La planification des expériences (DOE) a toujours joué un rôle intrinsèque dans le développement durable. En minimisant simplement le nombre d'expériences nécessaires pour atteindre l'objectif visé, on peut réaliser d'importantes économies de ressources.
Cependant, il ne s'agit pas seulement d'utiliser la méthode des plans d'expériences (DOE), mais aussi de la combiner avec les profileurs de prédiction et de contour. Ces profileurs permettent aux scientifiques et aux ingénieurs d'optimiser les produits et les procédés, contribuant ainsi indirectement au développement durable. Par exemple, en améliorant l'efficacité d'un procédé, il est possible de réduire la production de déchets et/ou la consommation d'énergie. L'obtention d'un produit plus performant ou plus efficace peut permettre d'économiser des ressources lors de son application ou d'allonger sa durée de vie en réduisant, là encore, la production de déchets.
Dans cet article, nous montrons comment, chez Johnson Matthey, leader mondial des technologies durables, nous intégrons le développement durable non seulement dans l'application de nos produits, mais dès leur formulation. Nous expliquons comment nous utilisons la planification d'expériences (DOE) et les profileurs pour formuler nos produits en tenant compte non seulement de leurs performances, mais aussi en minimisant leur impact environnemental. Ainsi, le développement durable est intégré à de multiples aspects du produit.
Bonjour à tous. Aujourd'hui, je vais vous présenter notre contribution au Discovery Summit. Elle s'intitule « Utilisation de la planification des expériences et du profileur de prédiction pour la création de formulations durables ». Mais d'abord, qui sommes-nous ? Je m'appelle Pilar. Je suis chercheuse chez Johnson Matthey, une entreprise de chimie de spécialité, et je dirige l'équipe « Réflexion statistique », dont l'objectif est de promouvoir l'utilisation des outils statistiques au sein de Johnson Matthey. Mes collègues Patricia et Jenny vont se présenter.
Bonjour, je suis Patricia Blanco. Je travaille également chez Johnson Matthey, au centre de recherche. Chimiste de formation, je travaille dans le domaine du codage et des formulations depuis une vingtaine d'années.
Bonjour, je suis Jenny. Je travaille au Centre technologique, et je m'occupe d'analyse du cycle de vie au sein de l'équipe développement durable, aidant les scientifiques à prendre des décisions durables dans le cadre de leurs projets de recherche.
Pour ceux qui ne connaissent pas Johnson Matthey, je vais vous la présenter brièvement. Comme vous le savez, le monde est confronté à des défis sans précédent et nous devons changer, opérer une transition vers la neutralité carbone et garantir un avenir plus durable. C'est là qu'intervient Johnson Matthey. Grâce à nos recherches scientifiques de pointe et à notre innovation constante, nous catalysons chaque jour la transition vers la neutralité carbone pour des millions de personnes. Forts de 206 ans d'histoire, nous employons plus de 12 000 personnes à travers le monde. Notre technologie repose sur des métaux de pointe, la chimie, la catalyse et l'ingénierie des procédés. Ces expertises, développées au fil des années, sont au cœur de toutes nos activités. Chez JM, nous sommes engagés en faveur du développement durable, et Jenny va nous en parler plus en détail.
L'une de nos valeurs fondamentales chez Johnson Matthey est de protéger la planète et ses habitants. Pour y parvenir, nous examinons le développement de notre portefeuille technologique, les opérations nécessaires à sa production et notre collaboration avec nos clients et fournisseurs afin de créer des produits durables. Nous nous engageons à protéger le climat, la nature et à promouvoir l'économie circulaire, ainsi qu'à bâtir une société sûre, diversifiée et équitable. Les critères ESG nous permettent de suivre nos progrès vers une entreprise plus durable.
Merci. Aujourd'hui, nous allons parler de l'application de la méthode des plans d'expériences (DOE) au développement durable. Pour nous, la DOE contribue intrinsèquement au développement durable, car la simple réduction du nombre d'expériences permet d'économiser des ressources, des matériaux et de l'énergie. De plus, si vous appliquez la DOE, par exemple, pour optimiser un processus, vous réduisez le poids et la consommation d'énergie. Si vous l'appliquez pour améliorer l'efficacité d'un produit, vous pouvez économiser des ressources lors de son utilisation, ou encore augmenter sa durée de vie et donc réduire les déchets. Toutes ces applications de la DOE au développement durable sont principalement axées sur l'utilisation des produits. Dans cette présentation, nous souhaitons aller plus loin et aborder la DOE et le développement durable à travers la formulation du produit, c'est-à-dire remonter à la source, avant même que le produit n'existe. Formulations chez JM.
La formulation de produits est l'une des compétences clés de JM et requiert une approche multidisciplinaire où chimie, modélisation, fabrication, procédés et ingénierie collaborent pour que la science de JM soit adaptée aux besoins du client. Comme je l'ai mentionné en introduction, je fais partie de l'équipe Formulations du Centre Technologique de JM au Royaume-Uni. Notre équipe accompagne toutes les entités de JM dans divers projets, allant de la compréhension fondamentale à long terme à une assistance rapide et essentielle pour la fabrication de produits. Nous développons et enrichissons également notre expertise scientifique en créant de nouvelles techniques et compétences dans nos laboratoires, et en collaborant avec des experts externes.
Nous utilisons des outils statistiques pour concevoir nos expériences et exploiter au mieux nos données. La plupart des produits de JM sont formulés, et je ne présente ici que quelques exemples. De gauche à droite, on voit des convertisseurs catalytiques recouverts d'alizarine, qui contient un catalyseur actif. L'image noire au centre représente une encre pour pile à combustible ; les catalyseurs pour piles à combustible et électrolyseurs sont déposés sur ces encres pour former des couches minces. Les poudres sont également essentielles, car elles servent à produire des catalyseurs granulés ou pastillés, utilisés dans la fabrication de produits chimiques.
Dans tous ces exemples, il est essentiel de comprendre les matériaux et leurs interactions. Les formulations sont des systèmes complexes ; l’utilisation d’outils JMP comme la planification d’expériences pour les mélanges est donc importante et nous permet d’optimiser notre compréhension lors de l’étude de la formulation de produits.
Dans cette démonstration, nous allons réaliser un plan d'expériences (DOE) sur un mélange afin d'analyser ses performances. Ces performances seront ensuite intégrées à l'outil Profiler de JMP. Nous présenterons également un modèle de durabilité basé sur l'analyse du cycle de vie. Ces deux aspects seront examinés conjointement dans Profiler pour obtenir une formulation optimisée qui prenne en compte à la fois ses performances et sa durabilité. Si vous n'êtes pas familier avec l'analyse du cycle de vie, Jenny vous en donnera un aperçu.
L'analyse du cycle de vie (ACV) est une méthode permettant de quantifier les impacts environnementaux directs et indirects tout au long de la chaîne de production, de l'extraction des matières premières à la fin de vie (Cradle-To-Gate). L'ACV contribue à promouvoir la conception de produits et de procédés durables et à identifier les problèmes potentiels afin d'y remédier au plus tôt. Cela permettra de réduire l'impact environnemental et les rejets de substances toxiques dans l'environnement. L'ACV se concentre sur trois objectifs principaux : la santé humaine, la santé des écosystèmes et la disponibilité des ressources. Actuellement, nous nous intéressons à l'équivalent CO₂ afin d'évaluer l'empreinte carbone des produits, de l'extraction des matières premières à la fin de vie, en collaboration avec Pilar au sein du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE).
Je vais vous quitter. Je vais faire une démonstration directement dans JMP. Nous avons donc un mélange de trois composants : un composant principal, un modificateur et un solvant. Ouvrons le diagramme ternaire. Regardez à quoi il ressemble. Il est en bleu. Voici notre diagramme ternaire, avec le composant principal, le modificateur et le solvant. Bien sûr, les formulations de systèmes sont beaucoup plus complexes, mais nous avons pris ce petit exemple avec seulement trois composants, afin de pouvoir les visualiser facilement sur le diagramme ternaire. Généralement, et c'est très courant pour les formulations, l'espace expérimental est très réduit par rapport à toutes les combinaisons possibles.
Normalement, nous devons considérer un espace très restreint. Mais en réalité, même si cet espace semble très petit, de très petites modifications de la formulation peuvent entraîner des changements très importants en termes de performances. Nous avons conçu un plan d'expériences de mélange, basé sur un plan de remplissage [inaudible 00:09:50] avec contraintes, comme vous pouvez le constater. Ce plan nous permet d'obtenir une bonne distribution des points de données dans l'espace expérimental. Les données que nous collectons concernent une propriété liée aux performances, comme vous pouvez le voir.
Nous disposons désormais d'un modèle expliquant comment différentes formulations confèrent différentes propriétés de performance. Parallèlement, nous avons également un modèle pour l'empreinte carbone, exprimée en kilogrammes d'équivalent CO₂ produits par kilogramme de formulation, en tenant compte de l'empreinte carbone de chaque ingrédient. Nous allons visualiser chacun de ces modèles sur un diagramme ternaire. Prenons l'exemple de l'empreinte carbone : j'ai effectué un zoom sur l'espace expérimental, représenté en blanc. Les courbes de niveau rouges indiquent que l'empreinte carbone augmente vers la gauche.
Pour minimiser l'empreinte carbone de cette formulation, il faut se diriger vers la droite. En examinant le modèle de prédiction de performance, on constate sa complexité et la variation des valeurs entre 20 et 60. On distingue les valeurs 20 et 30, ainsi que la zone 40 (indiquée par les pointillés). Pour atteindre une performance de 40, il est nécessaire d'optimiser ce paramètre.
Nous avons également la valeur de 50. Si nous voulons travailler autour de cette valeur, nous avons besoin de formulations qui se situent dans cette zone, et nous avons aussi une valeur optimale de 60. Supposons que nous cherchions à maximiser cette propriété, nous devons alors choisir des formulations qui se situent dans ces intervalles, et plus particulièrement dans cette zone pour les formulations. Si nous considérons l'ensemble, nous avons les courbes de niveau de la propriété de performance en rouge et l'empreinte carbone en bleu. Cette vue d'ensemble nous permet de choisir des formulations qui nous rapprochent le plus possible de la zone d'intérêt pour maximiser la propriété de performance, tout en essayant de minimiser l'empreinte carbone.
Nous choisirons probablement une formulation située à droite de cette zone afin de minimiser l'empreinte carbone. Il s'agit bien sûr d'une représentation visuelle, qui se complexifie avec l'augmentation du nombre de composants. Quoi qu'il en soit, vous pouvez effectuer toutes ces opérations via le profileur de mélange, mais aussi utiliser d'autres outils de JMP, tels que le profileur de prédiction ou le profileur d'espace de conception, pour optimiser le système en tenant compte de différents paramètres, comme ici la performance et l'empreinte carbone, et ainsi trouver un compromis entre ces deux aspects.
Nous étudions actuellement la formulation d'un produit. En résumé, il est primordial de fournir aux scientifiques les outils nécessaires pour prendre en compte la durabilité et la recherche en phase préliminaire. Sans cela, ces décisions s'avèrent très difficiles à prendre. JMP, grâce à ses outils d'analyse expérimentale et de profilage, s'est révélé un outil précieux pour les scientifiques. Il leur permet d'optimiser simultanément la performance, la durabilité et de nombreux autres aspects d'un produit ou d'une formulation, comme le coût, afin d'obtenir la meilleure solution possible. C'est tout pour nous. Merci beaucoup pour votre attention.
