Thèse de doctorat : Procédés biotechnologiques et alimentaires : INPL : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

The long-term preservation of fungi has been carried out using several different methods, depending on resources and laboratory. Isolates have been deposited in culture collections for preservation and storage for periods of many years. Despite the widespread use of preservation regimes, little attention has been paid to the poststorage stability of the physiological and genetic characters of strains. The loss of viability of a biological control agent or the failure of an isolate to produce a secondary metabolite pivotal in the production of drugs or food could result in substantial economic loss for the manufacturing organisation. In this investigation the effects of five preservation protocols on fungal characters were assessed: continual sub-culture, lyophilisation, storage in water, storage at -20°C and cryopreservation in liquid nitrogen The physiology and genetic stability of three species of economically important fungi (Metarhizium anisopliae, Fusarium oxysporum and Serpula lacrymans) were examined by analysis of culture characteristics, secondary metabolite profiling, extracellular enzyme tests and PCR fingerprinting over a two-year testing period. It was found that preservation regime can influence the resultant characters of the test fungi. Radial growth rate and conidial production was changed from the original isolates after preservation and storage. Secondary metabolite profiles from all of the test fungi were susceptible to change by the preservation protocols assessed. Production of some metabolites was lost, whereas others remained stable after preservation and storage. Extracellular enzyme production was also affected in a similar way. For example, some replicates of an isolate of Metarhizium anisopliae lost ~-galactosidase activity after one year of preservation. Genetic stability was also compromised is some isolates. Polymorphisms were detected after PCR fingerprinting with a micro-satellite primer in replicates of two isolates of Metarhizium anisopliae that had been stored for one and two years by cryopreservation and lyophilisation and in two replicates of an isolate of Fusarium oxysporum maintained by continual sub-culture for sixteen weeks. The results indicate that response to preservation and storage is species- and strain-specific. Therefore, there is a need to develop new and existing preservation regimes with emphasis on strain-specific criteria. Scientists should preserve their important isolates by more than one preservation method to protect organisms from the stresses encountered during preservation and storage.

Titre de l'écran-titre (visionné le 28 juin 2023) / La lyophilisation est devenue un sujet essentiel de développement dans l'industrie pharmaceutique. Il s'agit d'une technique de séchage reposant sur le principe de la sublimation qui est utilisée pour stabiliser et conserver des matériaux qui ne peuvent pas être séchés par des techniques conventionnelles. La lyophilisation comporte trois étapes : la congélation, le séchage primaire et le séchage secondaire. L'efficacité globale du procédé dépend principalement de la performance du séchage primaire, qui représente l'étape la plus longue et la plus énergivore et détermine en grande partie la qualité du produit final. La pratique courante consiste à opérer le procédé sous des profils pré-calculés avec des marges de sécurité, ce qui conduit à des cycles conservateurs et sous-performants. La commande automatique est donc une voie prometteuse pour réduire la durée de séchage, mais elle se limite généralement à des applications en flacon unique négligeant l'hétérogénéité spatiale affectant la dynamique de séchage intra-lot. D'autres défis sont liés à l'inaccessibilité des variables clés du processus ou à l'utilisation d'instruments intrusifs pour leur mesure. Ce projet de recherche étudie la commande et l'optimisation du séchage primaire de la lyophilisation en flacons, en abordant trois aspects principaux : la modélisation, l'estimation et la commande. La conception des stratégies d'estimation et de contrôle exige d'abord une représentation fiable du procédé. Le modèle proposé intègre les équations fondamentales du séchage primaire dans un modèle linéaire à paramètres variables, fournissant un compromis approprié entre la précision du modèle et le coût de calcul. Cette étude explore également la conception d'estimateurs en ligne de variables clés du procédé à l'aide d'instruments non invasifs, applicables à des équipements pilotes et industriels. La mesure globale est convertie pour tenir compte des contributions des flacons individuels, et cette mesure locale est utilisée dans la conception des estimateurs en ligne de la température du produit. Trois estimateurs sont formulés à l'aide des algorithmes suivants : filtre de Kalman étendu, l'estimation à fenêtre glissante et l'estimation non linéaire par moindres carrés. Des résultats satisfaisants ouvrent la voie à la possibilité de concevoir des estimateurs multi-flacons avec la mesure globale de la vapeur d'eau et englobant l'hétérogénéité spatiale du séchage. Le principe de commande initial a été développé et évalué en simulation pour un cas à flacon unique. Il a considéré deux algorithmes : une commande proportionnelle-intégrale et la commande prédictive. Le schéma de contrôle a été étendu à un problème à multiples flacons et validé dans une unité à l'échelle pilote. Les résultats ont été concluants, la commande automatique a conduit à des réductions significatives du temps de séchage par rapport aux conditions de fonctionnement typiques, et l'approche multi-flacons a permis d'obtenir un cycle très fiable. / Lyophilization, or freeze-drying, has become an essential subject of ongoing development in the pharmaceutical industry. It is a drying technique relying on the sublimation principle and is used to stabilize and preserve materials that cannot be dried by conventional techniques. Lyophilization involves three stages: freezing, primary drying, and secondary drying. The global efficiency of the process relies mainly on the performance of primary drying, as it represents the most time and energy-consuming stage and largely determines the quality of the final product. The common practice runs the process under pre-calculated profiles with safety margins, leading to conservative and underperforming cycles. Process control is thus a promising avenue to decrease drying duration, but it is generally confined to single-vial applications neglecting the spatial heterogeneity affecting the drying dynamics intra-lot. Additional challenges are related to the inaccessibility of key process variables or the use of intrusive instrumentation for their measurement. This research project investigates the control and optimization of the primary drying of lyophilization in vials, addressing three main aspects: modeling, estimation, and control. The conception of estimation and control strategies first requires a reliable process representation. The proposed model accommodates the fundamental equations of primary drying into a linear parameter-varying model, providing a suitable compromise between model accuracy and computational cost. This study also explores the design of in-line estimators of key process variables using non-invasive instrumentation, with applicability to pilot and industrial scale equipment. The global reading is converted to account for the contributions of individual vials, and this local measurement is used in the design of in-line estimators of the product temperature. Three estimators are formulated using the following algorithms: extended Kalman filter, moving horizon estimation, and nonlinear least square estimation. Satisfactory results open the door to the possibility of designing multi-vial estimators with the global reading of water vapor and encompassing the spatial heterogeneity of drying. The initial control framework was developed and benchmarked in simulation for a single-vial case. It considered two algorithms: a standard proportional integral control and a model predictive control. The control scheme was extended to a multi-vial problem and validated in a pilot-scale unit. Results were conclusive, process control led to significant drying time reductions compared to typical operating conditions, and the multi-vial approach yielded a highly dependable cycle.

L’objectif principal de ce travail était l’étude et l’optimisation du procédé de lyophilisation en milieu aqueux et organique de l’ibuprofène. Une étude comparative approfondie a été réalisée à différents stades de la fabrication de l’ibuprofène lyophilisé pour les deux formulations étudiées. Cette étude comparative a été menée sur l’étape de formulation, sur le procédé de lyophilisation (congélation, sublimation, désorption) et sur les propriétés finales du produit (humidité, réhydratabilité, aspect…). On a observé, que l’utilisation comme solvant du mélange eutectique A, correspondant à une composition de 20% en TBA + 80% en eau (% massique), permettait une forte augmentation de la solubilité de l’ibuprofène et conduisait pour les mêmes conditions opératoires (Tshelf et Pc), à une augmentation des cinétiques de séchage d’un facteur 1,8, par rapport aux résultats observés avec la formulation d’ibuprofène à base aqueuse. Par ailleurs, la détermination expérimentale des valeurs des pressions de vapeur à l’équilibre solide-vapeur et de l’enthalpie de sublimation a été effectuée par deux méthodes différentes : la méthode thermogravimétrique et la méthode statique. Ces déterminations nous ont permis de conclure que l’augmentation des cinétiques de sublimation résultait essentiellement des valeurs plus élevées de la pression de vapeur à l’équilibre solide-vapeur et d’une valeur plus faible de l’enthalpie de sublimation de l’eutectique A par rapport à la glace. Ces données thermodynamiques ont aussi été utilisées comme paramètres clefs pour la modélisation de l’étape de sublimation sous Comsol Multiphysics. In fine, l’optimisation des paramètres opératoires de l’étape de sublimation par la méthodologie du Design Space a conduit à un lyophilisat final d’ibuprofène formulé à base organique qui satisfait entièrement aux critères standard de qualités recherchés (couleur, aspect, résidus de solvants etc). Un développement industriel de la formulation à base de co-solvant organique apparait plus avantageux qu’avec la formulation à base aqueuse. / The main objective of this work was the study and the optimization of the freeze-drying process of ibuprofen with aqueous and/or organic based formulations. A detailed comparative study was realized at different steps of the ibuprofen freeze-drying process for both types of investigated formulations. This comparative study was realized at the succesives stages of freezing, sublimation and desorption and also concerned some properties of the final freeze-dried product (humidity, rehydratability, aspect…). We observed that the use of eutectic A mixture, corresponding to 20 % TBA + 80 % water (mass %) as co-solvent, allowed a strong increase of the solubility of ibuprofen and for the same operating conditions (Tshelf and Pc), led to an increase of drying kinetics values by a factor 1.8 by comparison to aqueous based formulations of ibuprofen. Besides, the experimental determination of equilibrium solid-vapour pressure and of sublimation enthaly values was carried out by using two different methods: the thermogravimetic method and the static method.These determinations allowed to conclude that the increase of sublimation kinetics resulted essentially from the higher equilibrium solid-vapour pressure values and from the lower sublimation enthalpy value of eutectic A by camparison to pure ice values. Next, these thermodynamical data were used as key parameters in the modelling of the sublimation stage under Comsol Multiphysics. In fine, the overall optimization of the operating parameters of sublimation stage was achieved by using the Design Space aproach. It proved that the organic based formulation led to final freeze-died cakes which fulfilled largely the main quality criteria (color, aspect, solvents residues, etc.). Thus, the development of an ibuprofen freeze-drying process with organic based formulation seems more advantageous than an aqueous based formulation process.

Cette thèse décrit de nouveaux gels de carbone moins onéreux, mais aux caractéristiques équivalentes, à celles de leurs traditionnels homologues dérivés de résine résorcinol - formaldéhyde (RF) et séchés par CO2 supercritique avant pyrolyse. Pour parvenir à ce but, deux voies ont été explorées simultanément : (1) la recherche de précurseurs bon marché capables de former des gels chimiques de densité et de propriétés mécaniques convenables ; (2) la recherche de modes de séchage alternatifs, tels que la lyophilisation et le séchage à l'acétone ou à l'éthanol supercritiques. Après pyrolyse, de nouveaux cryogels et aérogels de carbone, respectivement, ont été obtenus. La moitié du travail présenté ici repose sur l'utilisation de tannins (flavonoïdes) de mimosa, des molécules bon marché d'origine naturelle. On montre que l'utilisation de tannins permet d'obtenir des carbones hautement poreux aux caractéristiques texturales bien plus diversifiées et, dans un certain nombre de cas, équivalentes à celles des homologues dérivés de RF. Ces derniers ont un coût de production cinq fois plus élevé que ceux des aérogels de carbone à base de tannins rapportés ici, qui sont donc les moins chers du marché. / This thesis describes new carbon gels that are much cheaper than their traditional counterparts derived from resorcinol - formaldehyde (RF) resin dried with supercritical CO2 before pyrolysis, but presenting similar features. Such result was obtained through two parallel routes: (1) the search for cheap precursors able to form chemical gels having suitable densities and mechanical properties; (2) the search for alternative drying methods, such as freeze-drying and supercritical drying with acetone or ethanol. After pyrolysis, new carbon cryogels and aerogels, respectively, were obtained. Half of the work presented here is thus based on the use of (flavonoid) mimosa tannins, which are cheap natural molecules. We show that tannins allow the preparation of highly porous carbons presenting much more versatile textural characteristics, but in some cases similar to those of materials derived from RF. The latter have a production cost five times higher than that of the tannin-based carbon aerogels reported here, which are definitely the cheapest of the market.

L'objectif principal de ce travail était l'étude et l'optimisation du procédé de lyophilisation en milieu aqueux et organique de l'ibuprofène. Une étude comparative approfondie a été réalisée à différents stades de la fabrication de l'ibuprofène lyophilisé pour les deux formulations étudiées. Cette étude comparative a été menée sur l'étape de formulation, sur le procédé de lyophilisation (congélation, sublimation, désorption) et sur les propriétés finales du produit (humidité, réhydratabilité, aspect...). On a observé, que l'utilisation comme solvant du mélange eutectique A, correspondant à une composition de 20% en TBA + 80% en eau (% massique), permettait une forte augmentation de la solubilité de l'ibuprofène et conduisait pour les mêmes conditions opératoires (Tshelf et Pc), à une augmentation des cinétiques de séchage d'un facteur 1,8, par rapport aux résultats observés avec la formulation d'ibuprofène à base aqueuse. Par ailleurs, la détermination expérimentale des valeurs des pressions de vapeur à l'équilibre solide-vapeur et de l'enthalpie de sublimation a été effectuée par deux méthodes différentes : la méthode thermogravimétrique et la méthode statique. Ces déterminations nous ont permis de conclure que l'augmentation des cinétiques de sublimation résultait essentiellement des valeurs plus élevées de la pression de vapeur à l'équilibre solide-vapeur et d'une valeur plus faible de l'enthalpie de sublimation de l'eutectique A par rapport à la glace. Ces données thermodynamiques ont aussi été utilisées comme paramètres clefs pour la modélisation de l'étape de sublimation sous Comsol Multiphysics. In fine, l'optimisation des paramètres opératoires de l'étape de sublimation par la méthodologie du Design Space a conduit à un lyophilisat final d'ibuprofène formulé à base organique qui satisfait entièrement aux critères standard de qualités recherchés (couleur, aspect, résidus de solvants etc). Un développement industriel de la formulation à base de co-solvant organique apparait plus avantageux qu'avec la formulation à base aqueuse.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Instrumentation et analyses avancées : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3638. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite des chapitres. Liste des publications et communications.

Les liposomes d’ATP incluant des ligands hépatiques pourraient contribuer à améliorer le statut énergétique du greffon hépatique. Une première phase de développement a mis en évidence la nécessité de stabiliser la forme (i) et de valider un modèle cellulaire à statut énergétique altéré (ii) afin de pouvoir tester différentes formulations liposomales d’intérêt. Afin de résoudre la première problématique, différentes stratégies ont été mises en place lors de la lyophilisation de liposomes blancs ou chargés en ATP. Le saccharose et le tréhalose ont conduit à une stabilisation de la forme avant et après lyophilisation. Néanmoins, quel que soit le procédé, la lyophilisation s’est accompagnée d’une fuite en ATP. L’ajout d’un agent inhibant la cartinine palmitoyl transferase, l’Etomoxir, s’est révélé un modèle intéressant pour moduler le niveau énergétique des HepG2 en fonction de la température et de la concentration utilisée. En conclusion, ce travail contribue à mieux comprendre les facteurs critiques liés à la lyophilisation des liposomes (i) et décrit des modèles cellulaires hépatiques à statut énergétique altéré qui pourraient être mis à profit pour tester différents principes actifs ou formes galéniques innovantes. / ATP liposome incorporating hepatic ligands may contribute to improve the energetic status of the liver graft. In a first phase of development, it has been emphasized the great need of stabilizing the liposome (i) and of validating a cellular model with an altered energetic status in order to test the formulations of interest. To provide a stable liposomal preparation, different strategies have been carried out to freeze-dry liposome with or without ATP. Sucrose and trehalose better stabilize the liposome preparation during the freeze-drying process. Nevertheless, in all conditions, a significant ATP leakage has been observed. An inhibitor of the cartinine palmitoyl transferase (i.e. Etomoxir) has shown great interest to modulate the energetic level in HepG2 cells by varying Etomoxir concentration and culture temperature. In conclusion, this study contributes to a better understanding of the critical factors related to liposome freeze-drying and describes hepatic cell models with altered energetic status that may have great interest to test specific agent or innovating formulations.

The present work deals with the technological process lyophilization. The work is aimed at optimizing the management of temperature and pressure during the process.

Le moussage a été utilisé comme un prétraitement avant la lyophilisation du Bifidobacterium longum ROI75 pour étudier le potentiel d'accélération du taux de séchage ainsi que la viabilité des microorganismes après le procédé. Une étude d'entreposage des produits lyophilisés mousses et non-moussés à différentes températures a complété cette étude. Lorsque protégé dans des milieux (LEST et lait écrémé) moussés, le Bifidobacterium longum ROI75 a pu être lyophilisé dans 1/4 à 1/7 du temps employé pour les milieux non-moussés, respectivement, et avec une viabilité plus élevée après la lyophilisation. Toutefois, la masse volumique réduite des mousses par rapport aux liquides entraîne une diminution de la charge du lyophilisateur, qui a pu être compensée seulement pour l'agent protecteur LEST pour maintenir l'efficacité de lyophilisation. Les agents protecteurs mousses ont montré une viabilité plus élevée immédiatement après la lyophilisation (13,66% pour la mousse de LEST et 13,64% pour celle de lait écrémé). L'entreposage du Bifidobacterium longum ROI75 lyophilisé entraîne une réduction de la viabilité dans tous les agents protecteurs utilisés (moussés et non-moussés). L'humidité résiduelle des échantillons et la température d'entreposage ont un impact important sur les taux de survie durant l'entreposage.