Design, Scale-up and Optimization of Double Emulsion Processes

par Behnam Khadem Hamedani

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Nida Sheibat-Othman.

Soutenue le 15-07-2019

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'Automatique, de Génie des Procédés et de génie Pharmaceutique (Lyon) (laboratoire) .

Le président du jury était Marie-Alexandrine Bolzinger.

Le jury était composé de Nida Sheibat-Othman, Guoping Lian.

Les rapporteurs étaient Jérôme Morchain, Ingmar Nopens.

  • Titre traduit

    Conception, extrapolation et optimisation des procédés d'émulsion double


  • Résumé

    De nos jours, les émulsions doubles se trouvent dans de nombreuses applications dans différents domaines, tels que le domaine alimentaire, les produits cosmétiques, les produits chimiques ou biochimiques. Dans les produits alimentaires par exemple, les émulsions doubles peuvent permettre d’encapsuler des arômes ou de réduire la teneur en matières grasses. La littérature manque cependant de compréhension globale de ces systèmes. La modélisation peut améliorer la compréhension d'un système et permettre d'optimiser les conditions de fonctionnement afin d'améliorer la qualité du produit. Dans ces systèmes, la qualité du produit est déterminée par l'efficacité de l'encapsulation et la distribution de la taille des gouttes internes et externes, qui peuvent affecter la stabilité physique pendant le stockage. L'objectif de ce travail est de réaliser une étude théorique et expérimentale approfondie des phénomènes intervenant à la fois lors de la préparation et du stockage des émulsions doubles. La contribution du travail peut donc être divisée en deux parties. Dans un premier temps, nous étudions les paramètres affectant l’étape de préparation des émulsions doubles et nous proposons des modèles pour les décrire. Trois procédés ont été considérés pour l’émulsification des émulsions doubles, l’ultra-sonication, l’Ultra-Turrax et un réacteur agité. Le modèle est basé sur un modèle de bilan de population des gouttelettes externes, incluant les phénomènes de rupture et de coalescence, associé à un modèle de relargage des gouttes internes. Le relargage des gouttes internes est supposé être régi par la rupture des gouttes externes. Pour être applicables aux différents procédés, les modèles de rupture ont été adaptés aux différentes échelles de turbulence, de dissipation pour ultra-sonication et inertielle pour Ultra-Turrax. La deuxième contribution de ce travail concerne l’étude des phénomènes ayant lieu lors du stockage des émulsions doubles, notamment le gonflement et le relargage des gouttes. Dans ce cas, deux modèles de bilan de population des gouttelettes internes et externes ont été développés, comprenant les phénomènes de gonflement des gouttelettes internes, et donc externes, ainsi que le relagage des gouttelettes internes par diffusion et coalescence avec la phase continue externe. Le modèle de gonflement prend en compte la pression de Laplace qui contrebalance le gradient de pression osmotique et arrête le gonflement. Dans les différentes étapes de préparation ou de stockage, les modèles développés permettent de prédire les distributions de la taille des gouttelettes et le taux de libération


  • Résumé

    Double emulsions can nowadays be found in a number of applications in different domains, like food, cosmetics, chemicals or biochemical. In food for instance, double emulsions may allow to encapsulate flavors or reduce the fat content. Yet, the literature is still lacking a comprehensive understanding of these systems. Modelling may improve the understanding of a system and allow optimizing the operating conditions in order to improve the product quality. In these systems, the product quality is determined by the encapsulation efficiency and the inner and outer droplet size distribution, which may affect the physical stability during storage. The objective of this work is to handle theoretical and experimental investigations of the phenomena occurring during both the preparation and the storage of double emulsions. The contribution of the work can therefore be divided into two parts. First of all, investigations of the parameters affecting the preparation step of double emulsions are handled, and models are proposed to describe them. Three processes were considered for the emulsification of the double emulsions, ultrasonication, Ultra-Turrax and a stirred vessel. The model is based on a population balance model of the outer droplets, including the kernels of breakage and coalescence combined with a leakage model of the inner droplets. The leakage of inner droplets is assumed to be governed by the breakage of the outer droplets. In order to be applicable in the different processes, the breakage models were adapted to different scales of turbulence, the dissipation subrange for ultrasonication and the inertial subrange for the Ultra-Turrax. The second contribution of the work concerns the investigation of the phenomena taking place during the storage of the double emulsions, including swelling and release. In this case, two population balance models of the inner and outer droplets were considered, including the phenomena of swelling of the inner, and so of the outer, droplets as well as the escape of the inner droplets by diffusion and coalescence with the external continuous phase. The swelling model takes into account the Laplace pressure that counterbalances the osmotic pressure which is the driving force for swelling. In the different steps of preparation or storage, the developed models allow the prediction of the droplet size distributions and the release rate


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