À quoi ressemble une configuration idéale-typique pour le tamisage, le dosage-pesage, le mélange et l'évacuation du produit sans ségrégation ?
Une configuration idéale-typique suit le principe : le moins de transferts de produit possible, des tronçons de chute libre aussi courts que possible et un flux massique contrôlé de la matière première jusqu'à l'emballage. Chaque étape de transport supplémentaire, chaque silo, chaque glissière et chaque chute libre peut favoriser la démixtion, l'abrasion, la formation de poussière ou la contamination croisée. Sont particulièrement critiques les mélanges présentant de grandes différences de taille de particule, de masse volumique apparente, de forme ou de comportement d'écoulement.
La structure suivante décrit une configuration de référence adaptée à la pratique pour les procédés de poudre en charges et continus. La conception réelle doit être adaptée au produit, à l'exigence d'hygiène, au débit, à la recette et à la protection contre les explosions.
Configuration de procédé idéale-typique
Mise à disposition de la matière première → tamisage → mise en tampon et dosage-pesage → alimentation de produit définie → mélangeur → évacuation ménageante → transfert court et fermé → conditionnement ou procédé suivant
Au début se trouvent la réception et le stockage des matières premières dans des gebindes, petits conteneurs, big bags, sacs ou silos appropriés. La mise à disposition des matières premières devrait déjà favoriser la précision de dosage ultérieure. En font partie une masse volumique apparente stable, une humidité limitée, une granulométrie aussi homogène que possible et une vidange des gebindes adaptée au produit. Pour les poudres cohésives ou formant des ponts, des aides d'évacuation appropriées sont nécessaires, par exemple des agitateurs, des parois flexibles, des aides vibrantes ou des organes d'évacuation spécialement conçus. Ces auxiliaires doivent être réglés de manière à stabiliser le dosage sans détruire les particules ni démixer prématurément le mélange.
Avant le dosage, un tamis de contrôle est souvent judicieux. Il élimine les corps étrangers, les résidus d'emballage, les grumeaux durs ou les surgrains indésirables. Le tamis devrait être positionné le plus tôt possible dans le procédé et avant le dosage de précision. Pour les granulés ou céréales sensibles, la tamiseuse doit être conçue de façon particulièrement ménageante afin de ne pas provoquer elle-même d'abrasion et de rupture de grain. Des séparateurs magnétiques ou des séparateurs métalliques peuvent être utilisés en complément lorsque des corps étrangers métalliques sont à prévoir en provenance des matières premières ou de la technique de transport.
Après le tamisage, chaque matière première parvient dans un petit réservoir intermédiaire adapté au produit ou directement dans le poste de dosage. Un stockage prolongé dans de grands silos intermédiaires après le tamisage doit être évité dans la mesure du possible, car le matériau peut à nouveau s'y démixer lors du remplissage, de la vibration et de la vidange. Si une mise en tampon intermédiaire est inévitable, le réservoir devrait être conçu pour le Mass Flow, c'est-à-dire un mouvement aussi homogène que possible de l'ensemble de la section de produit. Le Mass Flow peut limiter la démixtion lors de la vidange, mais ne garantit pas une vidange totalement homogène si le mélange a déjà été séparé latéralement ou par granulométrie lors du remplissage.
Le dosage s'effectue de façon gravimétrique lorsque la précision de la recette et la reproductibilité sont essentielles. Pour les procédés en charges, des pesées gravimétriques dans une trémie de pesée ou un mélangeur monté sur cellules de pesée conviennent. Les composants principaux sont souvent introduits avec une phase de dosage grossier suivie d'une phase de dosage fin. Le dosage fin réduit les dépassements et augmente la précision de pesée. Après chaque composant, un temps suffisant doit être prévu pour la stabilisation du signal de pesée ; des raccordements flexibles, un découplage antivibratoire et une purge d'air étanche à la poussière empêchent que des forces extérieures ou des variations de pression ne faussent le signal de pesée.
Pour les procédés continus, les doseurs à perte de poids, appelés doseurs LIW, sont particulièrement adaptés. Le réservoir de dosage et l'organe d'évacuation reposent sur des cellules de pesée ; la commande régule la vitesse de rotation d'évacuation à partir de la perte de poids mesurée par unité de temps. Cela permet de contrôler le flux massique réel et non seulement la vitesse de rotation d'une vis de dosage. Les doseurs LIW sont particulièrement utiles lorsque la masse volumique apparente, le niveau de remplissage ou le comportement d'écoulement peuvent varier. Leur concept de remplissage est toutefois critique : pendant le remplissage, le fonctionnement de mesure gravimétrique est habituellement interrompu temporairement et compensé par un dosage volumétrique assisté par modèle. Le processus de remplissage, la taille du réservoir, la vitesse de remplissage et la stabilisation qui suit doivent donc être adaptés au flux massique requis et à l'écart de dosage admissible.
Pour les petits composants tels qu'arômes, principes actifs, vitamines, colorants ou oligoéléments, la tâche de dosage est particulièrement exigeante. Ils devraient être dosés le plus près possible du mélangeur, afin que seul un court tronçon de transport suive l'ajout. Pour des quantités très faibles, un prémélange avec un matériau porteur approprié peut être nécessaire. Le composant porteur devrait posséder des propriétés de particules aussi proches que possible de celles des composants principaux, afin que le prémélange ne se démixe pas à nouveau lors de l'alimentation et dans le mélangeur.
La réunion des composants dosés avant le mélangeur doit s'effectuer de façon calme et contrôlée. Une trémie de collecte commune ne doit pas entraîner une chute de produit élevée et incontrôlée ni une prédémixtion. Sont favorables des transferts courts, aussi verticaux que possible et étanches à la poussière, avec une large section. Les longues glissières inclinées, plaques de déflexion, hauteurs de chute libre élevées et vis de transport à rotation rapide devraient être évitées ou utilisées uniquement après essai produit. Elles peuvent générer de l'abrasion, séparer les grandes et petites particules ou faire pulser le flux de produit.
Le mélangeur doit correspondre au mélange et à la tâche de mélange. Il devrait saisir de façon fiable l'ensemble du volume de la charge, sans provoquer de cisaillement excessif, de rupture de particules ou de sur-mélange local. Sont importants une plage de travail définie pour le taux de remplissage, une géométrie d'outil adaptée, une vitesse de rotation reproductible et un temps de mélange limité au moment le plus précoce d'une homogénéité suffisante. Pour les ajouts de liquide, les buses de pulvérisation doivent être positionnées dans une zone de produit suffisamment mue. La taille des gouttelettes, le débit de pulvérisation, la viscosité et l'intensité de mélange doivent être coordonnés de manière à éviter toute surhumidification locale, formation de grumeaux ou collages.
Après le mélange, l'évacuation du produit est souvent l'étape la plus critique pour la démixtion. Idéalement, le mélange est transféré directement du mélangeur vers le procédé suivant ou le conditionnement, sans stockage intermédiaire. La sortie devrait être suffisamment grande pour permettre un flux massique homogène et peu pulsatile. Un Mass Flow contrôlé dans le réservoir d'évacuation ou le mélangeur réduit le risque que seules certaines fractions soient d'abord évacuées. De grands cônes d'écoulement, de longs tronçons de chute, des glissières fortement inclinées, des vibrations de transport et des transports pneumatiques peuvent à nouveau dégrader un bon mélange. C'est pourquoi les puits de transfert devraient être conçus courts, verticaux, à paroi lisse et aussi exempts que possible de changements brusques de section.
Si un réservoir intermédiaire après le mélangeur est inévitable, il devrait être aussi petit que possible et ne servir que de tampon de courte durée. Sa conception doit permettre une vidange homogène. Le Funnel Flow, c'est-à-dire un flux central avec des zones marginales stagnantes, peut renforcer une démixtion et retenir d'anciens résidus de produit. Le Mass Flow constitue généralement une meilleure base de départ, mais doit être confirmé par des essais avec le mélange réel. Une vidange complète peut également être problématique si, pour la dernière fraction de produit, des fractions s'évacuent séparément ; le processus de réservoir et de conditionnement devrait donc être vérifié quant à l'homogénéité sur l'ensemble du déroulement de la vidange.
Commande et qualité
La commande devrait saisir toutes les quantités pesées, temps de dosage, flux massiques de consigne et réels, temps de mélange, vitesse de rotation, quantités de liquide et, le cas échéant, la température. Pour les installations continues, la régulation de rapport de tous les flux de dosage par rapport au composant principal est centrale. Pour les procédés en charges, une gestion des recettes, des contrôles de plausibilité, des libérations après pesée et une documentation de charge sans lacune sont judicieux.
L'assurance qualité ne contrôle pas uniquement l'échantillon dans le mélangeur. Elle doit également évaluer l'homogénéité au début, au milieu et à la fin de l'évacuation. Les grandeurs caractéristiques pertinentes sont le coefficient de variation d'un composant traceur, la répartition granulométrique, la masse volumique apparente, l'humidité, la teneur en poussière, la proportion de casse et, le cas échéant, l'homogénéité d'un ajout de liquide. Ce n'est que lorsque ces valeurs restent stables sur le dosage, le mélange, l'évacuation et le conditionnement que le procédé est réellement pauvre en démixtion.
Ainsi amixon® relie tamisage, dosage, mélange et évacuation
Un procédé de poudre pauvre en démixtion commence par un raccordement étanche à la poussière et conforme à l'hygiène de toutes les étapes de procédé. Le tamisage, le dosage-pesage, le mélange, l'évacuation et le conditionnement devraient être reliés autant que possible sans transferts ouverts, longues glissières ou tampons intermédiaires inutiles. Chaque tronçon de chute supplémentaire, chaque vibration et chaque point de transvasement peut favoriser la démixtion, l'abrasion ou la libération de poussière.
Les mélangeurs amixon® peuvent être équipés d'interfaces étanches aux gaz et à la poussière. Pour le raccordement aux tamis, postes de dosage, filtres, techniques de transport, postes de big bags ou installations de conditionnement, des tubulures standardisées et des interfaces spécifiques au projet sont disponibles. Dans les applications exigeantes sur le plan hygiénique, des raccordements lisses, bien accessibles et nettoyables sont déterminants. Là où une conduite de procédé aseptique ou stérilisable est requise, des brides sanitaires appropriées et des concepts de raccordement hygiéniques peuvent être prévus. Le choix concret de la norme de bride, du joint, du matériau et du procédé de nettoyage dépend du produit, du niveau de pression, de la température, du concept CIP ou SIP et des exigences de l'exploitant.
La construction verticale des mélangeurs amixon® permet une taille de charge flexible. Les outils de mélange SinConvex® ou SinConcave® génèrent un mouvement de produit tridimensionnel : le mélange est soulevé près de la paroi et s'écoule à nouveau vers le bas dans la zone centrale. La performance de mélange peut ainsi être maintenue sur une large plage de taux de remplissage, à condition que le produit, l'exécution des outils, la vitesse de rotation et le temps de mélange soient coordonnés. Pour les charges particulièrement petites ou particulièrement grandes, le taux de remplissage minimal, l'espace de purge d'air, la colonne de produit, l'ajout de liquide et le comportement à l'évacuation doivent néanmoins être vérifiés avec le produit d'origine.
Après le mélange, l'évacuation est une étape déterminante pour la qualité du produit. amixon® propose à cet effet différents concepts, qui peuvent être choisis en fonction du produit, de la tâche de conditionnement et du flux massique souhaité.
Pour une évacuation dosée ou portionnée, la vanne DosiFlap® peut être utilisée. Elle permet, selon les indications d'amixon®, un flux de produit ciblé, limité et interruptible. Le volet peut se fermer contre le mélange s'écoulant, fermant ainsi le mélangeur côté produit. Cela permet de transférer le produit de façon dosée, par exemple vers des trémies de pesée, gebindes, big bags ou machines de conditionnement en aval. La DosiFlap® est conçue comme une vanne d'évacuation à faible espace mort ; sa précision de dosage effective dépend toutefois du comportement d'écoulement du produit, de la masse volumique apparente, de la granulométrie, de la section d'évacuation et de la technique de pesée en amont.
Lorsqu'un écoulement rapide en masse est requis, le mélangeur KoneSlid® peut être utilisé. Son corps de fermeture conique s'abaisse pour la vidange et ouvre un évacuateur de fond de grande section. Le mélange peut ainsi être évacué en peu de temps, sans qu'un cône d'écoulement prononcé ne subsiste dans la chambre de mélange. amixon® décrit l'évacuation KoneSlid® comme exempte de démixtion, avec un mouvement réduit de l'outil de mélange. L'aptitude devrait être confirmée par essai, en particulier pour les mélanges présentant de grandes différences de taille de particule, de masse volumique apparente ou de forme.
Le mélangeur silo Gyraton® est également conçu pour des charges de grand volume avec évacuation centrale de fond. La vanne d'évacuation centrale, à faible espace mort, permet un flux de produit direct vers les procédés en aval. L'outil de mélange Gyraton® peut, pendant la vidange finale, être exploité de manière à faire circuler encore le produit dans la zone de fond et à favoriser une vidange homogène. La question de savoir si le mélange reste exempt de démixtion sur l'ensemble du déroulement de l'évacuation dépend de la recette, des propriétés des particules, du taux d'évacuation, de la technique de transport et du transfert suivant, et doit être vérifiée de façon spécifique au procédé.
Pour les mélangeurs verticaux à un et deux arbres, l'équipement ComDisc® peut soutenir la vidange finale. Les éléments ComDisc® balaient alors, lors de la dernière étape d'évacuation, la zone de fond et acheminent les résidus de produit restants vers la sortie. amixon® décrit cette fonction comme un soutien pour une vidange résiduelle poussée sans démixtion. La quantité résiduelle atteignable et l'absence de démixtion dépendent toutefois toujours du comportement d'écoulement, de la cohésion, de l'humidité, de la teneur en matières grasses et de la répartition granulométrique du produit.
L'hygiène et la nettoyabilité restent centrales pour tous les concepts d'évacuation. Les portes d'inspection Clever-Cut® avec joint OmgaSeal® permettent, selon les indications du fabricant, une étanchéité à faible espace mort et l'accès aux zones en contact avec le produit. En combinaison avec des tubulures accessibles, des joints hygiéniques et un régime de nettoyage adapté, le changement de produit, l'inspection visuelle et la maintenance peuvent être facilités.