Conception et développement du micro-lab, une plateforme automatisée en flux séquentiel pour les procédés chimiques multi-étapes

Design and development of the micro-lab, a sequential flow platform for automated multi-step chemical processes

• Auteur / Autrice : Maël Arveiler
• Direction : Michaël Tatoulian
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 30/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche de Chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Procédés, Plasmas, Microsystèmes (2PM)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Chimie ParisTech / École Nationale Supérieure de Chimie de Paris (ENSCP)
• Jury : Président / Présidente : Armelle Ringuedé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michaël Tatoulian, Louis Fensterbank, Julien Legros, François-Xavier Felpin, Laurence Grimaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Legros, François-Xavier Felpin

Mots clés

Mots clés libres

Chimie en flux

Microfluidique

Automatisation

Python

Micro-lab

Flux séquentiel

Flow chemistry

Microfluidics

Automation

Python

Micro-lab

Sequential flow

Résumé

Les synthèses chimiques multi-étapes, l'automatisation et les séparations membranaires ont pris de l'ampleur dans le domaine de la chimie des flux. Cependant, les processus multi-étapes comprenant des lavages sont rares, notamment en raison de la complexité excessive des dispositifs expérimentaux, qui nécessitent de nombreux outils fluidiques. Nous proposons une nouvelle stratégie de flux séquentiel, par opposition au flux continu en ligne, qui atténue considérablement les limitations pratiques de ce dernier, en particulier au moyen d'une plateforme originale de micro-laboratoire. Cette stratégie hybride utilise les outils de la chimie en flux continu pour profiter des bénéfices de la miniaturisation mais réalise les étapes les unes après les autres (séquentiellement) comme en batch, ce qui simplifie la mise en œuvre des procédés multi-étapes. La plateforme micro-lab, composée d'outils commerciaux et d'éléments développés en interne, présente un encombrement minimal (30 cm × 20 cm × 20 cm) et peut être utilisée pour une grande variété de processus chimiques en plusieurs étapes. L'automate est piloté grâce à un logiciel ad-hoc, développé en interne en langage Python, qui permet d'animer tous les outils constituant la plateforme micro-lab. Son principal avantage est la possibilité de faire fonctionner les outils de manière synchronisée avec des programmes pré-écrits à uploader. La modularité du dispositif expérimental et du logiciel de pilotage permet l'intégration de la plupart des procédés chimiques, y compris les activations photochimiques, électrochimiques et plasma, ainsi que l'analyse chimique.

Multi-step chemical reactions, automation and membrane-based separations have gained momentum in the field of flow chemistry. However, multi-step processes including work-ups are rare, especially due to excessively complicated set-ups requiring numerous fluidic tools. We propose a new sequential flow strategy, as opposed to in-line continuous flow, that drastically alleviates the practical limitations of the latter, in particular by the means of an original micro-lab platform. This hybrid strategy uses continuous flow tools to benefit from process intensification but conducts chemical steps one after the other (sequentially) as in batch mode, which simplifies the setting-up of multi-step processes. The platform, composed of commercial and in-house components, displays a minimal spatial footprint (30 cm × 20 cm × 20 cm) and can be used for a large variety of multi-step chemical processes. The “chemical robot” is steered thanks to a custom software running on Python that manages all the tools of the platform. This software allows for the synchronisation of the tools, enabling for pre-written protocols involving all tools to be run. The modularity of the micro-lab hardware and software allows for the integration of most chemical processes including photochemical, electrochemical, and plasma-activated transformations, as well as chemical analysis.