Miniaturisation des procédés

Les systèmes microchimiques existent depuis l’apparition de la vie, il y a de cela des millions

d’années. Le corps humain en est le bon exemple. Le fonctionnement du cœur, des poumons,

des cellules, des reins, etc. est basé sur des microtechnologies viables, fiables et efficaces

(Wegeng et al., 2000).

A l’heure actuelle, le génie des microprocédés évolue à grand pas. Une multitude de

dispositifs sont expérimentés, certains sont même intégrés dans des unités industrielles.

Toutefois, la réelle difficulté auxquels sont confrontés les organismes porteurs de cette

technologie est la transposition à l’échelle industrielle.

I.1.1 Avantages de la miniaturisation

Rapports surface/volume importants : Les procédés miniaturisés sont caractérisés par des

surfaces fonctionnelles structurées importantes et des volumes opérationnels faibles, ce qui

leur confère un grand rapport surface/volume permettant ainsi de favoriser d’une manière

significative les mélanges et les transferts. Cette particularité a permis non seulement

l’amélioration des rendements de plusieurs procédés mais aussi l’ouverture de nouvelles voies

de synthèse directes qui étaient jusque là impossible à réaliser à l’échelle macroscopique pour

des raisons de sécurité principalement. On peut citer par exemple les réactions hautement

exothermiques telle que la fluoration directe des composés aromatiques (Jähnisch et al.,

2000 ; Obein, 2006). Cette réaction est difficile à contrôler à grande échelle à cause de la

grande quantité de chaleur dégagée et des risques d’explosivité qu’elle présente. Cependant

elle peut être conduite dans un microréacteur qui permet d’une part de manipuler des petites

quantités de réactifs, et d’autre part d’évacuer la chaleur d’une manière rapide et efficace

grâce à une surface spécifique élevée pour atteindre des conditions opératoires isothermes. De

bonnes sélectivités et de hautes conversions sont obtenues alors sans risque majeur car les

temps de séjour étant courts, la formation de produits intermédiaires est limitée.

Plus de sécurité et de sûreté : Au sein des procédés microstructurés, les petits volumes

caractéristiques, les faibles rétentions ainsi qu’un contrôle efficace de la chaleur permettent

une réduction significative des risques et des impacts d’accidents.

En cas d’accidents, les dommages sont limités significativement, vu les petites dimensions

des microstructures qui impliquent l’emploi de faibles quantités de réactifs.

Transposition industrielle « facilité » : D’une manière générale, la transposition à l’échelle

industrielle des procédés conventionnels est une opération coûteuse qui requiert 2 à 5 ans

(Ehrfeld et al., 2000). Grâce à leurs petites dimensions, les procédés microstructurés sont

appropriés à l’utilisation à l’échelle du laboratoire. L’augmentation de la capacité de

production ou de traitement est réalisée aisément en multipliant le nombre d’appareils tout en

conservant les performances de chaque dispositif. Ce concept appelé numbering-up est

différent d’une extrapolation d’échelle (scaling-up). Il permet une économie importante de

temps et d’argent.

Régimes d’écoulements caractéristiques : Généralement, dans les microcanaux, le régime

d’écoulement est laminaire, ce qui rend la description théorique plus facile, et les simulations

et les prédictions plus fiables. Certains types d’écoulements spéciaux intéressants sont

observées uniquement dans les microcanaux tels que l’écoulement hexagonal des dispersions

gaz/liquide (Löb et al., 2004).

Réduction des déchets et préservation des ressources : Les procédés miniaturisés offrent une

possibilité de réponse intéressante aux défis que rencontrent les industriels, à savoir une

meilleure gestion des ressources et des activités ayant le moins d’impacts sur

l’environnement. Les microprocédés sont réputés comme étant très performants, ils

permettent d’avoir de très bonnes efficacités et des sélectivités très élevées. Les produits

obtenus sont alors de hautes puretés. La production de sous-produits est limitée, minimisant

ainsi les opérations de séparations, réduisant d’une manière significative les rejets et

permettant une moindre utilisation des ressources, ce qui revient à les préserver.

À ce jour, peu de travaux sont dédiés intégralement à l’étude des répercutions

environnementales des microprocédés. Kralisch et Kreisel (2007) ont établi une comparaison

entre les impacts environnementaux d’un réacteur semi-batch conventionnel et un procédé

microstructuré (Microréacteur Cytos®) basée sur l’analyse de cycle de vie. La réaction mise

en œuvre est la synthèse du m-anisaldéhyde à partir du m-bromoanisole. Il s’agit d’une

réaction très exothermique qui nécessite un grand apport énergétique pour évacuer la chaleur

dégagée et qui exige des conditions de sécurité bien spécifiques. L’analyse de cycle de vie a

révélé qu’à l’échelle du laboratoire (production de 10 kg de m-anisaldéhyde), le microprocédé

permet de réduire significativement les impacts sur l’environnement en comparaison avec le

réacteur semi-batch. Ce gain se traduit par de meilleures efficacités (88% contre 64%), une

diminution de la quantité de solvant utilisée et un apport énergétique moins important. En

effet, la réaction se déroule sous des conditions isothermes à T = 273K dans deux réacteurs

Cytos® en série cependant, elle est égale à 193K dans le procédé conventionnel.

A l’échelle industrielle (production de 1t de m-anisaldéhyde), les efficacités obtenues sont

similaires pour les deux procédés, mais l’apport énergétique reste toujours plus élevé dans le

cas du réacteur conventionnel.

I.1.2Limites de la miniaturisation

Comme toute nouvelle technologie, les microprocédés ne sont pas totalement maîtrisés et

manquent incontestablement de maturation. Ceci est du principalement aux nouveaux

processus dominants et régimes qui apparaissent dans ce genre de procédés et qui peuvent être

plus complexes par rapport aux procédés conventionnels dans lesquels ces mêmes

phénomènes sont souvent négligés. En effet, vu les très faibles dimensions caractéristiques

des appareils microstructurés (50-300µm), l’hydrodynamique ainsi que les paramètres

physico-chimiques liés aux phénomènes de transfert et de transport sont gouvernés par des

effets surfaciques au lieu des effets volumiques dominants dans les procédés conventionnels.

En outre, d’autres phénomènes « inhabituels » peuvent être observés. A cela s’ajoute, les

limitations mécaniques (problèmes d’usinage, mise en forme, etc.) rencontrées lors de la

fabrication des appareils miniaturisés ainsi que leurs coûts. En effet les coûts du matériel et de

l’énergie restent actuellement élevés par rapport aux procédés usuels et plus particulièrement

lorsque le matériau utilisé est l’acier inox (Kralisch et Kreisel, 2007). Une industrialisation

poussée des appareils miniaturisés est nécessaire pour abaisser les prix.

Une autre difficulté d’utilisation de ces procédés est liée à une durée de vie assez limitée.

Etant donné que les petits systèmes sont sensibles aux aléas du milieu, les microstructures tels

que les microcanaux qui les caractérisent sont susceptibles dans certaines applications d’être

rapidement encrassés et par la suite obstruées (Kralisch et Kreisel, 2007).

Outres les inconvénients cités ci-dessus, actuellement l’intégration des appareils

microstructurés dans les installations industriels rencontrent des réticences. Il est essentiel que

ces limitations soient dépassées et que les mentalités évoluent vers l’acceptation de ces

nouvelles technologies.