LYOPHILISATION

LYOPHILISATION

Depuis longtemps, l’homme recherche un moyen de conserver toutes sortes de substances périssables. En effet, ses ressources alimentaires ont d’abord pour origine essentielle la chasse et la cueillette. Avec l’élevage et la culture, il s’affranchit quelque peu des aléas de la nature, mais, malgré tous ses efforts, la production garde, actuellement encore, un caractère saisonnier. Afin de pallier les irrégularités de son approvisionnement, l’idée lui vint de garder l’excédent des périodes de production pour le consommer aux moments de pénurie. Les connaissances humaines se précisant, le problème évolue dans deux directions: d’abord le nombre et la variété des substances à conserver augmentent, ensuite les exigences, quant à la qualité de la conserve, deviennent de plus en plus grandes. Les biologistes ou les médecins cherchent à préserver l’intégrité des structures des cellules, mais aussi à mettre la vie «en conserve».

La déshydratation semble être la base des moyens les plus anciennement utilisés: on sèche la viande, le poisson, après salage ou fumage; certaines plantes médicinales sont actuellement encore séchées, soit directement, soit après stabilisation. Une autre technique plus récente, la congélation, est la conservation par les basses températures. Elle se vulgarise rapidement depuis que l’industrie produit des appareils assez bon marché. Enfin, le dernier-né est un procédé qui allie les deux précédents; il est basé sur l’utilisation à la fois du froid et de la déshydratation: c’est la lyophilisation, encore appelée cryodéshydratation ou cryosublimation.

Le mot «lyophile», forgé sans doute par J. Reichel et ses collaborateurs veut dire textuellement «ami des solvants». En effet, une substance lyophilisée se présente sous forme solide, friable, d’aspect poreux, et se caractérise essentiellement par une très grande avidité pour l’eau. La lyophilisation est l’ensemble des manipulations qui conduisent à obtenir cet état. Les synonymes – cryosublimation, cryodessiccation ou cryodéshydratation – font apparaître dans leur constitution même les différentes étapes opératoires, à savoir une congélation brutale et une sublimation de la glace formée.

On se propose de résumer ici le principe de la lyophilisation et ses différentes applications dans les domaines alimentaire, pharmaceutique, médical, microbiologique, après avoir rappelé brièvement l’histoire de sa découverte.

1. Origine et développement

En 1906, A. d’Arsonval et C. Bordas décrivent un appareillage qui ne diffère absolument pas des appareils à lyophiliser modernes, au moins quant au principe (fig. 1). Leur dispositif contient en effet un récipient pour la sublimation, un condenseur pour recueillir la vapeur formée et enfin un appareil à vide. La même année, ils présentent un mémoire à l’Académie des sciences de Paris, dans lequel ils écrivent qu’en jouant sur la différence de température entre la substance congelée et le condenseur il est possible de dessécher des sérums et des vaccins.

En 1909, L. F. Shackell préconise l’emploi du froid comme étape préliminaire à la dessication, en application du principe de Wollaston et Leslie qui avaient montré la possibilité de sublimer la glace à l’état de vapeur sous une pression très réduite. Cet auteur, ignorant certainement tout des travaux précédents, venait de réinventer le principe de la lyophilisation.

À partir de 1906 de nombreux travaux sont publiés sur ce sujet. Ils ont trait principalement à la production du froid et à la production du vide.

En 1911, B. W. Hammer lyophilise des bactéries sur bandes de papier et montre qu’elles survivent dans ces conditions jusqu’à cinquante-sept jours.

La lyophilisation entre dans la pratique courante en 1935. Citons les travaux de W. J. Elser, R. A. Thomas et G. I. Steffen, dont la conclusion est la possibilité de conserver dans de très bonnes conditions des sérums antitoxiques, des toxines, des espèces bactériennes réputées très fragiles (gonocoque, méningocoque). De 1935 au début de la Seconde Guerre mondiale, E. W. Flosdorf et S. Mudd développent la méthode de freeze-drying (congélation-dessication) jusqu’à la faire entrer dans le domaine industriel. L’année 1940 voit la première utilisation à grande échelle de ce procédé dans la préparation du plasma humain desséché, qui a sauvé un nombre considérable de vies humaines pendant la guerre. A. Fleming vient de découvrir la pénicilline; on applique avec grand succès la lyophilisation à sa préparation. Le domaine alimentaire n’est abordé encore qu’à titre de curiosité. Pendant la guerre, l’intendance américaine favorise les recherches sur la lyophilisation des jus de fruits. En Europe, le Ministery of Agriculture, Fisheries and Food anglais participe en 1950 à la construction d’installations pilotes. La lyophilisation est devenue une réalité pratique: qu’il suffise d’évoquer les poudres de café soluble.

2. Principe

La lyophilisation consiste à extraire l’eau contenue dans les substances organiques ou minérales par interaction des techniques du vide et du froid. Le produit, préalablement congelé à basse température, est placé dans une enceinte sous vide. L’abaissement de la pression en deçà du point d’équilibre (point triple) sur la courbe de tension de vapeur de l’eau entraîne une sublimation de la glace, c’est-à-dire que l’eau à l’état de glace s’élimine sous forme de vapeur sans passer par l’état liquide (fig. 2). Un cycle de lyophilisation comporte plusieurs phases: la congélation du produit, la déshydratation.

Phase de congélation

Il est impossible d’exposer ici toutes les conditions à respecter pour mener à bien la congélation de la substance à lyophiliser. On se limitera donc au choix de la température de congélation et à celui de la vitesse d’abaissement de la température.

Le problème du choix de la température de congélation est celui du point de congélation des différents eutectiques possibles de cette substance. Prenons un exemple: abaissons la température d’une solution aqueuse de chlorure de sodium (NaCl), au-dessous de 0 ⁰C; à un certain moment, des cristaux de glace constitués d’eau pure se forment; il s’ensuit une concentration en NaCl de la solution interstitielle. La température continuant à s’abaisser, le phénomène précédent s’accentue jusqu’au moment où tout le liquide se prend en masse. À ce moment précis, la solution est appelée eutectique et la température de prise en masse point d’eutexie (ou zone d’eutexie, car elle n’est pas toujours bien définie). Pour obtenir une bonne congélation de la substance à traiter sans risque de détérioration, il faut que l’eutectique ayant le point de solidification le plus bas soit congelé.

Le deuxième problème est celui de la vitesse d’abaissement de la température. On peut imaginer sans peine qu’il faut obtenir une vitesse de congélation très grande afin de réduire au maximum l’action nocive due à la formation de gros cristaux qui menacent de détériorer les structures cellulaires.

Cinq techniques sont aujourd’hui employées industriellement: la congélation par dépression, par ventilation, par contact, mixte par ventilation et contact, enfin par immersion. La congélation par dépression présente un caractère un peu particulier: on place le produit à refroidir dans une enceinte étanche après avoir éventuellement mouillé sa surface; on fait le vide rapidement; l’évaporation brutale d’une partie de l’eau absorbe une quantité de chaleur importante et provoque par conséquent la congélation. Cette technique est très employée pour congeler les légumes et les suspensions bactériennes.

Phase de déshydratation

La phase de déshydratation se divise en réalité en deux parties, qui correspondent très exactement aux deux formes d’existence de l’eau dans une substance complexe (eau libre ou eau liée). La première partie est la phase de sublimation de la glace qui passe à l’état de vapeur; la deuxième partie est la dessiccation secondaire , encore appelée désorption.

Sublimation

La phase de sublimation correspond à l’élimination de l’eau libre et s’effectue sous vide poussé. Pour de l’eau pure, il faudrait abaisser la pression de l’enceinte à 4,5 mm de mercure à 0 ⁰C, mais comme il est nécessaire de maintenir la substance à très basse température, il faut abaisser la pression à 0,1 mm de mercure ou moins encore. Comme, dans ces conditions, 1 g d’eau occupe un volume de 9 500 l sous forme de vapeur, on préfère supprimer cette vapeur soit par condensation sur une paroi froide, soit par absorption chimique.

– La condensation sur une paroi froide est certainement la méthode la plus universellement employée. La température de la paroi froide doit être bien inférieure à celle du produit en voie de lyophilisation. Dans la pratique industrielle, la réfrigération est assurée par des groupes frigorifiques. Au laboratoire, on utilise différents procédés: mélanges de carboglace et d’alcool, ou de carboglace et d’acétone (– 78 ⁰C), azote liquide, air liquide, etc.

– L’absorption consiste à fixer la vapeur d’eau sur une substance chimique avide d’eau. Deux types de desséchants sont utilisables: ceux qui fixent l’eau par voie chimique (P²⁵, H²S⁴, CaCl², etc.), ceux qui fixent l’eau par adsorption (gels de silice par exemple). Ils sont régénérables, par conséquent utilisables dans l’industrie.

Comme toute évaporation, la sublimation nécessite un apport de chaleur; autrement dit, il faut chauffer la substance mais de façon soigneusement contrôlée. En effet, si le produit à lyophiliser est un liquide, un chauffage excessif risque de provoquer la fusion au contact avec la plaque chauffante. Dans le cas d’un produit solide, un excès de chaleur peut le dénaturer. En revanche, un chauffage trop faible augmente le temps de lyophilisation et par conséquent rend l’opération moins rentable.

Désorption

La désorption correspond à l’extraction de l’eau liée; elle ne se termine théoriquement jamais. On est donc obligé de laisser subsister une quantité d’eau résiduaire, sinon il faudrait prolonger l’opération indéfiniment. On obtient alors une substance extrêmement hygroscopique, à préserver de l’humidité atmosphérique. Il faut donc prévoir une protection étanche.

3. Applications

La qualité primordiale de la lyophilisation est son aptitude au stockage de substances fragiles pendant de longues périodes en absence de tous soins et cela sans altération. L’inconvénient majeur est son prix de revient relativement élevé. C’est donc la comparaison entre ces deux éléments qui doit déterminer le choix ou l’abandon de cette technique. Trois domaines principaux se partagent le champ de ses applications: le domaine alimentaire, le domaine de la microbiologie et des laboratoires de recherche qui traitent des substances fragiles (enzymes par exemple), le domaine médical.

Lyophilisation des produits alimentaires

Le prix de revient de l’opération freine la vulgarisation du procédé. La surgélation est évidemment une concurrente de la lyophilisation, du fait que cette dernière nécessite en plus de la congélation, une déshydratation; mais le stockage et le transport tendent à rétablir l’équilibre. En effet, un produit surgelé suppose l’apport énergétique d’une chaîne du froid continue jusqu’à sa consommation. De plus, son transport est alourdi par une quantité d’eau fort importante. Au contraire, un produit lyophile est stocké et manipulé sans précautions à la température ambiante, et son poids est réduit au minimum. Cette comparaison entre lyophilisation et surgélation montre que la cryodessiccation a sa place parmi les procédés de conservation des substances alimentaires.

La lyophilisation conserve pratiquement intactes toutes les qualités du produit frais (caractères organoleptiques, caractéristiques nutritionnelles), alors que les techniques ordinaires, hormis la surgélation, dégradent les protides, caramélisent les sucres, décomposent les substances colorantes, changent la saveur et le degré d’assimilation, sans parler de la destruction partielle ou totale de certaines vitamines. La lyophilisation conserve les vitamines A, B et C à des taux très proches du produit frais, et cela même après de nombreux mois de stockage.

Bien que ce procédé permette la conservation des souches microbiennes, comme on le verra, il y a pourtant destruction d’une quantité importante de la population bactérienne de contamination. En conséquence, on obtient une épuration des denrées traitées, se traduisant par une amélioration de la qualité hygiénique.

Pratiquement tous les aliments sont susceptibles d’être lyophilisés. Certains peuvent être traités directement, tels les légumes, les jus de fruits, le café, le lait, les liquides en général. D’autres doivent être préparés de façon particulière. Les fruits volumineux, les viandes, les poissons sont découpés ou décortiqués, car il est souhaitable de choisir des fragments de grande surface et de faible épaisseur. La durée de conservation dépend tout particulièrement du mode de conditionnement, mais la plupart des produits ali mentaires lyophilisés et convenablement conditionnés ont une durée de conservation pratiquement indéfinie (jus de fruits, légumes, lait, café). Certains pourtant sont susceptibles de subir une oxydation pendant le stockage ou un brunissement de nature enzymatique, dont l’intensité est fonction de l’humidité résiduelle. Ainsi, par exemple, les poissons frais, riches en lipides, ne peuvent guère être mis en réserve plus de six à huit mois.

Lyophilisation en microbiologie

Le problème de la lyophilisation des bactéries ou des virus se pose de deux façons différentes:

– Ou bien il s’agit de conservation de souches microbiennes, et on cherche alors à garder en vie un nombre d’éléments suffisants pour que, placés dans des conditions favorables, ils se multiplient et redonnent la souche de départ.

– Ou bien, au contraire, il s’agit de vaccin: il faut d’abord, et avant tout, sauvegarder le pouvoir vaccinant. Ce pouvoir est en rapport direct avec le nombre de bactéries ou de virus inaltérés présents dans le vaccin. Or, sans précautions spéciales, la lyophilisation peut détruire 95 à 98 p. 100 de la population et même davantage. Dans ces conditions, un vaccin vivant serait absolument inefficace.

Le but de la conservation des souches peut se définir de la façon suivante: conserver vivant un nombre d’éléments suffisants pour obtenir une subculture; conserver le plus longtemps possible la vie des organismes lyophilisés (quelques années et même quelques dizaines d’années); conserver sans altération leur morphologie, leur réaction tinctoriale, leurs propriétés biochimiques et biologiques, particulièrement leur pouvoir pathogène et leurs caractéristiques antigéniques.

Pour atteindre le but recherché, il faut utiliser des substances qui protègent les germes des effets nocifs de la lyophilisation. C’est ainsi qu’on peut faire la suspension bactérienne dans du sérum de bœuf préalablement chauffé pendant une demi-heure à 56 ⁰C. Le lait écrémé est très favorable dans de nombreux cas.

La lyophilisation étant susceptible de détruire un pourcentage très important de bactéries, on est obligé de faire des suspensions bactériennes très denses. En effet, s’il y a 95 p. 100 de destruction, il reste 5 p. 100 de survivants. Sur 5 ou 10 milliards, on dispose encore d’un nombre très élevé de germes prêts à se multiplier dans les conditions favorables; ces bactéries lyophilisées resteront encore revivifiables après de nombreuses années.

Un nombre considérable d’espèces bactériennes se conserve à l’état lyophile pendant dix, quinze, vingt ans sans précautions particulières. Malheureusement, certains germes (vibrions) ne peuvent être lyophilisés, soit parce qu’ils ne donnent plus de subcultures, soit parce qu’ils se conservent pendant des temps trop courts pour justifier l’emploi de cette technique.

Les rickettsies sont des organismes très fragiles. P. Giroud a trouvé le moyen de les conserver en lyophilisant soit les déjections des poux, soit les poux eux-mêmes qu’elles parasitent. Quant aux spirochètes, ils ne supportent pas le procédé. Le Treponema pallidum , agent de la syphilis, peut être congelé à 漣 70 ⁰C ou 漣 80 ⁰C avec succès, mais il ne peut être desséché à cette température.

Lyophilisation en médecine

La lyophilisation a déjà rendu de très grands services en médecine humaine et vétérinaire.

Médecine humaine

La lyophilisation sert à conserver des tissus, principalement le sang. Complet (globules et plasma), le sang se conserve à 4 ⁰C, mais pendant un temps limité du fait de l’altération relativement rapide des globules. On a donc pensé à recueillir le plasma qui peut rendre de grands services: dans le rétablissement du volume sanguin circulant comme apport de facteurs de coagulation et d’éléments immunitaires, et accessoirement comme apport protéique. On peut le conserver à l’état congelé; mais, lyophilisé, les risques d’altération sont bien moindres. Actuellement, les grands centres de transfusion sont tous équipés pour préparer du plasma sec. Les connaissances s’étant précisées sur le rôle des différents composants du plasma, on le fractionne et on recueille la sérum-albumine, le fibrinogène, les globulines, etc. Pour conférer l’immunité à un individu, il paraît en effet inutile, voire nuisible, d’injecter de grandes quantités de plasma lorsque seule la fraction globulinique est intéressante.

Des greffons osseux, vésiculaires ou cornéens sont eux aussi des exemples de tissus lyophilisés. Dans ce cas, la lyophilisation semble opérer une sorte de «déspécification», au moins dans le tissu osseux: «Il faut admettre que le froid intense cause dans le tissu osseux des modifications profondes qui leur ôtent en quelque sorte leur spécificité.» (J. Judet).

Une autre application médicale de la lyophilisation est la présentation de certains vaccins sous forme desséchée. Cette présentation assure une très bonne conservation, même dans des conditions climatiques défavorables. Il existe deux types de virus entrant dans la composition des vaccins: un premier groupe supporte bien la dessiccation à la température ordinaire et par conséquent ne pose pas de problème pour la lyophilisation (le virus vaccinal – vaccin antivariolique – par exemple); un second groupe présente une grande fragilité et sa cryodessiccation doit être conduite avec rigueur pour obtenir le résultat escompté: le type même de ce groupe est le virus amaril (agent de la fièvre jaune).

Médecine vétérinaire

Dans ce domaine, la lyophilisation s’est révélée indispensable. Ce fait tient à différentes raisons: le transport et la conservation des médicaments vétérinaires sont des problèmes plus aigus qu’en médecine humaine, parce que l’arsenal prophylactique et thérapeutique vétérinaire est plus important et plus nuancé qu’en médecine humaine, par le simple fait que les espèces animales à soigner sont très variées; on pratique plus souvent qu’en médecine humaine des vaccinations par vaccins vivants (bactéries ou virus). Or les méthodes d’immunisation sont difficiles à mettre en œuvre avec des vaccins non lyophilisés.

Les principales applications en médecine vétérinaire sont donc: la lyophilisation des vaccins à base de bactéries ou de virus et la lyophilisation de tissus et de cellules, tel le sperme pour l’insémination artificielle. Dans ce dernier cas, la phase de congélation ne pose plus de problèmes lorsqu’on dilue le liquide séminal dans une solution constituée de glycérine et de sucre; la difficulté réside dans la phase de dessiccation.

En conclusion, la lyophilisation a de nombreuses applications. Son extension dans le domaine de la conserverie a été freinée par le prix de revient un peu élevé du produit fini, celui-ci diminue avec les nouveaux procédés industriels, qui contribuent à une meilleure vulgarisation. En microbiologie, la lyophilisation s’étend également aux produits pharmaceutiques.

lyophilisation [ ljɔfilizasjɔ̃ ] n. f.

• 1953; de lyophiliser

♦ Dessiccation, réduction en poudre d'une solution liquide par sublimation. ⇒ déshydratation; lyophiliser. La conservation des enzymes par lyophilisation.

● lyophilisation nom féminin Élimination de l'eau d'un produit par congélation rapide suivie d'une sublimation de la glace formée, jusqu'à complète dessiccation. ● lyophilisation (synonymes) nom féminin Élimination de l'eau d'un produit par congélation rapide suivie d'une...

Synonymes :

- cryodessiccation

lyophilisation

n. f. TECH Procédé de dessiccation par congélation brutale (entre - 40 °C et - 80 °C) puis sublimation sous vide.

⇒LYOPHILISATION, subst. fém.

Procédé de conservation d'une substance, d'un corps, et notamment de produits alimentaires et pharmaceutiques, consistant en une congélation rapide et une déshydratation presque totale du produit concerné, qui est ensuite conservé sous vide à la température ambiante et retrouve ses qualités et propriétés premières par simple addition d'eau. La lyophilisation est une combinaison du froid et du vide. Grâce au froid, on peut séparer des substances qui sont stables dans les conditions normales. La lyophilisation permet d'isoler certains extraits organiques fragiles, et de séparer des extraits végétaux (NEYRON 1970). Actuellement la lyophilisation est une réalité pratique: qu'il suffise d'évoquer les poudres de café soluble (Encyclop. univ. t. 10 1971, p. 206).

Prononc.: [] ou [-]. Étymol. et Hist. 1953 (Lar. 20^e Suppl.). Dér. de lyophiliser; suff. -(a)tion.

lyophilisation [ljɔfilizɑsjɔ̃] n. f.

ÉTYM. 1953; de lyophiliser.

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♦ Didact. Dessiccation par sublimation à très basse température. ⇒ Déshydratation. || « C'est par la lyophilisation, méthode entièrement nouvelle, que le café-filtre est séché de son eau » (le Monde, 5 févr. 1966).

0 Une autre voie dans laquelle s'engage l'industrie des produits séchés est la sublimation (passage direct de la glace à l'état de vapeur) du produit surgelé : c'est la « lyophilisation », effectuée sous vide. La qualité des produits lyophilisés est excellente, et en particulier leur réhydratation est très rapide, mais le coût de l'opération restera élevé tant qu'elle ne pourra pas être réalisée en continu.

L.-V. Vasseur, J.-J. Bimbenet et M. Hillairet, les Industries de l'alimentation, p. 43, 1966.

➪ tableau Vocabulaire de la chimie.

Encyclopédie Universelle. 2012.