Compréhension des mécanismes de cristallisation d'alcools gras en présence de tensioactifs

Investigation of crystallization mechanisms of fatty alcohols in surfactant solutions

• Auteur / Autrice : Karl Wunsch
• Direction : Denis Flick, Graciela Alvarez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 11/03/2016
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie Procédés Aliments (2009-2019)
• Jury : Président / Présidente : Carlos Marques
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Flick, Fernando Leal-Calderon, Hervé Muhr, Véronique Bosc, Luc Nicolas-Morgantini
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fernando Leal-Calderon, Hervé Muhr

Mots clés

Mots clés contrôlés

Identification

Procédés de fabrication

Méthode comparative

Croissance

Cristaux

Analyse

Surfactants

Alcools gras

Qualité -- Contrôle

Structure cristalline (solides)

Mots clés libres

Structure cristalline

Alcools gras

Tensioactif

Phase lamellaire

Procédé

Analyse in situ

Crystalline structure

Fatty alcohols

Surfactant

Lamellar phase

Process

In situ analyses

Résumé

Les alcools gras sont des corps gras cristallisables utilisés dans les produits cosmétiques pour les consistances qu’ils génèrent. Le projet de thèse a pour objectif de contrôler la cristallisation d’alcools gras fondus et dispersés en présence de chlorure de cétyl trimetyl ammonium. L’enjeu est d’identifier l’influence des paramètres de procédé de fabrication sur l’état de dispersion des cristaux. Cette étude a été réalisée avec une double approche, d’une part une caractérisation multi-échelle couplant des analyses physico-chimiques des dispersions et d’autre part une caractérisation in situ lors de la fabrication. La stratégie de résolution de cette large problématique est structurée en trois parties comprenant en amont une caractérisation complète des alcools gras utilisés.La première partie est dédiée à l’identification du comportement thermique et des structures cristallines des alcools gras seuls (bulk) et en présence d’eau par des analyses de DSC, DRX et des observations microscopiques.La seconde partie a pour objectif d’identifier le comportement thermique des alcools gras en contact avec une solution de tensioactif cationique avec un focus sur le mélange d’alcools C16/18OH. L’identification des transitions de phase et des modifications de structure cristalline des alcools sont réalisées par des caractérisations DSC et DRX. Elles mettent en évidence des températures clés associées à différentes organisations de ce mélange comme des structures lamellaires gonflées cristallisées ou fluides selon la température.La dernière partie est l’étude de l’impact des paramètres de procédé de fabrication (température, agitation, cinétique de refroidissement) sur les propriétés finales des dispersions de cristaux d’alcools gras réalisées à l’aide d’un simulateur expérimental d’échangeur thermique à surface raclée. Lors des fabrications, nous avons effectué des suivis in situ de variation de couple et de vidéo microscopie. Ces suivis in situ ont été complétés par des caractérisations physico-chimiques post fabrication de DRX, DSC, granulométrie laser, microscopie et rhéologie. Nos observations nous ont permis de proposer différents scénarios sur le mécanisme de cristallisation des alcools gras impactant l’état de dispersion et la consistance finale du mélange ainsi que d’identifier les paramètres procédé les plus pertinents grâce à une analyse en composantes principales.

Crystalline fatty compounds as fatty alcohols are well used in cosmetics creams to improve consistency. Their introduction in formulae induces melting and crystallizing steps in order to ensure dispersion in water with surfactant and solidification of the compounds. The thesis project is to understand the crystallization mechanisms to control the key process parameters that influence the crystals’ size and shape.The first chapter is about understanding the specific thermal and structural behaviour of the bulk fatty alcohols, which organise in different lamellar structures. Identification of crystalline phases upon hydration is also detailed with DSC, XRD and polarised light microscopy analyses.In the second chapter, we identify the phases obtained with cold and hot mixtures made with the addition of surfactant and water. A study on the different swollen lamellar phases obtained as a function of the concentration of both alcohols and surfactant is performed. Those phases can be fluid at high temperature or crystallized at low temperature.In the third chapter, a study on the crystallisation process parameters is developed with process in situ observations of torque and microscopic aspect. The process is a scrapped surface heat exchanger batch simulator made of a modified Couette cell with scrapping blade to ensure efficient heat transfer. The creams obtained at the end of the process are characterised with a multiscale approach (SAXS, WAXS, DSC, particle size analyses by light diffraction, DIC microscopy and rheology). We identify several paths to induce the formation of large crystals made of lamellar phases and also smaller ones. A principal component analysis is performed with all data from in situ observations and post processing characterization, to link crystal size to cream consistency and highlight key parameters.