Présentation

Article

1 - ENJEUX RÉGLEMENTAIRES LIÉS AUX DISPOSITIFS MÉDICAUX

2 - PRINCIPE DU NETTOYAGE PAR CO2 SUPERCRITIQUE

3 - MISE EN ŒUVRE DU PROCÉDÉ DE NETTOYAGE

4 - EXEMPLES D’APPLICATIONS SUR DES DISPOSITIFS MÉDICAUX

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : MED7700 v1

Mise en œuvre du procédé de nettoyage
Nettoyage à sec des dispositifs médicaux par CO2 supercritique

Auteur(s) : Stéphane BREDEAU, Julie CHAPELAIN

Relu et validé le 01 sept. 2023

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NOTE 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

21/12/2018

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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ABSTRACT

Dry cleaning of medical devices by supercritical CO2

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)

  • Stéphane BREDEAU : Ingénieur-docteur en chimie des matériaux Dense Fluid Degreasing SA (DFD), Clermont-Ferrand, France

  • 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).

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KEYWORDS

cleaning   |   supercritical CO2   |   medical device

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-med7700


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3. Mise en œuvre du procédé de nettoyage

3.1 Schéma de principe d’une installation

Les machines de nettoyage de DFD ont été conçues avec un autoclave de capacité utile variable suivant la quantité de pièces à traiter (volume de 4, 20, 30 voire 83 litres), horizontal, à l’inverse notamment de ce qui existe en extraction (café, principes aromatiques...) et doté d’un axe muni d’un joint tournant étanche, qui permet la mise en rotation d’un panier interne sans limitation de couple (technologie brevetée du CEA Marcoule WO2002032593A1), similaire à une machine de nettoyage classique. À ce premier effet mécanique de nettoyage s’ajoute un dispositif d’ultrasons avec une sonotrode située à l’intérieur ou à l’extérieur de l’autoclave. Ce dispositif génère des vibrations dans la chambre de nettoyage permettant ainsi d’éliminer les contaminants solides (exemple : particules, copeaux, poussières) présents sur la surface ou dans toute cavité des pièces. Sur la figure 5 est présenté le schéma de principe de la chambre de nettoyage.

La figure 6 décrit celui d’une unité industrielle dotée d’un autoclave, d’un système de purification/recyclage par séparation gravitaire permettant d’éliminer le contaminant extrait (exemple : huiles de coupe et d’ensimage) et de recycler le CO2 en permanence, et d’un système d’ajout de co-solvant avec une conduite entièrement automatisée (machine dite « presse-bouton »). Plusieurs brevets concernant la conception d’une telle machine ont été déposés : EP3148717B1 et WO2017089372A1 (alimentation machine, stockage CO2), CA2949891A1 (injection cosolvant).

Le recyclage du fluide de nettoyage peut se faire par liquéfaction du gaz comprimé et purifié dans le séparateur gravitaire, suivie d’un pompage du gaz liquéfié et du réchauffage à la température choisie pour l’opération principale (figure 6 b ). En l’absence de recyclage, le fluide est rejeté après l’étape de purification sous forme de CO2 gazeux à l’atmosphère. Le CO2 introduit dans l’autoclave est donc exclusivement du gaz « neuf » directement issu du stockage externe de gaz (figure ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SARRADE (S.), BENAISSI (K.) -   Le CO2 supercritique et ses applications industrielles.  -  L’actualité chimique, 371-372, p. 72 (2013).

  • (2) - BENAISSI (K.) -   Les fluides supercritiques à votre service.  -  L’actualité chimique, 364‑365, p. 135 (2012).

  • (3) - CLIFFORD (T.) -   Fundamentals of supercritical fluids.  -  Fundamentals of Supercritical Fluids, Oxford University Press, New York (1989).

  • (4) - AIR LIQUIDE -   Article CO2  .  -  In Encycl. des gaz (s.d.).

  • (5) - RANDALL (L.G.) -   The present status of dense (supercritical) gas extraction and dense gas chromatography : impetus for DGC/MS development.  -  Separation Science and Technology, 17, p. 1 (1982).

  • (6) - LUQUE DE CASTRO (M.), JIMÉNEZ-CARMONA (M.) -   Where...

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