Optimiser les procédés chimiques de fabrication

Les industries alimentaire et pharmaceutique cherchent en permanence à améliorer l’efficacité et la sûreté des procédés chimiques sur lesquels repose la fabrication de leurs produits. L’équipe du Professeur De Wilde s’est dotée de réacteurs pilotes uniques au monde pour aider à relever ces défis.

Malgré la pluie qui tombe en abondance, Juray De Wilde ne cache pas sa satisfaction quand nous approchons du bâtiment qui abrite son laboratoire : « Les essais avec le nouveau pilote ont commencé », se réjouit-il à la vue du panache de fumée blanche qui s’élève d’une cheminée métallique flambant neuve. A l’intérieur du bâtiment, des chercheurs, dont Axel de Broqueville avec qui il a développé ce type de réacteur, s’affairent autour d’une cuve métallique au milieu d’un fouillis de fils et tubes en tous genres. « C’est un de nos deux réacteurs pilotes uniques au monde, présente Juray De Wilde. Ici, nous transformons du lait liquide en poudre de lait ». On comprend mieux son contentement à la vue de la vapeur d’eau qui s’échappe : le processus de séchage semble fonctionner.

Professeur au sein de l’Institute of Mechanics, Materials, and Civil Engineering (iMMC) de l’Ecole Polytechnique de l’UCLouvain, Juray De Wilde résume ses recherches d’une phrase lapidaire : « Nous travaillons sur la modélisation et le dimensionnement des réacteurs. » Réacteur est évidemment à entendre ici dans le sens chimique du terme, comme volume où se déroule des réactions chimiques (lire l’encadré). « L’objectif est de réaliser des réactions le plus efficacement possible mais aussi de manière la plus contrôlée et sûre possible. ». De multiples phénomènes se produisent dans les réacteurs et il faut tenir compte de ce qui se passe à des échelles très différentes. Le travail des chercheurs louvanistes consiste en une modélisation fondamentale de ce qui se déroule dans les réacteurs afin d’identifier pour des procédés donnés les étapes lentes et d’y remédier avec des nouveaux concepts de réacteurs permettant des conditions d’opération uniques. « Pour chaque phénomène qui s’y déroule, nous devons disposer d’équipements qui permettent de l’étudier spécifiquement ; il y a trop de paramètres pour pouvoir étudier directement l’ensemble », se désole Juray De Wilde. Les modèles globaux qui couplent la description des différents phénomènes doivent néanmoins être validés. Avec l’aide de partenaires industriels, son équipe a donc conçu et construit deux réacteurs pilotes permettant des mesures détaillées pour valider les modèles de simulation qui sont utilisés pour la mise à l’échelle de deux nouvelles technologies d’importance industrielle, le réacteur à lit fixe structuré et le réacteur à lit fluidisé high-G.

Intensifier la gravité

En ce qui concerne les réacteurs à lits fluidisés, leur principe repose sur l’injection d’un fluide sous un lit de particules afin de mélanger ce fluide à ces éléments solides et permettre de donner à ceux-ci certaines propriétés de ce fluide. De manière imagée, c’est comme si on injectait un gaz ou un liquide sous pression sous un lit de sable. Le fluide va soulever et disperser les grains de sable. Une limite au bon fonctionnement de ces réacteurs va être la loi de la gravité. Car, si un gaz passe à trop grande vitesse à travers un lit de particules, celles-ci vont avoir tendance à s’envoler. Gaz et particules vont se mélanger inadéquatement, ce qui nécessitera de les séparer par la suite. On a donc intérêt à ce que les particules ne soient pas entraînées par le fluide. Comment intensifier la gravité ? Par la force centrifuge, répondent les chercheurs. Une force puissante, propre à garder les particules près de la paroi du réacteur même si un gaz passe à travers à grande vitesse. Sauf que pour cela, il faudrait faire tourner le réacteur à grande vitesse. Difficilement imaginable quand on voit la taille des réacteurs utilisés dans l’industrie. « Nous avons donc imaginé de faire plutôt tourner le fluide injecté et pour cela, nous l’injectons tangentiellement à travers des fentes dans la paroi cylindrique du réacteur, explique le Professeur De Wilde. On arrive ainsi à générer un lit rotatif à grande vitesse rotationnelle, donc une grande force centrifuge. C’est comme si on opérait sous une gravité 10 ou 100 fois plus élevée.» Qu’est-ce que cela change pour les réactions ? Si gaz et particules ont des vitesses très différentes, les transferts de matière et de chaleur entre les deux sont plus efficaces. Mais cela permet aussi de travailler avec des particules beaucoup plus fines, la force centrifuge les empêchant de s’envoler. « Nous pouvons ainsi encore accroître le contact fluide-particules et envisager des nouvelles applications avec des particules ultrafines. »

Des poudres alimentaires

Ce type de réacteur permet des applications essentielles pour l’industrie pharmaceutique et alimentaire, sur lesquelles a travaillé le laboratoire louvaniste. Cette technique permet notamment d’enrober des particules de 40 microns d’une fine couche d’un micron, par exemple pour masquer un mauvais goût. Enrobage qui permet aussi de régler la vitesse de libération du composant actif dans le corps. Et cela doit être réalisé en flux tendu, sur un nombre immense de particules et avec un minimum d’agglomération ou avec agglomération contrôlée ! Sacré défi. Ou encore, de mélanger des particules différentes au sein d’agglomérats qui doivent tous avoir la même composition ! « D’autres partenaires industriels nous ont demandé de produire des poudres alimentaires avec cette technique. Et on travaille maintenant avec une société laitière qui aimerait produire de façon beaucoup plus efficace de la poudre de lait, seule solution pour des exportations lointaines de ce produit. » D’où le panache de fumée blanche qui s’élevait au-dessus du réacteur pilote à lit rotatif….