Lyophilisation
La lyophilisation est un process de séchage à basse température permettant de retirer l'eau contenue dans un produit par sublimation.
La lyophilisation (ou cryodessiccation) d’un produit en solution aqueuse consiste en l’élimination de l’eau qu’il contient. Cette élimination s’opère par transformation progressive de l’eau de la phase solide (état congelé) à la phase vapeur, sans passage par l’état liquide. Cette opération est également appelée « sublimation ».
La lyophilisation est en fait un processus de séchage à basse température réalisé en 3 grandes étapes : la congélation, la sublimation et enfin la désorption.
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Quels sont les avantages de la lyophilisation et ses applications ?
La lyophilisation d’un produit assure sa stabilité à température ambiante et permet donc une facilité de conservation et de transport.
Le process s’opérant à basse température, l’intégrité du produit est assurée tout comme le maintien de la stérilité.
Elle peut être appliquée pour les antibiotiques (Penicilines, Acyclovir, Vancomycin), la thérapie hormonale (Menotropin, Levothyroxine), les facteurs sanguins (Facteur VIII, Antithrombine, Fibrinogene) ou les anti-infectieux (Minocycline, Teicoplanine, Metronidazole).
En thérapie génique, les produits biologiques peuvent également être lyophilisés : protéines, material génétique (RNA, DNA), anticorps monoclonaux.
Les cycles de lyophilisation
Congélation
Préparation
Sublimation
SĂ©chage primaire
DĂ©sorption
SĂ©chage secondaire
Bouchage
Conditionnement final
Congélation
Compte tenu que les substances à traiter sont à l’état de solution liquide, il est nécessaire avant de procéder à la sublimation, d’en effectuer la solidification totale par congélation jusqu’à une température suffisamment basse (température eutectique)
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Sublimation
La sublimation (ou dessication primaire) de l’eau (solvant à éliminer), ne peut intervenir que si la pression P développée par les molécules d’eau présentes dans l’atmosphère environnante est inférieure à la pression T développée par les molécules d’eau contenues dans le produit. Cette dernière pression T est directement fonction de la température du produit. Elle est d’autant plus faible que cette température est plus basse.
Afin de maintenir la pression partielle à la plus faible valeur possible, il convient absolument d’enlever les molécules d’eau au fur et à mesure de leur extraction du produit. Ce transfert de molécules est alors réalisé par attraction naturelle suivi d’un blocage par « piégeage ».
Les molécules d’eau vont ainsi d’un point de « haute » pression (produit) vers un point de « basse » pression (piège/condenseur).
En plus de la machine frigorifique pour refroidir le produit (via les étagères), un lyophilisateur comprend également une machine frigorifique destinée à refroidir le condenseur.
Pendant la sublimation, la température du produit doit rester inférieure à la température de solidification totale (2 à 5°C au-dessous)
Lors de la sublimation, l’écoulement des molécules d’eau est sujet à de multiples collisions avec les molécules d’air présentes à pression atmosphérique.
Cet écoulement est donc freiné, entrainant un ralentissement important du procédé. Pour faciliter l’élimination des molécules d’air présentes dans la cuve on privilégiera l’utilisation d’un groupe de pompage (pompe à vide) qui aura alors pour effet de faciliter le transfert des molécules d’eau du produit vers le piège.
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DĂ©sorption
Pendant la sublimation, les molécules d’eau « libérées » sous forme de vapeur doivent traverser une couche déjà « sèche » (donc facilement ré-hydratable). Une partie y sera arrêtée par adsorption.
Lorsque les dernières traces de glace ont été sublimées, la concentration en humidité contenue dans le produit alors obtenu, est trop importante due au grand nombre de molécules qui a été adsorbé dans la structure sèche. En fin de sublimation, la température du produit s’élève progressivement tendant ainsi vers celle des étagères. A partir de cet instant et à condition que la pression régnant dans la cuve soit suffisamment basse, commence l’opération de désorption (ou dessication secondaire) qui a pour but d’éliminer les dernières traces d’eau (adsorbées) contenues dans le produit.
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Bouchage
L’humidité résiduelle ayant atteint la faible valeur souhaitée, le produit a alors l’aspect d’une matière très poreuse (les pores n’étant que les « cavités » qui étaient occupées par l’eau lorsque le produit se présentait sous forme de solution). Cette porosité fait du produit une « éponge » qui peut rapidement fixer des molécules de corps nuisibles à sa conservation telles que l’oxygène qui peut entraîner sa dégradation par oxydation. Ainsi, pour satisfaire au but recherché de conservation, il convient le plus souvent de « conditionner » le produit et ce dans la cuve même du lyophilisateur.
La composition d'un lyophilisateur
La cuve: Enceinte métallique en acier inoxydable devant résister aux conditions de pression propres aux cycles de lyophilisation (Patmo jusqu’à quelques millionièmes de celle-ci). Peut-être laver et stériliser en place CIP/SIP (NEP/SEP)
Les étagères: Elles servent de support au produit et fonctionnent vis-à -vis de celui-ci comme des échangeurs devant fournir l’énergie nécessaire pour la congélation puis la sublimation. En acier inox, creuses pour laisser circuler le liquide caloporteur et rigides pour résister aux contraintes mécaniques auxquelles elles sont soumises.
Le piège: Nom donné au condenseur de la vapeur d’eau sublimée du produit. Paroi froide de plaques ou de tubes, à l’intérieur circule le médium de refroidissement et à l’extérieur viennent se condenser les molécules d’eau (sublimées du produit). Selon les machines le médium de refroidissement utilisé est soit un liquide frigorigène (Fréon, Forane …) soit un liquide refroidi (ex huile silicone).
La machinerie: pompe à vide, machine frigorifique etc…