Programme de formation FONCER en science en flux continu

Créé en 2014 grâce au soutien financier du CRSNG, le programme de formation FONCER en science en flux continu (SFC) rassemble 11 professeurs de l’Université de Montréal, de l’École Polytechnique, de l’Université McGill et de l’Université d’Ottawa ainsi que 17 collaborateurs issus d’institutions internationales et d’autres universités ou sociétés québécoises. Le programme repose sur des collaborations de haut niveau entre des ingénieurs et des chimistes bioorganiciens, organiciens et analystes pour développer des stratégies innovantes en SFC susceptibles de changer la façon dont les produits chimiques sont fabriqués de nos jours. Son but ultime est la formation d’une nouvelle génération d’étudiants de 1er, 2e ou 3e cycles possédant un état d’esprit différent dérivé d’un apprentissage alliant la synthèse chimique, l’analyse chimique et le génie chimique par le biais de cours, de laboratoires, d’ateliers et de stages en SFC. La combinaison de ces activités à valeur ajoutée est censée offrir aux étudiants du programme FONCER des moyens éducatifs qui dépassent le cadre scolaire habituel afin d’améliorer leurs connaissances et de stimuler leurs compétences professionnelles en ingénierie et en chimie du flux continu, lesquelles seront très recherchées sur le marché du travail.

Plus spécifiquement, le programme FONCER joue un rôle central en :  

  1. permettant aux chercheurs d’acquérir suffisamment d’expérience pratique en SFC;
  2. inculquant des connaissances théoriques interdisciplinaires nécessaires à l’implémentation de la SFC dans l’industrie chimique;
  3. transmettant d’importants outils de développement personnel pour devenir les prochains chefs de file de l’industrie canadienne.

EN SAVOIR PLUS

Qu'est-ce que la science en flux continu?

La SFC constitue désormais une technique révolutionnaire pour faciliter le processus de synthèse et d’analyse des molécules organiques, tant à petite qu’à grande échelle. Bien que cette technologie commence peu à peu à se faire accepter comme la voie de l’avenir, elle offre sans contredit une nouvelle approche, à la fois efficace et puissante, pour la préparation de molécules qui, traditionnellement, comportait de multiples étapes fastidieuses incluant la réaction chimique, l’extraction et la purification. À l’inverse d’une réaction organique classique, qui est généralement effectuée dans des ballons ronds et des réacteurs discontinus, la SFC emploie des microréacteurs constitués de minuscules canaux qui permettent aux produits chimiques de circuler continuellement en solution tout au long de la réaction. Comparés aux réacteurs conventionnels, les microréacteurs, de par leurs dimensions compactes et leur rapport élevé surface/volume, confèrent à la réaction chimique une efficacité accrue. Au final, les produits chimiques se mélangent mieux, la chaleur se transfère plus rapidement, les réactions sont mieux contrôlées, créant ainsi un environnement de travail plus sécuritaire. L’utilisation des microréacteurs réduit aussi les temps de réactions et améliore les rendements et les sélectivités. En outre, la SFC peut servir à synthétiser de simples molécules cibles, que ce soit à petite échelle ou en quantités industrielles, ainsi que des librairies de nouvelles molécules. Cette technologie est sérieusement évaluée par les laboratoires R&D (chimie médicinale ou des procédés) partout dans le monde dans une optique de développement durable, notamment parce qu’elle offre de nombreux avantages sur le plan de la production tels que des procédés plus efficaces, sécuritaires, économiques et respectueux de l’environnement. 

Les thèmes de recherche du programme FONCER-SFC

Thème 1 : nouveaux procédés de synthèse en SFC

Experts : André Charette, Shawn Collins, Stephen Hanessian, Hélène Lebel, William Lubell, James Wuest.

La mise au point de procédés efficaces de SFC qui mènent à des composés d’importance tout en minimisant ou en éliminant la manipulation des produits chimiques, solvants et intermédiaires dangereux de même qu'en obtenant de hauts rendements et sélectivités s’avère un défi de taille. Il faudrait alors ré-optimiser, voire modifier beaucoup de réactions chimiques traditionnelles utilisant la fabrication de lots pour qu’elles deviennent performantes et applicables aux stratégies de SFC. C’est pourquoi une proportion importante du programme FONCER est dédiée au développement de nouveaux procédés de synthèse en SFC. Une attention particulière est portée au développement de nouvelles méthodes de transformations catalytiques, compte tenu qu’elles jouent un rôle crucial dans les processus de fabrication industrielle. Les chercheurs du programme FONCER explorent diverses stratégies synthétiques qu’ils sont en train d’élaborer du point de vue de la SFC. Il convient aussi d’examiner de nouvelles applications de la catalyse homogène en flux continu, en l’occurrence la création de méthodes multicatalytiques, dans lesquelles un système de catalyseur unique pourrait être exploité pour générer de multiples transformations séquentielles dans un système en flux continu et réduire les déchets et la consommation d’énergie. Ainsi, il serait possible d’inventer de nouvelles réactions utilisant des réactifs énergivores, d’habitude écartés dans les réactions discontinues mais mis à profit en toute sécurité en flux continu, qui ouvriraient de nombreuses possibilités pour le développement d’entités essentielles dans la synthèse de produits chimiques fins et en vrac. Des travaux de recherche dans le domaine de la catalyse homogène permettraient aussi d’atteindre de nouvelles frontières en matière de transformations chimiques, qui seraient très bénéfiques pour le secteur manufacturier. La biocatalyse est l’un de ces domaines, compte tenu que les réactions enzymatiques présentent généralement une sélectivité élevée, un critère recherché par les fabricants de produits chimiques. La photochimie de synthèse est un autre domaine qui apparaît comme un moyen efficace pour effectuer des transformations chimiques complexes et créer des produits à forte valeur ajoutée, typiquement en utilisant une source lumineuse de faible énergie. La catalyse homogène est aussi en cours d’investigation dans les systèmes non conventionnels de solvants (par exemple, les liquides ioniques), lesquels sont non toxiques et non volatils. La catalyse hétérogène, qui exploite les catalyseurs fixes, s’avère aussi particulièrement intéressante, puisqu’elle représente un processus de fabrication recyclable et durable. La SFC assistée par micro-ondes sur de nouveaux procédés hétérogènes et homogènes fait également l’objet d’étude au sein du programme FONCER.    

Thème 2 : conception et mise en application de microréacteurs chimiques

Experts : Jean-François Masson, Arturo Macchi, Gregory Patience, Maryam Tabrizian.

Le développement de procédés efficaces de SFC est intimement lié à celui des conduits utilisés dans les procédés de fabrication. Pour concevoir de nouveaux réacteurs, au regard d’une connaissance approfondie des paramètres techniques d'ingénierie, il est important de mettre au point des systèmes de flux continu tant pour la synthèse que l’analyse. Le programme FONCER a pour but d’exploiter des dispositifs microfluidiques pour des applications à la fois synthétiques et analytiques. Le rapport élevé surface/volume, caractéristique des dispositifs microfluidiques, rend souvent propice un contrôle chimique et un transfert d’énergie d’une grande précision. Par exemple, parmi les objectifs de synthèse, il convient de mettre en œuvre des microfluidiques dans les procédés photochimiques, où il est possible d’obtenir un flux photonique hautement efficace et une réactivité chimique grandement accrue, afin d’ouvrir la voie à de nouvelles méthodes pour la synthèse d’entités chimiques indispensables. La manipulation des écoulements polyphasiques représente un autre atout propres aux systèmes microfluidiques. Ils permettent de générer et de manipuler des bulles ou gouttes monodispersées au sein d’une phase liquide ou gazeuse dispersée dans un courant liquide continu; ces dispersions suggèrent de nouvelles approches vers le développement de procédés efficaces de SFC. Sachant que des paramètres tels que le pH, la force ionique, la composition ionique, les co-solvants et la concentration peuvent être examinés, les dispositifs microfluidiques sont aussi considérés comme des microréacteurs fort intéressants pour réaliser des synthèses chimiques. Cependant, la synthèse chimique (particulièrement la chimie organique et médicinale) – un domaine pour lequel les systèmes microfluidiques s’apprêtent pourtant naturellement – a été plutôt lente à adopter cette technologie en tant que stratégie pour acquérir de nouvelles capacités. Les chercheurs du programme FONCER s’intéressent actuellement à mettre au point des appareils microfluidiques constitués de silicone, de verre ou de polymère, lesquels sont nécessaires dans bien des procédés de SFC permettant d’utiliser toutes sortes de solvants, réactions à divers niveaux de pH, hautes températures et pressions.  

Thème 3 : applications analytiques et biomédicales de la SFC en microfluidique

Experts : Jean-François Masson, Maryam Tabrizian, Alexis Vallée-Bélisle.

Des méthodes novatrices pour l’analyse qualitative et quantitative des échantillons non traités ou prétraités qui touchent à des principes de SFC sont actuellement examinés, en portant une attention particulière aux techniques électrochimiques, de fluorescence, de spectroscopie Raman amplifiée de surface et de résonance plasmonique de surface. Le développement de nouvelles stratégies de biodétection revêt un intérêt tout particulier. En effet, à l’aide des techniques susmentionnées, ces dernières exploitent l’intégration de fonctionnalités microfluidiques et de surface dans des canaux microfluidiques utilisant la SFC. La souplesse apportée par cette intégration permet la fabrication de nouveaux microsystèmes d’analyse totale (micro-TAS) de diverses épaisseurs (échelle micro- à nanométrique) pour obtenir les analyses industrielles requises. Par exemple, il serait approprié de développer des outils efficaces pour examiner des réactions chimiques de l’ordre de sous-millisecondes, telles que le pliage des protéines et les réactions enzymatiques. En outre, les systèmes microfluidiques de SFC offrent des avantages indéniables par rapport aux méthodes en vrac pour des applications biomédicales : ils peuvent remplacer les techniques de séparation traditionnelles, incluant la filtration, la centrifugation, la chromatographie et l’électrophorèse. Les chercheurs du programme FONCER utilisent les plateformes microfluidiques en flux continu pour la séparation de l’ADN de divers poids moléculaires et pour la séparation de divers types de cellules vivantes. Par ailleurs, du fait que ces systèmes assurent les formulations de particules avec une homogénéité sans précédent et un contrôle complet des paramètres critiques d'un processus, ils cherchent à trouver, grâce à la fabrication de liposomes, des applications pour l’administration de médicaments utilisant des procédés de SFC. Ainsi, ils démontrent les applications médicales des dispositifs microfluidiques de flux continu et disposent d’une boîte à outils diversifiée basée sur des méthodes de SFC qui jouent un rôle important dans la création de futurs dispositifs d’analyse au point des soins ou de terrain.

Les équipements propres au programme FONCER-SFC

Le laboratoire de science en flux continu de l’Université de Montréal est équipé de divers microréacteurs dédiés à la synthèse à petite ou grande échelle. Au fil des ans, nous avons acquis une infrastructure de recherche de pointe qui est mise à la disposition de tous nos étudiants, professeurs et collaborateurs. Entre autres, nous avons : 

  • Un système d’hydrogénation H-Cube de ThalesNano;
  • Un réacteur stop-flow Voyager chauffé aux micro-ondes de CEM ainsi qu’un micro-ondes pour la synthèse peptidique de Liberty;
  • Deux réacteurs à flux continu avec robotique et modules d’insertion de gaz d’Uniqsis;
  • Six réacteurs R2 et R4 de Vapourtec équipés de modules de refroidissement, de robotique et d’insertion de gaz;
  • Deux modules de pompes R1C Plus de Vapourtec, de type gaz/liquide pour des réactions séquentielles;
  • Quatre pompes Asia à haut rendement de Syrris pour contrôler avec précision des débits faibles et des volumes d’injection peu élevés;
  • Deux séparateurs liquide-liquide et quatre régulateurs de pression perfectionnés de Zaiput;
  • Deux photoréacteurs de Luzchem pour des réactions en flux continu par rayonnement ultraviolet;
  • Plus de vingt systèmes personnalisables (avec des pompes à seringues et diverses pièces pouvant être combinées et assemblées au gré des chercheurs) pour monter des appareils uniques et spécialisés pour des procédés en flux continu;
  • Un spectromètre RMN ARX-400 de Bruker pour l’analyse in situ de réactions effectuées dans dans microréacteurs et pour l’analyse « discontinue » des échantillons;
  • Un spectromètre de masse UPLC IM TOF de Waters pour effectuer des analyses à haut débit;
  • Un microcalorimètre à température très basse de OmniCal pour évaluer l’innocuité des molécules.

Personnes-ressources du programme FONCER-SFC

Vanessa Kairouz, coordonnatrice du programme FONCER
Courriel : vanessa.kairouz@umontreal.ca. Tél. : 514-343-6111 poste 27502

Professeur André Charette, directeur du programme FONCER
Courriel : andre.charette@umontreal.ca. Tél. : 514-343-6283

Professeur Shawn Collins, co-directeur du programme FONCER
Courriel : shawn.collins@umontreal.ca. Tél. : 514-343-6735

Les professeurs du programme FONCER-SFC

Parmi les professeurs canadiens impliqués dans le programme FONCER, huit d'entre eux sont affiliés à l'Université de Montréal.

Financement fourni par :