Comment planifier une montée en échelle de la halle d'essais vers la production pour des mélanges d'épices afin de conserver les temps de mélange et la qualité ?
L'objectif d'une montée en échelle de mélanges d'épices est d'assurer l'homogénéité, les temps de mélange et le traitement ménageant des ingrédients obtenus en laboratoire ou en halle d'essais également avec des quantités de solides, des installations et des environnements de procédé nettement plus grands.
Les mélanges d'épices sont à cet égard particulièrement exigeants, car ils contiennent des composants aux tailles de particules et aux masses volumiques apparentes très différentes. Le poivre grossier et la poudre de paprika fine, le sel lourd et les herbes légères en sont des exemples. S'y ajoutent des propriétés d'écoulement et une cohésion différentes, des microcomposants aux quantités d'emploi très faibles tels que les arômes ou les vitamines, ainsi que des constituants sensibles à l'humidité et aux matières grasses comme les arômes et les huiles essentielles. Une montée en échelle 1:1 purement volumétrique conduit ici fréquemment à une sensorialité divergente et doit être remplacée par une planification systématique de la montée en échelle.
Avant chaque montée en échelle, les propriétés de solide en vrac des composants isolés et du mélange final sont caractérisées. En font partie, par exemple, la distribution granulométrique, la masse volumique apparente et tassée, l'angle de talus et le frottement à la paroi, l'humidité résiduelle et l'activité de l'eau, la teneur en matières grasses ou en huile et la tendance aux incrustations. Parallèlement, le procédé de mélange établi est documenté en halle d'essais, car il constitue la référence pour l'échelle de production. Sont documentés entre autres le type de mélangeur, le taux de remplissage, la vitesse de rotation, le temps de mélange, l'apport d'énergie et l'ordre d'ajout.
Pour un comportement de mélange transposable, trois critères de similitude sont déterminants :
- la similitude géométrique (même principe de construction, rapports longueur-diamètre comparables, géométrie d'outil semblable)
- la similitude cinématique (maintien de la caractéristique de mouvement du lit de mélange, par exemple par un nombre de Froude constant décrivant le rapport des forces centrifuges à la gravité)
- la similitude dynamique (sollicitation et apport d'énergie comparables par particule, afin d'éviter la casse, l'abrasion et la perte d'arômes)
La vitesse de rotation dans le mélangeur de production doit alors être adaptée au rayon plus grand, afin que le régime de mélange soit conservé et que l'apport d'énergie spécifique se situe dans la même plage. Le nombre de Froude ne joue à cet égard un rôle que pour les systèmes de mélange à outil de mélange monté horizontalement.
Lors de la montée en échelle, le mélangeur de production devrait être aussi semblable que possible, sur le plan géométrique, à l'appareil de halle d'essais, idéalement avec le même principe de mélange dans une taille plus grande. Pour les mélanges d'épices, les types de mélangeurs éprouvés suivants se sont établis :
- les mélangeurs hélicoïdaux verticaux, pour un brassage tridimensionnel à faible vitesse périphérique,
- les mélangeurs coniques à arbre de mélange central, pour une large plage de taux de remplissage,
- les mélangeurs à socs ou à pales, pour une qualité de mélange élevée avec de grandes différences de densité,
- les mélangeurs coniques à vis, avec vis en révolution planétaire, pour un traitement particulièrement ménageant de feuilles d'herbes fragiles,
- les mélangeurs à rubans (ribbon blenders), pour de grandes charges avec des temps de mélange plus longs, ainsi que
- les mélangeurs à deux arbres, pour des temps de mélange courts avec une taille de charge élevée.
Des mélangeurs surremplis engendrent des zones mortes et allongent le temps de mélange, tandis que des taux de remplissage trop faibles réduisent le rendement du rotor de coupe, ce qui peut nuire à l'homogénéité. En même temps, la pression de l'empilement et le rapport de la surface au volume changent à grande échelle, ce qui influence les conditions de frottement et la formation de dépôts, en particulier avec des mélanges huileux.
Les composants sensibles tels que les feuilles d'herbes ou les morceaux de légumes et de fruits lyophilisés réagissent avec sensibilité à une sollicitation mécanique élevée. Si la vitesse périphérique augmente trop fortement lors de la montée en échelle, l'abrasion et la casse augmentent.
La qualité de mélange devrait être saisie quantitativement, typiquement par le coefficient de variation d'un composant repère ou traceur. En halle d'essais, des échantillons sont prélevés à des instants définis afin d'obtenir une courbe temps de mélange–qualité de mélange et de déterminer le point de mélange optimal. À l'échelle de production, un échantillonnage multipoint est en outre réalisé dans différentes zones du mélangeur, afin d'obtenir des données représentatives sur l'homogénéité et d'éviter un surmélange. Car des temps de mélange trop longs peuvent à leur tour favoriser un démélange par ségrégation ou par forces centrifuges.
La conduite de la recette, l'ordre d'ajout et la stratégie de dosage sont tout aussi importants. Les microcomposants sont fréquemment prédilués dans des prémélanges avec une partie d'un composant principal, afin d'éviter les erreurs de dosage et les surconcentrations locales. L'ordre d'ajout est optimisé de sorte que des composants très lourds ou très fins ne se séparent pas prématurément. Les composants huileux et aromatiques sont dosés de préférence par des systèmes de pulvérisation ou d'injection, afin de pouvoir maîtriser la taille des gouttes, le mouillage et la formation de grumeaux. En même temps, l'apport de cisaillement est piloté de façon ciblée, afin d'obtenir une bonne répartition avec une structure préservée.
De nombreux écarts de qualité n'apparaissent que dans les étapes de procédé en aval. Les hauteurs de chute devraient donc être minimisées et les voies de convoyage maintenues aussi courtes que possible. Il convient en outre de choisir des principes de convoyage qui ne favorisent pas la ségrégation. Idéalement, la vidange des silos et des trémies est dimensionnée pour un écoulement massique. Car les courants d'air peuvent transporter sélectivement des particules fines et perturber ainsi l'homogénéité.
À l'échelle de production, l'apport d'énergie spécifique doit en outre être surveillé. Un apport d'énergie accru conduit à un échauffement et peut altérer les huiles aromatiques ainsi que les composants volatils. Une condensation peut se produire dans le produit fini emballé.
Les principes essentiels peuvent se résumer ainsi :
- choisir un type de mélangeur géométriquement semblable de la halle d'essais à la production,
- conserver autant que possible le régime de mélange au moyen de grandeurs caractéristiques appropriées,
- maintenir le taux de remplissage constant,
- démontrer quantitativement la qualité de mélange,
- assurer le ménagement du produit par une vitesse périphérique limitée et un apport d'énergie maîtrisé,
- introduire les microcomposants et les additifs liquides de façon fiable,
- vérifier les procédés en aval quant aux risques de démélange,
- sécuriser la montée en échelle par plusieurs étages de validation.
Ainsi amixon® planifie un programme d'essais et de montée en échelle en halle d'essais
Les objectifs de l'exploitant sont d'abord définis avec précision. En font partie la qualité de mélange exigée, par exemple un RSD cible, le taux de vidange, les exigences de ménagement du produit telles que l'intégrité des particules et un apport de chaleur limité, ainsi que la plage de tailles de charge prévue et le temps de cycle. Les expertes et les experts amixon® traduisent ces critères en un programme d'essais structuré sur une installation d'essai appropriée. La taille est choisie de sorte qu'elle corresponde à la quantité de produit disponible.
Les essais suivent une variation systématique des paramètres. Sont variées les grandeurs pertinentes pour la mise à l'échelle : le temps de mélange, la vitesse périphérique des outils de mélange dans une plage d'environ 0,8 à 3,5 m/s, le taux de remplissage ainsi que – si cela est pertinent – le taux de dosage et le mode d'ajout du liquide. Les liquides peuvent être introduits par des lances ou des buses bifluides, avec ou sans rotor de coupe. Pour chaque point d'essai, des échantillons sont prélevés et la qualité de mélange est déterminée. Les taux de vidange sont vérifiés gravimétriquement. La base en est la congruence des systèmes de mélange amixon® et leur fréquence de remaniement.
Le débit de refoulement I_V est décrit par la géométrie et les données de fonctionnement. Il résulte de I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ.
D et d désignent les diamètres extérieur et intérieur de l'hélice, Φ le taux de remplissage rapporté au volume utile, S le pas de l'hélice, n la fréquence de rotation en tours par seconde et ζ le coefficient de vitesse spécifique à l'outil et au produit. Il en ressort que le volume entier de la chambre de mélange est déjà entièrement parcouru et déstratifié après quelques tours.
Les paramètres déterminés sont transposés à l'échelle de production. Les mélangeurs de halle d'essais et de production travaillent selon le même principe de mélange, l'écoulement total SinConvex®. La mise à l'échelle s'effectue par la formule de remaniement, c'est-à-dire par le débit volumique de refoulement de l'outil de mélange hélicoïdal et la fréquence de remaniement qui en découle – et non par la seule vitesse de rotation. Le raster de tailles par pas de 100 litres jusqu'à 50 000 litres – et, pour le silo mélangeur Gyraton®, par pas de 1 m³ jusqu'à environ 100 m³ – permet un dimensionnement exact sur la taille de charge cible souhaitée, sans rupture de similitude. Sont disponibles au choix les mélangeurs verticaux à un arbre (type VM), les mélangeurs verticaux à deux arbres (type HM), les mélangeurs coniques (type AM), les mélangeurs KoneSlid® (type KS), les mélangeurs à sphère creuse SpherHelics® (type SH), le silo mélangeur Gyraton® (type GM) et le mélangeur continu conique (type AMK). amixon® conseille ainsi le client de façon ouverte quant au résultat, honnête et orientée vers l'application.
La documentation des essais sert de base d'investissement solide. Les tests sont réalisés, évalués et intégralement documentés en commun. Un rapport d'essai confirme les paramètres de procédé dans des conditions réelles et désigne l'appareil optimal. Ces résultats entrent directement dans la spécification de l'installation (URS). Le RSD cible, les taux de vidange et les temps de cycle sont définis de façon contractuellement solide. Les risques techniques et économiques sont ainsi élucidés avant l'investissement, et non seulement en cours d'exploitation.
Pour le thé, les herbes et les épices, amixon® mélange de façon particulièrement ménageante. La conduite à faible vitesse préserve les feuilles fragiles et les particules sensibles. La chambre de mélange se vide de façon quasi complète et le nettoyage est rapide. Des changements de recette fréquents sont ainsi possibles de façon fiable. Le Gyraton® GM homogénéise les épices, le thé et le café en grandes charges allant jusqu'à 100 m³.
La fabrication à Paderborn est le fondement de la qualité d'amixon®. Le développement et la production s'effectuent exclusivement à l'usine de Paderborn, avec une intégration verticale élevée. Tous les composants proviennent de sources qualifiées en 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. Le contrôle qualité reste sans lacune en interne, et chaque spécification est justifiable jusqu'au niveau du composant. Cette maîtrise de la fabrication assure en même temps l'approvisionnement à long terme. Chaque composant est encore refabricable de façon reproductible après des décennies.