Brevet FR2959424A1 — publié le 20111104

La présente invention concerne un nouveau procédé d'extraction/séparation des principes actifs naturels dénommé extraction PTC-d'évael (Pulvérisation & Tamisage différentiel Contrôlés). Les plantes sont connues comme étant des « usines biologiques » synthétisant naturellement un spectre varié de molécules/substances utilisées à des fins alimentaires et non alimentaires. L'utilisation non alimentaire des plantes trouve sa genèse dans la découverte de la bio activité de certains de leurs constituants naturels. Cette découverte s'est enrichie au fil des ans pour donner naissances de nos jours à de multiples utilisations de principes actifs d'origine végétale dans les domaines médicaux, neutraceutiques, cosmétiques etc... Seulement, les molécules/substances actives des plantes sont stockées à l'intérieur de leurs organes (fruits/grain/amandes, feuilles, tiges, racines) faisant de leur extraction un point critique pour leur exploitation. De plus, l'activité biologique peut varier au sein d'un même organe lorsque celui-ci présente une différentiation cellulaire. La difficulté à extraire les principes actifs des plantes constitue de ce fait une contrainte majeure à leur utilisation pour la production d'actifs d'origine végétale à l'échelle industrielle. Plusieurs procédés ont été décrits comme pouvant être utilisés pour extraire/séparer les principes actifs des plantes. Parmi ceux-ci, on peut distinguer deux grands groupes à savoir (1) les procédés anciens utilisés depuis l'antiquité, (2) les procédés modernes découlant de la chimie analytique, (3) les procédés récents découlant de la chimie verte. En effet, depuis la haute Antiquité, l'honune utilise des colorants, des parfums, des arômes, et d'autres produits naturels extraits grâce aux techniques suivantes : La filtration qui date de la préhistoire et permet, par exemple, au travers d'un lit de sable ou de mousse de rendre une eau boueuse limpide. Le pressage qui consiste à exercer une pression sur un organe (amandes, graines, orange 25 par exemple) pour obtenir de l'huile ou du jus, ou de le compresser (des fleurs par exemples) pour extraire les arômes. La décoction qui consiste à placer les racines ou l'écorce d'une plante dans de l'eau froide. Et une fois porté à ébullition, les constituants se dissolvent dans l'eau. L'enfleurage utilisé pour extraire le parfum des fleurs fragiles (violette ou jasmin par 30 exemple). La méthode consiste à laisser sécher sur des châssis enduits de graisse animale (très pure et inodore) des fleurs dont le parfum est absorbé au contact de la graisse. En fin de séchage, les graisses sont imprégnées de substances odorantes que l'on extrait avec de l'alcool. L'infusion qui consiste à verser de l'eau bouillante sur les feuilles ou les fleurs finement hachées. Le mélange est trempé durant le temps adéquat pour dissoudre les principes actifs à 35 l'exemple du thé. La macération qui consiste à laisser séjourner à froid dans un solvant organique une substance pour extraire les constituants solubles dans ce solvant. La présence de fruits dans l'alcool est une des applications de cette méthode. L'hydro distillation utilisée pour extraire les parfums des plantes (huiles parfumées ou 5 huiles essentielles) par entraînement de la vapeur d'eau. Toutes ces techniques antiques présentaient un certains nombres d'insuffisances à savoir : (1) une faible reproductibilité, (2) un taux élevé de résidu d'extraction, (3) un risque élevé de contamination en cours de préparation des extraits. Ces insuffisances ont été corrigées au fil des siècles pour donner naissance à une génération de procédés classiques découlant de la chimie 10 analytique. Les procédés classiques découlant de la chimie analytique peuvent être regroupés en trois grandes familles à savoir : celle des extractions solide-liquide utilisée pour faire passer sélectivement dans un solvant les actifs d'un organe solide de la plante (feuille, graines, racines etc...) ; celle des extractions liquide-liquide qui permet de dissoudre sélectivement dans un ou 15 plusieurs solvants les actifs contenus dans un mélange aqueux et celle des extractions liquide-solide ou sur phase solide où la séparation des actifs entraînés par une phase mobile, résulte soit de leur adsorption et de leur désorption successives sur la phase stationnaire, soit de leur solubilité différente dans chaque phase. Ces trois familles se déclinent en de nombreux procédés dont les plus utilisés sont : la filtration, la décantation, la centrifugation, la distillation, 20 la cristallisation, et la chromatographie. La filtration est une technique de séparation membranaire principalement utilisée dans les industries laitières, des boissons, des ovo-produits, des jus de fruit ou du traitement des eaux. Ces procédés consomment relativement peu d'énergie et sont sélectifs. Cette technique s'applique à des liquides sans particules solides et permet par exemple de séparer un liquide des 25 micro-organismes qu'il contient. Le retenta représente les molécules et/ou particules retenues par la membrane, tandis que le perméat ou filtrat représente les molécules qui passent à travers la membrane. Les membranes sont en général caractérisées par : la taille des pores ; le seuil de coupure (Masse molaire critique pour laquelle 90% des solutés sont retenus par la membrane) ; leur sélectivité ; leur perméabilité. Il existe deux types de filtration : la frontale (la plus connue) 30 et la tangentielle. La tangentielle permet un colmatage moins rapide, mais elle est généralement réservée à la filtration de très petites particules. Selon le gradient de pression et la taille des pores, on peut distinguer plusieurs types de procédés membranaires à savoir : la microfiltration (qui consiste à éliminer les particules de dimension comprise entre 200 et 1000 nm) ; l'ultrafiltration (qui utilise des membranes dont le diamètre des pores est compris entre 0.1 et 10 35 µm pour la purification et concentration de macromolécules (103 - 106 Da) comme les protéines) ; la nanofiltration (qui offre la possibilité de séparer des composés de faible poids moléculaire à des pressions qui sont faibles) ; l'osmose inverse (qui utilise la pression ionique pour la séparation des constituants par migration et perméabilité sélective à travers une membrane); la pervaporation (qui est un procédé de séparation des constituants d'un mélange liquide, par vaporisation partielle au travers d'une membrane dense présentant une affinité préférentielle pour l'un des constituants) ; 1' électrodialyse (qui permet le transfert de manière sélective des ions à travers une membrane échangeuse d'ions. On distingue l'électrodialyse simple, électrodialyse à membranes bipolaires, électrolyse, électrodésionisation). La décantation consiste à mélanger les organes d'une plante à un ou plusieurs solvants (phase liquide) spécifiques aux constituants à extraire, non miscibles et de densités différentes. En pratique le mélange est laissé au repos et la séparation des différentes phases est obtenue sous l'effet de la pesanteur. En général, après un temps de repos adéquat, on observe une superposition des phases séparées de bas en haut du plus dense au moins dense. Lors de la décantation les organes solides de la plante se retrouvent en général au fond du vase. Ce procédé est cependant relativement lent pour les très fines particules (sensibles à l'agitation thermique) et les liquides particulièrement visqueux. D'où l'idée de centrifuger, c'est-à-dire de décupler le pouvoir séparateur du champ de pesanteur vertical en lui substituant un champ centrifuge radial. La centrifugation est une opération de séparation mécanique, par action de la force centrifuge, de deux à trois phases entraînées dans un mouvement de rotation. On peut séparer deux phases liquides, une phase solide en suspension dans une phase liquide, voire deux phases liquides contenant une phase solide. Il s'agit donc d'entraîner un appareil (le "bol") à grande vitesse, en rotation autour d'un axe. Son accélération, proportionnelle à la distance à l'axe de rotation, varie en fonction du carré de la vitesse. On distingue deux domaines de centrifugation : la décantation (par séparateur) et la filtration (par essoreuse) centrifuge. Tout comme lors de la décantation on observe une superposition des phases séparées de bas en haut du plus dense au moins dense, les organes et particules solides de la plante se retrouvant au fond du vase. La distillation est un procédé de séparation de mélange de substances liquides dont les températures d'ébullition sont différentes. Elle permet de séparer les constituants d'un mélange homogène. Le procédé utilise la différence de volatilité (capacité à s'évaporer selon la température) entre les constituants afin de les séparer. Sous l'effet de la chaleur, les substances se vaporisent successivement, la plus volatile à une température d'ébullition plus basse que la moins volatile, etc. Ainsi, en chauffant le liquide, chaque constituant est séparé successivement (on parle de coupe de distillation). La vapeur ainsi produite peut être condensée (distillat), et la substance restante est appelée résidu. Le distillat n'est pas toujours un produit pur. 11 peut être un mélange défini de deux constituants (même non miscibles) : on parle d'azéotrope, ou de mélange azéotropique. Ce dernier, à l'exemple d'un corps pur, est défini par sa température d'ébullition, différente de celles de ses deux constituants. En procédé industriel et dans le cas d'une distillation discontinue, les premières vapeurs qui passent en tête de colonne sont appelées « têtes de distillation », ensuite vient le coeur (souvent le coeur est la substance qui est recherchée dans le mélange introduit dans le distillateur), puis en fin de distillation apparaissent « les queues de distillation ». Il existe également des techniques de distillation sous vide qui visent à abaisser les températures d'ébullition des différents constituants du mélange à distiller, et donc permettent ainsi d'éviter (ou de réduire) les risques de dégradation thermique. De même des distillations peuvent être effectuées sous pression afin de permettre la séparation de composés très volatiles (comme les gaz). Lorsque les températures d'ébullition sont très voisines, les processus de distillation fractionnée peuvent être préférés. Il consiste en plusieurs étapes de raffinements successifs. Il est également possible d'introduire une partie du distillat en tête de colonne (dans le cas d'une distillation continue) afin d'améliorer la pureté de la phase vapeur. La distillation est souvent associée à l'extraction solide-liquide (décoction) effectué grâce à un extracteur de Soxhlet. La cristallisation est une opération physique consistant à isoler un produit en solution pour le récupérer sous forme solide, le purifier. Deux approches sont généralement utilisées : la diminution de la solubilité du produit en solution (par abaissement de la température de la solution entrainant une réduction de la solubilité du produit qui va se cristalliser) ; la concentration du produit en solution par évaporation du solvant (la concentration du produit augmente, la solution va être saturée et le produit dissous va cristalliser) ; la concentration du produit en solution par addition d'un contre-solvant (qui ne dissout pas ou peu le produit à cristalliser) non miscible avec le solvant. À l'interface des deux liquides, la concentration en soluté augmente, le produit cristallise. Idéalement, le contre-solvant solubilise les impuretés. La cristallisation peut être contrôlée pour éviter de piéger le solvant ou des impuretés dans les cristaux et pour obtenir la forme cristalline souhaitée. La recristallisation est une étape de purification, en fin de synthèse. Le solide à purifier est dissout à reflux dans le minimum de solvant approprié. La solution obtenue est filtrée à chaud pour éliminer les impuretés insolubles éventuelles. Le filtrat est refroidi lentement pour faire cristalliser le produit. La suspension obtenue est filtrée pour séparer les impuretés solubles dans le solvant du produit désiré. La chromatographie est une méthode physique de séparation basée sur les différences d'affinités des substances à analyser à l'égard de deux phases, l'une stationnaire ou fixe, l'autre mobile. Selon la technique chromatographique mise en jeu, la séparation des composants entraînés par la phase mobile, résulte soit de leur adsorption et de leurs désorptions successives sur la phase stationnaire, soit de leur solubilité différente dans chaque phase. La phase stationnaire retient plus ou moins fortement les substances contenues dans l'échantillon dilué selon l'intensité des forces d'interactions de faible énergie (comme les forces de Van der Waals, les liaisons hydrogène, etc.) réalisées entre les différentes espèces moléculaires et la phase stationnaire. Les différents composants de l'échantillon ont généralement une vitesse caractéristique qui permet de les séparer, voire de les identifier. Cette vitesse de séparation est fortement dépendante de la nature de la phase mobile et de la phase stationnaire. Il existe de nombreux types de chromatographie ; on peut notamment les classer selon la nature de la phase mobile ; on distingue la chromatographie sur couche mince; la chromatographie en phase gazeuse ; la chromatographie en phase liquide ; la chromatographie en phase liquide à haute performance; la chromatographie en phase supercritique. On peut aussi les nommer selon les interactions développées par la phase stationnaire (la chromatographie d'adsorption/d'affinité ; la chromatographie de partage ; la chromatographie à échange d'ions ; la chromatographie chirale; la chromatographie d'exclusion stérique) ou selon le support de la phase stationnaire (la chromatographie sur colonne regroupant notamment HPLC et CPG) ; la chromatographie planaire (qui recouvre chromatographie sur couche mince et chromatographie sur papier) . Tous les procédés classiques ci-dessus citées présentent un certain nombre de limites. (1) Ils ont en commun l'utilisation de grande quantité de solvants très peu recyclables, (2) et nécessitent des opérations unitaires complémentaires pour séparer les principes actifs des solvants. Cette dernière étape fortement thermique est en général destructive et donne souvent lieu à des résidus d'extraction toxique dans les extraits. C'est pour contourner toutes ces limites que les méthodes dites de la chimie verte se sont développées. L'émergence de procédés de la chimie verte est particulièrement liée aux réglementations sur les solvants organiques et aux nouvelles exigences liées au développement durable. Il s'agit des procédés utilisant les fluides supercritiques et tout récemment les plantes à traire. Les procédés utilisant les fluides supercritiques notamment le CO2 supercritique consiste à tirer profit des propriétés des fluides supercritique tel que la possibilité de moduler finement leur pouvoir solvant ou de transport avec de possibles variations de pression et/ou de température. Le retour à l'état gazeux des solvants à l'issu du procédé aide à les séparer aisément des produits traités sans laisser de trace de solvant résiduel ou sans nécessiter d'étapes de séchage/purification au contraire des procédés reposant sur l'usage des solvants organiques. Les procédés utilisant les plantes à traire consistent à cultiver des plantes en serre et à récolter les molécules en les faisant sortir par les racines de manière non destructives. Une variante de ces procédés est le procédé Friday qui consiste en une culture en serre de plantes carnivores pour la production de protéines recombinantes à usage pharmaceutique. Utilisés dans le domaine médical, les procédés de plantes à traire permettent de diminuer par un facteur de 10 à 50 le coût de production de nouveau médicament à partir de principes actifs rares. Comparé aux procédés classiques, l'émergence des procédés dit de la chimie verte a permit une avancée considérable avec une amélioration significative de l'impact environnemental. Malgré ces avantages, les procédés de la chimie verte comportent cependant un inconvénient majeur à savoir leur utilisation pour une gamme très limitée d'applications très ciblées. Le procédé utilisant les plantes à traire par exemple vise à assurer l'approvisionnement en principes actifs rares, chers et de petite taille moléculaire exclusivement destinés à l'industrie pharmaceutique, tandis que l'utilisation des fluides supercritiques est destinée à la formulation d'actifs peu solubles, de biomolécules fragiles mais également d'actifs de faible taille moléculaires. Sur le plan technologique, les procédés connus à ce jour utilisent globalement pour l'extraction un ensemble d'éléments et de facteurs ou une combinaison de ceux-ci. Il s'agit essentiellement des solvants (fluides supercritiques ou non pour la solubilisation, la dispersion et ou le transport), de la température (pour la solubilisation, la vaporisation, la condensation), de l'agitation (pour la solubilisation ou la dispersion), de la pression (pour la compression ou l'accélération. A la différence des autres procédés, le procédé selon l'invention est une approche par voie sèche qui utilise essentiellement la dessiccation (pour l'extraction de l'eau), la pulvérisation (pour la réduction dimensionnelle), l'air/gaz inerte (pour la fluidisation, la dispersion et le transport), le tamisage différentiel (pour la séparation des constituants en fonction de leur taille). Le procédé selon l'invention se base sur deux principes connus à savoir la possibilité d'individualiser les constituants d'un corps (organe végétal ou minéral) par action mécanique (réduction dimensionnelle) et le passage sélectif des particules à travers des mailles de tailles différentes. Il s'agit dans le procédé d'extraction PTC d'individualiser en particules et ceci par voie mécanique les constituants (molécules) d'un corps composé et les séparer par tamisage. Le procédé comporte donc cinq grandes étapes à savoir (El) la dessiccation, (E2) la pulvérisation, (E3) la dispersion, (E4) le tamisage différentiel contrôlé, (ES) la récupération des actifs. La dessiccation (El) a pour objectif d'éliminer l'eau ou tout autre fluide des corps ou organes naturels pour faciliter leur pulvérisation. Elle peut être effectuée par des techniques de déshydratation connues telles que le séchage par convection (simple ou forcée), le séchage sur tambour, l'atomisation, la lyophilisation, la DSC (détente instantanée contrôlée), la zeodratation. A l'issue de cette phase, on obtient un produit sec. La pulvérisation (E2) a pour objectif d'individualiser les constituants du produit sec sous 35 forme de particules. Elle est préférentiellement effectuée par toute forme de broyage connue (par cisaillement, impact, par compression etc..) et pouvant conduire à l'obtention de micro ou nanoparticules. Pour faciliter la pulvérisation, la cryogénie peut être associée au broyage. La dispersion (E3) a pour objectif d'obtenir un nuage particulaire à partir du micro ou des nanoparticules. Le nuage particulaire résulte d'une dispersion des micro/nanoparticules dans de l'air ou dans un gaz inerte. Cette dispersion peut être produite dans des cyclones ou par agitation de l'air ou du gaz inerte en présence des micro/nanoparticules. Le tamisage différentiel contrôlé (E4) a pour but de séparer les micro/nanoparticules en fonction de leur taille granulométrique. La séparation est obtenue en faisant passer le nuage particulaire à travers des mailles prédéfinies des tamis correspondant sensiblement à la taille des actifs que l'on souhaite extraire. A la différence du tamisage classique qui procède par vibration ou par oscillation, la mise en mouvement des particules à travers les tamis est rendue possible dans le procédé selon l'invention par un passage forcé du nuage à l'aide des cyclones ou par compression. Le contrôle de la taille des mailles et de la vitesse de passage du nuage permet une sélection différentielle des constituants à travers les tamis. La récupération des actifs/constituants (ES) a pour objectif de recueillir au fur et à mesure les actifs/constituants piégés entre deux tamis. Ce retrait progressif permet de limiter l'encrassement des mailles. La récupération est préférentiellement effectuée par aspiration, par centrifugation et ou par chute des particules sous l'effet de la pesanteur. Le procédé selon l'invention permet d'extraire les principes actifs naturels et de façon plus générale de séparer les constituants d'un corps composé. C'est un nouveau procédé d'extraction par voie sèche qui se distingue des procédés classiques en ce qu'il n'utilise aucun solvant organique et des procédés dits de la chimie verte (utilisation des fluides supercritiques ou des plantes à traire) en ce qu'il (1) est technologiquement plus facile à mettre en oeuvre pour la production de gros volumes, (2) ne vise pas exclusivement la production de molécules actives purifiées, mais surtout celle des extraits actifs présentant des propriétés particulières, (3) peut être appliqué à l'extraction d'une gamme élargie d'actifs de taille et de poids moléculaire très variés. Le procédé selon l'invention permet l'obtention des produits qui se prêtent à des applications en chimie analytique et dans les domaines agricoles, alimentaires, neutraceutiques, cosmétiques, et pharmaceutiques. 35 REVENDICATIONS1. Procédé d'extraction par Pulvérisation et Tamisage différentiel Contrôlé (PTC - d'évael) caractérisé en ce qu'il comprend la succession des étapes suivantes : _ La dessiccation (El) qui conduit à un produit sec par élimination de l'eau ou tout autre fluide des corps ou organes naturels pour en faciliter la pulvérisation. ; La pulvérisation (E2) qui permet d'individualiser les constituants du produit sec sous forme de miro/nanoparticules ; _ La dispersion (E3) qui permet d'obtenir un nuage de poussière à partir du micro ou des 10 nanoparticules ; _ Le tamisage différentiel contrôlé (E4) qui permet de séparer les micro/nanoparticules du nuage de poussière en fonction de leur taille granulométriques ; _ La récupération (ES) progressive des actifs/constituants piégés entre deux tamis par aspiration, centrifugation ou par chute des particules sous l'effet de la pesanteur. 15 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extraction/la séparation des principes actifs naturels des plantes et d'une façon générale des constituants d'un corps composé est effectuée sans utilisation de solvant organique. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mise en mouvement des particules à travers les tamis est obtenue par un passage forcé du nuage particulaire à l'aide des 20 cyclones ou par compression. 4. Utilisation du procédé selon la revendication 1 pour l'obtention des produits qui se prêtent à des applications en chimie analytique et dans les domaines agricoles, alimentaires, neutraceutiques, cosmétiques, et pharmaceutiques.