Ecole Nationale RESS - emse.fr · génie chimique, devenu génie des procédés. Toute...

N U M É R O 1 • S E P T E M B R E 2 0 0 3N U M É R O 3 • P R I N T E M P S 2 0 0 4

RESS RTSOE c o l e Nat iona leSupérieure des Mines

S A I N T - E T I E N N E

T r i m e s t r i e l é d i t é p a r l ’ E N S M - S E à l ’ i n t e n t i o n d e s e s p a r t e n a i r e s a c a d é m i q u e s e t i n d u s t r i e l s

Pétrole et gaz - Nucléaire - Piles à combustible - Filière

hydrogène-Biomédical - Matériaux de construction

Le génie des procédéset ses applications

É D I T O R I A Lsommaire

#3 • RESSORTS • pr intemps 2004

zoom génie des procédés

Puisque tout se transforme... 3A Saint-Etienne, le progrès

passe par SPIN 4Les activités de formation 4

trimestriel • numéro 3 • printemps 2004

expertise

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RE SSORTS

Une pub l ica t ion del ’ E c o l e Na t i o n a l e S u p é r i e u red e s M i n e s d e S a i n t- E t i e n n ewww.emse . f rDirecteur de l a pub l ica t ion : Rober t GerminetConcept ion , rédact ionet réa l i s a t ion : ADHwww.adh-presse .comOnt co l l aboré à ce numéro : Miche l Cour n i l , Jean-Miche l Herr i ,Chr i s tophe Pi jo l a t , Michè le Pi jo l a t ,Gérard Thoma s .Numéro CPPAP : en cours

Pétrole : « A la croiséedes chemins » 6

Quand les gaz seront solides 8Questions de cours 9Un partenaire à part : l’IFP 9Nucléaire : tout au long

de la filière 10Piles à combustible :

l’énergie propre 11La filière hydrogène 12Un matériau neuf :

le bois 13

Si le mot “ chimie " fait peur àl’opinion, les termes de “ géniedes procédés " présentent unautre inconvénient, celui d’êtreabscons. Surmontant ces difficul-tés de vocabulaire, le citoyenconsommateur doit pourtantmesurer les immenses servicesque lui rend au quotidien cettescience, ou plutôt cette “ multis-cience ".

S’il est en effet devenu un client roiqui exige une valeur d’usage cibléeet adaptée à ses besoins précis (unaliment, un produit cosmétiqueou pharmaceutique, etc.), qui sereconnaît le droit de changer d’a-vis quand il le veut, qui comman-de au producteur désormais inca-pable d’imposer comme jadis sespropres choix, c’est bien grâce auxformidables progrès de la métho-dologie et des concepts de l’anciengénie chimique, devenu génie desprocédés.

Toute l’industrie converge verslui. Ayant accumulé les connais-sances de la chimie, de la biolo-gie, de la physique, de la méca-

nique des solides et des fluides,s’appuyant sur les mathéma-tiques appliquées et les contrôlesinformatisés, le génie des procé-dés se met à chaque instant auservice du consommateur. Veut-ilun revêtement de chaussée plussûr ? Une qualité d’acier plus spé-cifique ? La crème de soin dontsa peau a exactement besoin ?Un dessert allégé pour éviter degrossir ? En amont, il faudra tou-jours mettre au point les transfor-mations physico-chimiques etbiologiques nécessaires pouradapter exactement matériaux etsources d’énergie à ses vœux.Sitôt émis ou presque, puisquetoutes ces réponses sont fourniessous le règne du “ juste à temps "et du “ premier sur le marché ".

Mieux : après avoir optimisécoûts et rendements, le génie desprocédés s’est mis au service desnouvelles priorités sociétales quel’industrie a fait siennes, la qualitéet la sécurité. Zéro défaut, zéropollution et, autant qu’il soit pos-sible de l’envisager, zéro accident :c’est encore au génie des procé-dés qu’incombe la poursuite decet idéal. Sans lui, aucune protec-tion possible de l’environnement.Et bientôt, grâce aux avancéesspectaculaires du couple ingé-nieur-médecin, la santé même nepourra s’imaginer sans lui.

S’appuyant sur une approchedéterministe, le génie des procé-dés modélise et trouve des loisd’extrapolation, dimensionne lesréacteurs pour passer de lapaillasse au stade industriel, de lamolécule au produit fini ; etmême au déchet ultime, puisqu’ilsuit ce produit du berceau autombeau. En ce sens, il exploredes “ boîtes noires " où s’ac-cumulent les phénomènes detransferts de matières et de cha-leur, réactions et séparations. Ilsimplifie la complexité. Est-ilmission plus exaltante pour uningénieur ?

Directeur de l’Ecole Supérieure deChimie Physique Electronique de Lyon etprésident de l’European Federation ofChemical Engineering.

La « multiscience »de tous nos vœux

Jean-Claude Charpentier

Ingénieur pharmacienet vice-versa 14

La santé aussi... 15Evénements de l’année 16Questions de cours 16

témoignage

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GÉNIE DES PROCÉDÉS ZOOM

Puisque tout setransforme…

P armi les sciences de l’ingénieur,il n’en est sans doute pas d’aus-si vaste, ni surtout d’aussi

ouverte sur des domaines nombreuxet diversifiés que celles regroupéessous le terme « génie des procédés ».Est-ce bien une science, d’ailleurs ?Une discipline ? Ne faudrait-il pasplutôt parler d’une fédération d’ap-proches ? Il peut se définir comme l’étude de ce qui concourt à toutetransformation de matières premiè-res ou de ressources énergétiques enun produit adapté aux besoins del’utilisateur. « Un champ d ’applicationstrès large et pluridisciplinaire, où toutl ’art de l ’ingénieur et du chercheurconsiste précisément à savoir mettre enœuvre cette pluridisciplinarité », résu-me Michel Cournil, qui dirige ausein de l’Ecole des Mines de Saint-Étienne le centre SPIN (Sciencesdes Processus Industriels etNaturels).

Le génie des procédés – le GP,comme on dit couramment – est unhéritier de la chimie, en tout cas enFrance, car en Allemagne par exem-ple, il a plutôt pris son essor à partirde la mécanique. Chez nous, il est lefruit d’une double évolution obser-vée dans les années soixante-dix,lorsque se constituait cette appro-che intégrée des procédés chi-miques en même temps que sonrayonnement s’étendait à d’autressecteurs, dont le secteur énergé-tique ; on peut dire aujourd’hui quele génie des procédés l’englobeentièrement. Il s’agit donc d’unediscipline jeune, même si le géniechimique, lui, est ancien.

Le rôle de la modélisation

L’approche est presque toujours glo-bale, diverse. Les différents centres,comme SPIN à Saint-Étienne, ne

sont donc pas des spécialistes enélaboration d’un produit – c’est plu-tôt le rôle de laboratoires de chimiequi se consacrent par exemple à telou tel catalyseur –, mais des expertsen processus. Comment élaborer,transformer, caractériser un pro-duit : voilà l’objet quotidien desrecherches en génie des procédés.Lequel ne connaît guère de stan-dards : chacun a sa propre« recette », en tout cas ses proprescentres d’intérêt, fruits la plupart dutemps de données historiques loca-les. C’est pourquoi les différentesEcoles des Mines, pour ne parlerque d’elles, se concurrencent peu.L’Ecole des Mines de Saint-Étienne,par exemple, se consacre essentiel-lement au génie des procédés des

matériaux solides, tandis que d’au-tres laboratoires ou écoles tra-vaillent sur les milieux liquides, lesémulsions, la chimie organique(polymères), etc. Historiquement, legénie des procédés s’est d’abordtrouvé distingué à Nancy etToulouse ; puis sont apparues l’uni-versité technologique deCompiègne et d’autres unitésdispersées, à Lyon, Grenoble,Bordeaux et Marseille notamment,sans oublier les Ecoles des Mines.

Malgré la diversité des thèmes derecherches, les connaissances scien-tifiques de base restent les mêmes :elles relèvent de la chimie, de la phy-sique et de la mécanique des fluides,le tout s’appuyant sur une

Issu de la chimie, le génie des procédés s’intéresse à tout ce qui concourt aux transforma-tions de matières premières et ressources énergétiques en produits adaptés aux besoins del’utilisateur. Un champ de recherche au carrefour de plusieurs disciplines, et qui ne cessede s’étendre à des applications nouvelles.

Champ offshore en eaux profondes du gisement Girassol, au large de l’Angola.© ZYLBERMAN LAURENT/GRAPHIX-IMAGES


ZOOM GÉNIE DES PROCÉDÉS

compétence en mathématiquesappliquées. La modélisation y joueen effet un rôle majeur pour mesu-rer, et donc prévoir, le déroulementde phénomènes comme la corrosionde matériaux, la diffusion de pro-duits polluants dans l’environne-ment ou même les réactions dedéfenses immunitaires d’un organis-me face à une agression virale. Oncomprend que dans certains cas,comme celui du stockage de déchetsradioactifs de très longue durée,l’expérimentation rencontre deslimites ; c’est alors à la modélisationet au calcul de prendre le relais.

Au cœur du développement durable

Comme toute activité de l’ingénieur,le génie des procédés n’existe que parla demande industrielle. Celle-ci alongtemps été dominée par les seulesexigences économiques et financiè-res : la recherche du rendementmaximum, du moindre coût. Depuisune vingtaine d’années, et c’est uneautre évolution marquante du GP, sesont ajoutées d’autres probléma-tiques industrielles et sociétales deve-nues prioritaires : la qualité bien sûr,mais aussi la sécurité, la protection del’environnement, l’impact sur lasanté. Le génie des procédés se trou-ve donc désormais au cœur de ce qu’ilest convenu d’appeler le développe-ment durable, dont il a très tôt inté-gré les exigences. Il y concourtnotamment par les économies d’é-nergie, la réduction des émissions degaz à effet de serre et la préventiondes accidents industriels.

Pour ces raisons, le génie des procé-dés joue un rôle essentiel dans toutesles industries sensibles et potentiel-lement dangereuses, notamment lachimie, le pétrole, le gaz et lenucléaire. Mais ses compétences s’é-tendent depuis peu à de nouveauxdomaines tels que la microélectro-nique et le secteur médical. « Il ne faitpas de doute qu’elles vont continuer à sedévelopper, en particulier dans le domai-ne de la santé, assure Michel Cournil. Legénie des procédés sera une activité de plusen plus ouverte… » Cette extension àdes domaines sans cesse plus nomb-reux se traduit par un croisement decultures toujours plus fécond qui enest à la fois la cause et la conséquen-ce. Ce qui, pour les étudiants, leschercheurs et les ingénieurs, fait dugénie des procédés une activité par-ticulièrement passionnante. �

A vec ses 75 collaborateurs dont27 enseignants-chercheurs et25 doctorants, ses 4 départe-

ments scientifiques, ses 9 thèmes derecherche, avec aussi ses 4 400 m2

situés dans deux bâtiments, dont unhall de génie chimique de 400 m2,SPIN (Sciences des ProcessusIndustriels et Naturels) offre àl’Ecole des Mines de Saint-Étiennedes moyens de premier ordre pourfaire progresser le génie des procé-dés. Ce dernier représente d’ailleurs30% des activités de l’Ecole.

Les trois quarts des chercheurs deSPIN appartiennent à une unitémixte de recherche du CNRS ouassociée (« Laboratoire des procédésen milieux granulaires », UMR 5148,et « Transferts lithosphé-riques »,UMR 6425). Les partenariats sontnombreux aussi au sein du GEM, leGroupe des Ecoles des Mines, quitravaillent toutes, à un titre ou unautre, sur le génie des procédés.

En fait, il n’existe pas de partena-riat global, mais sur pratiquementtous les sujets sont associés de un àtrois autres laboratoires, françaisou étrangers, notamment enAllemagne, en Espagne, en Italie,aux Etats-Unis, au Canada, auMaroc, au Brésil, en Chine. « Nosrecherches sont toujours extrêmementouvertes, commente MichelCournil, qui dirige SPIN depuis2001. Nous pouvons rarement toutfaire au sein du Centre : au mieux jus-qu’à 80 ou 90% de la recherche. Il y atoujours une partie qui déborde de noscompétences, preuve que nous avonsbien affaire à des activités toujourspluridisciplinaires. »

Rayonnement

Le Centre n’en dispose pas moinsde toutes les compétences et dumatériel nécessaire pour étudier laréponse à un problème industrieldepuis l’atome jusqu’au stade duprototype. Il possède notammentdes réacteurs hétérogènes, les tech-niques les plus en pointe pour lacaractérisation des solides et bien

sûr les moyens informatiques néces-saires. Plus de la moitié du budgetde SPIN est couvert par descontrats de recherche. En 2002, ilsreprésentaient 1,1 million d’euros,dont 600 000 € de contrats indus-triels directs.

La filière énergétique représente lesdeux tiers des contrats industriels,avec des clients aussi prestigieuxque Total, le CEA, la COGEMA,l’Institut Français du Pétrole, Gazde France ; dans d’autres secteurs,Pechiney, Renault, Arcelor, Lafargeou Beghin-Say profitent égalementdes compétences de l’Ecole.

Quelques actions de recherchemarquantes concernent les hydra-tes de gaz, la sécurité industrielle,par exemple une perte de confine-ment des réservoirs de suite p.6

A Saint-Etienne,

4

A travers le centre Sciences des de l’Ecole des Mines.

Côté enseignement, le Centre SPIN essaie decouvrir tous les thèmes de base du génie des pro-cédés et leurs applications. Il intervient sur denombreux sujets en première année du cycle deformation des ingénieurs civils des mines, en par-ticulier en thermodynamique. En deuxième année,sur les sciences et techniques de l’ingénieur, axe

Le s act iv i tés


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le progrès passe par SPINProcessus Industriels et Naturels, le génie des procédés représente une part importante des activitésLes grands groupes industriels le savent et ne se privent pas d’utiliser ses compétences.

EXPERTISE

procédés, et dans le module énergétique. En troi-sième année enfin, dans les « profils » procédéset énergétique, qui concernent 20 à 30 élèves.

Un Master Recherche de génie des procédés,cohabilité avec l’Université Jean Monnet de Saint-Etienne, comprend des cours qui approfondissentles principaux aspects de la discipline, une sériede conférences et séminaires, et se prolonge parun stage de laboratoire en milieu universitaire ouindustriel, en France ou à l’étranger.

L’ensemble de ces formations représententun total de 4 000 heures d’enseignement.

A domaine pluridisciplinaire, débouchésvariés. Les jeunes ingénieurs qui ont choisi cetteoption en trouvent sans peine dans à peu prèstous les secteurs industriels -de l’énergie auxtransports en passant par la pharmacie, l’élec-tronique, l’agroalimentaire et d’autres encore- etpeuvent y exercer le métier d’ingénieur soustous ses aspects : R&D, conception, conduite deprojet, production, qualité, sécurité, maintenan-ce et même activités commerciales. �


de formation

En matière de recherche, la stratégie de SPIN se décrit de la manièresuivante :

1 thématique unique : le génie des procédés en milieux granulaires

3 compétences de base :• la dynamique des processus à l'état solide (thermodynamique et

cinétique à l’échelle du domaine élémentaire de la transformation)• la dynamique des systèmes divisés (morphologie, mécanique,

transferts et réactions en milieux divisés : empilements granulaires,suspensions, aérosols, milieux poreux, etc.)

• l'instrumentation et les capteurs (instrumentation, capteurs, ana-lyse d’images et de signaux).

4 domaines d’application industriels et sociétaux :• l’énergie (le secteur du nucléaire, le secteur gaz-pétrole, la filière

hydrogène, etc.)• les matériaux innovants (composites à base de bois, matériaux

muti-échelle, matériaux pour l’électronique, etc.)• le développement durable (valorisation des déchets industriels,

pollution des sols, dégradation naturelle de matériaux, thermohy-draulique et sécurité, réduction du CO2, etc.)

• l’ingénierie et la santé (biomatériaux, images et signaux biomédi-caux, biomodélisation, impact des nanopoudres sur la santé, etc.)

Une thématique diverseet cohérente

Une partie des collaborateurs de SPIN. DR


EXPERTISE

gaz liquéfiés, les capteurs pourl’automobile et l’aéronautique, lachaîne du combustible nucléaireet la sécurité des réacteurs, leseffets de la pollution sur les bâti-ments et un matériau d’une grandenouveauté… le bois.

L’autorité de SPIN dans le géniedes procédés se mesure aussi àson rayonnement dans la commu-nauté scientifique. En 2002, 9doctorats et 7 DEA ont été sou-tenus au sein du Centre.Parallèlement, ses enseignants-chercheurs ont publié 36 articlesdans des revues à comité de lec-ture et sont intervenus dans 94colloques, dont 46 avec actes.

Ils participent activement auxsociétés savantes qui réunissent lesspécialistes à l’échelle nationale,européenne et mondiale. La SociétéFrançaise de Génie des Procédés(SFGP) édite une revue, Procédique,et tient un congrès francophonetous les deux ans. Le dernier a réunià Saint-Nazaire en septembre 2003près de 600 participants ; il a per-mis de recueillir 350 contributionsorales et/ou écrites. C’est Saint-Étienne qui accueillera le congrèsen 2007, organisé conjointementpar les écoles du GEM.

D’ici là, SPIN est chargé d’organi-ser, conjointement avec les associa-tions française et internationalespécialisées, l’AFCAT* etl’ICTAC**, les 35èmes Journées deCalorimétrie et d’AnalyseThermique qui se tiennent à SaintEtienne les 11, 12 et 13 mai. Et c’estencore le Centre qui aura la respon-sabilité, les 24 et 25 novembre 2004à Saint-Étienne, de « Cristal 3 »,journées consacrées à la cristallisa-tion et la précipitation industrielle.Le comité scientifique présidé parMichel Cournil, qui réunit indus-triels et universitaires, a retenu qua-tre thèmes : les mécanismes fonda-mentaux de ces deux phénomènes,l’élaboration et le comportementdes cristaux, leur caractérisation,enfin la conception, la modélisationet le contrôle des procédés. Ce col-loque doit faire le point sur lesconnaissances actuelles et favoriserles échanges entre chercheurs, équi-pementiers et utilisateurs. �

* Association française de calorimétrie et d’analyse thermique

** International Confederation for Thermal Analysis and

Calorimetry

T rès impliqué dans l’industriepétrolière, le centre SPINintervient essentiellement au

niveau de ce que l’on appelle ledomaine « amont », c’est-à-dire duréservoir naturel, le gisement, jus-qu’à la mise en production au puitset au transport par pipe-lines. Il nes’intéresse pas directement audomaine « aval » (raffinage, pétro-chimie). Du moins côté recherche,car dans l’ enseignement il inter-vient aussi sur ce domaine.

Ces recherches de SPIN sur la pro-duction d’hydrocarbures s’appuientsur un constat : au fur et à mesurede l’amenuisement des réserves, lesconditions d’exploitation seront deplus en plus difficiles, onéreuses etrisquées. En effet, une partie impor-tante des réserves, et la majorité desdécouvertes à faire, se situent main-tenant dans des gisements sous-marins de plus en plus profonds ; onfore jusqu’à 1 000 mètres, mais desétudes sont en cours pour descen-dre jusqu’à 3 000 mètres. Ce qui nereste évidemment pas sans consé-quence sur le prix de revient :aujourd’hui déjà, le développementtechnique d’une plate-forme deforage coûte aussi cher que celuid’une navette spatiale. Handicapsupplémentaire, les pétroles dispo-nibles sont aussi de plus en pluslourds, c’est-à-dire visqueux et char-gés en impuretés.

Cette accessibilité réduite provoquedes difficultés d’exploitation qu’ilserait ruineux de surmonter enenvoyant à chaque fois quelqu’unsur place. C’est donc en amont qu’ilfaut mener la recherche pour pré-voir ce qu’il est susceptible de sepasser et comment l’on pourraitalors remédier aux problèmes. Apartir de 300 mètres de fond, l’eauest à environ 4°C, guère plus de10°C dans les mers chaudes, et lapression très forte. Dans ces condi-tions, un mélange de pétrole, de gaz(méthane) et d’eau forme des com-posés solides appelés hydrates degaz qui peuvent obstruer un conduitdu puits. Anticiper ce genre de pro-

blèmes fait appel à des compétencesqui relèvent à la fois de la chimie, dela physique et de la mécanique desfluides, le tout appuyé sur lesmathématiques appliquées.

Bulle de gazet raz-de-marée

Pour ce faire, SPIN dispose à Saint-Étienne de plusieurs modèlesréduits (de quelques centimètres àplusieurs mètres) qui simulent lesconditions d’un pipe-line sous-marin. Les chercheurs peuvent dèslors proposer des modélisationspour décrire la formation des bou-chons, les prévenir grâce à des addi-tifs spécifiques (par exemple desglycols, assez proches de ce que l’onmet dans un radiateur de voiture),ou encore proposer des procéduresde débouchage quand ils se sonttout de même formés.

Connaître la formation des hydratesde méthane est d’autant plus néces-saire qu’ils présentent de gravesrisques. Les hydrocarbures se trou-vent dans des réservoirs géologiquesnaturels, d’où on les fait jaillir pourles récupérer. Mais ils subissent éga-lement des fuites naturelles ; à l’échelle des temps géologiques, unepartie du méthane quitte ainsi lesédiment pour migrer vers la surfa-ce. Tant qu’ils restent à faible tem-pérature, ces composés demeurentstables. Mais, précisément, le forageprovoque un échauffement qui peutles déstabiliser et faire remonter à lasurface une énorme bulle de gaz sus-ceptible - cela s’est déjà vu - d’é-branler la plate-forme pétrolière.

En dehors même de l’exploitation,le réchauffement de la planète n’estpas à cet égard indifférent. Avec uneélévation générale de la températureprovoquée par l’effet de serre, leshydrates de méthane les moins pro-fonds se retrouveraient dans uneeau insuffisamment froide pour res-ter stables. On peut alors imaginerun véritable scénario catastrophe, la libération de ce méthane, gaz àeffet de serre quinze fois supérieur à

Pétrole : « AA la fois obstacles aux forages et ressources poten

Et pour

7#3 • RESSORTS • pr intemps 2004

celui du gaz carbonique, élevant àson tour la température terrestre,et ainsi de suite. Ce phénomène a-t-il déjà commencé ? Certains lepensent. Toujours est-il que la terreporte les traces de tels événe-ments : au large de la Norvège exis-tent des cratères provenant de ladéstabilisation soudaine des hydra-tes et du sédiment qui les portait.Cet événement a provoqué un raz-de-marée, et s’il se reproduisaitaujourd’hui il imposerait un risqueimportant aux pays proches,comme les Pays-Bas.

Une ressourcegigantesque

Si, pour toutes ces raisons, les pro-ducteurs de pétrole considèrent leshydrates de gaz comme uninconvénient, ils commencentaussi à les voir comme une ressour-

ce, et même une ressource gigan-tesque. « On estime que l ’énergie fos-sile piégée dans ces structures est supé-rieure en quantité à celle de toutes lesénergies fossiles conventionnelles– pétrole, charbon et gaz naturel –cumulées, explique Jean-MichelHerri, maître-assistant, chef deprojet hydrates de gaz du Centre.Or l’épuisement du pétrole n’est pas siéloigné : les plus optimistes le voientvers 2070, les autres vers 2030. Depuiscinq ans, la communauté scientifiques’interroge donc sur la possibilité d ’ex-ploiter les hydrates de méthane. Noussommes à la croisée des chemins. »

De nombreux programmes inter-nationaux sont en cours, d’une partpour localiser les réserves avecdavantage de précision, d’autrepart pour essayer de produire cettenouvelle énergie. L’Ecole y prendune part active puisque SPIN est

l’un des tout premiers centresmondiaux sur la thématique deshydrates. La France, d’une manièregénérale, est très active sur ce sujetgrâce au dynamisme de Total, quirelève des défis technologiquesconstants avec la mise en produc-tion de champs pétroliers ultra-profonds. L’Institut Français duPétrole est un partenaireprivilégié ; il faut noter l’implica-tion d’autres organismes spécialisésen sciences de la terre comme leCollège de France ou l’IFREMER.

« Une collectivité bienorganisée »

Les moyens de SPIN lui permet-tent d’abord de reproduire la for-mation puis la décomposition deshydrates de méthane dans dessédiments par 3 000 mètres defond, pour évaluer ensuite lesvitesses de transformation. Il peutenfin modéliser, soit la productionde méthane à partir de gisementsmassifs, soit la maturation lentede ces gisements au regard deréchauffements locaux ou plané-taires.

Pour le centre SPIN, le contextepétrolier n’est pas le seul domained’application des hydrates de gaz.Sir Humphrey Davy, qui les adécouverts en 1810 lors de ses tra-vaux sur les gaz de mines, seraitpeut-être surpris de les voir main-tenant trouver des applicationsdans le domaine de la séparationde gaz, du transport du gaz sousforme solide, ou encore de la cli-matisation.

Entre SPIN et ses partenaires,quelque 450 chercheurs qui « plan-chent » sur ces sujets à travers lemonde, les contacts sont nom-breux, notamment à travers uncongrès triennal, l’InternationalConference on Gas Hydrates.« C’est une collectivité bien organisée,explique Jean-Michel Herri, et l ’in-dustrie pétrolière aime partager l ’in-formation, ne serait-ce que pour rédui-re ses coûts… » �

EXPERTISE

la croisée des chemins »tielles, les hydrates de gaz sont au cœur des préoccupations de l’industrie pétrolière. SPIN, un thème d’études privilégié.

Vue de la plate-forme du champ de Yanga au Congo. © HUNEAU A.

8 #3 • RESSORTS • pr intemps 2004

E xploiter les hydrates de métha-ne résoudrait certes la ques-tion des ressources fossiles

accessibles, mais pas celle duréchauffement de la planète par lesémissions de dioxyde de carbone(CO2), bien au contraire.Cependant, il se trouve qu’une par-tie des solutions envisagées pourun problème sont transposables àl’autre. Puisque la combinaisond’une haute pression et d’une bassetempérature permet de solidifierdu méthane sous forme d’hydrates,n’en irait-il pas de même des gazrejetés par l’industrie ?

Dans le cadre d’un projet euro-péen, la piste est actuellement

explorée pour la sidérurgie. Leprincipe : compléter les hauts-fourneaux avec des installationscapables de séparer le CO2. Oncommencerait par le comprimeren le combinant à de l’eau pour lesolidifier sous forme d’hydratestrès riches en dioxyde de carbone,comparables aux hydrates deméthane.

D’une pierre deux coups

Ainsi solidifiés, donc facilementtransportables, ces rejets seraientensuite retransformés en gaz pourêtre injectés dans les sédimentsgorgés d’eau qui occupent le sous-sol des continents à peu près par-

tout, sauf sous les chaînes de mon-tagnes. Là, à 1 000 mètres de profondeur, le CO2 injecté se dis-soudrait dans l’eau puis réagiraitavec la roche pour former des car-bonates. Les géochimistes de SPINs’intéressent particulièrement àcette étape qui doit finir par unestabilisation définitive du CO2injecté. En procédant de cettefaçon apparemment complexe, onne ferait d’ailleurs que reproduireen l’accélérant un processus natu-rel, puisqu’une partie du CO2 pré-sent à la surface est en permanenceintégré aux sédiments et mis à l’é-cart de l’atmosphère.

La capacité des sédiments situés enprofondeur à accepter une chargesupplémentaire en CO2 et à laconvertir en minéraux ne faitaucun doute sur le long terme, maisles effets à moyen terme de l’injec-tion de CO2 doivent encore fairel’objet d’évaluations délicates surlesquelles portent les efforts derecherche actuels, en partenariatavec Total et l’Institut Français duPétrole.

Mieux : tant qu’à injecter le CO2dans le sous-sol, pourquoi ne pas lefaire dans les champs pétrolifères enfin d’exploitation, où il « pousserait »vers la surface les hydrocarbures quirestent à extraire ? C’est une tech-nique déjà mise en œuvre dans cer-tains champs canadiens, qui permetde faire d’une pierre deux coups.

L’une et l’autre solutions, avecleurs étapes successives, suppo-sent bien sûr d’énormes installa-tions industrielles. Mais l’enjeun’est rien moins que le plus gravedéfi lancé au développement dura-ble de la planète. « Nos recherches sesituent tantôt en recherche et dévelop-pement, tantôt en R&D, fait remar-quer Jean-Michel Herri, chef deprojet hydrates de gaz. Certaines denos études sont d ’ailleurs initiées parl’Ecole sur fonds propres et autofinan-cées. Mais toujours, nous gardons lesouci de l’application. »

Quand les gaz sEt si l’on transformait les rejets industriels en hydrates de gaz pour les séquestrer, pu

Le centre SPIN possède un appareillage permettant de simuler la cristallisation deshydrates de méthane dans les sédiments sous-marins. DR

EXPERTISE


seront solides…Comme on le voit, cette propriétéqu’a l’eau de se combiner avec cer-tains gaz pour former des hydratessolides permet de les stocker et deles transporter. Or aujourd’hui, laseule façon de transporter le métha-ne est soit de construire un réseau depipe-lines, soit de le liquéfier pourl’emporter sur des méthaniers. Cestechnologies nécessitant des inves-tissements très lourds, elles ne sontapplicables qu’à des gisementsimportants et exploitables sur plu-sieurs dizaines d’années. Avec latechnique de l’hydrate, de nombreuxpetits gisements, actuellement négli-gés, deviendraient rentables.

C’est pourquoi l’Ecole développeune voie de recherche avec Gaz deFrance, qui consiste à condenser leméthane sous forme d’hydrate pourréduire son volume, puis à le stabili-ser à faible pression pour pouvoir letransporter, mais à une températurebeaucoup plus « fraîche » qu’actuel-lement dans les méthaniers : - 20°Cau lieu de – 161,5°C. D’où un gainénergétique très important et desinvestissements moins lourds. �

uis les stabiliser sous terre ? Un scénario qui ne paraît pas impossible aux chercheurs.

EXPERTISE

P armi les partenaires de l’Ecole nationale supérieure des Minesde Saint-Étienne, il en est un dont le statut est unique en

France : l’Institut Français du Pétrole. L’IFP est une sorte de fonda-tion à but non lucratif dont les ressources proviennent pour les deuxtiers de l’Etat. Le tiers restant provient pour partie de travaux réaliséspour les compagnies pétrolières ou dans le cadre de programmesnationaux et européens. Il résulte principalement de l’industrialisa-tion de ses innovations technologiques – l’IFP possède pas moinsde 13 500 brevets, dont 1 144 déposés au cours de la seule année2003 – via l’activité de ses filiales directes et de ses participationsdans des entreprises parapétrolières, ce qui fait de l’IFP un véritablegroupe de dimension internationale.

Centre indépendant de recherche et développement industriel,de formation et d’information, l’IFP couvre les domaines du pétrole,du gaz naturel et de l’automobile tout au long de la chaîne deshydrocarbures : exploration, production, raffinage, pétrochimie,moteurs et utilisation des produits pétroliers. Outre ses 1 860 sala-

riés, dont 80 % d’ingénieurs et de techniciens spécialisés, plus de130 thésards y mènent en permanence des recherches.

François Kalaydjian fut l’un d’eux, de 1985 à 1988. Diplômé del’Ecole des Mines de Saint-Étienne, titulaire d’un DEA de Chimie-Physique à Jussieu, son sujet de thèse touchait à la modélisation decertains écoulements polyphasiques en milieu poreux. Sitôt la thèsesoutenue, l’IFP l’embauche comme ingénieur de recherche au seinde la division gisements.

Après avoir été chef de projet, il en deviendra le directeur en1997. Depuis deux ans, il est directeur adjoint du centre de résultatsexploration-gisements. Doté d’un budget annuel de 60 millions d’eu-ros, c’est un des quatre centres techniques où sont définis les pro-grammes de recherche et leur industrialisation, les autres centresétant forage-production, raffinage-pétrochimie et moteurs-énergie.

Il s’intéresse en particulier aux nouvelles techniques d’explora-tion et d’exploitation des gisements d’hydrocarbures permettant unaccès durable aux ressources pétrolières de la planète.

Un partenaire à part : l’IFP

Boucle pilote permettant au centre SPIN de simuler les conditions de formationd’hydrates de gaz dans une canalisation pétrolière en mer profonde. DR


S ans être constitué de spécialis-tes du nucléaire, le CentreSPIN, par ses compétences en

chimie et en modélisation, inter-vient en de nombreuses occasionsdans cette filière.

Il mène par exemple des recherchessur le procédé de fabrication du com-bustible. On sait qu’elle passe par denombreuses étapes, notamment cellede l’hexafluorure d’uranium (UF6),qui nécessite préalablement uneréduction de l’oxyde d’uranium (UO3 -> UO2). A la demande de laComurhex, filiale de la COGEMA etleader mondial de la conversion duconcentré minier uranifère en hexa-fluorure d’uranium, SPIN a travaillésur la modélisation de cette réduc-tion. Elle s’opère à Malvési, près deNarbonne, dans des fours dits « à litcoulant verticaux » : dans la partiehaute du four est introduite unepoudre de trioxyde d’uranium UO3,qui va être transformée en UO2 parun mélange gazeux réducteur d’hy-drogène et d’ammoniac vers 700-800°C ; la poudre qui continue à des-cendre est transformée dans la partiebasse du four en UF4 au contact dufluorure d’hydrogène gazeux.

Un mystère éclairci

Des expériences ont été menées àl’Ecole dans des conditions compa-rables, mais sur de toutes petitesquantités (quelques milligrammes),pour étudier les réactions et avoirainsi accès aux lois de vitesse mathé-matiques en fonction des différentsparamètres (forme des grains, pres-sion, température, etc.) Deux thèsesont été soutenues sur le sujet et unetroisième se termine, sans compterquelques stages de DEA et contrats.

Le combustible, sous une formecommunément appelée « crayons »,est placé dans des gaines en alliagede zirconium avant d’être plongédans l’eau pressurisée. Combien de

temps, en fonction de diversesconditions, ces gaines peuvent-ellessubir ce traitement avant de se cor-roder ? L’ industriel, Framatome,tout comme le CEA ou EDF, maî-trisent ces données grâce à de nom-breuses années de recherche baséessur des observations régulières : onextrait un échantillon de ces gaines,on le pèse, et l’augmentation depoids observée correspond à l’oxy-dation ; dès lors que la vitesse de cephénomène est connue, la durée devie du matériau l’est aussi.

Du moins en principe, car, précisé-ment, les ingénieurs de Framatomeétaient intrigués par les variationsde la vitesse de corrosion au coursdu temps : ils observaient unralentissement, suivi d’une accélé-ration. Framatome a demandé àl’Ecole une étude sur les mécanis-mes de cette période d’accéléra-tion. La thèse de physico-chimiequi a été soutenue sur ce sujet enjanvier 2003, s’appuyant sur uneméthodologie originale de ciné-tique hétérogène basée sur la

Fabrication du combustible, production, stockage des déchets : à ces trois étapes, SPIN

pour améliorer la sûreté des installations.

EXPERTISE

Nucléaire : tout au long de

Chargement du réacteur dans la centrale nucléaire de Civaux 1. ©Framatome ANP


méthode des « décrochements », apu démontrer que les données quidéfinissaient la vitesse initialechangeaient ensuite complète-ment, et les lois de vitesse avec.Décrivant les mécanismes com-plets et fournissant une modélisa-tion détaillée, elle a pour l’essen-tiel éclairci le mystère.

Une expertise reconnue

Enfin, SPIN intervient tout à la findu cycle nucléaire, lorsque leretraitement a donné naissance àdes déchets ultimes. On sait qu’alors l’une des solutions consis-te à les entreposer dans des conte-neurs pour une longue durée. Maistrois cents ans par exemple, c’estpeu par rapport au temps pendantlequel ces déchets restent radioac-tifs. L’industrie nucléaire a doncbesoin de comprendre les mécanis-mes des réactions qui vont se pro-duire avec des cinétiques très len-tes en s’appuyant sur des lois devitesse prédictives fiables. Maiscomment conduire des expérien-ces sur des phénomènes aussilents ? Des travaux sont en cours àl’Ecole, qui consistent à mesurer lephénomène en l’accélérant par unetempérature supérieure lors del’expérience, à charge pour leschercheurs d’extrapoler ensuite lesrésultats pour en déduire la vitessedes réactions à températureambiante.

« Le CEA, Framatome et la Cogemasont de plus en plus confrontés à des pro-blèmes de cinétique dans des milieuxhétérogènes complexes, fait remarquerMichèle Pijolat, professeur àl’Ecole des Mines de Saint-Étienne.Or, au sein de cette communauté de gensqui se connaissent bien, l’expertise deSPIN est reconnue dans ce domaine dela cinétique et des mécanismes réaction-nels. » De fait, les projets en coursdans le centre sont actuellementnombreux. �

apporte son concours

EXPERTISE

la filière

P roduire du courant électriquesans émettre de polluant ?C’est évidemment le vœu de

tous les adeptes du développementdurable. Le centre SPIN est trèsinvesti dans les recherches qui pour-suivent ce but à travers la pile àcombustible (Fuel Cell). Elle consisteà produire de l’électricité à partird’une réaction chimique de décom-position de gaz à la surface d’élec-trodes encadrant un matériauconducteur ionique.

Certaines de ces piles, d’un typeappelé PEM (Proton ExchangeMembran) sont déjà en cours decommercialisation. Le principe :une décomposition d’hydrogène à lasurface d’une des électrodes (l’ano-de) libère des protons qui traversentune membrane de polymère, puis secombinent avec de l’oxygène pourformer de la vapeur d’eau. C’estdonc une réaction électrochimiqueinverse de l’électrolyse de l’eau quiva générer un courant électrique. Leprincipe peut être développé à dif-férents niveaux : petits générateursélectriques pour alimenter une mai-son individuelle, cogénérateurs(Gaz de France travaille sur cetteidée), voire véhicules électriques,comme solution alternative aux bat-teries. Les recherches portent égale-ment sur des micropiles à combusti-ble qui pourraient être insérées dansdes ordinateurs ou téléphones por-tables.

Cette technologie présente cepen-dant des inconvénients : elle néces-site un catalyseur, le platine, qui estonéreux et s’empoisonne ; d’autrepart, le polymère de la membrane sedégrade à la chaleur. D’où une autrepiste, les piles de type SOFC (SolidOxyde Fuel Cell). Ces piles à combus-

tible de nouvelle génération peu-vent fonctionner avec d’autres cata-lyseurs moins coûteux que le platineet ne sont pas sensibles aux phéno-mènes d’empoisonnement. Le pro-cessus est inverse par rapport auPEM : c’est l’oxygène qui se décom-pose, du côté de la cathode, et lesions oxygénés créés, après avoir tra-versé la membrane, se combinentavec de l’hydrogène pour former del’eau.

Dans tous les cas, il faut disposerd’hydrogène, qu’il soit produit surplace ou non. C’est pourquoi auxrecherches sur les piles à combusti-ble est intimement lié cet autredomaine qu’on appelle la « filièrehydrogène » (lire p.12).

Deux thèses

Pour sa part, SPIN travaille exclusi-vement sur la technologie SOFC.Les piles de ce type peuvent fonc-tionner avec une anode en nickel,une membrane en oxyde de zirco-nium dopé (YSZ), le conducteurionique de l’oxygène par excellence,et une cathode en LSM (manganitede lanthane dopée au strontium).On sait faire fonctionner ces maté-riaux à 800°C, mais la recherchemenée à l’Ecole vise à réaliser lamême réaction à une températureplus basse, de l’ordre de 600°C.Pour cela, il faut en particulier ren-dre les matériaux plus conducteurs,donc les fabriquer en couches min-ces, de quelques microns à quelquescentaines de microns, grâce à latechnologie planaire utilisée enmicroélectronique. A cette réserveprès qu’en microélectronique lescouches sont encore cent fois plusminces ; c’est pourquoi les couchesutilisées actuellement dans les piles

Piles à combustible :l’énergie propre

A grande ou petite échelle, reposant sur l’une ou l’autre

des technologies actuellement étudiées, elles sont de toute

façon promises à un bel avenir. L’Ecole participe à leur

mise au point.

SOFC sont en fait dites…« épaisses ».

Deux thèses ont démarré. L’une, àpropos de ces matériaux en cou-ches épaisses, est menée au sein dudépartement MICC (Microsystè-mes, instrumentation et capteurschimiques) de SPIN. Elle consisteà réaliser des dispositifs completsde piles SOFC planaires et à lestester sur des bancs gazeux. La dif-ficulté consiste en effet à parfaite-ment isoler les compartimentspour éviter le contact direct entrel’hydrogène et l’oxygène pouvantêtre explosif, cette opération étantparticulièrement délicate comptetenu de la température élevée (de600 à 700°C). La tension maxi-mum d’une cellule élémentaireétant de l’ordre du volt, il faudramettre en série ces cellules élémen-taires pour atteindre les perfor-mances d’une batterie de 12 ou 24volts. En fait, les technologies utili-sées pour le développement de cespiles SOFC et les mécanismesréactionnels mis en jeux sont très

12

La « filière hydrogène »Pour disposer de l’hydrogène

nécessaire aux piles à combustible,deux moyens sont envisageables : soit leproduire à façon juste à côté (à partird’un carburant, hydrocarbure ou métha-nol), soit le transporter. D’où, pour cetteseconde solution, des recherches sur lestockage. Sur ce thème de recherchesappelé « filière hydrogène », que le GEMa déclaré prioritaire, un projet, avec leCENERG de l’Ecole des Mines de Paris(Sophia-Antipolis) comme coordon-nateur, se met en place au niveau des septEcoles des Mines fédérées par le GEM.L’ensemble des écoles sont concernées, auniveau de la production d’hydrogène à partirde bio-gaz, de sa purification, de son utilisa-tion dans le système pile à combustible, surles aspects sécuritaires et ACV (analyse decycle de vie). La récupération de l’hydrogèneà partir de bio-gaz issu d’une fermentation etles systèmes de co-génération d’énergieconstituent des points clefs dans cette filière.

La participation du centre SPIN au pro-jet se situe à deux niveaux. Le départementMICC travaille à la sécurité desdispositifs : des capteurs capables dedétecter d’éventuelles fuites d’hydrogène etd’arrêter la réaction le cas échéant. On saiten effet que lorsque la proportion d’hydro-gène dans l’air dépasse 4% il y a risqued’explosion. Par ailleurs, une autre équipede SPIN, Physicochimie des matériauxmulticomposants (PCMM), travaille sur lestockage de l’hydrogène en liaison avec

une PME de la régionPACA. L’idée consiste à uti-liser des matériaux solidesdotés d’un grand pouvoirde dissolution de l’hydro-gène, qu’ils restitueraientensuite. Une solution avecd’autres matériaux que leshydrures métalliques ou lesnanotubes de carbone esten cours de validation.

Côté production d’hydrogène, unethèse vient de démarrer à Saint-Étienne surla possibilité de le faire produire par unmicroréacteur dans du silicium par cataly-se de produits organiques. Le LETI( L a b o r a t o i r e d ’ E l e c t r o n i q u e , d eTechnologie et d’Instrumentation) deGrenoble pour la technologie et l’EcoleSupérieure Chimie Physique Electronique(CPE) de Lyon pour la partie catalyse y sont associés. �


EXPERTISE

Matériau pour cathode de pile à combustible SOFC : coupe d’une couche épaisse deLSM (manganite de lanthane dopée au strontium) déposée par méthode sérigraphique.

Détail d'éléments d'un microréacteur destiné à la micropro-duction d'hydrogène.


EXPERTISE

proches de ceux étudiés dans lecadre des capteurs de gaz de typepotentiométriques. « Depuis vingtans, mon équipe étudie les propriétésélectriques de solides pour en faire desdétecteurs de gaz, expliqueChristophe Pijolat, responsable dudépartement et adjoint au direc-teur de la recherche de l’Ecole. Elleavait donc les compétences nécessaires etmaîtrisait la technologie pour entre-prendre cette recherche sur les piles àcombustible SOFC. »

La seconde thèse, menée dans unautre département de SPIN appeléProcESS (Procédés et Evolution desSystèmes avec Solides), est consa-crée à la modélisation et la compré-hension des réactions gaz/solides.Elle s’intéresse plus précisément àla cathode en LSM et cherche à enoptimiser l’interface entre la catho-de et le conducteur ionique. Cettethèse est co-dirigée par le LEPMIde Grenoble.

« Bien impliqués »

A noter : une autre voie de recher-che en cours au départementMICC consiste à fabriquer despiles à combustible avec les mêmesmatériaux, mais en monocellule,donc sans nécessité de séparationsétanches, la production du courantélectrique étant réalisée à partird’un mélange d’hydrocarbure etd’oxygène (dans un ratio évidem-ment non explosif ). Le rendementdes réactions catalytiques est rela-tivement plus faible (quelque dixfois moindre pour l’instant), maisle dispositif est beaucoup plus faci-le à produire industriellement.« C’est un concept innovant, qui a d ’abord soulevé un certain scepticisme,mais qui vient de donner lieu ces deuxdernières années à quelques publica-tions », rapporte Christophe Pijolat.Les Canadiens et les Japonais s’yintéressent, ces derniers paraissantavoir récemment bien amélioré lerendement.

« Nous n’avons pas actuellement de pro-jet avec des industriels car nos recherchesse situent plus en amont, ajoute-t-il.Mais nous faisons partie d ’un groupe-ment de recherches du CNRS qui réunitune vingtaine de laboratoires. Nous som-mes donc bien impliqués dans cette com-munauté. C’est un choix stratégiquemajeur car, dans tous les cas, les piles àcombustibles vont être incontournablesdans les années à venir. » �

Au sein de SPIN, des chercheurs tra-vaillent sur la conception de matériaux deconstruction qui répondent à des besoinsnouveaux - ou, pour mieux dire, nouvel-lement formulés - liés à des questions deconfort, comme l’isolation phonique. LeCentre a travaillé sur des ciments et uneautre équipe sur le bois dit « rétifié ».Rétifié signifie durci selon un traitementthermique particulier appelé « rétification »dans lequel certaines chaînes moléculairessubissent un réarrangement (le nom vientdu latin rete, filet). Un brevet a été déposé.

Comme le résultat est un bois hydro-phobe et imputrescible, il peut non seule-ment être utilisé comme tel, avec des quali-tés de résistance bien supérieures au bois

traditionnel, mais aussi entrer dans la fabri-cation de matériaux de construction. L’idéeétait en effet d’élaborer un composite de boiset de ciment ou de plâtre, mais le bois natu-rel se révélait impropre à cette combinaisoncar trop sensible à l’humidité. Le bois rétifiéne présente pas cet inconvénient.

Encore faut-il par la suite trouver lemeilleur dosage. Des études sont doncmenées à la fois sur la tenue en cas d’expo-sition aux intempéries et sur le processusde fabrication (temps de prise, etc.) Dansces recherches, l’équipe est aidée par ledépartement Mécanique des Matériaux ducentre Sciences des Matériaux et desStructures pour l’évaluation des caractéris-tiques mécaniques.

Un matériau neuf :le bois

Le bois est porté à plus de 200°C sous atmosphère inerte et à pression contrôlée.SEFCCO/SEFWOOD


TÉMOIGNAGE

Ingénieur pharmacienet vice versa

Fort de son double diplôme acquis à Lyon et Saint-Étienne, Julien prépare chez PierreFabre à Barcelone la mise en place d’une nouvelle ligne de production d’un médicamentinjectable, qui permettra de traiter un certain type de cancer. Chef de projet industriel, ilest grâce à son parcours original l’interlocuteur de tous.

A vec un père pharmacien etune mère responsable deproduction, Julien Ghysels

ne pouvait manquer d’être tentépar un double diplôme d’ingénieurpharmacien. « Baignant dans cesdeux cultures », comme il le dit lui-même, il a commencé par suivreses études de pharmacie à Lyonavant d’entrer parallèlement àl’Ecole des Mines de Saint-Étien-ne. Au total six années de forma-tion, les stages de fin d’études del’un et l’autre cursus étant confon-dus. Une trentaine d’élèvesacquièrent ainsi chaque année cesdeux diplômes, dont une bonnemoitié « font » pharmacie à Lyon,faculté jumelée avec différentesécoles d’ingénieurs de choix, enFrance et à l’étranger.

Un kilo de produitpour 7 000 flacons

A l’Ecole des Mines, il choisit bienentendu l’option de troisièmeannée consacrée au génie des pro-cédés. Originaire du sud-ouest, ceque sa pointe d’accent indiquemieux que son nom, Julien fait sonstage de fin d’études chez PierreFabre à Pau, où il se consacre auxproduits injectables et médica-ments stériles. Sans attendre qu’ilreçoive son diplôme, en septembre2002, ce laboratoire lui propose unposte à Barcelone, où il se trouveaujourd’hui encore, en qualité dechef de projet industriel.

« Toute la recherche et la production setrouvent en France, explique-t-il, saufce centre barcelonais de recherche degalénique, c’est-à-dire de mise en formemédicamenteuse, spécialisé en microen-capsulation. C’est ici que je prépare pour2006 la sortie d ’un nouveau médica-ment injectable au principe actif trèscoûteux, d ’abord pour l’Espagne puis

rapidement pour l’Europe entière. » Leslots pilotes sont au point, les auto-risations en cours, reste donc àdéfinir et mettre en place le procé-dé industriel et la ligne de produc-tion pour fournir le moment venula quantité nécessaire à toutel’Europe. Une quantité minime audemeurant, puisque un kilo de ceproduit, qui libérera un principeactif pendant trois mois, permettrade réaliser environ 7 000 flaconsunitaires.Julien fait donc le lien entre l’ingé-nierie et la recherche-dévelop-pement. Outre les dix-sept person-nes qui travaillent avec lui, il peuts’appuyer sur l’ingénierie PierreFabre à Castres.

« De plus, la plupart des sites de fabri-cation du groupe Pierre Fabre se sontdémenés pour nous aider dans le trans-fert d ’échelle – le “ scale up ”, commenous disons – du procédé de fabricationen mettant à notre disposition du maté-riel type industriel et des ressourceshumaines, explique-t-il. C’est le grosavantage de Pierre Fabre, un laboratoi-

re à taille humaine où tout le monde sesent impliqué par le projet de la filialeespagnole… »

Un profiltrès recherché

A l’en croire, le procédé pharma-ceutique lui-même est très com-plexe. Il passe par plusieurs pha-ses – émulsion, évaporation, sépa-ration, tamisage – qu’il faut toutesrendre automatiques et industria-lisables. Essentiellement du géniedes procédés consacré aux liqui-des, donc. Or, l’Ecole n’est-ellepas plutôt en pointe sur les soli-des ? « Dans le domaine de la recher-che, sans doute, mais côté formation lesélèves abordent un très large éventailde sujets rattachés aux procédés,assure-t-il. Le programme est dense etl’Ecole, généraliste. Mes études à Saint-Étienne me servent énormément, caron y apprend notamment à s’adapter età réfléchir ; si la base scientifique estindispensable, nous devons ensuitecontinuer à travailler pour passer de lathéorie à la pratique… »

Julien Ghysels, ingénieur-pharmacien : une double légitimité. DR

Quant à sa situation au carrefourde deux métiers, Julien la vit trèsbien. « Les ingénieurs me considèrentsurtout comme un pharmacien, et viceversa », remarque-t-il amusé,même s’il avoue sentir autour delui « une petite rivalité » entre lesdeux métiers. « Les pharmaciensjouissent d ’une sorte de monopole, pré-cise-t-il, mais il est vrai qu’ils ontprouvé leurs compétences, notammenten termes d ’assurance qualité et même

en production pure et dure. » Au seinde l’équipe projet, Julien Ghyselsbénéficie d’une double légitimité.

Et l’avenir ? « Pour l’instant je meconsacre au monde de l ’industrie phar-maceutique car la dynamique qu’ellegénère et la richesse de ses métiers per-mettent une émulation permanente etun challenge journalier, répond-il. Jene me fais pas de soucis pour évoluerdans ce secteur car notre profil y est très

recherché. Et si un jour je décide desouffler un peu, grâce à mon vrai dou-ble diplôme j’ai la possibilité de m’ins-taller comme pharmacien d ’officine.Mais pour l’instant j’ai choisi l ’indus-trie et je ne le reg rette absolumentpas. » D ’autant , p réc i se - t - i l ,que Barcelone est une ville trèsagréable, avec un riche patrimoineculturel à découvrir, ce qui évi-demment ne gâte rien… �

15

TÉMOIGNAGE

La santé aussi…Le centre SPIN est devenu un partenaire actif du milieu médical, auquel il apporte notam-ment ses compétences dans le domaine de la modélisation.

Le génie des procédés a sa « nou-velle frontière » : l’ingénierie bio-

médicale et du vivant, les microsys-tèmes chimiques, la biomodélisa-tion. Autant de sujets qui ouvrentdes perspectives nouvelles à cettediscipline en mettant à profit sescompétences dans la chimie et lamodélisation. Elles apparaissentnaturellement, au fil des questionsque lui soumet le corps médical etsont parfois le fruit, sinon duhasard, du moins de rapproche-ments inattendus.

C’est ainsi que l’équipe « matériauxde construction », travaillant sur lespoudres pour céramiques, a étéamenée à s’intéresser aux ressem-blances entre les propriétés de cer-taines de ces céramiques et cellesdes os humains. Le contact a étéétabli avec le Laboratoire deBiologie et de Biochimie des TissusOsseux (LBBTO) de la faculté deMédecine de Saint-Étienne (unitéINSERM) pour définir des sujetscommuns. Cette collaboration apermis de caractériser les consti-

tuants (ions carbonate) et les méca-nismes intervenant dans la reconsti-tution osseuse par un biomatériau,en l’occurrence l’hydroxyapatite.Pourvu que la compatibilité soit suf-fisante avec les tissus humain, cessubstances d’origine minérale pour-ront être utilisées comme substitutsosseux, par exemple dans le traite-ment de cancers ou de l’ostéoporo-se. Une thèse est en cours à ce sujet.

SIDA, cancers et allergies

Plus inattendu, SPIN travaille aussisur une modélisation des réponsesimmunitaires des organismes, c’est-à-dire sur l’interaction entre lym-phocytes T et virus. De tellesrecherches s’appuient sur des modé-lisations très complexes, qui n’ent-rent évidemment pas dans la com-pétence du corps médical, mais quine sont pas d’une nature fondamen-talement différente de cellesmenées sur les réactions chimiques

en milieu naturel. Le Centre estdonc tout à fait qualifié en raison deses connaissances, non seulementen chimie, mais aussi dans d’autresaspects du génie des procédéscomme les phénomènes de transfert(diffusion d’un produit, par exemplepolluant, dans un milieu). Une thèseest en cours sur la modélisation desréponses immunitaires de l’organis-me à partir d’un traitement anti-SIDA. Ces recherches peuvent serévéler d’un apport extrêmementprécieux pour la connaissance descancers et des allergies.

SPIN travaille à la mise au point debiocapteurs miniaturisés pour desapplications médicales comme ledosage du glucose. Ils sont basés surl’emploi de polymères conducteurs.Il étudie aussi des biocapteurs à cel-lules entières (micro-algues) pour lamesure de toxicité globale et pour ledosage des pesticides.

Enfin, la compétence du Centredans le domaine des poudres en faitun partenaire utile de l’industriepharmaceutique : il mène des étudessur la compression, l’enrobage et ladissolution des médicaments pouroptimiser leur effet thérapeutique.

Du fait de toutes ces recherchesconduites en collaboration avec lemilieu médical ou biomédical,SPIN est très investi dans le déve-loppement du futur CentreIngénierie et Santé. Alors que huitou neuf thèses sont soutenues enmoyenne chaque année, pas moinsde cinq le seront l’an prochain surdes sujets préfigurant le CIS. �

Sur un support d’hydroxyapatite vierge (à gauche), on dépose et on fait naître descellules osseuses (cultures ostéoblastes) ; à droite, le résultat après l’expérience, quia réussi de façon satisfaisante. Photo prise à l’AFM (Atomic Force Microscopy) àl’Ecole des Mines de Saint-Étienne. DR


• Atmosphère…Atmosphère !

• Ce n’est pas le dioxyde de carbone(CO2) qui possède l’effet de serrele plus important. A masse égale relâ-chée dans l’atmosphère, le méthane aun pouvoir d’absorption du rayonne-ment 56 fois supérieur, l’ozone 1 200fois et les CFC (jusque récemmentgaz propulseurs des aérosols, heureu-sement interdits désormais) entre4 000 et 8 000 fois.

• L’ozone est bénéfique ou mal-éfique, selon qu’il intervient par sespropriétés physiques ou chimiques :en haute altitude, la fameuse « cou-che d’ozone » protège la basseatmosphère de l’action nocive, voiremortelle, des rayons UV de lalumière solaire ; mais au niveau dusol, c’est un gaz irritant, facteurimportant de pollution urbaine.

• Quel est le troisième gaz par ordred’importance dans l’atmosphère ?L’argon, qui n’en représente pour-tant que 1%. Quel est le plus lourd ?Le radon, qui est radioactif et 8fois plus dense que l’air.

• La décomposition des hydratesde méthane est une source pré-occupante de production de cegaz à effet de serre dans l’at-mosphère, mais ils ne sont passeuls en cause : les flatulences desruminants seraient responsablesde 15% de la teneur de l’at-mosphère en méthane.

• On a peude pétrole, mais…

Le pétrole provient de la dégradationde microorganismes et végétaux pié-gés dans des sédiments. Son proces-sus de formation dure des millionsd’années. De nos jours encore, dupétrole continue à se former, maistellement lentement au regard de laconsommation humaine !

• Etymologie élémentaire

Le nom des éléments du tableaupériodique de Mendéleiev témoignequelquefois des conditions dedécouverte ou des propriétés de ceséléments.

• L’antimoine (Sb) : la légende pré-tend que le moine alchimiste BasileValentin utilisa de la poudre deminéraux contenant de l’antimoinecomme purgatif, mais le résultat futun nombre très élevé de décès dansle monastère ; d’où le nom d’« anti-moine »… Mais plus vrai-semblablement l’origine serait àchercher dans la langue arabe.

• L’argon (Ar) : du grec argos, inac-tif, paresseux ; le nom témoigne ducaractère inerte de ce gaz qui nesubit pas de transformation chi-mique.

• Le cobalt (Co) : de l’allemandKobold (lutin) ; la production malai-sée de ce métal était attribuée auxmauvais esprits qui, disait-on, sabo-taient le travail des mineurs enensorcelant le minerai.

• Le gallium (Ga) : du latin gallus,coq, en l’honneur de son découvreurLecoq de Boisbaudran.

• Le polonium (Po) : en l’honneurde la Pologne, patrie de MarieCurie, qui découvrit cet élément.

• Le titane (Ti) : ce métal particu-lièrement résistant doit son nomaux Titans de la mythologiegrecque.

Questions de cours��

16

Le trou dans la couche d’ozone, au des-sus de l’Antarctique : déjà la taille del’Australie.

Les événementsde l’année

à l’Ecole nationalesupérieuredes mines

de Saint-EtienneSciences des matériaux et desstructures

Les technologies micro et nano enlien avec le biomédical • 6 mai Saint-Etienne, Espace Fauriel

Sciences des procédésindustriels et naturels

35èmes journées de calorimétrie etd’analyse thermique – Journées del’AFCAT• 11-13 maiSaint-Etienne, Espace Fauriel

Sciences des matériauxet des structures

Osons le chrome ! – 4ème conférenceinternationale sur le chromage• 24-27 mai Saint-Etienne, Espace Fauriel


CRISTAL 3 – Congrès sur la cris-tallisation industrielle et la précipi-tation• 24-25 novembreSaint-Etienne, Espace Fauriel

Sciences des matériauxet des structures

Imagerie 3D en science des maté-riaux• Automne 2004

Pour mémoire :

Génie industrielet informatique

INCOM – 12th IFAC Symposiumon Information Control Problemsin Manufacturing• Juin 2006


Congrès de la Société Française deGénie des Procédés (SFGP) • 2007

Vous pensez être incollable sur le pétrole, les gaz ou lesmétaux ? En marge de notre dossier sur le génie des procédés,voici de quoi rafraîchir vos connaissances…

Ecole Nationale RESS - emse.fr · génie chimique, devenu génie des procédés. Toute...

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