Cadre,objectifsetstratégieI.1Cadre CHAPITRE I

CHAPITRE I

Cadre, objectifs et stratégie

I.1 Cadre

Le sujet d’étude de ce travail est lacristallisation en solution, parrefroidissementencuve agitée, de substances d’intérêt pharmaceutiqueprésentant un polymorphisme cristallin.

Nous procédons tout d’abord à la mise en contexte de ce sujet dans le cadre très général qu’est le Génie des Procédés. En particulier, l’ensemble des mots-clés apparaissant dans le titre du présent travail sont explicités. Nous abordons ensuite la problématique industrielle générale des opérations de cristallisation avant de présenter les méthodologies générales d’étude de telles opérations.

I.1.1 Mise en contexte I.1.1.1 Cristallisation

La cristallisation est une opération unitaire physico-chimique du Génie des Procédés présen- tant d’une part une très grande complexité théorique et d’autre part un intérêt économique important. En effet, à l’heure actuelle, près de 25 à 30 % du chiffre d’affaire du secteur industriel de la chimie sont réalisés grâce à des produits obtenus lors de procédés comportant au moins une opération de cristallisation (principe actif pharmaceutique, semi-conducteur, sucre cristal- lisé, glace ou enrobage, produit cosmétique, matière osseuse de synthèse,...). Ce pourcentage atteint 75 à 80 % pour les procédés dans l’industrie pharmaceutique ou agroalimentaire^[1]. La taille de ces produits cristallisés s’étend du nanomètre au mètre, et les quantités à mettre chaque année sur le marché peuvent aller du kilogramme à au-delà de la tonne.

Lacristallisation est essentiellement une opération de séparation et de purification de pro- duits minéraux ou organiques qui conduit, grâce à un changement d’état à partir soit de leur phase gazeuse ou liquide soit d’une solution au sein de laquelle le produit est dissous, à la for- mation de solides de structures généralement régulières et organisées^[2]. Ceux-ci peuvent servir soit de composés intermédiaires soit de produits finis^[1]. Les types de procédés conduisant à l’apparition d’une phase solide sont extrêmement diversifiés (figure I.1) :

– la cristallisation à partir d’une phase gazeuse est d’une faible importance industrielle, si ce n’est pour de rares produits (les chlorures d’aluminium et de zirconium),

– la cristallisation à partir d’une phase liquide (bains fondus), appelée communément la solidification cristalline, est principalement utilisée dans l’industrie des métaux et s’avère être le procédé le plus performant pour l’obtention de composés organiques de grande pureté, et

– la cristallisation en solution, appelée communément précipitation, à partir d’une phase dissoute, est l’opération de séparation la plus importante dans le domaine de l’industrie pharmaceutique et de la chimie fine.

Figure I.1 – Mise en évidence des divers états d’une substance ou d’un produit et des pos- sibilités de changement d’états, dont la cristallisation, et plus spécifiquement la cristallisation en solution.

Lacristallisation en solution^[3]est l’opération qui nous intéresse dans le cadre de ce travail (figure I.1). Elle conduit à la formation de particules solides uniformes de haute pureté et de petite taille, celle-ci pouvant aller de quelques nanomètres à plusieurs centimètres. Elle trouve des applications dans de nombreux domaines industriels, tels que l’agroalimentaire, la phar- macie, la chimie de spécialité, la microélectronique, .... Elle est également utilisée de manière extensive dans l’industrie chimique. Des opérations de cristallisation sont aussi bien présentes dans le cadre de procédés de produits à haute valeur ajoutée (céramiques, catalyseurs) que dans la production massive de produits chimiques de base (carbonate de soude, carbonate de calcium). La cristallisation en solution peut dès lors être aussi bien une opération de puri- fication ou de séparation qu’une opération de conversion^[1]. Les opérations de cristallisation deviennent également de plus en plus des opérations de mise en forme des produits obtenus, dans la mesure où elles conditionnent certaines des caractéristiques des produits solides telles que la solidité, la taille (distribution granulométrique), la forme externe (faciès ou habitus), ....

Elle exige dès lors un contrôle particulier afin que les solides produits respectent les limitations et contraintes imposées par la suite du procédé. En particulier, les particules solides doivent être à même d’être filtrées, lavées, séchées, et subir les opérations ultérieures éventuelles, telles que le conditionnement^[1].

La solution est composée d’un solvant et du soluté, c’est-à-dire de la substance d’intérêt initialement dissoute, lequel est appelé à se transformer en phase solide lors de l’opération de cristallisation (figure I.1). A cette fin, il convient de créer un déséquilibre dans la solution, c’est-à-dire d’agir physiquement ou chimiquement sur la solution pour que la concentration du

I.1 Cadre 27

soluté dans la solution dépasse la concentration d’équilibre^[3]. Ce déséquilibre peut être réalisé de différentes manières en fonction de l’allure de la courbe de solubilité du soluté dans le solvant.

Il peut être généré par l’évaporation du solvant, la modification de la température, l’addition d’un non-solvant ou par des réactions chimiques. La cristallisation parrefroidissement, la plus simple et la plus économique, est considérée dans ce travail. Le choix entre les différents modes de refroidissement dépend du type d’appareil industriel utilisé, de la durée de l’opération de cristallisation et du rendement souhaité^[1]. Le refroidissement peut être obtenu à l’aide d’un échangeur thermique constitué le plus généralement par la paroi du cristallisoir au sein duquel se déroule l’opération de cristallisation, ou par un serpentin situé à l’intérieur de l’installation industrielle. Dans notre cas, nous sommes en présence d’un échangeur thermique situé en paroi, et constitué d’un fluide caloporteur circulant en double enveloppe.

La cristallisation est une opération complexe au cours de laquelle, sous l’influence de trans- ferts de matière et de chaleur, des phénomènes physico-chimiques prennent place, et entrent éventuellement en compétition, pour conduire à la formation d’une phase solide. La vitesse globale de ces phénomènes physico-chimiques est contrôlée par les paramètres opératoires de l’opération de cristallisation. Il s’agit principalement de facteurs thermiques, tels que la vitesse de refroidissement, la température, ou de facteurs mécaniques, tels que les conditions d’agita- tion. L’appareil industriel de cristallisation est dès lors choisi afin d’optimiser ces vitesses tout en considérant d’autres paramètres tels que la qualité du produit ou le rendement de l’opéra- tion. Les cristallisoirs les plus utilisés dans le cadre d’opérations de cristallisation en solution, générée par refroidissement, sont des cuves agitées (à double enveloppe).

I.1.1.2 Polymorphisme cristallin

Une difficulté supplémentaire qui vient souvent se greffer aux contraintes classiques de la maîtrise de l’opération de cristallisation est le fait que, pour un très grand nombre de sub- stances, les particules solides créées peuvent se présenter sous différents états. Parmi eux, nous distinguons les amorphes des solvates ou des cristaux^[2–4] (figure I.1). Les amorphes sont des solides quasi non cristallisés, c’est-à-dire qu’ils sont générés dans des conditions telles qu’ils présentent un degré de cristallinité nul. La structure interne est non régulière et non organisée, les molécules étant arrangées au hasard au sein du solide. Sous le terme de solvates, nous désignons des solides cristallisés présentant, au sein de leur structure cristalline (régulière et organisée), des molécules de solvant piégées. Parmi les solvates, les plus courants sont les hydrates (molécules d’eau). Enfin, lescristaux sont des solides cristallisés.

Nous parlons depolymorphisme cristallin pour qualifier la relation entre des cristaux d’une même substance qui, générés par cristallisation, présentent les mêmes compositions chimiques mais des structures cristallines internes différentes. En toute rigueur, nous devons alors parler de cristal de la forme cristallographique i afin de distinguer ces cristaux. En pratique, dans la suite, nous utilisons souvent, par abus de langage, soit le terme forme cristallographiquei, soit le terme morphe i (figure I.1). Dans la littérature, nous retrouvons également le terme polymorphe. Parmi les polymorphes, nous rencontrons des polymorphes conformationnels ou tautomériques^[2], selon que les différents solides considérés sont constitués respectivement de molécules présentant les mêmes structures primaires (énantiomère par exemple) ou non (tautomère par exemple). L’appellation de pseudopolymorphisme^[2] est utilisée pour qualifier la relation entre les particules solides d’une même substance, qui, générées par cristallisation,

se présentent sous forme de cristaux d’une part et de solvates d’autre part ou de solvates uniquement.

Le polymorphisme cristallin a une importance critique dans le développement d’un pro- duit cristallisé. En effet, bien que la composition chimique et la structure primaire soient les mêmes, le changement de structure cristalline d’un matériau a pour conséquence inhérente le changement de certaines de ses propriétés physiques (densité, dureté, point de fusion, solubi- lité, stabilité thermique, ...)^[2]. En général, les propriétés physiques d’une seule de ces formes cristallographiques répondent aux spécifications requises pour l’application finale. Un effort particulier doit dès lors être mis en œuvre pour comprendre les mécanismes physico-chimiques qui font que celle-ci apparaît plutôt qu’une autre, de manière à pouvoir concevoir et contrô- ler son procédé d’élaboration. Cette compréhension des mécanismes nécessite la connaissance préalable des différents paramètres et phénomènes physico-chimiques jouant un rôle-clé dans une opération de cristallisation : la germination, l’énergie d’activation de germination, le rôle du solvant et des impuretés, ....

A titre d’exemples parlants, citons les domaines de l’industrie agraolimentaire, des pigments et des colorants qui sont soumis à des problèmes de cristallisation et de polymorphisme^[5,6]. Dans le domaine agroalimentaire, l’aptitude des acides gras saturés ou insaturés et de leurs dé- rivés obtenus avec le glycérol à cristalliser sous différentes formes cristallographiques est connue depuis longtemps et fait encore actuellement l’object d’études^[7]. L’existence de ce polymor- phisme joue un rôle important dans la production et la stabilité d’un certain nombre d’aliments à base de ces graisses comme le chocolat, la margarine, ...^[8]. Le chocolat, par exemple, est composé de poudre de cacao, responsable de la saveur caractéristique, et de sucre, tous deux dispersés dans du beurre de cacao, lequel forme la phase continue. Le chocolat est dès lors un mélange complexe de triglicérides (acides gras) pour lequel 6 formes cristallographiques sont identifiées. Le procédé de fabrication du chocolat doit être réfléchi afin que soit obtenue la forme V, laquelle est préférée d’un point de vue organoleptique. Cette forme n’est cependant pas la forme la plus favorable ni d’un point de vue cinétique ni d’un point de vue thermo- dynamique^[5]. Un autre exemple est celui de la margarine. Ce produit, contenant différents types d’acides gras, peut se présenter sous différentes formes cristallographiques. La formeβ’ est la forme préférée essentiellement d’un point de vue organoleptique et de texture. Certains additifs sont ajoutés afin d’éviter que cette forme ne se transforme en la forme la plus stable d’un point de vue thermodynamique, la forme β, laquelle, se présentant sous la forme de plus gros cristaux que la forme β’, est moins agréable en bouche.

I.1.1.3 Domaine pharmaceutique

Dans le domaine pharmaceutique, les préoccupations concernant le polymorphisme des sub- stances sont de première importance. Elles découlent du fait qu’un grand nombre de médica- ments est administré par voie orale sous la forme de comprimés ou de gélules au sein desquels le principe actif est présent à l’état solide cristallisé. Celui-ci peut, la plupart du temps, adopter différentes structures cristallines internes et dès lors contribuer à l’apparition de diverses formes cristallographiques^[8]. Les principales conséquences du choix d’une forme cristallographique en particulier pour le principe actif concernent^[5,8] :

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– la biodisponibilité, c’est-à-dire la fraction de principe actif disponible qui atteint la cir- culation sanguine, étroitement liée à la vitesse de dissolution et donc à la solubilité de ce principe actif,

– la fabricabilité du produit fini, fonction des caractéristiques géométriques des cristaux de la forme cristallographique considérée du principe actif telles que sa taille, son état de surface, sa porosité, ....,

– la stabilité de la forme cristallographique du principe actif par rapport à sa transformation en une autre forme plus stable ayant d’autres propriétés.

Nous comprenons dès lors pourquoi, aujourd’hui, les autorités de santé exigent une étude approfondie du polymorphisme cristallin, laquelle doit être présentée dans les dossiers d’enre- gistrement en vue de l’Autorisation de Mise sur le Marché (AMM) d’un médicament^[5]. I.1.2 Problématique industrielle générale

Jadis, les opérations de cristallisation de substances présentant un polymorphisme cristallin étaient mises au point de manière empirique, selon des règles de bonnes pratiques. Une telle démarche a ses limites, non seulement du point de vue du rendement du procédé, mais aussi parce que, dans l’industrie pharmaceutique, les cristaux produits doivent de plus en plus souvent satisfaire à des critères bien déterminés de structure cristalline, de pureté ou de taille^[2,4,8–12], que ce soit pour des raisons légales ou de biodisponibilité. De même, le dimensionnement des cristallisoirs industriels, sièges d’une multitude de phénomènes complexes interagissant forte- ment entre eux, relevait plus du savoir-faire que d’une réelle démarche scientifique. De telles pratiques mènent rarement à une optimisation des opérations de cristallisation s’y déroulant.

Or, dans le souci actuel de rentabilité économique, il s’avère vraiment primordial de veiller à op- timiser le fonctionnement de ces installations. Enfin, un manque de contrôle des opérations de cristallisation ainsi qu’une faible connaissance scientifique des mécanismes physico-chimiques sous-jacents menaient trop souvent à des problèmes tant au niveau du procédé que du produit.

I.1.3 Méthodologie générale d’étude

En partant de ce constat, la Food and Drug Administration (FDA) a réagi en mettant en place un certain nombre de méthodologies d’étude et d’optimisation des opérations de cristalli- sation. Parmi ces méthodologies, celles qui nous intéressent sont celles concernant la phase de développement industriel, c’est-à-dire celle qui, une fois la molécule d’intérêt déterminée, doit aboutir à la proposition d’un procédé robuste de production d’un médicament commercialisable pour une application donnée. Le canevas d’étude proposé se divise en quatre grandes étapes.

– Dans un premier temps, il convient de caractériser le produit solide, son environnement et les interactions entre eux^[4,5].

– Dans un deuxième temps, il s’agit de comprendre, par le biais d’études fondamentales ou expérimentales menées à l’échelle du laboratoire, les phénomènes physico-chimiques sous-jacents à l’opération de cristallisation.

– Dans un troisième temps, les conditions opératoires optimales pour l’opération de cris- tallisation, à l’échelle du laboratoire, sont déterminées par le biais de l’utilisation de plans d’expériences ou de modèles^[1].

– Dans un quatrième temps, il convient de procéder à la montée en échelle^[13], depuis l’échelle du laboratoire jusqu’à l’échelle industrielle.

Nous détaillons, ci-dessous, davantage les trois premières étapes, lesquelles sont réalisées à l’échelle du laboratoire.

I.1.3.1 Caractérisation du produit solide, de son environnement et des interactions entre eux

Concernant la caractérisation du produit solide, qu’il s’agisse du produit actif final ou d’un produit intermédiaire, nous pouvons nous référer aux lignes conductrices de l’ICH (International Conference on Harmonization of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use). Celle-ci a mis en place une stratégie d’étude des cristaux produits lors d’opé- rations de cristallisation suite à la demande des autorités de santé délivrant les AMM^[5]. En effet, comme expliqué précédemment, un nombre croissant de produits présentent un poly- morphisme cristallin. Il est devenu crucial de caractériser le plus complètement les propriétés physico-chimiques de l’ensemble des formes cristallographiques d’un produit cristallisé. Cela permet alors de sélectionner la forme d’intérêt pharmaceutique sur base de considérations telles que la biodisponibilité, la fabricabilité et la stabilité. Les principales étapes de caractérisation sont reprises et présentées chronologiquement ci-dessous^[4] :

– détection de l’ensemble des formes cristallographiques d’un produit cristallisé par criblage polymorphe, et si plusieurs formes sont mises en évidence,

– caractérisation structurale de l’état solide de toutes les formes cristallographiques (forme externe, structure interne, ...),

– caractérisation des propriétés physico-chimiques des différentes formes cristallographiques (solubilité, stabilité thermique, ...), et

– détermination des conséquences éventuelles sur le produit pharmaceutique en lui-même lorsque la forme cristallographique d’intérêt est incorporée dans un excipient^[5].

I.1.3.2 Compréhension des phénomènes physico-chimiques

Les autorités de santé exigent de plus en plus que le dossier remis pour l’AMM soit complété d’éléments visant à prouver la compréhension des mécanismes physico-chimiques sous-jacents aux opérations de cristallisation. Cette étude peut s’effectuer via le couplage entre des études fondamentales, des méthodes expérimentales et des modèles mathématiques. L’absence d’ou- tils de mesure performants, de même que le manque de connaissances fondamentales, sont cependant un frein conséquent au développement de modèles pour les cristallisoirs industriels.

Dès lors, en raison des enjeux économiques importants qu’elle représente, la cristallisation fait aujourd’hui l’objet de recherches intensives au sein de la communauté scientifique. Ces re- cherches se situent aussi bien au niveau du développement d’outils de mesure perfectionnés qu’au niveau d’études fondamentales, au cours desquelles les phénomènes physico-chimiques se déroulant lors des opérations de cristallisation sont investigués^[9,10]. Par ailleurs, la FDA a décidé d’introduire le concept de Process Analytical Technology (PAT) dans l’industrie pharma- ceutique^[14]. Ce concept se traduit par l’utilisation d’outils d’analyse, de mesure, de contrôle, de conception et d’optimisation des opérations industrielles^[15].

I.1.3.3 Optimisation de l’opération de cristallisation

Il convient ensuite de procéder à l’optimisation de l’opération de cristallisation. A cette fin, il s’agit de commencer par déterminer les paramètres opératoires influençant les propriétés des

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cristaux produits et le rendement de l’opération^[15]. Comme mentionné précédemment, ces fac- teurs sont de nature thermique et mécanique principalement. Cette optimisation se fait en deux temps. Dans un premier temps, il convient de procéder à des études PAR (Proof Acceptable Range) en vue de déterminer les gammes de valeurs acceptables pour ces paramètres opéra- toires permettant d’une part de produire des cristaux dont les caractéristiques répondent aux spécifications et d’autre part de ne pas sous-exploiter ou sur-exploiter l’installation de produc- tion. Dans un deuxième temps, une étude par DOE (Design Of Experiments :^[16]) est effectuée afin de déterminer les valeurs des paramètres opératoires permettant d’optimiser l’opération de cristallisation, laquelle résulte d’un compromis entre la qualité des cristaux produits et la rentabilité de l’opération de cristallisation.

I.2 Cas industriel de référence

L’Unité de Génie Chimique du Service Transferts, Interfaces et Procédés (TIPs) de l’Uni- versité Libre de Bruxelles (ULB) entretient une collaboration de longue date avec la Société UCB. Cette collaboration permet à de nombreux chercheurs et étudiants du Service TIPs de se focaliser sur l’étude d’opérations decristallisation en solution, parrefroidissementencuve agitée, de substances d’intérêt pharmaceutique présentant un polymorphisme cristallin.

Citons en particulier les travaux précédant ce travail : le DEA (Diplôme d’Etudes Approfondies) de Georgia Furst^[17] et le MFE (Mémoire de Fin d’Etudes) de Valérie Gelbgras^[18]. Les Mé- moires de Fin d’Etudes d’Iman Bouras Souissi^[19]et de Sélim Douieb^[20], effectués en parallèle au présent travail, ont permis une avancée considérable dans le domaine.

L’opération de cristallisation en solution de référence étudiée dans l’ensemble des précédents travaux et reprise dans ce travail consiste en une des opérations unitaires de la chaîne de production du Keppra. Le principe actif de ce médicament anticonvulsivant, commercialisé par UCB, est l’énantiomère S de l’Étiracetam, autrement appelé le Lévétiracetam ou (S)- 2-(2-oxo-pyrrolidin-1-yl)-butyramide selon la nomenclature IUPAC. Le Keppra est indiqué en monothérapie dans le traitement des crises partielles avec ou sans généralisation secondaire chez les patients à partir de 16 ans présentant une épilepsie nouvellement diagnostiquée^[21]. Il est principalement utilisé en association avec d’autres anticonvulsivants pour des épilepsies de plus longue date ou pour de plus jeunes patients. Les résultats impressionnants sur certaines épilepsies partielles réfractaires à d’autres traitements ont accéléré la diffusion de la prescription de cette molécule.

I.2.1 Chaîne de production du principe actif du Keppra

La description générale de chacune des étapes (ou step) industrielles de la chaîne de pro- duction du Lévétiracetam est extraite du rapport de développement. Lui-même se base sur le document sNDA transmis à la FDA en janvier 2002. Le procédé complet de production du Lévétiracetam se découpe en 7 steps. Il est décrit ci-dessous et présenté schématiquement à la figure I.2.

Step 1 : condensation

La 2-pyrrolidone (liquide) et le 2-bromobutyric acide ethyl ester, ou 2-BBE, (liquide) sont les starting materials de la chaîne de production du Lévétiracetam. Dans le domaine pharma- ceutique, le terme de starting material est utilisé pour désigner les molécules uniques utilisées en début de procédé de production et qui se retrouvent quasi telles quelles dans le principe actif final. Le 2-(2-oxo-pyrrolidin-1-yl)-butyric acide ethyl ester, ou 2-PBE, est obtenu par la condensation de ces deux starting materials, dans du toluène, en présence de méthylate de sodium. Cette opération s’effectue alors que le mélange est chauffé à reflux. Ce premier step est complété de quelques opérations annexes telles qu’une distillation azéotropique du mélange toluène/méthanol (produit pendant la réaction), une décantation, en présence d’eau ajoutée, et une filtration des sels inorganiques (NaBr), sous-produits de la réaction, une évaporation du toluène et une distillation du produit brut en fractions légères et produit final. A l’issue de ces opérations, le 2-PBE (liquide) est récupéré.

I.2 Cas industriel de référence 33

Figure I.2 – Procédé de production du Lévétiracetam, principe actif du Keppra, découpé en 7 steps. La figure présente, à l’issue du step 7, les proportions du principe actif et de l’excipient dans le cas de la préparation de comprimés de Keppra.

Step 2a : ammonolyse

L’ammonolyse du 2-PBE par l’ammoniac dans du méthanol en présence de méthylate de sodium permet d’obtenir le 2-(2-oxo-pyrrolidin-1-yl)-butyramide crude, appelé aussi Étiracetam crude. Cette opération se réalise sous pression et à haute température (40°C - 70°C). Le mélange réactionnel est alors refroidi à 0°C, permettant une précipitation de l’Étiracetam crude.

L’excès d’ammoniac est éliminé par dégazage. Le produit solide est filtré, lavé et éventuellement séché.

Signalons dès à présent que la molécule d’Étiracetam possède un carbone asymétrique.

Cette molécule se retrouve dès lors, en proportions égales, sous forme de l’énantiomère R et de l’énantiomère S, au sein du produit solide isolé et récupéré à l’issue de ce step 2a. Cette racémisation du produit est très fortement influencée par la présence du méthylate de sodium.

Step 2b : racémisation

L’Étiracetam crude peut également être obtenu par racémisation du (R)-Étiracetam, dans du méthanol, au moyen de méthoxide de sodium. Cette réaction s’effectue à reflux. Le mélange réactionnel est alors refroidi à 0°C, permettant une précipitation de l’Étiracetam crude. Le produit solide est filtré, lavé et éventuellement séché.

Step 3 : cristallisation de purification (ou recristallisation)

Afin de purifier le produit solide obtenu à l’issue du step précédent (2a ou 2b), et en particu- lier veiller à l’élimination du NaBr et du méthylate de sodium résiduels, l’Étiracetam crude est dissous et recristallisé dans du méthanol. Cette opération s’effectue par refroidissement de la solution/suspension depuis une température supérieure à 60°C jusqu’à une température d’en- viron 0°C. Le produit solide est alors filtré, lavé et séché. La poudre d’Étiracetam recristallisé se compose, comme à l’étape précédente, d’une quantité égale de molécules de l’énantiomère R et de l’énantiomère S.

Step 4 : séparation chirale

Des deux énantiomères de l’Étiracetam, il s’avère que l’énantiomère S possède l’activité biologique la plus élévée. La tendance dans l’industrie pharmaceutique est de plus en plus de produire des principes actifs énantiopurs. L’énantiomère R, bien que non toxique, mais pos- sédant une activité réduite, doit donc être éliminé. A cette fin, une opération de séparation chirale est réalisée. Elle s’effectue au sein d’une unité MCC (Multicolumn Continuous Chroma- tography) dont la théorie sous-jacente de fonctionnement est celle du Simulated Moving Bed.

Une phase solide chirale est utilisée et un mélange de n-heptane et d’éthanol est utilisé comme phase liquide mobile, au sein de laquelle l’Étiracetam recristallisé est dissous. En sortie de l’unité MCC, sont récupérés d’une part l’extrait (Lévétiracetam dissous dans l’éluant) et d’autre part le raffinat ((R)-Étiracetam dissous dans l’éluant). La phase chromotographique liquide est par- tiellement éliminée de l’extrait et du raffinat par évaporation continue afin de concentrer les solutions d’éluant respectivement en l’énantiomère S et l’énantiomère R d’Étiracetam.

I.2 Cas industriel de référence 35

Step 5a et step 5b : évaporation

Les solutions concentrées d’extrait (5a) et de raffinat (5b) dans l’éluant n-heptane/éthanol subissent alors, au sein d’un Notamix, d’une part l’évaporation du solvant et d’autre part le séchage du produit solide. Le Lévétiracetam crude va alors subir une recristallisation (step 6) tandis que le (R)-Étiracetam va être racémisé (step 2b).

Step 6 : cristallisation chirale (ou recristallisation)

En cas de non-conformité et afin d’augmenter la pureté chirale de la poudre produite au step 5a précédent, le Lévétiracetam crude est dissous et recristallisé dans de l’acétone. Cette opération s’effectue par refroidissement de la solution/suspension depuis la température de reflux jusqu’à une température de l’ordre de 5°C. Le Lévétiracetam recristallisé solide est alors filtré, lavé et séché.

Step 7 : broyage

Le Lévétiracetam recristallisé est finalement broyé et passé au travers d’un tamis de 0,5 mm.

I.2.2 Opération industrielle de cristallisation de purification

L’opération industrielle decristallisation en solution de référence considérée dans ce tra- vail consiste en la cristallisation de purification de l’Étiracetam crude, en vue d’obtenir de l’Étiracetam recristallisé (step 3). Cette opération de cristallisation, de type batch, s’opère en cuve agitée de 4 m³ en inox et est engendrée physiquement par un refroidissement induit par la circulation d’un fluide caloporteur au sein de la double enveloppe. L’agitation au sein de la cuve est entretenue au moyen d’un mobile d’agitation composé de trois étages d’hélices à double flux de type Ekato^[22] dont la vitesse de rotation est d’environ 40 rpm. Le diamètre des hélices est de l’ordre d’un mètre et le nombre de puissance du mobile d’agitation, en régime turbulent, est de l’ordre de 0.55^[22].

L’Étiracetam recristallisé présente unpolymorphisme cristallin. Un criblage polymorphe a mis en évidence l’existence de cristaux de deux formes cristallographiques distinctes consistant en des polymorphes conformationnels : le morphe I et le morphe II. La forme cristallographique d’intérêt pharmaceutique est le morphe I. Les cristaux de cette forme cristallographique sont en effet plus purs que les cristaux de morphe II, c’est-à-dire que, lors de leur formation, les cristaux de morphe I intègrent moins facilement, au sein de leur structure cristalline, les impuretés présentes en solution que les cristaux de morphe II. Dans le cadre de l’opération de cristallisation étudiée, le souhait de l’obtention de cristaux de morphe I découle également de considérations légales.

L’intérêt de l’étude de la cristallisation de substances présentant un polymorphisme par le biais de cette opération de cristallisation de référence réside dans la nature du produit d’une part (produit chimique simple à manipuler), et de l’opération d’autre part (opération simple, ne faisant pas intervenir de réactions secondaires, et similaire à de nombreuses autres opérations de cristallisation dans divers domaines).

L’opération de cristallisation de purification de l’Étiracetam crude peut être décrite en trois grandes étapes. Cette découpe se base sur l’évolution de la température de la solu- tion/suspension au cours du temps, présentée schématiquement à la figure I.3.

Figure I.3 – Présentation schématique de l’évolution de la température de la solu- tion/suspension au cours du temps lors de l’opération de cristallisation de purification de l’Étiracetam crude (step 3 dans la chaîne de production du Lévétiracetam).

I.2.2.1 Étape 1 : dissolution

Dans un premier temps et en guise de préparation à la recristallisation, l’Étiracetam crude produit au step précédent (2a ou 2b) est dissous. A cette fin, la cuve est d’abord chargée de l’Étiracetam crude et ensuite du méthanol, servant de solvant. Les proportions de solvant et de soluté sont telles que la concentration en solution est approximativement de 1 volume (litre de solvant par kg de soluté engagé). La solution est agitée mécaniquement au moyen d’un axe d’agitation tournant à une vitesse de rotation, notée N. La durée de cette première étape de dissolution, réalisée à une température supérieure ou égale à 60°C, peut avoir de l’influence sur l’étape de cristallisation en aval. Elle est généralement de l’ordre d’une heure.

I.2.2.2 Étape 2 : refroidissement

Dans un deuxième temps et afin d’induire la cristallisation, la température de la solution est diminuée progressivement selon une vitesse de refroidissement constante, notée b, géné- ralement de l’ordre de 15°C/h. A une température d’environ 45°C, les premiers cristaux du morphe indésirable, le morphe II, apparaissent. Cet amorçage de la cristallisation se traduit par un premier pic exothermique sur la courbe de l’évolution de la température de la solu- tion/suspension au cours du temps présentée à la figure I.3. La poursuite du refroidissement

I.2 Cas industriel de référence 37

permet l’enrichissement de la suspension en cristaux de morphe II. La température de la solu- tion/suspension est diminuée jusqu’à atteindre une température finale dite de température de maturation, notée Tmat, d’environ 0°C. Cette deuxième étape est de l’ordre de 4 heures. Des prélèvements et analyses réguliers de cristaux au sein de la suspension permettent d’affirmer que la suspension se compose de cristaux de morphe II depuis l’amorçage de la cristallisation jusque de l’ordre de 30 minutes après la fin de cette deuxième étape, tel que cela est mis en évidence à la figure I.3.

I.2.2.3 Étape 3 : maturation

Le maintien de la température de la suspension à la température de maturation constitue la troisième étape, dite de maturation. Bien que l’ensemble des phénomènes physico-chimiques intervenant lors de cette opération de cristallisation soient d’une grande importance, cette troi- sième étape retient plus particulièrement notre attention dans ce travail. En effet, à ce moment, de nombreux phénomènes physico-chimiques entrent en compétition afin de transformer les cristaux de morphe II, produits en amont lors de la deuxième étape, en des cristaux de morphe I, d’intérêt industriel, récupérés à l’issue de cette étape. Des prélèvements et analyses réguliers des cristaux au sein de la suspension permettent d’affirmer que la suspension se compose de cristaux de morphe I au moins à partir de 30 minutes après le deuxième pic exothermique observable sur la courbe présentant l’évolution de la température de la solution/suspension au cours du temps, comme cela est mentionné à la figure I.3. Nous supposons que ce deuxième pic exothermique est une traduction des phénomènes physico-chimiques sous-jacents à la tran- sition polymorphe. La durée de cette troisième étape est fortement dépendante des paramètres opératoires du procédé, tels que les facteurs thermiques (vitesse de refroidissement et tempéra- ture de maturation) et mécaniques (conditions d’agitation). Elle est néanmoins généralement de l’ordre de 6 heures.

I.3 Objectifs et Stratégie

Travaillant en étroite collaboration avec l’entreprise pharmaceutique lors ce travail, nous constatons un manque flagrant de temps et une course aux résultats impressionnante. Ces deux points, caractéristiques de toute entreprise, entraînent bien souvent un manque de prise d’initiative et un manque de prise de recul nuisant généralement à la qualité du travail fourni (études menées naïvement en suivant un protocole ne répondant pas totalement aux objectifs à atteindre, résultats expérimentaux entachés de grandes imprécisions ou dont la précision est difficilement évaluable, phénomènes physico-chimiques sous-jacents aux analyses ou procédés mal maîtrisés, ...). Ce travail est dès lors l’occasion de prendre du temps et de le consacrer à des prises de recul et d’initiative.

I.3.1 Approche générale

L’objectif principal de ce travail est le développement d’une méthodologie d’étude et d’optimisation des opérations de cristallisation en solution, par refroidissement en cuve agitée, de substances d’intérêt pharmaceutique présentant un polymorphisme cristallin. En effet, la prise de conscience du polymorphisme cristallin, et l’augmentation du nombre de substances le présentant, sont relativement récentes, et le développement d’une stratégie d’étude de telles opérations n’a pas encore totalement abouti^[2].

L’application de la démarche multi-échelle du Génie des Procédés semble un atout énorme dans l’étude de telles opérations (figure I.4). En effet, si l’objectif industriel implique d’emblée une vision macroscopique de l’installation industrielle de cristallisation, les propriétés des cristaux produits dépendent quant à elles des phénomènes physico-chimiques se déroulant à des échelles spatio-temporelles parfois très petites. Il s’agit dès lors de comprendre et de développer des outils d’analyse et de modélisation aux échelles permettant de contrôler ces différents phénomènes. Cette maîtrise des phénomènes physico-chimiques nous permet alors de contrôler plus efficacement les opérations de cristallisation et de concevoir des cristaux aux propriétés requises.

Nous choisissons de suivre le canevas général proposé par la Food and Drug Admi- nistration (FDA), dont les quatre étapes sont détaillées précédemment. Dans le cadre de ce travail, seules les trois premières d’entre elles sont traitées, bien que la quatrième étape de montée en échelle soit considérée dans l’ensemble des choix fait à l’échelle du laboratoire (figure I.4). A chacune de ces trois étapes, nous nous référons, par ailleurs, aux lignes conductrices et méthodologies proposées par la FDA, également évoquées précédemment.

– L’ÉTAPE 1 s’intéresse à la caractérisation du produit solide, de son milieu environnant et des interactions entre eux.

– L’ÉTAPE 2 a pour objectif de comprendre les phénomènes physico-chimiques sous- jacents à l’opération de cristallisation.

– L’ÉTAPE 3 est destinée à optimiser l’opération de cristallisation, à l’échelle du labora- toire.

I.3 Objectifs et Stratégie 39

Figure I.4 – Démarche multi-échelle du Génie des Procédés pour l’étude de l’opération de cristallisation de référence : step 3 dans la chaîne de production du Lévétiracetam, dont le procédé est présenté schématiquement à la figure I.3.

Figure I.5 – Plan schématique de ce travail.

I.3.2 Application au cas industriel de référence

L’opération de cristallisation de référence servant de support au travail consiste en l’opération de cristallisation de purification de l’Étiracetam crude, step 3 dans la chaîne de production du Lévétiracetam. Les deux formes cristallographiques de l’Étiracetam recristallisé pouvant apparaître lors de cette opération de purification, le morphe I et le morphe II, sont les produits solides de référence utilisées dans l’ensemble de ce travail.

Nous présentons de façon schématique, à la figure I.5, le plan adopté dans le cadre de ce travail. Basé sur le canevas d’étude proposé par la FDA, et suivant la démarche multi-échelle, il est, par ailleurs, relativement similaire aux plans traditionnels adoptés pour l’étude de tout type d’opération de cristallisation^[23]. Nous détaillons alors ensuite, chapitre par chapitre, les éléments-clés s’y trouvant.

I.3.2.1 Caractérisation structurale et physico-chimique des deux formes cristallogra- phiques de l’Étiracetam recristallisé (ÉTAPE 1)

Les diverses étapes de caractérisation des produits solides présentées ci-dessus^[4] doivent être effectuées. Cependant, le criblage polymorphe, ayant déjà été effectué et ayant permis la mise en évidence de l’existence de deux (et seulement deux) formes cristallographiques pour l’Étiracetam recristallisé, n’est pas ré-effectué. De même, la détermination de l’influence de l’excipient sur la forme cristallographique d’intérêt pharmaceutique n’a pas d’intérêt dans le cadre de ce travail étant donné que l’Étiracetam recristallisé ne constitue pas le principe actif final du Keppra. Nous nous intéressons dès lors principalement à la caractérisation structurale et à la caractérisation des propriétés physico-chimiques des différentes formes cristallogra- phiques. Cette première étape de caractérisation des produits solides est nécessaire car elle apporte de nombreuses informations de nature thermodynamique concernant les deux formes cristallographiques.

Le chapitre 2, essentiellement expérimental, est ainsi consacré à la caractérisation de cristaux des deux formes cristallographiques de l’Étiracetam recristallisé. Nous nous focalisons tout d’abord sur la forme externe et la structure interne des deux morphes. Nous consacrons ensuite trois sections respectivement à la détermination de la nature racémique des deux morphes, à la détermination de la nature du système polymorphe et enfin à la déter- mination de la stabilité thermique des deux formes cristallographiques. Cette étude s’effectue essentiellement via l’utilisation de divers protocoles expérimentaux de référence et de diverses techniques d’analyses connues. Elle est néanmoins l’occasion de développer de nouvelles mé- thodes expérimentales et d’analyse des résultats.

Le chapitre 3 poursuit l’objectif de caractérisation du produit solide via lacaractérisation physico-chimique de l’interaction cristaux-solution pour les deux formes cristallogra- phiques de l’Étiracetam recristallisé. Dans ce chapitre, essentiellement expérimental comme le précédent, nous présentons et utilisons différentes méthodes connues permettant la déter- mination des courbes de solubilitédu morphe I et du morphe II. La maîtrise des techniques analytiques ou de mesure liées à ces méthodes nous permet de nous lancer dans une com- paraison et discussion des résultats obtenus au moyen des diverses méthodes utilisées. Une

I.3 Objectifs et Stratégie 41

approche théorique, basée sur des fondements thermodynamiques, est par ailleurs développée et proposée, dans le but de contourner certaines difficultés expérimentales.

I.3.2.2 Caractérisation de l’écoulement et du mélange dans les cuves agitées au sein desquelles se déroule l’opération de cristallisation

La caractérisation du produit étant achevée, nous nous focalisons, au chapitre 4, sur la caractérisation de l’écoulement et du mélange au sein des systèmes d’agitation utilisés. La cuve agitée considérée consiste en la cuve utilisée à l’échelle du laboratoire. Ce chapitre est également l’occasion de comparer les résultats obtenus par le biais de deux approches complémentaires : essais expérimentaux et simulations numériques de mécanique des fluides. Cette étude annexe nous est d’une importance considérable dans la suite, le facteur mécanique étant un paramètre opératoire important des opérations de cristallisation.

I.3.2.3 Compréhension (ÉTAPE 2) et optimisation (ÉTAPE 3) de l’opération de cris- tallisation

Les bases étant posées, il s’agit, au chapitre 5, de s’attaquer à lacompréhension de l’opé- ration de cristallisationet, en particulier, à l’identification du mécanisme de la transition polymorpheavant de se lancer, au chapitre 6, dans l’optimisation de l’opération de cristallisa- tion. Cette étude commence par identifier, sur base d’une revue de la littérature, les phénomènes physico-chimiques pouvant éventuellement se dérouler lors de l’opération de cristallisation et, en particulier, lors de la transition polymorphe. Ces descriptions qualitatives sont complétées par des descriptions davantage quantitatives basées sur l’analyse de résultats expérimentaux.

La compréhension de l’opération de cristallisation est enfin approfondie via l’utilisation de mo- dèles théoriques et mathématiques. L’obtention et l’analyse des résultats des deux dernières approches complémentaires nécessitent l’utilisation des résultats relatifs aux caractéristiques structurales et physico-chimiques des deux formes, présentés aux chapitres 2 et 3 précédents.

Cette étude, dans sa globalité, doit entre autres permettre de déterminer l’importance relative des divers phénomènes physico-chimiques en compétition lors la transition polymorphe et, en particulier, de déterminer celui qui limite la cinétique de la transition polymorphe.

Le chapitre 6 est ensuite consacré à l’étude de l’influence des paramètres opératoires sur les temps caractéristiques des phénomènes physico-chimiques, et dès lors sur les distributions granulométriques des cristaux produits, en vue d’optimiser l’opération de cristallisation. Nous déterminons, sur base d’une revue de la littérature, les paramètres opé- ratoires qui peuvent potentiellement contrôler les vitesses des phénomènes physico-chimiques, et dès lors, entre autres, les distributions granulométriques des cristaux produits. Une fois les gammes de valeurs admissibles pour ces paramètres opératoires déterminées, il s’agit d’étu- dier leur influence sur l’opération de cristallisation et, en particulier, de déterminer les valeurs qui permettent d’optimiser l’opération de cristallisation. Cette optimisation sous-entend es- sentiellement la diminution de la durée de l’opération de cristallisation tout en contrôlant la distribution granulométrique des tailles des cristaux de morphe I d’Étiracetam recristallisé récu- pérés à l’issue de l’opération de cristallisation. Les résultats expérimentaux sont analysés grâce à la connaissance de l’influence des facteurs thermiques et mécaniques sur les phénomènes physico-chimiques prenant place lors de l’opération de cristallisation (chapitres 4 et 5).

I.3.2.4 Développement d’une méthode de suivi en-ligne de la viscosité apparente de suspensions lors d’opérations du Génie des Procédés, telles que des opérations de cristallisation

Nous proposons, au chapitre 7, un outil permettant de suivre en continu la viscosité ap- parente de suspensions lors d’opérations du Génie des Procédés. Cette méthode, appliquée à l’opération de cristallisation de purification de l’Étiracetam crude, repose sur des considérations théoriques et sur certains résultats obtenus précédemment, notamment lors de la caractérisation du système d’agitation, de l’écoulement et du mélange (chapitre 4). L’influence des distribu- tions granulométriques des cristaux produits, obtenues expérimentalement au chapitre 6, sur la viscosité apparente de la suspension est également discutée.

I.3.3 Organisation

L’ensemble des résultats issus de recherches théoriques et demodélisations mathéma- tiques sont obtenus au Service Transferts, Interfaces et Procédés (TIPs) de l’Université Libre de Bruxelles (ULB). Cette partie est sous la supervision de Véronique Halloin et Benoît Haut.

Concernant les études expérimentales, si certaines sont réalisées au Service TIPs de l’ULB, la plupart est effectuée au sein du Laboratoire Automation and Process Control (APC) du département Chemical Process Development & Industrialisation (CPD&I) de la Société UCB, situé sur le site de Braine l’Alleud. L’encadrement industriel est réalisé par Valérie Vermylen et Tom Leyssens, bien que toute l’équipe APC dans son ensemble ait contribué à la réalisation pratique des diverses expériences réalisées. Enfin, la mise au point et l’analyse des résultats issus dessimulations numériquesde l’écoulement sont possibles grâce à un Pôle d’Attraction Inter-universitaire (PAI) TOURNESOL-Hubert Currien, entamé depuis longtemps, entre le Ser- vice TIPs de l’ULB et l’équipe Transfert, Interface et Mélange (TIM), dirigée par le Professeur Alain Liné, du Laboratoire de l’Ingénierie des Systèmes Biologique et des Procédés (LISBP) de l’Institut National des Sciences Appliquées (INSA) de Toulouse