Diagramme de phase

2.1.1 Etude du diagramme de phase

Nous avons déterminé au laboratoire le diagramme de phase du binaire eau+PVP par MDSC pour des concentrations de PVP dans l’eau allant de 5 à 70% (figure 41). La courbe jaune représente la courbe du liquidus (température de fusion en fonction de la concentration), la courbe bleue représente la courbe de la température de transition vitreuse en fonction de la concentration. Cette courbe expérimentale a été confrontée au modèle théorique de Fox (courbe rouge) qui correspond à l’équation suivante (7) :

ଵ

்_೒೘±೗

 ൌ

்_೒భ

൅

்_೒మ

La droite verte représente les valeurs mesurées de la température de transition vitreuse de la phase cryo-concentrée au maximum, notée T’g, en fonction des concentrations. Cette T’g ne dépend généralement pas de la concentration de l’espèce et est unique pour un système donné. Cependant, la Tg mesurée pour des concentrations de PVP allant de 5%(m/m) à 45%(m/m), apparait constante et ne semble pas dépendre de la concentration de PVP. Nous l’avons donc interprétée plutôt comme une valeur de T’g. De plus les valeurs obtenues sont très proches de la T’g obtenue par l’intersection du liquidus et de la courbe de transition vitreuse.

118 Le diagramme de phase représente une donnée thermodynamique de base très importante pour l’optimisation des cycles de lyophilisation. Comme expliqué précédemment, on remarque que les valeurs de T’g mesurées par DSC sont relativement proches de celle obtenue par extrapolation à l’intersection de la courbe de fusion et de la courbe de transition vitreuse. Cette extrapolation a été nécessaire car au-dessus d’une concentration de 55% de PVP, la température de fusion est extrêmement difficile à obtenir sans procéder à des recuits très longs, nécessaires à la cristallisation de toute la masse d’eau cristallisable, et donc afin d’obtenir des pics de fusions nets et reproductibles (Cf § 2.1.2).

Tableau 7 : Valeurs des T’g obtenues par DSC et à partir du diagramme de phase

T’g moyenne mesurée par DSC concentrations <50%

T’g par extrapolation de l’intersection

-22,6°C -24,0°C

La détermination de la T’g par calorimétrie différentielle (MDSC) permet donc d’obtenir des résultats cohérents, mais cette méthode conduit à des valeurs qui dépendent souvent des conditions de congélation. Il est donc préférable de déterminer la valeur de T’g par l’intersection entre la courbe de transition vitreuse et la courbe de fusion, méthode qui s’affranchit des conditions de congélation et de la concentration de la formulation. La courbe de transition vitreuse obtenue expérimentalement semble être bien interprétée par le modèle de Fox dans le cas du mélange eau+PVP. Par ailleurs, ce diagramme a été comparé avec celui proposé précédemment par Furushima et al., 2012, et présenté sur la figure 41.

Figure 321 : Diagramme de phase déterminé par Furushima et al., 2012 (□ Tg du mélange et Δ Tm du mélange)

Il est à noter que le diagramme proposé par ces auteurs a été déterminé avec un polymère de masse molaire moyenne égale à 29 000 Da légèrement différente de celui de notre étude. Cependant, l’allure des courbes présentées correspond bien à celles que l’on a obtenues avec notre diagramme de phase, ce qui nous a permis de confirmer nos résultats.

119 Le diagramme de la figure 40 permet de mettre en évidence l’état du mélange en fonction de la température. Ici, pour des concentrations de PVP inférieurs à 49%, on peut observer trois principaux états du système. Dans la région I, il existe un mélange de cristaux de glace et de solution cryo-concentrée. Dans la région II le système correspond à un mélange de cristaux de glace et de solution non congelable. L’état liquide est obtenu après la fusion lors du réchauffement de la température dans la zone III. La région IV est caractéristique d’un état caoutchouteux (viscoélastique), qui ne congèle pas et qui atteint probablement la viscosité critique de l’état vitreux (1012 Pa.s) selon Roos, 1995. La région V correspond à l’état d’un solide amorphe vitreux.

2.1.2 Cas particuliers du diagramme de phase

Pour des concentrations comprises entre 49% et 64% (région IV du diagramme), l’eau ne cristallise pas lors du refroidissement, probablement en raison de la très forte viscosité de la solution à de telles concentrations. En effet, les molécules d’eau peuvent être piégées en amas au sein du réseau polymérique ce qui pourrait empêcher la germination des cristaux de glace. En revanche on observe un phénomène d’épaulement lors du refroidissement qui peut être dû à un phénomène de vitrification ou bien de rejet de l’eau piégée dans le réseau polymérique. Cependant, nous avons observé sur nos thermogrammes que lors de la période de chauffe, il y a une dévitrification du système amorphe avec libération des molécules d’eau piégées qui se mettent alors à cristalliser aux alentours de -40°C. Puis, lorsque la température augmente, on peut visualiser un pic caractéristique de la fusion de la glace, comme indiqué sur le thermogramme de la figure 42 ci-dessous :

Figure 332 : Thermogramme d’un échantillon contenant 50% de PVP obtenu par MDSC montrant la cristallisation lors de la rampe de chauffe

Ce type de système peut poser certains problèmes lors de la lyophilisation, notamment lors de l’étape de sublimation qui nécessite un apport d’énergie pour faire passer les cristaux de glace de l’état solide à l’état gazeux. Ainsi, paradoxalement, cet apport d’énergie peut, dans ce cas, engendrer une cristallisation. De plus, d’un point de vue économique, il peut être intéressant d’effectuer un recuit (annealing) après l’étape de congélation. En effet, ce traitement thermique permet généralement de

120 faire cristalliser la totalité de la masse d’eau congelable du système et d’atteindre ainsi plus rapidement la température de transition vitreuse de la phase cryo-concentrée au maximum. Nous avons donc pratiqué des essais calorimétriques comportant un recuit à -20°C avec plusieurs échantillons à 50% (m/m) de PVP afin de vérifier s’il était possible de congeler la totalité de l’eau congelable des échantillons à l’aide de cette méthode. La figure 43 représente le thermogramme d’un échantillon sur lequel un recuit a été appliqué. Les évènements thermiques sont aisément identifiables et sont détaillés ci-dessous.

1 : -Première descente en température

Entre 1 et 2 -Pas de cristallisation ; possible vitrification autour de -70°C 2 : -Montée en température ; observation de la dévitrification 3 : -Pic caractéristique de la cristallisation de la glace

4 : -Isotherme à -20°C pendant 2h (recuit) puis seconde descente en température

5 : -Montée en température ; pas de cristallisation observée Entre 5 et 6 -Fusion de la totalité de la glace formée

6 : -Fin de cycle

Figure 343 : Thermogramme avec recuit à -20°C d’un échantillon contenant 50% de PVP obtenu par MDSC

Les résultats obtenus à partir de ces thermogrammes nous ont permis de confirmer l’utilité d’un recuit avec notre système. Il nous a semblé que la totalité de l’eau congelable a bien été congelée lors d’un palier isotherme à -20°C (étape 4) et, qu’ainsi, cette eau pourra être ensuite totalement séparée plus tard lors de la sublimation. Ce traitement thermique de recuit peut donc s’avérer très avantageux lors de l’optimisation des cycles de lyophilisation afin, d’une part, de parvenir à congeler puis séparer la totalité de l’eau congelable et, d’autre part, de réduire les temps de sublimation en augmentant la taille des cristaux de glace.

121