Lyophilisation

Le type de produit et son contenant conditionnent énormément le processus de lyophilisation et par là, la structure de la machine qui réalisera l’opération. Après lyophilisation, le produit obtenu est appelé lyophilisat ou cake. Le produit à lyophiliser peut-être en vrac (bulk) dans des grands bacs, enflaconné, ou encore en blister (conditionnement sous membrane plastifiée).

Dans le cas des produits liquides ou pâteux, on utilise de grands bacs en inox posés sur les étagères de congélation. Les bacs ont le défaut de ne jamais être parfaitement plats et donc de ne toucher l’étagère qu’en quelques points. La plupart de l’énergie de l’étage est donc transmise au bac puis au produit par radiation, ce qui représente une très petite partie de l’énergie à fournir au liquide caloporteur. De plus, il n’est pas toujours facile d’instrumenter les lots pour suivre le processus : le risque de décollement des sondes de température est élevé. Pour pallier ce risque, il faudra donc multiplier les capteurs et donc compliquer l’informatique et la mécanique de la machine, ou il faudra utiliser une méthode de contrôle globale de la vapeur d’eau résiduelle du type Lyotrack. En revanche, ce système de stockage permet de lyophiliser des centaines de kilos de produit par cycle.

Pour les produits solides (bois mouillé, papier, plantes…), ils sont soit posés directement sur étagère si leur poids le permet, soit dans une enceinte à parois réfrigérantes.

Les flacons sont généralement en verre, matière qui présente un faible taux de dégazage sous vide. Ils sont équipés de bouchons spéciaux, qui ne dégazent pas, qui laissent passer les gaz pendant la lyophilisation et qui assurent l’étanchéité après bouchage. Ces flacons sont posés directement sur les étagères d’inox. Le transfert thermique est meilleur que pour le vrac et on peut éviter les problèmes de décollage des capteurs à thermocouple ou PT100, en les assujettissant aux bouchons si une telle méthode est utilisée. Par contre, le volume de produit sera plus faible qu’en vrac et la manipulation des flacons avant et après lyophilisation peut demander beaucoup de main d’œuvre ou des machines de manutention coûteuses, sans compter les risques de casse ou de contamination humaine.

Il s’agit de bacs de plastique thermoformé. Le produit (si possible très pâteux) est placé dans de petites alvéoles. Le temps de lyophilisation est alors très court. Par contre, le remplissage et la manipulation des blisters doivent être automatisés pour ne pas renverser le produit.

La congélation est la phase la plus critique du cycle de lyophilisation. La baisse de température doit être très rapide pour former une glace (presque) amorphe (sans cristaux de glace) ; on évite ainsi la lésion des cellules et la dénaturation des molécules organiques sensibles (les protéines et leur agencement en particulier). Une congélation trop lente entrainera une augmentation du volume de l'eau en cristallisant, conduisant à une dénaturation du produit.

Cette phase est donc essentielle, car elle doit garantir que le produit à lyophiliser ne sera pas altéré.

Elle consiste à extraire l’eau dite libre, qui est sous forme de glace libre (ou interstitielle). Sous un vide situé aux environs de 100 µbar mais pouvant varier fortement d’un produit à l’autre (de 5 µbar à 500 µbar), on apporte de la chaleur au produit afin que la glace se sublime. Notons au passage qu’à ces niveaux de vide, la chaleur est principalement apportée par radiation ou conduction avec les étagères contenant le fluide caloporteur, la convection pouvant être considérée comme nulle.

Suivant le produit et les besoins de production, on peut faire varier la température pendant le cycle. La vapeur d’eau est captée par un « piège froid » ou «condenseur » et la déshydratation du produit se poursuivra en continu. Le niveau de vide, la température du produit et le temps de dessiccation sont des paramètres importants, car ils déterminent le flux de sublimation à l’intérieur de la machine. Un flux de vapeur trop élevé peut emporter avec lui le produit que l’on cherche à lyophiliser. Un cycle trop court laissera trop d’eau dans le produit, qui pourra être dégradé lors de la dessiccation secondaire. À l’inverse, un cycle trop long peut dégrader certaines molécules actives. Lorsque la plus grande partie de l’eau s’est sublimée, le produit initial a perdu environ 80 à 90 % de son eau.

Elle consiste à éliminer l’eau « captive » du produit par désorption, car des molécules d’eau restent piégées en surface. C’est une étape délicate, car poussée trop loin, elle peut dénaturer le produit. Dans cette étape, le vide est poussé jusqu’aux environs de 5 µbar. On maintient ou on augmente la température du produit (jusqu’à des valeurs positives) pour arracher les molécules. On peut compléter l’opération en baignant le produit dans une atmosphère d’azote pur, dont les molécules prendront la place des quelques molécules d’eau restantes. À la fin du cycle, le produit est sec à 95 % ou plus.

Les paramètres du processus de lyophilisation sont déterminés en laboratoire et expérimentés sur des lyophilisateurs dits « pilotes » avant d’être industrialisés. La description des étapes de la lyophilisation est appelée « une recette ».
Une recette peut durer de plusieurs heures à plusieurs jours.

• (en) Peter Haseley et Georg-Wilhelm Oetjen, Freeze-Drying, 2018, 440 p. (ISBN 9783527343065)

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• Conservation de la viande

• (fr) Les Techniques de l’Ingénieur : lyophilisation
• (en) International Society of Lyophilization - Freeze drying