Étude multi-échelle des mécanismes de cristallisation induite par plasma – INCRYS

La cristallisation est un procédé de séparation et purification très employé dans l’industrie pour la fabrication de médicaments, la purification de métaux de qualité batterie, l’agroalimentaire, etc. Bien que le procédé soit mature, la cristallisation industrielle présente encore deux principaux défis : (1) contrôler la distribution en taille des cristaux (CSD), qui impacte fortement l’efficacité des procédés avals (filtration, lavage, séchage), et (2) contrôler la phase solide afin d’optimiser les propriétés physico-chimiques du produit –e.g. solubilité d’un principe actif (API).
Le contrôle de ces caractéristiques est difficile à cause de la nucléation indésirable survenant dans les réacteurs de cristallisation. La nucléation est un phénomène stochastique à l’origine de la production de germes cristallins à partir d’une solution sursaturée. Dans un procédé de cristallisation, le changement d’échelle (scale-up) est souvent une étape complexe car l’agitation de la solution (nécessaire à l’homogénéité) induit du cisaillement qui augmente fortement le taux de nucléation [1] et empêche donc un contrôle précis de la CSD.
L’industrie contourne le problème de la nucléation en amorçant la cristallisation par l’ajout d’une quantité de germes calibrés dans une solution à faible sursaturation afin de limiter la nucléation spontanée indésirable. Bien que cette technique soit satisfaisante, elle peut être contraignante dans certaines situations (milieu stérile, quantité insuffisante de germes, etc.).
Il y a donc un besoin pour des techniques d’amorçage in situ, flexible et extrapolable permettant un haut degré de contrôle du polymorphe et de la CSD. Des alternatives à base de champs externes se développent – e .g. sonocristallisation, nucléation induite par laser [2] – mais leur caractère extrapolable est encore limité .
Le projet INCRYS propose d’utiliser un plasma froid produit par décharge nanoseconde pour amorcer la cristallisation de façon flexible, non-intrusive et in situ.
Trois objectifs sont visés :
1. Identifier le mécanisme de nucléation induite par plasma en mesurant (i) la dynamique de la nucléation et (ii) la dynamique d’agents plasma connus pour induire la nucléation. Nous supposerons alors que la nucléation est synchrone avec les agents plasma qui pilotent la nucléation pour en déduire le(s) mécanisme(s)
2. Comparer l’effet du cisaillement et du plasma sur la nucléation en mesurant le taux de nucléation dans des réacteurs agités. Comme le taux de nucléation augmente avec le cisaillement il doit exister un régime de nucléation induit par plasma à faible cisaillement. Ce régime définit les conditions d’application du plasma dans un cristallisoir agité.
3. Etudier le passage à l’échelle de la méthode par amorçage d’un cristallisoir de 100 mL Nous pensons que la charge de germes induite par plasma peut être ajustée pour avoir l’effet souhaité sur la CSD.
Ces études seront réalisées dans un système plasma microfluidique, avec un pérovskite à base d’halogénure de plomb comme composé modèle. Elles seront conduites par un consortium de partenaires aux expertises complémentaires issus de CentraleSupélec, de l’Ecole Normale Supérieure Paris Saclay et du CNRS.
A l’issue du projet, un réacteur d’amorçage plasma microfluidique ainsi qu’une méthode d’implémentation dans un réacteur de cristallisation agité seront obtenus. L’approche expérimentale développée dans le projet sera appliquée à la cristallisation de pérovskite mais pourrait être transposée à la cristallisation de n’importe quel autre composé d’intérêt, ce qui offre des perspectives d’applications intéressantes pour la recherche et l’industrie.
[1] C. Forsyth et al., 2015, Cryst. Growth Des., 15, 94–102, doi.org/10.1021/cg5008878
[2] Clair B et al., J. App. Cryst., 2014, 47: 1252. doi.org/10.1107/S160057671401098X