Étude de l'influence de l'écoulement sur la cristallisation en solution : applications aux hydrates de dioxyde de carbone et à une substance pharmaceutique

La cristallisation en solution est une opération unitaire essentielle du génie chimique. Les conditions opératoires dans lesquelles cette opération est menée déterminent sa productivité et la qualité des cristaux produits, par le biais de l'influence qu'elles ont sur les cinétiques de germination et de croissance. De nombreuses études ont mis en évidence que les conditions d'écoulement influencent significativement ces deux cinétiques. Néanmoins, une compréhension profonde de la nature de cette influence n'a, à l'heure actuelle, pas encore été atteinte. Ceci cause bien souvent des problèmes tant au niveau du procédé que du produit et a également pour conséquence que l'effet des conditions d'écoulement sur les cinétiques de cristallisation est rarement exploité de manière à en tirer le meilleur avantage. La première partie de ce travail a été consacrée à l'étude de l'effet des conditions d'écoulement sur les cinétiques de cristallisation en solution (germination et croissance), avec pour cas pratique la cristallisation d'hydrates de dioxyde de carbone (CO2), une solution émergeante pour la capture et la séquestration du CO2 (gaz à effet de serre majeur). De manière à étudier l'impact des conditions d'écoulement sur le taux de formation des hydrates de CO2, des expériences de formation d'hydrates de CO2 ont été réalisées dans un réacteur de type cuve agitée de 20 L mis en oeuvre de manière semi-continue dans des conditions d'écoulement variées, produites à l'aide de trois mobiles d'agitations différents (une turbine à pales inclinées, un MaxblendTM et un DispersimaxTM) opérés à différentes vitesses de rotations. Un modèle mathématique original de l'ensemble du processus de formation des hydrates de CO2 attribuant une résistance à chacune de ses étapes constitutives a été établi. Pour chaque condition expérimentale, le taux de formation est mesuré et l'étape limitante est déterminée sur base de la valeur des différentes résistances. Les trois mobiles d'agitations étudiés sont comparés relativement à leur efficacité et, pour chaque mobile, l'influence de la vitesse de rotation sur l'étape limitante est discutée. En l'occurrence, il est montré que des limitations dues aux transferts de chaleur peuvent se produire à l'échelle relativement petite utilisée dans cette étude. L'étude de l'impact des conditions d'écoulement sur la cinétique de germination des hydrates de CO2 s'est concentrée sur la caractérisation de l'effet du taux de cisaillement sur le temps d'induction associé à cette formation (proportionnel à cette cinétique). Cette étude a été basée sur la réalisation de mesure de temps d'induction au cours d'expériences de formation d'hydrates de gaz, utilisant le système CO2-H2O-tetrahydrofuran comme système modèle, réalisées dans un réacteur de type Couette-Taylor. L'application, à la phase liquide dans laquelle prend place la formation des hydrates de gaz, de différents taux de cisaillement (entre 50 et 300 s-1), maintenus constants tout au long de l'expérience de formation, a révélé que le temps d'induction moyen diminuait significativement lorsque le taux de cisaillement appliqué à la phase liquide augmentait. Il a été montré que cette diminution peut être principalement attribuée à une diminution du temps nécessaire à l'apparition de germes stables d'hydrates et à leurs croissances jusqu'à une taille macroscopiquement détectable. Il a également été montré que le temps d'induction moyen peut également être significativement réduit par l'application, à la phase liquide, d'un haut taux de cisaillement (900 s-1) durant une période relativement courte et définie. La seconde partie de ce travail a été dédiée au développement d'une stratégie permettant d'améliorer le contrôle des procédés de cristallisation de substances pouvant cristalliser sous plusieurs formes cristallines, et ce, relativement à la forme cristalline générée au cours et à l'issue de ces procédés. Le cas pratique de cette partie du travail est le développement d'un procédé de cristallisation en solution par refroidissement en mode batch d'un principe actif, récemment développé par la société pharmaceutique UCB, présentant deux formes cristallines connues. La robustesse et la reproductibilité de ce procédé vis-à-vis de la production de la forme cristalline d'intérêt et de la prévention de l'occurrence d'un phénomène de prise en masse, dû à une formation massive de cristaux de la forme cristalline indésirable, sont deux impératifs ayant guidés son développement. Le procédé qui a été envisagé dans le cadre de la deuxième partie de ce travail est basé sur la production de semences cristallines de forme I (la forme d'intérêt) par germination primaire au sein d'un réacteur tubulaire suivie d'une croissance de ces semences en milieu agité contrôlé en température. Les propriétés particulières de l'écoulement mis en oeuvre au sein du réacteur tubulaire permettent d'y contrôler finement l'allure des champs de température et de concentration (et donc de sursaturation) et, de manière inédite, de circonscrire l'apparition de cristaux à la partie centrale de l'écoulement (afin de prévenir tout risque d'incrustation de la paroi interne du réacteur). Les expériences réalisées dans ce travail montrent que, associé aux conditions expérimentales utilisées, ce dispositif permet de produire des semences cristallines de forme I de manière reproductible. Elles montrent également qu'un contrôle adéquat des conditions initiales dans lesquelles les semences cristallines de forme I sont amenées à croitre ainsi que du taux de refroidissement utilisé pour entretenir cette croissance permet de garantir que celle-ci se déroule sans que le phénomène de prise en masse ne prenne place. Il est mis en évidence que ce contrôle repose sur la prévention de toute formation indésirable de cristaux de forme II par un maintient, en tout temps, d'un niveau de sursaturation ne dépassant pas une valeur critique donnée. Enfin, ces expériences montrent aussi que le type d'agitation utilisée dans ce travail n'a pas d'influence sur l'occurrence de la prise en masse mais a une influence majeure sur l'état de surface, la taille moyenne et la distribution en taille des cristaux produits.