Présentation
En anglaisNOTE DE L'ÉDITEUR
Les auteurs de cet article sont ingénieurs-docteurs en chimie des matériaux chez Dense Fluid Degreasing SA (DFD) qui est spécialisée dans le nettoyage-dégraissage de pièces et textiles au CO2 Supercritique. En collaboration avec le CETIM et le CEA (dont elle exploite un brevet de façon exclusive), DFD a mis au point en éco-conception, un procédé de dégraissage qui offre aux industriels une alternative écologique, sûre et efficace, aux traditionnels procédés lessiviels, chlorés ou pétroliers, polluants voire dangereux.
www.dfd-co2.com
RÉSUMÉ
En raison de contraintes environnementales et réglementaires de plus en plus contraignantes sur l’utilisation des produits chimiques (REACH) et l’élimination des rejets, de nouvelles solutions de nettoyage ont été développées et mises sur le marché. Parmi celles-ci, l’utilisation du CO2 supercritique (SC) apparaît comme l’une des plus prometteuses et des plus performantes, tant du point de vue des niveaux de nettoyage atteints que des performances économiques, environnementales et sécurité au travail. Ce nettoyage pourrait bien devenir l’une des techniques de référence, notamment pour la production d’implants médicaux propres mais aussi pour les pièces mécaniques.
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Increasingly stringent environmental and regulatory constraints on chemicals (REACH), together with effluent disposal concerns, have prompted new cleaning processes and solutions (dry vapor, plasma, dry ice, etc.). Among these, the dry cleaning of mechanical parts or medical devices using supercritical carbon dioxide (SC) CO2 emerges as one of the most promising and efficient processes from the point of view of cleaning levels reached but also of economic, environmental and safety performance. This paper highlights the potential of SC CO2 cleaning, which could in the near future become the standard method for cleaning medical implants and mechanical parts.
Auteur(s)
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Stéphane BREDEAU : Ingénieur-docteur en chimie des matériaux Dense Fluid Degreasing SA (DFD), Clermont-Ferrand, France
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Julie CHAPELAIN : Ingénieur-docteur en chimie-génie des procédés Dense Fluid Degreasing SA (DFD), Clermont-Ferrand, France
INTRODUCTION
Le CO2 supercritique (SC) : un solvant vert pour l’extraction
Utilisé à l’échelle industrielle depuis la fin des années 1970 pour l’extraction de produits naturels dans la cosmétique, la nutraceutique et l’agroalimentaire, le CO2 SC s’est imposé comme un procédé alternatif à l’extraction classique à base de solvants issus de l’industrie pétrolière. Le premier exemple d’industrialisation à grande échelle de ce procédé concerne la décaféination du café. Le CO2 de par ses propriétés physico-chimiques (incolore, inodore, non toxique, non inflammable) est en effet le fluide supercritique le plus utilisé d’un point de vue industriel. Par ailleurs, du fait de ses conditions critiques modérées (Tc = 31 °C, Pc = 73,8 bar), le CO2 SC est très rapidement apparu comme un candidat particulièrement approprié à l’extraction végétale, et notamment comme alternative aux solvants organochlorés. Il est aussi dense qu’un liquide, avec des propriétés de transport proches de celles d’un gaz. Il peut ainsi être utilisé comme un solvant apolaire pour remplacer des produits chimiques beaucoup moins inoffensifs (exemple : chloroforme, trichloréthylène, perchloroéthylène...). Depuis, de nouvelles applications du CO2 SC dans le domaine du nettoyage de pièces mécaniques et médicales ont permis de confirmer les potentialités de ce fluide comme solvant alternatif de choix, non seulement pour l’élimination de résidus hydrophobes de type huiles, lubrifiants, monomères mais aussi pour son action bactéricide et désinfectante.
Respect de l’environnement et réglementation (enjeux)
L’intérêt grandissant porté ces dernières années aux questions environnementales a conduit à l’émergence de solutions innovantes s’engageant définitivement dans le développement durable afin de satisfaire les exigences pour la protection de l’environnement, la santé publique et, qui plus est, de minimiser la consommation énergétique des procédés développés. Et surtout, au-delà de l’aspect environnemental et sociétal, ces procédés doivent être économiquement rentables pour être durables. Par exemple, l’utilisation des solvants organiques pour le nettoyage de pièces mécaniques ou de dispositifs médicaux est soumise à des restrictions de plus en plus fortes, en particulier depuis la mise en œuvre de la directive REACH (interdiction de l’utilisation du trichloréthylène depuis mars 2016), afin d’assurer un niveau élevé de protection de la santé humaine et de l’environnement, contre les risques que peuvent engendrer ces produits chimiques. Ces contraintes sont particulièrement importantes dans le domaine de l’industrie médicale, il est donc essentiel de proposer des substances alternatives aux solvants organiques classiquement utilisés dans les procédés de nettoyage. Le traitement par le CO2 supercritique a été récemment introduit avec succès comme alternative à ces procédés de nettoyage par solvants.
Les fluides supercritiques et le nettoyage (procédé écologique/économique)
Le CO2 est le fluide supercritique le plus utilisé car il est largement disponible (c’est en fait un sous-produit de l’industrie pétrolière) et a des coûts modérés (de l’ordre de 120 €/tonne). De plus ses paramètres critiques sont faibles, ce qui en fait un solvant « vert » avec des applications industrielles tout à fait innovantes. Le premier atout de ce procédé innovant repose sur la forte variation du pouvoir solvant du CO2 en fonction des conditions opératoires (température et pression), ce qui permet de solubiliser les nombreuses molécules entrant dans la composition des lubrifiants ou autres composés hydrophobes suivant leur nature chimique. Très faiblement polaire, le CO2 se révèle en effet être un excellent solvant des molécules apolaires ou peu polaires dans les conditions supercritiques. Le second atout réside dans un mode de nettoyage 100 % « à sec », gazeux après dépressurisation, le CO2 SC permet de mettre en œuvre des procédés sans séchage, aboutissant à des produits exempts de tout résidu d’extraction, les lubrifiants solubilisés dans la phase supercritique ayant été préalablement éliminés et récupérés sous forme liquide. De plus, les faibles températures mises en œuvre (en général de 35 à 50 °C) permettent de respecter l’intégrité chimique des molécules thermo-sensibles traitées (textiles synthétiques et naturels) et de minimiser les coûts opératoires. Ces propriétés font du nettoyage par CO2 SC une alternative, écologiquement et économiquement viable, aux procédés classiques répandus jusqu’à maintenant dans l’industrie (lessiviel, hydrocarbures, alcool modifié).
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
cleaning | supercritical CO2 | medical device
DOI (Digital Object Identifier)
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4. Exemples d’applications sur des dispositifs médicaux
4.1 Désensimage des tissus implantables
La technologie du CO2 SC est particulièrement intéressante pour les dispositifs médicaux car elle permet un nettoyage sans résidu en salles blanches et réduit fortement la charge biologique (de 2 à 3 log), un niveau de qualité encore sans équivalent sur le marché. Son fonctionnement à basse température (entre 35 et 50 °C) préserve les polymères et n’engendre donc pas de modifications de leurs propriétés mécaniques. Un seul traitement au CO2 remplace parfois plusieurs opérations successives de lavage lessiviel et permet de diviser le temps de nettoyage jusqu’à 10 (2 à 3 h contre 24 h pour un procédé Soxhlet à l’éther diéthylique). Sur le textile implantable (tricoté, tissé), des essais réalisés sur divers polymères (PP, PLLA, PET, PE) ont permis de valider l’élimination d’huile d’ensimage des textiles (qui représentait entre 2 et 2,5 % de la masse du textile) pour des pressions comprises entre 100 et 300 bar suivant les types d’huiles d’ensimage (figure 10). L’aspect visuel des tissus est identique avant et après traitement en CO2 SC, seules des vues des tissus après traitement sont présentées en figure 9. L’objectif du traitement au CO2 était d’éliminer les résidusde solvants dans les textiles tout en réduisant le temps du procédé de lavage qui prenait entre 16 et 24 h. L’analyse, suivant la norme NF S 94-167-5, a montré qu’avec le CO2 supercritique, l’enlèvement d’huile d’ensimage est comparable, voire meilleur, par rapport aux niveaux atteints avec les procédés classiques (0,01 %) et admise dans le domaine des tissus médicaux implantables : ≤ 0,1 %, mais sans aucun ajout de détergent et donc sans aucune trace de solvant résiduel (a contrario des procédés lessiviels ou d’extraction Soxhlet à l’éther). Le temps de nettoyage a été divisé par 10 pour atteindre entre 30 et 120 min en une seule opération.
Des essais de désensimage sur des tresses constituées de PE et PET ont ainsi montré que la plus grande partie des huiles d’ensimage est éliminée pendant les premières 30 min de cycle (teneur résiduelle...
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Exemples d’applications sur des dispositifs médicaux
BIBLIOGRAPHIE
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(3) - CLIFFORD (T.) - Fundamentals of supercritical fluids. - Fundamentals of Supercritical Fluids, Oxford University Press, New York (1989).
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(4) - AIR LIQUIDE - Article CO2 . - In Encycl. des gaz (s.d.).
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(6) - LUQUE DE CASTRO (M.), JIMÉNEZ-CARMONA (M.) - Where...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
NIST (National Institute of Standards and Technology), base de données sur les corps purs https://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/ (page consultée le 3 juin 2018)
Site internet Femto-physique https://femto-physique.fr/physique_statistique/diffusion-moleculaire.php (page consultée le 9 août 2018)
Site internet Device Med https://www.devicemed.fr/dossiers/equipements-de-production-et-techniques-de-fabrication/nettoyage/le-nettoyage-co2-supercritique-reduit-la-biocharge-et-tutoie-la-sterilisation/16696 (page consultée le 6 septembre 2018) https://www.devicemed.fr/dossiers/sous-traitance-et-services/co2-supercritique-une-approche-ecologique-pour-le-nettoyage-de-dm/2646...
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