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Des caisses isothermes avec de la glace carbonique pour sécuriser la chaîne du froid des vaccins Covid-19
La crise sanitaire mondiale causée par la pandémie de Covid-19 a accéléré les recherches pour développer un vaccin efficace contre le virus SARS-CoV-2. Tous les vaccins thermosensibles ont des plages de température de conservation maitrisées en utilisant des moyens de production de froid actifs ou passifs disponibles, mais les premiers vaccins développés contre la Covid-19 doivent être stockés et transportés entre -90 °C et -60 °C. Les plaques eutectiques traditionnellement utilisées pour la plage -25/-15 °C ne peuvent pas répondre à ce besoin car elles n’offrent pas des températures de fusion proches de -70 °C. Ayant une enthalpie de sublimation de 573 kJ.kg-1 (25,2 kJ.mol-1) à -78,5 °C, la glace carbonique est le meilleur moyen pour sécuriser la chaîne du froid de ces vaccins. Nous analysons dans cet article des solutions autonomes de caisses isothermes utilisant la glace carbonique comme source de froid, permettant de transporter en toute sécurité ces vaccins Covid-19 entre -90 °C et -60 °C. Les performances de la solution et la quantité nécessaire de glace carbonique dépendent de la qualité de l’isolation thermique, de la taille de la caisse, de l’autonomie exigée et de la température ambiante.
Les caisses isothermes, conçues pour le transport de vaccins et de produits de santé thermosensibles en général, sont équipées d’une source de froid permettant de compenser les échanges thermiques ave l’extérieur. Les solutions eutectiques aqueuses et les autres matériaux à changement de phase (paraffines, acides gras et sels hydratés) sont utilisés pour les plages de température +2/+8 °C, +15/+25 °C, -25/-15 °C et autres plages spécifiques. Ces matériaux couvrent les températures allant de -30 °C à +40 °C, avec des performances acceptables.
La glace carbonique est utilisée dans les caisses isothermes pour les plages de températures en dessous de -30 °C. Le présent article présente le dimensionnement et la qualification de ces solutions pour le transport des vaccins de la Covid-19 entre -60 °Cet -90 °C.
STOCKAGE THERMIQUE PAR LA GLACE CARBONIQUE
Le dioxyde de carbone sous forme solide, appelé « glace carbonique » ou « neige carbonique » ou encore « glace sèche », est obtenu par la solidification du CO2 liquide. La glace carbonique est obtenue en comprimant la neige carbonique.
La glace carbonique est utilisée comme source de froid dans les caisses isothermes pour transporter les produits thermosensibles à très basse basses températures. En fonction de la température maximale et des moyens de préparation disponibles, elle est utilisée en :
- Copaux ou neige,
- Granules d’environ 3 mm de diamètre,
- Bâtonnets ou sticks d'une longueur d'environ 16 mm,
- Blocks de différentes tailles.
Ayant une enthalpie de sublimation de 573 kJ.kg-1 (25,2 kJ.mol-1) à -78,5 °C à la pression atmosphérique, la glace carbonique permet de compenser la chaleur échangée entre l’intérieur et l’extérieur de la caisse isotherme en se sublimant sans laisser de résidus. A titre de comparaison, l’enthalpie de fusion de l’eau est 334 kJ.kg-1 à 0 °C.
L’énergie Q [J] stockée par la glace carbonique est donnée par l'équation 1.
Q = M • Ls (1)
Où :
- M est la masse de la glace carbonique exprimée en kg,
- Ls est l’enthalpie de sublimation de la glace carbonique exprimée en J.kg-1.
L’énergie Q [J] stockée par la carboglace doit être au moins égale à celle échangée entre l’intérieur et l’extérieur de la caisse isotherme et donnée par l'équation 2.
Q = K • Sm • (Te - Ti) • t (2)
Où :
- K est le coefficient global d’échange thermique de la caisse exprimé en W.m-2.K-1,
- Sm : Moyenne géométrique des surfaces intérieure et extérieure de la caisse isotherme exprimée en m2,
- Te - Ti : La différence entre les température intérieure et extérieure de la caisse en °C,
- t : le temps (l’autonomie) exprimé en s.
ISOLANTS THERMIQUES ET AUTONOMIE DES CAISSES ISOTHERMES
La quantité de carboglace nécessaire dans un emballage isotherme dépend de plusieurs facteurs. Les principaux paramètres sont :
- Le coefficient global de transfert thermique K de la caisse isotherme ;
- Le profil de la température extérieure ;
- La durée du circuit logistique (l’autonomie) ;
- La limite haute de la plage de température du produit à transporter ;
- Le cas échéant le nombre d’ouvertures du colis.
La masse nécessaire de glace carbonique doit être majorée pour avoir une quantité suffisante à l’arrivée permettant de maintenir la température en dessous de la limite requise. Le coefficient de majoration dépend de la qualité de l’isolant, de l’autonomie demandée, de la température ambiante et de la température maximale de conservation requise. La glace carbonique doit également couvrir parfaitement les six faces des produits, pour constituer un igloo, ce qui implique une autonomie minimale de 48 h pour les grands volumes et de 24 h pour les petits volumes.
Nous analysons dans cette partie l’impact de la qualité de l’isolant thermique sur les performances des caisses isothermes utilisant la glace carbonique.
- En fixant les dimensions extérieures et en variant l’épaisseur de l’isolant (V intérieur).
- En fixant les dimensions intérieures et en variant l’épaisseur de l’isolant (V extérieur).
PU et PS à volume extérieur constant
En fixant les dimensions extérieures de la caisse isotherme, nous analysons la variation de la masse de la glace carbonique nécessaire en fonction de l’autonomie requise, par type et épaisseur d’isolant. Nous avons choisi une caisse ayant une base palette Europe, de dimensions extérieures 1200 x 800 x 740 mm, soit un volume extérieur de 710 litres. Nous comparons les performances des caisses en polyuréthane et en polystyrène d’épaisseur 60 mm et 80 mm, de conductivités thermiques respectives de 0.023 et 0.035 W.m-1.K-1.
La figure 1 montre la variation de la masse de glace carbonique et du volume utile disponible pour les produits, en fonction de l’autonomie offerte par la solution. La masse présentée par les courbes doit être majorée en fonction des paramètres cités précédemment. Nous nous limitons à la quantité maximale de 200 kg de CO2 solide, autorisée par caisse dans le transport aérien.
A dimensions et épaisseurs égales, les caisses en polyuréthane (PU) sont environ 50 % plus performantes que celles en polystyrène (PS) :
- Pour une même épaisseur et pour une autonomie donnée, les caisses en polystyrène nécessitent 1,5 fois plus de glace carbonique que celles en polyuréthane. Inversement, pour la même masse de glace carbonique, le ratio des autonomies est de 1,5 en faveur des caisses en polyuréthane.
- Avec la quantité maximale de glace carbonique autorisée par caisse dans un avion,
- L’autonomie de la caisse en PU 60 mm est d’environ 192 h à 21 6 h (8 à 9 jours) contre environ 120 h à 144 h (5 à 6 jours) pour la caisse en PS.
- L’autonomie de la caisse en PU 80 mm est d’environ 264 h à 288 h (11 à 12 jours) contre environ 192 h à 216 h (8 à 9 jours) pour la caisse en PS.
- La glace carbonique doit couvrir les 6 faces du produit, ce qui impose une quantité minimale et par conséquent une autonomie minimale de 24 à 48 heures pour les caisses en PS et 48 à 72 heures pour les caisses en PU.
PU et PS à volume intérieur constant
En fixant les dimensions intérieures de la caisse isotherme, par exemple celle du colis de vaccins à transporter, nous analysons la variation de la masse de glace carbonique nécessaire en fonction de l’autonomie requise, par type et épaisseur d’isolant. Nous choisissons pour cette analyse une caisse de volume intérieur 30 litres. Le volume extérieur varie en fonction de l’épaisseur des parois. Nous comparons les performances des caisses ayant les mêmes dimensions en polyuréthane et en polystyrène d’épaisseur 60 mm et 80 mm. Les caisses en PU et en PS seront ensuite comparées avec une caisse en panneaux sous vide (VIP) encapsulés dans du PU d’épaisseur totale 30 mm (PU+VIP+PU : 5+20+5 mm).
Il est important de noter que les panneaux isolés sous vide (VIP), excellents isolants, non encapsulé ne résistent pas à la glace carbonique. Le film est endommagé à très basse température perdant ainsi l’avantage thermique du VIP.
La figure 2 montre la variation de la masse de glace carbonique et du volume utile disponible pour les produits, en fonction de l’autonomie offerte par la solution.
La figure 3 montre la variation de la masse de glace carbonique et du volume utile disponible, en fonction de l’autonomie offerte par les solutions en PU et PS 80 mm et celle en VIP 30 mm.
La masse présentée par les courbes doit être majorée en fonction des paramètres cités précédemment. Nous nous limitons à la quantité maximale de glace carbonique qui correspond au volume intérieur total de la caisse (30 l).
Comme pour le cas précédent, à dimensions et épaisseurs égales, les caisses en polyuréthane sont environ 50 % plus performantes que celles en polystyrène.
- Pour une même épaisseur et pour une autonomie donnée, les caisses en polystyrène nécessitent 1,5 fois de glace carbonique que celles en polyuréthane. Inversement, pour la même masse de glace carbonique, le ratio des autonomies est de 1,5 en faveur des caisses en polyuréthane.
- En fonction de la qualité et de l’épaisseur de l’isolant, une autonomie maximale est déterminée, à partir de laquelle le volume utile sera négligeable :
- 60 à 72 heures pour la caisse en PS 60 mm
- 72 à 84 heures pour la caisse en PS 80 mm
- 96 à 114 heures pour la caisse en PU 60 mm
- 114 à 126 heures pour la caisse en PU 80 mm
- La glace carbonique doit couvrir les 6 faces du produit, ce qui impose une quantité minimale et par conséquent une autonomie minimale. Pour les caisses de volume intérieur 30 litres, l’autonomie minimale est d’environ 24 heures pour les caisses en PS et 48 heures pour les caisses en PU.
Les courbes présentées par la figure 3 comparent les performances des caisses en PS 80 mm, PU 80 mm et VIP 20 mm encapsulé dans du PU 5 mm (PU+VIP+PU : 5+20+5 mm). Les caisses ont les mêmes dimensions intérieures.
- Pour un même volume intérieur de 30 L et pour une autonomie donnée, la caisse en PS nécessite 1,5 fois de glace carbonique que celle en PU et cette dernière nécessite 1,25 fois par rapport à la caisse VIP. Inversement, pour la même masse de CO2, le ratio des autonomies est respectivement de 1,5 et 1,25.
- En plus de la réduction de l’épaisseur, l’autonomie maximale, à partir de laquelle le volume utile sera négligeable, passe d’une moyenne de 78 heures pour le PS 80 mm et 120 heures pour le PU 80 mm à 150 h pour le VIP+PU 30 mm.
- Pour la quantité de glace carbonique couvrant les 6 faces, l’autonomie minimale offerte par le VIP+PU est d’environ 72 heures.
PU et VIP à volume intérieur constant
La figure 4 montre la variation de la masse de glace carbonique et du volume utile (disponible) en fonction du volume intérieur pour le PS et le PU 80 mm, ainsi que pour le VIP+PU 30 mm. Les courbes correspondent à une autonomie de 96 heures sous +25 °C.
Selon ces courbes, les performances des caisses en PU et en VIP encapsulé (VIP+PU) sont supérieures à celles des caisses en PS.
- Le ratio de la masse nécessaire de glace carbonique, entre le PS et le PU, augmente en fonction du volume intérieur de la caisse. Les caisses en PU offrent par conséquent des volumes disponibles supérieurs à ceux des caisses en PS.
- Pour les grands volumes, les performances des caisses en VIP+PU 30 mm sont globalement équivalentes à celles en PU 80 mm.
Essais de performances thermiques
Nous retenons le PU et le VIP encapsulé, pour effectuer les essais de performances thermiques sur des caisses isothermes avec la glace carbonique.
Caisses de volume intérieur 30 L
Des essais de performances thermiques ont été réalisés sur des caisses isothermes de volume intérieur 30 L en PU 60 mm et en VIP encapsulé (VIP+PU) 30 mm. Etant introduits dans les caisses à -20 °C, les produits sont refroidis puis conservés en dessous de -60 °C par la glace carbonique.
La figure 5 montre l’autonomie de la caisse en PU 60 mm avec 17 kg de glace carbonique, sous le profil chaud ISTA 7D de température moyenne +30,5 °C.
La figure 6 montre l’autonomie de la caisse en VIP encapsulé (VIP+PU) 30 mm avec 10 kg de glace carbonique, sous le même profil de température chaud ISTA 7D.
Les résultats de tests de performances montrent la capacité des deux caisses isothermes à sécuriser la chaîne du froid des vaccins Covid-19 à très basses températures.
- Avec 17 kg de glace carbonique, la caisse en PU 60 mm permet de conserver les vaccins entre -90 °C et -60 °C pendant 75 heures, sous un profil de température très chaud.
- Avec 10 kg de glace carbonique, la caisse en VIP+PU 30 mm permet de conserver les vaccins entre -90 °C et -60 °C pendant 51 heures, sous le même profil de température. Avec 17 kg de glace carbonique, son autonomie passera à 120 heures.
- En introduisant les produits à -70 °C, l’autonomie sera augmentée.
- L’autonomie des deux caisses peut être améliorée en augmentant l’épaisseur de l’isolant ou la quantité de la glace carbonique.
Caisses palettes grands volumes
Des essais de performances thermiques ont été réalisés sur des caisses isothermes grands volumes de base palette. Les produits sont introduits dans les caisses à -20 °C.
La figure 7 montre l’autonomie d’une caisse en PU 60 mm, de volume intérieur 378 L, avec 120 kg de glace carbonique, sous le profil chaud ST-96-b de température moyenne +23,5 °C.
La figure 8 montre l’autonomie d’une caisse double ceinture en PU 60+60 mm, de volume intérieur 319 l, avec 160 kg de glace carbonique, sous une température ambiante constante de +25 °C.
Les résultats de tests de performances montrent que les caisses grands volumes permettent de sécuriser la chaîne du froid des vaccins Covid-19 à très basses températures. Elles offrent des autonomies supérieures à celles des petites et moyennes caisses, pouvant atteindre 15 jours.
- Avec 120 kg de glace carbonique, la caisse palette isotherme 319 l en PU 60 mm permet de conserver les vaccins entre -90 °C et -60 °C pendant 72 heures, sous le profil standard ST-96-b de la norme NF S 99-700. Cette autonomie peut être prolongée en augmentant la masse de glace carbonique dans la limite de 200 kg.
- Avec 160 kg de glace carbonique, la caisse palette isotherme double ceinture 319 l en PU 60+60 mm permet de conserver les vaccins entre -90 °C et -60 °C pendant au moins 13 jours (318 heures), sous une température ambiante constante de +25 °C. Cette autonomie peut être prolongée en augmentant la masse de glace carbonique dans la limite de 200 kg.
caisse isotherme Elite Sofrigam avec de la glace carbonique
emballage Elite Sofrigam de la chaîne du froid
CONCLUSIONS
Les caisses isothermes utilisant la glace carbonique comme sources de froid permettent de transporter les vaccins Covid-19 entre -90 °C et -60 °C. En fonction de l’isolant utilisé, ces solutions offrent des autonomies allant de 48 heures à plus de 10 jours. A dimensions identiques, les performances du polyuréthane sont environ 1,5 fois celles du polystyrène. Pour la même autonomie, la quantité de glace carbonique nécessaire pour une caisse en PS est 1,5 supérieure fois à celle en PU. Inversement, pour la même masse de glace carbonique, le volume utile 1,5 fois supérieur pour la caisse en PU. Les panneaux sous vide (VIP) encapsulés dans le PU permettent de réduire l’épaisseur et par conséquent le volume transporté. Le VIP 20 mm encapsulé par une couche de PU 5 mm (épaisseur totale de 30 mm) est globalement équivalent au PU 80 mm. Le VIP seul, non encapsulé, n’est pas compatible avec la glace carbonique car l’enveloppe (film) protégeant le vide ne résiste pas aux très basses températures.