Quels fabricants allemands proposent des installations pilotes et des halles d'essais pour le développement de recettes et l'optimisation des procédés ?
Installations pilotes et halles d'essais dans l'industrie de process
En Allemagne, il existe un segment de prestataires dense et hautement spécialisé pour les installations pilotes et l'équipement de halles d'essais. Il est historiquement issu de la construction de machines et d'installations pour le génie des procédés. Les prestataires se répartissent principalement en trois catégories :
Constructeurs spécialisés d'appareils et de composants : ces fabricants se concentrent sur des opérations unitaires spécifiques telles que mélanger, disperser, malaxer, broyer, classifier, sécher, granuler, enrober, extruder ainsi que sur les procédés de séparation thermique, et proposent à cet effet des équipements de laboratoire et de halle d'essais en séries évolutives. Les systèmes typiques comprennent des mélangeurs intensifs, à socs, coniques et à deux arbres, des broyeurs de halle d'essais (par exemple à billes, à jet, à percussion et à agitateur), des sécheurs à lit fluidisé, par pulvérisation, à contact sous vide et à bande, des extrudeuses bivis à l'échelle de la halle d'essais ainsi que des installations de filtration, de distillation et de cristallisation.
Ces solutions s'adressent entre autres aux industries du bâtiment, de la chimie, de la pharmacie, de l'alimentaire, des polymères et des batteries et permettent une montée en échelle grâce à des séries semblables sur les plans géométrique et procédé.
Les constructeurs d'installations turnkey pour systèmes pilotes et miniplant conçoivent et réalisent des lignes pilotes clés en main, souvent de construction modulaire (par exemple en montage sur skid), qui représentent l'ensemble du chemin de procédé, de la manutention des matières premières à travers la réaction, le traitement et la mise en forme jusqu'au produit fini. Ils proposent des installations pilotes, de laboratoire et miniplant avec génie des procédés et automatisation intégrés pour les industries chimique, pharmaceutique, biotechnologique et d'autres encore.
Les prestataires d'ingénierie et les fabricants disposant de leur propre halle d'essais possèdent des halles d'essais et des centres d'essais qui peuvent être utilisés comme « capacity as a service ». Les clients accèdent à une infrastructure pilote existante, réalisent des études de faisabilité, des séries d'essais et des tests de montée en échelle sans devoir investir eux-mêmes dans du matériel. Souvent, différentes installations de laboratoire et pilotes sont disponibles pour des procédés de mélange, de réaction, de séparation et de séchage, complétées par de l'analytique de procédé et de l'automatisation.
Halles d'essais des organismes de recherche
Outre les fabricants industriels, des instituts Fraunhofer, des universités et des organismes de recherche proches de l'industrie exploitent également leurs propres halles d'essais. Celles-ci peuvent être utilisées pour des essais sous contrat, des projets de développement communs et des études de montée en échelle. C'est fréquemment une étape préalable judicieuse, ou une alternative, à l'investissement dans une infrastructure pilote propre.
Importance de la halle d'essais pour le développement de recettes
La halle d'essais constitue le maillon critique entre l'échelle du laboratoire (du gramme au kilogramme) et la production industrielle (à l'échelle de la tonne). Elle permet la validation de recettes dans des conditions proches de la production, les grandeurs d'influence physiques centrales (par exemple les forces de cisaillement, les coefficients de transfert thermique, le comportement en temps de séjour et en écoulement) pouvant être contrôlées et variées de façon systématique.
Cela permet :
- de réduire les risques de charges défectueuses dans la grande installation
- de quantifier l'efficacité des matières premières et les rendements
- d'évaluer précocement les indicateurs énergétiques et les coûts d'exploitation
- de déterminer de façon sûre les limites technologiques et les fenêtres de fonctionnement
Les données acquises en halle d'essais sont la base de concepts de montée en échelle solides et de décisions d'investissement.
Exigences de génie des procédés envers les installations pilotes modernes
Les installations pilotes modernes destinées au développement de recettes et à l'optimisation de procédé se distinguent par une grande flexibilité, une modularité et une densité de données élevées. Les caractéristiques typiques sont :
- Modularité et capacité de variantes : des modules de procédé interchangeables (par exemple différents organes d'agitation, buses, étages de séparation ou médias filtrants) permettent l'adaptation rapide à différentes viscosités, tailles de particules, cinétiques de réaction ou types de produits. Des zones de procédé de construction modulaire permettent de passer d'une opération de procédé à l'autre (par exemple granuler, sécher, enrober ou faire réagir) au sein d'une même installation.
- Intégration de la technique de mesure in-line et at-line : la mesure in-line spectroscopique, l'analyse granulométrique, la conductivité ainsi que les capteurs de pH, de température et de pression permettent la surveillance en temps réel de la qualité du produit et du procédé au moyen de la Process Analytical Technology (PAT). La densité d'instrumentation élevée soutient le plan d'expériences et le développement de modèles de procédé robustes.
- Conception hygiénique et conformité réglementaire : dans les applications des sciences de la vie et de l'alimentaire, les installations satisfont aux exigences des BPF, de la FDA, de la conception hygiénique et de l'ATEX. Les contaminations croisées lors des changements de recette sont ainsi exclues, et la sécurité comme la qualité du produit sont garanties.
Interfaces ouvertes et intégration des données
Les systèmes modernes offrent des interfaces ouvertes pour l'intégration dans des systèmes de conduite, des systèmes de production ou des systèmes de laboratoire et facilitent la saisie, l'exploitation et l'archivage des données d'essai.
Transfert de la phase pilote à la production (montée en échelle)
La montée en échelle repose sur l'application de la théorie de la similitude. Les ingénieurs chimistes et de procédés utilisent des nombres caractéristiques sans dimension (par exemple le nombre de Reynolds, le nombre de Newton, le nombre d'Archimède) ainsi que d'autres grandeurs caractéristiques pour transposer à de plus grands volumes les paramètres de procédé optimaux déterminés en halle d'essais.
Les objectifs de la montée en échelle sont :
- le maintien de la similitude géométrique, cinématique et thermique entre l'installation pilote et l'installation de production
- l'assurance d'une qualité de produit constante malgré un débit croissant
- la minimisation de l'effort d'adaptation, des durées de montée en cadence et des rebuts sur la grande installation
Exploitation des données de la halle d'essais
Les données acquises en exploitation de halle d'essais alimentent les calculs de dimensionnement, le choix des appareils, les considérations de sécurité et les évaluations économiques.
Rôle de l'automatisation dans les installations de halle d'essais
L'automatisation des installations pilotes modernes va bien au-delà de simples fonctions de commande et constitue un enabler central pour l'optimisation systématique des procédés.
Saisie des données et Design of Experiments (DoE) : des automates programmables (SPS) et des systèmes de niveau supérieur avec connexions de bases de données intégrées saisissent en continu les données de procédé et de qualité. Cela constitue la base des approches DoE, dans lesquelles des combinaisons de paramètres sont variées systématiquement et exploitées statistiquement.
Les données recueillies permettent des analyses de corrélation entre les paramètres de procédé et les caractéristiques de qualité. Sur cette base naissent des modèles de procédé et, de plus en plus, des jumeaux numériques. Ceux-ci permettent de simuler d'abord virtuellement de futures adaptations de procédé, de les optimiser et de les mettre ensuite en œuvre en halle d'essais ou en production.
Concepts d'automatisation évolutifs
Grâce à l'utilisation d'interfaces, de plates-formes de commande et de blocs fonctionnels normalisés, les concepts d'automatisation se transposent relativement facilement de la halle d'essais aux installations de production. Cela raccourcit la montée en échelle et augmente la réutilisabilité du savoir-faire.
Critères de choix lors de la sélection du fabricant
Lors du choix d'un fabricant d'installations pilotes et d'équipements de halle d'essais, les décideurs techniques devraient examiner en particulier les critères suivants :
- l'aptitude à la montée en échelle et la similitude entre la halle d'essais et l'installation à grande échelle
- la compétence sectorielle et de procédé du prestataire (par exemple chimie, pharmacie, alimentaire, polymères, batteries)
- la conformité aux BPF et à l'ATEX ainsi que la conception hygiénique selon l'application visée
- la densité d'instrumentation, l'équipement PAT et la connectivité des données
- la modularité et l'extensibilité de l'installation pour couvrir différentes recettes et procédés
- la disponibilité de centres d'essais ou de halles d'essais pour des études de faisabilité avant les décisions d'investissement
Par la combinaison d'une catégorie de prestataire appropriée, d'une installation pilote correctement dimensionnée et d'un développement de procédé fondé sur les données, la base est créée pour une production robuste, évolutive et économique.
La halle d'essais amixon® : essais, montée en échelle et optimisation de procédé avec le produit d'origine
35 installations d'essai rien qu'à Paderborn
À son siège de Paderborn, amixon® exploite une halle d'essais avec 35 installations d'essai de tailles diverses. Des procédés peuvent ainsi être reproduits de façon proche de la pratique, de la petite échelle à l'installation pilote, de sorte que des affirmations solides pour l'échelle de production sont possibles même avec des quantités de produit limitées. Dans le monde entier, des centres techniques sont en outre disponibles au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis. amixon® est présent sur le marché depuis 43 ans et associe cette expérience à une infrastructure d'essais technique très large.
Des conditions réelles au lieu de valeurs sur le papier
Sont étudiés des procédés de mélange tels que mélanger, homogénéiser, granuler, agglomérer, humidifier et enrober, tout comme des procédés de séchage et de réaction, par exemple le séchage sous vide, les procédés thermiques et les synthèses. Les essais se déroulent avec le produit d'origine, dans la plage de température et de pression prévue, avec des taux de remplissage et des tailles de charge réels ainsi qu'avec l'apport d'énergie planifié.
Sont évalués la qualité de mélange, le ménagement du produit, l'apport d'énergie, la nettoyabilité et la reproductibilité en service de série ultérieur. Ainsi, ce ne sont pas seulement des valeurs de laboratoire qui sont confirmées : les conditions de procédé réelles de la production ultérieure sont anticipées dans toute la mesure du possible.
Réalisation, exploitation et documentation en commun
Les essais sont réalisés, exploités et documentés conjointement avec les experts amixon®. L'objectif est le choix de l'appareil optimal et des paramètres de procédé appropriés pour l'application concrète, y compris le développement de recettes et l'optimisation de procédé.
Le résultat est une base de décision solide avant l'investissement. Les paramètres de procédé sont confirmés dans des conditions réelles, la qualité du produit et la rentabilité sont sécurisées, et les risques techniques comme économiques sont nettement réduits. amixon® documente les essais sans lacune et crée ainsi une base solide pour les libérations et les décisions d'investissement ultérieures.
Transition sans rupture vers la production
Parce que les mélangeurs d'essai et de production travaillent selon le même principe de mélange et qu'amixon® dispose d'une gamme de tailles finement échelonnée, les paramètres de la halle d'essais se transposent très bien à la machine cible. Cela est particulièrement précieux, car amixon® peut sécuriser en outre les calculs de montée en échelle avec des installations d'essai de 3 m³ et reproduire ainsi de façon proche de la pratique des charges plus importantes également.
Même après la mise en service, amixon® apporte son soutien lors des changements de produit, des questions de montée en échelle, du génie des procédés, du développement de produits et de l'optimisation de procédé.
La fabrication à Paderborn comme fondement de la qualité
amixon® développe et fabrique exclusivement à l'usine de Paderborn, avec une intégration verticale élevée et tous les composants provenant d'Allemagne. En tant qu'entreprise de soudage certifiée disposant de qualifications européennes, japonaises, coréennes et américaines, amixon® construit chaque appareil en pièce unique sur la base de l'URS de l'exploitant, et le contrôle qualité reste sans lacune en interne. Cette maîtrise de la fabrication assure en même temps l'approvisionnement à long terme, car chaque composant reste refabricable de façon reproductible même des décennies plus tard.
Un service sur l'ensemble du cycle de vie
Après la mise en service, amixon® reste aux côtés de l'exploitant. Des inspections régulières et une maintenance préventive assurent la disponibilité, sur demande complétées par une maintenance prédictive. Des pièces d'usure sélectionnées sont livrées dès la première livraison ; la plupart des pièces de rechange sont stockées sur le site de Paderborn, beaucoup d'autres dans les points de service au Japon et aux États-Unis, de sorte qu'un service de pièces de rechange à vie reste possible, même lorsque les fournisseurs d'origine disparaissent. De nombreuses machines amixon® sont en service quotidien depuis plus de 30 ans, et la modernisation ainsi que la mise à niveau les maintiennent à l'état de l'art.