Article de référence | Réf : J8080 v1

Glossaire
Usines chimiques miniaturisées en flux - Produire mieux avec moins

Auteur(s) : Jean-Christophe MONBALIU, Julien LEGROS

Date de publication : 10 déc. 2024

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RÉSUMÉ

Les caractéristiques des réacteurs miniaturisés à flux continu leur permettent de s’affranchir de certaines limites des réacteurs batch macroscopiques classiques pour la synthèse chimique, avec des résultats impressionnants en chimie fondamentale comme en production. Après avoir présenté les propriétés des réacteurs fluidiques, cet article décrit leur apport en sécurité et leur application en maîtrise de composés toxiques d’une part et en synthèse d’actifs pharmaceutiques d’autre part, en mettant l’accent sur l’aspect « usine miniature autonome ».

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Auteur(s)

  • Jean-Christophe MONBALIU : Professeur - Center for Integrated Technology and Organic Synthesis (CiTOS), MolSys Research Unit, University of Liège, Allée du Six Août 13, B-4000 Liège (Sart Tilman), Belgique - Chercheur Principal - WEL Research Institute, Avenue Pasteur, 6, 1300 Wavre, Belgique

  • Julien LEGROS : Directeur de recherche au CNRS - Laboratoire COBRA, Université de Rouen Normandie, Mont-Saint-Aignan, France

INTRODUCTION

Les événements mondiaux des années 2020 conduisent le monde à repenser certains modèles qui, jusqu'à peu, semblaient irremplaçables. La pandémie de COVID a pulvérisé les schémas économiques de certains produits manufacturés, parmi lesquels la limite sévère de l'approvisionnement en chimie fine, et donc en ingrédients pharmaceutiques actifs (API), a été mise en évidence. D'importantes pénuries de médicaments stratégiques se sont ainsi cruellement fait sentir, mettant en péril la capacité des systèmes de santé nationaux à soigner leurs concitoyens. La plupart des pays dits « industrialisés » ont montré les limites de leur appareil industriel dans cette situation d'urgence. De plus, le conflit russo-ukrainien a encore aggravé cette situation avec un besoin urgent de changement rapide et radical dans la réorganisation de l'industrie manufacturière.

Depuis le début des années 2000, la production de produits chimiques fins, tels que les API et leurs intermédiaires (dont la plupart sont tombés dans le domaine public), a été presque entièrement délocalisée dans des pays lointains, à la fois pour des raisons de coût et de moindres contraintes environnementales et de sécurité, ce qui est intrinsèquement lié à la méthode de production de ces composés : les réacteurs batch macroscopiques. En effet, l'utilisation de réacteurs discontinus signifie que, pour produire plus, il faut augmenter leur capacité, ce qui entraîne des investissements élevés et une main-d'œuvre importante, ainsi que des contraintes importantes en matière de sécurité. Cette logique a conduit au démantèlement des installations de production chimique dans de nombreux pays.

Contrairement à d'autres sciences qui ont révolutionné leurs concepts au cours des dernières décennies, la synthèse organique (pièce maîtresse de la fabrication des médicaments) utilise à peu près les mêmes outils depuis les années 1950 et repose encore sur des connaissances souvent empiriques. Or, il existe en 2024 une technologie autre que cette synthèse en réacteurs macrobatch : les réacteurs miniaturisés à flux continu. Là où la production conventionnelle nécessite de très grandes installations, la synthèse en flux continu utilise un outil de production de la taille d'un appareil ménager         . Cette « usine miniature » est à la fois modulaire et mobile ; elle pourrait être utilisée pour préparer différentes molécules d'intérêt sur différents sites en fonction des besoins locaux.

Cet article propose ainsi d’aborder les avantages des réacteurs en flux continu pour : réaliser des réactions impossibles en réacteur conventionnel (dépasser la frontière spatiotemporelle réactionnelle la plus basse), améliorer la sécurité des procédés chimiques (réduire l’exposition de l’opérateur, générer transitoirement des espèces toxiques/explosives), implémenter des usines 5.0 (par association avec des outils d’analyse en ligne et des algorithmes de rétrocontrôle).

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j8080


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6. Glossaire

Réacteur batch macroscopique ; macrobatch reactor

Un réacteur désigne le dispositif dans lequel une réaction chimique a lieu. Dans le cas d’un procédé batch macroscopique (ou procédé discontinu en cuve macroscopique), il s’agit d’un récipient d’un volume déterminé (par exemple un ballon en verre de plusieurs millilitres ou une cuve en acier de plusieurs centaines de litres). Les produits de la réaction seront donc obtenus dans des quantités correspondantes au volume du réacteur (lot ou batch en anglais).

Réacteur à lit fixe ; packed-bed reactor

Le réacteur à lit fixe est un type de réacteur où la réaction a lieu à la surface d'un catalyseur ou réactif solide immobilisé, les substrats et les produits étant des liquides ou des gaz.

Rendement spatiotemporel ; space-time yield

Le rendement spatiotemporel correspond à la quantité de produit obtenue par unité de temps (soit la productivité) et par unité de volume du réacteur (par exemple en kg/h/L). Cette valeur permet de comparer l’efficacité de réacteurs de types différents.

Agent chimique de guerre ; chemical warfare agent

Les agents chimiques de guerre sont les molécules responsables de la toxicité des armes chimiques. L’arme chimique est donc constituée d’agents chimiques de guerre couplés à un moyen de vectorisation. L’emploi d’armes chimiques est interdit et sous contrôle de la Convention d’interdiction des armes chimiques.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HARTMAN (R.L.), MCMULLEN (J.P.), JENSEN (K.F.) -   Deciding Whether To Go with the Flow : Evaluating the Merits of Flow Reactors for Synthesis.  -  In : Angewandte Chemie International Edition, p. 7502-7519 – 10.1002/anie.201004637 (2011).

  • (2) - RODRIGUES (T.), SCHNEIDER (P.), SCHNEIDER (G.) -   Accessing New Chemical Entities through Microfluidic Systems.  -  In : Angewandte Chemie International Edition, p. 5750-5758 – 10.1002/anie.201400988 (2014).

  • (3) - WEBB (D.), JAMISON (T.F.) -   Continuous flow multi-step organic synthesis.  -  In : Chemical Science, The Royal Society of Chemistry, p. 675-680 – 10.1039/C0SC00381F (2010).

  • (4) - PLUTSCHACK (M.B.), PIEBER (B.), GILMORE (K.), SEEBERGER (P.H.) -   The Hitchhiker’s Guide to Flow Chemistry.  -  In : Chemical Reviews, p. 11796-11893 – 10.1021/acs.chemrev.7b00183 (2017).

  • (5) - GÉRARDY (R.), EMMANUEL (N.), TOUPY (T.), KASSIN (V.-E.), TSHIBALONZA (N.N.), SCHMITZ (M.), MONBALIU (J.-C.M.) -   Continuous Flow Organic Chemistry : Successes and Pitfalls at the Interface with Current Societal Challenges.  -  In :...

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