Conception de biosolvants à partir de la molécule plateforme furfural, en laboratoires virtuel et réel

Biosolvents design from the platform molecule furfural, in real and virtual laboratories

• Auteur / Autrice : Manon Bergez-Lacoste
• Direction : Pascale Satgé-De Caro, Sophie Thiebaud-Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Agroressources
• Date : Soutenance le 19/12/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Agro-industrielle (Toulouse ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Gerbaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Lemaire, Norbert Hoffmann, Carine Alfos, Philippe Marion, Zéphirin Mouloungui
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Lemaire, Norbert Hoffmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solubilisation

Indicateurs biologiques

Furfural

Solvants éco-compatibles

Mots clés libres

Biosolvants

Furfural

Méthodologies de substitution

Indicateurs verts

Prédiction de propriétés

Solubilisation

Formulations phytosanitaires

Nettoyage industriel de résines

Biosolvents

Furfural

Substitution methodologies

Green metrics

Properties prediction

Solubilization

Phytosanitary formulation

Industrial cleaning of resins

Résumé

Les solvants occupent une place prépondérante dans l’industrie chimique et se retrouvent au cœur de nombreuses applications telles que la formulation de produits phytosanitaires, d’encres ou de peintures, le nettoyage industriel ou les procédés d’extraction, de synthèse ou de séparation. L’épuisement des ressources pétrolières, le durcissement de la réglementation, et une prise de conscience collective motivent le développement d’alternatives à l’utilisation de solvants pétrochimiques. En effet, environ 45% des émissions de composés organiques volatils (COVs) en France proviennent de l’utilisation des solvants, qui, pour la plupart, présentent une empreinte environnementale et sanitaire peu favorable. Le panorama des solvants industriels amorce inévitablement une mutation, qui nécessite la recherche de solvants plus respectueux de l’environnement et des utilisateurs, au regard de leurs propriétés et de leur mode de production. Outre les liquides ioniques, les fluides supercritiques et les solvants fluorés qualifiés de solvants verts, les biosolvants sont apparus comme une solution alternative capable de répondre à un grand nombre de spécifications requises dans diverses applications. L’élaboration de biosolvants s’accompagne d’un changement de matière première, au profit de ressources renouvelables issues de la biomasse. Parmi les molécules plateforme biosourcées utilisées pour la synthèse de bioproduits, le furfural, obtenu par déshydratation des sucres contenus dans les rafles de maïs, a été sélectionné dans le cadre de cette étude visant à développer de nouveaux biosolvants, en collaboration avec la société Rhodia-Solvay (projet InBioSynSolv). Ainsi, afin de substituer des solvants conventionnels utilisés pour formuler des actifs phytosanitaires ou pour le nettoyage industriel, deux méthodologies, différentes de l’approche essais et erreurs, ont été étudiées. La première méthodologie, prédictive, se base sur la prédiction des propriétés avant la synthèse des molécules. La formulation inverse est, quant à elle, une méthodologie innovante qui permet de concevoir des molécules de biosolvants grâce à un laboratoire virtuel; les étapes de génération de structures moléculaires et de prédiction des propriétés, sont intégrées à un outil informatique d’aide au design moléculaire (CAMD) qui propose des solutions répondant aux spécifications visées. Dans un premier temps, ces méthodologies ont conduit à identifier un pool de molécules candidates dérivées du furfural et susceptibles de jouer le rôle de solvant pour les applications envisagées. Dans un deuxième temps, la faisabilité des filières de leur production a été étudiée, depuis la molécule plateforme jusqu’à l’utilisation du biosolvant au sein d’une formulation. Pour cela, les molécules candidates ont été obtenues selon différentes voies de synthèse, que l’on a caractérisées à l’aide de la détermination d’indicateurs verts. Une démarche d’éco conception a également contribué à la mise en place d’une approche multi critère intégrant les aspects techniques, environnementaux et socio- économiques. Enfin, la production d’échantillons a permis de vérifier expérimentalement les propriétés recherchées, et de valider l’intérêt des méthodologies de substitution de solvants utilisées, en termes de gain de temps et d’efficacité. Celles-ci pourront être généralisées au développement de différents bioproduits pour accompagner les évolutions des marchés auxquelles doit faire face l’industrie chimique.

The solvents play a significant role in the chemical industry and are at the heart of many applications such as the formulation of pesticides, inks or paints, industrial cleaning or extraction processes, synthesis and separation. The depletion of fossil resources, stricter regulations and collective awareness incite the development of alternatives to the use of petrochemical solvents. In fact, about 45% of emissions of volatile organic compounds (VOCs) come from the use of solvents, most of which have a very unfavorable environmental and health impact. The panorama of industrial solvents inevitably initiates a change, which requires the search for more eco friendly solvents in terms of their properties and their mode of production. In addition to the ionic liquids, supercritical fluids and fluorinated solvents, called green solvents, biosolvents emerged as an alternative capable of meeting a large number of specifications required in various applications. Developing biosolvents is accompanied by a change in raw material, from petroleum to renewable resources from biomass. Among the biobased platform molecules used for the synthesis of bioproducts, furfural, obtained by dehydration of sugars in corn cobs, was selected as part of this study to develop new biosolvents in collaboration with Rhodia-Solvay (InBioSynSolv project). Thus, to replace conventional solvents used in phytosanitary formulations or for industrial cleaning, two methodologies different from the tests and error approach, were studied. The first methodology, predictive, is based on the properties prediction before the synthesis of the molecules. The inverse formulation is, in turn, an innovative methodology to design molecules of biosolvents through a virtual laboratory. Stages of generation of molecular structures and properties prediction are integrated in a computer-aided molecular design tool (CAMD) providing solutions that meet the outlined specifications. First, these methodologies have led to identify a pool of candidate molecules derived from furfural that may act as a solvent for the intended applications. In a second step, the feasibility of their production chains has been studied from the molecule platform to the use of the biosolvent in a formulation. For this, the candidate molecules were obtained by different synthetic routes, which were characterized using the determination of green indicators. An eco-design approach has also contributed to take into account different criteria including technical, environmental and socio-economic aspects. Finally, with the production of samples, properties were experimentally verified, to validate the interest of solvents substitution methodologies in terms of time savings and efficiency. These could be generalized to the development of various bioproducts to make possible innovation in the chemical industry.