Lyophilisé

Lyophilisé

Lyophilisation

Dans un diagramme de phase, la frontière entre létat liquide et létat gazeux va du point critique au point triple. La lyophilisation (flèche bleue) « contourne » le point triple, évitant ainsi une phase liquide, comme cest habituellement le cas dans un séchage atmosphérique (flèche verte).

La lyophilisation, ou anciennement cryodessiccation, est la dessiccation dun produit préalablement surgelé, par sublimation. Le solvant sublimé est généralement de leau, mais ce peut être également un alcool.

Sommaire

Histoire

Le procédé de lyophilisation a été inventé en 1906 par les français Arsène dArsonval et F. Bordas - son préparateur - au laboratoire de biophysique du Collège de France à Paris[1],[2].

Principe de la lyophilisation

La lyophilisation consiste à ôter leau dun produit liquide, pâteux ou solide, à laide de la surgélation puis une évaporation sous vide de la glace sans la faire fondre. Le principe de base est que lorsquon réchauffe de leau à létat solide à très basse pression, leau se sublime, cest-à-dire quelle passe directement de létat solide à létat gazeux. La vapeur deau (ou de tout autre solvant) quitte le produit et on la capture par congélation à laide dun condenseur, ou piège froid. Cette technique permet de conserver à la fois le volume, laspect et les propriétés du produit traité. Elle peut avoir lieu naturellement (séchage en montagne), ou, plus rapidement, dans un lyophilisateur.

On distingue trois phases majeures dans un cycle de lyophilisation :

  • la congélation, les produits sont réfrigérés à des températures de lordre de -20 °C à -80 °C ; leau se transforme alors en glace.
  • la dessiccation primaire, sous vide, qui consiste à sublimer la glace libre (interstitielle), donc sans effet débullition (pas deau en phase liquide).
  • la dessiccation secondaire, qui permet dextraire par désorption les molécules deau piégées à la surface des produits séchés.

À la fin du cycle, le produit ne contient plus que 1 % à 5 % deau, ce qui est extrêmement faible.

Lyophilisation industrielle

Le produit à lyophiliser

Le type de produit et son contenant conditionnent énormément le processus de lyophilisation et par , la structure de la machine qui réalisera lopération. Après lyophilisation, le produit obtenu est appelé lyophilisat, ou cake. Le produit à lyophiliser peut être en vrac (bulk) dans des grands bacs, enflaconné, ou encore en blister (conditionnement sous membrane plastifiée).

Produit en vrac

Pour les produits liquides ou pâteux, on utilise de grands bacs en inox posés sur les étagères de congélation. Les bacs ont le défaut de ne jamais être parfaitement plats et donc de ne toucher létagère quen quelques points. La plupart de lénergie de létage est donc transmise au bac puis au produit par radiation, ce qui représente une très petite partie de lénergie à fournir au liquide caloporteur. De plus, il nest pas toujours facile dinstrumenter les lots pour suivre le processus : le risque de décollement des sondes de température est important. Pour pallier ce risque, il faudra donc multiplier les capteurs et donc compliquer linformatique et la mécanique de la machine, ou il faudra utiliser une méthode de contrôle globale de la vapeur deau résiduelle du type Lyotrack. En revanche, ce système de stockage permet de lyophiliser des centaines de kilos de produit par cycle.

Pour les produits solides (bois mouillé, papier, plantes…), ils sont soit posés directement sur étagère si leur poids le permet, soit dans une enceinte à parois réfrigérantes.

Les flacons (vials)

Les flacons sont généralement en verre, matière qui présente un faible taux de dégazage sous vide. Ils sont équipés de bouchons spéciaux, qui ne dégazent pas, qui laissent passer les gaz pendant la lyophilisation et qui assurent létanchéité après bouchage. Ces flacons sont posés directement sur les étagères dinox. Le transfert thermique est meilleur que pour le vrac et on peut éviter les problèmes de décollage des capteurs à thermocouple ou PT100, en les assujettissant aux bouchons si une telle méthode est utilisée. Par contre, le volume de produit sera plus faible quen vrac et la manipulation des flacons avant et après lyophilisation peut demander beaucoup de main dœuvre ou des machines de manutention coûteuses, sans compter les risques de casse ou de contamination humaine.

« Blisters »

Il sagit de bacs de plastique thermoformé. Le produit (si possible très pâteux) est placé dans de petites alvéoles. Le temps de lyophilisation est alors très court. Par contre le remplissage et la manipulation des blisters doit être automatisée pour ne pas renverser le produit.

Congélation

La congélation est la phase la plus critique du cycle de lyophilisation. Elle consiste à diminuer la température du produit à une valeur comprise entre -20 °C et -80 °C, de façon à bloquer leau sous forme de glace dans la situation elle se trouvait à létat liquide ; on évite ainsi la lésion des cellules, vaccins, enzymes, ou tout autre principe actif.

À linverse, la trop rapide congélation dun produit très liquide, produira de petits cristaux de glace qui pousseront le produit actif vers le haut, ce qui peut également dénaturer le produit.

Cette phase est donc essentielle, car elle doit garantir que le produit à lyophiliser ne sera pas altéré.

Article détaillé : Solidification.

Phase de sublimation, ou dessiccation primaire

Elle consiste à extraire leau dite libre, qui est sous forme de glace libre (ou interstitielle). Sous un vide situé aux environs de 100 µbar mais pouvant varier fortement dun produit à lautre (de 5 µbar à 500 µbar), on apporte de la chaleur au produit afin que la glace se sublime. Notons au passage quà ces niveaux de vide, la chaleur est principalement apportée par radiation ou conduction avec les étagères contenant le fluide caloporteur, la convection pouvant être considérée comme nulle.

Suivant le produit et les besoins de production on peut faire varier la température pendant le cycle. La vapeur deau est captée par un « piège froid  » ou «condenseur » et la déshydratation du produit se poursuivra en continu. Le niveau de vide, la température du produit et le temps de dessiccation sont des paramètres importants car ils déterminent le flux de sublimation à lintérieur de la machine. Un flux de vapeur trop élevé peut emporter avec lui le produit que lon cherche à lyophiliser. Un cycle trop court laissera trop deau dans le produit, qui pourra être dégradé lors de la dessiccation secondaire. À linverse, un cycle trop long peut dégrader certaines molécules actives. Lorsque la plus grande partie de leau sest sublimée, le produit initial a perdu environ 80 à 90 % de son eau.

Article détaillé : Sublimation.

Dessiccation secondaire

Elle consiste à enlever leau « captive » du produit par désorption, car des molécules deau restent piégées en surface. Cest une étape délicate, car poussée trop loin, elle peut dénaturer le produit. Dans cette étape, le vide est poussé jusquaux environs de 5 µbar. On maintient ou on augmente la température du produit (jusquà des valeurs positives) pour arracher les molécules. On peut compléter lopération en baignant le produit dans une atmosphère dazote pur, dont les molécules prendront la place des quelques molécules deau restantes. À la fin du cycle, le produit est sec à 95 % ou plus.

Les paramètres du processus de lyophilisation sont déterminés en laboratoire et expérimentés sur des lyophilisateurs dits « pilotes » avant dêtre industrialisés. La description des étapes de la lyophilisation est appelée « une recette ».
Une recette peut durer de plusieurs heures à plusieurs jours.

Applications

Café soluble

Le procédé est très onéreux, du fait des machines à mettre en œuvre, mais aussi de leur consommation en eau de refroidissement, en azote et en énergie. Cest pourquoi on lemploie pour des produits à très forte valeur ajoutée, dans lindustrie pharmaceutique ou pour les produits biologiques altérables tels que les vaccins, les enzymes ou les éléments sanguins, et en particulier les anticorps, les hormonesDans létat actuel des connaissances, la lyophilisation du sang complet nest pas encore possible : pour ne pas détruire les globules rouges, la congélation doit être effectuée à très basse température (sans quoi les cristaux de glace détruisent les cellules) ce qui oblige à sublimer à des niveaux de vide inférieurs à 1 µbar. Des recherches continuent pour dérouler le processus de lyophilisation dans de tels niveaux de vide et de température.

Lindustrie agroalimentaire est très utilisatrice de ce type de procédé (café soluble, champignons, céréales, etc.). Plus marginalement, on utilise aussi la lyophilisation pour la conservation de documents anciens endommagés par leau, pour préserver des vestiges archéologiques retrouvés en milieu humide ou pour conserver de petits animaux ou végétaux. Une entreprise canadienne est également connue pour ses bouquets de fleurs lyophilisés.

Bien que les lyophilisateurs soient très coûteux (plusieurs millions deuros pour les plus gros et jusquà 2 500 kWh⋅m-3 deau à évaporer), cette technique est utilisée pour les produits à forte marge. Les procédés sont soit discontinus, soit continus.

Voir aussi

Notes et références

Liens externes

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