jean-Marc Petit indique comme utilisateurs (en France) de ces logiciels le CEA-Leti, le LAAS, le LSGC Nancy, et comme industriels, STMicroelectronics, Corning ou Bayer. Comsol cite le cas de l'amélioration des performances de séparation HPLC chez Waters grâce à la simulation multiphysique. Les micro-canaux d'une colonne ont bien des similitudes avec l'écoulement en micro-réacteur. La simulation est aussi utilisée pour l'optimisation d'un réacteur à parois catalytiques pour la conversion de l'éthanol en hydrogène. Bien des réactions parasites peuvent se produire et la maîtrise très locale des conditions réactionnelles impacte directement le rendement final. Les chimistes doivent utiliser ces outils pour accélérer le développement de procédés. Des équipements enfin disponibles Le changement d'état d'esprit est une chose, la disponibilité des outils en est une autre. L'Allemagne est en tête avec les efforts soutenus depuis une dizaine d'années par l'IMM, par Ehrfeld Mikrotechnik BTS, etc.

Des équipements à perfectionner

L'accord passé en février par Lonza avec Ehrfel Mikrotechnik BTS (EMB) est significatif de l'arrivée sur le marché d'équipements spécifiques de l'approche d'intensification. Il s'agit d'un contrat de licence pour la production et la distribution, au niveau mondial, de la technologie de micro-réacteurs de Lonza (pour le développement et pour la production) qui se double d'un accord de coopération et de développement. L'Autrichien Micro-innova Engi neering a présenté en juin, à Chemspec 2010, à Berlin, trois nouveaux concepts de micro-réacteurs et de production en continu à échelle industrielle. Une unité pharmaceutique de 200 l/h a été démarrée en mai dernier. La société travaille avec Roche, Sigma Aldrich, Sandoz. On passe même à des unités installées sur skid, donc transportables, insérables dans des procédés existants, et à des ensembles modulaires polyvalents que l'on assemble pour constituer un procédé (unité d'injection, réacteur, séparations... ) ; idée développée avec le volet F3 Factory du programme SusChem. On voit à quel point la synergie entre équipementiers et chimistes est décisive dans l'émergence de nouveaux concepts de production. C'est d'évidence ce qui a manqué en France. Jean-Francis Spindler, directeur R&D Europe de Rhodia, souligne que certains développements industriels se sont heurtés à un manque de disponibilité d'équipements pour passer à l'industrialisation. Mais la situation évolue. Avec le lancement de la gamme de solvants Iris fin 2009, la société montre l'intérêt de la démarche : sa chaîne nylon génère un sous-produit jusqu'à présent valorisé par incinération, devenu la matière première d'un nouveau procédé intensifié (cascade de deux réactions en phase gaz puis en phase liquide sous pression) pour la synthèse d'une gamme de solvants (diester) beaucoup moins dangereux pour l'environnement, peu volatils, non toxiques. C'est une voie nouvelle d'accès à faible impact environnemental. L'intensification a une autre dimension, très économique, celle d'une localisation des productions. La transformation des produits pétroliers se rapproche des gisements avec le développement de la pétrochimie au Moyen-Orient. La renaissance d'une chimie basée sur les matières premières végétales pourrait offrir un terrain favorable de développement aux petites unités de production (dizaines de tonnes/jour) basées sur des procédés intensifiés. L'Europe trouverait ainsi un moyen de « relocaliser » des productions. On voit bien que les pièces du puzzle se mettent en place. Le programme intensification des procédés du pôle Axelera, achevé début 2010, après cinq ans, ouvre des perspectives (cf Info Chimie n°500 p.40 : « Procédés : les briques se mettent en place »). Au niveau européen, les actions ne manquent pas, comme le projet Copiride coordonné par l'IMM (soit 15 partenaires et un budget de 17 M € sur 3,5 ans) dont l'objet est de faire passer du procédé batch au continu à l'échelle pilote six procédés : époxydation d'huiles végétales, production de biodiesel, d'ammoniac, oxydation et hydrogénation de sucres et deux réactions de polymérisation. Ce sera l'occasion d'évaluer très complètement et très finement l'incidence de l'intensification, y compris les aspects investissement, cycle de vie des produits, impact sur l'effet de serre, etc. Ce n'est qu'en intégrant toutes les incidences de l'intensification des procédés, en sortant des visions parcellaires (x % de rendement en plus, y % d'investissement en moins, etc.) que ces procédés nouveaux seront reconnus à leur juste valeur. C'est un changement économique profond qui profitera également à la préservation de l'environnement.

Bienvenue !

Vous êtes inscrit à la news Industrie Chimie

Nous vous recommandons

Spécial Bioéconomie : Un maillon de la relance industrielle

Spécial Bioéconomie : Un maillon de la relance industrielle

La chimie est au cœur de la transition écologique et de l’excellence carbone par la décarbonation de sa chaleur, l’électrification de ses procédés, l’hydrogène, le recyclage[…]

« Nous croyons beaucoup au rebond de l'Europe, et notamment de la France » - De Dietrich Process Systems

entretien

« Nous croyons beaucoup au rebond de l'Europe, et notamment de la France » - De Dietrich Process Systems

« Le challenge qui s'offre aux Européens est la réinternalisation de la fabrication » - Diverchim

« Le challenge qui s'offre aux Européens est la réinternalisation de la fabrication » - Diverchim

[Enquête] : La flow chemistry pour relocaliser la chimie fine

[Enquête] : La flow chemistry pour relocaliser la chimie fine

Plus d'articles