Généralités sur la cristallisation

La cristallisation est parmi les techniques de séparation les plus utilisées en génie des procédés. L’application de cette technique concerne différents domaines industriels : pharmaceutique, cosmétique ou encore agroalimentaire. Cette technique est applicable en mode discontinu surtout dans le domaine de la chimie fine vue sa facilité de mise en place, en mode continu quand il s’agit d’avoir une productivité importante et une qualité constante des cristaux obtenus en aval, ou encore par voie semi-continue isotherme quand il s’agit d’un soluté thermosensible. On cristallise dans l’objectif d’isoler un produit en solution afin de le récupérer sous forme solide ou d’augmenter son degré de pureté ou encore d’obtenir des cristaux d’une morphologie particulière dans le cas d’une substance polymorphe.

Le principe de la cristallisation consiste à déséquilibrer le système en réalisant une sursaturation du milieu ce qui va le pousser à un retour à l’équilibre (saturation), ce retour sera accompagné d’une génération des cristaux qui vont croître en désursaturant le milieu. La sursaturation s’obtient par refroidissement quand la solubilité croît en augmentant la température ou par chauffage quand la solubilité décroît en augmentant la température ou encore par évaporation quand la solubilité ne varie pas en fonction de la température. La réalisation de la sursaturation peut se faire aussi par ajout d’anti-solvant, ce qui présente un intérêt dans le cas particulier des molécules thermosensibles et plus généralement par la réduction dû coût énergétique du au refroidissement.

Généralités sur la cristallisation

La cristallisation est un changement d’état qui permet d’obtenir une phase solide cristallisée à partir d’une phase gazeuse ou liquide. Il y a cristallisation lorsque la solubilité (saturation) d’un des composants dans la solution est dépassée et atteint la sursaturation.

La saturation

La saturation (ou limite de solubilité) est l’état qui correspond à la quantité maximale de produit que l’on peut dissoudre dans un volume de solvant donné à une température et une pression données [Couriol 1997]. La saturation dépend de plusieurs paramètres tels que la nature du solvant et la présence d’anti-solvant [Borissova 2004], la température, le pH, la présence d’impuretés [Rabesiaka 2006].

La sursaturation

Une action physique ou chimique sur une solution saturée donne lieu à une solution sursaturée. Cette action provoque un déséquilibre thermodynamique qui conduit à l’évacuation du soluté sous forme solide. On peut définir la sursaturation comme étant la différence du potentiel chimique entre la solution sursaturée et le cristal.

Modes de cristallisation

La cristallisation se fait selon quatre procédés :
– Cristallisation par refroidissement. La solubilité change en fonction de la température, le refroidissement provoque la sursaturation.
– Cristallisation par évaporation. La solubilité ne dépend pas de la température, la cristallisation se fait par évaporation d’une partie du solvant jusqu’à ce que la quantité de matière dissoute dans la solution résiduelle conduise au dépassement de la sursaturation.
– Cristallisation sous vide. La réalisation du vide permet à la fois le refroidissement et l’évaporation d’une partie de la solution. Cette technique permet l’obtention de quantités importantes de cristaux à partir des solutions moyennement concentrées.
– Cristallisation par ajout d’anti-solvant. L’ajout d’anti-solvant permet de baisser la solubilité et de générer une sursaturation élevée. Les anti-solvants sont miscibles avec le solvant alors que le soluté est insoluble ou moins soluble dans l’anti solvant [Shogo 2002].

Etapes de la cristallisation 

Les deux étapes fondamentales de la cristallisation, à savoir la nucléation et la croissance dépendent de la largeur de la zone métastable et de la sursaturation [Rauls 2000].

Nucléation
C’est le phénomène de naissance des cristaux à partir d’une solution sursaturée. Ce phénomène impose le nombre final de cristaux, il a donc un effet direct sur leur distribution de tailles. Il y a deux classes principales de la nucléation : la nucléation primaire et la nucléation secondaire.

La nucléation primaire
Dans une solution exempte de cristaux les molécules de soluté diffusent au hasard, certaines finissent par se rencontrer et constituent alors des multimères. A partir d’une certaine taille, ces agrégats sont considérés comme étant des germes cristallins. On peut définir la nucléation primaire alors comme étant l’apparition des germes dans le milieu où il n’existe aucun cristal. Deux types de nucléation primaire sont envisagés : la nucléation primaire homogène et la nucléation primaire hétérogène.

Nucléation primaire homogène
La nucléation est dite primaire homogène si les germes sont créés dans la solution. La formation des germes cristallins est due à l’énergie libre d’activation de germination, ∆G, qui dépend de la sursaturation et des propriétés physiques du germe (volume, énergie interfaciale).

Cette énergie comporte deux termes : un terme de surface ∆Gs pour créer la surface du cristal et un terme de volume ∆Gv pour créer son volume [Mullin 2001, Boistelle 1988].

∆G = ∆GV + ∆GS

∆G : énergie libre d’activation de germination (J) .

La nucléation primaire hétérogène

La nucléation primaire hétérogène est l’apparition de cristaux au voisinage de l’agitateur, des parois du cristallisoir ou encore sur les poussières et les impuretés présentes dans le milieu [Förster 1999, Förster 2000]. La présence d’une substance étrangère telle qu’une impureté, réduit l’énergie requise pour démarrer la nucléation primaire homogène. La nucléation primaire hétérogène se produit lorsque la sursaturation est faible ce qui est souvent le cas des réacteurs industriels. C’est souvent ce type de nucléation qui débute la cristallisation [MyersonA 2002].

Il y a trois types d’énergie mises en jeu lors de la nucléation primaire hétérogène :
– L’énergie cristal – solution, γs,
– L’énergie cristal – support (agitateur, cristalliseur, etc), γa,
– L’énergie solution – support, γ0.

La nucléation secondaire

C’est une nucléation qui se produit dans un milieu où des cristaux existent déjà. Les cristaux issus de la nucléation secondaire peuvent croître comme les cristaux issus d’une nucléation primaire [Chemini 1992]. La nucléation secondaire dépend de plusieurs paramètres [Kramer 2002] : la forme des cristaux, les propriétés du matériau cristallin, la géométrie du réacteur, les conditions opératoires comme la vitesse d’agitation et la vitesse de refroidissement. Il y a trois types de nucléation secondaire : la nucléation secondaire de contact, la nucléation secondaire de surface et la nucléation secondaire apparente.

La nucléation secondaire de contact 

Quand l’agitation est importante dans le milieu réactionnel, les nucléi se produisent à partir de l’attrition des cristaux déjà existants dans la solution. Le phénomène d’attrition résulte soit de chocs entre les cristaux, soit à cause des chocs entre les cristaux et le mobile d’agitation ou les cristaux et le réacteur. Ce processus est purement mécanique [Gahn 1999]. Il y a deux catégories d’attrition [Mazzarotta 1992] :
– La brisure : le cristal initial se brise en cristaux de tailles équivalentes. Ce phénomène se produit lorsque l’énergie appliquée sur le cristal est supérieure à l’énergie nécessaire pour le casser.
– L’abrasion : l’abrasion du cristal initial donne lieu à un cristal d’une taille légèrement inférieure ainsi qu’à des cristaux de petites tailles.

La dominance de l’un de ces deux phénomènes dépend de la taille, de la forme, de la dureté, de l’état de surface des cristaux ainsi que de la nature du solvant [Lim 1999, Lirri 2002]. La limitation du phénomène d’attrition reste parmi les priorités des industriels à cause de son effet néfaste sur la distribution de taille de cristaux [Mason 1966, Gahn 1997].

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1
1 Introduction
2 Généralités sur la cristallisation
2.1 La saturation
2.2 La sursaturation
2.3 Diagramme de métastabilité
2.4 Modes de cristallisation
3 Etapes de la cristallisation
3.1 Nucléation
3.1.1 La nucléation primaire
3.1.2 La nucléation secondaire
3.2 Croissance cristalline
3.2.1 Définition
3.2.2 Transfert de matière par diffusion
3.2.3 Intégration au réseau cristallin
3.2.4 Facteurs influents
4 Mécanismes en fin de cristallisation
4.1 Mûrissement d’Ostwald
4.2 L’agglomération
5 Importance du solvant en cristallisation
5.1 Effet sur la solubilité
5.2 Effet sur la nucléation
5.3 Effet sur la croissance cristalline
5.4 Effet sur la pureté du produit final
5.5 Effet sur le polymorphisme
6 L’utilisation d’anti-solvant en cristallisation
6.1 Définition
6.2 Effet sur la solubilité
6.3 Effet sur la largeur de la zone métastable
6.4 Effet de l’anti-solvant sur la cinétique de nucléation primaire
6.5 Effet sur la cinétique de croissance
6.6 Effet sur le polymorphisme
7 La glycine
7.1 Généralités
7.2 Propriétés physiques
7.3 Voies de synthèse
7.3.1 Voie de synthèse classique
7.3.2 Autres voies de synthèse
7.3.3 Solubilité de la glycine
8 Conclusion
Chapitre 2
1 Introduction
2 Matériels et méthodes
2.1 Données analytique sur les glycines commerciales
2.1.1 Glycine Dolder
2.1.2 Glycine Fagron
2.2 Dispositif expérimental
2.3 Techniques de caractérisation
2.3.1 Turbidimétrie
2.3.2 Mesure de la viscosité
2.3.3 Tamisage
2.3.4 Analyse thermique différentielle
2.3.5 Diffraction rayons X
3 Etude expérimentale
3.1 Effet de l’éthanol sur la solubilité de la glycine
3.1.1 Solubilités de la glycine Dolder pour différents pourcentages d’éthanol
3.1.2 Solubilités de la glycine Fagron pour différents pourcentages d’éthanol
3.2 Effet de l’éthanol sur la largeur de la zone métastable
3.2.1 Intérêt
3.2.2 Mode opératoire
3.2.3 Résultats
3.2.4 Discussion des résultats
3.3 Effet de l’éthanol sur la cinétique nucléation de la glycine
3.3.1 Modèle de Nvylt pour une cristallisation discontinue par refroidissement
3.3.2 Résultats glycine Dolder
3.3.3 Résultats glycine Fagron
3.3.4 Discussion des résultats
3.4 Etude du polymorphisme
3.4.1 Contexte et objectifs
3.4.2 Généralités sur le polymorphisme
3.4.3 Loi d’Ostwald
3.4.4 Polymorphisme de la glycine
3.4.5 Mode opératoire pour la détermination des polymorphes de la glycine Fagron dans un milieu hydro-éthanolique
3.4.6 Résultats (glycine Fagron)
3.5 Etude de l’effet de l’éthanol sur la cinétique de croissance de la glycine
3.5.1 Modèle de Myerson
3.5.2 Linéarisation du modèle de Myerson pour les différents régimes de croissance de Jackson
3.5.3 Mode opératoire pour la détermination de la vitesse de croissance de la glycine α
3.5.4 Résultats
3.5.5 Discussion des résultats
3.5.6 Détermination de l’étape limitante de la croissance cristalline
3.6 Etude du profil de refroidissement
3.6.1 Introduction
3.6.2 Partie expérimentale
4 Conclusion
Chapitre 3
1 Introduction
2 Cristallisation semi-continue isotherme par ajout d’anti-solvant
2.1 Définition
2.2 Importance du débit d’anti-solvant
2.3 Conditions opératoires optimales
2.4 Modèle de Nvylt pour une cristallisation semi continue-isotherme par ajout d’antisolvant
2.5 Conclusion
3 Etude expérimentale de la cristallisation semi-continue isotherme de la glycine par ajout d’éthanol
3.1 Description de l’installation
3.2 Détermination de la solubilité en fonction de la concentration massique d’éthanol dans l’eau
3.2.1 Protocole expérimental
3.2.2 Résultats de la solubilité en fonction de la concentration d’éthanol dans l’eau
3.2.3 Discussion des résultats
3.3 Détermination de la largeur de la zone métastable
3.3.1 Protocole expérimental
3.3.2 Résultats
3.3.3 Discussion des résultats
3.4 Détermination de la fréquence de nucléation en fonction du débit spécifique d’éthanol
3.4.1 Application du modèle de Nvylt
3.4.2 Discussion des résultats
3.5 Etude du polymorphisme
3.5.1 Protocole expérimental
3.5.2 Résultats
3.5.3 Discussion des résultats
3.6 Conclusion
Conclusion générale

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