Génie des Procédés, Université de Tipaza

Résumé

• Le travail vise à éliminer les résidus de médicaments (métronidazole et mémantine) dans les milieux liquides.
• Un agent photocatalytique à base de Zn-Fer a été préparé par co-précipitation, puis encapsulé dans l'alginate de sodium pour obtenir une nouvelle génération de photocatalyseurs.

Introduction Générale

• Les ressources en eau sont menacées par la pollution due aux activités urbaines, industrielles et agricoles.
• Les produits pharmaceutiques sont un exemple de polluant qui constituent un risque majeur pour la santé, l'hygiène, l'écosystème et l'environnement.
• Environ 3 000 ingrédients pharmaceutiques différents sont utilisés aujourd'hui, notamment des antibiotiques, des régulateurs lipidiques, des antidépresseurs et bien d'autres.

Industrie de production des pharmaceutiques

• L'industrie pharmaceutique regroupe les activités de recherche, de fabrication et de commercialisation des médicaments.
• Elle est exercée par les laboratoires pharmaceutiques et les sociétés de biotechnologie.
• L'industrie pharmaceutique est un secteur clé et un important moteur de croissance de l'économie mondiale.

Polluants pharmaceutiques

• Les ingrédients pharmaceutiques actifs (IPA) sont distribués dans les eaux usées, non seulement par les excrétions humaines et animales, mais également par le rejet des médicaments non utilisés et les rejets des sites de production.
• Ils finissent dans les eaux de surface principalement par le rejet de produits traités et, dans certains cas, non traités.

Métronidazole et Mémantine

• Le métronidazole est un antibiotique.
• La mémantine est un antidépresseur.
• La prévalence de la maladie d'Alzheimer est d'environ 0,6 % à l'âge de 60 ans mais elle double tous les cinq ans, soit environ 40 % à l'âge de 90 ans.

Élimination des polluants

• Plusieurs procédés physiques, chimiques et biologiques ont été développés pour éliminer ou détruire ces polluants.
• La dégradation des molécules pharmaceutiques par la photocatalyse est très efficace et très économique.

Méthodologie

• La méthode de l'élimination des polluants comprend l'adsorption et la photocatalyse.
• L'encapsulation est utilisée pour préparer l'adsorbant.
• L'alginate et les hydroxydes doubles lamellaires (HDL) sont utilisés dans la préparation de l'adsorbant.### Les médicaments et leur impact sur l'environnement
• Les émissions ponctuelles liées à l'industrie chimique fine, à l'industrie pharmaceutique, aux établissements de soins, aux élevages industriels et aux épandages des boues de stations d'épuration.
• Les médicaments à usage humain sont majoritairement consommés par les pays industrialisés, qui représentent 80% du marché mondial pour moins de 15% de la population.

Les caractères physico-chimiques des médicaments

• Les substances médicamenteuses sont majoritairement des composés organiques.
• Les propriétés physico-chimiques de ces molécules sont déterminantes pour comprendre leur devenir dans l'environnement aquatique.
• Quatre paramètres caractérisent le comportement des résidus médicamenteux dans les eaux :
  • Coefficient de partitionnement (Kow) entre l'octanol et l'eau.
  • Constante d'acidité (Ka).
  • Coefficient de partage (Koc).
  • Solubilité.

L'impact des médicaments sur l'environnement

• Les antibiotiques et/ou leurs métabolites actifs retrouvés dans l'environnement peuvent exercer une action toxique sur les faunes et les flores terrestres et aquatiques.
• Les antibiotiques peuvent également avoir des effets sur le métabolisme des végétaux.
• L'expérimentation sur l'homme est limitée, mais les effets des polluants sur les hommes sont mis en évidence par des études épidémiologiques ou estimer en fonction des tests sur les animaux et les cellules.

Classes thérapeutiques

• Les médicaments peuvent être classés en différentes catégories thérapeutiques :
  • Analgésiques et antalgiques.
  • Antiarythmiques.
  • Anti-asthmatiques.
  • Antibiotiques.
  • Anticancéreux.
  • Anticonvulsivants.
  • Antidiabétiques.
  • Antifongiques.
  • Antigoutteux.
  • Antihistaminiques.
  • Anti-inflammatoires.
  • Antiseptiques.
  • β-bloquants.
  • Régulateurs lipidiques.
  • Stimulants cardiaques.
  • Stimulants système nerveux central.

Les antibiotiques

• Historique : le premier antibiotique, identifié dès la fin du XIXe siècle, fut la pénicilline.
• Définition : les antibiotiques sont des médicaments permettant de traiter des infections dues à des bactéries.
• Origine des antibiotiques : les antibiotiques utilisés en médecine sont fabriqués à partir de cultures de microorganismes ou sont des médicaments entièrement synthétisés.
• Mode d'action : les antibiotiques agissent à l'échelon moléculaire au niveau d'une ou de plusieurs étapes métaboliques indispensables à la vie de la bactérie.
• La résistance des bactéries : les bactéries développent, généralement par mutation génétique, un système de défense contre les antibiotiques, ce qui conduit à l'apparition de résistances.

La maladie d'Alzheimer

• La maladie d'Alzheimer est une pathologie neuro-dégénérative, constituant la forme la plus fréquente des démences.
• Les symptômes : altérations de la mémoire, symptômes psycho-comportementaux.
• Traitement : les inhibiteurs de l'acétylcholinestérase et les antagonistes du récepteur glutamatergique NMDA.

Méthode de l'élimination et traitement dans l'environnement

• Les contaminant d'origine pharmaceutique peuvent être éliminés des solutions aqueuses en préparant de l'adsorbant naturel.
• Des nombreuses méthodes et techniques de dépollution sont développées, notamment :
  • Procédés chimiques.
  • Floculation-coagulation.
  • Échange d'ions.
  • Électrolyse.
  • Procédés d'oxydation avancée.
  • Photocatalyse.
  • Ozonation.
  • Fenton.### Association d'adsorbant et de photocatalyseur
• L'association d'un adsorbant avec un photocatalyseur est une voie intéressante pour optimiser le procédé de photodégradation des polluants.
• Le charbon actif est un adsorbant couramment utilisé qui peut être combiné avec des nanoparticules magnétiques et des billes d'alginate.

L'adsorption

• L'adsorption est définie comme la fixation des molécules de soluté liquide ou gazeux sur la surface d'un solide.
• L'absorption dépend principalement des propriétés texturales et structurales de l'adsorbant, ainsi que des interactions entre l'adsorbat et l'adsorbant.
• Les matériaux adsorbants peuvent être de différentes natures, notamment les charbons actifs, les biosorbants, les matières d'origine inorganique et les résines synthétiques.

Types d'adsorption

• L'adsorption chimique (ou chimisorption) est due à la formation d'une liaison chimique covalente entre l'adsorbat et la surface de l'adsorbant.
• L'adsorption physique (ou physisorption) résulte de l'établissement d'un échange de forces de faible énergie entre la surface d'un solide et des molécules à proximité de cette surface.

Mécanisme d'adsorption

• Le processus d'adsorption se déroule en trois étapes : la diffusion externe, la diffusion interne et la diffusion de surface.

Facteurs influençant l'adsorption

• La température, la nature de l'adsorbant, la nature de l'adsorbat et la nature du milieu dans lequel le produit doit être adsorbé sont des facteurs qui influencent l'adsorption.

Photocatalyse

• La photocatalyse est un domaine de la catalyse qui utilise la lumière comme moyen pour l'excitation du catalyseur.
• Les catalyseurs utilisés sont des semi-conducteurs tels que le TiO2.
• La photocatalyse est initiée par l'absorption d'un photon d'une énergie égale ou supérieure à la bande interdite du semi-conducteur.

Modes d'action de la photocatalyse

• La photocatalyse est initiée par la création de sites permettant la formation de radicaux [OH°] et favorise les créations d'oxydation à la surface du semi-conducteur.

Avantages de la photocatalyse

• La photocatalyse présente plusieurs avantages, notamment une technologie destructive et non sélective, une minéralisation totale possible, une fonctionnement à température et à pression ambiantes, et une faible consommation d'énergie.

Facteurs influençant la photocatalyse

• Les principaux facteurs qui influencent la photocatalyse hétérogène sont la concentration en catalyseur, la concentration initiale du polluant, le pH, le flux lumineux, la structure cristalline, la taille des particules, la composition aqueuse, l'oxygène dissous et la température.

Combinaison adsorption photocatalyse

• La combinaison des procédés photo catalytique et adsorption présente d'excellentes performances pour dégrader ou éliminer différents micropolluants.

Encapsulation

• L'encapsulation est un procédé qui permet de piéger un composé solide dispersé afin d'assurer son immobilisation, le contrôle de son transfert, sa protection et sa structure.
• L'encapsulation permet d'augmenter la densité ou de diminuer la densité en incluant de l'air dans la capsule.

Types de procédés d'encapsulation

• Les procédés physico-chimiques, les procédés chimiques et les procédés mécaniques sont les trois grandes classes de procédés qui peuvent être mis en place pour élaborer les capsules.

Applications de l'encapsulation

• Les applications de l'encapsulation sont nombreuses et touchent des domaines tels que les industries chimiques, agro-alimentaires, pharmaceutiques, cosmétiques, nutraceutiques, l'agriculture, les textiles ou encore la peinture.