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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



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



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



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



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



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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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



Enrobage Emulsion



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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)


• 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


• Dégradation thermique10 µm

Poudre d’AGPI encapsulés obtenue par séchage-atomisation

Observation en MEB de microparticules produites par

séchage-atomisation

1. Objectifs

2. Technologies



Enrobage Emulsion



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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)


• 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


• Productivité très élevée• Contrôle de la taille et de la distribution de taille possibles


• Dégradation thermique

Minéraux encapsulés

Vitamines encapsulés

1. Objectifs

2. Technologies



Enrobage Emulsion



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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)


• 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)


• Contrôle de la taille finale des particules et de l’épaisseur de l’enrobage• Teneur élevée en actif


• 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



Enrobage Emulsion



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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


• 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)


• Teneur élevée en actif• Faibles diamètres


• 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



Enrobage Emulsion



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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




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…

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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




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

Capsulae


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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


Capsulae

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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


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