En physique, les états communs de la matière sont le solide, le liquide et le gaz. Certains autres états peuvent exister dans des conditions extrêmes, comme l'état "supercritique" lorsqu'un fluide est placé à une température et une pression supérieures à son point critique.
Dans cet état, le fluide supercritique présente des propriétés intéressantes couplant certaines propriétés d'un liquide (haute densité) et certaines d'un gaz (haute diffusivité, faible viscosité).
Les deux fluides supercritiques les plus utilisés sont le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau (H2O). Les deux fluides sont facilement disponibles et peuvent être utilisés sous une forme pressurisée pour remplacer les solvants organiques ou servir de procédés alternatifs respectueux de l'environnement.
Le CO2 est le solvant supercritique le plus couramment utilisé. Produit à haute pureté en excès par l'industrie, il est peu coûteux, non toxique, ininflammable et a une température critique proche de la température ambiante (31 ° C). La pression critique est atteinte à 74 bar.
La haute densité couplée à la diffusivité confère au CO2 supercritique une très bonne et intéressante propriété de solvant.
Les systèmes à fluide supercritique et haute pression permettent le développement de procédés et de produits durables et respectueux de l'environnement.
Les procédés supercritique sont répandus dans les industries, comme les produits naturels, les matériaux biologiques et avancés, la fabrication de textiles et autres.
L'exemple le plus connu est l'extraction de la caféine à partir de grains de café à l'aide de CO2 supercritique qui est utilisé commercialement depuis de nombreuses années à grande échelle. Aujourd'hui, les fluides supercritiques sont efficacement utilisés et développés par Extratex pour de nombreuses applications :
La technologie des fluides supercritiques est applicable partout où les objectifs sont :
Les procédés à base de fluides supercritiques comprennent entre autres l'extraction, l'imprégnation, la formation de particules, la formulation, la stérilisation, le nettoyage et les réactions chimiques. Dans tous les cas, le fluide supercritique est utilisé comme alternative aux solvants liquides organiques traditionnels.Les fluides supercritiques les plus utilisés sont le CO2 et l'eau mais certains procédés (extraction, réactions) impliquent l'utilisation de méthanol, éthanol, propane, éthane supercritique principalement.
Quelques exemples de procédés bien connus par Extratex sont listés ci-dessous :
Le principe consiste à faire circuler du CO2 supercritique, à travers la matière première (ex: plantes naturelles), et à dépressuriser le mélange pour récupérer l'extrait. En effet, après dépressurisation, le CO2 est libéré sous forme gazeuse (réutilisable) et perd sa propriété solvant conduisant à la condensation de l'extrait sous forme liquide ou solide.
L'extraction permet de:
De plus, les basses températures utilisées (généralement 40°C à 60°C) permettent de préserver l'intégrité chimique des molécules thermolabiles (sensibles à la chaleur). Les extraits obtenus, quelle que soit leur destination, sont différents de ceux obtenus par les méthodes dites classiques (extraction par solvant, liquide ou hydrodistillation) avec une qualité souvent accrue.
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Le fractionnement supercritique équivaut à une extraction solide, étant effectué sur un matériau liquide et en continu (par percolation à contre-courant).
Il est utilisé pour extraire, purifier ou enrichir des composés sur le liquide brut, lorsque ces composés ont une solubilité différente dans le CO2 supercritique à une certaine condition de pression et de température.
Cette opération peut également être réalisée à l'issue d'une extraction de CO2 supercritique.
Le fractionnement permet de:
Le CO2 supercritique peut être utilisé pour solubiliser des composés à éliminer d'une matrice / sous-état. Sa propriété de diffusivité élevée permet de pénétrer facilement dans une matrice poreuse complexe. Sa sélectivité permet de sélectionner les composés à éliminer.
Exemples de procédés industrialisés :
Le CO2 supercritique est également intéressant pour remplacer les solvants toxiques ou interdits tels que les solvants chlorés.
L'imprégnation supercritique signifie utiliser du CO2 pour amener une molécule intéressante dans une matrice PR (solide en général). On utilise ainsi le pouvoir de diffusivité élevé du CO2 supercritique pour atteindre en profondeur le solide, ajouté à son fort pouvoir de "transfert de masse" sur les composés solubles.
Quelques avantages de l'imprégnation avec du CO2 supercritique :
Les procédés de séchage supercritiques reposent sur l'extraction d'eau ou de solvants organiques à l'aide de CO2 supercritique.
Le matériau aérogel est un matériau "super-isolé", avec une matrice nanoporeuse lui conférant une propriété isolante élevée.
Ce matériau est initialement préparé sous forme de gel dans un environnement d'alcool liquide, qui doit être séché après une phase d'attente.
La méthode / procédé de séchage est un point clé pour atteindre les meilleurs paramètres d'isolation (conductivité thermique).
Reaction
Gel in basket
Aging gel
Aerogel ready to be drying
Voici l'intérêt du CO2 supercritique :
Il permet de :
Un certain type de procédés peut également être utilisé pour la lyophilisation de produits alimentaires.
La conception des particules et la formulation sèche peuvent être appliquées en utilisant du CO 2 supercritique comme milieu solvant pour atomiser l'API et le milieu exipient ou anti-solvant pour sécher le solvant conventionnel de l'API pendant l'atomisation.
Cela peut être utilisé pour contrôler la forme des molécules ou les encapsuler dans un excipient (afin d'améliorer la biodisponibilité, éviter l'utilisation de solvant basique, etc ...).
Dans le procédé RESS, le CO2 est utilisé pour extraire une molécule à une certaine condition supercritique, et la pulvériser dans une cuve d'atomisation à plus basse pression. Ce phénomène conduit à la précipitation ou à la recristallisation du matériau en micro ou nano particules.
Dans le cas où la molécule ou API n'est pas soluble en CO2 supercritique, elle est d'abord solubilisée dans un solvant organique (lui-même soluble dans CO2) supercritique. Ensuite, la solution est stérilisée dans une cuve d'atomisation à travers une aiguille de pulvérisation coaxail où elle est mise en contact avec du CO2 qui va séparer la molécule du solvant organique, conduisant à une précipitation. C'est ce qu'on appelle le procédé «anti-solvant» (SAS).
Ces procédés permettent de :
Le procédé Particles from Gas Saturated Solution (PGSS) est une technique de formation de particules basée sur les interactions du CO2 supercritique avec des molécules de piont ou des polymères à bas point de fusion. Un mélange de produits (ex. API + exipient) saturé et fondu en CO2 qui est rapidement détendu à la pression atmosphérique, libérant du CO2 gazeux et créant les particules (ex. API encapsulé par l'exipient).
Permet de :
Les réactions chimiques classiques (synthèse, biocatalyse, oxydation, etc ...) peuvent être améliorées en utilisant du CO 2 supercritique comme solvant ou milieu de réaction, apportant des avantages dans certains cas (meilleure solubilité, diffusivité, meilleur transfert de chaleur, inertage, etc ...).
Différents procédés et fluides supercritiques sont utilisés en fonction du produit à synthétiser.
Par exemple :
Permet de :
Le point critique de l'eau est beaucoup plus élevé que celui du CO2. Cependant ses applications sont très prometteuses et certaines sont en cours d'industrialisation. Les procédés utilisant de l'eau subcritique et supercritique sont appelés procédés hydrothermaux.
L'eau, en phase subcritique (pression: 15 à 200 bar, température: 150 à 250°C) peut solubiliser des composés hydrophobes. Par conséquent, l'eau subcritique (parfois appelée eau chaude comprimée) peut être utilisée pour l'extraction de matières végétales (polyphénols, tanins, terpènes)...) directement sur la matière première humide.
Dans l'eau supercritique (pression > 221 bar, température > 374°C), les composés organiques et les gaz deviennent hautement miscibles et la précipitation de composés inorganiques se produit. Des réactions d'oxydation dans l'eau supercritique peuvent également être réalisées. Les applications comprennent le traitement des déchets nocifs et la synthèse de nanoparticules.
Permet de :
