Procédé de fabrication de capsules
La présente invention a pour objet un procédé perfectionné de fabrication de capsules, à parois sans soudure, destinées à conserver des matières formant le noyau.
Le procédé utilise la coacervation d'une manière telle qu'il permet la formation de capsules de grande dimensions, à parois renforcées et permet également d'encapsuler des matières sensibles au pH ou à la température, ce qui n'était pas possible avec les procédés antérieurs faisant appel à la coacervation.
Le brevet suise No 330500 mentionne la fabrication, par coacervation, de capsules microscopiques ayant des parois en matière polymère complexe gélifiées et durcies, mais le procédé ainsi décrit ne permettait pas de fabriquer des capsules à parois renforcées de taille macroscopique et le dépôt de la matière de la paroi capsulaire s'effectuait dans un véhicule liquide agité maintenu à une température beaucoup plus élevée que le point de gélification de la paroi déposée.
Cette haute température maintient à l'état très liquide la matière déposée et ceci combiné avec une force de rupture produite par l'agitation du véhicule liquide et par la décroissance correspondante de la viscosité de la matière polymère non déposée, produite par le dépôt des fractions les plus denses de la matière complexe dans le véhicule déposé en premier lieu, limite l'épaisseur effective des parois lorsqu'elles sont gélifiées à environ 5 microns. Ces parois minces, bien qu'elles soient aptes à conserver les gouttelettes microscopiques ne maintiennent effectivement pas de gouttelettes à noyau liquide plus grandes que celles qui ont une dimension microscopique.
Un procédé de fabrication de capsules de petites dimensions, c'est-àZire à partir de la dimension microscopique et au-delà, est déjà décrit dans le brevet suisse No 394131.
Ce procédé fait aussi appel à la technique de coacervation mentionnée ci-dessus, mais prévoit une opération de renouvellement ou rajeunissement du liquide par addition de polymère, afin d'établir des conditions favorables à l'obtention d'un dépôt plus important de matière de paroi. Le rétablissement des fractions plus denses est obtenu du fait de ce renouvellement et ces fractions plus denses nouvellement fournies se déposent elles-mêmes sur le premier dépôt pour en donner un sur le noyau qui soit plus épais que cela n'était possible précédemment.
Les capsules ainsi produites peuvent avoir une dimension visible à l'oeil nu, même avec un contenu liquide par suite de l'augmentation de l'épaisseur de la paroi capsulaire ainsi obtenu, mais même dans ce procédé, l'opération de dépôt de la matière de paroi s'effectue à une température très supérieure à la température de gélification de cette matière, produisant ainsi une limitation de l'épaisseur finale des parois des capsules par suite des forces de rupture dues à l'agitation du système.
Le procédé selon l'invention constitue un autre perfectionnement à cette technique, en ce sens que de grandes capsules à parois épaisses peuvent être produites sans avoir recours à la technique de renouvellement. La caractéristique du procédé de l'invention consiste en ce qu'après le déclenchement de la coacervation complexe des fractions les plus denses de la matière polymère dispersée dans le véhicule, l'on commence à refroidir à la température ambiante au fur et à mesure de la progression de la séparation de phase des entités coacervées par fractions, par suite de la chute de température. Les entités coacer vées formées à haute température voient leur viscosité croître lorsque le refroidissement se poursuit Les entités coacervées formées en dernier lieu sont également visqueuses par suite du refroidissement du système.
Ces entités sont maintenues en dispersion et peuvent servir à constituer des parois épaisses sur un noyau dispersé quelconque, avec lequel elles peuvent venir en contact. Les entités résistent à l'effet d'agitation du véhicule liquide, ce qui tend à disperser la matière liquide de la paroi.
La matière formant le noyau de ces capsules peut être introduite à un instant quelconque jusqu'à ce point du processus.
Les matières, selon une forme d'exécution préférée de l'invention, sont sélectionnées de telle façon que le pH du système n'ait pas besoin d'être ajusté en dessous de 6,8 pour commencer la coacervation, bien qu'il puisse être abaissé en dessous de ce point si cela est souhaitable. De plus, il n'est pas besoin d'être réglé après l'introduction de la matière nucléaire et son encapsulage liquide. Ceci permet d'utiliser des matières formatrices de noyau sensibles aussi bien en milieu alcalin qu'en milieu acide.
On peut former des complexes de matière polymère hydrophile, du type formateur de pellicules, dans une solution aqueuse chaude (30 à 450 C) de gélatine et de matières polymères de complexification chargées positivement et négativement dans un milieu ayant un pH I aussi élevé que 6,8, et aussi faible que 4, suivant les charges relatives normales des molécules des matières composantes. Dans certains cas, il est désirable d'encapsuler des matières qui devraient réagir avec la paroi des capsules à un certain pH, ce qui peut être évité par le choix des matières polymères qui forment les phases coacervées complexes pour d'autres valeurs du pH.
L'invention est bien adaptée à l'exécution de capsules allant de 800 à 15 000 microns de dimension moyenne; la limite supérieure pouvant être obtenue en raison des revêtements épais et visqueux rendus possibles par l'état refroidi des entités de matière polymère complexe, gélifiables sous l'influence de la température, lorsqu'elles sont déposées sur les particules de matière nucléaire, les dimensions de celleci contrôlant dans une large mesure la dimension finale des capsules. On a constaté que des entités coacervées de grande viscosité permettant de former les parois plus épaisses nécessaires pour retenir des noyaux liquides de grandes dimensions, car le dépôt visqueux résiste aux forces de rupture qui accompagnent l'agitation nécessaire du véhicule.
Suivant l'invention, le procédé de production par coacervation de capsules ayant des parois en matière polymère hydrophyle complexe gélifiée formatrice de pellicules et des noyaux en matière sensiblement non miscible dans l'eau, est caractérisé en ce qu'après le début de la coacervation, on abaisse la température du système dans la région de gélification de la matière formatrice de pellicule, le système étant maintenu à cette température sous agitation jusqu'à ce que soit obtenue l'épaisseur désirée des parois.
On décrira maintenant le procédé de l'invention sous forme d'exemples, en mentionnant divers équivalents des matières particulières envisagées.
Exemple I
Dans cet exemple, on décrira l'encapsulation du toluène en tant que liquide typique non miscible dans l'eau, de nature volatile, qui présente toutes les difficultés dans la fabrication en masse de capsules de grandes dimensions, contenant un liquide dans un véhicule liquide. Cet exemple, ainsi que les autres, sont donnés avec des quantités basées sur l'emploi d'un récipient de 2. litres, mais ceci ne limite en aucune façon le procédé, lequel pourrait s'appliquer industriellement à plus grande échelle.
Les matières polymères formatrices de pellicule sont la gélatine de peau de porc ayant un point isoélectrique d'environ 8,9, la gomme arabique et la matière polymère éthylène anhydride maléique ayant deux poids moléculaires différents. Au cours de la partie initiale du processus, le pH est réglé à environ 6,8 et la température est élevée au-dessus du point de gélification pour commencer la coacervation entre les fractions de polymères, des molécules de gélatine ayant une charge positive nette et les autres molécules polymères ayant une charge négative nette.
Dans un récipient de 2 litres, on place: eau 1 litre solution aqueuse de gélatine à 11 /o en
poids d'une gélatine de peau de porc
ayant un point isoélectrique de 8,9 . 180 ml solution de gomme arabique aqueuse de 11 9/o en poids de gomme arabique 180 ml copolymère éthylène anhydride maléique
(poids moléculaire 1500, viscosité ab
solue) en solution aqueuse à 20/0 en
poids avec un pH réglé à 9... 40 ml copolymère éthylène anhydride maléique
(poids moléculaire 100000, viscosité
absolue) sous forme d'une solution
aqueuse à 2 /o en poids avec un pH
réglé à 9 .
40 ml
On agite ensuite le système à une température de 350 C, le pH du système étant réglé à 6,8 pour déclencher la coacervation complète, après quoi l'on introduit 250 ml de toluène en poursuivant l'agitation jusqu'à ce qu'il soit dispersé à une dimension de gouttelettes de 500 microns.
Ce point atteint (ce qui prendra seulement quelques minutes, au cours desquelles les entités coacervées complexes sont déposées sur les gouttelettes de toluène à une épaisseur d'environ 5 microns), la température du système est abaissée à la valeur ambiante (250 C + 5o) pendant 20 minutes environ, le dépôt des fractions restantes de la matière des parois liquides polymère complexe commence et se poursuit en formant une paroi plus épaisse autour des gouttelettes imbibées de toluène, jusqu'à atteindre une épaisseur finale totale de 150 à 200 microns. En poursuivant l'agi" tation, on refroidit le système d'environ 100 C, ce qui amène les dépôts liquides complexes polymères à l'état gélifié.
Ces capsules gélifiées sont terminées à l'exception de leur durcissement par rétification, si on le désire, dans le véhicule aqueux résiduel.
Le durcissement est obtenu, après addition de 10 ml, d'une solution aqueuse à 25' /o en poids de glutaraldéhyde, tout en mélangeant pendant 1 à 20 heures, pendant lesquelles la température est laissée croître jusqu'à la valeur ambiante.
Les capsules peuvent être récupérées du véhicule par décantation et filtrage accompagnés d'un séchage dans un courant d'air humide, ou par tamisage avec une matière absorbante telle que l'amidon ou la terre de diatomées, après quoi elles sont nettoyées par lavages répétés dans un milieu liquide volatile.
Exemples lia, Ilb, Ilc
Dans ces trois exemples, au lieu d'utiliser deux copolymères éthylène anhydride maléique de poids moléculaires différents dans des solutions aqueuses de 40 ml chacun, comme dans l'exemple I, on utilise seulement une solution aqueuse à poids moléculaire unique, à 2 0/o en poids du copolymère, dans une quantité de 20 ml, le reste de la formulation de la solution de la matière des parois étant la même.
En IIa, le poids moléculaire du copolymère éthylène anhydride maléique est 1500, dans l'exemple IIb il est de 25 000, en IIc il est de 100 000. I1 doit être compris, comme cela est connu, que ces chiffres sont des moyennes estimées des poids moléculaires.
Exemple III
Dans ce cas, la formule de l'exemple II est utilisée en substituant 80 mi d'une solution aqueuse à 2 oxo en poids de copolymère vinylméthyléther anhydride maléique de poids moléculaire d'environ 60 000, au copolymère éthylène anhydride maléique mentionné précédemment.
Exemple IV
On utilise ici la formule de l'exemple II, en substituant 80ml d'une solution aqueuse à 20/o en poids de copolymère styrène anhydride maléique de poids moléculaire 1600, au copolymère éthylène anhydride maléique mentionne.
Exemple V
Dans cet exemple, on utilise seulement un complexe dipolymère, à savoir soit de la gélatine, soit de la gomme arabique, de la gélatine et du copolymère éthylène anhydride maléique, de la gélatine et du copolymère vinyléther anhydride maléique, de la gélatine et de la pectine, de la gélatine et du copolymère styrène anhydride maléique ou de la gélatine phtalatée. Chacune de ces combinaisons fournit une matière polymère positive et une matière polymère négative.
Le système gélatine-gomme arabique étant le plus proche de celui qui est décrit dans le brevet suisse
No 330500 mentionné ci-dessus, on indiquera un procédé particulier, étape par étape, pour en distinguer la présente invention; la gomme arabique n'a pas le pouvoir de complexification de se combiner avec de la gélatine facilement à l'exception du cas où le pH est d'environ 4,5. Néanmoins, le dépôt de l'esemble coacervé s'effectue à température ambiante pour produire un revêtement épais, rendant possible l'encapsulation de gouttelettes liquides de grandes dimensions.
Dans un récipient de 2 litres, on place: eau 700 ml solution aqueuse de gélatine à 2.0/0 en
poids de la gélatine spécifiée précé
demment 180 ml solution de gomme arabique à 2Q/o en
poids 180 ml
Le système est placé à 40-450 C et son pH est réglé à 4,5 On introduit 160 ml de toluène et en agitant constamment on amène à la dimension de gouttelettes nucléaires désirées. Puis on refroidit à 250 C tout en continuant d'agiter pendant une heure environ. Les capsules résultantes sont durcies et récupérées du véhicule résiduel, comme dans l'exemple I.
Les exemples qui précèdent utilisent l'opération qui consiste à effectuer le dépôt de la matière de paroi polymère dans un véhicule liquide agité à des températures voisines du point de gélification de la phase coacervée.
On peut encapsuler, de la manière décrite, dans les divers exemples, des huiles volatiles et non vol au tiles, ainsi que des solides insolubles dans l'eau, pratiquement de n'importe quelle espèce. L'invention permet l'encapsulation des matières formant le noyau avec des parois polymères épaisses, desdites matières formant le noyau sensibles à un pH acide, soit microscopiques, soit macroscopiques en ce que concerne leur dimension de particules, avec un pH aussi élevé que 6,8 et de matières formant le noyau sensibles à un pH alcalin lorsque le procédé s'effectue à une valeur de pH aussi faible que 4,5.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux matières particulières énumérées, une matière polymère quelconque formatrice de pellicule ayant un pouvoir de complexification et de nature hydrophile, peut être utilisée, à la condition qu'au moins une partie d'une telle matière se prête à la gélification par la température et à la rétification ou au durcissement par d'autres moyens. Les copolymères artificiels mentionnés, ayant des charges négatives importantes, sont utiles lorsque la fabrication s'effectue au voisinage du point de pH neutre. Lorsqu'on a besoin d'une ambiance à pH bas, les matières polymères négatives naturelles ayant une charge négative basse seront utilisées afin d'induire la coacervation complexe du côté acide.
Capsule manufacturing process
The present invention relates to an improved method of manufacturing capsules, with seamless walls, intended to preserve the materials forming the core.
The process uses coacervation in such a way that it allows the formation of large size capsules with reinforced walls and also allows to encapsulate materials sensitive to pH or temperature, which was not possible with prior methods using coacervation.
Swiss patent No 330500 mentions the manufacture, by coacervation, of microscopic capsules having walls of complex polymeric material gelled and hardened, but the process thus described did not allow the manufacture of capsules with reinforced walls of macroscopic size and the deposition of the material. of the capsular wall was carried out in a stirred liquid vehicle maintained at a temperature much higher than the gel point of the deposited wall.
This high temperature maintains the deposited material in a very liquid state and this combined with a breaking force produced by the stirring of the liquid vehicle and by the corresponding decrease in the viscosity of the non-deposited polymer material, produced by the deposition of the fractions. the denser the complex material in the vehicle deposited first, limits the effective wall thickness when gelled to about 5 microns. These thin walls, although they are able to retain microscopic droplets, do not effectively retain liquid core droplets larger than those of a microscopic size.
A method of manufacturing capsules of small dimensions, i.e. from the microscopic dimension and beyond, is already described in Swiss Patent No. 394131.
This process also makes use of the coacervation technique mentioned above, but provides for an operation of renewal or rejuvenation of the liquid by addition of polymer, in order to establish conditions favorable to obtaining a greater deposit of polymer material. wall. The reestablishment of the denser fractions is obtained as a result of this turnover and these newly supplied denser fractions deposit themselves on the first deposit to give one on the nucleus which is thicker than was previously possible.
The capsules thus produced may have a dimension visible to the naked eye, even with a liquid content due to the increase in the thickness of the capsular wall thus obtained, but even in this process, the operation of depositing the wall material is carried out at a temperature much higher than the gelation temperature of this material, thus producing a limitation of the final thickness of the walls of the capsules as a result of the breaking forces due to the agitation of the system.
The method according to the invention constitutes a further improvement to this technique, in that large capsules with thick walls can be produced without having recourse to the renewal technique. The characteristic of the process of the invention consists in that after the initiation of the complex coacervation of the densest fractions of the polymeric material dispersed in the vehicle, one begins to cool to room temperature as and when the progress of the phase separation of the coacervated entities by fractions, due to the drop in temperature. Coacervated entities formed at high temperature increase in viscosity as cooling continues. Coacervated entities formed last are also viscous as a result of system cooling.
These entities are maintained in dispersion and can be used to form thick walls on any dispersed core, with which they can come into contact. The entities resist the agitation effect of the liquid vehicle, which tends to disperse the liquid material from the wall.
The core material of these capsules can be introduced at any time up to this point in the process.
The materials, according to a preferred embodiment of the invention, are selected such that the pH of the system does not need to be adjusted below 6.8 to begin coacervation, although it may. be lowered below this point if desired. In addition, it does not need to be adjusted after the introduction of nuclear material and its liquid encapsulation. This allows the use of sensitive core-forming materials in both alkaline and acidic conditions.
Complexes of hydrophilic polymeric material, of the film-forming type, can be formed in a hot (30 to 450 ° C) aqueous solution of gelatin and positively and negatively charged complexing polymeric materials in a medium having a pH I as high as 6. , 8, and as low as 4, depending on the normal relative charges of the molecules of the component materials. In some instances, it is desirable to encapsulate materials which should react with the capsule wall at a certain pH, which can be avoided by selecting the polymeric materials which form the complex coacervated phases for other pH values.
The invention is well suited to the production of capsules ranging from 800 to 15,000 microns of average size; the upper limit obtainable due to the thick and viscous coatings made possible by the cooled state of the entities of complex polymeric material, gellable under the influence of temperature, when they are deposited on the particles of nuclear material, the dimensions of the latter controlling to a large extent the final size of the capsules. It has been found that coacervated entities of high viscosity make it possible to form the thicker walls necessary to retain liquid cores of large dimensions, because the viscous deposit resists the breaking forces which accompany the necessary agitation of the vehicle.
According to the invention, the process for the production by coacervation of capsules having walls of complex hydrophilic, gel-forming polymeric material forming films and cores of material substantially immiscible in water, is characterized in that after the start of coacervation The temperature of the system in the gelation region of the film-forming material is lowered, the system being maintained at this temperature with agitation until the desired wall thickness is achieved.
The process of the invention will now be described by way of example, with various equivalents of the particular materials contemplated.
Example I
In this example, the encapsulation of toluene will be described as a typical liquid immiscible in water, of a volatile nature, which presents all the difficulties in the mass production of capsules of large dimensions, containing a liquid in a liquid vehicle. . This example, as well as the others, are given with quantities based on the use of a 2 liter container, but this in no way limits the process, which could be applied industrially on a larger scale.
The polymeric film-forming materials are pigskin gelatin having an isoelectric point of about 8.9, gum arabic, and ethylene maleic anhydride polymeric material having two different molecular weights. During the initial part of the process, the pH is adjusted to around 6.8 and the temperature is raised above the gel point to begin coacervation between the polymer fractions, gelatin molecules with a net positive charge and other polymer molecules having a net negative charge.
In a 2-liter container, place: water 1 liter aqueous gelatin solution at 11 / o in
weight of a pork skin gelatin
having an isoelectric point of 8.9. 180 ml aqueous gum arabic solution of 11 9 / o by weight of gum arabic 180 ml copolymer ethylene maleic anhydride
(molecular weight 1500, viscosity ab
solute) in 20/0 aqueous solution in
weight with a pH adjusted to 9 ... 40 ml copolymer ethylene maleic anhydride
(molecular weight 100,000, viscosity
absolute) as a solution
aqueous at 2 / o by weight with a pH
set to 9.
40 ml
The system is then stirred at a temperature of 350 ° C., the pH of the system being adjusted to 6.8 to trigger complete coacervation, after which 250 ml of toluene is introduced with continued stirring until it is is dispersed to a droplet size of 500 microns.
When this point is reached (which will take only a few minutes, during which the complex coacervated entities are deposited on the toluene droplets at a thickness of about 5 microns), the temperature of the system is lowered to room value (250 C + 5o ) for about 20 minutes, deposition of the remaining fractions of the complex polymeric liquid wall material begins and continues by forming a thicker wall around the toluene soaked droplets, until a final total thickness of 150-200 microns is reached. With continued agitation, the system is cooled to about 100 ° C., which brings the complex liquid polymer deposits to the gelled state.
These gel capsules are complete except for their curing by cross-linking, if desired, in the residual aqueous vehicle.
The hardening is obtained, after addition of 10 ml, of a 25% by weight aqueous solution of glutaraldehyde, while mixing for 1 to 20 hours, during which the temperature is allowed to rise to room value.
The capsules can be recovered from the vehicle by decanting and filtering accompanied by drying in a stream of moist air, or by sieving with an absorbent material such as starch or diatomaceous earth, after which they are cleaned by repeated washing. in a volatile liquid medium.
Examples lia, Ilb, Ilc
In these three examples, instead of using two ethylene maleic anhydride copolymers of different molecular weights in aqueous solutions of 40 ml each, as in Example I, only a single molecular weight, 20% aqueous solution is used. o by weight of the copolymer, in an amount of 20 ml, the remainder of the formulation of the solution of the wall material being the same.
In IIa the molecular weight of the ethylene maleic anhydride copolymer is 1500, in example IIb it is 25,000, in IIc it is 100,000. It should be understood, as is known, that these figures are estimated averages. molecular weights.
Example III
In this case, the formula of Example II is used by substituting 80 ml of a 2 oxo by weight aqueous solution of vinylmethyl ether maleic anhydride copolymer with a molecular weight of about 60,000, for the ethylene maleic anhydride copolymer mentioned above.
Example IV
The formula of Example II is used here, substituting 80 ml of an aqueous solution at 20% by weight of styrene maleic anhydride copolymer of molecular weight 1600, for the ethylene maleic anhydride copolymer mentioned.
Example V
In this example, only a dipolymer complex is used, namely either gelatin or gum arabic, gelatin and ethylene maleic anhydride copolymer, gelatin and vinyl ether maleic anhydride copolymer, gelatin and pectin, gelatin and styrene maleic anhydride copolymer or phthalate gelatin. Each of these combinations provides a positive polymeric material and a negative polymeric material.
The gelatin-gum arabic system being the closest to that described in the Swiss patent
No. 330500 mentioned above, we will indicate a particular process, step by step, to distinguish the present invention; gum arabic does not have the complexifying power to combine with gelatin easily except for the case where the pH is around 4.5. Nevertheless, the deposition of the coacervated assembly is carried out at room temperature to produce a thick coating, making possible the encapsulation of large liquid droplets.
In a 2-liter container, place: water 700 ml aqueous gelatin solution at 2.0 / 0 in
gelatin weight specified above
180 ml 2Q / o solution of arabic gum in
weight 180 ml
The system is placed at 40-450 C and its pH is adjusted to 4.5 160 ml of toluene are introduced and, with constant stirring, the desired nuclear droplet size is brought to the size. Then cooled to 250 C while continuing to stir for about an hour. The resulting capsules are hardened and recovered from the residual vehicle, as in Example I.
The foregoing examples use the operation of depositing the polymeric wall material in a stirred liquid vehicle at temperatures close to the gel point of the coacervated phase.
Volatile and non-volatile oils, as well as water-insoluble solids, can be encapsulated as described in the various examples of virtually any species. The invention allows encapsulation of core materials with thick polymeric walls, said core materials sensitive to acidic pH, either microscopic or macroscopic in particle size, with a pH as high as 6. , 8 and core materials sensitive to alkaline pH when the process is carried out at a pH value as low as 4.5.
Of course, the invention is not limited to the particular materials listed, any polymeric film-forming material having complexing power and hydrophilic in nature can be used, provided that at least a part of such The material lends itself to gelation by temperature and to cross-linking or curing by other means. The artificial copolymers mentioned, having significant negative charges, are useful when the manufacture takes place near the point of neutral pH. When a low pH environment is required, natural negative polymeric materials with a low negative charge will be used in order to induce complex coacervation on the acid side.