Équipes impliquées dans le projet

Équipe Transferts couplés de matière et de chaleur, LAGEP, Lyon

L'équipe Transferts couplés de matière et de chaleur (coordonné par le professeur J. Andrieu) du LAGEP[1] (Université Lyon 1) est le premier partenaire de ce projet. Le domaine de recherche principal de ce groupe porte sur l'étude expérimentale et la modélisation théorique de la chaleur et des phénomènes couplés de transfert de masse durant le séchage, la congélation et, plus récemment, de lyophilisation, au croisement des deux précédents.

Les nombreux projets de recherche ont généralement été réalisés soit avec des matériaux modèles (gels, dispersions, mélanges simplifiés de préparations pharmaceutiques) en ce qui concerne l'étude fondamentale des phénomènes de transformation ou de transport, ou avec des produits et des formulations commerciaux en ce qui concerne les études finalisées pour la conception et l'optimisation des processus thermiques dans le cadre de projets soutenus par des entreprises privées. Les sujets de recherche et de développement suivants ont été abordés au cours des dernières années dans le cadre des conventions de sociétés publiques et privées :

  • Modélisation du compactage et de séchage de la poudre de céramique avec Saint-Gobain Abrasives ;

  • Étude expérimentale, modélisation et optimisation du contact de séchage sous vide de poudres de cristaux dans des lits agités avec Sanofi-Aventis ;

  • Étude expérimentale, modélisation et optimisation de la lyophilisation de produits pharmaceutiques (différents principes actifs (API), liposomes, formulations standard de vaccins, sérums, etc) avec Sanofi-Pasteur, Biomérieux, Pfizer, Sanofi-Chimie, etc.

  • Étude expérimentale et modélisation des relations entre les conditions de gel et la morphologie de cristaux de glace des denrées congelées (crèmes glacées, sorbets) avec Nestlé.

Le présent projet poursuit directement l'effort de plusieurs années visant à l'optimisation des processus de lyophilisation. La dernière étude expérimentale de la nucléation contrôlée en cours de lyophilisation de formulations modèles de protéines a montré que la nucléation de la glace peut être initiée de façon reproductible à des températures différentes, en appliquant des impulsions d'ultrasons.

Par ailleurs, la morphologie du cristal après la congélation a été observée par microscopie chambre froide et une forte corrélation a été mise en évidence entre la température de nucléation et la taille moyenne des cristaux. Au moyen d'un dispositif de réfrigération/sonication à l'échelle du laboratoire, Nakagawa et al. (2006) et Hottot et al. (2008) ont montré que le nombre de cristaux peut être efficacement diminué (ou leur taille augmentée) en appliquant des ultrasons à des niveaux de faible surfusion où la nucléation spontanée ne peut pas avoir lieu. Ces résultats ont confirmé le fort potentiel des ultrasons en tant qu'outil efficace pour le contrôle de la morphologie de la glace et, par conséquence, la morphologie des matrices lyophilisées. Les nombreuses publications récentes dans des revues internationales (déjà cité) et communications dans des conférences internationales spécialisées sur la lyophilisation (Andrieu, 2004 ; Andrieu, 2006) ont établi la position de leader de l'équipe Transferts couplés de matière et de chaleur du LAGEP[1] dans la communauté scientifique internationale de ce domaine.

personnes impliquées

Roman Peczalski

Professeur

peczalski (at) lagep.cpe.fr

Julien Andrieu

Professeur

Jean-Pierre Valour

Technicien

Laboratoire RAPSODEE

Le deuxième partenaire du projet appartient à l'équipe Génération du solide par des méthodes innovantes du centre de recherche RAPSODEE[2] (École des Mines d'Albi). Depuis de nombreuses années, elle a développé une expertise dans la sono-cristallisation de solutés, tant sur un point théorique qu'expérimentale (Gatumel et al., 1999, Lyczko et al. 2002, Hassoun 2003, Grossier et al. 2007). Cette expérience est soutenue par de solides connaissances théoriques en acoustique linéaire, cavitation acoustique, et cristallisation.

Avec plusieurs résultats expérimentaux sur la sono-cristallisation et la sono-précipitation de divers solides, l'équipe a développé une nouvelle théorie qui pourrait expliquer l'accélération notoire de la nucléation des cristaux par cavitation. Cette théorie est basée sur une ségrégation des solutés de la solution par les gradients de la forte pression apparaissant autour d'une bulle de cavitation. Cela présente l'avantage d'expliquer certains résultats positifs obtenus lorsque la phase solide est moins dense que le soluté, qui ne peuvent être expliqués par l'hypothèse classique de l'influence des pressions sur la sursaturation (Louisnard et al. 2007). Ce travail est suffisamment générique pour être facilement transposé pour la cristallisation de fondus, y compris la glace.

D'ailleurs, l'équipe travaille actuellement sur les fondamentaux de la cavitation, en se concentrant sur les mécanismes d'auto-organisation de bulles dans le liquide. Les bulles de cavitation forment des structures spatiales complexe sous l'action des forces acoustiques (qualifiées de "forces de Bjerknes") et se concentrent aux ventres de pressions ou à leur voisinage (Louisnard, 2008). Cependant, le mécanisme précis de la création du nuages de bulles est encore controversé, et difficile à évaluer expérimentalement. Nous avons l'intention de décrire la naissance des bulles et la saturation des nuages par des termes semi-empiriques, en se concentrant sur leur localisation dans le liquide, et de décrire leur organisation spatiale, dans un champ acoustique donné, selon des équations de type bilans de population. Inversement, la présence de bulles influence le champ sonore, en diminuant la vitesse du son et en produisant des atténuations, selon une théorie bien connue. Cette influence peut être facilement expliquée par la modification du nombre d'ondes dans une équation de propagation linéaire. Ainsi, le couplage complet entre le champ acoustique et la population de bulles pourrait être facilement programmé avec COMSOL (éléments finis). L'équipe utilise déjà ce type de code pour faire des prédictions du champ acoustique en sono-réacteurs présentant des géométries complexes, prenant en compte les vibrations des frontières solides (Louisnard et al., 2009). Ce travail peut être prolongé pour estimer le champ acoustique dans des flacons, d'abord en négligeant l'influence des bulles, puis en l'incluant.

Enfin, l'équipe du centre RAPSODEE[2] possède une solide expérience dans la conception de cellules de lévitation de bulle unique (Grossier, 2006). Cette capacité peut être adapté à la problématique actuelle, afin d'évaluer expérimentalement plusieurs inconnues lors de la sono-nucléation de glace. Entre autres : si la cavitation inertielle (avec effondrement de la bulle) est nécessaire ou non, si la bulle survit ou non à l'apparition de cristaux. En outre, la configuration simple de telles expérimentations peut être utilisée avec profit pour mesurer les temps d'induction et le taux de croissance des cristaux de glace dans des conditions de surfusion et de pression acoustique bien contrôlées.

personnes impliquées

Fabienne Espitalier

Maître-assistant

Fabienne.Espitalier (at) mines-albi.fr

Olivier Louisnard

Maître-assistant

Olivier.Louisnard (at) mines-albi.fr

Fabien Baillon

Maître-assistant

Fabien.Baillon (at) mines-albi.fr

Olivier Ezequel

Technicien

Olivier.Ezequel (at) mines-albi.fr

Agence Nationale de la Recherche

Équipes de recherche

Programmes de recherche Cristallisation à pression atmosphérique ou modérée (CPAM)

RAPSODEE[2], École des mines d'Albi

Équipe Transferts couplés de matière et de chaleur, LAGEP[1], Laboratoire d'Automatique et de Génie dEs Procédés

RAPSODEE

Groupe Poudres et Procédés : Programmes de recherche

Cristallisation à pression atmosphérique ou modérée (CPAM)

RAPSODEE[2], rapsodee.mines-albi.fr

École des mines d'AlbiUniversité de ToulouseCentre National de Recherche Scientifique

LAGEP

Équipe Transferts couplés de matière et de chaleur, LAGEP[1], www-lagep.cpe.fr

Laboratoire d'Automatique et de Génie dEs ProcédésUniversité Claude Bernard, Lyon 1Centre National de Recherche Scientifique