Étude de l'inversion de phase catastrophique lors de l'émulsification de produits visqueux, Study of catastrophique phase inversion during viscous produits emulsification

Johanna Maria Galindo Alvarez

Description

Sous la direction de Lionel Choplin, Véronique Sadtler
Thèse soutenue le 25 mars 2008: INPL
Ce travail porte sur la description et la compréhension de l’inversion de phase catastrophique utilisée pour l’émulsification de produits visqueux, à travers l’analyse des effets de formulation et de procédé sur la fraction de phase dispersée à laquelle le processus se produit et sur les mécanismes mis en jeu. Les suivis rhéologique et conductimétrique simultanés in situ de l’émulsification ont permis, du point de vue procédé, de mettre en avant l’influence du débit d’addition de la phase aqueuse sur la formation d’émulsions multiples du type e/H/E lesquelles, en augmentant notablement la fraction de phase dispersée apparente, sont responsables de l’inversion dès de faibles fractions de phase dispersée ajoutée. Au niveau formulation, l’augmentation de la viscosité de l’huile induit de manière remarquable la tendance de cette phase à devenir le milieu dispersé, conduisant à une inversion pour de très faibles fractions de phase aqueuse et donc à des émulsions finales très concentrées (de 80 à 95% en volume). Le suivi au microscope du phénomène d’inversion de phase par l’intermédiaire d’un écoulement de type « squeezing flow », a permis d’établir les conditions et les mécanismes conduisant à une inversion complète ou seulement partielle. La viscosité relative des phases aqueuse et huileuse est responsable d’une inversion catastrophique suivant un mécanisme de type agglomération – coalescence plutôt que de type inclusion/fuite tel que généralement admis. L’établissement d’un modèle mathématique basé sur les bilans de population et le caractère fractal du phénomène a permis de décrire l’évolution de la taille des gouttes multiples ainsi que la fraction de phase dispersée ajoutée à laquelle l’inversion se produit
-Emulsification
-Rhéologie des émulsions
-Emulsification d’huiles visqueuses
-Mécanismes d’inversion
-Inversion de phase catastrophique
This study deals with the description and understanding of catastrophic phase inversion during high viscous oil emulsification, through the analysis of the effects of formulation and process variables on the dispersed phase fraction at which the inversion is triggered and on the involved mechanisms. The simultaneous follow – up in situ of viscosity and conductivity measurements allowed, from a process point of view, to emphasize on the effect that the aqueous phase addition rate has on the formation of multiple w/O/W emulsions. Due to the formation of w/o/W emulsions, the volume of the effective dispersed phase greatly increases while at the same time, if the aqueous phase is added by very small fractions inversion of the w/o/W system can occur. In relation with formulation, an increase in oil viscosity greatly increased the tendency of the oily phase to become the dispersed phase. At the same time, it promoted the formation of highly concentrated emulsions (about 80 to 95 % in volume) after the inversion had occurred. The microscopical follow-up of emulsion morphology by means of squeezing flow, allowed us to establish the conditions and mechanisms that lead to partial or complete inversion. Even though literature sources lead us believe that inversion will occur through the “inclusion/escape” mechanism, experimental results showed that the relative viscosity between the phases promoted inversion through the mechanism of “agglomeration – coalescence” rather than “inclusion/escape”. A mathematical model based on population balances and on the fractal nature of multiple emulsions allowed us to describe the multiples drop size and effective dispersed phase evolution until inversion phenomena
-Emulsification
-Emulsion rheology
-Viscous oil emulsification
-Inversion mechanism
-Catastrophic phase inversion
Source: http://www.theses.fr/2008INPL015N/document

Sujets

• Émulsion

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 231
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

AVERTISSEMENT



Ce document est le fruit d’un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté
universitaire élargie.
Il est soumis à la propriété intellectuelle de l’auteur au même titre que sa
version papier. Ceci implique une obligation de citation et de
référencement lors de l’utilisation de ce document.
D’autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite entraîne une
poursuite pénale.

Contact SCD INPL : [e-mail]




LIENS




Code de la propriété intellectuelle. Articles L 122.4
Code de la propriété intellectuelle. Articles L 335.2 – L 335.10
http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole Nationale Supérieure des Industries Chimiques
Centre de Génie Chimique des Milieux Rhéologiquement Complexes
Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie RP2E




THESE
Présentée en vue de l’obtention du titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Spécialité : Génie des Procédés et des Produits



Par
Johanna Maria GALINDO ALVAREZ



ETUDE DE L’INVERSION DE PHASE CATASTROPHIQUE
LORS DE L’EMULSIFICATION DE PRODUITS VISQUEUX




Soutenue publiquement le 25 mars 2008 devant la commission d’examen

Président : Jean-Louis SALAGER
Rapporteurs : Dominique LANGEVIN
Jean LACHAISE
Examinateurs : Véronique SADTLER
Lionel CHOPLIN, Directeur de thèse

Résumé

Ce travail porte sur la description et la compréhension de l’inversion de phase catastrophique utilisée pour
l’émulsification de produits visqueux, à travers l’analyse des effets de formulation et de procédé sur la fraction de phase
dispersée à laquelle le processus se produit et sur les mécanismes mis en jeu. Les suivis rhéologique et conductimétrique
simultanés in situ de l’émulsification ont permis, du point de vue procédé, de mettre en avant l’influence du débit d’addition de la
phase aqueuse sur la formation d’émulsions multiples du type e/H/E lesquelles, en augmentant notablement la fraction de
phase dispersée apparente, sont responsables de l’inversion dès de faibles fractions de phase dispersée ajoutée. Au niveau
formulation, l’augmentation de la viscosité de l’huile induit de manière remarquable la tendance de cette phase à devenir le
milieu dispersé, conduisant à une inversion pour de très faibles fractions de phase aqueuse et donc à des émulsions finales très
concentrées (de 80 à 95% en volume). Le suivi au microscope du phénomène d’inversion de phase par l’intermédiaire d’un
écoulement de type « squeezing flow », a permis d’établir les conditions et les mécanismes conduisant à une inversion
complète ou seulement partielle. La viscosité relative des phases aqueuse et huileuse est responsable d’une
catastrophique suivant un mécanisme de type agglomération – coalescence plutôt que de type inclusion/fuite tel que
généralement admis. L’établissement d’un modèle mathématique basé sur les bilans de population et le caractère fractal du
phénomène a permis de décrire l’évolution de la taille des gouttes multiples ainsi que la fraction de phase dispersée ajoutée à
laquelle l’inversion se produit.
Mots clés : Emulsification - inversion de phase catastrophique – mécanismes d’inversion – émulsification d’huiles
visqueuses – rheologié des émulsions
Abstract

This study deals with the description and understanding of catastrophic phase inversion during high viscous oil
emulsification, through the analysis of the effects of formulation and process variables on the dispersed phase fraction at which
the inversion is triggered and on the involved mechanisms. The simultaneous follow – up in situ of viscosity and conductivity
measurements allowed, from a process point of view, to emphasize on the effect that the aqueous phase addition rate has on
the formation of multiple w/O/W emulsions. Due to the formation of w/o/W emulsions, the volume of the effective dispersed
phase greatly increases while at the same time, if the aqueous phase is added by very small fractions inversion of the w/o/W
system can occur. In relation with formulation, an increase in oil viscosity greatly increased the tendency of the oily phase to
become the dispersed phase. At the same time, it promoted the formation of highly concentrated emulsions (about 80 to 95 % in
volume) after the inversion had occurred. The microscopical follow-up of emulsion morphology by means of squeezing flow,
allowed us to establish the conditions and mechanisms that lead to partial or complete inversion. Even though literature sources
lead us believe that inversion will occur through the “inclusion/escape” mechanism, experimental results showed that the relative
viscosity between the phases promoted inversion through the mechanism of “agglomeration – coalescence” rather than
“inclusion/escape”. A mathematical model based on population balances and on the fractal nature of multiple emulsions allowed
us to describe the multiples drop size and effective dispersed phase evolution until inversion phenomena.
Keywords: Emulsification – catastrophic phase inversion – inversion mechanism – viscous oil emulsification –
emulsion rheology

Remerciements
Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du Centre de
Génie Chimique des milieux rhéologiquement complexes – GEMICO, sous le financement du
Programme Al βan de bourses d’études de haut niveau pour l’Amérique latine.
Mes plus sincères remerciements vont, en tout premier lieu, au Professeur Lionel CHOPLIN
qui m’a accueilli au sein du Laboratoire GEMICO et a accepté de diriger ce travail. Pendant ces trois
années, j’ai eu un réel plaisir à travailler sous sa direction et à m’enrichir à son contact. En particulier,
je le remercie pour la clarté et la pertinence de ses jugements ainsi que pour son soutien tout au long
de ce travail, même avant le départ du projet,
Je tiens également à remercier Madame Véronique SADTLER, pour avoir co-encadré ce
travail avec enthousiasme et intérêt. Je tiens ici à lui adresser un merci tout particulier pour sa
disponibilité et ses conseils lors de l’interprétation de mes résultats, son apport scientifique et ouvert a
permis de donner vie à mon imagination.
Que Monsieur Jean Louis SALAGER, professeur de l’Université des Andes à Merida
Venezuela et Directeur du Laboratoire FIRP, reçoive toute l'expression de ma reconnaissance pour
m'avoir fait l’honneur de présider mon jury de thèse. Je tiens également à le remercier spécialement
pour sa disponibilité, son intérêt et pour les nombreuses discussions que nous avons eues tout au
long de ces trois années, ces discussions nous ont permis de reconnaître l’originalité des résultats.
Je souhaite également remercier Monsieur Eric SCHAER, Professeur à l’ENSIC, pour son
amitié, ses conseils et pour avoir partagé ses travaux de recherche et ma curiosité scientifique.
Mes remerciements s’adressent également à Madame Dominique LANGEVIN, Directrice de
Recherche au CNRS au Laboratoire de PHYSIQUE des SOLIDES à l’Université Paris-Sud et à
Monsieur Jean LACHAISE, Professeur à l’Université de Pau et des Pays de l’Adour (Laboratoire des
Fluides Complexes), qui ont accepté d’être les rapporteurs de ce travail de thèse. Enfin, j’ai également
été très sensible à la présence dans ce jury de Monsieur Michel ROQUES, Professeur Emérite à
l'UPPA – ENSGTI, qui m’a encouragée pour la réalisation de ce travail de thèse, depuis que j’étais en
Colombie.
Outre mes encadrants, de nombreuses personnes ont participé à ce travail. Je souhaite tout
d’abord remercier Monsieur Philippe MARCHAL pour son amitié et ses précieux conseils scientifiques.
Merci également à Olga RODRIGUEZ (stagiaire ERASMUS), à Chloé CHEVIGNY (Master MEPP), à

Sandry MARCEL (Ingénieur PHARMAPLUS) et à Emilie STEINER (MASTER UHP), pour la réalisation
de nombreuses expériences qui ont contribué au développement du sujet.
Le bon déroulement de cette thèse n’aurait pas été le même sans le soutien et l’amitié de
tous les permanents du Laboratoire GEMICO, et surtout nos enrichissantes discussions dans la pause
café. Un mot spécial pour Josiane BOURRE et Josi