PROCEDE DE GRANULATION DE 1 ,4-3,6 DIANHYDROHEXITOLS, GRANULES OBTENUS ET LEURS UTILISATIONS
La présente invention concerne un procédé de granulation de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols, dans lequel la matière sèche du fondu et la température de granulation sont optimisés de manière à produire des granulés présentant une taille uniforme et contrôlée, un très bon indice de sphéricité et une excellente dureté. Elle vise également les granulés ainsi obtenus, de même que leurs utilisations dans différents domaines.
Valoriser nos ressources biologiques renouvelables est devenu un impératif écologique et économique majeur, face à l'épuisement et à la montée des prix des matières fossiles comme le pétrole. C'est dans ce contexte que s'inscrit le développement des 1 ,4:3,6- dianhydrohexitols.
Ces produits, également appelés isohexides, sont obtenus par déshydratation interne de sucres hydrogénés en C6 (hexitols) tels que le sorbitol, le mannitol et l'iditol. Dans la présente demande, le terme « dianhydrohexitols » englobe l'isosorbide (1 ,4 - 3,6- dianhydro-sorbitol), l'isomannide (1 ,4 - 3,6 dianhydro-mannitol), l'isoidide (1 ,4 - 3,6- dianhydro-iditol) de formules suivantes, ainsi que les mélanges de ces produits :
Isosorbide Isomannide Isoidide
La Demanderesse indique que ces produits peuvent aussi être obtenus par déamination, selon la méthode décrite dans le document « Interconversion of DianhydroHexitols and of Saccharic Acids » (Nature, Oct 1 , 1949, vol 464, pp. 573-574).
Il existe aujourd'hui un fort potentiel de développement industriel pour les isohexides, notamment dans le domaine pharmaceutique, dans la fabrication des intermédiaires de synthèse chimique et dans le secteur des matières plastiques. Ces produits sont disponibles sous forme de poudres, dont les particules individuelles sont issues d'un procédé de mise en forme des 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols.
Parmi les méthodes disponibles pour mettre en forme ces 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols, on distingue des grandes familles de procédé. Les techniques dites de pastillage consistent à produire dans un premier temps des gouttes de produit fondu, puis à refroidir celles-ci : la Demande de Brevet WO 2012 042187 déposée au nom de la Demanderesse en est un exemple. On connaît également les méthodes d'agglomération, où de fines gouttelettes de liant sont pulvérisées ou projetées sur des particules de poudre à agglomérer. On peut aussi avoir recours à de la granulation, dont le principe repose sur la mise en contact d'un fondu de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols sous forme de gouttes sur des amorces aussi appelées nuclei : le document japonais JP 2006-131625 décrit des granulés d'isosorbide, sans pour autant divulguer un quelconque procédé correspondant.
Chacune de ses techniques repose sur la mise au point de paramètres de procédé bien particuliers, en vue d'obtenir un produit final répondant à un cahier des charges fixé par l'application finale. En outre, ses méthodes n'entrent pas en compétition les unes par rapport aux autres, et présentent toutes des avantages spécifiques : à ce titre, il est particulièrement intéressant pour un industriel de disposer d'une très large palette de procédés pour mettre en forme des 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols. Or, selon l'état actuel des connaissances de la Demanderesse, il n'existe pas de procédé de granulation de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols, à l'exception de la divulgation du document japonais précité, mais qui ne renferme aucune information quant à la conduite dudit procédé. Plus précisément, il n'existe aucun procédé de granulation de 1 ,4:3,6- dianhydrohexitols permettant d'aboutir à des granulés de taille contrôlée et de forme sphérique tout en présentant une bonne résistance mécanique.
La Demanderesse indique que la présence de granulés à la fois sphériques et de taille uniforme facilite leur écoulement, et évite notamment les problèmes de mottage : elle simplifie donc le stockage et la manipulation de ces granulés. Ce caractère sphérique et uniforme au niveau de la taille favorise également la précision au moment du dosage, lorsque les granulés sont destinés à être utilisés dans la fabrication d'autres produits. Quant à la dureté, c'est évidemment une qualité très recherchée de manière à rendre lesdits granulés les plus résistants possibles aux chocs et aux impacts qu'ils peuvent subir au cours de leur manipulation / utilisation.
Poursuivant ses recherches en vue de pallier à ce manque, la Demanderesse est parvenue à mettre au point un tel procédé de granulation de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols. Un des mérites de la Demanderesse est d'avoir su identifier 2 paramètres particulièrement pertinents pour la mise en œuvre d'un tel procédé : la matière sèche du fondu et la température de granulation. Le premier d'entre eux se rapporte donc à la teneur en matière sèche du fondu qui doit être supérieure à 98 % en poids ; le second est relatif à la température de granulation qui permet la cristallisation du fondu lors de la mise en contact avec les nuclei, ladite température devant être au moins égale à 35 °C. Ce n'est qu'à ces 2 seules conditions qu'on parvient à fabriquer des granulés de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols présentant une taille uniforme, un très bon indice de sphéricité et une excellente dureté.
Ces propriétés ont été mises en évidence dans les nombreux exemples qui supportent la présente Demande. La sphéricité a notamment été déterminée à travers le test de Rittenhouse décrit dans le document « Agglomération in industry » (W. Pietsch, vol. 2, 2005 Wiley-VCH) : ce test consiste à associer un indice de sphéricité à une appréciation visuelle de la forme des particules.
La dureté a quant à elle été déterminée à partir d'un test de résistance à l'écrasement, comme défini dans ses principes généraux dans le document « Fertilizer Manual » (Kluwer Académie Publishers, P.O. Box 17, 3300 AA Dordrecht, The Netherlands), et selon le dispositif et le protocole décrit dans la fiche technique « SGN Hardness Test Kit » (Guidelines and Instructions - Highway Equipment Company). Les valeurs de résistance à l'écrasement sont exprimées en kilogrammes-force (kgf) et ont été déterminées dans la présente Demande en moyennant les résultats obtenus sur 25 échantillons, consistant en des particules d'une taille de 3mm ± 0,5mm.
Aussi, un premier objet de la présente invention consiste en un procédé de granulation de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols, comprenant la mise en contact d'un fondu de 1 ,4:3,6- dianhydrohexitols et de nuclei de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols, caractérisé en ce que : a) la teneur en matière sèche du fondu de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols est supérieure ou égale à 98 % de son poids,
b) la température de granulation est supérieure ou égale à 35 °C.
En d'autres termes, la présente invention a pour objet un procédé de préparation granulés de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols, comprenant la granulation de nuclei de 1 ,4:3,6- dianhydrohexitols avec un fondu de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols, caractérisé en ce que : a) la teneur en matière sèche du fondu de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols est supérieure ou égale à 98 % de son poids,
b) la température de granulation est supérieure ou égale à 35 °C.
Le fondu de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols est donc une composition contenant de l'eau et de la matière sèche (au moins 98 % en poids) essentiellement constituée par des 1 ,4:3,6- dianhydrohexitols. De manière plus précise, la richesse en 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols de la matière sèche représente alors au moins 98,5 % en poids, de préférence au moins 99,5 %, et de manière la plus préférée au moins 99,8 % du total de la matière sèche. De manière préférée, ce fondu est issu directement du procédé de déshydratation interne de sucres hydrogénés en C6 (hexitols) précédemment décrit, le restant ou reliquat est constitué des sous produits de cette réaction.
Par nuclei, la Demanderesse entend désigner des particules de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols de taille contrôlée par classification ou broyage. Comme expliqué dans les exemples, ce sont les paramètres du procédé et notamment le débit de fondu, le taux de recyclage, la température de granulation qui définissent la taille desdites particules.
De manière préférée, la teneur en matière sèche du fondu de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols est supérieure ou égale à 99,5 %, très préférentiellement supérieure ou égale à 99,9 % de son poids. Ce fondu est obtenu par évaporation d'une solution de 1 ,4:3,6- dianhydrohexitols sous vide ou par fusion de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols obtenus par cristallisation dans un solvant. Pour l'évaporation, les paramètres de vide et température du fondu permettent de contrôler la matière sèche.
De manière préférée, la température de granulation est comprise entre 35^ et 55 'C, préférentiellement entre 45 <C et 55 °C, très préférentiellement entre 48 <C et 52 °C. Cette température peut notamment être régulée, en fonction du dispositif de granulation mis en œuvre, ce qui relève des connaissances de base de l'homme du métier.
De manière générale, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le ratio en poids sec du fondu de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols:nuclei est avantageusement compris entre 1 :0,3 et 1 :2. De manière générale, le procédé selon l'invention est aussi caractérisé en ce qu'il est choisi parmi les procédés de granulation par agitation pneumatique et est préférentiellement un procédé de granulation par lit d'air fluidisé, ou parmi les procédés par agitation par rotation des parois et est préférentiellement un procédé de granulation par assiette tournante ou tambour rotatif, ou parmi les procédés par agitation mobile mécanique et est préférentiellement un procédé de granulation par mélangeur- granulateur. Le procédé selon l'invention peut être réalisé en mode batch ou continu.
De manière la plus préférée de toutes, le procédé selon l'invention est un procédé de granulation par lit d'air fluidisé. Selon cette variante, le procédé est alors caractérisé en ce que le fondu est mis sous forme de fines gouttelettes avec, par exemple, une buse de pulvérisation bi-fluide, la taille desdites gouttelettes devant alors être comprise entre 20 μηι et 200 μηι, préférentiellement entre 30 μηι et 100 μηι. L'homme du métier saura notamment adapter les conditions de pression relatives à ce procédé (notamment la pression de l'air émis par la ou les buses) de manière à obtenir la forme et la taille souhaitée pour lesdites gouttelettes.
De manière optionnelle, le procédé selon l'invention peut inclure une étape ultérieure de refroidissement et / ou de sélection, sans que l'ordre de ces étapes ait une quelconque importance. L'étape de sélection permet de trier les particules en fonction de leur taille. Avantageusement, les particules ayant la taille requise sont envoyées vers une unité de stockage alors que les autres subissent un recyclage et sont réintroduites au niveau de l'étape de granulation en ayant subi une éventuelle étape de broyage permettant de contrôler leur taille. Un autre objet de la présente invention consiste en un granulé de 1 ,4:3,6- dianhydrohexitols, caractérisé en ce que ledit granulé présente :
- une teneur en poids sec de 1 ,4:3,6-dianhydrohexitols supérieure à 98,5 %, préférentiellement à 99,5 %, très préférentiellement à 99,8 % de son poids total,
- un indice de sphéricité, tel que mesuré selon le test de Rittenhouse, au moins égal à 0,75, préférentiellement au moins égal à 0,85, très préférentiellement au moins égal à 0,95,
- une résistance à l'écrasement au moins égale à 0,3 kg,, préférentiellement au moins égale à 0,5 kg,, très préférentiellement au moins égale à1 ,0 kg,.
Ce granulé est susceptible d'être obtenu à partir du procédé selon l'invention, lorsque la teneur en matière sèche du fondu initial est supérieure à 99,5 % de son poids. Ce granulé est aussi caractérisé en ce qu'il présente une distribution granulométrique de tailles de particules telle que le diamètre médian D50 est compris entre 1 et 10 mm, plus préférentiellement entre 2 et 8 mm et encore plus préférentiellement entre 2,5 et 6 mm. Le D50 est mesuré tel que décrit dans le document « Guide de la Fertilisation raisonnée » (Edition France Agricole, 2005, ISBN 2-85557-120-0 pp. 353). L'index d'étalement granulométrique ou GSI (Granulometric Spread Index) est également mesuré. Il traduit l'étalement de la distribution granulométrique autour du D50. Une valeur la plus basse possible est recherchée ce qui traduit une bonne homogénéité du produit. Le GSI est calculé à partir de la formule suivante :
D90 - D10
Les valeurs de D90 et de D10 sont également déterminées selon le document précité.
Le GSI est inférieur à 120, plus préférentiellement inférieur à 100, plus préférentiellement inférieur à 70 et encore plus préférentiellement inférieur à 50. Ce granulé est aussi caractérisé en ce qu'il présente une masse volumique comprise entre 700 kg/dm3 et 950 kg/dm3 plus préférentiellement entre 800 kg/dm3 et 900 kg/dm3.
Ce granulé est aussi caractérisé en ce qu'il présente une teneur en eau mesurée selon la méthode Karl Fischer inférieure à 1 %, de préférence inférieure 0,6 % de préférence inférieure à 0,3 %.
Un dernier objet de la présente invention réside dans l'utilisation du granulé décrit plus haut, dans le domaine pharmaceutique, dans la fabrication des intermédiaires de synthèse chimique et dans la fabrication des matières plastiques. Les exemples qui suivent permettent de mieux appréhender la présente invention, sans toutefois en limiter la portée.
EXEMPLES
On utilise un granulateur AGT 150 GLATT en fonctionnement continu. La teneur en eau de l'air utilisé est inférieure à 5g/kg d'air.
Le fondu est obtenu par évaporation d'une solution aqueuse d'isosorbide dans un évaporateur sous vide. Les paramètres de température et de vide permettent de contrôler la matière sèche. La température du fondu est fixée à θδ'Ό, la matière sèche du fondu est contrôlée par le niveau de vide dans l'évaporateur. La richesse en isosorbide est ici égale à 99,9 % en poids d'isosorbide par rapport au poids total de la matière sèche.
Le débit de fondu est fixé à 2500 g/h. Le fondu est pulvérisé sous forme de fines gouttelettes à l'aide d'une buse bi-fluide. L'air de pulvérisation est à une température de 95 °C. La pression de l'air permet de contrôler la taille de goutte et donc la qualité de la granulation (bonne sphéricité).
On introduit en continu des nuclei dans le granulateur ; le débit d'introduction est fixé par le taux de recyclage en poids (fondu:nucléi) indiqué plus bas.
Le débit d'air de fluidisation est réglé à 200 m3/h et sa température est réglée de manière à fixer la température de granulation (température dans le lit de poudre).
Les granules sont extraites en continu. La taille de sortie est réglée par la pression d'air dans le classificateur zig zag.
Les granules sont ensuite refroidies dans un air à humidité contrôlée puis tamisées pour obtenir la distribution granulométrique désirée. Les particules fines sont directement recyclées dans le granulateur et les particules grosses sont broyées ; la sélection entre fines et grosses est réalisée par tamisage comme indiqué dans le tableau à travers les valeurs des mailles basse et haute du tamis. Les paramètres de broyage sont réglés de manière à avoir un taux de recyclage en poids (fondu :nucléi) d'environ 1 :1 .
Le tableau 1 rapporte les principaux paramètres mis en œuvre dans les différents essais, les 2 principaux paramètres étant la teneur en matière sèche du fondu (MS %) et la température de granulation (Τ<Ό). Le tableau 2 indique quant à lui les valeurs de sphéricité, de résistance à l'écrasement, d'étalement, de teneur en eau et de masse volumique des différents granulés fabriqués. Ces grandeurs sont déterminées selon les méthodes qui ont été précédemment décrites dans la présente Demande. On constate bien que seuls les essais n ° 5 à 15 réalisés dans les conditions de l'invention, conduisent à des granulés à la fois sphériques et présentant une bonne résistance à l'écrasement. En outre, leur teneur en eau et leur masse volumique correspondent bien à celles revendiquées.
Tableau 1
* comme bien connu de l'homme du métier, les valeurs correspondent aux mailles basse et haute du tamis
résistance à teneur en masse
Essai n ° sphéricité l'écrasement D50 GSI eau volumique mm
(kg (%) (kg/dm3)
1 0,71 0,05 2,5 56 1 ,53 747
2 0,81 0,1 2,3 62 1 ,21 765
3 0,85 0,07 2,8 54 0,87 776
4 0,84 0,12 2,7 57 0,56 784
5 0,82 0,31 2,8 52 0,55 810
6 0,87 0,35 2,7 56 0,41 810
7 0,91 0,54 3,1 45 0,31 841
8 0,9 0,48 2,9 47 0,29 860
9 0,92 0,71 2,9 46 0,27 872
10 0,87 0,62 2,8 49 0,32 857
1 1 0,89 0,82 3 52 0,25 874
12 0,92 0,87 5,2 48 0,34 847
13 0,89 0,84 1 ,8 65 0,27 824
14 0,95 1 ,07 5,6 41 0,25 885
15 0,94 0,97 2,7 51 0,28 876
Tableau 2