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Introduction aux Technologies d’encapsulations
© Capsulae
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
Sommaire :
3 Capsulæ / Technologies d’encapsulation - © Capsulae
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Introduction
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.
1. Introduction
DefinitionsObjectifsMarchés
2. Technologies3. Analyses
4. Conclusion
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Introduction
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,actif(s) en orange
Structure matricielle, l’actif est visible
par transparence
Structure cœur / membrane, actif(s) en orange
Membrane d’une capsule contenant de l’huile
1. Introduction
DefinitionsObjectifsMarchés
2. Technologies3. Analyses
4. Conclusion
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Introduction
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
1. Introduction
DefinitionsObjectifsMarchés
2. Technologies3. Analyses
4. Conclusion
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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. O2, lumière, T°C, H20, 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
1. Introduction
DefinitionsObjectifsMarchés
2. Technologies3. Analyses
4. Conclusion
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Introduction
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
1. Introduction
DefinitionsObjectifsMarchés
2. Technologies3. Analyses
4. Conclusion
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Introduction
Encapsulation: marchés L’encapsulation touche tous les secteurs d’activité de l’industrie : Alimentation Humaine & Animale • Arômes et agents sucrants• Enzymes et microorganismes• Vitamines, minéraux, acides aminés• Extraits végétaux, fragrances• Acides gras poly-insaturés
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
Produits de soins et d’hygiène • Crèmes cosmétiques• Shampoings, dentifrices, savons et gels douches• Détergents liquides et en poudre, liquides vaisselles• Produits ménagers divers
Chimie• Adhésifs et colles• Peintures et traitements de surface• Matériaux de construction• Matériaux auto-réparants et à changement de phase Santé Humaine & Animale • Vaccination et vectorisation d’actifs• Insémination artificielle• Organes bio-artificiels• Thérapie cellulaire
1. Introduction
DefinitionsObjectifsMarchés
2. Technologies3. Analyses
4. Conclusion
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Procédés d’encapsulation
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
1. Objectifs
2. Technologies
Principe généralDripping
Spray-dryingPrilling
Enrobage Emulsion
3. Analyses4. Conclusion
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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)
1. Objectifs
2. Technologies
Principe généralDripping
Spray-dryingPrilling
Enrobage Emulsion
3. Analyses4. Conclusion
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Procédés d’encapsulation
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 thermique10 µm
Poudre d’AGPI encapsulés obtenue par séchage-atomisation
Observation en MEB de microparticules produites par
séchage-atomisation
1. Objectifs
2. Technologies
Principe généralDripping
Spray-dryingPrilling
Enrobage Emulsion
3. Analyses4. Conclusion
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Procédés d’encapsulation
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
1. Objectifs
2. Technologies
Principe généralDripping
Spray-dryingPrilling
Enrobage Emulsion
3. Analyses4. Conclusion
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Procédés d’encapsulation
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)
1. Objectifs
2. Technologies
Principe généralDripping
Spray-dryingPrilling
Enrobage Emulsion
3. Analyses4. Conclusion
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Procédés d’encapsulation
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
20 µm
Particules préparée par double émulsion (e/h/e)
Particules produites par émulsion (h/e) et
polymérisation interfaciale
1. Objectifs
2. Technologies
Principe généralDripping
Spray-dryingPrilling
Enrobage Emulsion
3. Analyses4. Conclusion
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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
1. Objectifs
2. Technologies
3. Analyses
Mesures de tailleMicroscopie
Propriétés thermo- mécaniquePropriétés
des poudresMicrobiologie
Dosages et profils
4. Conclusion
10 µm
Minéraux encapsulés dans des microparticules d’acides gras (microscopie optique)
Surface de microparticules produites par émulsion /
solidification (MEB)
Microscopie confocale et fluores-cence (clichés suivant l’axe Z)
de microcapsules produites par double émulsion
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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
Lyophilisat sans (gauche) et avec (droite) enrobage après conservation à des valeurs
d’Aw élevées
Rupture de capsules cœur / membrane contenant de l’huile
1. Objectifs
2. Technologies
3. Analyses
Mesures de tailleMicroscopie
Propriétés thermo- mécaniquePropriétés
des poudresMicrobiologie
Dosages et profils
4. Conclusion
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Analyses
Microbiologie (bactéries, levures, moisissures) :
• 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…
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200
NaC
l con
cent
ratio
n (m
mol
/L)
Time (secondes)
WaterNaClStearic/palmitic acid blendCandelilla waxcarnauba wax
Culture de cellules immobilisées (gauche) Enumération des bactéries cultivées (droite)
Effet du matériau enrobant sur la libération de NaCl en solution
J. Agric. Food Chem. 2012, 60 (43), 10808-10814
1. Objectifs
2. Technologies
3. Analyses
Mesures de tailleMicroscopie
Propriétés thermo- mécaniquePropriétés
des poudresMicrobiologie
Dosages et profils
4. Conclusion
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Conclusion
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 (O2, H2O, 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
1. Objectifs
2. Technologies
3. Analyses
4. Conclusion
SéléctionIndustrialisation
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Conclusion
Technologies d’encapsulation : échelle industrielle
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.
1. Objectifs
2. Technologies
3. Analyses
4. Conclusion
SéléctionIndustrialisation
Capsulae
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 1000 2000 3000 4000 5000
Coû
ts d
e pr
oduc
tion
Productivité
Emulsion /
Stabilisation
Dripping
Enrobage
Prilling Séchage Atomisation
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Conclusion
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”
1. Objectifs
2. Technologies
3. Analyses
4. Conclusion
SéléctionIndustrialisation
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