Section 10 Milieux fluides et réactifs : transports, transferts, procédés de transformation

II. Génie des procédés

A. Évolution de la thématique

Le génie chimique trouve son origine dans la valorisation des ressources pétrochimiques dont l'exploitation industrielle (carburants, lubrifiants...) s'est mise en place dans les années 1920-1930. Cette demande de procédés industriels a été renforcée durant la seconde guerre mondiale à travers la production en masse de carburants (essence, jet fuels...) et d'antibiotiques, par exemple, ou la séparation d'éléments radioactifs (projet Manhattan). Au cours de la seconde moitié du xxe siècle, la demande des pays industrialisés a nécessité d'étendre ces concepts à d'autres champs applicatifs et à des échelles élevées de production : polymères (nylon, polyéthylène), métaux (exploitation des mines), traitement des déchets radioactifs (procédé Purex...), agroalimentaire (industrie laitière...) avec pour corollaire la nécessaire protection de l'environnement (traitement des eaux résiduaires urbaines et industrielles, production d'eau potable, traitement des déchets solides et des effluents gazeux). L'industrie chimique a alors développé rapidement de nouveaux procédés, plus flexibles et plus performants. Jusqu'alors des méthodes heuristiques permettaient de réaliser des dimensionnements rapides mais peu fiables de réacteurs et d'opérations unitaires. Pour sortir de cet empirisme, le génie chimique, se situant à l'interface de différents domaines de la physique et de la chimie, a cherché à modéliser le couplage des processus (transferts d'énergie et de matière entre phases, écoulements de chacune d'elles, transport diffusionnel et réactions chimiques) contrôlant le fonctionnement et la performance des réacteurs. Plus généralement cette approche a permis de réaliser de façon robuste le dimensionnement, l'optimisation ou le contrôle d'opérations industrielles. Cette vision était jusqu'à récemment partagée par le milieu industriel et académique et a conduit au dimensionnement innovant de nouveaux systèmes multifonctionnels.

Dans les années 2000, de nouvelles contraintes ont modifié les attentes par rapport au génie des procédés :

– la concomitance de la raréfaction des ressources fossiles liquides et gazeuses et du réchauffement climatique dû aux émissions anthropiques de gaz à effet de serre. Cette situation implique une optimisation des procédés en termes d'énergie et de consommation de matière (intensification des procédés), et le recours à des sources d'énergie à faible contenu en carbone telles que les énergies renouvelables ou à des gisements de déchets (méthanisation) ou de carbone végétal (produits bio-sourcés). La valorisation du CO2 comme précurseur de synthèses chimiques et biologiques s'intègre également dans cette stratégie de réduction des gaz à effet de serre ;

– la raréfaction des ressources en eau qui conduit à l'économiser, à la recycler et à produire des eaux utilisables à partir de ressources secondaires ;

– plus récemment, cette notion de raréfaction des ressources naturelles s'est étendue à de nombreux éléments minéraux (métaux rares tels que Nb, Ta, Li, In ; terres rares, etc.). Cette contrainte conduit à trouver des substituts ou à utiliser de préférence des ressources renouvelables et à recycler (champ très étendu pour de nouveaux procédés) ;

– la production de matériaux de plus en plus complexes pour répondre à des besoins ciblés. C'est par exemple le cas des films plastiques fins et résistants de plus en plus chargés en additifs minéraux et organiques qui rendent complexe leur recyclage ;

– la diversification des modes de valorisation de la matière première végétale qui offre un potentiel d'innovation important mais peut également provoquer des conflits d'usage ;

– l'intolérance croissante de la population envers toute nouvelle pollution chimique de l'environnement qui impose une approche intégrative, réparatrice et, mieux, non polluante ;

– le développement de dispositifs et procédés pour l'alimentation, la santé, le vivant et l'environnement ;

– au plan macro-économique, le déplacement des zones géographiques de production de masse des pays développés vers les pays émergents, les premiers se spécialisant dans des produits à forte valeur ajoutée.

Ces éléments ont conduit à une remise en cause de ce qu'on peut dénommer le génie des procédés sous contraintes. En conséquence, une redéfinition des objectifs et méthodes a été nécessaire. En parallèle de cette approche sous contraintes, la discipline a continué à enrichir ses concepts afin d'améliorer la description des systèmes complexes.

B. Axes de développement

La discipline du génie des procédés regroupe l'ensemble des connaissances scientifiques et technologiques nécessaires pour aborder l'étude, la conception et l'optimisation des procédés complexes de transformations physico-chimiques et biologiques de la matière et de l'énergie. Les grands enjeux sociétaux au cœur de la problématique du génie des procédés se situent dans la capacité à gérer les transitions clés de l'énergie et les ressources pour la société du xxie siècle, plus particulièrement dans les domaines suivants :

– la chimie et les matériaux : nouveaux précurseurs (CO2, molécules non toxiques), technologies de recyclage, traitement des pollutions, intensification, bioprocédés ;

– l'énergie : intégration en vue de réduire la consommation d'énergie spécifique, introduction des énergies renouvelables dans les procédés de transformation de la matière, bio-ressources ;

– l'eau : réduction de la consommation, traitement, filtration, séparation, décontamination... ;

– les biotechnologies : mise en œuvre des microorganismes, bioréacteurs, biocatalyse, usine cellulaire ;

– la nutrition et la santé : agroalimentaire, synthèse de principes actifs, formulation.

On peut distinguer principalement deux axes de développement qui sont les sciences de base sur lesquelles s'appuie le génie de procédés et qu'il contribue à alimenter, et l'intégration où il a construit une méthodologie originale dans le but de prendre en compte les couplages et les processus limitants. Cette capacité d'intégration positionne la communauté scientifique au cœur des processus de changement d'échelle du laboratoire au pilote industriel et donc du transfert de l'innovation académique vers le secteur industriel.

Au plan des sciences de base, la compréhension et la quantification des processus physiques, chimiques et biologiques aux échelles moléculaires, microscopiques et mésoscopiques constituent les éléments indispensables à la conception et l'optimisation des procédés. À l'échelle moléculaire, les évolutions récentes de la modélisation et de la simulation moléculaire permettent par exemple d'estimer les voies réactionnelles les plus probables qui ont lieu à la surface d'une structure cristalline d'un site actif au sein d'un réseau poreux catalytique, ou de prévoir les propriétés thermodynamiques des corps purs et des mélanges. L'échelle nanométrique est celle des matériaux par exemple. Il s'agit soit d'en décrire la croissance (élaboration) soit de prendre en compte les interactions de surface. Des progrès notables ont été réalisés ces dernières années dans le domaine de l'intégration des processus de croissance cristalline dans les réacteurs d'élaboration des matériaux sous forme massive, de films ou de particules (domaine où l'interface avec les plasmas est évidente). Mais les approches sont encore trop simplifiées, remarque encore plus vraie en ce qui concerne la description fine des propriétés de surface (hors catalyse). À la méso-échelle, la connaissance des écoulements polyphasiques (hydrodynamique et transfert entre phases), où les phénomènes interfaciaux sont souvent prépondérants, est encore un enjeu pour la modélisation des équipements.

Les procédés impliquant des systèmes ultra-divisés (cristallisation, broyage, émulsification, filtration, élaboration de membranes et films) sont compliqués par les interactions entre les surfaces des éléments dispersés, ce qui nécessite le greffage d'outils de la physico-chimie sur ceux du génie chimique. En effet, ces procédés sont contrôlés par des étapes physico-chimiques comme l'agrégation, la coalescence, la fragmentation, la démixtion, la précipitation ou les transitions polymorphiques. La prédiction et le contrôle de la taille et de l'uniformité des éléments dispersés impliqués sont donc essentiels pour la maîtrise du procédé. Pour atteindre cet objectif, trois voies sont développées : (1) une description thermodynamique qui établit le lien entre états macroscopiques d'équilibre et interactions inter-moléculaires dans le système (contribution de volume). C'est le moteur de l'évolution spontanée du système ; (2) une description cinétique focalisée sur les barrières qui s'opposent à la recombinaison des éléments dispersés et les contrôlent par l'ajustement des interactions intermoléculaires (contribution de surface). C'est le frein à l'évolution spontanée du système ; (3) un lien multi-échelle permettant de contrôler frein et moteur et de décrire l'évolution collective de la population. C'est la propagation, ou dynamique du système.

Les récentes avancées scientifiques en biologie liées au développement de nouveaux outils d'investigation à très hauts débits ont permis des améliorations considérables des connaissances, accompagnées de retombées majeures dans les biotechnologies industrielles. Les biologistes, en focalisant leurs travaux sur la compréhension et la modélisation des dynamiques des processus biocatalytiques aux échelles moléculaires, microscopiques et macroscopiques, rendent possible le développement de nouveaux biocatalyseurs très performants. L'intégration des compétences biologiques au sein de la communauté du génie des procédés et vice versa permet l'émergence de questionnements nouveaux. En considérant la cellule et le bio-réacteur selon une vision systémique, la compréhension et la modélisation des interactions entre les phénomènes biologiques et physico-chimiques, sont des enjeux majeurs pour identifier et lever les verrous biologiques et/ou physiques qui contraignent les performances

Dans le domaine de l'énergie, la valorisation ultime des ressources (chaleur fatale), l'intégration des énergies renouvelables dans les procédés, la vectorisation (production d'hydrogène ou gaz de synthèse par exemple) et le stockage par voie thermochimique ou électrochimique sont des directions de recherche très actives au cœur de la discipline.

Au plan de l'intégration, on assiste à une modification rapide des échelles d'espace et de temps prises en compte avec l'évolution des sciences de base et des moyens de calcul. L'exemple emblématique est la catalyse (domaine partagé avec les chimistes) et la biocatalyse (domaine partagé avec les biochimistes et les biologistes) où le développement d'outils de très hauts débits et de la modélisation moléculaire a bouleversé les méthodes et les concepts. Les objectifs prioritaires de l'intégration changent en particulier avec la prise compte de plus en plus forte des enjeux environnementaux et sociétaux comme l'illustrent les concepts de « Green Chemistry » et d'éco-conception (économie circulaire). L'évolution de la simulation numérique a permis de faire émerger des nouveaux paradigmes comme celui de l'ingénierie inverse (reverse engineering) qui cherche à concevoir un processus de production à partir de la définition des propriétés d'usage d'une molécule, d'un matériau, d'un aliment...

Au plan industriel, le développement de nouvelles technologies de production/ fabrication avancées est un objectif prioritaire. On remarque à la fois une évolution vers la réduction d'échelle (« down-scaling ») et la nécessité de continuer à résoudre des problèmes de dimensionnement à grande échelle (« up-scaling »). Les contraintes industrielles génèrent en retour des questionnements scientifiques concernant par exemple la flexibilité et l'intermittence par rapport à la source d'énergie, la réduction de l'empreinte environnementale, la miniaturisation, la décentralisation de la production, l'utilisation de matières premières renouvelables ou recyclées, la robustesse des procédés... Compte-tenu de l'évolution rapide des produits et des normes de sécurité, les technologies industrielles doivent être de plus en plus contrôlables et adaptables, deux enjeux qui renvoient à une meilleure compréhension des processus élémentaires, à leur couplage et à leur simulation.

C. Moyens d'action et d'organisation

Forces et structuration de la discipline

Pour simplifier, le génie des procédés français est structuré selon deux grandes familles de laboratoires, les laboratoires généralistes (à Nancy et Toulouse) et les laboratoires spécialisés. Les spécialités bien identifiées sont la catalyse, les bioprocédés, l'énergie, les matériaux, l'agroalimentaire, l'environnement, les déchets et les co-produits. Géographiquement, la communauté se répartit de manière assez homogène sur tout le territoire. Sur la base du nombre de publications, le génie des procédés français se situe au 3e rang européen (après l'Allemagne et le Royaume-Uni) et au 6e rang mondial.

Les acteurs français du GP se retrouvent au sein de la Société Française de Génie des Procédés (SFGP) et de l'European Federation of Chemical Engineering (EFCE) dont plusieurs groupes de travail sont animés par des français. Trois GdR fédèrent plusieurs pans du GP : « Approches Multiphysiques pour les Colloïdes Concentrés » (AMC2), « Ingénierie des Biosystèmes » et « Thermodynamique des systèmes complexes ». Les Investissements d'Avenir ont peu modifié le paysage national, à l'exception du domaine du solaire (Labex SOLSTICE).