Le CO2 supercritique peut être appliqué non seulement pour obtenir des extraits pouvant être encapsulés, mais aussi à d’autres étapes du processus liées à l’encapsulation (pour générer des particules, imprégner des matériaux, réduire la charge microbiologique, etc.).
La recherche d’alternatives plus durables pour relever les défis technologiques et sociaux n’est plus une tendance minoritaire, mais une nécessité reconnue par la société et les institutions, comme en témoignent, par exemple, les Objectifs de Développement Durable (ODD) ou le Pacte Vert pour l’Europe (Green Deal), sur lequel repose le Plan d’Action pour l’Économie Circulaire adopté en 2020.
Les préférences des consommateurs et les exigences de l’industrie pour y répondre incluent, par exemple, l’obtention et l’utilisation de produits plus naturels et sûrs afin d’améliorer la qualité de vie, en cherchant à rendre les sensations associées à leur utilisation aussi agréables que possible. L’intérêt pour leur propre santé, mais aussi pour celle des autres êtres vivants et de l’environnement, soutient une attention croissante non seulement sur les matières premières et les ingrédients dérivés, mais également sur les méthodes utilisées pour les obtenir. Cette tendance est particulièrement notable dans l’alimentation, mais également dans la cosmétique. Cela explique l’intérêt croissant pour la protection des substances bioactives fragiles afin qu’elles conservent leur fonctionnalité (extraits fonctionnels, mais aussi microorganismes ou cellules), ou pour l’amélioration de leurs propriétés afin de faciliter leur utilisation (par exemple, la réduction de leur impact organoleptique). L’encapsulation – qu’elle soit à un niveau macroscopique, microscopique ou nanométrique – peut contribuer positivement dans cette direction et, dans ce sens, la technologie des fluides supercritiques, plus précisément celle du dioxyde de carbone supercritique (CO2-SC), offre de nombreuses opportunités de procédés innovants et durables.
CO2 supercritique : un outil multifonctionnel pour innover dans l’encapsulation
En général, le CO2-SC est considéré comme le fluide supercritique le plus largement utilisé dans diverses applications, en raison des propriétés avantageuses qu’il présente dans ces conditions particulières de processus (haute diffusivité, grand pouvoir de dissolution, non toxique, non inflammable, ni explosif, coût modéré, largement disponible, etc.).
La polyvalence du CO2 supercritique a motivé l’expansion, au cours des dernières décennies, de la gamme de sujets et de domaines de recherche, comme en témoigne la croissance constante des publications scientifiques et technologiques, et plus particulièrement les nouveautés apparues en 2020.
En se concentrant sur l’application du CO2 dans des conditions supercritiques à l’une des étapes de processus associées à l’encapsulation de diverses substances, il est possible d’illustrer certaines des possibilités les plus pertinentes avec des exemples publiés au cours des derniers mois.
- Obtention d’extraits pour une encapsulation ultérieure
Le CO2 supercritique est un agent d’extraction idéal pour les substances apolaires lipophiles. C’est pourquoi, en plus d’être utilisé pour le dégraissage et l’obtention d’ingrédients protéiques, il peut également être employé pour obtenir des extraits de haute qualité. Les processus d’extraction avec CO2 supercritique sont réalisés en l’absence d’oxygène et généralement à des températures modérées, ce qui permet aux fractions extraites de conserver leurs propriétés et de présenter des avantages fonctionnels ou organoleptiques par rapport aux extraits obtenus par d’autres technologies, notamment celles utilisant des solvants organiques.
Dans ce domaine coexistent des exemples d’utilisation ayant atteint une échelle industrielle (industrie cosmétique, industrie des fragrances, etc.) avec de nouvelles recherches visant à améliorer des aspects qui peuvent favoriser de nouvelles applications, comme l’interaction avec d’autres composants. Une étude publiée en 2020 mentionne l’obtention, grâce au CO2 supercritique, d’un extrait de peaux d’oignon avec une activité antioxydante et de la quercétine comme flavonoïde principal, ainsi que son interaction avec des peptides tels que la bêta-lactoglobuline en tant que vecteurs potentiels (carriers).
- Génération de particules micro/nanoencapsulées dans des processus assistés par CO2 supercritique
La technologie du CO2 à haute pression, et plus particulièrement à l’état supercritique, fait partie des alternatives disponibles pour obtenir des particules de petite taille (micronisation) ou pour générer des encapsulés de certaines substances enrobées par d’autres, notamment à l’échelle micrométrique. Les procédés axés sur la génération de particules de petite taille qui exploitent les propriétés du CO2-SC sont très nombreux et variés, cette famille d’applications représentant l’une des tendances les plus avant-gardistes de la technologie, en raison des vastes opportunités et des nombreux défis technologiques associés, en fonction des besoins spécifiques de chaque cas.
Les caractéristiques des substances à encapsuler, le type de revêtement ou l’application finale de l’encapsulé, l’objectif de l’encapsulation, etc., conditionnent la sélection de la technologie la plus appropriée. Il est donc nécessaire d’analyser les alternatives des procédés utilisant le CO2 qui pourraient être employés, en tenant compte de ces facteurs et de l’état de la technologie (en considérant non seulement les avancées technologiques en elles-mêmes, mais aussi leur état de développement et de protection). Sur la base de cette analyse, il sera possible d’éliminer les options qui ne répondent pas aux exigences et/ou de restreindre les plus prometteuses, ainsi que d’identifier le chemin nécessaire au développement de solutions spécifiques concrètes.
Pour simplifier la fonction du CO2 supercritique dans les processus d’encapsulation, on peut souligner que dans certains types de procédés, on exploite la solubilité des substances impliquées dans le CO2 supercritique, générant des particules en modifiant les conditions du processus vers d’autres où ces substances cessent d’être solubles. À l’opposé, d’autres options de procédé utilisent le CO2 supercritique comme agent antisolvant, c’est-à-dire pour forcer la génération des particules en réduisant la solubilité des substances dans les solutions de départ en raison de l’intervention de ce fluide. La liste des processus et variantes utilisant le CO2 supercritique, avec des rôles différents, est très longue [certains des plus reconnus : RESS (expansion rapide de solutions supercritiques), GAS (processus à gaz antisolvant), SAS (antisolvant supercritique), PCA (précipitation avec fluide comprimé antisolvant), PGSS (particules à partir de solutions saturées en gaz), DELOS (dépressurisation d’une solution organique liquide étendue) ; SFEE (extraction de fluides supercritiques d’émulsions), ASES (système d’extraction de solvants par aérosol), etc.] et continue de croître, démontrant l’intérêt pour cette technologie.
Dans tous les types de processus, le résultat final ne dépend pas seulement des mécanismes et phénomènes associés, mais aussi des systèmes et dispositifs expérimentaux. Ainsi, le champ des recherches et publications inclut également des nouveautés concernant des éléments clés associés aux installations (par exemple, buses ; systèmes de collecte de particules ; systèmes de mélange ; systèmes de régulation, etc.).
- IImpregnation avec CO2 supercritique d’encapsulés et de supports
Une autre possibilité technologique réside dans la haute diffusivité du CO2 supercritique, qui facilite la pénétration à travers la structure des matériaux. Cette capacité, combinée à la solubilisation des substances, soutient les processus d’imprégnation des matériaux afin de leur conférer une fonctionnalité supplémentaire.
Ainsi, en plus d’autres applications d’imprégnation, le CO2 peut être utilisé pour incorporer une substance dans des particules générées par d’autres techniques, aboutissant à des encapsulés ou microencapsulés, en fonction des caractéristiques des matériaux de support dans lesquels les substances à doser sont intégrées. Par exemple, il a été publié une imprégnation supercritique de microparticules de soja, préalablement générées par une autre technique, pour les charger avec de l’huile de chia, permettant ainsi de protéger l’huile contre l’oxydation et d’assurer une libération contrôlée dans des conditions similaires à celles du tractus gastro-intestinal, ce qui serait essentiel pour son absorption.
- Post-traitement de particules encapsulées par d’autres alternatives technologiques : Élimination des résidus de solvants, séchage, stérilisation de matériaux sensibles
Les alternatives technologiques pour la microencapsulation sont très variées, et certains processus impliquent l’utilisation de solvants organiques, ce qui entraîne généralement une certaine présence de résidus dans le produit final. Si cette situation est indésirable, en plus de considérer une autre alternative d’encapsulation, un processus de post-traitement peut être appliqué aux microcapsules. C’est le cas de l’un des exemples apparus en 2020, où des chercheurs ont utilisé du CO2 supercritique pour éliminer les résidus de dichlorométhane dans des microsphères de PLGA contenant de la rispéridone, obtenant ainsi une élimination allant jusqu’à 99 %.
Dans d’autres situations, l’encapsulation implique des substances très délicates, nécessitant un traitement préalable approprié pour garantir leur utilisation finale en toute sécurité, sans compromettre le matériau lui-même. Un exemple récent montre la convergence entre les recherches biomédicales et de procédé pour le développement d’un nouveau matériau destiné au traitement des maladies. Le travail publié se base sur le potentiel de l’encapsulation de cellules, combinée au développement de cellules avec des réponses spécifiques pour le traitement de maladies, comme c’est le cas du diabète de type 1. Les chercheurs se concentrent sur le développement de membranes nanoporeuses à base d’hydrogels de polyuréthane à forte teneur en eau, qui sont ensuite traitées pour éliminer les substances cytotoxiques et atteindre un niveau de stérilité suffisant pour une implantation future dans le corps, permettant aux cellules d’excréter des substances. Plus précisément, ils indiquent qu’un traitement au CO2 supercritique pendant 2 heures a suffi pour atteindre un niveau SAL (niveau d’assurance de stérilité) de 10^(-6), considérant que les membranes nanoporeuses développées seraient adaptées à l’encapsulation de cellules dans des dispositifs à échelle macroscopique, utilisables dans des implants. Ils soulignent que des études futures continueront d’explorer et d’avancer dans cette direction.
AINIA rassemble des capacités et un savoir-faire tant dans le domaine de la technologie des fluides supercritiques que dans celui de l’encapsulation, soutenant ainsi ses activités dans l’exploitation des opportunités offertes par le CO2 supercritique dans le domaine de l’encapsulation. AINIA possède plus de 25 ans d’expérience dans le développement et le passage à l’échelle de solutions durables et efficaces basées sur des processus au CO2 supercritique, depuis l’échelle pilote jusqu’au niveau industriel chez ALTEX, ainsi que plus de 15 ans d’expérience dans le développement et le passage à l’échelle de différents processus de microencapsulation. En 2020, les progrès ont continué dans le domaine de la recherche sur les processus au CO2 supercritique pour l’encapsulation de substances via différentes alternatives technologiques, étendant et renforçant les capacités disponibles. Pour ce faire, les éléments clés à intégrer dans plusieurs alternatives de processus ont été identifiés, les plus appropriés ayant été sélectionnés pour l’acquisition et l’installation de nouveaux dispositifs expérimentaux.
Ces avancées ont été développées dans le cadre des lignes de recherche cofinancées par l’IVACE (Institut Valencien de Compétitivité Entrepreneuriale), dans le cadre de la convention de collaboration avec AINIA pour développer des activités de R&D&I susceptibles d’être transférées au tissu industriel.
