Histoire de la formulation

Introduction

Dès l’aube de son histoire, l’homme s’est toujours adapté à son environnement pour satisfaire ces besoins primaires (se nourrir, se soigner, se loger, se vêtir, se défendre….). L’homme s su mélanger des produits qui l’entourent pour satisfaire à ces besoins. Actuellement, c’est merveilleux de voir l’étendue et la qualité des produits disponibles qui sont sur le marché aujourd’hui. Alors comment ont évolué les choses à travers l’histoire pour en arriver à cette situation de confort et de bien être ? Une véritable récompense et effort pour tous ceux qui, au début, ont mis peu à peu les bases des sciences de la formulation. Dans cet article, nous allons donner un aperçu sur l’évolution du concept de la formulation depuis la préhistoire à l’ère ou nous vivons actuellement.urs de finalisation

I-Période du tout naturel :

La période de préhistoire qui s’étend jusqu’au milieu du 19eme siècle, s’est caractérisée par l’élaboration des formules mises au point par tâtonnement et basées exclusivement sur l’association de matières naturelles complexes provenant du règne animal, végétal ou minéral. L’homme a su utiliser les colorants naturels qu’il agglutinait avec les substances les plus diverses. L’objectif principal était alors d’ordre esthétique, pour décorer par exemple sa demeure posthume. L’homme primitif a utilisé les sels de fer, de manganèse, des cendres de bois, la craie mélangés avec les graisses animales pour peindre les murs des caves où il habitait. Des traces ont été trouvées en Espagne, France et en Afrique. Ces peintures dataient de 25 000 ans (âge de la préhistoire) [1].

L’utilisation des premiers placages (dorures) sur bois relevait du même souci. Le veau d’or dont parle l’exode des hébreux (1 500 ans av. J.-C.) n’était certainement pas en or massif, mais selon toute vraisemblance en bois recouvert de lamelles d’or, voire d’électrum (alliage Au-Ag-Cu), ce qui expliquerait la facilité avec laquelle Moïse brûla l’idole [2]. L’une des plus anciennes références bibliographiques, relative à un procédé de protection par revêtement, est relevée dans la bible, lorsque Dieu donna l’ordre à Noé : « Fais-toi une arche en bois résineux et en roseaux et enduis la de bitume en dehors et en dedans » [Genèse 7-14] [3].

Ainsi, bien avant l’ère chrétienne, les Chinois savaient fabriquer les céramiques, l’encre de chine et la poudre à canon et maîtrisaient parfaitement la technique du bronze coulé. Les Égyptiens avaient, de leur part, mis au point des formules pour peindre les murs à base des gommes, des cires et des pigments organiques. Ils ont aussi mis au point des formules pour conserver les fruits avec du miel, teindre les tissus et embaumer les momies. Les Romains maîtrisaient la préparation du verre et du savon. Ces « recettes » chèrement acquises étaient gardées jalousement secrètes et transmises de père en fils car elles permettaient d’assurer la prospérité de ceux qui les détenaient.

La mise au point des formules était basée uniquement sur le bon sens, certainement longue et délicate puisque aucun formalisme théorique ne guidait le formulateur qui devait mettre en œuvre ces méthodes. La démarche était empirique et s’est avérée fructueuse et l’on pourrait citer des réalisations remarquables citées plus haut à travers toutes les civilisations et dans tous les domaines d’activité

II-Période de la pétrochimie et développement de la synthèse

Vers le milieu du 19^e siècle, on a assisté au développement de la chimie de synthèse. La chimie organique, en particulier, a pu mettre à la disposition de l’industrie textile des colorants meilleur marché et plus variés que les colorants naturels. La chimie de synthèse a pu mettre aussi des molécules de synthèse qui possédaient des propriétés thérapeutiques intéressantes. Cette émergence de la chimie de synthèse s’est accélérée avec les progrès de la pétrochimie qui permettait de préparer, à grande échelle, des composés de substitution, tels que les textiles synthétiques (Nylon, Tergal….), souvent plus performants et moins coûteux que les produits d’origine naturelle (laine, coton, soie…). Cette période est aussi appelé âge d’or de la chimie.

Pendant la deuxième guerre mondiale (1939-1945), on a assisté à la pénurie de certains produits essentiels dans le domaine de l’armement, l’approvisionnement en denrée alimentaires et les métaux pour la reconstruction. Ceci a déclenché un développement rapide des polymères artificiels utilisés en tant que matériaux et fibres synthétiques et s’avéraient capables de remplacer une partie des matériaux et fibres naturels. Ces polymères ont été préalablement formulés pour modifier leur aspect, adapter leurs propriétés mécaniques et accroître leur longévité. D’autre part, les polymères réactifs et les polymères fonctionnels révolutionnent les industries des filmogènes : Peintures, Colles et adhésifs. Ces polymères ont offert aussi aux formulateurs une gamme variée de nouveaux additifs capables de modifier la rhéologie des formules [4].

Après la deuxième guerre mondiale, et sous l’influence de la poussée démographique, l’élévation du niveau de vie et de l’augmentation du coût de la main-d’œuvre, de nouvelles industries (pharmacie, cosmétique, détergence, peinture, phytosanitaire, etc….) se développent à grande échelle et provoquent une forte demande du marché en produits chimiques. Pendant cette période, les formules progressent surtout grâce à la disponibilité de matières premières synthétiques originales et bon marché, mais la plupart d’entre elles restent de conception artisanale. Les ingrédients sont mélangés de façon à bénéficier des propriétés de chaque constituant, mais on se préoccupe peu de comprendre les phénomènes physico-chimiques intervenant au cours de la préparation, du stockage et de l’application du produit.

III-Choc pétrolier (1973) et genèse des systèmes qualité

Après la première crise du pétrole en 1973, l’économie entame son processus de mondialisation et certains marchés des produits chimiques commencent à se saturer. L’instauration des systèmes qualité a mis de la satisfaction des clients une préoccupation majeure. Ainsi la compétition interentreprises devient plus vive pour satisfaire des clients de plus en plus exigeants [5].

À la situation antérieure caractérisée par une forte demande en produits chimiques se substitue une situation d’offre de services qui amène les producteurs de matières premières à se préoccuper de plus en plus des besoins précis de leurs clients pour leur offrir un support technique spécialisé. Les entreprises commencent à implémenter les normes qualité, des partenariats fournisseurs / clients se mettent en place pour concevoir de nouveaux composés préformulés ou des mélanges « sur mesure ».

IV-Ere de la chimie verte

Le développement de la chimie industrielle, issu des dérivés du pétrole a généré un nombre croissant de pathologie : Cancer, diabète, maladie d’Alzheimer, perturbateurs endocriniens etc… Ces effets avaient pour conséquence une prise de conscience de l’impact des activités industrielles sur la santé de l’homme et l’environnement de notre planète. Ceci a également amené les organisations internationales et les pouvoirs publics à édicter des réglementations visant à revoir les procédés de fabrication de ces produits et à limiter l’utilisation de certaines familles de produits chimiques [6].

La chimie verte (Green chemistry) est alors instaurée dans les années 1990 comme une science à part entière pour consolider les dispositions visant à épargner la santé de l’homme et les effets néfastes sur l’environnement. L’enjeu de la chimie verte et le règlement européen REACH (Réglementation sur l’Enregistrement, l’Autorisation et la restriction des produits CHimiques), entré en vigueur le 1er juin 2007, et généralisé en 2018 a permis d’éliminer environ 2000 substances nocives. Ces réglementations ont permis aussi de juguler la production massive de solvants (solvants fluorés et chlorés, pigments et additifs à base de « métaux lourds », tensioactifs non biodégradables, des neurotoxiques cancérogènes tels le bisphénol A, le Phosgène (polycarbonates et polyuréthanes), les perturbateurs endocriniens. Suite à ces restrictions réglementaires, une nouvelle problématique apparaît ; les formules ne doivent plus seulement être efficaces mais elles doivent respecter l’homme et son environnement. La réduction de la palette des matières premières auxquelles le formulateur a accès, lui exige de concevoir des produits de plus en plus compétitifs en termes de performances et de coût.

V-Evolution des concepts fédérateurs des sciences de formulation

V.1-Evolution des concepts scientifiques

L’évolution naturelle des concepts scientifiques dans les différentes disciplines (Chimie minérale, Chimie organique,Chimie physique, Chimie macromoléculaire ,Physico-chimie des matières molles, Complexes,Thermodynamiques- Solutions colloidales, Cohésion de la matière, Génie chimique) amène les formulateurs à mieux comprendre les systèmes les plus complexes). Par exemple, la chimie a commencé par maîtriser la structure des produits (développement des méthodes de séparation, de caractérisation et d’analyse).

Les connaissances relatives des structures et des propriétés des matériaux des plus simples aux plus complexes ont été parfaitement élucidées. Ainsi, les confusions entre les différents types de liaison : Liaison ionique, liaison métallique, liaison covalente, liaison hydrogènes, liaison de Van der Walls) ont été bien clarifiées.

Dès le 18e siècle, la chimie organique faisant appel aux (liaisons covalentes avec le carbone) a pris son essor, alors que la chimie macromoléculaire (liaisons covalentes liaisons faibles) ne s’est imposée comme discipline autonome que vers le milieu du 20 ème siècle.

Cette tendance s’est poursuivie aux frontières des sciences de la matière se situant dans le domaine de la biologie, la biochimie, la chimie supramoléculaire. Une attention particulière a été apportée à la physico-chimie des « matières molles» ou milieux dispersés. Ce domaine est connu aussi sous le nom de domaine de la nanotechnologie. Ce domaine qui a en commun la particularité d’étudier les édifices en question dont la cohésion est assurée principalement des liaisons électriques et par des liaisons faibles (Van der Waals et hydrogène). La formulation profite des recherches qui se développent actuellement dans ce domaine car la plupart des phénomènes physico-chimiques intervenant lors de la préparation, du stockage et de la mise en œuvre des produits formulés résultent d’interactions faibles entre les divers constituants.

V.2-Evolution des démarches scientifiques (Statistiques et plans d’expériences)

Par ailleurs, le processus de recherche et développement dans l’industrie se caractérise par des boucles coûteuses et répétitives au stade de la formulation, ce qui entraîne des inefficacités dues au grand nombre d’itérations et se traduit par une augmentation des coûts de main-d’œuvre en R&D ainsi que par des délais de mise sur le marché plus longs. L’analyse statistique des données et la chimiométrie (outils statistiques appliqués à l’analyse physico-chimiques) ont pris place pour la validation des mesures et l’élaboration de modèles mathématiques pour la prédiction des résultats. Les boucles de formulations ont été largement réduites par l’adoption des plans d’expériences (Design of Experiments). La méthodologie adoptée pour la formulation repose alors sur des approches analytiques et multidisciplinaires. La conjugaison de ces approches a permis de réaliser un grand élan dans le domaine de la formulation.

V.3-Formation spécialisée et développement des sciences de la formulation

Les industriels conscients de l’importance croissante de la physico-chimie de la formulation dans le développement de produits innovants ont exprimé le besoin de disposer de jeunes ingénieurs et de partenaires universitaires mieux armés qu’auparavant pour aborder scientifiquement les problèmes rencontrés en formulation. Cette attente s’est traduite par la reconnaissance de la formulation comme nouvelle discipline scientifique caractérisée par un certain nombre de matières premières (spécialités chimiques, de concepts et de procédés spécifiques).

Ces profils restent encore limités à travers les différentes universités et Instituts supérieurs à travers le monde. On dénombre actuellement plusieurs établissements supérieurs qui ont mis en place, durant les dernières années, des formations préparant aux métiers de la formulation. De telles formations existaient depuis longtemps mais elles abordaient le vaste domaine de la formulation produit par produit selon une approche que l’on peut qualifier de monographique (exemple de la galénique dans les facultés de pharmacie).

On assiste aujourd’hui à l’avènement d’une approche panoramique de la formulation. L’originalité de ces nouvelles formations provient du fait qu’elles s’attachent à dégager les concepts et les techniques communs à la plupart des produits formulés plutôt que de se focaliser sur tel ou tel type de produit.

VI- Formulation et Intelligence artificielle

L’introduction des méthodes statistiques et surtout les plans d’expériences et plan de mélanges ont permis d’avoir un saut qualitatif dans le domaine de recherche et développement (minimisation des coûts et gain considérable de temps).

Durant la dernière décennie, on a assisté à l’émergence de l’intelligence artificielle. Le concept est présenté en 2011, son schéma directeur a été établi en 2013, la création de l’alliance future en 2015. L’intelligence artificielle a permis de numériser l’industrie en introduisant l’internet des objets (Io des objets), de personnaliser la production, d’avoir une flexibilité dans la gestion des installations industrielles et d’avoir des nouveaux outils logistiques et de simulation. Ceci a permis de réduire drastiquement les coûts de matières premières et de l’énergie d’une part. D’autre part, les outils développés par L’IA ont permis d’améliorer considérablement la qualité des produits. L’intelligence artificielle est en train de révolutionner les concepts de la formulation. C’est que nous allons voir dans le prochain article.

Durant la dernière décennie, on a assisté à l’émergence de l’intelligence artificielle. Le concept est présenté en 2011, son schéma directeur a été établi en 2013, la création de l’alliance future en 2015. L’intelligence artificielle a permis de numériser l’industrie en introduisant l’internet des objets (Io des objets), de personnaliser la production, d’avoir une flexibilité dans la gestion des installations industrielles et d’avoir des nouveaux outils logistiques et de simulation. Ceci a permis de réduire drastiquement les coûts de matières premières et de l’énergie d’une part.D’autre part, les outils développés par L’IA ont permis d’améliorer considérablement la qualité des produits. L’intelligence artificielle est en train de révolutionner les concepts de la formulation. C’est que nous allons voir dans le prochain article.