Introduction aux Technologies d encapsulations

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1 Introduction aux Technologies d encapsulations Capsulae

2 Sommaire : Introduction Définition de l encapsulation Objectifs et marchés Technologies Dripping Séchage par atomisation (Spray-drying) Prilling Enrobage Emulsion / Stabilisation Caractérisations Mesures de taille Microscopie Propriétés thermo-mécaniques Propriétés des poudres Microbiologie Dosage, analyse et profils de libération Conclusion Sélection d une technologie Industrialisation Capsulæ, présentation de la société et des services proposés

3 Introduction 1. Introduction Definitions Objectifs Marchés Encapsulation: définition et concepts L encapsulation fait référence aux technologies permettant de formuler un (ou plusieurs) actif(s) au sein de particules individualisées présentant une géométrie et des propriétés spécifiques. Terminologie : encapsulation, microencapsulation, ou nanoencapsulation? Le terme «encapsulation» ne définit pas une gamme de taille particulière / donnée Le terme «microencapsulation» fait référence à des particules de tailles comprises entre 1 µm et 1 mm Le terme «nanoencapsulation» est utilisé pour les particules de tailles nanométriques, mais est parfois utilisé pour des objets de 1 ou quelques µm Cette présentation est focalisée sur des objets de tailles comprises entre 1 µm et quelques millimètres. 3

4 Introduction Structure matricielle, actif(s) en orange 1. Introduction Definitions Objectifs Marchés Encapsulation: définition et concepts Structures des particules: Structure matricielle : dispersion du (ou des) actif(s) au sein du matériau support (billes, microparticules, microsphères) Structure cœur / membrane : l actif (pur ou non) est confiné dans un cœur par une ou plusieurs membranes (microparticules, microcapsules) Les deux structures peuvent être combinées : cœur matriciel / membrane, ou cœur / membrane matricielle (un actif dans le cœur et un autre dans la membrane) etc Structure matricielle, l actif est visible par transparence Structure cœur / membrane, actif(s) en orange Membrane d une capsule contenant de l huile 4

5 Introduction 1. Introduction Definitions Objectifs Marchés Encapsulation: définition et concepts Conposés actifs : Etat physique : solide, liquide ou gaz Hydrophile ou hydrophobe Granulométrie (poudre, particule) : jusqu à quelques mm Teneur en actif dans les particules finales : jusqu à 900 mg par g Matériaux pour l encapsulation (liste non exhaustive) : Biopolymères (origine végétale, animale ou bactérienne) : alginates, pectines, chitosanes, carraghénanes, gomme Arabique, dérivés cellulosiques, amidons, gélatines, protéines de lait, gomme de gellane Cires et matières grasses (origine végétale ou animale) : cire de carnauba, cire de candelilla, stéarines, acide stéarique, shellac Tensio-actifs : lecithines, Spans, Tweens Polymères synthétiques : PVA, PEG, PLGA, polyurée, isocyanates, polycaprolactone, polyamides, polyuréthanes, mélamine formaldéhyde Sélection du grade: Alimentaire Alimentation animale Cosmétique Pharmaceutique Autres 5

6 1. Introduction Definitions Objectifs Marchés Introduction Encapsulation: objectifs (1/2) L encapsulation d un principe actif répond à quatre grands objectifs pouvant être combinés. Immobilisation : Composés volatiles (e.g. fragances, arômes) Procédés de bioconversion en continu (e.g. enzymes, microorganismes) Protection / Stabilisation : Stabiliser et protéger le composé actif vis-à-vis de son environnement (e.g. O 2, lumière, T C, H 2 0, ph) Protéger le manipulateur ou le consommateur (e.g. protéases dans les détergents, pesticides) Encapsulation d huile essentielle dans des billes de biopolymère Lyophilisat sans (haut) et avec (bas) enrobage 6

7 Introduction 1. Introduction Definitions Objectifs Marchés Encapsulation: objectifs (2/2) Libération contrôlée (à un temps donné, sous l action d un déclencheur) : Diffusion, réhydratation, dégradation, rupture Libération déclenchée par une condition prédéterminée (chimique, physique, mécanique) : température, ph, humidité, pression Libération prolongée avec un profil cinétique déterminé (e.g. vitamines, arômes, pesticides) Structuration / Fonctionnalisation : Conversion d un liquide ou d un gaz en solide Masquage de goût, d odeur ou de couleur Propriétés de surface et rhéologique des poudres ; absence de fines Aspect visuel et concept marketing Libération d un sel en solution (microsphères) Echantillons produits par différentes technologies d encapsulation 7

8 1. Introduction Definitions Objectifs Marchés Introduction Encapsulation: marchés L encapsulation touche tous les secteurs d activité de l industrie : Agriculture & Environnement Insecticides et fongicides Herbicides et engrais Répulsifs et larvicides Bionutrition et biocontrôle des végétaux Traitement de l air, de l eau et du sol Chimie Adhésifs et colles Peintures et traitements de surface Matériaux de construction Matériaux auto-réparants et à changement de phase Alimentation Humaine & Animale Arômes et agents sucrants Enzymes et microorganismes Vitamines, minéraux, acides aminés Extraits végétaux, fragrances Acides gras poly-insaturés Produits de soins et d hygiène Crèmes cosmétiques Shampoings, dentifrices, savons et gels douches Détergents liquides et en poudre, liquides vaisselles Produits ménagers divers Santé Humaine & Animale Vaccination et vectorisation d actifs Insémination artificielle Organes bio-artificiels Thérapie cellulaire 8

9 Procédés d encapsulation 1. Objectifs Principe général Dripping Spray-drying Prilling Enrobage Emulsion Principe général 1. Incorporation du composé actif au sein des microparticules Cœur liquide (ingrédient actif dissous ou dispersé dans l eau, l huile, un solvant organique, ou un produit fondu ; solution, émulsion, suspension) Cœur solide (ingrédient actif disponible sous forme de poudre, de cristaux, ou liquide adsorbé sur des particules de support inerte) 2. Dispersion (cœur liquide) ou Agitation & pulvérisation (cœur solide) Cœur liquide (formation de gouttelettes par dispersion liquide/liquide ou liquide/air): goutte-à-goutte (dripping), pulvérisation, ou émulsification Cœur solide (pulvérisation de matériau enrobant sur des particules sous agitation ; enrobage, agglomération) : enrobage en lit d air fluidisé, enrobage en tambour/turbine 3. Stabilisation des gouttelettes (cœur liquide) ou formation d un enrobage (cœur solide) Solidification / Cristallisation Évaporation de solvant ou séchage Gélification (thermique, ionotropique) Polymérisation (in-situ ou interfaciale), Polycondensation Précipitation / Coacervation (simple ou complexe) / Réticulation 9

10 1. Objectifs Principe général Dripping Spray-drying Prilling Enrobage Emulsion Procédés d encapsulation Technologies de dripping / gélification : Méthode : extrusion de gouttelettes (équipement simple ou multi-buses, gravité seule, force centrifuge, rupture de jet, co-extrusion) d une solution de (bio)polymère(s) contenant le(s) principe(s) actif(s) dans un bain de gélification ou dans un air froid ou à température ambiante (solidification) Propriétés des particules (standard) : Taille comprise entre 50 µm et 7-8 mm Forme finale : humide (séchage ou lyophilisation possibles) Type d actif : hydrophile ou lipophile ; sous forme liquide ou solide Teneur en actif : jusqu à 400 mg/g (humide), 900 mg/g (sec) Structure : matricielle, cœur / membrane(s), cœur matriciel / membrane Principaux avantages : Biocompatibilité Faible dispersion de taille Limite(s) possible(s) : Diffusion à travers le réseau de biopolymère / la membrane biopolymérique Dripping (buses multiples) Rupture de jet par vibration (haut) et disque tournant (bas) 10

11 Procédés d encapsulation 1. Objectifs Principe général Dripping Spray-drying Prilling Enrobage Emulsion Séchage par atomisation (spray-drying) : Méthode : pulvérisation de gouttelettes contenant le(s) principe(s) actif(s) (solution aqueuse ou émulsion h/e) dans un air chaud (séchage) Propriétés des particules (standard) : Taille comprise entre 10 µm et 200 µm Forme finale : sèche Type d actif : hydrophile ou lipophile ; sous forme liquide ou solide Teneur en actif : jusqu à 400 mg/g Structure : matricielle Principaux avantages: Productivité très élevée Limite(s) possible(s) : Dégradation thermique Poudre d AGPI encapsulés obtenue par séchage-atomisation 10 µm Observation en MEB de microparticules produites par séchage-atomisation 11

12 Procédés d encapsulation 1. Objectifs Principe général Dripping Spray-drying Prilling Enrobage Emulsion Prilling (spray-cooling ou spray-congealing) : Méthode : pulvérisation d un matériau fondu contenant le(s) principe(s) actif(s) dans un air froid ou à température ambiante (solidification) Propriétés des particules (standard) : Taille comprise entre 50 µm et 500 µm Forme finale : sèche Type d actif : sous forme solide (hydrophile) ou liquide (lipophile) Teneur en actif : jusqu à 400 mg/g Structure : matricielle Principaux avantages : Productivité très élevée Contrôle de la taille et de la distribution de taille possibles Limite(s) possible(s) : Dégradation thermique Minéraux encapsulés Vitamines encapsulés 12

13 Procédés d encapsulation 1. Objectifs Principe général Dripping Spray-drying Prilling Enrobage Emulsion Technologies d enrobage (coating) : Méthode : pulvérisation d une solution aqueuse de polymère(s) ou de matériau(x) fondu(s) sur des particules de principe(s) actif(s) fluidisées (enrobeur en lit d air fluidisé ; top-spray, bottom-spray ou tangential-spray) ou sous agitation (enrobeur en tambour/turbine) Propriétés des particules (standard) : Taille comprise entre 100 µm et 5 mm Forme finale : sèche Typer d actif : solide ou liquide adsorbé sur support inerte Teneur en actif : jusqu à 900 mg/g Structure : cœur / membrane(s) Principaux avantages : Contrôle de la taille finale des particules et de l épaisseur de l enrobage Teneur élevée en actif Limite(s) possible(s) : Propriétés intrinsèques du support 1 mm Observation en MEB de coupes de minéraux enrobés Enrobage en lit d air fluidisé (bottom-spray) 13

14 Procédés d encapsulation 1. Objectifs Principe général Dripping Spray-drying Prilling Enrobage Emulsion Technologies d émulsion / stabilisation : Méthodes : stabilisation de gouttelettes contenant le(s) principe(s) actif(s) formées par émulsion (h/e, e/h, doubles émulsions) par coacervation, réticulation, gélification thermique, solidification, polymérisation interfaciale ou in-situ, évaporation de solvant Propriétés des particules (standard) : Taille comprise entre 1 µm et 500 µm (taille nanométrique possible) Forme finale : humide (suspension concentrée) ; séchage par atomisation ou lyophilisation possibles Type d actif : soluble en phases hydrophiles ou lipophiles Teneur en actif : jusqu à 900 mg/g Structure : cœur / membrane(s) Principaux avantages : Teneur élevée en actif Faibles diamètres Limite(s) possible(s) : Procédé à fort taux de cisaillement Particules préparée par double émulsion (e/h/e) 20 µm Particules produites par émulsion (h/e) et polymérisation interfaciale 14

15 1. Objectifs Mesures de taille Microscopie Propriétés thermomécanique Propriétés des poudres Microbiologie Dosages et profils Analyses Mesures de taille : diamètre moyen et dispersion de taille Diffraction Laser (à sec ou en solution) : de 1 µm à plusieurs millimètres Diffusion dynamique de la lumière / potentiel zêta : de 1 nm a 10 µm Microscopie : observations structurales et de surface Microscopie Electronique à Balayage (MEB) : observations de surface Binoculaire, microscopie optique, fluorescence, microscopie confocale Minéraux encapsulés dans des microparticules d acides gras (microscopie optique) 10 µm Surface de microparticules produites par émulsion / solidification (MEB) Microscopie confocale et fluorescence (clichés suivant l axe Z) de microcapsules produites par double émulsion 15

16 1. Objectifs Mesures de taille Microscopie Propriétés thermomécanique Propriétés des poudres Microbiologie Dosages et profils Analyses Propriétés thermiques et mécaniques : Analyse mécanique dynamique (DMA) : Propriétés élastiques, force de rupture, libération induite par la pression (e.g. écrasement) Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) : Profils de libération induite par la température (e.g. libération lors de la cuisson) Propriétés des poudres: Teneur en eau, activité de l eau (aw) et isotherme de sorption : Contrôle des réaction biologiques et chimiques Limitation de la reprise en eau et amélioration de la durée de vie Masse volumique (pycnomètre à hélium) : Contrôle de la sédimentation ou du crèmage des microparticules ou microcapsules Propriétés d écoulement (indice de Carr, ratio d Hausner) : Amélioration de l écoulement, diminution de la friction et de la formation des fines Rupture de capsules cœur / membrane contenant de l huile Lyophilisat sans (gauche) et avec (droite) enrobage après conservation à des valeurs d Aw élevées 16

17 Analyses 1. Objectifs Microbiologie (bactéries, levures, moisissures) : Mesures de taille Microscopie Propriétés thermomécanique Propriétés des poudres Microbiologie Dosages et profils Culture des microorganismes (immobilisés ou en suspension) Concentration cellulaire, viabilité et taux de survie : au procédé d encapsulation, en conditions spécifiques (e.g. milieu gastrique simulé) Etudes de stabilité (températures et humidités contrôlées) Quantification : dosage, analyses, profils de libération Conductivité, ph Chromatographie / Spectrométrie Spectroscopies, RMN NaCl concentration (mmol/l) Culture de cellules immobilisées (gauche) Enumération des bactéries cultivées (droite) Water NaCl Stearic/palmitic acid blend Candelilla wax carnauba wax Time (secondes) Effet du matériau enrobant sur la libération de NaCl en solution J. Agric. Food Chem. 2012, 60 (43),

18 Conclusion 1. Objectifs Séléction Industrialisation Capsulae Facteurs à considérer pour la sélection d une technologie appropriée Composé(s) actif(s) / matériau(x) constitutif(s) du cœur Propriétés physico-chimique, état physique, taille Concentration optimale dans les microparticules Matériau enrobant / formulation de la membrane Application(s) : immobilisation, protection, fonctionnalisation, libération Stabilisation ou propriétés barrières (O 2, H 2 O, ph, T C, cisaillement ) Aspects réglementaires : grade, dose journalière acceptable (e.g. food/feed) Mécanisme de libération Procédé d encapsulation : Stabilité du (des) composé(s) actif(s) au cours du procédé Taux d encapsulation Morphologie des microparticules, diamètre et dispersion de taille Contraintes de coût, faisabilité économique d une production industrielle 18

19 Conclusion 1. Objectifs Technologies d encapsulation : échelle industrielle Séléction Industrialisation Capsulae Toutes les technologies présentées sont opérationnelles aux échelles laboratoire, pilote et industrielle. Les capacités de production peuvent s élèver à plusieurs 100 aines de tonnes/an. Etude de coûts : équipement (investissement), coût des matériaux, coûts de fonctionnement. Production industrielle : internalisation vs sous-traitance. Coûts de production 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Dripping Emulsion / Stabilisation Enrobage Prilling Séchage Atomisation Productivité 19

20 Conclusion 1. Objectifs Séléction Industrialisation Capsulae Capsulæ: présentation de la société et des services proposés Structure privée de R&D au service du monde industriel, Capsulæ conçoit et met au point des solutions sur-mesure facilitant la mise en œuvre et optimisant les performances d ingrédients et principes actifs, via la microencapsulation. Capsulæ propose une gamme complète de services pour le développement de produits et procédés basés sur la microencapsulation, incluant : Conception de solutions innovantes et Etude de faisabilité Résolution de problématiques en encapsulation Étude du changement d échelle et Evaluation à l échelle pilote Production de prototypes Licence de savoir-faire et Transfert de technologie Soutien à l industrialisation From 10 s of grams to 10 s of kilos 20

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