Quels mélangeurs sont optimaux pour l'incorporation d'arômes et de vitamines dans le lait en poudre, sans endommager la structure des particules ?
L'incorporation d'arômes, de prébiotiques, de vitamines et d'oligoéléments dans le lait en poudre exige une technique de mélange à la fois respectueuse du produit et reproductible. En particulier pour les laits en poudre agglomérés ou instantanéisés, la fluidité, la mouillabilité, le comportement de reconstitution et la structure des particules doivent être préservés. Simultanément, les composants sensibles doivent être protégés contre la chaleur, l'humidité, l'oxygène et les contraintes mécaniques.
Ce n'est pas uniquement le type de mélangeur qui est déterminant, mais l'interaction entre le principe de mélange, le taux de remplissage, la vitesse de rotation, le temps de mélange, l'apport d'énergie, l'alimentation en produit et les quantités dosées. L'installation idéale assure un brassage sûr de toute la poudre sans provoquer d'abrasion inutile ni d'échauffement significatif par des forces de cisaillement élevées. Des valeurs limites générales pour le temps de mélange, l'élévation de température ou l'apport d'énergie sont peu fiables ; elles doivent être déterminées en fonction de la qualité concrète du lait en poudre, de la recette, de la taille de charge et du produit fini souhaité.
Les arômes peuvent se présenter sous forme sèche, encapsulée, liée à l'huile ou liquide. Les arômes liquides sont le plus souvent introduits directement dans le mélangeur principal via une lance de pulvérisation ou une buse à dosage fin. La buse doit se situer dans une zone de produit intensément agitée, afin que le liquide se répartisse rapidement sur de nombreuses particules. Des gouttes trop grosses, un débit de dosage local trop élevé ou une position de buse inadaptée peuvent provoquer des collages et des agglomérats indésirables. Pour le lait en poudre hygroscopique, l'apport d'eau ou d'autres fractions liquides indésirables doit être particulièrement limité.
Les prébiotiques tels que l'inuline, les fructo-oligosaccharides ou les galacto-oligosaccharides sont en général utilisés en quantités nettement plus élevées que les vitamines. Avec une similitude suffisante de granulométrie et de densité apparente, ils peuvent donc le plus souvent être dosés directement dans la charge principale. Un prémélange n'est pas fondamentalement nécessaire. Il peut toutefois être judicieux lorsque la quantité ajoutée est faible, que le prébiotique a tendance à générer de la poussière, que d'importantes différences de densité apparente ou de granulométrie existent, ou qu'une précision de dosage particulièrement élevée est requise.
La situation est différente pour les vitamines et les oligoéléments. Ceux-ci sont souvent dosés en très petites quantités et peuvent se démixer en cas de répartition granulométrique ou de densité défavorable. C'est pourquoi ils sont habituellement préparés sous forme de prémélanges standardisés avec un support approprié ou avec une partie du lait en poudre. Le prémélange est ensuite introduit dans la charge principale. Une dilution progressive du mélange vitaminique avec du lait en poudre avant l'incorporation dans la quantité totale est une approche éprouvée pour améliorer l'homogénéité.
Plusieurs systèmes de mélange entrent en ligne de compte pour le mélange principal. Les mélangeurs verticaux à double arbre combinent un mouvement de produit tridimensionnel efficace avec un traitement relativement ménageant des poudres sensibles. Ils sont utilisés dans le monde entier pour des tâches de mélange exigeantes avec du lait en poudre, des composants nutritifs, des arômes et d'autres ingrédients fonctionnels. Grâce à la puissance de brassage élevée, l'ensemble du produit à mélanger peut être saisi de manière fiable. Avec une conception adaptée, de petites quantités, des substances sèches et des liquides introduits par buses peuvent être répartis uniformément sans nuire inutilement à la structure fragile des agglomérats. La nécessité d'un prémélange pour un composant donné dépend surtout de sa quantité de dosage ainsi que des différences de granulométrie, de densité apparente et de comportement d'écoulement.
Les mélangeurs à pales à double arbre permettent un mélange rapide. Ils conviennent pour de plus grandes charges, la répartition de prébiotiques dosés directement et l'ajout contrôlé d'arômes liquides. Leur vitesse de rotation, la géométrie de l'outil et le taux de remplissage doivent être conçus de manière à ne pas solliciter excessivement les agglomérats sensibles.
Les mélangeurs à socs horizontaux offrent un brassage intense et peuvent bien répartir de petites quantités ainsi que des liquides. Ils conviennent surtout lorsque la préservation des structures particulaires importe moins. Toutefois, les mélangeurs à socs ne sont pas automatiquement peu cisaillants. À vitesse de rotation élevée ou avec l'utilisation d'outils de broyage, l'apport d'énergie peut augmenter sensiblement. Leur aptitude pour les laits en poudre instantanéisés doit donc être vérifiée sur la base de l'abrasion, de l'élévation de température et du comportement de reconstitution.
Les mélangeurs à vis conique verticale travaillent à faible vitesse de rotation et sont particulièrement ménageants envers les particules sensibles. Ils conviennent bien aux mélanges secs de lait en poudre, aux arômes encapsulés ainsi qu'aux recettes contenant des composants sensibles. Leurs temps de mélange relativement longs peuvent constituer un inconvénient pour les composants sensibles à l'oxydation ou à l'humidité. Pour les vitamines et oligoéléments faiblement dosés, un prémélange dans ce type de mélangeur est en règle générale particulièrement important.
Les mélangeurs à conteneur et à chute libre ne génèrent qu'une faible sollicitation mécanique et conviennent donc aux mélanges secs sensibles. Leur aptitude est particulièrement bonne lorsque les composants présentent des propriétés particulaires similaires et qu'aucun liquide ne doit être ajouté. Pour de très petites quantités dosées ou des différences marquées de densité et de granulométrie, des temps de mélange plus longs ou des prémélanges peuvent toutefois être nécessaires.
Pour le choix du système de mélange, outre la qualité de mélange, les propriétés hygiéniques sont également déterminantes. Le lait en poudre est poussiéreux et sensible à l'humidité ; les dépôts de produit et les résidus de nettoyage peuvent nuire à la qualité des charges suivantes. Les surfaces en contact avec le produit devraient donc être bien accessibles, lisses et le plus possible exemptes de zones de dépôt. Dans les installations de poudre sèche, un nettoyage à sec est souvent pratiqué pour éviter l'apport d'humidité. Si un nettoyage humide est nécessaire, l'installation, et en particulier les zones difficiles d'accès, doivent être séchées de manière fiable. L'EHEDG décrit à cet égard des principes de conception hygiénique spécifiques pour les installations de traitement de solides en vrac secs.
Pour les vitamines sensibles à la lumière ou à l'oxygène, en particulier la vitamine A et le β-carotène, une conduite de procédé fermée et à faible teneur en oxygène peut être judicieuse. Des trajets de produit ouverts plus courts, un emballage adapté et, le cas échéant, un inertage à l'azote peuvent contribuer à limiter les pertes par oxydation. L'effet protecteur doit cependant être validé pour la recette, la durée de stockage et l'emballage.
Ainsi amixon® traite les arômes, vitamines et additifs sensibles dans le lait en poudre
Lors de la fabrication de lait en poudre, de produits instantanés, d'aliments pour nourrissons et de compléments alimentaires, les arômes, prébiotiques, vitamines, oligoéléments, enzymes, probiotiques et composants encapsulés doivent être répartis de façon uniforme. Simultanément, la structure des particules, la fluidité, la mouillabilité et le comportement de reconstitution du lait en poudre doivent être préservés. amixon® poursuit à cet effet trois approches de procédé : le mélangeur KoneSlid® type KS pour des tailles de charge d'environ 100 à 3 000 litres, le mélangeur vertical à double arbre type HM pour de plus grandes charges d'environ 1 000 à 15 000 litres, ainsi que le mélangeur AMK à fonctionnement continu pour des procédés continus en fin de ligne.
Le mélangeur KoneSlid® convient particulièrement aux poudres sensibles et agglomérées issues de la tour de pulvérisation, de la granulation en lit fluidisé ou de la lyophilisation. Son principe de mélange associe un mouvement de produit ménageant à des temps de mélange et de vidange courts. Lors de la vidange, le cône de fermeture KoneSlid® est abaissé ; le produit peut s'écouler sans organe d'évacuation supplémentaire. Cela raccourcit le temps entre le mélange et le conditionnement et peut contribuer à limiter la démixtion après le procédé de mélange. amixon® présente le KoneSlid® comme particulièrement adapté aux produits à structure particulaire sensible et aux applications à temps de cycle courts.
Pour de plus grandes charges, le mélangeur vertical à double arbre s'impose. Deux arbres de mélange disposés verticalement, équipés d'outils de mélange hélicoïdaux SinConvex® ou SinConcave®, génèrent un mouvement de produit tridimensionnel. L'intensité de mélange peut être adaptée à la recette via la vitesse de rotation, l'exécution de l'outil, le taux de remplissage et le temps de procédé. Cela est particulièrement pertinent pour les laits en poudre agglomérés, pour lesquels le mélange doit être homogène tout en limitant au maximum l'abrasion. Les outils de mélange MultiPlane® peuvent, pour de grandes quantités de produit, contribuer à décharger les couches inférieures de poudre et à favoriser le mouvement du produit sur plusieurs niveaux.
Pour les lignes de production continues, l'AMK est disponible. Selon les indications d'amixon®, ce mélangeur peut fonctionner aussi bien en continu que par charges et traite des produits secs, humides ainsi qu'en suspension. Son intensité de mélange peut être réglée d'une homogénéisation ménageante à une désagglomération plus intensive. L'application continue suppose toutefois un dosage précis et stable de tous les composants principaux et secondaires. Pour les vitamines et les oligoéléments en particulier, un prémélange préalablement préparé et facilement dosable est souvent nécessaire.
Les arômes liquides ou liés à l'huile peuvent être introduits dans le produit en mouvement au moyen de lances à liquide et de buses bifluides appropriées. La pulvérisation favorise un mouillage étendu des particules de poudre. Sont déterminants à cet égard la taille des gouttes, la position de la buse, le débit de dosage, la viscosité du liant ou de l'arôme et le mouvement du produit dans le mélangeur. Un ajout dans la zone de forte agitation du produit peut réduire la surhumidification locale, la formation de grumeaux et les adhérences. Pour les liquides sensibles à la température ou visqueux, une double enveloppe thermorégulable peut être utilisée. La conduite de la température doit être conçue de manière à maintenir la viscosité de l'arôme ou du système porteur dans la plage adéquate, sans nuire à la stabilité du produit.
Les vitamines et oligoéléments se présentent souvent en très petites quantités de dosage. Ils sont donc généralement préparés sous forme de prémélange avec un support ou avec une partie du lait en poudre, puis introduits dans la charge principale. Les arômes et prébiotiques peuvent en revanche, avec une quantité de dosage suffisante et des propriétés particulaires comparables, souvent être dosés directement. La nécessité d'un prémélange dépend de la quantité de dosage, de la granulométrie, de la densité apparente, du comportement d'écoulement et de l'homogénéité requise. La fabrication de prémélanges de vitamines et de minéraux est une approche établie pour garantir la précision de dosage et la répartition uniforme des micronutriments.
amixon® complète la technique de mélange par des caractéristiques d'équipement pour l'hygiène, la vidange et la sécurité du procédé. En font notamment partie les outils de mélange hélicoïdaux SinConvex® et SinConcave®, MultiPlane®, ComDisc®, DosiFlap®, OmgaSeal® ainsi que les buses de nettoyage à jet orienté programmables du système WaterDragon®. Les outils d'évacuation ComDisc® peuvent être abaissés en direction de la sortie lors de la vidange, ce qui réduit les quantités résiduelles. DosiFlap® sert d'organe d'évacuation dosable, étanche et, selon amixon®, pauvre en espace mort. OmgaSeal® est une exécution à étanchéité durable pour les portes d'inspection Clever-Cut®. Le système WaterDragon® sert au nettoyage humide et au séchage automatiques des mélangeurs et appareils de procédé apparentés.
La conception hygiénique comprend en outre de larges ouvertures d'inspection, des zones en contact avec le produit bien accessibles, un montage supérieur de l'outil de mélange et l'absence de passage d'arbre inférieur. L'aptitude hygiénique concrète — par exemple au regard des exigences de l'EHEDG, de la FDA ou des 3-A — dépend de la configuration de machine choisie, des joints utilisés, des surfaces, des paramètres de nettoyage et de l'application prévue. Elle devrait donc être spécifiée et documentée pour le projet concerné.
Avant un investissement, des essais de mélange avec le produit d'origine peuvent être réalisés à la halle d'essais amixon®. Selon les indications d'amixon®, plus de 30 installations d'essai de tailles différentes sont disponibles au siège de Paderborn ; d'autres centres techniques se trouvent au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis. Lors des essais, réalisés avec des taux de remplissage et des tailles de charge proches de la pratique, on peut évaluer notamment l'homogénéité, l'évolution de la température, l'abrasion des particules, la répartition du liquide, la vidange, la nettoyabilité et la reproductibilité. Les résultats des essais constituent la base du choix du type de mélangeur, de l'exécution de l'outil, du concept de dosage et du procédé de nettoyage.