Développement de trois jumeaux numériques pour l’enseignement pratique en génie des procédés et en génie analytique

Les jumeaux numériques immersifs sont prometteurs pour la formation professionnelle. Depuis 2021, les équipes du Conservatoire national des arts et métiers ont développé le jumeau numérique d’un laboratoire au sein duquel s’articulent des modules immersifs en réalité virtuelle pour les enseignements pratiques dans différents domaines scientifiques. Les élèves peuvent ainsi se former à la sécurité au laboratoire et aux manipulations courantes (pesée, chauffage à reflux, évaporation rotative, etc.). Plus récemment des modules dédiés à des manipulations plus complexes, en particulier dans le domaine du génie des procédés et du génie analytique, ont également été développés. Il s’agit d’un extracteur liquide-liquide à contrecourant, d’un bioréacteur et d’un module de chromatographie liquide à haute performance (HPLC). Le premier module immersif complexe développé est un extracteur liquide-liquide à contre-courant. Ce module permet de se familiariser avec le démarrage de l’installation (visualisation des entrées et sorties du procédé, ouverture ou fermeture des vannes), la mise en régime permanent (réglages de l’interface à l’aide de la garde hydraulique, suivi du titre massique dans l’extrait et le raffinat) et l’arrêt de la manipulation (vidange de la colonne et recyclage des effluents). Le module permet également de montrer l’influence des différents réglages sur les performances du procédé (rendement d’extraction et pureté de l’extrait). Le deuxième module complexe développé est le jumeau numérique d’un bioréacteur à cuve agitée. L’objectif est de s’approprier la problématique du transfert d’oxygène du gaz vers le liquide et d’identifier les paramètres opératoires les plus influents. Ce module immersif permet de multiplier les expériences dont le cycle débute toujours par un barbotage d’azote afin de réduire la concentration d’oxygène pour le début de l’expérience. L’utilisateur règle ensuite les conditions opératoires (vitesse d’agitation et débit d’aération) avant de lancer l’expérience. L’interface du bioréacteur permet de réaliser différents réglages (température, barbotage d’azote activé ou non, vitesse d’agitation et débit d’air). En fin d’expérience, le coefficient de transfert de l’oxygène, kLa, peut être déterminé à l’aide des différentes données expérimentales enregistrées. Le dernier module développé concerne la chromatographie liquide à haute performance. Ce module permet de visualiser les principaux éléments de l’installation et de comprendre le fonctionnement d’une chaîne chromatographique analytique. L’utilisateur peut ajuster les conditions d’élution (débit et composition de la phase mobile) afin d’optimiser la séparation de composés organiques. En fin d’expérience, le chromatogramme obtenu s’affiche avec les temps de rétention des pics et le facteur de résolution. Certaines étapes des manipulations peuvent se faire en temps réel ou en accéléré. Pour chaque module, plusieurs niveaux d’exercices (débutant, avancé ou expert) sont proposés, en langue française ou anglaise, avec un système de notation par points. Par exemple, un QCM est effectué en fin de manipulation afin de valider les principales compétences visées. La connexion de ces modules avec la plateforme Mimbus Vulcan, permettant un suivi en temps réel des exercices exécutés par les élèves, est actuellement à l’essai.