Comment évalue-t-on la scalabilité d'un mélangeur de laboratoire pour compléments alimentaires jusqu'aux tailles de production ?
La scalabilité d'un mélangeur de laboratoire s'évalue par la géométrie, les paramètres de procédé, les propriétés des matières et la qualité du produit. L'objectif est que l'homogénéité, la répartition des principes actifs et l'uniformité de teneur (Content Uniformity) restent reproductibles de l'échelle du laboratoire à l'échelle de production.
Similitude géométrique et cinématique
Pour une montée en échelle fiable, les mélangeurs de laboratoire, pilotes et de production devraient être géométriquement semblables autant que possible. Les dimensions de la cuve, la géométrie de l'outil ainsi que les entrées et les sorties sont ici importantes. Le nombre de Froude, le nombre de Newton et la vitesse périphérique doivent en outre être considérés, afin de maintenir comparables le mouvement des particules, l'apport d'énergie et la sollicitation au cisaillement.
Le nombre de Froude se rapporte en cela aux mélangeurs rotatifs à chute libre, à tambour et à projection ainsi qu'aux systèmes à outil de mélange monté horizontalement. Pour les mélangeurs verticaux à remaniement forcé, il n'est ni un critère de dimensionnement ni un critère de montée en échelle. Ce qui compte là, c'est que le principe de mélange reste identique sur toutes les tailles et que le remaniement couvre toute la chambre de mélange indépendamment du taux de remplissage ; la transposabilité est sécurisée en halle d'essais avec le produit d'origine.
Comportement des matières et du procédé
La taille des particules, la masse volumique apparente, le comportement d'écoulement, l'humidité et la tendance à la ségrégation influencent fortement le comportement à la mise à l'échelle. Selon la recette, un apport de puissance spécifique constant, un nombre de Froude constant ou une vitesse périphérique constante sont utilisés comme grandeur directrice. La conduite de température et l'évacuation de la chaleur gagnent elles aussi en importance à mesure que la taille de l'installation augmente.
Démonstration de la qualité
La qualité de mélange devrait être vérifiée à toutes les échelles avec des analyses comparables, par exemple par des échantillonnages, une analytique chromatographique ou spectroscopique. Avec les formulations à faible dosage, l'adhérence aux parois, les effets électrostatiques et la ségrégation sont particulièrement critiques. Une échelle pilote aide à reconnaître tôt les effets de mise à l'échelle et à sécuriser le procédé pour la production.
Ainsi amixon® sécurise la montée en échelle de la halle d'essais à la production
Un principe de mélange identique à toutes les échelles
Le cœur de l'approche amixon® : les mélangeurs d'essai et de production travaillent avec le même système de mélange. L'outil hélicoïdal SinConcave®/SinConvex® achemine le produit à mélanger vers le haut à la périphérie et le laisse s'écouler vers le bas au centre. Cet écoulement total tridimensionnel reste le même indépendamment de la taille. 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. Toutes les tailles sont exploitées dans la même fenêtre d'environ 0,8 à 3,5 m/s, en règle générale à faible vitesse. L'image de projection, la sollicitation mécanique des particules et les conditions de similitude sont ainsi préservées entre les échelles.
Des géométries congruentes comme fondement
Déterminante pour la montée en échelle est la congruence des géométries entre le mélangeur de halle d'essais et celui de production. La forme de la cuve, la géométrie de l'outil de mélange, les éléments internes et l'espace d'écoulement restent dans le même rapport les uns aux autres. Il en résulte une image d'écoulement comparable, qui se transpose de façon reproductible de l'échelle du laboratoire à celle de la halle d'essais, puis à celle de la production.
Formule de calcul pour l'écoulement
Le débit de refoulement de l'hélice de mélange verticale peut être décrit approximativement par la relation suivante :
I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ
Ici, I_V est le débit de refoulement, D le diamètre extérieur de l'hélice, d le diamètre intérieur, Φ le taux de remplissage, S le pas de l'hélice, n la fréquence de rotation et ζ le coefficient de vitesse. Cette relation montre que, pour la montée en échelle, ce n'est pas la vitesse de rotation seule qui est déterminante, mais le débit de refoulement résultant et la vitesse périphérique.
Une qualité de mélange indépendante du taux de remplissage
Les mélangeurs amixon® atteignent de hautes qualités de mélange dès un faible taux de remplissage, par exemple 10 %. Le mélange aléatoire techniquement idéal ne peut plus être amélioré dans la pratique. Les tailles de charge peuvent varier dans le même mélangeur sans que l'homogénéité doive être validée à nouveau. Cela désamorce le moment le plus critique de la montée en échelle, à savoir les premières petites charges de production dans la grande machine.
Une trame fine de tailles au lieu de sauts d'échelle
Sur demande, amixon® fabrique les tailles de mélangeur par pas de 100 litres, de 100 à 50 000 litres pour les types VM, HM et AM ; le Gyraton® GM prend la suite de 10 à environ 100 m³ par pas de 1 m³. Le pas de l'échelle d'essai validée à la taille cible peut ainsi être choisi très finement. Un saut imposé vers la taille de catalogue suivante n'est pas nécessaire.
Validation avant l'investissement
En halle d'essais amixon®, 35 installations d'essai de tailles diverses sont disponibles. Les essais se déroulent avec le produit d'origine, avec des taux de remplissage réels et dans la plage de température et de pression prévue. Les paramètres vitesse périphérique, temps de mélange et taux de remplissage entrent directement dans le dimensionnement de la machine de production.
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. 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, car chaque composant peut être refabriqué de façon reproductible même des décennies plus tard.