L’enrobage à sec par voie mécanique

L’enrobage à sec par voie mécanique

Origine 

L’enrobage à sec repose sur un procédé de mélange binaire de poudres. Un mélange avec deux types de particules peut être qualifié soit de mélange ordonné soit de mélange aléatoire (Hersey, 1975). δorsqu’un mélange est aléatoire, la probabilité de trouver une particule de l’un des constituants est identique en tous points du mélange pour une taille d’échantillon de mélange donnée. Une condition pour obtenir ce type de mélange est que les propriétés des particules présentes doivent être proches que ce soit en taille, en masse, en morphologie et la rugosité de ces particules doit être quasi nulle. Par contre lorsque les particules sont cohésives ou de tailles différentes, le mélange n’est plus qualifié d’« aléatoire ». En effet, les poudres cohésives forment naturellement des agglomérats par le biais d’interactions physiques et les poudres de tailles différentes, mais relativement proches, ont tendance à former un mélange ségrégé. δorsque l’écart de taille entre les particules est important, les particules de petites tailles ont tendance à adhérer à la surface des particules de grandes tailles pour former un mélange ordonné. Les particules de petites tailles sont maintenues grâce à des interactions physiques ou chimiques telles que l’adsorption, la chimisorption, la tension de surface, les forces électrostatiques… (Hersey, 1975). Ce type de mélange est qualifié de mélange interactif (Egermann et Orr, 1983). Un mélange ordonné se forme en trois étapes (Bannister et Harnby, 1983) : les particules de petites tailles sont désagglomérées, elles adhérent à la surface des particules de plus grandes tailles grâce à la création d’interactions physiques entre les deux types de particules et des transferts ou des redistributions de fines particules s’effectuent à la surface des particules de plus grandes tailles. Dans les années 1980, le domaine pharmaceutique utilise ces mélanges ordonnés pour améliorer les propriétés de surface des produits ou la dissolution de la substance active (Koishi et al., 1984; Nyström and Westerberg, 1986; Westerberg et al., 1986).

Les particules enrobées à sec et les mélanges ordonnés, faisant partie du domaine des mélanges interactifs, sont constitués tous les deux de fines particules dispersées à la surface de plus grandes particules. Par contre ce qui les différencie sont les forces d’interactions entre particules, plus faibles dans le cas des mélanges ordonnés.

Principe et intérêts

L’enrobage à sec consiste à fixer des fines particules, appelées particules invitées, à la surface de particules de plus grandes tailles, nommées particules hôtes, par le biais d’une action mécanique apportée par le procédé employé. Les particules invitées et hôtes ont généralement une taille comprise entre 0,1 µm à 50 µm, et entre 1 µm à 500 µm respectivement. Le rapport de tailles entre ces deux types particules doit être suffisamment grand pour éviter la ségrégation et il est supérieur à 10. Des interactions s’établissent entre les particules pour permettre l’adhésion et le maintien des particules invitées à la surface des particules hôtes, comme les forces de Van der Waals, électrostatiques ou capillaires.

Selon les propriétés physiques des particules et les conditions opératoires employées, la structure de l’enrobage peut varier (Figure 2). δ’enrobage peut être discret, dans ce cas les particules invitées sont dispersées et espacées les unes des autres à la surface des particules hôtes. L’enrobage peut former une monocouche continue où les particules invitées sont soit déposées à la surface soit enfoncées dans les particules hôtes, ou il peut se présenter sous la forme d’un enrobage continu de type film. Selon les fonctionnalités souhaitées des matériaux, des multicouches enrobantes peuvent être effectuées (Ichikawa et al., 2013).

L’enrobage en voie sèche par action mécanique présente des intérêts environnementaux et économiques. Il ne nécessite pas l’ajout d’additif comme de liants ou de plastifiants pour fixer l’enrobage. Il ne présente pas d’étape de séchage supplémentaire pour éliminer un solvant éventuel, qui est une opération unitaire coûteuse.

Interaction entre particules 

Lorsque deux particules solides sont mises en contact durant une opération d’enrobage à sec, différents mécanismes d’interactions peuvent s’établir : mécanisme par adhésion ou mécanisme par friction. Le mécanisme par adhésion résulte de l’établissement de forces interparticulaires. Le mécanisme par friction correspond à une force de frottement lorsque deux particules se déplacent tangentiellement. Le type et l’intensité des interactions établies dépendent des propriétés physico chimique des particules comme la nature, la taille, la rugosité de surface, la dureté, la forme, l’élasticité… (Podczeck, 1999) .

Les forces résultantes du mécanisme d’adhésion sont principalement des forces de Van der Waals, des forces électrostatiques ou des forces capillaires, qui sont responsables du maintien des particules invitées à la surface des particules hôtes.

Forces de Van der Waals 

Les forces de Van der Waals sont des interactions électromagnétiques entre atomes ou molécules. Ces interactions se décomposent en trois types de forces : les forces d’orientation de Keesom de type dipôle permanent-dipôle permanent, les forces d’induction de Debye de type dipôle permanent-dipôle induit et les forces de dispersion de London. Les énergies de ces forces sont inversement proportionnelles à la distance entre les centres des deux atomes à la puissance six. Pour des interactions induites entre deux objets macroscopiques, une approche a été proposée dans les années 1930 par H.C. Hamaker (Hamaker, 1937). Cette approche considère que les énergies des atomes composant les deux objets sont additives et non retardées.

Forces électrostatiques

Des interactions entre les particules peuvent être électrostatiques, dans ce cas les particules sont chargées négativement ou positivement en surface. Si deux particules présentent des charges négatives (ou positives), des forces répulsives s’exercent. Si une particule présente des charges positives en surface et l’autre particule des charges négatives, des forces attractives s’exercent.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Etat de l’art
I. Introduction du chapitre 1
II. L’enrobage à sec par voie mécanique
II.1. Origine
II.2. Principe et intérêts
II.3. Interaction entre particules
II.4. Caractérisation de l’enrobage
II.5. Domaine d’application pharmaceutique
III. Procédés d’enrobage en voie sèche par action mécanique
III.1. Avantages des procédés discontinus et continus dans les industries pharmaceutiques
III.2. Procédés discontinus
III.3. Procédés continus
IV. Procédé d’extrusion-granulation à vis
IV.1. Différents équipements
IV.2. Paramètres procédés influençant les propriétés finales du produit pour une opération
de granulation en voie humide
V. Caractérisation des procédés continus de mise en forme de solides divisés
V.1. Influence des paramètres opératoires sur le remplissage
V.β. Etude de l’écoulement par les distributions des temps de séjour (DTS)
VI. Particules utilisées
VI.1. Particules de Cellet®
VI.2. Talc
VI.3. Stéarate de magnésium (StMg)
VII. Conclusion du chapitre 1
VIII. Références bibliographiques
Chapitre 2 : Matériels et Méthodes
I. Introduction du chapitre 2
II. Procédé d’enrobage
II.1. Description de l’extrudeuse
II.2. Description des configurations de vis utilisées
II.3. Protocole expérimental
III. Produits employés
III.1. Particules hôtes : Cellet®
III.2. Particules invitées
III.3. Fractions massiques en particules invitées pour former une monocouche
IV. Méthodes de caractérisation du procédé
IV.1. Masse retenue dans le procédé
IV.2. Distributions des temps de séjour (DTS)
V. Méthodes de caractérisation des produits
V.1. Etape de tamisage
V.2. Propriétés de taille
V.3. Propriétés de morphologie et composition de surface
V.4. Propriétés de mouillabilité et interactions avec l’eau
V.5. Propriétés d’écoulement et de compressibilité
VI. Conclusion du Chapitre 2
VII. Références bibliographiques
Chapitre 3 : Comportement des particules hôtes travaillées à sec dans un procédé d’extrusion
I. Introduction du chapitre 3
II. Etude préliminaire : Détermination des bornes d’études
III. Masses retenues et temps de passage dans le procédé
III.1. Evolution temporelle de la masse retenue dans le procédé
III.2. Temps caractéristiques des évolutions de la masse retenue
III.3. Evolution temporelle dans la phase de remplissage du fourreau
III.4. Evolution de la masse retenue selon les paramètres opératoires
III.5. Conclusion
IV. Impact des paramètres opératoires et du taux de remplissage sur les propriétés physiques des particules hôtes
IV.1. Impact des paramètres opératoires sur les particules en sortie du procédé
IV.2. Comparaison entre les propriétés des particules qui sont restées et sorties du procédé
IV.3. Conclusion
V. Mesures de distributions des temps de séjour des particules hôtes
V.1. Impact de la vitesse de rotation des vis
V.2. Comparaison entre les deux configurations de vis
V.γ. Impact du débit d’alimentation
V.4. Impact de la configuration de vis
V.5. Applications de modèles d’écoulement de la littérature sur la configuration n°1 et
l’influence de la vitesse de rotation
V.6. Evaluation de l’influence des paramètres opératoires
V.7. Conclusions sur les essais de DTS
VI. Conclusion du chapitre 3
VII. Références bibliographiques
Conclusion

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