Quels avantages offrent les séries de mélangeurs modulaires pour des tailles de charge flexibles et la montée en échelle de la halle d'essais à la production ?
Les séries de mélangeurs modulaires peuvent rapprocher, sur le plan organisationnel et technique, le développement, le pilotage et la production. Leur bénéfice apparaît surtout lorsque les tailles de la série présentent effectivement des principes de mélange, des outils, des concepts de mesure et des fenêtres de procédé comparables. Des formes constructives identiques ou des géométries similaires facilitent la montée en échelle, mais ne garantissent pas un transfert inchangé des recettes, des temps de mélange ou des caractéristiques de qualité.
Tailles de charge flexibles
Un mélangeur peut traiter différentes tailles de charge dans sa plage de fonctionnement démontrée. La plage utilisable dépend du produit, de la densité apparente, de la répartition granulométrique, de l'humidité, de la tâche de mélange, de la géométrie de l'outil, de l'ordre de dosage et des exigences de qualité. Des plages de taux de remplissage générales ou l'affirmation selon laquelle chaque charge pourrait être mélangée avec la même qualité sur l'ensemble du spectre de volume ne sont donc pas fiables.
Des outils, inserts ou organes de procédé supplémentaires interchangeables peuvent adapter l'installation à des tâches particulières, par exemple la désagglomération, l'apport de liquide ou des produits sensibles. Ils modifient toutefois l'apport d'énergie, la contrainte de cisaillement, le dégagement de chaleur et, le cas échéant, la structure des particules. Un changement d'outil n'est donc pas une simple adaptation de recette, mais doit être évalué en fonction du produit et de la qualité. De même, des pièces en contact avec le produit rapidement interchangeables ne réduisent les temps de changement de série que si le nettoyage, le démontage, le contrôle, le remontage et la libération sont organisés en conséquence.
Montée en échelle avec ses limites
La similitude géométrique peut être utile pour la montée en échelle. Des rapports comparables entre la cuve, l'outil et le taux de remplissage permettent d'étudier les effets pertinents de façon plus structurée. Pour les procédés d'agitation et les procédés liquides, des nombres adimensionnels tels que le nombre de Reynolds, le nombre de Froude ou le nombre de Newton peuvent être utiles pour le transfert de l'écoulement, de l'apport de puissance et du régime de mélange.
Pour les mélanges de poudres, de tels nombres ne suffisent toutefois que de façon limitée. Les produits en vrac réagissent à la répartition granulométrique, aux différences de densité, à l'humidité, à la cohésion, à l'électrostatique, à la ségrégation, aux adhérences et aux zones d'écoulement locales. En particulier pour de très petites quantités, pour des microcomposants ou lors d'ajouts de liquide, les rapports entre la halle d'essais et la production peuvent changer de façon substantielle. Le transfert de chaleur, l'évacuation, l'aptitude au nettoyage et la précision de dosage ne s'échelonnent pas non plus automatiquement. Une montée en échelle fiable nécessite donc des essais avec le produit d'origine, une définition claire des attributs de qualité critiques ainsi qu'un contrôle de la taille cible.
Dans les applications pharmaceutiques, la ligne directrice ICH Q8(R2) exige de justifier la transférabilité d'un espace de conception (Design Space) développé à l'échelle du laboratoire ou du pilote vers l'échelle de production. Un Design Space décrit la combinaison des propriétés des matières et des paramètres de procédé qui garantit démontrablement la qualité. Pour une application sur plusieurs échelles, les paramètres indépendants de l'échelle pertinents et les risques de la montée en échelle doivent être expliqués. Des nombres adimensionnels ou des modèles de mise à l'échelle peuvent faire partie de cette justification, mais ne remplacent pas une confirmation propre au produit à l'échelle de production.
Automatisation et documentation
Une architecture de commande unifiée peut simplifier la reprise des recettes, de la saisie de données et des concepts d'utilisation entre la halle d'essais et la production. Les paramètres de recette, les plages de mesure, l'instrumentation, les seuils d'alarme, les droits d'utilisateur et la logique de commande doivent néanmoins être adaptés et testés pour l'installation concernée. Une reprise directe d'une recette de halle d'essais en production n'est justifiable que si la plage de paramètres et ses effets sur la qualité sont sécurisés pour l'installation cible.
La même réserve s'applique à la qualification et à la validation. Les résultats de la halle d'essais peuvent soutenir la conception du procédé et le choix des paramètres critiques. La qualification du procédé et l'évaluation des performances doivent toutefois avoir lieu sur le site de production prévu. La FDA décrit la validation du procédé comme un cycle de vie : le procédé commercial est défini à partir des connaissances acquises lors des phases de développement et de montée en échelle, puis qualifié et surveillé en continu pendant la production de routine.
Rentabilité et exploitation
Des composants communs au sein d'une série de mélangeurs peuvent simplifier la gestion des pièces de rechange, la formation et la planification de la maintenance. Ces avantages dépendent toutefois du nombre de pièces réellement identiques et de la possibilité de les utiliser à l'identique dans différentes tailles et environnements de produit. Une maintenance ou un remplacement de module « en cours de fonctionnement » n'est possible sur les installations de mélange que si le procédé, la sécurité du travail, le confinement et la redondance le permettent. Sans capacité parallèle ni tampons adaptés, même une installation modulaire entraîne des interruptions de production.
Une périphérie supplémentaire telle que le vide, la thermorégulation, l'instrumentation ou des interfaces numériques peut être ajoutée a posteriori sur des installations préparées à cet effet sur le plan constructif. Cela est particulièrement efficace lorsque des raccordements de réserve, l'espace de construction, les capacités de fluides et les réserves de commande sont déjà disponibles. Dans le cas contraire, l'extension est souvent réalisable, mais ne constitue pas un rétrofit simple.
Tailles de charge et montée en échelle chez amixon®
amixon® propose un large éventail de mélangeurs verticaux de précision pour le développement, la halle d'essais et la production. Les exploitants peuvent ainsi choisir l'appareil adapté à différentes tailles de charge et tâches de procédé, et sécuriser la conception au moyen d'essais avec le produit d'origine. La fabrication centralisée à Paderborn permet une adaptation spécifique au projet de la chambre de mélange, de l'outil, de l'évacuation, de l'automatisation et de la documentation pertinente pour la qualification.
Des systèmes de mélange compacts sont disponibles pour les petites charges de développement et les charges spéciales. Les mélangeurs de production plus grands peuvent — selon le type et les exigences — être fabriqués dans des tailles allant de 100 litres à 50 000 litres, et sur demande par paliers de 100 litres. Cela permet une conception de capacité étroitement orientée vers la taille de charge réellement requise. Pour les grandes charges, amixon® propose avec le mélangeur Gyraton® une solution pour de très grandes quantités de produit en vrac ; l'entreprise présente par exemple une version d'une capacité de mélange d'environ 70 mètres cubes.
Les outils de mélange des mélangeurs verticaux fonctionnent selon le principe SinConvex®. Pour certaines séries, amixon® indique une plage de vitesse périphérique d'environ 0,8 à 3,5 mètres par seconde. Des principes d'outils comparables et une philosophie de construction cohérente peuvent soutenir le transfert des connaissances issues des essais en halle d'essais vers la conception de production. Ils ne remplacent toutefois pas un contrôle de montée en échelle propre au produit : avec l'augmentation de la taille, la cinétique de mélange, le taux de remplissage, l'apport d'énergie, le transfert de chaleur, le comportement de dosage, la vidange et le ménagement du produit peuvent varier.
amixon® accompagne cette transition par des essais en halle d'essais. À Paderborn, environ 35 installations d'essai sont disponibles pour les procédés de mélange, de séchage et de réaction ; des halles d'essais complémentaires se trouvent aux États-Unis ainsi que dans plusieurs pays d'Asie. Les essais avec le produit d'origine permettent d'évaluer la qualité de mélange, le temps de mélange, le ménagement du produit, l'apport de liquide, l'apport d'énergie, l'aptitude à la vidange et l'aptitude au nettoyage pour la tâche concernée. Les résultats documentés constituent une base fiable pour le choix de l'appareil, les paramètres de procédé et la conception de la taille cible. Ils réduisent le risque de montée en échelle, mais ne remplacent pas l'évaluation des performances dans l'environnement de production réel.
L'étendue des systèmes de mélange amixon® permet, outre les mélangeurs discontinus, également des procédés de mélange continus et spéciaux. Le type d'appareil approprié dépend du produit, du débit, de la taille de charge, de la stratégie de dosage, des exigences de nettoyage, du confinement et de l'automatisation. amixon® peut à cet effet adapter le système de mélange, le dosage, l'évacuation et la périphérie à la User Requirement Specification, en abrégé URS, de l'exploitant.
Pour une conduite de procédé reproductible, les programmes de mélange peuvent être enregistrés dans un automate programmable industriel, en abrégé API. Le temps de mélange, la vitesse de rotation, l'ordre de dosage, le profil de température et d'autres paramètres de procédé peuvent être pilotés par charge. Une connexion spécifique au projet à des systèmes de niveau supérieur ainsi qu'une identification des matières par code-barres peuvent relier la recette, la charge et les données de procédé. Cela soutient la traçabilité des charges et l'évaluation du rendement global des équipements, en anglais Overall Equipment Effectiveness et en abrégé OEE, à condition que le modèle de données, les horodatages, les droits d'utilisateur et les catégories d'arrêt soient clairement définis dans le système global.
Pour les applications réglementées, amixon® peut fournir des documents techniques pour la qualification et soutenir la Design Qualification, l'Installation Qualification et l'Operational Qualification, en abrégé DQ, IQ et OQ. L'exécution peut être orientée vers des exigences spécifiques au projet telles que les BPF de l'UE, le FDA 21 CFR Part 11, EHEDG, les normes 3-A Sanitary, ATEX ou ASME. La responsabilité de la validation du procédé, de la validation du nettoyage, de l'intégrité des données et de la qualification du système global incombe à l'exploitant.
Selon les indications de l'entreprise, amixon® développe et fabrique à Paderborn, et accompagne les installations à long terme par la mise en service, la maintenance, la modernisation, le rétrofit et l'approvisionnement en pièces de rechange. Cette combinaison de fabrication propre, de large gamme d'appareils et de structure internationale de halles d'essais aide les exploitants à développer et adapter les procédés de mélange de façon traçable, de l'essai jusqu'à l'installation de production.