Le séchage par pulvérisation est l'une des opérations les plus polyvalentes et les plus utilisées dans les industries alimentaire, pharmaceutique, nutraceutique et chimique pour transformer les solutions d'alimentation en poudres sèches et à flux libre. Le procédé consiste à tomiser un aliment liquide dans un flux de gaz chaud, qui évapore rapidement le solvant, laissant derrière lui des particules solides. Le solvant – qu'il s'agisse d'eau, de composé organique ou de mélange – joue un rôle décisif dans la solubilité, la stabilité et les propriétés finales de la poudre.

Comprendre le rôle des solvants dans le séchage par pulvérisation

Pour comprendre le défi que pose le développement de solvants plus verts, il est essentiel de comprendre pourquoi les solvants sont choisis en premier lieu. Dans le cas du séchage par pulvérisation, la solution d'alimentation doit satisfaire à des critères rigoureux : le solvant doit dissoudre les solides d'alimentation (ingrédient actif, excipient ou matrice), fournir une viscosité appropriée pour l'atomisation, s'évaporer à un rythme contrôlé sous des températures de procédé et ne pas dégrader le produit. Le solvant influence également la taille des gouttelettes, la cinétique de séchage, la morphologie des particules et les niveaux résiduels de solvant dans la poudre finale.

L'impératif environnemental pour les solvants verts

La production, l'utilisation et l'élimination des solvants représentent une part importante de l'empreinte environnementale du cycle de vie d'un produit. Selon les principes de la chimie verte, les solvants devraient être conçus de façon à être intrinsèquement plus sûrs, dérivés de matières premières renouvelables et biodégradables. Le remplacement de solvants toxiques ou persistants avec des solutions de remplacement bénignes peut réduire la pollution de l'air et de l'eau, réduire la consommation d'énergie dans les procédés de séchage et améliorer la sécurité au travail.[ Des règlements comme le règlement REACH de l'UE, la Toxic Substances Control Act (TSCA) des États-Unis et la politique de l'EPA sur les nouvelles solutions de remplacement (SNAP) sont des innovations.

Stratégies pour le développement de solvants écologiques

Les chercheurs et les ingénieurs de procédés ont recours à de multiples méthodes pour identifier, concevoir et mettre en œuvre des solvants écologiques pour les solutions d'alimentation par séchage par pulvérisation, allant de la mise à profit de matières premières biorenouvelables à la mise au point de nouveaux systèmes de solvants ayant des propriétés thonières.

Solvants bio-basés provenant de ressources renouvelables

Les solvants bio-basés sont dérivés de la biomasse comme le maïs, la canne à sucre, les déchets lignocellulosiques ou les huiles végétales. Ils offrent une voie directe pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles.Par exemple, le bioéthanol (fermenté à partir de céréales ou de canne à sucre), le lactate d'éthyle (from amidon de maïs), le limone (from agrumes peaks) et les dérivés du glycérol. Le bioéthanol est déjà largement utilisé dans le séchage par pulvérisation en raison de sa faible toxicité et de sa forte volatilité, mais sa production peut concurrencer les approvisionnements alimentaires si elle n'est pas produite de façon durable. Le lactate d'éthyle est un solvant puissant pour les huiles et les résines, mais son point d'ébullition élevé (176 °C) peut nécessiter des températures de séchage plus élevées ou des temps de séjour plus longs.

Eau : le solvant vert ultime

L'eau est le solvant le plus durable de presque tous les produits métriques, non inflammables, abondants et peu coûteux. En cas de séchage par pulvérisation, les solutions aqueuses sont préférables lorsque les ingrédients actifs sont solubles dans l'eau ou peuvent être formulés en suspension ou en émulsions. Cependant, de nombreux composés hydrophobes, en particulier dans les produits pharmaceutiques et les nutraceutiques, ont une faible solubilité dans l'eau, nécessitant l'utilisation de solvants organiques ou de mélanges de cosolvants. Les stratégies permettant le traitement à base d'eau comprennent l'utilisation d'agents de surface, de cyclodextrines ou de microencapsulation pour stabiliser les agents hydrophobes dans les dispersions aqueuses. Par exemple, les suspensions nanocristallines peuvent être séchées par pulvérisation avec l'eau comme phase liquide primaire, ce qui entraîne des poudres à biodisponibilité accrue.

Solvants eutectiques profonds (DES)

[Les solvants eutectiques profonds représentent une classe de solvants verts en croissance rapide, qui se forment en mélangeant deux ou plusieurs composants naturels, généralement un adhérent à l'hydrogène (HBA) comme le chlorure de choline et un donneur de liaison à l'hydrogène (HBD) comme l'urée, le glycérol ou les acides carboxyliques, qui fondent à une température inférieure à celle de l'un ou l'autre des composants individuellement. Les DES sont biodégradables, ont une faible pression de vapeur (émissions de COV négligeables) et peuvent être adaptés pour dissoudre une large gamme de composés, y compris de nombreux produits pharmaceutiques peu solubles dans l'eau. Pour le séchage par pulvérisation, les DES offrent l'avantage d'être non inflammables et d'avoir des propriétés physicochimiques thoneuses (viscosité, polarité, point d'ébullition) par le choix de composants et un rapport molaire.

Liquides ioniques (IL) et leurs limites

Les liquides ioniques — les sels liquides de moins de 100 °C — partagent plusieurs des propriétés souhaitables du DES : pression de vapeur négligeable, stabilité thermique élevée et solvabilité thoneuse. Cependant, de nombreux liquides ioniques sont coûteux à produire, peuvent être toxiques pour la vie aquatique et ne sont pas biodégradables. Par conséquent, leur utilisation dans le séchage par pulvérisation se limite à des applications spécialisées (p. ex., dissolution de la cellulose pour la livraison de médicaments). La tendance est à se tourner vers le DES et les solvants bio-basés comme options plus durables.

Systèmes de récupération de solvants et de boucles fermées

Dans de nombreuses opérations de séchage par pulvérisation, les gaz d'échappement chargés de solvants sont rejetés dans l'atmosphère (pour l'eau) ou traités par des condenseurs et des épurateurs pour récupération. Pour les solvants coûteux ou dangereux, les systèmes de récupération en boucle fermée qui captent et recyclent 95 à 99 % du solvant sont courants. Pour les solvants écologiques, les mêmes principes s'appliquent : si un solvant peut être récupéré et réutilisé efficacement, son empreinte environnementale globale est considérablement réduite même s'il présente des inconvénients inhérents.

Difficultés et considérations liées à la mise en œuvre

Malgré les avantages évidents, la transition vers des solvants écologiques dans le séchage par pulvérisation présente plusieurs obstacles techniques et économiques qui doivent être abordés pour une adoption industrielle réussie.

Compatibilité et stabilité de la formulation

De nombreux solvants bio-basés et DE peuvent réagir avec des API sensibles, subir une oxydation ou favoriser la croissance microbienne si ces derniers sont stockés pendant des périodes prolongées. Par exemple, les solvants à base de glycérol sont hygroscopiques et peuvent introduire de l'humidité dans le système, ce qui affecte la fluidité et la stabilité des poudres. Les études de compatibilité, y compris les tests de stabilité accélérés et la caractérisation analytique (HPLC, DSC, TGA), sont essentielles pour s'assurer que le solvant ne dégrade pas le produit ou ne produit pas d'impuretés.

Paramètres du processus : Viscosité, point de brouillage et cinétique de séchage

Les solvants écologiques ont souvent des points d'ébullition et des viscosités plus élevés que les solvants classiques comme l'acétone ou le méthanol. Des points d'ébullition plus élevés signifient que la température de séchage de l'air doit être élevée, ce qui peut dégrader les composés sensibles à la chaleur ou augmenter la consommation d'énergie. Une viscosité plus élevée entraîne une plus grande taille des gouttelettes pendant l'atomisation, ce qui peut nécessiter des ajustements de la conception de buses (p. ex., à l'aide de buses à deux fluides) ou des pressions de fonctionnement.

Coût et scalabilité

De nombreux solvants écologiques sont plus chers que leurs homologues pétrochimiques, en particulier les solvants des DES et les solvants bio-basés spécialisés comme le lactate d'éthyle ou le limone. Le coût par kilogramme plus élevé doit être évalué en fonction des économies réalisées grâce à la réduction du fardeau réglementaire, aux coûts d'élimination des déchets et à l'amélioration de la sécurité des travailleurs. Pour les opérations à grande échelle, même une légère augmentation du coût des solvants peut avoir un impact significatif sur le résultat.

Évaluation de l'innocuité et de la toxicité

Bien que de nombreux solvants verts soient moins dangereux, leur profil de sécurité n'est pas toujours parfaitement compris. Par exemple, certains solvants eutectiques profonds peuvent présenter une écotoxicité inconnue et leurs composants (p. ex., le chlorure de choline à haute concentration) peuvent être irritants. Un solvant à base de maïs peut avoir une faible toxicité aiguë mais être inflammable s'il contient de l'éthanol.

Orientations futures et frontières de la recherche

Le champ des solvants verts pour le séchage par pulvérisation progresse rapidement, avec plusieurs développements prometteurs à l'horizon.

Intégration avec le séchage par pulvérisation à basse température

Les techniques de séchage par pulvérisation à basse température et à l'aide du vide (p. ex., le séchage par pulvérisation à l'eau de Büchi Nano ou le séchage par pulvérisation à gel) fonctionnent à des températures beaucoup plus basses, permettant l'utilisation de solvants écologiques sensibles à la chaleur et à des points d'ébullition élevés. Ces technologies peuvent également améliorer l'efficacité énergétique et réduire la dégradation des composés bioactifs.

Sélection de solvants informatiques

Des outils comme le COSMO-RS (modèle de dépistage des solvants réels, semblable à un conducteur) permettent aux chercheurs de sélectionner des milliers de candidats au solvant dans le silico, réduisant ainsi considérablement l'effort expérimental nécessaire pour identifier les solvants verts optimaux pour une application de séchage par pulvérisation donnée. Cette approche peut accélérer la découverte de nouvelles formulations bio-basées ou DES avec des caractéristiques de solubilité et de séchage adaptées.

Économie circulaire: solvants dérivés des déchets

Un concept émergent est l'utilisation de solvants provenant de flux de déchets industriels ou agricoles. Par exemple, la lignine provenant de papeteries ou de furfural provenant de la transformation du maïs peut être transformée en solvants bio-basés. Cela non seulement fournit un solvant vert mais valorise également les déchets, en s'aligneant sur les principes de l'économie circulaire.

Tendances en matière de réglementation et de marché

Aux États-Unis, le Système intégré d'information sur les risques (IRIS) de l'EPA classe plusieurs solvants communs comme cancérogènes.Ces tendances obligent les entreprises à mettre leurs activités à l'épreuve à l'avenir en investissant dans la R-D sur les solvants verts. Les rapports de marché (Grand View Research) projettent que le marché mondial des solvants verts dépasse 150 milliards de dollars d'ici 2030, en raison de la demande des industries des peintures, des revêtements, des produits pharmaceutiques et des aliments.

Collaboration entre l'industrie et les universités

Aucune entité ne peut relever le seul défi multiforme du remplacement des solvants. Des consortiums tels que l'ACS Green Chemistry Institute, la Plate-forme technologique européenne pour la chimie durable (SousChem) et des initiatives spécifiques à l'industrie (par exemple, le Consortium international de l'aéronautique pharmaceutique sur la réglementation et la science – IPAC-RS) facilitent le partage des connaissances et la recherche préconcurrentielle.

Conclusion

La mise au point de solvants écologiques pour les solutions de séchage par pulvérisation constitue une étape critique vers une fabrication plus écologique dans de multiples industries.En adoptant des solvants bio-basés, en utilisant l'eau lorsque c'est possible, en explorant des systèmes eutectiques profonds et en intégrant des technologies efficaces de récupération et de basse température, les entreprises peuvent réduire l'impact environnemental sans compromettre la qualité des produits. La voie à suivre consiste à surmonter les défis en matière de compatibilité, de coûts et d'optimisation des procédés, mais les outils et les connaissances nécessaires à cette fin arrivent à maturité rapidement.