Quels concepts de mélangeurs de poudres fonctionnent bien avec des fûts normalisés standardisés pour de petites charges de poudre ?
Pour les petites charges de poudre dans des fûts normalisés standardisés, ce sont surtout les mélangeurs à fût et conteneur selon le principe de chute libre qui fonctionnent, à condition que les poudres soient bien coulantes, largement exemptes d'agglomérats et suffisamment similaires en termes de taille de particule, de forme de particule, de masse volumique apparente et de comportement d'écoulement. Dans le travail de développement, on trouve en particulier des mélangeurs à fût rotatifs, des mélangeurs à culbutage et des mélangeurs conteneurs 3D. Le fût fermé est alors introduit dans un dispositif de serrage sûr et tourné, retourné ou mû par un mouvement superposé en tant que cuve de mélange complète. Comme aucun outil de mélange ne plonge dans l'espace de produit, la structure granulaire est traitée de façon comparativement ménageante. En même temps, le produit reste dans son emballage d'origine, ce qui limite les pertes de transvasement, les surfaces d'installation en contact avec le produit et l'effort de nettoyage du châssis du mélangeur. Les mélangeurs à tambour sont également disponibles pour des contenants plus petits ; les systèmes courants sur le marché couvrent par exemple des fûts jusqu'à environ 220 litres ainsi que de petits récipients de laboratoire.
Les mélangeurs à fût purement rotatifs sont particulièrement simples dans leur construction. Le fût est fixé via des sangles de serrage, des coques de forme, des bras de serrage réglables ou des adaptateurs interchangeables sur l'enveloppe ou le bord du fût, et mû autour d'un axe défini. Les mélangeurs à culbutage et 3D élargissent le mouvement de rotation pur par des mouvements de pivotement ou d'inversion supplémentaires. Cela peut améliorer l'échange des zones de produit. Pour les granulés sensibles et les mélanges de poudre bien coulants, ces concepts conviennent souvent, car la sollicitation mécanique reste faible et aucun outil de mélange en contact avec le produit n'est à nettoyer.
Ces avantages ne doivent toutefois pas occulter le fait que les mélangeurs à chute libre ne conviennent que de façon limitée pour de nombreuses recettes de poudre exigeantes. Le principe de mélange repose sur le mouvement libre des particules individuelles et sur des mouvements répétés de chute et d'avalanche. Les poudres fortement cohésives peuvent alors être mues comme des agglomérats cohérents ou des « mottes », sans être suffisamment finement réparties. Pour de tels produits, l'énergie de cisaillement apportée ne suffit souvent pas à dissoudre de façon fiable les agglomérats ; un mélangeur dynamique à outils et à effet de cisaillement défini peut alors être nécessaire. Les mélangeurs à chute libre peuvent, à l'inverse, tendre à la démixtion en présence de composants très coulants. Des différences de taille de particule, de masse volumique apparente, de forme ou de propriétés de surface favorisent une ségrégation pendant le mélange et en particulier lors de l'évacuation.
Pour les recettes présentant de grandes différences entre les composants, des petits composants difficiles à doser, des poudres fortement cohésives, un ajout de liquide nécessaire ou des exigences d'homogénéité élevées, des têtes de mélange de laboratoire accostables constituent donc souvent la meilleure solution. Le fût reste alors le récipient de produit, tandis qu'une tête de mélange externe est accostée de façon étanche à la poussière depuis le haut. Comme outils de mélange entrent par exemple en considération des outils hélicoïdaux, à hélice, à ancre ou de dispersion. Un tel système peut apporter un effet de cisaillement nettement plus élevé et plus ciblé qu'un mélangeur à chute libre. Il convient donc pour les solides cohésifs, les tâches d'humidification, les suspensions et les liquides à solides en suspension. Pour les systèmes liquides ou pâteux, le choix des outils doit être orienté sur le comportement d'écoulement du milieu concerné.
Les postes d'accostage et de vidange en fond sont une autre possibilité lorsque des produits doivent être dosés, homogénéisés ou traités en tant que suspension à partir de fûts. Le fût est posé sur un poste d'accostage et relié via une robinetterie d'évacuation appropriée. Un agitateur peut alors être introduit par le haut ou par le bas dans le récipient afin de reprendre les sédiments ou d'homogénéiser une suspension de solides avant l'évacuation. Ces solutions sont particulièrement pertinentes lorsqu'un produit sédimente pendant le stockage ou que des solides doivent être à nouveau répartis de façon homogène dans un liquide avant le conditionnement.
Les systèmes de dissolveur et rotor-stator en construction fût ne conviennent pas en premier lieu au mélange de poudre sec, mais à la fabrication de dispersions, d'émulsions et de suspensions. Ils génèrent des forces de cisaillement locales élevées et peuvent disperser finement des pigments, des agglomérats de solides ou des systèmes liquide-solide. Les applications typiques se situent dans les peintures, revêtements, formulations cosmétiques, adhésifs et produits chimico-techniques. Pour les formulations pâteuses, des mélangeurs planétaires compacts ou des systèmes à double axe peuvent être utilisés, dans lesquels les outils se déplacent à la fois autour de leur propre axe et le long de la paroi de la cuve. De tels systèmes conviennent pour les milieux pâteux, les adhésifs ou les mastics ; le terme de viscosité se rapporte dans ce contexte à la phase continue liquide ou pâteuse, et non aux poudres sèches.
Pour le traitement sûr de différentes tailles de fûts, une fixation appropriée est essentielle. Les fûts en acier peuvent en règle générale être repris via des systèmes de serrage ou de centrage robustes. Les fûts en plastique et les hobbocks nécessitent en revanche une répartition surfacique de la charge, par exemple via de larges sangles de serrage, des coques de forme adaptées ou des adaptateurs en panier, afin qu'ils ne se déforment pas sous une sollicitation dynamique. Les petits récipients de laboratoire peuvent être repris de façon stable avec des adaptateurs réducteurs. Les rampes d'accélération et de freinage devraient être réglées de manière à ce que les contenants, robinetteries de fermeture et le produit ne soient pas sollicités dynamiquement de façon inutile. Un verrouillage sûr du couvercle, un contrôle de l'intégrité du fût et, pour les produits pulvérulents, des mesures de protection appropriées contre une libération involontaire sont en outre nécessaires.
Le mélange dans le fût d'origine offre en recherche et développement des avantages organisationnels clairs. Le fût peut servir de contenant de mélange, de stockage et de transport. Le nombre de transferts de produit est ainsi réduit, ce qui peut diminuer les pertes et le risque de contamination croisée. En outre, les charges d'essai peuvent être traitées rapidement les unes après les autres, car le châssis du mélangeur ne présente pas de surfaces internes en contact avec le produit lorsque le contenant est fermé. Pour les substances toxiques, poussiéreuses ou contenant des solvants, un système fermé et mécaniquement sûr est particulièrement important. La question de savoir si le serrage du fût et l'ensemble de l'installation conviennent à la zone ATEX respective ou à un niveau de confinement spécifique doit être vérifiée séparément.
Un simple scale-up du fût de laboratoire vers un mélangeur de production ne va toutefois pas de soi. La transposabilité dépend du principe de mélange, de la géométrie du contenant, du taux de remplissage, de la trajectoire de mouvement, de la vitesse de rotation, des propriétés du produit et de l'ordre de dosage. Des grandeurs caractéristiques comme le nombre de Froude peuvent donner une orientation pour les systèmes rotatifs, mais ne remplacent pas des essais à l'échelle pertinente. Précisément parce que le degré de démixtion peut varier avec la taille du contenant, la hauteur de chute, le mouvement d'air et la géométrie d'évacuation, l'homogénéité devrait être vérifiée aussi bien après le mélange qu'après le transport et la vidange. La recherche montre que les différences de propriétés des particules, et en particulier de taille de particule, peuvent influencer de façon significative l'homogénéité et le risque de ségrégation.
Concepts de mélange en fût et IBC d'amixon®
Pour les petites charges de poudre dans des fûts normalisés standardisés, amixon® propose, avec le mélangeur à un arbre EM, un concept de mélange qui associe les avantages de la logistique en fût à un effet de mélange dynamique et précisément pilotable. Pour les charges plus importantes et les flux de matière basés sur IBC, le mélangeur conteneur COM est disponible. Les deux systèmes se distinguent fondamentalement des mélangeurs à chute libre ou à culbutage : le contenant n'est pas tourné ou retourné en tant que récipient fermé, mais reste vertical ou dans une inclinaison définie pendant le procédé. L'homogénéisation s'effectue par un outil de mélange activement entraîné. Cela permet de traiter également des produits qui ne conviennent que de façon limitée aux systèmes de mélange à chute libre purs, par exemple les poudres cohésives, les mélanges de solides humides, les matières premières agglomérées ou les mélanges avec ajout de liquide.
Le mélangeur à un arbre amixon® EM est conçu pour de petites charges de développement, de petite production et juste-à-temps. Selon l'exécution, il couvre des tailles de charge d'environ 5 à 200 litres et peut être chargé et vidé avec des fûts normalisés ou à couvercle standardisés. Le fût est amené au mélangeur avec un transpalette manuel et accosté de façon peu poussiéreuse. Le mélangeur est rempli par un mouvement de pivotement contrôlé ; une fois le processus de mélange terminé, le produit homogénéisé peut être ramené dans le fût par le même chemin. Le fût sert ainsi de contenant de transport et de réception, tandis que le processus de mélange proprement dit se déroule dans la chambre de mélange amixon®.
La chambre de mélange de l'EM peut être inclinée pour le remplissage, la vidange et l'intensification du procédé. En position inclinée, le mouvement vertical du produit de l'outil de mélange se superpose à un courant transversal. Le produit est transporté vers le haut dans la zone périphérique, ramené vers le bas dans la zone centrale et en même temps recirculé latéralement. Cette recirculation tridimensionnelle favorise une homogénéisation homogène, même à faibles taux de remplissage. Le taux de remplissage peut se situer, selon le produit et l'exécution, dans une large plage d'environ 10 à 100 pour cent du volume utile. L'intensité de mélange est adaptable : pour les tâches d'homogénéisation particulièrement ménageantes, on peut travailler à faible vitesse de rotation de l'outil ; si nécessaire, des rotors de coupe ou des HighShearBlades peuvent être utilisés pour désagréger de façon ciblée les agglomérats et soutenir l'incorporation de petites quantités de principes actifs ou d'additifs.
L'EM convient en particulier pour les prémélanges et les triturations. De telles étapes de procédé sont importantes lorsque de faibles quantités de composants actifs, vitaminiques, minéraux ou d'oligoéléments hautement concentrés doivent d'abord être prémélangées avec une masse porteuse appropriée. L'objectif du prémélange est d'incorporer les petits composants de façon complète et finement répartie dans une proportion suffisamment grande d'une poudre porteuse. Le prémélange résultant peut ensuite être introduit dans un mélange final plus important. Cette démarche est pertinente par exemple pour les produits pharmaceutiques, les nutraceutiques, les mélanges diététiques et l'alimentation infantile. La qualité de mélange requise et la stratégie d'échantillonnage appropriée doivent être démontrées pour chaque recette.
Des liquides peuvent également être incorporés de façon contrôlée dans la poudre au sein de l'EM. Un dosage de liquide approprié et, le cas échéant, un dispositif d'introduction finement atomisant permettent de répartir de petites quantités de liquide aussi uniformément que possible dans la poudre en mouvement. Pour une conception robuste, il convient de tenir compte de la mouillabilité, de la cohésivité, de l'humidité de départ, de la structure des particules, de la vitesse de dosage et d'une agglomération possible. Pour les poudres fortement cohésives ou les produits présentant des agglomérats prononcés, le mélange intensif supplémentaire peut soutenir la désagglomération. Comme pour tous les procédés de mélange de poudre, l'aptitude effective devrait être sécurisée par des essais avec le produit d'origine.
Pour les charges plus importantes, le mélangeur conteneur amixon® COM peut être utilisé. Le conteneur lui-même fait alors office de chambre de mélange et reste vertical ou légèrement incliné pendant le processus de mélange. Un outil de mélange plongeant depuis le haut génère le mouvement de produit nécessaire. Le mélange ne s'effectue donc pas par retournement du conteneur, mais par un système de mélange activement entraîné dans le récipient fermé. amixon® décrit le COM comme un mélangeur conteneur pour produits de mélange de haute valeur ; selon l'exécution, il peut fonctionner avec des IBC standardisés et des conteneurs Mixtainer® spéciaux.
Pour le COM, un outil de mélange SinConvex® et MultiPane® peut être utilisé. L'outil de mélange est introduit par le haut dans le conteneur fermé de façon étanche aux gaz, homogénéise le produit, puis est retiré en marche arrière. SinConvex® soutient une recirculation tridimensionnelle intensive et une bonne conduite du produit jusque dans les zones proches du fond et de la paroi. MultiPane® convient aux processus de mélange particulièrement ménageants et peut être utilisé lorsque des structures de particules, granulés ou agglomérats sensibles doivent être préservés autant que possible. Le COM peut ainsi être utilisé pour les poudres sèches et humides ainsi que pour les produits présentant des exigences d'homogénéité élevées. La tâche de mélange concrète, l'homogénéité atteignable et le taux de remplissage approprié sont déterminés par des essais produit.
Un avantage central des deux concepts réside dans l'association du processus de mélange et de la logistique des contenants. Les étapes de transvasement sont réduites, ce qui permet de limiter les pertes de produit, les émissions de poussière et les interfaces propices aux contaminations croisées. Le contenant peut être utilisé pour la pesée, le stockage intermédiaire, le transport interne à l'entreprise et la réception du produit fini. Pour l'EM, le produit est homogénéisé dans le mélangeur puis ramené dans le fût normalisé. Pour le COM, l'homogénéisation a lieu directement dans le conteneur. Cette organisation du procédé est particulièrement avantageuse pour les petites charges changeantes, pour les mélangeurs à façon ainsi que pour les entreprises confrontées à des changements de produit ou de recette fréquents.
La nettoyabilité fait partie intégrante de la conception de l'installation. Pour l'EM, la chambre de mélange peut être pivotée en position ergonomique pour le nettoyage. Pour le COM, un Washtainer® peut être accosté pour le nettoyage humide automatique de l'outil de mélange. Pour les applications hygiéniquement exigeantes, les systèmes de mélange peuvent être réalisés avec des géométries à faible espace mort, des surfaces en contact avec le produit bien accessibles et des fonctions de joints et de nettoyage appropriées. amixon® cite pour le COM, entre autres, des dispositifs WIP avec fermetures rapides aseptiques et l'aptitude à des exigences hygiéniques élevées. La question de savoir si un nettoyage à sec ou humide est nécessaire, et comment il doit être validé, dépend de la recette, du risque allergénique ou de principe actif, de l'adhérence du produit et des prescriptions de l'exploitant.
Les programmes de mélange peuvent être enregistrés dans un automate programmable et exécutés de façon reproductible par charge. En font partie le temps de mélange, la vitesse de rotation de l'outil, les phases de mélange intensif, l'ordre des ajouts, le dosage de liquide et, le cas échéant, les profils de température. Un raccordement à un système ERP ou de Manufacturing Execution ainsi qu'une saisie par code-barres ou RFID peuvent soutenir l'affectation sans lacune de la recette, des matières premières, du contenant, de la charge, des paramètres de procédé et de l'état de nettoyage. Cela crée une base fiable pour la traçabilité, la validation de procédé et l'évaluation de la disponibilité de l'installation.
Toutes les propriétés hygiéniques reposent sur une exécution constructive facile à nettoyer. En font partie des surfaces soudées et polies à faible nombre de joints, des outils de mélange montés par le haut sans passage d'arbre inférieur en contact avec le produit, de grandes portes d'inspection et des organes d'évacuation à faible espace mort. Les portes d'inspection CleverCut® avec joints OmgaSeal® peuvent améliorer l'accessibilité et soutenir une exécution durablement étanche et facile à nettoyer. Selon le projet, des lances de lavage intégrées ou des fonctions de nettoyage humide entièrement automatiques peuvent également être prévues. Une exécution selon les directives EHEDG et tenant compte des directives d'hygiène de la FDA ou des 3-A Sanitary Standards est possible selon le projet.
Avant le choix d'un système de mélange, la démonstration avec le produit d'origine s'impose. Au centre technique amixon® à Paderborn, plus de 30 installations d'essai de différentes tailles sont disponibles ; des centres techniques existent en outre au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis. Les essais reproduisent des taux de remplissage, tailles de charge, conditions de température et de pression réels. Sont évalués la qualité de mélange, le ménagement du produit, l'apport d'énergie, la désagglomération, l'incorporation de liquide, la vidangeabilité, la nettoyabilité et la reproductibilité en exploitation ultérieure. Les résultats documentés constituent une base solide pour la conception technique et économique de la solution de mélange en fût ou en IBC choisie.