Comment planifie-t-on une montée en échelle de la halle d'essais vers la production pour des granulés alimentaires instantanés, évaluation des risques incluse ?
La montée en échelle de granulés alimentaires instantanés désigne le transfert proportionnel d'un procédé optimisé en laboratoire ou en halle d'essais vers une installation de production à grande échelle. L'objectif est de reproduire de façon robuste et reproductible à l'échelle industrielle les propriétés produit obtenues, telles que le comportement de réhydratation, la masse volumique apparente, la distribution granulométrique, la solubilité et la qualité sensorielle.
Le point de départ est la base de données de la halle d'essais
La base de toute montée en échelle est une base de données entièrement caractérisée issue de la halle d'essais. À cette fin, les propriétés des matières premières, les paramètres de procédé, les grandeurs cibles et les paramètres de procédé critiques sont relevés et documentés de façon systématique.
Parmi les spécifications de matières premières pertinentes figurent la teneur en humidité, la distribution granulométrique, le comportement d'écoulement, la solubilité et des propriétés fonctionnelles telles que la teneur en protéines, la teneur en matières grasses ou la structure de l'amidon. Sur cette base, les conditions cadres de génie des procédés en halle d'essais sont choisies de manière à se rapprocher autant que possible de la production ultérieure.
Stratégie de montée en échelle et critères de similitude
La planification s'effectue de façon spécifique au type de procédé et repose sur des considérations de similitude. Les similitudes géométrique, cinématique et énergétique en sont les grandeurs directrices centrales.
Les grandeurs de mise à l'échelle importantes sont par exemple le taux de remplissage, la géométrie de l'outil, la vitesse périphérique, l'apport d'énergie, le taux de pulvérisation et la conduite de l'air. Idéalement, la montée en échelle est réalisée par étapes, du laboratoire à la halle d'essais puis à la production, afin que les non-linéarités et les effets d'appareil soient reconnus précocement.
Particularités physiques lors de la montée en échelle
À plus grande échelle, les procédés de mélange et de granulation ne se comportent fréquemment pas de façon linéaire. Des modifications du transfert de chaleur et de matière, du comportement de mélange ainsi que de la conduite de l'humidité et de l'air peuvent conduire à des points chauds, à des gradients d'humidité, à une formation de poussière ou à une structure de granulé insuffisante.
Pour les granulés alimentaires instantanés en particulier, la morphologie des particules, la porosité, la densité et la mouillabilité sont déterminantes. De petites modifications de l'apport d'énergie ou du séchage peuvent déjà influencer nettement la réhydratation, la solubilité et la qualité sensorielle.
Évaluation des risques
Pour l'évaluation structurée des risques, des méthodes normalisées telles que la FMEA, l'HACCP, l'analyse d'Ishikawa et les approches QbD sont mises en œuvre. Des défaillances possibles telles qu'un séchage insuffisant, une granulation insuffisante, des proportions de fines accrues, un entraînement d'allergènes ou des risques de nettoyage peuvent ainsi être identifiées et hiérarchisées précocement.
Plan d'expériences et analytique de procédé
Pour sécuriser la montée en échelle, des séries d'essais systématiques sont réalisées. En font partie des variations définies du taux de remplissage, de la vitesse de rotation, de la vitesse périphérique, de l'apport d'énergie ou de la durée du procédé ainsi que la documentation de la qualité de produit qui en résulte.
Les résultats sont exploités et documentés sans lacune. Sur demande, des stratégies de mesure et d'exploitation supplémentaires peuvent être intégrées, afin de définir de façon solide les limites du procédé et la fenêtre de fonctionnement ultérieure.
Qualification et transfert dans la production
L'évaluation technique est suivie du transfert vers l'installation cible. Comme les installations d'essai et de production sont idéalement conçues selon des principes de génie des procédés semblables et avec des tailles échelonnées, les paramètres de la halle d'essais se transposent fréquemment bien à l'échelle de production.
Les hypothèses pertinentes pour la mise à l'échelle devraient toutefois toujours être sécurisées par des essais de validation à plus grande échelle. C'est important pour la décision d'investissement ultérieure, car la qualité du produit, la rentabilité et les risques techniques peuvent ainsi être évalués de façon réaliste au préalable.
Fabrication et cycle de vie
La fabrication de l'installation de production s'effectue ensuite sur la base des connaissances acquises en halle d'essais. Après la mise en service, les inspections, la maintenance préventive et la disponibilité des pièces de rechange restent des composantes essentielles pour assurer la stabilité du procédé sur l'ensemble du cycle de vie.
Ainsi amixon® planifie un programme d'essais et de montée en échelle en halle d'essais
Définir l'objectif avant le premier essai
Au début se placent les critères d'acceptation de l'exploitant, à savoir la qualité de mélange exigée, le taux de vidange, les exigences de ménagement, la plage de tailles de charge et le temps de cycle. Les experts amixon® traduisent ces objectifs en un programme d'essais structuré sur l'une des 35 installations d'essai, dans la taille qui correspond à la quantité de produit disponible.
Variation systématique des paramètres
Sont variées les grandeurs pertinentes pour la mise à l'échelle : le temps de mélange, la vitesse périphérique de l'outil dans la fenêtre d'environ 0,8 à 3,5 m/s, le taux de remplissage ainsi que, si cela est pertinent pour le procédé, le taux de dosage et le mode d'ajout du liquide, par exemple par lance ou par buse à deux fluides, avec ou sans rotor de coupe. Pour chaque point d'essai, des échantillons sont prélevés et la qualité de mélange est déterminée, tandis que les taux de vidange sont vérifiés gravimétriquement.
Transfert à l'échelle de production
Parce que les mélangeurs de halle d'essais et de production travaillent selon un principe de mélange identique et sont mis à l'échelle par la vitesse périphérique plutôt que par la seule vitesse de rotation, les paramètres trouvés sont en principe bien transposables. La gamme de tailles par pas de 100 litres jusqu'à 50 000 litres permet un dimensionnement exactement sur la taille de charge cible, sans rupture de similitude inutile.
Beaucoup de choses se laissent calculer, mais toutes les questions ne se résolvent pas de façon sûre par le seul calcul. Pour de nombreux sujets, amixon® dispose de valeurs d'expérience auxquelles il est possible de recourir dans le processus de développement. Certaines questions doivent toutefois impérativement être résolues par l'expérience, par exemple la pression dynamique qui s'établit dans la zone de l'outil lors du brassage de granulés alimentaires instantanés.
C'est justement ici qu'une série d'essais avec des charges de tailles différentes livre des affirmations particulièrement solides. À partir d'essais avec 1 litre, 10 litres, 100 litres, 1 000 litres et 3 000 litres, des déductions très précises peuvent être obtenues pour la montée en échelle. Le comportement dans une charge de 10 m³ peut ainsi être prédit de façon nettement plus sûre.
La documentation comme base d'investissement
Les essais sont réalisés, exploités et documentés en commun. Le rapport d'essai confirme les paramètres de procédé dans des conditions réelles et désigne l'appareil optimal. La qualité de mélange visée, les taux de vidange et les temps de cycle sont ainsi repris de façon solide dans la spécification de l'installation, et les risques sont idéalement écartés avant l'investissement au lieu d'être découverts seulement après.
Pour l'instant food, les systèmes amixon® ont fait leurs preuves dans la pratique, par exemple les mélangeurs à deux arbres avec nettoyage humide automatique lors du passage du salé au sucré, le KoneSlid® pour les produits fragiles séchés par atomisation et agglomérés ainsi que le RMG pour les granulés peu poussiéreux et rapidement solubles.
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 ; la modernisation et la mise à niveau les maintiennent à l'état de l'art.