Flow Chemistry

Conception de microréacteurs sans colmatage pour des réactions chimiques multiphasiques

Les microréacteurs sont aujourd'hui de plus en plus utilisés dans différents secteurs de l'industrie chimique (pharma, agrochimie, arômes, carburants, matériaux). Les avantages de cette technologie sont qu'elle permet une production stationnaire de la molécule d'intérêt en flux continu tout en garantissant des transferts de matière et d'énergie efficaces lors du scale-up. Toutefois, si le microréacteur est une technologie éprouvée pour les réactions chimiques homogènes, la mise en 'uvre de réactions chimiques multiphasiques (solide-liquide ou gaz-solide-liquide) propose de nombreux challenges. En particulier, les problèmes de colmatage rencontrés lorsqu'une réaction chimique produit ou utilise un solide entraînent des opérations de maintenance fréquentes qui empêchent une exploitation stationnaire et limitent l'attractivité de la technologie en production. Concrètement, l'expérience montre qu'un microréacteur muni d'un canal en PTFE (diamètre 1 mm) permettant de produire en continu une suspension de nanoparticules de cuivre en régime d'écoulement fortement laminaire se bouche après ~60 min d'exploitation. Des problèmes similaires sont observés pour des réactions d'oxydation avec KMnO4 formant un précipité de MnO2 en sous-produit.

Le facteur limitant l'usage des microréacteurs avec des réactions hétérogènes est lié à la taille des canaux, typiquement 0.1 ' 3 mm. Dans de tels canaux, l'écoulement se fait de manière laminaire et il n'est pas aisé de maintenir les particules en suspension. Ainsi, l'objectif de ce projet est de développer un microréacteur permettant de garantir un degré de turbulences suffisant pour l'exploitation continue de réactions chimiques impliquant des suspensions de solide, en travaillant sur le matériaux utilisé pour la fabrication, la géométrie des canaux et l'utilisation de champs de force externes tels des ultrasons.
Chemical Process Development

Développement d'un capteur low cost pour déterminer la taille des particules et leur distribution lors de cristallisation

La cristallisation est une opération unitaire très utilisée dans l'industrie pharmaceutique et chimique pour purifier et isoler des molécules. La maîtrise de cette opération unitaire délicate est essentielle afin d'assurer i) une bonne productivité dans les installations de production et, ii) une qualité du produit conforme aux spécifications. Le contrôle en ligne du moment de l'apparition des premiers cristaux (nucléation) et de leur croissance (crystal growth) est nécessaire pour bien gérer cette opération unitaire. Actuellement, la seule technologie FBRM (« Focused Beam Reflectance Measurement ») sur le marché pour analyser ces aspects en ligne et en continu est très chère.

Deux instituts de recherches de la HES-SO se sont unis afin de développer un nouveau capteur pour aider les chimistes à mieux contrôler et maîtriser les cristallisations. Ces instituts sont l'Institut des Microtechnologies Appliquées (IMA-Arc) à Neuchâtel et l'Institut des Technologies Chimiques (ChemTech) à Fribourg. Ce nouveau capteur est basé sur une technologie différente de celle du laser backscattering utilisée dans la sonde FBRM. Cette technologie alternative délivrera un capteur nettement moins cher et beaucoup plus petit. Ainsi ce nouveau capteur pourra être utilisé dans tous les types de réacteurs utilisés pour les cristallisations : du réacteur batch au micro-réacteur.

En symbiose avec le développement de ce nouveau capteur, ce projet en démontrera l'efficacité en ciblant des exemples concrets avec une forte résonance dans le monde industriel afin d'en faciliter son acceptation et son implémentation.

Synthèse et modification de la structure des liquides ioniques pour optimiser leurs propriétés thermoélectriques IL-TEG

Le projet a pour but de développer une nouvelle génération de générateur thermoélectrique (TEG) basé sur des liquides ioniques (LI).
Descriptif : Certains liquides ioniques ont des propriétés thermoélectriques prometteuses avec des coefficients Seebeck (Se) bien plus élevés comparé aux alliages de matériel tellurure de bismuth qui est utilisé dans les TEGs commercialisés. Dans un projet précédent, l'équipe d'He-Arc a caractérisé des liquides ioniques commercialisés et a réalisé des premiers générateurs basés sur des LIs. Le lien entre les propriétés thermoélectriques (conductivité, viscosité, coefficient Seebeck) des LIs en relation avec les propriétés des dispositifs (VOC, ISC, Pout_max), et des effets stériques des molécules a pu être étudié. L'ensemble des liquides ioniques attirent une grande attention en raison de leur possibilité d'être adaptés en fonction des exigences de propriété. Un objectif de ce projet est de synthétiser des liquides ioniques permettant de maximiser le rendement des générateurs.
Interdisciplinarité :
Avec la technologie `Solid-On-Liquid', l'He-Arc possède une technologie unique pour établir des méthodes de fabrication de ces modules de générateur thermoélectrique (TEG). Ce projet envisage de mettre 1000 générateurs en série sur un substrat en utilisant des matériaux tel que le silicone, le polyimide, les LIs, et des contacts en différentes matières tel que le Cu, Ni, INOX, Al.
La HEIA-FR possède une grande expérience dans la synthèse de liquides ioniques. Dans le cadre du projet Call 2009 Eco2BioPro de nouveaux liquides ioniques ont été synthétisés avec des spécificités pour les réactions enzymatiques. Dans le cadre du projet Call 2011 SmartCity CO2MeOH, des liquides ioniques ont été développés et préparés en quantité semi-industrielle, afin de maximiser la capture du CO2. De nouvelles méthodes de synthèses en continu des LIs ont aussi été développées (microréacteurs). Les mêmes stratégies de modification des cations et anions du LI peuvent être appliquées dans ce projet afin d'optimiser les propriétés thermoélectriques.
Valorisation : Les TEG sont les seuls générateurs autorisés pour les life-conserving implants en utilisant la chaleur du corps. Les TEGs sont intégrables dans les textiles parce qu'ils sont flexibles et adaptables au corps. Un autre « track de valorisation » vise l'électronique de consommation, les bracelets de montre ou les générateurs pour les téléphones portables.