Analyse fonctionnelle des produits et procédés : méthodes et outils génériques pour la modélisation et la simulation

Développer les modèles et les outils pour une conception intégrée des produits et procédés de demain

Ce thème a pour objectif de développer des modèles de connaissance et des outils génériques de modélisation et de simulation aux échelles macroscopiques et microscopiques (simulation moléculaire et mésoscopique) dans différents environnements logiciels. 

Ils servent à étudier par exemple les processus d’agglomération, les systèmes réactionnels à l’équilibre ou à la cinétique contrôlée, les systèmes biologiques et alimentaires, les équilibres entre phases liquide – vapeur (azéotropes, pincements), liquide – liquide et liquide – solide (phases solides idéales ou polymorphes), ou à concevoir des procédés efficaces et écoresponsables. Parmi ces activités, la formulation inverse de molécules est l’exemple de la démarche PSI d’intégration des processus et phénomènes se déroulant aux petites échelles pour la conception de procédés innovants.

Logiciel de synthèse : la révolution des molécules éco-compatible est en route

Un laboratoire virtuel pour la formulation de biosolvants réels

La formulation de solvants de substitution à partir d’agro-ressources s’inscrit dans une chimie du carbone doublement durable dans sa capacité à se substituer aux ressources d’origine fossile et dans son potentiel à limiter les impacts « ESS » sur l’environnement, la sécurité et la santé. Les nouvelles molécules doivent satisfaire un cahier des charges enrichi, avec des exigences en termes d’impacts ESS tout aussi importantes que les propriétés fonctionnelles usuelles. Face à ce problème multi-objectif, la stratégie habituelle de synthèse de nouvelles molécules, « essai et erreur » qui part de la matière première et cherche à améliorer les produits vers des applications identifiées s’avère inefficace. Dans le cadre du projet ANR InBioSynSolv nous privilégions une double démarche virtuelle de formulation à partir d’outils prédictifs.

Le laboratoire virtuel s’appuie sur des méthodes prédictives associées à une représentation matricielle des mélanges et molécules candidats potentiels. Une fonction de performance multiobjectif décrit l’écart entre les valeurs et le cahier des charges qui recense les valeurs cibles des propriétés fonctionnelles du produit, des propriétés liées à l’utilisation de la molécule dans un processus manufacturier et des propriétés d’impacts EHS. Elle sert à évaluer les molécules candidates proposées par deux les démarches in silico : « bottom-up » et « top-down ». La démarche « bottom-up » utilise GRASS, un logiciel de synthèse assistée par ordinateur, pour imaginer les molécules pouvant être produites en appliquant des réactions chimiques éco compatibles à partir de synthons biosourcés. La démarche « top down » utilise IBSS, un logiciel de « formulation inverse » où, connaissant a priori le cahier des charges à satisfaire, on construit des molécules candidates à partir de briques chimiques, dont certaines sont issues de synthons biosourcés. In fine, un laboratoire réel valide la faisabilité des molécules : développement de procédés d’éco-synthèse, mesure des propriétés des molécules proposées in-silico pour évaluer leur performance réelle, tests en conditions réelles d’utilisation.

Le projet InBioSynSolv a permis de caractériser des synthons issus de filières de matières premières renouvelables, d’identifier un catalogue de voies de synthèses éco-compatibles, de développer une bibliothèque de modèles de prédiction de propriétés utilisés dans les fonctions de performance. Intégrés dans deux prototypes logiciel, « IBSS » pour une formulation top-down de molécules et « GRASS » pour de la synthèse chimique orientée, ils ont permis la formulation et le brevet d’une nouvelle classe de molécules biosolvants. Enfin, le travail de thèse de Juliette Heintz (2009-2012) a réalisé la modélisation formelle des processus de décision pour capitaliser la connaissance de tous les acteurs d’un projet de formulation d’une nouvelle molécule, afin de garantir une solution en conformité avec l’ensemble des contraintes que l’entreprise chimique doit affronter.