Quelles options existent pour des extensions modulaires (par ex. points de dosage supplémentaires, instrumentation, vannes) dans les installations de mélange ?
Les extensions modulaires concernent des modules fonctionnels supplémentaires sur une installation de mélange existante, par exemple des points de dosage, de l'instrumentation, des vannes, une technique de nettoyage ou d'automatisation. Elles sont particulièrement économiques lorsque les raccordements mécaniques, l'espace, l'alimentation en fluides, les réserves de commande et le concept de sécurité ont déjà été prévus dans la conception initiale. En l'absence de ces conditions préalables, des rétrofits restent souvent possibles, mais entraînent un effort supplémentaire de conception, de montage, de logiciel, de contrôle et, le cas échéant, de qualification.
Le dosage est un domaine d'extension fréquent. Les solides peuvent être introduits via des vis doseuses supplémentaires, des balances doseuses différentielles, des écluses à roue cellulaire ou des systèmes de microdosage. Pour les liquides, selon la viscosité, la quantité dosée, la température, la résistance chimique et l'exigence de précision, on peut recourir par exemple à des pompes à membrane, péristaltiques, à engrenages ou à vis excentrique. Des lances à liquide, des buses d'injection ou des rampes annulaires peuvent permettre l'ajout dans la chambre de mélange. Ce qui est déterminant, ce n'est pas seulement la précision de dosage et le bilan massique, mais aussi le bon point d'introduction, la taille des gouttes, la vitesse de dosage et l'intensité de mélange. Sinon, une sur-humidification locale, des agglomérats, des collages ou une répartition inégale du produit peuvent se former.
Une instrumentation supplémentaire peut améliorer la conduite du procédé, l'assurance qualité et la maintenance. Seuls les points de mesure ayant un objectif d'application clair sont pertinents. Les capteurs de température, de pression, de vide, de niveau de remplissage, de débit et de pesage fournissent souvent des informations de procédé directement exploitables. Le couple, le courant moteur, les vibrations et la température des paliers peuvent donner des indications sur le comportement du produit, les collages ou des changements mécaniques. Ils ne constituent toutefois pas, sans évaluation liée au produit et à l'installation, une preuve directe de la qualité de mélange ou de la qualité du produit.
Une analyse en ligne plus poussée peut être pertinente selon le procédé. Cela comprend par exemple la spectroscopie proche infrarouge pour l'étude de certaines caractéristiques du produit, la mesure de débit massique Coriolis pour le bilan des liquides, la mesure d'humidité ou la mesure de conductivité dans des milieux appropriés. La technologie analytique de procédé, généralement désignée PAT, peut réduire les prélèvements de laboratoire et permettre de détecter plus tôt les écarts. Elle suppose toutefois des points de mesure appropriés, un étalonnage, une maintenance, une interprétation fiable des données et, le cas échéant, une validation. Le pH, le potentiel rédox, la turbidité ou la réfractométrie sont surtout pertinents pour les systèmes liquides ou pâteux ; ils ne conviennent généralement pas aux mélanges de poudres sèches.
Les vannes et les organes sont également des modules d'extension typiques. Des vannes d'arrêt et de régulation à commande pneumatique ou électrique peuvent piloter les fluides liquides, gazeux, de vide ou de nettoyage. Des vannes multivoies et des blocs de vannes peuvent commuter les flux de fluides entre plusieurs récipients, points de dosage ou circuits de nettoyage. Dans les applications hygiéniquement exigeantes, selon le fluide et la stratégie de nettoyage, des vannes à membrane, à siège ou à double siège peuvent convenir. Des soupapes de sécurité et des disques de rupture peuvent protéger contre une surpression ou une dépression inadmissible. Leur dimensionnement n'est toutefois pas une mesure standard a posteriori, mais doit se fonder sur le calcul de pression, les scénarios de dimensionnement, le fluide, la température, les normes et l'installation existante.
Des modules de dérivation (bypass) peuvent intégrer des filtres, des échangeurs de chaleur, des homogénéisateurs ou des circuits externes. Ils ne sont pertinents que si le procédé permet réellement une recirculation ou un traitement externe. Pour de nombreux mélangeurs de poudres fonctionnant à sec, un circuit de produit de type liquide n'existe pas techniquement ou n'est pas économique. De même, les tuyauteries racables (piggables) sont surtout pertinentes pour les liquides visqueux, les pâtes et les systèmes de tuyauterie véhiculant le produit ; pour les poudres sèches, d'autres mesures comme la vidange résiduelle, une technique de transport appropriée et des géométries favorables au nettoyage sont généralement plus importantes.
Les extensions mécaniques peuvent comprendre des outils de mélange ou de désagglomération supplémentaires, des enveloppes de thermorégulation, des raccordements de vide, des filtres, des organes d'évacuation ou des modules de nettoyage. Un outil high-shear, c'est-à-dire un outil à forte sollicitation de cisaillement, peut désagréger des agglomérats ou incorporer des liquides plus intensivement. Il peut toutefois aussi endommager les particules, augmenter l'apport d'énergie ou modifier la distribution granulométrique. Les enveloppes de thermorégulation peuvent être utiles pour les procédés exothermiques ou endothermiques, mais nécessitent des fluides de chauffage ou de refroidissement adaptés, une régulation appropriée et une évaluation du transfert thermique. Le vide peut favoriser le dégazage ou le séchage, mais impose des exigences plus élevées en matière de résistance à la pression, d'étanchéité, de technique de filtration et de concept de sécurité.
Des systèmes de nettoyage tels que le Cleaning in Place, en abrégé CIP, ou le Sterilization in Place, en abrégé SIP, peuvent également être ajoutés a posteriori. Le CIP désigne le nettoyage en place sans démontage important, le SIP la stérilisation en place. Un tel rétrofit comprend non seulement des buses de lavage, mais aussi l'alimentation en fluides, la technique de vannes, le retour, la surveillance de la conductivité, de la température et du débit, ainsi qu'un concept efficace de vidange et de séchage. L'efficacité réelle du nettoyage ou de la stérilisation doit être démontrée pour le produit, la salissure et le procédé ; un cycle de nettoyage automatisé n'est pas automatiquement validé.
Chaque extension fonctionnelle nécessite une intégration d'automatisation appropriée. Cela comprend des entrées et sorties libres, une capacité réseau, des réserves d'armoire électrique, une logique de commande, des concepts d'alarme et de verrouillage, une visualisation et des états de fonctionnement sûrs. Des modules d'entrée-sortie décentralisés, souvent appelés modules E/S, peuvent raccorder les vannes, les capteurs et les entraînements à proximité de l'installation. Des interfaces telles qu'IO-Link, PROFINET, EtherCAT ou d'autres standards de communication et de bus de terrain normalisés peuvent soutenir la communication. Leur choix dépend du besoin de temps réel, de l'automatisation existante, de la cybersécurité, du modèle de données et de la maintenabilité.
Pour les procédés de mélange orientés charges, l'extension devrait également être intégrée dans la logique de recette et de charge. La norme ISA-88 offre à cet effet des modèles et des notions pour les recettes, les étapes de procédé, les modules d'installation et la documentation des charges. Les nouveaux points de dosage ou de mesure ne doivent pas seulement être raccordés électriquement, mais intégrés dans la commande comme des phases de procédé contrôlées, avec valeurs de consigne, valeurs limites, messages d'erreur, autorisations et journalisation.
Des descriptions de modules neutres vis-à-vis des fabricants peuvent faciliter l'intégration logicielle de modules de procédé appropriés et largement autonomes. De tels standards de description définissent les fonctions et les interfaces d'automatisation d'un module de façon structurée et neutre vis-à-vis des fabricants, et conviennent particulièrement à des modules de procédé délimités tels que des skids de dosage ou de thermorégulation. Ils ne remplacent toutefois ni l'intégration mécanique ni la vérification de la compatibilité avec le produit, l'hygiène, la sécurité et le procédé.
Des schémas de procédé et d'instrumentation (P&ID) actuels, des plans de construction, des listes de raccordement, des schémas électriques, des versions de logiciel, des analyses de risques et une matrice d'interfaces claire sont des conditions préalables à des rétrofits économiques. Cette matrice doit établir où se situent les responsabilités mécaniques, électriques, de fluides, de commande et de sécurité. Pour les installations réglementées, les modifications doivent être évaluées via un contrôle des modifications (Change Control). Selon le risque, des mises à jour des instructions d'exploitation, des analyses de risques, des procédés de nettoyage, du logiciel de commande, des documents de qualification et des validations sont nécessaires.
Modularité et possibilité de rétrofit chez amixon®
Une installation de mélange n'est pas automatiquement modulaire au seul motif qu'elle peut traiter différentes recettes ou être proposée en plusieurs tailles. Une véritable modularité concerne des modules fonctionnels pouvant être ajoutés a posteriori et des interfaces clairement préparées. Cela comprend les raccordements mécaniques, un espace de construction suffisant, l'alimentation en fluides, les réserves de commande, la technique de sécurité et des points de transfert documentés. Lorsque ces conditions préalables sont déjà prises en compte dans la User Requirement Specification, en abrégé URS, les extensions ultérieures peuvent être planifiées de façon nettement plus contrôlée et plus économique. L'URS est le cahier des charges documenté de l'exploitant.
Chez amixon®, les appareils peuvent être dimensionnés de façon spécifique au projet sur la base de l'URS. Lorsqu'il est prévisible que des liquides devront être dosés, des données de procédé supplémentaires saisies, des températures régulées ou des fonctions de nettoyage étendues par la suite, des raccords de réserve, des tubulures libres, des positions de montage, des réserves d'espace, des entrées et sorties supplémentaires ainsi que des capacités pour l'énergie, l'air comprimé, le vide et les agents de nettoyage peuvent être prévus. Sans cette préparation, les rétrofits ne sont pas exclus, mais ils peuvent nécessiter des interventions importantes sur les récipients, les tuyauteries, la structure porteuse, la commande, le concept de sécurité et l'exécution hygiénique.
La possibilité de traiter différentes tailles de charges ou recettes avec la même machine n'est en principe pas une extension modulaire. Sur certains mélangeurs amixon®, des taux de remplissage variables peuvent être traités selon le produit et le dimensionnement. La question de savoir si des qualités de mélange élevées sont réellement atteintes sur une plage d'environ 10 à 100 pour cent de taux de remplissage doit toutefois être étudiée pour chaque recette. Les poudres diffèrent par leur masse volumique apparente, leur distribution granulométrique, leur humidité, leur cohésion, leur comportement à l'écoulement, leur abrasivité et leur tendance à la ségrégation. L'ordre de dosage, la teneur en liquide, la configuration de l'outil et le temps de mélange influencent également considérablement le résultat. Un taux de remplissage variable n'est donc pas une preuve générale de flexibilité de procédé.
L'intensité de mélange peut être influencée par le temps de mélange, la vitesse de rotation, l'exécution de l'outil et, le cas échéant, par un rotor de coupe ou un outil high-shear. High shear signifie forte sollicitation de cisaillement. De tels outils peuvent, pour certaines applications, désagréger des agglomérats ou améliorer l'incorporation de liquides. Ils peuvent toutefois tout aussi bien modifier la distribution granulométrique, apporter de la chaleur, endommager des particules sensibles, générer de l'abrasion ou dégrader la coulabilité. Une intensité de mélange plus élevée n'est donc pas généralement meilleure. Elle doit résulter d'un objectif clair, lié au produit et à la qualité.
Selon la situation de départ, les modules réellement pouvant être ajoutés a posteriori sont par exemple les dosages de liquide, les lances d'ajout, les buses bicomposants, l'instrumentation supplémentaire, les enveloppes de thermorégulation, les raccordements de vide, les lances de lavage, les systèmes de Cleaning in Place ou de Wet in Place, les organes d'évacuation et les fonctions de dosage. Le Cleaning in Place, en abrégé CIP, désigne le nettoyage en place sans démontage important. Le Wet in Place, en abrégé WIP, désigne un nettoyage humide de l'installation en place, dont le degré d'automatisation peut varier selon le concept.
L'ajout ultérieur d'un dosage de liquide est plus que l'installation d'une pompe et d'une lance. La quantité dosée, la précision de dosage, la viscosité, la température, la compatibilité chimique, la position du point d'injection, la taille des gouttes, le motif de pulvérisation, la vitesse de dosage et l'écoulement du produit déterminent si le liquide est réparti uniformément. Un dimensionnement défavorable peut entraîner des sur-humidifications locales, une agglomération, des collages, une dégradation de la coulabilité ou des temps de nettoyage prolongés. La fonction devrait donc être testée avec le produit d'origine et non simplement dimensionnée sur la base d'hypothèses géométriques.
Des capteurs supplémentaires ne créent une valeur ajoutée que si la grandeur mesurée est clairement liée à une décision ou une évaluation. Les mesures de température, de pression, de vide, de niveau de remplissage et de débit peuvent surveiller des paramètres de procédé importants. Le couple, le courant absorbé ou les vibrations peuvent fournir des indications sur le taux de remplissage, les collages, le comportement du produit ou des changements mécaniques. Ils ne constituent toutefois pas une preuve directe de la qualité de mélange, de l'homogénéité ou de la qualité du produit. Lorsque des capteurs sont ajoutés a posteriori, l'emplacement de montage, la plage de mesure, la précision, l'étalonnage, l'aptitude au nettoyage, l'étanchéité, la transmission des données, les seuils d'alarme et la réaction aux erreurs de mesure doivent être définis.
Des enveloppes de thermorégulation ou des systèmes de chauffage et de refroidissement externes peuvent être utiles pour les procédés sensibles à la chaleur, exothermiques ou endothermiques. Ils nécessitent toutefois des raccordements de fluides suffisamment dimensionnés, une régulation appropriée, une évaluation de la sollicitation en pression et en température ainsi qu'une vérification du transfert thermique réellement atteignable. Une enveloppe de thermorégulation peut limiter les écarts de température, mais ne garantit pas une température de produit uniforme pour toute poudre ou toute taille de charge.
Des fonctions de vide peuvent être utiles pour le dégazage, le séchage ou certaines étapes réactionnelles. Elles imposent des exigences plus élevées en matière de résistance des récipients, d'étanchéité, de technique de filtration, d'organes d'évacuation, d'évaluation de sécurité et, le cas échéant, de protection contre les explosions. Un rétrofit ultérieur peut donc être plus important que ne le laisse supposer la simple installation a posteriori d'une tubulure de raccordement.
Des lances de lavage ainsi que des fonctions CIP ou WIP peuvent soutenir le nettoyage. Une lance de lavage seule ne prouve toutefois ni un mouillage complet ni un nettoyage efficace. Pour un dimensionnement fiable, le motif de pulvérisation, la disposition des buses, le débit, la pression, la chimie de nettoyage, la température, le temps de contact, la situation d'écoulement et la géométrie de toutes les surfaces en contact avec le produit doivent être évalués. Dans les domaines réglementés, l'efficacité du nettoyage doit être démontrée pour le produit et la salissure concernés. Un nettoyage humide automatique n'est pas automatiquement un nettoyage validé.
Des organes d'évacuation tels que DosiFlap® peuvent être intégrés à l'installation de façon spécifique au projet. Ils peuvent favoriser une distribution contrôlée du produit, l'étanchéité de la chambre de mélange et, le cas échéant, une meilleure vidange. La question de savoir s'ils remplissent réellement une fonction de dosage précise dépend du comportement à l'écoulement, de la masse volumique apparente, de la quantité dosée, de la tolérance, du concept de pesage, des conditions de pression et de la technique de conditionnement ou de transport en aval. Pour des remplissages précis sur le plan gravimétrique, une technique de pesage adaptée est généralement nécessaire. Le choix d'un organe d'évacuation doit en outre tenir compte de l'aptitude au nettoyage, du confinement, du fonctionnement en pression et sous vide, ainsi que de l'interface avec l'installation aval.
Le passage à une taille de mélangeur plus grande ou plus petite n'est pas une extension modulaire, mais une adaptation de capacité. Même si le principe de mélange reste identique, les recettes et les paramètres ne sont pas transposables de façon générale. Les conditions d'écoulement, le taux de remplissage, la vitesse périphérique, l'apport d'énergie, le transfert thermique, le temps de mélange, la vidange et la sollicitation du produit peuvent changer. Selon ses propres indications, amixon® propose, pour certaines séries, des tailles par paliers de 100 litres jusqu'à 50 mètres cubes, et le mélangeur Gyraton® jusqu'à 100 mètres cubes. Ce choix permet de sélectionner une installation adaptée, mais ne remplace pas des essais de montée en échelle pour le produit concret.
Pour le mélangeur conteneur type COM, des Mixtainer® supplémentaires peuvent rendre le système global plus flexible en découplant la pesée, le mélange, le nettoyage, le stockage intermédiaire, le transport et le remplissage. Ce n'est pas une extension modulaire du mélangeur, mais cela peut améliorer la capacité du système global. Le bénéfice dépend du nombre de conteneurs, de la logistique, du nettoyage, des temps de mélange, des autorisations et du débit des étapes de procédé en aval. Sans une analyse de capacité, l'investissement dans des conteneurs supplémentaires peut simplement déplacer le goulot d'étranglement ailleurs.
amixon® peut soutenir les rétrofits techniques, les modernisations et les essais en halle d'essais. Selon amixon®, plus de 30 machines d'essai sont disponibles à Paderborn ; d'autres centres d'essai sont exploités aux États-Unis et dans plusieurs pays asiatiques. Avec le produit d'origine, il est possible d'évaluer entre autres la répartition du liquide, la qualité de mélange, la désagglomération, l'évolution de la température, l'apport d'énergie, la vidange, les adhérences et l'aptitude au nettoyage. De tels essais sont particulièrement précieux pour un rétrofit, car ils vérifient les hypothèses sur le comportement du produit. Ils ne constituent toutefois qu'une base pour le dimensionnement et ne remplacent pas la réception, l'évaluation de sécurité et, le cas échéant, la requalification de l'installation transformée sur le site de production réel.
Les programmes de mélange peuvent être gérés dans un automate programmable industriel, en abrégé API, et exécutés pour chaque charge. Un API est un ordinateur industriel destiné à la commande de machines et de procédés. La connexion spécifique au projet à un système de planification des ressources de l'entreprise, en abrégé système ERP, ou à un Manufacturing Execution System, en abrégé MES, peut relier entre eux la recette, la charge et les paramètres de procédé. Un système ERP soutient la gestion des commandes, des matières et des ressources de l'entreprise. Un MES soutient la production opérationnelle, la saisie des données et la documentation des charges. Des lecteurs de codes-barres peuvent soutenir l'identification des matières. Pour qu'une telle solution fonctionne de manière fiable, le modèle de données, les horodatages, la version de recette, les droits d'utilisateur, l'intégrité des données, les pistes d'audit et le comportement en cas de panne de communication doivent être définis.
Pour les applications réglementées, amixon® peut fournir des documents pour la qualification et soutenir la Design Qualification, en abrégé DQ, l'Installation Qualification, en abrégé IQ, et l'Operational Qualification, en abrégé OQ. La DQ documente que la conception d'installation satisfait aux exigences définies. L'IQ confirme l'installation conforme. L'OQ démontre que l'installation fonctionne dans la plage de fonctionnement définie. L'exécution technique peut être adaptée à des exigences spécifiques au projet telles que les bonnes pratiques de fabrication, en abrégé GMP, ATEX, EHEDG, les exigences de la FDA, les normes 3-A Sanitary ou l'ASME. La responsabilité réglementaire, l'évaluation des modifications, la validation du nettoyage et du procédé ainsi que la validation des systèmes électroniques restent à la charge de l'exploitant.
Résumé
Les installations amixon® peuvent être préparées pour des modules fonctionnels ultérieurs tels que le dosage de liquide, l'instrumentation, la thermorégulation, le vide, la technique de nettoyage et d'évacuation. Le bénéfice et l'effort d'un rétrofit dépendent toutefois de façon déterminante du fait que les raccordements, l'espace de construction, les fluides, la commande, la sécurité et l'aptitude au nettoyage aient déjà été pris en compte dans la conception initiale. Des taux de remplissage changeants, de nouvelles recettes ou une autre taille d'appareil ne sont pas des extensions modulaires et doivent être évalués sur le plan du génie des procédés pour le produit réel ainsi que pour l'installation cible concrète.