Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

Des réacteurs avec solide en suspension (« slurry »), très répandu dans l'industrie chimique, du laboratoire à la production, offrent des bonnes capacités en transfert de matière et de chaleur. Leur flexibilité facilite le changement de la phase solide et permet une régénération en continue des catalyseurs en cas de désactivation. Cependant, ils présentent un fort rétro-mélange, et donc un désavantage pour des réactions ayant des enjeux de sélectivité et/ou de conversion poussées. L'écoulement segmenté dit de Taylor est souvent mis en œuvre dans les réacteurs micro-structurés (RMS), grâce à ses propriétés intéressantes (capacités de transfert, écoulement, piston). Cependant, l'utilisation des solides catalytiques dans ces RMS est le plus souvent résolue par immobilisation du catalyseur nuisant la flexibilité. L'écoulement « slurry Taylor » (EST) qui utilise les recirculations internes dans les segments liquides pour transporter des particules en poudre, peut potentiellement répondre à cet enjeu. L'objet de cette étude est la conception et la caractérisation de ce nouveau mode de contact gaz-liquide-solide (G-L-S) dans des tubes millimétriques horizontaux et verticaux. Des études hydrodynamiques ont révélé différents régimes d'écoulement dépendant de la vitesse et de l'orientation de l'écoulement. Pour étudier le transfert de matière L-S, une résine échangeuse d'ion a été utilisée et une première corrélation pour le nombre de Sherwood est proposée / Slurry reactors, widely encountered in chemical industry (laboratory scale up to manufactaring), offer good mass and heat transfer capacities and their high flexibility ensures the simple changeover of solid phases enables a continuous online fresh catalyst feed for fast deactivating catalysts. However slurry reactors promote a high degree of backmixing which can be a drawback for reactions with selectivity issues or when very high conversions are required. In microreaction technology, Taylor flow is often employed providing excellent heat and mass transfer and almost ideal plug flow behavior. Solid handing in these small structures is often resolved by immobilizing the solid catalyst which impinges on the flexibility. One possible solution to combine beneficial properties of Taylor flow with the operational flexibility of conventional slurry reactors is a “slurry Taylor” flow (STF) where catalyst particles are suspended and kept in motion by the internal circulations present in the liquid slugs. The focus of this work is the design and characterization of this innovative gas-liquid-solid contactor. Particles were transported in millimetric horizontal and vertical tubing without the risk of clogging. Hydrodynamic studies revealed different flow patterns depending mainly on velocity and flow orientation. Ion exchange resin particles were used to study the liquid-solid mass transfer and first correlation for the Sherwood number in STF is proposed

Le polymorphisme revêt un grand intérêt dans le domaine pharmaceutique puisqu’il concerne plus de 80% des principes actifs (PA). Les différences de propriétés physicochimiques entre deux polymorphes peuvent influer sur la mise en forme galénique de la molécule active, sa biodisponibilité, sa stabilité lors du stockage voire même sur son activité. D'un point de vue industriel, l'hétérogénéité de surface d'un solide pharmaceutique semble jouer un rôle fondamental, lors de sa mise en forme mais aussi lors de son stockage. Néanmoins, les interactions de surface avec l’environnement de ce type de solides sont des phénomènes de faible amplitude et donc très difficiles à quantifier. Les techniques de mouillabilité, les plus utilisées, relient le travail d’adhésion à l’énergie de surface par la mesure de l’angle de contact entre le solide et un liquide. La valeur de l’énergie de surface obtenue, n’a qu’un caractère statistique qui caractérise un comportement macroscopique global du solide d’étude. Cette notion perd toute signification à l’échelle microscopique et donc ne répond pas aux besoins actuels de l’industrie pharmaceutique. L’objectif de cette étude est donc de quantifier l’anisotrope énergétique de surface des solides d’intérêt pharmaceutique. La Chromatographie Gazeuse Inverse (CGI) apparaît alors comme une méthode de choix pour caractériser les propriétés de surface de solides divisés. L’étude de l’énergie de surface par CGI à dilution infinie, au travers d’une étude rigoureuse du domaine de Henry, nous a permis de distinguer, en surface, les formes polymorphes α, β et δ du D-mannitol. De plus, elle nous a permis de faire un lien entre la composante dispersive de l’énergie de surface et des procédés de génération et de mise en forme, tels que l’atomisation et le cryobroyage. Les augmentations d’énergie de surface à la suite de ces procédés ont été attribués aux changements intrinsèques de la particule, telles que sa taille et sa morphologie. / The polymorphism phenomenon is of great interest in the pharmaceutical field since it concerns more than 80% of the active pharmaceutical ingredients (API). Differences in physicochemical properties between polymorphs are known to influence the formatting dosage of the active molecule (compression during tableting), bioavailability, toxicity and stability under storage conditions. From an industrial point of view, the surface heterogeneity of pharmaceutical solids seems to play a fundamental role in formatting but also during storage. However, organic solid’s surface interactions are small amplitude phenomenon and therefore very difficult to quantify. Wettability techniques, the most commonly used, relate the work of adhesion to the surface energy by measuring the contact angle between the solid and a liquid. The value of the surface energy obtained has a statistical nature that characterizes a global macroscopic behavior of the solid. This concept becomes meaningless at microscopic level and therefore does not respond to the existing and growing needs of the pharmaceutical industry. The objective of this study is to quantify the anisotropic surface energy of pharmaceutical solids. The inverse gas chromatography (IGC) will appear as the technique of choice for characterizing divided solid surface properties. The study of the surface energy using IGC at infinite dilution, through a rigorous study of Henry’s domain, allowed us to distinguish the polymorphic forms α, β and δ of D-mannitol. In addition, we were able to make a connection between the dispersive component of the solid’s surface energy and the generation and forming processes, such as spray drying (SD) and cryo-milling (CM). Surface energy increments after SD and CM were attributed to changes of the intrinsic characteristics of the particles such as size and morphology.

L'objet de ce travail concernait la compréhension de l'évolution des propriétés hydrauliques des membranes céramiques d'UF/NF durant l'étape du conditionnement, et suite à un traitement alcalin. Dans un premier temps, une étude expérimentale a été réalisée par des tests de flux à l'eau pure avec 6 membranes minérales asymétriques (Na-mordenite et TiO2). Ensuite, l'évolution de la perméabilité hydraulique de ces membranes a été modélisée précisément par une fonction mathématique, mettant en évidence deux phases distinctes au cours du conditionnement : une hydratation rapide de la surface des cristaux de Na-mordenite (mésoporosité intercristalline) suivie d'une hydratation lente des pores de la Na-mordenite (microporosité intracristalline). Cette étude a également permis de montrer que la cinétique d'hydratation des micropores est proportionnelle au volume microporeux des couches actives. Dans un deuxième temps, des caractérisations physico-chimiques (DRX, MEB, DFX, adsorption N2), des mesures de propriétés électriques ainsi que des tests de mouillabilité ont été réalisés sur la phase active des membranes de Na-mordenite avant et après un traitement alcalin (filtration d'une solution de carbonate de sodium) dans le but de pouvoir comprendre/expliquer la diminution de la perméabilité hydraulique observée à la suite du traitement alcalin. Les composantes de la tension de surface (polaires et apolaires) et l'énergie d'interaction entre la surface des membranes et les molécules d'eau ont été déterminées via l'équation de Young-Dupré (théorie de Lifshitz-van der Waals des états condensés). L'ensemble des résultats obtenus a montré que la modification des propriétés hydrauliques des membranes est due à une augmentation de l'hydrophilicité de surface de la zéolithe (par la présence des micro-défauts à la surface : extraction des atomes de silicium) provoquant la formation d'une couche ultra-polaire à la surface des cristaux de Na-mordenite. / The aim of this work was to understand hydraulic properties evolution of mineral UF/NF membranes during the conditioning step and after a mild alkaline treatment. First, experimental tests by filtration of pure water were carried out to determine the membrane permeation flux. Six tubular asymetric ceramic membranes were studied (Na-mordenite and TiO2) and a mathematical modelling of the hydraulic permeability (during the conditioning step) was performed. Two separate phases were identified: a fast decrease of the permeability that was attributed to the hydration of the crystal surface of Na-mordenite (inter-crystalline mesoporosity) and then a slow decrease until the stabilization of the permeability that was attributed to the hydration of the Na-mordenite internal pores (intra-crystalline microposity). During this study, it was also shown that the kinetic of micropore hydration is directly proportional to the microporous volume of the membrane active layer. Secondly, physicochemical characterizations, electric properties and contact angle measurements were carried out on the Na-mordenite active phase before and after a mild alkaline treatment (filtration of a sodium carbonate-water solution) to understand/explain the decrease of the hydraulic permeability after the alkaline treatment. The surface tension components (polar and apolar) and the energy of interaction between water molecules and the surface of the active layer were determined via the Young-Dupré equation according to the Lifshitz-van der Waals theory of the condensed states. The whole of these results showed that the modification of the hydraulic properties of the zeolite membranes is due to an increase of the surface hydrophilicity of the surface (surface defaults: extraction of the silicon atoms), leading to the formation of an ultra-polar layer on the surface of the zeolite crystals.

L’objectif de ce travail fut d’améliorer la modélisation et la simulation de la polymérisation radicalaire dans des réacteurs continus et discontinus. Une solution analytique explicite généralisée (AS) fut obtenue dans le cas de la polymérisation en masse/solution, homogène et isotherme menée dans un réacteur fermé de volume variable. Les différentes étapes considérées furent l'initiation, la propagation, le transfert au monomère, au solvant, à un agent de transfert de chaîne, la terminaison par combinaison et dismutation. Différents modèles rendant compte des effets de gel, de vitrification et de cage ont également été considérés. AS a été validée avec succès par comparaison avec des solutions numériques et des données expérimentales de la littérature. Par ailleurs, AS a été étendue à des conditions pour lesquelles elle ne fut pas originellement développée comme par exemple des conditions non isothermes. La polyvalence et la flexibilité de AS sur l’ensemble de l’échelle de conversion du monomère furent ainsi démontrées. Ensuite, pour élargir encore plus son champ d'application, AS fut utilisée dans des simulations numériques (CFD). Une nouvelle transformation très simple a été proposée afin d’adimensionnaliser les constantes cinétiques en terme de concentration. Cela a permis de rentrer dans les simulations les données chimiques sous leur forme originale en mole et de faciliter ainsi le codage et le débogage du code de calcul. Cette transformation a ensuite été utilisée pour évaluer trois géométries tubulaires de microréacteur, un réacteur tubulaire droit (STR), à géométrie hélicoïdale (CTR) et à inversion de flux (CFIR), dans des conditions d'alimentation différentes (fluides d’entrée non ou parfaitement mélangés) et à de très faibles nombres de Reynolds (<1). La modélisation a été réalisée avec des paramètres constants ou variables des propriétés physiques du fluide sous écoulement (densité, viscosité et conductivité thermique) ainsi qu’en variant de manière discrète les coefficients de diffusion. Leurs effets sur les résultats de simulation ont été observés et comparés avec les données expérimentales publiées pour 4 monomères différents et furent en très bon accord. Les résultats pour le cas d’un mélange parfait furent indépendants de la géométrie des microréacteurs. Le CFIR semble être le réacteur le plus prometteur puisque, dans les conditions de microréaction étudiées, il a permis le meilleur contrôle des caractéristiques du polymère synthétisé. / This thesis aimed at improving the modeling and simulation of free radical polymerization (FRP) in batch as well as in flow reactors. A generalized explicit analytical solution (AS) was obtained in case of variable volume, bulk/solution polymerization, homogeneous and isothermal batch reactor. The reaction steps included initiation, propagation, transfer to monomer, transfer to solvent, transfer to chain transfer agent (CTA), termination by combination and disproportionation. Different models of gel, glass and cage effects were also implemented explicitly. AS was validated against numerical solutions as well as published experimental data and was found in good agreement. Furthermore, its applicability was extended to conditions for which AS was not derived, i.e. non-isothermal conditions. The versatility and flexibility of AS over the complete range of monomer conversion were thus demonstrated. Then, to broaden its applications range even more, AS was used in CFD simulations. A new and simple transformation was proposed to make kinetic rate coefficients dimensionless in terms of concentration. This enabled chemical data to be fed in molar form to CFD modeling. It also enabled easy coding and debugging by keeping the original form of generation terms intact. The results were found to be improved after validation against experimental data. This transformation was then used for evaluating three tubula microreactor geometries, namely straight tube reactor (STR), coiled tube reactor (CTR) and coil flow inverter reactor (CFIR), under different feed conditions (unmixed or perfectly mixed) at very low Reynolds numbers (<1). The modeling for FRP was performed with constant or variable fluid physical parameters (density, viscosity and thermal conductivity) along with discrete variation of diffusion coefficients. Their effects on simulation results were observed and compared with published experimental data for 4 different monomers and were found to match perfectly. Results for mixed feed condition were found to be independent of microreactor geometry. CFIR seems to be the most promising reactor design under microreaction investigated conditions as it allowed the best control over polymer characteristics.

Dans l'industrie du raffinage, les procédés de craquage catalytique permettent la production de carburants à partir de coupes pétrolières lourdes, telles que les distillats sous vides (DSV). Pour optimiser ces procédés, un hydrotraitement préalable est nécessaire. Ces dernières années, les travaux conséquents de R&D ont considérablement amélioré l'activité des catalyseurs d'hydrotraitement. Par conséquent, le transfert de matière interne peut devenir limitant, il doit donc être quantifié.Une méthodologie utilisant la chromatographie inverse liquide a été développée afin de caractériser le transfert de matière dans des supports aluminiques de catalyseur. Le système a ensuite été déployé pour caractériser l'influence de l'adsorption, de la température et des précurseurs de la phase active. Dans des alumines mésoporeuses, le régime de diffusion est moléculaire pour des composés saturés allant des coupes essences au DSV. Ainsi, pour différentes alumines, des valeurs de tortuosité ont été estimées et corrélées aux propriétés texturales (porosité, surface spécifique et distribution en taille des pores). Ces relations montrent que les valeurs de tortuosité obtenues ne sont pas en accord avec un solide homogène vis-à-vis des propriétés de transfert de matière. Il y aurait donc une organisation dans la porosité des alumines.Un test catalytique en réacteur agité a aussi été développé pour étudier le transfert de matière en conditions réactives. L'impact de la taille des grains sur l'hydrodésulfuration d'une molécule synthétisée a été caractérisé et modélisé. Ces résultats ont été comparés aux expériences de chromatographie inverse avec un bon accord / The catalytic cracking has an important role in fuels production from heavy oil cuts like vacuum gas oil (VGO). To optimize these processes, a pre-hydrotreatment is required. The amount of work dealt by the research community in the last years has highly contributed to the enhancement of the catalyst’s activity. Therefore, the internal mass transfer can become the limiting step and it must be quantified.A methodology based on inverse liquid chromatography has been developed to characterize the mass transfer within alumina catalyst supports. The experimental setup was also used to study the influence of several parameters into mass transfer properties such as, adsorption, temperature, and active phase precursors. In mesoporous aluminas, the diffusion regime undertaken by saturated compounds, going from gasoline to VGO is the molecular regime. For different alumina supports, tortuosity values were estimated and correlated to the textural properties (porosity, specific surface area and pore size distribution). These results showed that the aluminas can not be considered as homogeneous supports given the estimated mass transfer properties. Thus, we assume that a hierarchical porous structure might be in cause. A catalytic test promoted in a stirred reactor was also developed to study the mass transfer properties under reactive conditions. The impact of the particle grains size into the hydrodesulphurization of a synthetized molecule was characterized and modeled. A good agreement was found between the data obtained using the inverse chromatography experiments and the catalytic tests

L’objectif de ce travail fut de développer et d’appliquer des technologies avancées de mélange et d’émulsification pour la préparation de nanovecteurs de morphologies complexes potentiellement utilisables en tant que produits pharmaceutiques. Premièrement, un procédé de nanoprécipitation assisté par micromélangeur fut utilisé pour obtenir et contrôler la taille de nanoparticules de PMMA chargées en Kétoprofène (100-200 nm). Combiné avec un appareil de séchage par pulvérisation, des nanoparticules sèches purent être obtenues dont les propriétés physico-chimiques furent proches de celles des particules non séchées. Ce microprocédé de nanoprécipitation permit également d’encapsuler des nanoparticules d’oxyde de fer (6 nm) dans des nanoparticules de PMMA de 200 nm avec une fraction massique de 60%. Pour augmenter la fraction solide de ces nanosuspensions et obtenir des particules sphériques de tailles plus petites (100 nm), une méthode de nanoémulsification basée sur un fort écoulement élongationnel fut employée. Deuxièmement, des émulsions et nanohydrogels doubles encapsulant un médicament hydrophile modèle dans leur cœur aqueux furent obtenus par couplage d’un microfluidiseur commercial pour l’obtention de l’émulsion primaire et d’une méthode d’émulsification basse énergie (émulsification spontanée) pour la double émulsification. La taille des nanovecteurs doubles a pu être variée grâce au rapport massique surfactant/huile (SOR) dans la gamme 80-80 nm. La colocation de deux sondes fluorescentes, placées dans le cœur et dans l’écorce, a pu être confirmée par microscopie confocale en fluorescence. La méthode d’émulsification spontanée fut également employée pour produire des nanolipogels (60 nm) chargées ou non de nanoparticules d’oxyde de fer et d’or (6 nm). / The aim of this work was to develop and apply advanced technologies in mixing and emulsification for the preparation of morphologically-complex nanocarriers for potential uses in pharmaceutics. Firstly, a micromixer- assisted nanoprecipitation process was used to get and to easily tune the size of Ketoprofen-loaded PMMA nanoparticles (100-200 nm). Combined with a commercial spray dryer, dry-state drug-loaded polymeric nanoparticles (NPs), which main physicochemical properties were close to those of non spray-dried NPs, were successfully produced. This nanoprecipitation microprocess also allowed encapsulating 6 nm iron oxide NPs into 200 nm PMMA nanoparticles with a weight ratio of 60%. To increase the solid content of the above nanosuspension and get spherical polymeric NPs of smaller sizes (100 nm), an elongational-flow nanoemulsification method was used. Secondly, double nanoemulsions/nanohydrogels encapsulating a hydrophilic model drug in the aqueous core droplets/hydrogel were obtained by the combination of a commercial microfluidizer for the primary emulsion and a low energy emulsification method (spontaneous emulsification) for the double emulsification. The size of the double nanocarriers was varied by means of the surfactant to oil ratio (SOR) in the range 80 to 180 nm. Colocation of two fluorescent probes located in the core and in the shell was confirmed by fluorescence confocal microscopy. The spontaneous emulsification method was also employed to produce nanolipogels whose size could be tuned down to 60 nm. These nanolipogels were also loaded with iron oxide nanoparticles (6 nm) or gold nanoparticles (6 nm).

La modélisation des phénomènes de brisure de gouttes lors d’opérations d’émulsification par bilan de population (PBE), a pour but de suivre l’évolution de la distribution des tailles de gouttes (DSD). Ceci a fait l’objet d’un grand nombre d’études au cours des deux dernières décennies. Une approche multiéchelle, couplant la modélisation des phénomènes de brisure à l’échelle d’une goutte avec les phénomènes agissant à l’échelle du champ d’écoulement est nécessaire pour simuler correctement les procédés d’ émulsification dans des géométries complexes tels que des mélangeurs statiques ou des homogénéisateurs à haute pression. Une telle approche est présentée dans cette thèse par l’emploi d’un couplage entre PBE et mécanique des fluides numériques (CFD). Trois types de procédés d’émulsification huile dans l’eau ont été étudiés : une cuve agitée de deux litres,équipée avec d’une hélice Mixel-TT générant un écoulement axial de la phase continue, pour deux systèmes modèles : Di-Stereate d’éthylène Glycol (EGDS) dans l’eau d’une part, huiles silicones de différentes viscosités d’autre part. Un montage expérimental sur mesure a été conçu pour l’émulsification d’huiles silicones dans eau basé sur l’emploi de mélangeurs statiques de type SMX+. Des expériences d’émulsification des huiles végétales de qualité alimentaire dans un homogénéisateur à haute pression (HPH) ont été réalisées dans le laboratoires d’UNILEVER R&D à Vlaardingen, Pays-Bas. Deux techniques d’analyse granulométrique in-situ ont été comparées aux résultats obtenus par la technique ex situ de diffraction laser : une sonde vidéo avec traitement automatisé d’images (basé sur la transforméecirculaire de Hough), et une sonde de réflectance laser « Focused Beam Reflectance Measurement »(FBRM), qui mesure la distribution de cordes (CLD). Les sondes ont été introduites dans la cuve agitée et une cellule de mesure a été conçue spécialement pour implanter en-ligne la sonde video et mesurer ainsi la DSD en amont et en aval des mélangeurs statiques. La technique FBRM n’a pas permis de détecter les plus grosses gouttes et la transformation de la CLD en DSD donnait une sous-estimation de la taille des gouttes. Cette méthode n’est par conséquent pas adaptée à l’analyse granulométrique des gouttes transparentes, telles que les huiles silicones. Par contre, la détection des gouttes sur les images prises par la sonde vidéo, permet de produire des mesures fiables de la DSD pour des concentration dephase dispersée faible (≤ 10 %). L’algorithme de détection a été amélioré pour être capable de mesurerla DSD des émulsions avec 10 – 20 % de phase dispersée. La partie modélisation de cette thèse se compose premièrement de l’élaboration d’un nouveau modèlede brisure qui est capables de représenter l’effet de la viscosité de la phase dispersée. Ce modèle est une amélioration du modèle phénoménologique proposé par Luo & Svendsen (1996). Deuxièmement le couplage entre des PBE discrétisées par volumes finis avec la CFD en régime turbulent a été réalisé, dans le code open-source OpenFOAM (OpenCFD). / The modelling of breakage phenomena with the goal to simulate the evolution of drop size distributions(DSDs) in turbulent emulsification by Population Balance Equation (PBE) modeling has been an activearea of research over the last decade. A multi-scale approach, combining the breakage phenomena on the droplet scale with the larger scale flow-field characteristics is necessary to accurately simulate emulsification in complex geometries such as High-Pressure homogenizers and static mixers. Emulsifications were performed for Ethylene Glycol Di-Stearate-in-water and Silicone oil-in-water systemsin a stirred tank reactor, using an axial-flow Mixel-TT impeller, as well as SMX+ (Sulzer) static mixers for the silicone oil system at the LAGEP, Lyon, France. Emulsifications of food-grade vegetableoils in a High-pressure Homogenizer were performed at UNILEVER R&D, Vlaardingen, Netherlands. Two in-situ DSD measurement techniques were compared to results obtained form laser diffraction measurements of samples. Focused Beam Reflectance Measurement (FBRM), which generates achord length distribution was found give an under-prediction of the DSD and failed to detect the largerdroplets of the transparent silicone oils. This technique, while providing a continuous, in situ measurement of the DSD is not reliable for measuring transparent droplets. An in situ video probe with off-line droplet detection via Hough transform, developed at LAGEP, was found to give reliable and traceable DSD measurements for dilute emulsions. The image detection algorithm was improved to be capable of measuring droplets in emulsions with 10 – 20 % dispersed phase hold-up fraction.The modelling part of this thesis consists of the development of a framework for the coupling of PBEand CFD modelling, as well as a significant improvement to the well-known Luo & Svendsen (1996)breakage model. Different breakage models were compared for their applicability to emulsification ofEthylene Glycol di-Stereate (EGDS) and silicone oil in water emulsions in a 2-L stirred tank reactor. This analysis revealed the need for a phenomenological breakage model which does not rely on system dependent parameters and is able to accurately take the dispersed phase viscosity effects into account.Such a model was proposed, based on the Han et al. (2011) to the Luo & Svendsen (1996) framework. A dispersed phase viscosity term was added to the surface energy opposing breakage. This was validated by experimental data from emulsification of silicone oils with varying viscosities (20, 50, 100, 350 mPa.s). The new model was found to provide better predictions than the Alopaeus et al. (2002) and Vankova etal. ( 2007) breakage models, without the need for empirically determined parameters. The one-way coupling of CFD and PBE modelling was implemented in the open-source finite volumes software package OpenFOAM. This was applied to emulsification of vegetable oils with varying viscosities(25, 50, 100 mPa.s) in a Niro-soave bench-scale HPH. The new model was found to deliver good predictions for the drop size distribution after three consecutive passes through the HPH valve at the three different viscosities and varying pressure drops (200, 400, 600 bar).

La liqueur noire, sous-produit de l’industrie papetière, est convertie par un processus hydrothermal. Elle a été choisie pour son contenu élevé en eau (80 wt%), matière organique (14 wt%) et minéraux (6 wt%) qui font d'elle une biomasse à haute valeur ajoutée bien qu'encore peu exploitée. L'étude en batch, balayant une large gamme de température (350°C-600°C), permet d'identifier deux flux sortant : une proportion d'hydrogène élevée dans la phase gazeuse (600°C), ainsi qu'une phase solide, appelée coke, générée quelques soient les conditions opératoires utilisées. La génération de solide modifie la composition du milieu réactionnel en procédé batch et peut poser problème en cas de transposition en réacteur continu. Il est donc important de comprendre sa formation pour pallier ces verrous. L'analyse du résidu montre qu'à 350°C, pour des temps de réaction courts (<2h), de microparticules carbonées se forment. Leur taille est influencée par les vitesses de montée et descente en température. Pour des températures plus hautes, le solide ne présente pas d'intérêt morphologique et sa proportion massique augmente avec la température. Ainsi, une production d'hydrogène significative s'accompagnera d'un dépôt solide dans le réacteur. Une étude catalytique a donc été menée en vue d'augmenter la quantité d'hydrogène et de diminuer la formation de coke tout en travaillant à plus basse température. Cette étude, menée à 350°C et 450°C, montre que les réactions d'hydrogénation et d'oxydation mises en jeu par le catalyseur conduisent aux résultats escomptés. La conversion de molécules modèles de la liqueur noire, menée dans les mêmes conditions d'expériences, a permis d'appréhender les mécanismes majeurs mises en jeu lors de la conversion hydrothermale. Les microparticules à 350°C peuvent être valorisées. Cependant, le changement de taille et de morphologie au cours du temps interroge sur la possibilité de passer en réacteur continu. La formation de solide peut être évitée à partir de 450°C en présence de catalyseur, favorisant en parallèle la production d'hydrogène. De ce fait, ce travail de thèse aborde les verrous scientifiques, techniques et technologiques liés à la conversion hydrothermale de la liqueur noire et notamment de la formation du solide, en présence ou non de catalyseur. / Black liquor, a by-product of paper industry, is converted by hydrothermal process. It was chosen for its high water content (80 wt%), organic material (14 wt%) and minerals (6 wt%) that make it a high-value biomass while still untapped. The study in batch, screening a wide temperature range (350°C-600°C), used to identify two outgoing flows: a high proportion of hydrogen in the gas phase (600°C) and a solid phase, called coke, generated regardless the operating conditions used. The generation of solid changes the composition of the reaction medium in batch process and can be problematic in case of transposition in continuous reactor. Thus it is important to understand its formation to overcome these obstacles. Analysis of the residue shows that at 350°C, for short reaction times (< 2h), carbonaceous micro-particles are formed. Their size is influenced by the temperature rates of rise and fall. For higher temperatures, the solid is of no morphological interest and its weight proportion increased with temperature. Thus, a significant production of hydrogen will be associated with a solid deposit in the reactor. A catalytic study was conducted to increase the amount of hydrogen and reduce the formation of coke while working at lower temperature. This study, conducted at 350°C and 450°C, shows that hydrogenation and oxidation reactions involved with the catalyst, lead to the expected results. Converting models molecules of black liquor, conducted with the same experimental conditions, helped to understand the major mechanisms involved during the hydrothermal conversion. The micro-particles at 350°C can be valorized. However, the change in size and morphology over time wondered about the possibility of implement in continuous reactor. The solid formation can be prevented from 450°C in the presence of catalyst, favoring in parallel hydrogen production. Therefore, this thesis deals with scientific, technical and technological locks related to hydrothermal conversion of black liquor and especially the solid formation, with or without catalyst.

L’enrobage à sec par action mécanique permet de formuler des particules composites dont les fonctionnalités et les propriétés physiques, comme l’écoulement, sont améliorées et cela sans l’ajout de solvant ou de liant. Actuellement la plupart des procédés d’enrobage à sec sont conduits en mode discontinu. L’objectif de ce travail est donc de développer et d’étudier une opération d’enrobage à sec par un procédé continu innovant, une extrudeuse bi-vis corotative sans filière, constituant une rupture technologique dans son domaine. Dans le cadre de ce travail, des sphères de cellulose microcristalline, appelées particules hôtes sont enrobées avec soit des talcs de différentes granulométries soit du stéarate de magnésium, nommées particules invitées. Dans un premier temps, le comportement des particules hôtes est étudié dans le procédé. Les particules sorties du procédé sont analysées par microscopie électronique à balayage, par granulométrie laser et par voluménométrie. Pour la configuration de vis présentant que des éléments de transport, la vitesse de rotation des vis (25 à 200 rpm) et le débit d’alimentation (0,5 à 2 kg/h) choisis influencent le taux de remplissage dans le fourreau, et pour un taux supérieur à environ 14 % : la quantité de particules endommagées est négligeable. Un taux de remplissage faible favorise les frictions particules-particules ou particules-métal au niveau de l’entrefer. L’ajout de zones de mélanges dans la configuration des vis accentue ce phénomène de brisure par l’augmentation des contraintes de cisaillement. Par ailleurs, des masses retenues de la poudre dans le fourreau évoluent linéairement en fonction de la masse de poudre transportée en un tour de vis pour différentes configurations de vis. Ces relations laissent penser à l’existence d’un volume mort. Les mesures de distribution de temps de séjour mettent en évidence par l’application d’un modèle d’association de réacteurs idéaux, la présence d’écoulement piston et d’un volume mort. Dans un second temps, la faisabilité d’une opération d’enrobage à sec par le procédé étudié est analysée. Une couche d’enrobage continu de talc modifiant le comportement hydrophile des particules hôtes, est obtenue pour une vitesse de rotation de vis de 50 rpm et une configuration de vis cisaillante. Le type de particules invitées influence la morphologie de la couche d’enrobage : de type film avec le stéarate de magnésium et de type discret avec le talc micronisé. Néanmoins les propriétés de taille, d’écoulement, de compressibilité des particules composites sont semblables à celle des particules hôtes, seule la propriété de mouillabilité est modifiée. La présence de stéarate de magnésium diminue le temps de séjour des particules dans le procédé grâce à son caractère lubrifiant. / Dry particle coating with mechanical action allows the production of composite particles whose functionalities and physical properties, such as flowability, are improved thanks to the absence of solvent or binder. Currently, most of dry particle coating processes are carried out in a discontinous mode. The objective of this work is thus to develop and study a dry particle coating operation with a continuous innovative process, twin screw co-rotating extruder without die, constituting a technological rupture in this application field. For this, spherical particles of microcristalline cellulose, as host particles, are coated with either talc particles of two sizes or magnesium stearate particles (MgSt), as guest particles. Firstly, the host particles behaviour is studied in the process. The exiting particles are analyzed by scanning electronic microscopy, laser granulometry and tapping test. Regarding the transport configuration, the chosen screw speed (between 25 an 200 rpm) and the feed rate (between 0.5 and 2 kg/h) have an important influence on the filling level in the barrel. For a filling level superior to approximatly 14 %, the quantity of broken particles is not significant. A low filling level facilitates the particle-particle or particle-metal friction in the barrel gap. When more mixing zones are added to the screw configuration, the shear stresses increase and, therefore, the breakage particle phenomenon becomes more prominent. Futhermore, the retained powder mass increases linearly when the transported mass in one screw turn increases for all the screw configurations. These evolutions suggest the existence of a dead volume. The residence time distribution mesurements highlight, thanks to the application of flowing model, the presence of plug-flow and a dead volume. Secondly, the feasibility of using the process for dry particle coating is analyzed. A continuous coating layer of talc modifiying the hydrophilic behaviour of the host particles is obtained for a low screw rotation speed (50 rpm) and a screw configuration with one mixing zone. The type of guest particles influence the morphology of the coating layer: film layer with the MgSt particles and discontinous layer with the micronized talc. However, size, flow and compressibility of the coated particles are similar to the ones of the initial host particles, only the wettability properties are modified. The presence of MgSt decreases the particle mean residence time in the process thanks to its lubricant action.