Brevet FR2701031A1 — publié le 19940805

La présente invention concerne la fabrication de billes de biopolymères ou de protéines, et les billes ainsi obtenues. Elle concerne plus particulièrement un procédé pour la fabrication de billes, dont la taille des particules peut être modulée à volonté entre environ 10 mm et environ 10 pin, tandis que la sphéricité des particules est conservée. L'invention concerne ainsi plus spécialement un procédé pour la fabrication de particules sphériques permettant l'obtention de perles, sphères, microsphères ou capsules, notamment de polysaccharides et/ou de protéines, de taille contrôlée. De manière générale l'invention concerne un tel procédé mettant en oeuvre des polymères, en solution ou non, ainsi que tous composés susceptibles de se condenser, comme par exemple les alginates, le carraghénane, le chitosane, la chitine, llhydroxyéthylchitine, llhydroxy- propylchitine, la carboxyméthylchitine, les gommes, les pectines, le dextrane, llhydroxyéthylcellulose, la carboxyméthylcellulose, les protéines de collagène, l'ovalbumine, la gélatine, entre autres, ainsi que leurs mélanges ou combinaisons. Le procédé selon la présente invention est remarquable en ce qu'il permet une fabrication dans des conditions particulièrement avantageuses de sphères de polymères ou de protéines, dont les tailles et les concentrations puissent être contrôlées, c'est-à-dire maîtrisées. L'emploi principalement des polysaccharides s'est diversifié depuis de nombreuses années vers un grand nombre de secteurs industriels. Ces polymères aux propriétés multiples servent de nos jours comme floculants, chélatants, supports de fermentation. Ils trouvent des applications dans l'industrie alimentaire, dans llindustrie papetière, dans tous les secteurs de la chimie, comme gélifiants ou épaississants et sont présents dès que l'on souhaite un polymère biodégradable, biocompatible et biorésorbable. La diversité des formes sous lesquelles on peut les rencontrer leur confère un intérêt tout particulier. Hormis les solutions, ainsi que les gels, films ou fibres, ils existent également sous forme de sphères, pour des applications aussi variées que la fermentation de bières, la récupération des métaux ou la fixation de colorants de protéines ou de tanins, ainsi que des applications cosmétiques ou pharmaceutiques. L'intérêt intérêt de la forme sphérique tient, entre autres, à la facilité de mise en oeuvre qu'elle procure, en particulier en liaison avec des problèmes de diffusion ou de fixation tels que ceux rencontrés dans l'extraction solide/liquide, la filtration des lies de fermentation, la fixation d'enzymes et autres. L'obtention de cette forme particulière a fait l'objet de nombreux travaux et slest vu étendre d'ores et déjà à des composés tels que par exemple les protéines, notamment l'albumine sérique ou l'ovalbumine. Les diverses méthodes actuellement disponibles pour la réalisation de ces sphères font toutes appel à une différenciation de phases, solide/liquide, liquide/liquide ou liquide/gaz. Elles reposent sur des méthodes de condensation ou de polycondensation et peuvent se regrouper en plusieurs catégories. C'est ainsi que l'on différencie: - les techniques en phase gazeuse, souvent réalisées par vaporisation de brouillard en atmosphères froides, acides ou basiques ou encore réticulantes, selon le polymère (par exemple alginate, carraghénane, chitosane) ou les protéines (par exemple collagène) à condenser. - les méthodes en solution. Ces dernières regroupent les méthodes de gouttage et les méthodes par émulsion. Les procédés par gouttage consistent à réaliser au moyen de systèmes d'injection (le plus souvent des aiguilles) une goutte qui, libérée dans une phase gazeuse (généralement de flair) tombe sous l'effet de la gravité (ou d'une force centrifuge ou d'une surpression) dans une solution de condensation. Ce sont des méthodes simples à mettre en oeuvre et qui sont systématiquement retenues lorsque la taille des particules est élevée (en pratique d'environ 2 à environ 5 mm). Ces méthodes présentent l'avantage de donner une répartition de tailles très étroite autour d'une moyenne, avec une reproductibilité remarquable. Les méthodes par émulsion sont, elles, très différentes. Elles consistent en la réalisation, à partir de deux phases liquides non miscibles, d'une émulsion (stable ou non), qui sous l'effet d'une variation d'un paramètre physico-chimique affectant cette émulsion va se condenser. Cette condensation peut être due à divers effets, tels que la polymérisation d'une membrane interfaciale, la gélification, la cristallisation, la réticulation, ou tout simplement une précipitation. La mise en oeuvre de ladite condensation consiste alors à réaliser sous forte agitation une émulsion à partir d'une phase aqueuse et d'une phase grasse, avec ou sans émulsifiant. Il est en pratique rajouté à cette émulsion un réactif, un acide ou une base, afin de condenser les vésicules, micelles, micro- ou nanoparticules ou encore les sphères ou microsphères formées.La condensation peut également être obtenue par le froid (c 2 ou air liquéfié) ou par d'autres moyens physico-chimiques. En fin de réaction les particules sont alors extraites du milieu par filtration, puis lavées pour que soient obtenues des formes stables. Cette méthode présente un avantage important, car elle permet de réaliser des particules de taille très petite. C'est souvent la méthode de choix pour la préparation de microparticules liposomiques ou hydrosomiques. Son inconvénient essentiel est la grande dispersion que présente la répartition des tailles des particules. L'unique solution résiduelle que permette cette méthode consiste alors à écrêter la distribution en courbe de Gauss par un tamisage. Il s'ensuit des dommages importants dans la sphéricité des particules. Il aurait alors paru plus judicieux de recourir au procédé par gouttage lorsqu'on souhaite une répartition étroite des tailles des particules. Mais ce procédé tel qu'il était connu était limité à l'échelle du millimètre en ce qui concerne le diamètre des particules formées. En effet les dimensions de la goutte telle que formée dans la technique par gouttage sont dues à la rupture de l'équilibre existant entre les forces de tension superficielle et les forces de pesanteur et il est connu qu'il est très difficile de moduler ces facteurs. Même des changements de compositions ou de concentrations des solutions de gouttage ne permettent que des variations limitées. Egalement l'utilisation d'un système d'injection à injecteur plus fin peut permettre d'agir sur la surface (ligne) de contact interfacial, sachant que plus celle-ci est faible plus la goutte formée est petite; mais cette relation n'est pas linéaire et présente un palier. Un besoin existait donc pour un procédé amélioré permettant la réalisation de particules sphériques, spécialement en vue de l'obtention de perles, sphères, microsphères ou capsules de polymères ou de protéines, notamment de polysaccharides et/ou de protéines ayant une taille contrôlée. On a alors trouvé de manière inattendue que l'on pouvait, par un procédé de gouttage tel que défini selon l'invention, préparer des particules sphériques de tailles très diverses allant d'environ 5 mm à moins d'environ 0,05 mm, avec des écarts par rapport à la moyenne très faibles et reproductibles, et même descendre alors à des tailles inférieures à environ 10 pin avec une bonne répartition granulométrique. L'objectif de la présente invention était donc de procurer un tel procédé, aisé à mettre en oeuvre et procurant des produits sous forme de billes ou particules sphériques ayant des tailles contrôlées pouvant varier dans de larges intervalles. On a trouvé de manière inattendue que cet objectif peut être atteint par l'utilisation d'un flux de gaz à la sortie des aiguilles des injecteurs du système de formation des billes par gouttage, avantageusement selon un flux laminaire en régime continu ou alternatif. L'invention a pour premier objet un procédé pour la fabrication de billes de biopolymères ou de protéines par gouttage, notamment pour la fabrication de telles billes, dont la taille des particules peut être modulée à volonté entre environ 10 mm et environ 10 pin, tandis que la sphéricité des particules est conservée, dans lequel un flux de gaz est envoyé à la sortie du système d'injection de telle sorte qu'il agisse autour de chaque goutte créée ou dans l'environnement immédiat de celle-ci, avantageusement en poussant ladite goutte à l'instant de sa chute à partir du système d'injection. Le débit du gaz dudit flux peut être réglé à volonté, de préférence de telle façon qu'il confère la force additionnelle, variable selon les cas, appropriée pour la maîtrise de la taille des particules. Le flux ainsi créé peut, si on le souhaite, procéder de l'effet Venturi. Selon une forme de réalisation préférée, le flux de gaz à la sortie des injecteurs est laminaire, en régime continu ou alternatif. Toutefois un flux turbulent peut également procurer un résultat au sens où on l'entend selon l'invention, à savoir une certaine maîtrise de la taille des particules. Ce flux de gaz est de préférence sensiblement horizontal, mais peut également avoir une inclinaison sur l'horizontale. Selon une variante avantageuse, les gouttes ayant une taille ainsi contrôlée tombent ensuite dans une solution de condensation; celle-ci pérennise la forme des particules sphériques ou billes. Dans la pratique le gaz du flux de gaz susdit est de préférence de l'air comprimé ou encore de l'azote, du dioxyde de carbone et/ou tout autre gaz réactif ou neutre. L'invention a également pour objet un dispositif pour la fabrication de billes de biopolymères ou de protéines, notamment pour la fabrication de billes, dont la taille des particules peut être modulée à volonté entre environ 10 mm et environ 10 pin, tandis que la sphéricité des particules est conservée, comprenant essentiellement un équipement d'amenée de la solution formant des billes par gouttage, des injecteurs, par exemple des aiguilles, pour la formation de gouttes et un équipement pour la création d'un flux de gaz, notamment un flux d'air comprimé, à la sortie des injecteurs ou aiguilles. L'équipement d'amenée de la solution formant des billes par gouttage est relié en amont à une cuve de stockage où est entreposée la solution à injecter et comprend avantageusement une pompe doseuse permettant l'ajustement du débit de ladite solution dans les injecteurs ou les aiguilles. L'équipement pour la création d'un flux de gaz, de préférence d'un flux d'air comprimé, est un appareillage classique pour la production d'un flux gazeux, par exemple d'un flux laminaire, en régime continu ou alternatif. Un équipement générant un flux turbulent peut cependant convenir également. Il est sans grande importance que le flux gazeux généré procède de l'effet Venturi ou non. Une commande du débit du flux de gaz sert au contrôle de la taille des billes, après étalonnage préalable et/ou avec asservissement. Selon une forme de réalisation avantageuse, le dispositif comprend également une cuve de condensation, munie d'un trop-plein, destinée à contenir la solution de condensation et disposée au-dessous des injecteurs ou des aiguilles. Les paramètres de mise en oeuvre pratique et les formes préférées de réalisation de l'invention seront décrits plus en détail dans la suite de la présente description. Le procédé peut être mis en oeuvre par charges successives ou de préférence en continu. Le principe et les conditions de réalisation pratiques du procédé, ainsi que le schéma de principe d'un dispositif approprié pour la mise en oeuvre de celui-ci sont mieux décrits en référence à la planche de dessins annexée, dans laquelle: - Fig. 1 représente en coupe schématique partielle un appareil pour le gouttage de perles avec injection d'air comprimé à la sortie des injecteurs ou des aiguilles; - Fig. 2 représente en coupe schématique partielle un appareil semblable, dans lequel l'arrivée du flux d'air comprimé s'effectue en position haute par rapport à l'amenée de la solution; et - Fig. 3 représente en coupe schématique partielle un schéma de principe de l'ensemble de l'installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, à l'exception de la commande de contrôle ou régulation du flux susdite, non représentée. La figure 1 décrit le principe de fonctionnement d'un appareillage industriel comportant une amenée de solution pour gouttage 1 et un équipement de création d'un flux de gaz comprimé 2. La figure 2 décrit le principe de fonctionnement d'un appareillage industriel du même type, mais dans lequel l'amenée 1 et l'équipement 2 sont inversés. La figure 3 représente schématiquement une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, comprenant une cuve de stockage 3', un injecteur 4 relié en amont à un équipement pour la production d'un flux de gaz 7, une cuve de condensation munie d'un trop-plein 5, une pompe doseuse 6 et un équipement pour la création d'un flux de gaz, notamment un flux d'air comprimé, agencé pour agir à la sortie des injecteurs ou des aiguilles. L'invention est illustrée plus concrètement dans les exemples ci-après, qui ne la limitent aucunement et dans lesquels les parties et pourcentages indiqués sont en poids, sauf indication contraire. Le matériel utilisé pour ces exemples était un matériel pilote ayant une capacité variable allant de 100 kg/jour à 1000 kg/jour. La cuve 5 était une cuve de 300 litres possédant un système de trop-plein, une vanne de soutirage bas et les arrivées de fluides nécessaires au maintien des niveaux et concentrations en réactifs. La pompe doseuse 6 utilisée avait un débit variable susceptible d'atteindre 1500 litres/jour pour le transfert par l'installation d'amenée 3 de la solution de la cuve de stockage 3'. Le système d'injection 4 comportait 200 aiguilles de section interne égale à 0,5 mm, la distance entre les aiguilles et la surface de la solution de condensation étant réglable de 5 mm à 200 mm et fixée de préférence lors des essais entre 10 mm et 50 mm. Exemple 1 On a réalisé une solution de 200 litres d'alginate de sodium à 1%, ayant une viscosité égale à 100 mPa.s (ou 100 centipoises). Cette solution préalablement filtrée a été placée dans la cuve 3. Dans la cuve 5 a été placée une solution de chlorure de calcium à 3%. Au fur et à mesure que l'on s'éloignait du temps de fabrication de cette solution, on lui rajoutait des quantités de plus en plus importantes d'alcool isopropylique pour maintenir la densité de la solution de condensation à une valeur inférieure à la densité de la solution de gouttage. La distance entre l'extrémité inférieure des injecteurs et la surface de la solution de chlorure de calcium était de 10 mm environ. Les gouttes d'alginate de sodium formées à l'extrémité des injecteurs tombaient dans la solution de chlorure de calcium pour donner des billes d'alginate de calcium qui, étant insolubles dans cette solution, conservaient alors leur forme sphérique. Le débit du flux d'air comprimé dans le système a été fixé, après des essais et étalonnages, à des valeurs successives choisies de telle sorte que l'on a obtenu des tailles de billes de 2mm, 1 mm, 0,5 mm ou 0,05 mm respectivement. Exemple 2 Dans cet exemple, la solution d'alginate de sodium de l'exemple 1 a été remplacée par une solution d'alginate de sodium à 1%, ayant une viscosité de 2000 mua.8. En suivant le mode opératoire de l'exemple 1, on a obtenu des résultats semblables et la taille maximale des particules qui pouvaient être obtenues était de 5 mm. Exemple 3 En remplaçant dans l'exemple 1 la solution d'alginate de sodium indiquée par une solution d'alginate de sodium à 1%, ayant une viscosité égale à 30 mPa.s, on a obtenu par le même mode opératoire des résultats semblables, la taille minimale des particules pouvant alors être de 0,01 mm seulement. Exemples 4 à 6 En suivant le mode opératoire de l'exemple 1, mais en remplaçant dans celui-ci la solution d'alginate de sodium indiquée par une solution d'alginate de sodium respectivement à 0,2%, 1,5% et 3% et ayant une viscosité résiduelle variant de 30 à 2000 mPa.s, on a obtenu des résultats semblables avec une taille minimale des particules qui était d'environ 0,01 mm. Exemples 7 à 10 On a procédé comme indiqué dans l'exemple 3, mais en ajoutant dans la solution de gouttage divers composés, selon les cas, stabilisés dans le fluide de gouttage ou en solution, à savoir des pigments et/ou des protéines. Les résultats obtenus étaient semblables, avec une taille minimale des particules de 0,01 mm. Les billes formées étaient alors colorées et/ou contenaient des protéines. Exemple 11 En suivant le mode opératoire de l'exemple 1, mais en remplaçant la solution d'alginate de sodium indiquée par une solution d'acétate de chitosane à 1%, ayant une viscosité de 200 mua. su et avec comme solution de condensation une solution de soude caustique à 0,5% mélangée ou non avec de llisopropanol en des quantités appropriées pour maintenir la densité de la solution de condensation à une valeur inférieure à celle de la solution de gouttage, on a obtenu des résultats semblables, la taille maximale des particules étant de 5 mm. La taille repérée comme minimale pouvait être d'environ 10 pin, les particules de taille inférieure donnant des amalgames ou des amas particulaires difficiles à définir. Exemple 12 En suivant le mode opératoire de l'exemple 11, mais avec une solution de gouttage ayant une proportion de chitosane inférieure à 0,7%, on a dû utiliser du propylène glycol dans la solution de gouttage et ont ainsi été réalisées des billes rentrant dans l'intervalle de tailles indiqué dans l'exemple 11, avec des concentrations en chitosane allant jusqu'à environ 0,2%. Exemple 13 En procédant comme indiqué dans 1 'exemple 12, mais en remplaçant le propylène glycol par du glycérol, on a obtenu des résultats semblables. Exemple 14 On a procédé comme indiqué dans l'exemple 11 en utilisant des oligomères de chitosane réalisés selon les enseignements de la demande de brevet français No. 9300513 déposée le 20.01.1993 au nom de la même demanderesse, pour accroître la concentration des billes jusqu'à 15%. La taille des sphères obtenues était au maximum de 7 mm et au minimum de 0,1 mm. Exemples 15 à 19 Pour ces exemples la solution de condensation à base de soude caustique des exemples 11 à 14 a été remplacée par une solution de lauryl sulfate de sodium. En suivant le même mode opérratoire que celui de l'exemple 11, on a obtenu non plus des sphères pleines, mais des capsules. Celles-ci étaient constituées d'une memnbrane de laurylsulfate de chitosane entourant une solution interne de chitosane. Exemples 20 à 24 Dans ces exemples la solution de condensation était constituée d'un mélange de soude caustique et de lauryl sulfate de sodium. Cette solution a été placée au préalable sous ébullition (par bullage flair) pour donner une mousse qui, lors de la chute des billes dans la solution de condensation, permettait le maintien des formes. On a ainsi montré que l'on peut travailler avec des hauteurs de chute plus importantes, ainsi qu'avec un débit d'air à la sortie des injecteurs plus élevé. Les tailles des particules pouvaient dans ces conditions atteindre moins de 10 pin. Exemple 25 En procédant comme indiqué dans l'exemple 1 avec une solution de gouttage contenant une protéine et dont la réticulation était assurée par un dichlorure d'acide, on a obtenu, pour un débit d'air suffisant, des microcapsules d'une taille voisine de 10 pin. Exemple 26 En procédant comme indiqué dans l'exemple 1 avec une solution de gouttage composée d'une solution de chitosane, la solution de condensation étant une solution alcoolique d'anhydride acétique, on a obtenu des billes comportant une enveloppe de chitine et un coeur de chitosane. Exemples 27 à 31 En reproduisant les modes opératoires des exemples 1, 11, 14, 25 et 26, mais avec des injecteurs de flux d'air comprimé disposés comme indiqué sur la figure 2, on a obtenu des résultats semblables, et cela indépendamment de la surface de l'orifice de sortie des aiguilles des injecteurs de gouttage. Cependant, pour des surfaces trop importantes, le système deviendrait difficilement contrôlable. Exemple 32 En suivant le mode opératoire de l'exemple 1, mais en portant la section des aiguilles des injecteurs à 5 mm, on a pu atteindre une taille de billes d'environ 10 mm pour des fluides de gouttage suffisamment visqueux et descendre à des tailles avoisinant 1 mm pour des débits d'air suffisants. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fabrication de billes de biopolymères ou de protéines par gouttage, caractérisé en ce qu'un flux de gaz est envoyé à la sortie du système d'injection de telle sorte qu'il agisse autour de chaque goutte créée ou dans l'environnement immédiat de celle-ci, avantageusement en poussant ladite goutte à l'instant de sa chute à partir du système d'injection. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit du gaz dudit flux est réglé de telle façon qu'il confère la force additionnelle appropriée pour la maîtrise de la taille des particules. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le flux de gaz à la sortie des injecteurs est laminaire, en régime continu ou alternatif. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les gouttes tombent ensuite dans une solution de condensation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz du flux de gaz susdit est de l'air comprimé ou encore de l'azote, du dioxyde de carbone et/ou tout autre gaz réactif ou neutre. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre pour la production de billes dont la taille des particules est entre environ 10 mm et environ 10 pin. 7. Dispositif pour la fabrication de billes de biopolymères ou de protéines par gouttage, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement un équipement d'amenée (3) de la solution formant des billes par gouttage, des injecteurs ou des aiguilles (4) pour la formation de gouttes et un équipement (7) pour la création d'un flux de gaz, notamment un flux d'air comprimé, à la sortie des injecteurs ou des aiguilles (4). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'équipement d'amenée (3) de la solution formant des billes par gouttage est relié en amont à une cuve de stockage (31) où est entreposée la solution à injecter et comprend avantageusement une pompe doseuse (6) permettant l'ajustement du débit de ladite solution dans les injecteurs ou les aiguilles (4). 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend également une cuve de condensation (5), munie d'un trop-plein, destinée à contenir la solution de condensation et disposée audessous des injecteurs ou des aiguilles (4).