Des méthodes respectueuses de l'environnement pour la production industrielle de produits chimiques sont nécessaires de toute urgence. Les chercheurs du LMU ont récemment décrit une telle procédure pour la synthèse du formaldéhyde, et l'ont maintenant amélioré à l'aide de l'apprentissage automatique.

Le formaldéhyde est l'une des matières premières les plus importantes utilisées dans l'industrie chimique, et sert de point de départ pour la synthèse de nombreux produits chimiques plus complexes. La production industrielle de formaldéhyde repose actuellement sur un procédé à grande échelle qui consomme des combustibles fossiles et nécessite un apport énergétique élevé. Des modes de synthèse plus efficaces et plus durables sont donc nécessaires de toute urgence, qui pourrait apporter une contribution significative à l'atténuation du climat. Le chimiste LMU, le professeur Oliver Trapp et ses collègues ont maintenant développé un nouveau flux de travail pour la production de formaldéhyde, qui est basé sur un algorithme construit à l'aide de l'apprentissage automatique. La nouvelle procédure augmente les rendements du composé d'un facteur 5, comme l'équipe le rapporte maintenant dans le journal Sciences chimiques . Les auteurs de l'étude sont convaincus que leur nouvelle approche a un grand potentiel et peut en principe être appliquée à d'autres procédures de synthèse.

La synthèse industrielle du formaldéhyde commence avec du gaz de synthèse [un mélange de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène moléculaire (H2)] – auquel du méthanol est ajouté avant d'être oxydé à l'aide d'un catalyseur. Cependant, la production de gaz de synthèse elle-même nécessite des températures élevées et des combustibles fossiles tels que le gaz naturel ou le charbon. Dans une étude précédente, les chercheurs du LMU ont décrit le développement d'un schéma réactionnel permettant de synthétiser en une seule étape un dérivé du formaldéhyde à partir d'un mélange d'hydrogène gazeux et de dioxyde de carbone, en présence d'un catalyseur homogène, dans des conditions modérées de température et de pression. En ajoutant du méthanol, ce dérivé pourrait ensuite être converti en le produit final souhaité. La stratégie présente un certain nombre d'avantages par rapport à la procédure conventionnelle. "Tout d'abord, il permet au CO 2 , qui est un sous-produit de plusieurs processus industriels (par exemple, dans la production d'acier) à recycler. Ainsi, cette approche améliore non seulement l'efficacité de la synthèse du formaldéhyde, il réduit également le taux d'accumulation de CO 2 dans l'atmosphère. À la lumière du changement climatique en cours, c'est un effet secondaire très recherché et très apprécié de la procédure, " dit Trapp. " De plus, l'ensemble du processus nécessite beaucoup moins d'énergie que les voies alternatives de synthèse, car il se produit à des températures plus basses et implique moins d'étapes."

Le groupe a maintenant optimisé cette procédure en faisant varier pas moins de sept paramètres qui affectent le rendement de synthèse du formaldéhyde dans leur système, et en utilisant l'apprentissage automatique pour identifier les combinaisons de paramètres qui donnent les meilleurs résultats. La caractéristique essentielle des algorithmes d'apprentissage automatique est qu'ils sont capables d'apprendre de l'expérience, lorsqu'ils sont fournis avec des ensembles de données de « formation » appropriés. « Dans la méthode que nous avons employée, appelée forêt aléatoire, les jeux de données initiaux contiennent des résultats valides obtenus sur la base d'observations ou de calculs empiriques, " dit Trapp. Un sous-ensemble de ces données est utilisé pour entraîner l'algorithme, afin qu'il puisse construire une relation mathématique entre ces données d'entrée et les résultats correspondants. Le résultat de cette étape est donc un modèle mathématique. La capacité du modèle à prendre en compte le reste des données peut ensuite être évaluée, et le modèle peut être progressivement ajusté.

En utilisant cette méthode, l'équipe LMU a pu déterminer les conditions de réaction optimales pour leur système chimique. En réglant de manière appropriée les paramètres d'entrée dans une nouvelle configuration de réaction, ils ont pu tester directement l'efficacité de l'algorithme. "Le nouveau schéma réactionnel a augmenté l'efficacité de la synthèse de 500 % par rapport à celle du mode conventionnel de production de formaldéhyde, " dit Trapp. " Ce résultat a largement dépassé nos attentes, et cela démontre le potentiel des algorithmes modernes pour maximiser les résultats avec un minimum d'efforts pratiques."

Les auteurs sont convaincus que leurs résultats motiveront les ingénieurs chimistes à adopter le procédé et à le mettre en œuvre à une échelle technique. "BASF, notre partenaire dans le projet, est déjà engagé dans l'évaluation de la pertinence industrielle du procédé, " dit Trapp. Étant donné que la production mondiale annuelle de formaldéhyde dépasse les 20 millions de tonnes par une marge considérable, et la demande pour le composé continue d'augmenter, cette alternative relativement bénigne au mode de synthèse actuel pourrait apporter une contribution appréciable à la réduction des gaz à effet de serre.