Article de référence | Réf : J2152 v2

Mécanismes intervenant au cours de l’émulsification
Procédés d’émulsification - Mécanismes de formation des émulsions

Auteur(s) : Jean-Paul CANSELIER, Martine POUX

Date de publication : 10 déc. 2021

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RÉSUMÉ

Les émulsions sont des dispersions diphasiques liquide-liquide, utilisées dans de nombreux domaines industriels. Les propriétés des émulsions (type, viscosité, granulométrie, stabilité) dépendent à la fois de la composition, de la température et du mode de fabrication. Cet article présente des notions sur la formulation et la caractérisation des émulsions, puis il aborde les mécanismes intervenant au cours de l’émulsification.

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ABSTRACT

Emulsification processes. Mechanisms of emulsion formation

Emulsions are biphasic liquid-liquid dispersions used in a lot of industrial fields. Emulsion properties (type, viscosity, particle size distribution, stability) depend on their composition as well as temperature and processing. This article introduces some notions on emulsion formulation and characterization, then discusses the mechanisms involved in emulsification processes.

Auteur(s)

  • Jean-Paul CANSELIER : Ingénieur ENSCT - Docteur-ingénieur - Docteur d’État Pompertuzat, France

  • Martine POUX : Ingénieur ENSCT - Docteur de l’INPT, HDR - Ingénieur de recherche à l’INP de Toulouse Laboratoire de génie chimique UMR CNRS 5503 INPT/UPS École nationale supérieure des ingénieurs en arts chimiques et technologiques, Toulouse (ENSIACET), France

INTRODUCTION

Les émulsions sont des dispersions liquide-liquide : les émulsions simples appartiennent à deux types : eau-dans-huile (E/H) ou huile-dans-eau (H/E) et les émulsions multiples (en fait doubles) aux types E/H/E ou H/E/H. De granulométrie et de stabilité cinétique variables, elles évoluent fatalement mais plus ou moins rapidement, selon différents processus de migration et/ou de grossissement des gouttelettes, vers une séparation de phases. Parfois présentes dans la nature, elles peuvent se former temporairement au cours de certains procédés industriels, mais sont le plus souvent fabriquées comme produits formulés en vue de l’obtention de propriétés d’usage désirées : on les rencontre dans les domaines les plus variés, de l’alimentation aux explosifs en passant par la pharmacie, la cosmétique, le textile, les lubrifiants, la papeterie, les peintures, l’exploitation du pétrole et la minéralurgie. Leurs propriétés (type, viscosité, granulométrie, stabilité) dépendent à la fois de la composition (formulation), de la température et du mode de fabrication (procédé). Outre quelques cas d’émulsions indésirables (exemple : dans l’exploitation du pétrole), ou souhaitables temporairement (exemple : au cours d’une réaction chimique ou d’une extraction), on cherche à satisfaire les critères permettant de préparer des émulsions les plus stables possible afin de les conserver longtemps. Après quelques rappels sur la formulation et la caractérisation des émulsions, dans cet article, on s’intéresse à l’énergie mise en jeu au cours de l’émulsification (dissipation visqueuse, déformation des gouttes...) et on présente les mécanismes intervenant au cours des procédés : formation et rupture de gouttes, effet de l’émulsifiant.

Dans l’article suivant [J 2 153] sont décrits les principaux procédés industriels de préparation, leur technologie et l’appareillage nécessaire.

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KEYWORDS

dispersion   |   water in oil   |   oil in water   |   interfacial tension

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-j2152


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2. Mécanismes intervenant au cours de l’émulsification

Si les mécanismes de l’émulsification ne sont pas encore parfaitement éclaircis, on est loin du temps où un apothicaire anonyme affirmait qu’on devait toujours agiter une émulsion dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, dissuadant alors ses confrères de recruter des assistants gauchers ! Les processus élémentaires d’émulsification comprennent au moins deux étapes : la formation de gouttes relativement grosses, incluant la formation initiale de films ou de cylindres fluides et leur rupture due à des instabilités de type Rayleigh-Taylor et/ou Kelvin-Helmholtz (§ 2.2.2) puis la rupture de ces gouttes en objets plus petits.

Du point de vue hydrodynamique, l’émulsification peut être conduite en régime laminaire ou en régime turbulent.

L’émulsification en régime laminaire utilise, notamment, l’écoulement forcé à travers un capillaire ou le mouvement oscillatoire d’une lame de verre . L’émulsification par cisaillement doux en régime laminaire est possible lorsque les deux phases sont suffisamment visqueuses et que la fraction volumique de phase dispersée est élevée : l’énergie consommée est faible, la DTG très étroite, mais ce procédé requiert un temps d’émulsification pouvant atteindre plusieurs heures.

Cependant, comme le suggère le sens commun, le régime turbulent est le plus souvent mis à profit. Dans ce qui suit, les relations établies dans la littérature lorsque l’énergie est fournie par agitation mécanique sont expliquées.

2.1 Énergie mise en jeu

Excepté dans certains cas où l’on observe une émulsification spontanée (§ 2.5), l’obtention d’un mélange métastable, tel qu’un...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BECHER (P.) -   Emulsions : theory and practice.  -  KRIEGER (R.E.) Pub. Co (1977).

  • (2) - TADROS (T.F.) -   Emulsion formation, stability and rheology.  -  Dans : Emulsion Formation and Stability (TADROS (T.F.), éd.) John Wiley and Sons, ch. 1, p. 1-75 (2013).

  • (3) - SERDAROGLU (M.), ÖZTÜRK (B.), KARA (A.) -   An overview of food emulsions : description, classification and recent potential applications.  -  Turkish J. Agriculture, Food Sci. Technol., 3, n° 6, p. 430-438 (2015).

  • (4) - SAIFULLAH (M.), AHSAN (A.), SHISHIR (M.R.I.) -   Production, stability and application of micro- and nanoemulsion in food production and food processing industry.  -  Dans : Emulsions : Nanotechnology in the AgriFood Industry, GRUMEZESCU (A.M.) éd., Academic Press, Elsevier Inc., Londres, vol. 3, ch. 12, p. 405-442 (2016) doi.org/10.1016/B978-0-12-804306-6.00012-X

  • (5) - LEGRAND (J.) (éd.) -   Émulsions alimentaires et foisonnement, théorie et applications.  -  ...

NORMES

  • Recueil de normes françaises : agents de surface, détergents, savons. Paris – La Défense - AFNOR - 1986

  • Measurement and characterization of particles by acoustic methods – Part 1 : Concepts and procedures in ultrasonic attenuation spectroscopy - ISO 20998-1 - 2006

1 Annuaire

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1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

MALVERN INSTRUMENTS SA (zetamétrie, granulométrie par corrélation de photons [PCS] et diffraction laser [SLS], Analyse d’images) http://www.malvern.co.uk

CORDOUAN TECHNOLOGIE (granulométrie par corrélation de photons [PCS], zêtamétrie, systèmes concentrés) http://www.cordouan-tech.com

DISPERSION TECHNOLOGY, INC. (granulométrie par atténuation acoustique, systèmes concentrés) http://www.dispersion.com

COULTRONICS FRANCE SA (granulométrie par compteur Coulter, corrélation de photons [diffusion dynamique] et diffraction laser [diffusion statique]) http://www.beckman-coulter.com

BROOKHAVEN INSTRUMENTS, SARL (zêtamétrie, granulométrie par corrélation de photons [PCS] et diffraction laser [SLS]) http://www.brookhaveninstruments.com

CILAS (granulométrie par corrélation de photons [PCS] et diffraction laser [SLS]) http://www.cilas.com

FORMULACTION (Turbiscan : déstabilisation des émulsions suivie par diffusion multiple de la lumière en mode statique, et taille des gouttes ; rhéologie) http://www.formulaction.com

HORIBA FRANCE SARL (granulométrie par analyse d’images et par diffraction laser [SLS]) http://www.horiba.com...

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