Comment planifier des séries d'essais en halle d'essais afin d'optimiser le temps de mélange, la vitesse et l'ajout de liquide pour une nouvelle recette d'épices ?
Planification des essais en halle d'essais (DoE)
L'optimisation d'une recette d'épices s'effectue de façon structurée à l'aide du plan d'expériences statistique (Design of Experiments, DoE). L'objectif est d'obtenir, avec peu d'essais, des conclusions solides sur le temps de mélange, la vitesse de rotation et l'ajout de liquide. Les interactions sont prises en compte de façon ciblée. Tous les essais ont lieu dans des conditions reproductibles.
Au début, des grandeurs cibles et des critères d'évaluation clairs sont définis. Les critères typiques sont :
- Homogénéité (coefficient de variation CV inférieur à 5 %)
- Distribution granulométrique et agglomérats
- Humidité résiduelle et activité de l'eau (aw)
- Masse volumique apparente et coulabilité
- Analyse sensorielle (couleur, arôme, goût)
- Proportion de poussière et qualité visuelle
Les limites de procédé suivantes sont en outre relevées :
- Apport d'énergie
- Température du produit
- Adhérence aux parois
- Effort de nettoyage
Les principaux facteurs d'influence et leurs plages sont définis et délimités.
- Temps de mélange : typiquement de 30 à 600 s.
- Vitesse périphérique : environ 1 à 6 m/s sur l'outil de mélange principal, environ 10 à 30 m/s sur le rotor de coupe.
- Ajout de liquide : 0 à 15 % (quantité, moment, mode d'introduction).
D'autres grandeurs telles que le taux de remplissage, l'ordre des matières premières et le type de buse restent constantes ou sont prises en compte de façon systématique.
Plan expérimental (structure DoE) : la planification s'effectue en trois étapes.
- Criblage : identification des effets principaux (par exemple plan factoriel fractionnaire).
- Optimisation : modélisation des interactions (par exemple CCD, Box-Behnken).
- Vérification : confirmation des optima par des essais répétés.
L'ordre des essais est randomisé. Des points centraux servent à évaluer la dispersion et la courbure.
Réalisation des essais
Le temps de mélange est déterminé au moyen de séries temporelles. Des échantillons sont prélevés à plusieurs positions. Le point optimal est atteint lorsque la valeur du CV atteint un plateau stable. Il convient d'éviter des temps de mélange trop longs, car de l'abrasion, de la poussière et une perte d'arôme peuvent sinon apparaître.
La vitesse de rotation détermine la sollicitation mécanique. Le rapport entre un brassage rapide et le ménagement du produit est évalué. Des vitesses de rotation élevées améliorent la dissolution des agglomérats, mais accroissent la rupture et les poussières fines.
Pour l'ajout de liquide, le moment, le mode de dosage et la caractéristique de la buse sont examinés. L'objectif est d'obtenir un mouillage uniforme sans formation de grumeaux. Le temps de post-mélange est adapté de façon ciblée.
Acquisition et exploitation des données : toutes les données de procédé pertinentes sont enregistrées.
- La puissance et le couple.
- La température du produit, les quantités ajoutées et les temps.
- Les prélèvements et les données d'analyse.
L'exploitation s'effectue par régression et ANOVA. Les effets et les interactions significatifs sont identifiés. Les résultats sont représentés sous forme de surfaces de réponse. Plusieurs grandeurs cibles peuvent être combinées au moyen de fonctions de désirabilité.
Montée en échelle vers la production
La montée en échelle est prise en compte tôt. Servent de critères de transposition :
- une vitesse périphérique ou un nombre de Froude constants,
- un apport de puissance spécifique P/V constant,
- une caractéristique de pulvérisation comparable pour les liquides.
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.
L'objectif est la transposabilité directe des paramètres optimaux.
Les résultats sont sécurisés statistiquement et validés. Des échantillons provenant de différentes positions sont exploités (CV). L'analytique s'effectue selon le produit (par exemple tamisage, colorimétrie, analyse de la substance active).
Comment amixon® planifie les programmes d'essais et de montée en échelle en halle d'essais
Au début se place la définition des objectifs, au cours de laquelle les critères d'acceptation clairs de l'exploitant sont fixés. En font partie la qualité de mélange (par exemple le RSD), le taux de vidange, le ménagement du produit (intégrité des particules, aucun apport de chaleur), la taille de charge et le temps de cycle. amixon® transpose ces exigences dans un programme d'essais structuré. Les essais sont réalisés sur l'une des 35 installations d'essai, dans une taille adaptée à la quantité de produit disponible.
Les paramètres pertinents pour la montée en échelle sont examinés.
- le temps de mélange,
- la vitesse périphérique (typiquement de 0,8 à 3,5 m/s),
- le taux de remplissage (qualité de mélange élevée dès environ 10 %),
- l'ajout de liquide (quantité, débit de dosage, système d'introduction tel que lance ou buse bifluide, en option avec rotor de coupe).
Pour chaque point de fonctionnement, des échantillons sont prélevés et la qualité de mélange est déterminée. Les taux de vidange sont vérifiés gravimétriquement. Des cascades d'essais fournissent des données solides.
Certaines propriétés produit ne peuvent toutefois pas être calculées de façon fiable. En font partie la rupture de particules, la formation de poussière, le maintien de la masse volumique apparente, l'aptitude à l'instantanéisation et le comportement à la vidange. amixon® réalise à cet effet des séries d'essais échelonnées avec différentes tailles de charges, par exemple 1 l, 100 l, 400 l, 2 000 l et 3 000 l. Des mélangeurs de halle d'essais de grande taille allant jusqu'à 3 m³ sont également disponibles. Il en résulte des données solides pour la montée en échelle jusqu'à environ 15 000 litres.
Tous les essais sont exploités et documentés en commun, afin de créer une base d'investissement fondée. Le rapport d'essai confirme les paramètres de procédé optimaux dans des conditions réelles. Le rapport d'essai définit l'appareil approprié et sert de base à l'URS. Des grandeurs cibles telles que le RSD, le taux de vidange et le temps de cycle sont fixées avec précision. Les risques d'investissement sont réduits en amont.
Les mélangeurs amixon® travaillent à faible vitesse de rotation et en ménageant le produit, de sorte qu'un traitement doux des produits sensibles est assuré. Les particules fragiles telles que les herbes, le thé ou les épices restent intactes. Une vidange quasi complète et un nettoyage rapide permettent des changements de produit fréquents.
Les épices sont des produits naturels. Leur qualité varie selon l'origine, la période de récolte et la fraîcheur. Les variations de qualité peuvent souvent être compensées par des charges plus grandes et homogénéisées. Le silo mélangeur Gyraton® homogénéise des charges allant jusqu'à 100 m³, aussi bien en discontinu qu'en continu.
À la fin d'une campagne d'essais se place une visite de l'usine amixon®.
Fabrication et assurance qualité
amixon® développe et fabrique exclusivement à Paderborn. Tous les composants proviennent d'Allemagne. En tant qu'entreprise de soudage certifiée disposant de qualifications internationales, amixon® fabrique chaque mélangeur en pièce unique sur la base de l'URS. Le contrôle qualité s'effectue intégralement en interne. Chaque spécification est justifiable jusqu'au niveau du composant. Les pièces de rechange restent disponibles et reproductibles à long terme.