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Quels procédés pour l’usine du futur?
Quel est le point commun entre la production de bière, d’eau potable, d’essence, de pain, de shampoing ou de vaccin ? Le génie des procédés ! Cette science de l’ingénieur, qui étudie les processus et les procédés de transformation de la matière pour obtenir des produits en optimisant les ressources en matières premières et en énergie. La définition la plus exhaustive a été donnée par Jacques Villermaux, qui a été professeur de génie des procédés à Nancy : « Le génie des procédés de transformation est l'ensemble des connaissances nécessaires pour concevoir, analyser, développer, construire et faire fonctionner d'une manière optimale des procédés dans lesquels la matière change de forme, d'état d'agrégation ou de dispersion, d'état physique ou de propriétés physico-chimiques, de nature chimique. » Aujourd’hui, cette discipline doit relever de nombreux défis pour tendre vers une industrie plus propre, une société zéro déchet et une économie durable.
Un champ d'application de plus en plus étendu
Le génie chimique a été intimement associé au développement de l’industrie pétrolière et pétrochimique après la Première Guerre mondiale. Ses méthodes et ses concepts se sont appliqués à pratiquement tous les secteurs industriels où interviennent des procédés de transformation : agroalimentaire, environnement, matériaux, métallurgie, pharmacie, textile, traitement des eaux, bioraffinerie, biotechnologie… L’élargissement des domaines d’application a conduit, en France, à substituer au vocable « génie chimique » celui de « génie des procédés », et à la création de la Société française de génie des procédés en 1988, sous l’impulsion de Jacques Villermaux.
L’objectif principal des recherches menées dans les laboratoires de génie des procédés est de développer les aspects méthodologiques ainsi que les interfaces avec la biochimie, la chimie, la biologie, la physique et les mathématiques appliquées pour traiter des problématiques relevant des industries de procédés.
Au quotidien, les scientifiques tentent de répondre à de nombreuses questions : comment, avec tel ou tel processus, se transfère la matière ? La chaleur ? Les quantités de mouvements ? Quelle est la thermodynamique des réactions qui s’y déroulent ? Comment interagissent les différents processus utilisés, à la fois dans le temps et dans l’espace ? Des questions d’autant plus complexes que – et c’est une évolution récente – le génie des procédés se penche sur un domaine aux dimensions de plus en plus étendues, allant des nano et micro-échelles aux échelles du réacteur, de l’usine, jusqu’aux écoparcs industriels.
Des échelles différentes… mais aussi des physiques différentes, car le génie des procédés s’intéresse à des objets réels, et donc généralement complexes. Cela a conduit à développer des modèles « raisonnés » en fonction de l’objectif que l’on veut atteindre. Ces modèles peuvent en effet être réduits à certains paramètres pertinents, déterminés en fonction de leur utilisation, pour décrire l’ensemble des étapes du procédé. Avec en ligne de mire la conception, le contrôle et l’optimisation des équipements dans lesquels les matières premières sont transformées en produits tels que des carburants automobiles ou aéronautiques, ou encore des produits laitiers.
Au cœur de l'usine du futur
Plus que jamais, le génie des procédés doit proposer des solutions techniques répondant aux contraintes environnementales, économiques et de sécurité. Cette discipline est par exemple au cœur du concept d’« usine du futur » qui vise à concevoir des usines plus propres, plus sûres en minimisant l’utilisation des ressources (énergie, ressources fossiles et minérales). Il s’agit en effet de développer des procédés robustes, flexibles et modulables, tout en étant intensifiés pour optimiser la gestion des ressources. Ces procédés flexibles devront permettre à la fois une adaptation aux nouvelles matières premières et une personnalisation des produits, comme des produits alimentaires adaptés aux différentes catégories de la population.
Désormais, la productivité et la qualité des produits ne sont plus les seules composantes de la valeur à prendre en compte. Il faut par exemple évaluer en continu les impacts environnementaux du procédé et du produit. Le développement des capteurs de qualité et de quantité installés sur les lignes de production est essentiel pour assurer le contrôle-commande des procédés afin de tenir compte de la variabilité des ressources et de l’adaptation continue des produits aux consommateurs et assurer ainsi la qualité de la production.
La société « zéro déchet », autrement dit la valorisation des déchets, est un enjeu de l’économie circulaire, qui intègre les fondements mêmes du génie des procédés : approche globale du système, bilan matière, bilan énergie, optimisation, gestion des flux. Le développement de cette économie doit permettre de diminuer le prélèvement des ressources, de réduire la production de déchets et de restreindre la consommation d’énergie. Dès la conception d’un produit, il faut penser à la valorisation des déchets, c’est-à-dire considérer ces déchets comme de nouvelles matières premières, afin de réintégrer une filière de production.
Le génie des procédés doit répondre aux demandes sociétales d’une économie durable. Les industries de procédé vont substituer progressivement de nouvelles ressources aux matières premières traditionnelles. Pour l’alimentation, il s’agit de satisfaire les besoins croissants qu’entraîne l’augmentation de la population mondiale en trouvant de nouvelles sources de protéines (protéines végétales, insectes, microalgues…). Pour les secteurs non alimentaires de la chimie, de l’énergie et des matériaux, il s’agit de faire face à la raréfaction des ressources non renouvelables et de réduire les impacts environnementaux et l’empreinte carbone en substituant biomasse et matériaux recyclés aux matières premières d’origine fossile. Les chercheurs travaillent par exemple sur les procédés de production de biocarburants de troisième génération ou de biobitume réalisé à partir de microalgues1.
Cette transition vers une bio-économie aura des conséquences importantes sur les procédés de fabrication et l’organisation des filières industrielles de production. La gestion de la fin de vie et le recyclage des produits devront être repensés de manière globale afin de développer de nouvelles chaînes de valeur économiquement viables et durables.
Plus d’infos sur les Assises du génie des procédés, organisées le 28 mars 2017 par la Société française de génie des procédés : assises-sfgp.fr/fr/index.html
- 1. Un tel biobitume a été réalisé par des chercheurs des laboratoires Chimie et interdisciplinarité : synthèse analyse modélisation (CNRS/Université de Nantes), Génie des procédés − environnement − agroalimentaire (CNRS/Université de Nantes/ONIRIS/Ecole des Mines de Nantes), Matériaux pour infrastructures de transports (Ifsttar), Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (CNRS), en collaboration avec l'entreprise AlgoSource Technologies.
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Jack Legrand est membre du Laboratoire de génie des procédés, environnement, agroalimentaire...
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