Comment établir une détermination du point final du mélange grâce à une instrumentation de procédé intégrée ?
Une détermination du point final basée sur des capteurs remplace un temps de mélange fixe par un critère démontré de l'état de procédé atteint. Elle ne fonctionne que si le signal du capteur s'avère réellement pertinent pour le produit concret, le mélangeur et l'exigence de qualité visée. Un signal de couple ou un signal spectral stable ne prouve pas automatiquement à lui seul l'homogénéité ou l'aptitude à la libération.
Définir la tâche de mesure
Il faut d'abord définir clairement ce que signifie le point final. Selon le procédé, il peut s'agir d'une répartition suffisante du principe actif, de l'humidité, de la concentration, de la viscosité, de la structure des particules, du mouillage ou d'une transformation chimique. Cette grandeur cible est appelée attribut critique de qualité. On détermine ensuite quelles grandeurs de procédé influencent le point final, par exemple le temps de mélange, la vitesse de rotation, le taux de remplissage, l'ordre de dosage ou la température.
Pour les mélanges de poudres sèches, la spectroscopie proche infrarouge est souvent une méthode appropriée pour évaluer la concentration, l'humidité ou, avec un étalonnage suffisant, l'homogénéité. La spectroscopie Raman peut, pour certaines substances, saisir des caractéristiques chimiques ou cristallines. Le couple, le courant moteur ou la puissance absorbée fournissent plutôt des indications indirectes sur le comportement du produit, l'agglomération ou le mouillage. Ils ne conviennent comme critère de point final que si leur lien avec la qualité visée a été démontré pour le procédé concerné.
La conductivité, le pH, la turbidité ou la viscosité sont surtout pertinents pour les liquides, les pâtes, les suspensions ou les solutions. Pour les poudres sèches, ce ne sont en général pas des signaux primaires adaptés. L'acoustique, les ultrasons et le traitement d'image peuvent être utiles dans certaines applications spécifiques, mais leur développement et leur validation pour un point final de mélange robuste sont généralement nettement plus complexes.
Intégrer correctement le capteur
Le point de mesure doit fournir des informations de procédé représentatives. Une sonde placée à un endroit localement mieux mélangé peut donner une image trop optimiste ; une sonde située dans une zone morte peut entraîner des temps de mélange inutilement longs. L'emplacement de montage doit donc être choisi sur la base de la compréhension de l'écoulement, d'essais préliminaires et de mesures comparatives. Pour les poudres, il faut en outre vérifier si les fenêtres s'encrassent, si le produit adhère à la sonde ou si des taux de remplissage variables influencent le signal de mesure.
Les capteurs doivent être conçus pour résister à la pression, à la température, à l'abrasion et, le cas échéant, être adaptés à la protection contre les explosions. Ils nécessitent une intégration hygiénique et nettoyable, des joints adaptés et un plan clair pour le nettoyage, l'étalonnage, le contrôle fonctionnel et le remplacement. Le Cleaning in Place, ou nettoyage en place, désigne le nettoyage à l'état installé sans démontage important ; l'abréviation courante est CIP. Le Sterilization in Place, ou stérilisation en place, désigne la stérilisation à l'état installé ; l'abréviation est SIP. Si une sonde ne peut pas être nettoyée ou contrôlée de manière sûre, elle n'est que d'un usage limité pour des procédés critiques sur le plan hygiénique ou réglementaire.
La transmission des données vers l'automate programmable industriel, le système de conduite de procédé ou le Manufacturing Execution System doit se faire de manière temporellement correcte et traçable. Un automate programmable industriel est un ordinateur industriel destiné à la commande de machines et de procédés. Un Manufacturing Execution System soutient le pilotage de la production et la documentation des charges. La fréquence d'échantillonnage devrait être déduite de la dynamique du signal. Des taux de données plus élevés ne sont pas automatiquement meilleurs ; ils génèrent davantage de données et de bruit sans nécessairement améliorer la décision relative au point final.
Développer le modèle et les valeurs limites
Le point final est généralement développé au moyen de séries d'essais réalisées avec le produit d'origine. Lors de ces essais, les données des capteurs sont enregistrées conjointement avec des références de laboratoire appropriées, par exemple le dosage de la teneur, la mesure de l'humidité, l'analyse granulométrique ou des échantillons pour le contrôle de l'homogénéité. La chromatographie liquide à haute performance, en abrégé HPLC, est par exemple une méthode de laboratoire permettant la détermination quantitative de certaines substances chimiques. La titration de Karl Fischer est une méthode établie pour la détermination de la teneur en eau.
À partir des données, un critère de point final simple et transparent ou un modèle chimiométrique peut être développé. La chimiométrie associe des données de mesure chimiques à des méthodes statistiques. Cela comprend par exemple l'analyse en composantes principales, en abrégé PCA, pour la représentation de motifs dans des données complexes, et la régression des moindres carrés partiels, en abrégé PLS, pour l'étalonnage d'une relation entre spectres et valeurs de référence. Un modèle complexe n'est pas automatiquement meilleur. Pour l'exploitation courante, il doit être robuste, traçable, maintenable et suffisamment stable face aux variations habituelles des matières premières et du procédé.
Peut par exemple servir de critère de point final le fait qu'un modèle de concentration ou d'humidité étalonné se situe dans une plage cible définie et ne varie plus de façon significative sur une fenêtre temporelle définie. Un écart-type glissant peut également être utilisé s'il est corrélé à des données de qualité réelles. Le simple rapprochement de la première ou de la deuxième différence du signal vers zéro ne constitue pas à lui seul une preuve de qualité suffisante.
Les valeurs limites doivent être définies de manière à tenir compte de l'incertitude de mesure, de la dispersion des matières premières, de l'encrassement du capteur, du point de mesure et du retard temporel. Il devrait en outre exister une gestion claire des signaux invalides ou manquants. En cas de défaillance de la mesure, la commande ne doit pas libérer une charge ou terminer le procédé de manière incontrôlée. Des stratégies de repli définies conviennent, par exemple un temps de mélange maximal admissible fixé de façon conservatrice, une alarme et une décision qualifiée prise par le personnel d'exploitation ou l'assurance qualité.
Automatiser et sécuriser
Une fois le développement mené à bien, le critère de point final peut être intégré à la commande. Le mélangeur peut alors s'arrêter lorsque le critère est rempli, passer à la vidange ou générer un message pour vérification. Dans les applications critiques pour la qualité, une logique partiellement automatisée est souvent plus judicieuse qu'une libération entièrement autonome : le système détecte le point final probable, documente les données et les écarts, et demande si nécessaire une confirmation par du personnel qualifié.
L'intégration doit être qualifiée et, selon le secteur et le risque, validée. Cela comprend la Design Qualification, l'Installation Qualification, l'Operational Qualification et la Performance Qualification. La Design Qualification documente l'adéquation du concept. L'Installation Qualification confirme l'installation correcte. L'Operational Qualification vérifie les fonctions dans la plage prévue. La Performance Qualification démontre la performance en exploitation courante. Il faut en outre maîtriser le capteur, le traitement des données, les versions de modèle, les seuils d'alarme, les droits d'utilisateur, les pistes d'audit, les sauvegardes et la gestion des modifications.
La Process Analytical Technology, en abrégé PAT, désigne selon la FDA un système de développement, d'analyse et de pilotage de la fabrication par la mesure en temps utile d'attributs critiques de qualité et de performance des matières premières, des produits intermédiaires et des procédés. La FDA considère la PAT comme un moyen d'améliorer la compréhension du procédé et la qualité du produit, et non comme une obligation ou une stratégie de libération automatique.
Le Real Time Release Testing, en abrégé RTRT, peut être soutenu par des données de procédé validées. Cela ne signifie toutefois pas qu'une instrumentation de mélange remplace à elle seule la libération des charges. Selon l'ICH Q8, la libération des charges reste une décision indépendante fondée sur les résultats de contrôle, les dossiers de fabrication, la conformité BPF et le système qualité. Le RTRT peut compléter ou remplacer certains contrôles finaux, si cela est justifié et autorisé sur le plan réglementaire ; il ne remplace pas nécessairement l'ensemble des contrôles du produit fini.
Instrumentation de procédé et détermination du point final chez amixon®
amixon® peut intégrer, de façon spécifique au projet, une instrumentation et des logiques de point final dans les appareils de mélange, de granulation, de séchage et de réaction. La base en est la User Requirement Specification, en abrégé URS. Elle fixe quelles grandeurs de produit et de procédé sont saisies, comment les données sont traitées et quelles interfaces vers l'automatisation de l'exploitant sont nécessaires. L'instrumentation n'est pas conçue comme un ensemble standard, mais adaptée au produit, au procédé, au type d'appareil et à la grandeur cible.
Dans les procédés de mélange et de granulation, on peut par exemple saisir le couple, la puissance absorbée, la température du produit, l'humidité et les quantités dosées. De telles valeurs fournissent des indications sur le mouillage, la consistance, le comportement d'agglomération ou l'avancement du procédé. Elles ne constituent toutefois pas, sans étalonnage propre au produit, une preuve directe d'homogénéité ou de qualité du granulé. Les appareils fonctionnant en continu peuvent être équipés d'un échantillonneur, de sorte que les données de procédé puissent être complétées par des prélèvements directs de produit. Cela permet de recouper systématiquement les signaux des capteurs et l'analytique de laboratoire.
Pour les mélangeurs-sécheurs sous vide et les réacteurs des séries VMT et AMT, la combinaison de la température du produit, de la pression ou du vide, de la puissance de chauffage ou de refroidissement et, le cas échéant, du débit de vapeurs, est déterminante pour évaluer l'avancement du séchage. Les appareils sont étanches à la pression et au vide et peuvent être thermorégulés au niveau de la cuve, des outils de mélange et d'autres zones en contact avec le produit. Cela permet une saisie proche du procédé des grandeurs d'état thermiques et liées à la pression. Un point final de séchage ne devrait cependant pas être déduit uniquement d'un plateau de pression ou de température. Il doit être vérifié par rapport à la teneur en humidité résiduelle souhaitée ou à une autre grandeur de qualité appropriée, avec le produit d'origine.
La base technique est constituée par l'automatisation spécifique au projet. Les programmes de mélange peuvent être enregistrés dans un automate programmable industriel, en abrégé API. Un API est un ordinateur industriel destiné à la commande de machines et de procédés. Il peut piloter de façon reproductible le temps de mélange, la vitesse de rotation, l'ordre de dosage, la température, la pression, le vide et d'autres paramètres validés. Les interfaces vers les systèmes de conduite de procédé, les Manufacturing Execution Systems, en abrégé MES, ou les systèmes de planification des ressources de l'entreprise (Enterprise Resource Planning), en abrégé ERP, sont conçues selon les exigences du projet. Un MES soutient le pilotage de la production et la documentation des charges ; un système ERP gère entre autres la gestion des matières et des commandes.
Une identification des matières par code-barres peut relier entre eux la recette, la charge et certains paramètres de procédé sélectionnés. Dans les applications réglementées, amixon® peut fournir une documentation technique pertinente pour la qualification et apporter son soutien pour la Design Qualification, l'Installation Qualification et l'Operational Qualification, en abrégé DQ, IQ et OQ. La DQ documente l'adéquation du concept, l'IQ l'installation conforme et l'OQ le fonctionnement correct dans la plage prévue. La responsabilité de la validation de la stratégie de point final, du traitement des données et du système global reste à l'exploitant.
Les centres techniques amixon® sont particulièrement précieux pour développer une logique de point final. À Paderborn, plus de 30 installations d'essai de tailles différentes sont disponibles ; s'y ajoutent des centres techniques régionaux aux États-Unis et dans plusieurs pays d'Asie. Les essais sont réalisés avec le produit d'origine, des taux de remplissage réels, l'apport d'énergie prévu ainsi que les plages de température, de pression et de vide envisagées. On peut ainsi comparer d'éventuels signaux de point final tels que l'évolution du couple, le plateau de température, l'évolution de l'humidité ou la variation de pression avec des échantillons de produit et des valeurs de qualité. La conception de l'instrumentation et de l'automatisation qui en résulte repose ainsi sur des essais documentés plutôt que sur des hypothèses générales.
amixon® développe et fabrique les appareils de façon centralisée à Paderborn. La forte intégration verticale permet une coordination étroite entre la chambre de mélange, les tubulures de capteurs, la thermorégulation, la technique du vide, l'échantillonneur, l'évacuation et l'automatisation. Cela est particulièrement avantageux lorsque le point de mesure doit être intégré de façon hygiénique, étanche à la pression ou au vide, nettoyable et adaptée au produit concerné. Grâce à un approvisionnement durable en pièces de rechange, à la maintenance, à la modernisation et au rétrofit, l'instrumentation peut être développée en fonction de l'évolution des exigences de procédé sur tout le cycle de vie de l'installation.