Les microréacteurs : Opportunités et applications pour les industries chimiques

Les microréacteurs : Opportunités et applications pour les industries chimiques Les microréacteurs : Opportunités et applications pour les industries chimiques 14/03/2007 ALCIMED - 57 bd de Montmorency - 75016 Paris - Tel : +33 1 44 30 44 30 - Fax : +33 1 44 30 44 32     ALCIMED 14/03/2007 2 Qui est ALCIMED ? Clients  Industriels leaders dans le domaine de la Santé, l’agroalimentaire, la chimie, les matériaux, l’énergie les biotechnologies / Institutionnels nationaux / Organismes Européens … Champs d’intervention  R&D, marketing et stratégie à l’interface de la science et du business Equipe  Plus de 100 personnes de haut niveau diplômées des grandes écoles et meilleures universités européennes ayant pour la plupart une double formation business ou marketing ALCIMED en Europe  Paris, Lyon, Toulouse, Madrid, Cologne, Lausanne ALCIMED est une société de conseil et d’aide à la décision spécialisée dans le domaine des sciences de la vie et de la chimie fondée en 1993 ALCIMED est une société de conseil et d’aide à la décision spécialisée dans le domaine des sciences de la vie et de la chimie fondée en 1993 ALCIMED 14/03/2007 3 Le contexte de l’étude Contexte de l’étude  Les réacteurs microstructurés représentent une opportunité offerte à l’industrie chimique de créer une rupture technologique dans le domaine des procédés industriels.  Les réacteurs microstructurés doivent encore trouver leur place entre la pétrochimie, la chimie fine et les nombreuses applications de la chimie de spécialités.  Les enjeux techniques sont de taille, à la fois au niveau de la fabrication des réacteurs microstructurés eux-mêmes que dans les phases de développement associées aux applications visées.  Le développement des réacteurs microstructurés s’accélère aujourd’hui et s’appuie à la fois sur la mise en place de premiers réseaux européens et sur un dynamisme fort de l’Europe - en particulier de l’Allemagne -, des Etats-Unis et du Japon.  Dans cette effervescence actuelle, la France semble aujourd’hui en retrait. ALCIMED 14/03/2007 4 Les objectifs de l’étude Objectif de la DGE  Le MINEFI envisage de participer à la promotion d’une politique de soutien à la recherche industrielle sur le thème des réacteurs microstructurés pour renforcer la compétitivité des entreprises de chimie et créer de nouveaux emplois, améliorer la sécurité en matière de risques et promouvoir des actions concrètes dans le cadre de la politique de préservation de l’environnement (réduction des rejets, économie d’énergie, meilleure intégration des infrastructures industrielles).  Le MINEFI souhaite aujourd’hui se donner les moyens : – de surmonter les problèmes scientifiques et techniques auxquels les réacteurs microstructurés doivent faire face, – de profiter de cette opportunité pour maintenir et renforcer notre compétitivité en chimie par une approche d’innovation et de développement durable. Objectif d’ALCIMED  L’objectif d’ALCIMED est d’aider le MINEFI dans cette démarche en réalisant une étude en trois phases : – Recensement des applications potentielles des réacteurs microstructurés et sélection du champ d’investigation prioritaire pour les phases suivantes – Cartographie du savoir-faire français dans le domaine des réacteurs microstructurés et positionnement de la France dans un environnement international. – Analyse des besoins et attentes des industriels français, évaluation de l’impact économique des réacteurs microstructurés et synthèse de la position de la France. ALCIMED 14/03/2007 5 Le comité de pilotage CEA Gilles Le Marois MEDD Isabelle Rico-Lattes IEM Montpellier Gilbert Rios OSEO ANVAR Sylvie Dumartineix IFP Christophe Boyer NORDON CRYOGENIE David Averous CTMN Michel Froehlicher ARKEMA Denis Bortzmeyer INPL Nancy Michaël Matlosz AIR LIQUIDE François Fuentes SAINT-GOBAIN Edouard Brunet RHODIA Jean-Pierre Brunelle CEA Jean-Antoine Gruss MENR Marc Condat CEA Patrice Tochon CEA Claude Vauchier DGE Louis Trépied ALCIMED 14/03/2007 6 Le planning de l’étude Phase 1 Phase 2 Phase 3 - Cartographie des applications potentielles - Sélection du champ d’investigation prioritaire - Cartographie du savoir-faire français - Positionnement de la France dans un contexte international - Évaluation de l’impact économique - Synthèse de la position de la France Février 2006 Septembre 2006 11 interviews académiques 7 interviews équipementiers 18 interviews académiques 13 interviews équipementiers + 26 acteurs identifiés 29 interviews utilisateurs 4 interviews équipementiers ALCIMED 14/03/2007 7 Plan Définitions Panorama des technologies microstructures - Description - Développement et acteurs Besoins et attentes des industriels français Positionnement « micro outils » / Positionnement « outils microstructurés » Savoir-faire dans le domaine des technologies microstructures - International - France ALCIMED 14/03/2007 8 Définitions Définitions Panorama des technologies microstructures - Description - Développement et acteurs Besoins et attentes des industriels français Positionnement « micro outils » / Positionnement « outils microstructurés » Savoir-faire dans le domaine des technologies microstructures - International - France ALCIMED 14/03/2007 9 Définitions échelle micro  Travailler à l’échelle du micromètre permet de révéler au niveau de la fluidique ou bien au niveau des propriétés physico-chimiques de la matière des phénomènes inhabituels ... • Les écoulements de fluides à l’échelle micrométrique sont des écoulements laminaires, à bas nombre de Reynolds (sans turbulence). • Les écoulements de fluides dans des systèmes micrométriques mettent en œuvre une physico-chimie inhabituelle. −Les dimensions caractéristiques d’une réaction chimique (transport de matière, transfert de chaleur et mélange) sont comprises entre 50 et 300 microns. La production industrielle ne met généralement pas en œuvre de telles dimensions. −A ces dimensions, les phénomènes hydrodynamiques et physico-chimiques liés aux différents mécanismes de transport de matière, transfert de chaleur ou mélange sont gouvernés par des effets surfaciques. Des comportements « non conventionnels » peuvent être observés. ALCIMED 14/03/2007 10 Définitions réacteur microstructuré  … d’où l’intérêt de développer des réacteurs microstructurés pour tirer pleinement partie de ces avantages. Réacteurs microstructurés (Échelle micro) • On appelle réacteur microstructuré tout système dont la structuration est faite à l’échelle du micromètre, par exemple : −Chambre de réaction −Canaux −Chambre d’analyse • Dans un réacteur microstructuré, les étapes-clés se font à l’échelle du micromètre (analyse chimique / réactions chimiques). • De ce fait, ces systèmes présentent de meilleurs rendements, avec une sensibilité et une réactivité optimisées, et permettent le passage du batch au continu. Réacteurs classiques (Échelle macro) • Il existe deux grandes familles de réacteurs : −Réacteur continu (procédés à fort tonnage, ex. pétrochimie) −Réacteur batch (petites productions, élaboration de produits à haute valeur ajoutée, ex. chimie fine, pharmacie) • Dans un réacteur classique, les étapes-clés sont conçues par extrapolation à partir des différents essais réalisés en laboratoire (« scale-up »), et peuvent connaître des problèmes de reproductibilité. ALCIMED 14/03/2007 11 Définitions technologies microstructures  Micro-mélangeur  Micro-réacteur  Micro-échangeur  Réacteur microstructuré  Échangeur microstructuré  Mélangeur microstructuré Technologies «Microstructures» Micro - Outils Outils microstructurés Objets de petite dimension (taille caractéristique 1 µm - 1 mm) présentant une fonction bien identifiée (mélanger …) et élaborés par des technologies proches de la microélectronique Appareillage de taille macro destiné à la réalisation d’une opération spécifique (mélange, transfert de chaleur, réaction, séparation), dont la structure tridimensionnelle interne est à l’échelle submillimétrique Exemples  Micro-pompe  Dans le cadre de cette étude, deux types de microstructures sont considérés : les micro-outils et les outils microstructurés, rassemblés sous le terme technologies « microstructures ». ALCIMED 14/03/2007 12 Panorama des technologies microstructures Définitions Panorama des technologies microstructures - Description - Développement et acteurs Besoins et attentes des industriels français Positionnement « micro outils » / Positionnement « outils microstructurés » Savoir-faire dans le domaine des technologies microstructures - International - France ALCIMED 14/03/2007 13 Types de technologies microstructures première segmentation  21 types de réacteurs microstructurés ont été identifiés, se répartissant entre applications R&D / industrielles et acquisition & traitement de l’information / transformation chimique. Transformation chimique R&D Process Outils de synthèse combinatoire Microsystèmes d’analyse d’échantillon (µ-TAS) Puces à ADN Outils de screening Outils de criblage Lab-on-chip Opérations de coeur : chauffer / refroidir, mélanger Outils spécifiques aux sciences de la Vie Micro-concentrateur Micro-séparateur Micro-extracteur Opérations de traitement Micro-spectroscopie Micro-capteurs Micro-chromatographie Gestion de la fluidique Contrôle et analyse Micro-pile Marchés de l’automobile et de l’électronique Micro-mélangeurs Micro-réacteurs Micro-échangeurs Micro-pompes Micro-valves Acquisition&traitement de l’information Mélangeurs microstructurés Réacteurs microstructurés Echangeurs microstructurés ALCIMED 14/03/2007 14 Technologies « microstructures » technologies prometteuses  Seules les technologies microstructures destinées à la réaction chimique sont jugées comme prometteuses. Maturité industrielle Prioritaire Secondaire Micro-pompe Micro-valve Micro-chromatographie Micro-spectroscopie Micro-extracteur Micro-concentrateur Micro-séparateur - Utilisés en tant qu’outils de R&D - Utilisés en tant qu’outils de production industrielle (procédé continu) - Cible prioritaire dans l’optique d’une politique de soutien à la R&D industrielle faible forte Réacteur microstructuré Échangeur microstructuré Mélangeur microstructuré Micro-mélangeur Micro-réacteur Micro-échangeur Outils en développement Outils de production Contrôle/analyse* Opération de traitement* Gestion de la fluidique* Réaction chimique* *représentent les 4 étapes unitaires d’un procédé chimique ALCIMED 14/03/2007 15 Développement des technologies microstructures  L’élaboration des technologies microstructures repose sur deux approches distinctes : l’approche « top-down » et l’approche « bottom-up ». • L’approche « top-down », historiquement utilisée par l’industrie micro- électronique, permet aujourd’hui, grâce aux progrès technologiques, de miniaturiser des objets de plus en plus petits touchant des domaines aussi variés que la mécanique, la biologie, la médecine, la chimie … − «Nous maîtrisions certaines microtechnologies, nous avons décidé de l’appliquer uploads/Industriel/ alcimed.pdf

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