Introduction

Introduction
aux Technologies d’encapsulations
© Capsulae
Sommaire :
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
Introduction
1. Introduction
Definitions
Objectifs
Marchés
2. Technologies
3. Analyses
4. Conclusion
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.
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Introduction
1. Introduction
Definitions
Objectifs
Marchés
2. Technologies
3. Analyses
4. Conclusion
Structure matricielle,
actif(s) en orange
Encapsulation: définition et concepts
Structures des particules:
•  Structure matricielle : dispersion du (ou des)  
actif(s) au sein du matériau support
(billes, microparticules, microsphères)
Structure matricielle,
l’actif est visible
par transparence
• 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 cœur / membrane,
actif(s) en orange
Membrane d’une capsule
contenant de l’huile
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Introduction
1. Introduction
Definitions
Objectifs
Marchés
2. Technologies
3. Analyses
4. Conclusion
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
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Introduction
1. Introduction
Definitions
Objectifs
Marchés
2. Technologies
3. Analyses
4. Conclusion
Encapsulation: objectifs (1/2)
L’encapsulation d’un principe actif répond à quatre
grands objectifs pouvant être combinés.
Encapsulation d’huile
essentielle dans des
billes de biopolymère
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)
Lyophilisat sans (haut)
et avec (bas) enrobage
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Introduction
1. Introduction
Definitions
Objectifs
Marchés
2. Technologies
3. Analyses
4. Conclusion
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)
Libération d’un sel en
solution (microsphères)
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
Echantillons produits par
différentes technologies
d’encapsulation
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Introduction
1. Introduction
Encapsulation: marchés
Definitions
Objectifs
Marchés
L’encapsulation touche tous les
secteurs d’activité de l’industrie :
2. Technologies
3. Analyses
4. Conclusion
Alimentation
Humaine & Animale
• Arômes et agents sucrants
• Enzymes et microorganismes
• Vitamines, minéraux,
acides aminés
• Extraits végétaux, fragrances
• Acides gras poly-insaturés
Agriculture & Environnement
Chimie
Produits de soins et d’hygiène
Santé Humaine & Animale
• Crèmes cosmétiques
• Shampoings, dentifrices,
savons et gels douches
• Détergents liquides et en
poudre, liquides vaisselles
• Produits ménagers divers
• Vaccination et
vectorisation d’actifs
• Insémination artificielle
• Organes bio-artificiels
• Thérapie cellulaire
• Insecticides et fongicides
• Herbicides et engrais
• Répulsifs et larvicides
• Bionutrition et biocontrôle
des végétaux
• Traitement de l’air,
de l’eau et du sol
• Adhésifs et colles
• Peintures et traitements
de surface
• Matériaux de construction
• Matériaux auto-réparants et
à changement de phase
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Procédés d’encapsulation
1. Objectifs
2. Technologies
Principe général
Dripping
Spray-drying
Prilling
Enrobage
Emulsion
3. Analyses
4. Conclusion
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
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Procédés d’encapsulation
Technologies de dripping / gélification :
1. Objectifs
2. Technologies
Principe général
Dripping
Spray-drying
Prilling
Enrobage
Emulsion
3. Analyses
4. Conclusion
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) :
Dripping
(buses multiples)
• 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 :
Rupture de jet par vibration
(haut) et disque tournant (bas)
• Biocompatibilité
• Faible dispersion de taille
Limite(s) possible(s) :
• Diffusion à travers le réseau de biopolymère /
la membrane biopolymérique
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Procédés d’encapsulation
1. Objectifs
2. Technologies
Principe général
Dripping
Spray-drying
Prilling
Enrobage
Emulsion
3. Analyses
4. Conclusion
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)
Propriétés des particules (standard) :
• 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
Poudre d’AGPI encapsulés obtenue
par séchage-atomisation
Principaux avantages:
• Productivité très élevée
Limite(s) possible(s) :
• Dégradation thermique
10 µm
Observation en MEB de
microparticules produites par
séchage-atomisation
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Procédés d’encapsulation
1. Objectifs
2. Technologies
Principe général
Dripping
Spray-drying
Prilling
Enrobage
Emulsion
3. Analyses
4. Conclusion
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)
Propriétés des particules (standard) :
• 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
Minéraux encapsulés
Principaux avantages :
• Productivité très élevée
• Contrôle de la taille et de la distribution de taille possibles
Limite(s) possible(s) :
Vitamines encapsulés
• Dégradation thermique
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Procédés d’encapsulation
1. Objectifs
2. Technologies
Principe général
Dripping
Spray-drying
Prilling
Enrobage
Emulsion
3. Analyses
4. Conclusion
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)
Propriétés des particules (standard) :
1 mm
Observation en MEB de
coupes de minéraux enrobés
• 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)
Principaux avantages :
• Contrôle de la taille finale des particules
et de l’épaisseur de l’enrobage
• Teneur élevée en actif
Limite(s) possible(s) :
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Enrobage en lit d’air fluidisé
(bottom-spray)
• Propriétés intrinsèques du support
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Procédés d’encapsulation
1. Objectifs
2. Technologies
Principe général
Dripping
Spray-drying
Prilling
Enrobage
Emulsion
3. Analyses
4. Conclusion
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
Propriétés des particules (standard) :
• 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)
Principaux avantages :
• Teneur élevée en actif
• Faibles diamètres
Limite(s) possible(s) :
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Particules préparée par
double émulsion (e/h/e)
20 µm
Particules produites par
émulsion (h/e) et
polymérisation interfaciale
• Procédé à fort taux de cisaillement
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Analyses
1. Objectifs
2. Technologies
3. Analyses
Mesures de taille
Microscopie
Propriétés thermomécanique
Propriétés
des poudres
Microbiologie
Dosages et profils
4. Conclusion
M
esures de taille :
diamètre moyen et dispersion de taille
Minéraux encapsulés dans
des microparticules d’acides
gras (microscopie optique)
• 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
10 µm
Surface de microparticules
produites par émulsion /
solidification (MEB)
Microscopie confocale et fluorescence (clichés suivant l’axe Z)
de microcapsules produites par
double émulsion
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Analyses
1. Objectifs
2. Technologies
3. Analyses
Mesures de taille
Microscopie
Propriétés thermomécanique
Propriétés
des poudres
Microbiologie
Dosages et profils
4. Conclusion
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:
Rupture de capsules cœur /
membrane contenant de l’huile
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
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Analyses
2. Technologies
3. Analyses
Mesures de taille
Microscopie
Propriétés thermomécanique
Propriétés
des poudres
Microbiologie
Dosages et profils
4. Conclusion
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…
Culture de cellules immobilisées (gauche)
Enumération des bactéries cultivées (droite)
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NaCl concentration (mmol/L)
1. Objectifs
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Water
NaCl
Stearic/palmitic acid blend
Candelilla wax
carnauba wax
14
12
10
8
6
4
2
0
0
120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200
Time (secondes)
Effet du matériau enrobant sur la
libération de NaCl en solution
J. Agric. Food Chem. 2012, 60 (43),
10808-10814
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Conclusion
1. Objectifs
2. Technologies
3. Analyses
4. Conclusion
Séléction
Industrialisation
Capsulae
F
acteurs 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
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Conclusion
1. Objectifs
T
echnologies d’encapsulation : échelle industrielle
3. Analyses
4. Conclusion
Séléction
Industrialisation
Capsulae
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.
1,2 1 Coûts de production
2. Technologies
Dripping
0,8 0,6 Etude de coûts : équipement (investissement),
coût des matériaux, coûts de fonctionnement.
0,4 Prilling
0,2 Production industrielle : internalisation vs sous-traitance.
Enrobage
Emulsion /
Stabilisation
0 0 1000 2000 3000 Séchage
Atomisation
4000 5000 Productivité
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Conclusion
1. Objectifs
2. Technologies
3. Analyses
4. Conclusion
Séléction
Industrialisation
Capsulae
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”
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