La lyophilisation est une méthode de conservation connue, qui s’utilise couramment et depuis très longtemps, dans les industries pharmaceutique et agro-alimentaire. Et pourtant, plus d’un siècle après sa découverte, ceux qui l’utilisent pensent toujours qu’elle relève plus de l’art que de la science.

Il n’est pas difficile de comprendre, pourquoi ce mythe persiste encore aujourd’hui. C’est un procédé complexe et l’équipement nécessaire à sa réalisation est lui-même sophistiqué.  Les produits que l’on lyophilise se composent souvent d’ingrédients multiples au comportement souvent imprévisible pendant la congélation ou le séchage. Les variables à considérer sont nombreuses et elles sont plus ou moins interdépendantes les unes des autres.

Dans le passé on lyophilisait à tâton, par essais et par erreurs, et quand, enfin, après toute une série de tentatives, on obtenait une galette réussie, cela semblait tenir plutôt à un certain flair artistique qu’à une technique scientifique. Malheureusement cette approche empirique est encore aujourd’hui la plus courante.

Il existe pourtant une méthode systématique et des instruments d’analyse, qui permettent de rassembler les données nécessaires pour concevoir et développer un cycle robuste et répétable.

Comment lyophilise-t-on ?

On congèle d’abord le matériau, puis on élimine le solvant (le plus souvent de l’eau) sous vide. L’étape de séchage principale (la dessiccation primaire) consiste à retirer la glace du matériau congelé par sublimation, c’est-à-dire sans passer par l’état liquide.  Toutefois il arrive que certaines molécules d’eau ne fassent pas partie de la structure de glace mais restent séparées et forment ce que l’on appelle « l’eau non gelée ».  Ces molécules ne se sublimeront pas mais pourront s’éliminer par évaporation ou désorption.  Une deuxième étape de séchage (la dessiccation secondaire) éliminera  l’eau non gelée, permettant d’améliorer la durée de conservation du produit

La lyophilisation n’est donc pas un simple processus linéaire : elle a plusieurs dimensions,  impliquant des différences de températures et de pressions, et des changements à la fois physiques et chimiques

L’approche scientifique

La lyophilisation présente toujours un risque, surtout pour les matériaux labiles tels les protéines ou les organismes vivants. Un produit fragile peut être endommagé à n’importe quelle étape du processus : il est agressé par les changements de températures souvent extrêmes et les différences de pression.

Pour minimiser les risques  et mettre au point une recette fiable et répétable, il suffit pourtant d’adopter une simple démarche :

• Caractériser le produit : avec un cryomicroscope de lyophilisation  (le Lyostat) on peut analyser le comportement du produit pendant la congélation et le séchage et déterminer ses températures critiques : température d’effondrement (Tc) et eutectique (Teu) ; une analyse thermique différentielle et une évaluation de l’impédance électrique avec le Lyotherm permettent aussi d’identifier la température de transition vitreuse (Tv) et la température de fusion.
• Choisir les excipients, qui conviennent le mieux au produit et le protègent et mettre au point une formulation adaptée à la lyophilisation. Certains excipients permettront aussi de modifier la température d’effondrement de la formulation.
• Calculer une marge de sécurité (typiquement entre 3° et 7° en-dessous de la température critique) pour parer aux variations thermiques.
• Surveiller le comportement du produit pendant la lyophilisation : ceci peut se faire à l’aide de sondes placées stratégiquement dans quelques échantillons.
• Tester le produit final : quelle est sa teneur en eau ? son activité ? comment se réhydrate-t-il ? comment se conserve-t-il ? La calorimétrie différentielle à balayage (ou DSC) permet de déterminer la transition vitreuse, la fusion et la cristallisation du produit lyophilisé. L’analyse d’humidité par la méthode coulométrique de Karl Fischer permet de quantifier le taux d’humidité restante dans le produit à la fin du cycle.  On pourra non seulement vérifier que le lyophilisat est réussi mais aussi déterminer sa température de conservation.

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