Quelles solutions existent pour des tailles de charge flexibles (produits en poudre) de 5 à 5 000 litres au sein du même type de mélangeur ?
Le traitement de charges comprises entre 5 et 5 000 litres pose des exigences élevées à la technique de mélange et au développement de procédé. Deux questions doivent être distinguées à cet égard. Premièrement, il s'agit de la quantité de remplissage minimale et maximale qu'un seul mélangeur peut traiter de façon judicieuse. Deuxièmement, il s'agit de la transposabilité d'un procédé de mélange de l'installation de laboratoire vers des mélangeurs de production plus grands de la même série.
Une seule machine de mélange ne peut généralement pas couvrir de façon judicieuse une plage de 5 à 5 000 litres. Cela correspond à un rapport de 1 à 1000. Pour de très petites quantités de remplissage, les outils de mélange ne peuvent pas s'immerger suffisamment dans le produit. De plus, le frottement à la paroi, les quantités résiduelles, l'aptitude à la vidange et l'effort de nettoyage gagnent fortement en importance pour les petites charges. En pratique, une série de mélangeurs géométriquement et fonctionnellement comparables, avec des mélangeurs de laboratoire, pilotes et de production, constitue donc généralement la meilleure solution.
Pour des taux de remplissage fortement variables, les systèmes de mélange verticaux à géométrie de cuve conique conviennent particulièrement. Les mélangeurs à vis coniques selon le principe Nauta conduisent le produit vers le point le plus bas de la cuve. Une vis orbitale peut ainsi rester active sur le produit même en cas de remplissage comparativement faible. Les mélangeurs verticaux à un ou deux arbres avec des outils de mélange à grande surface travaillant près du fond peuvent également couvrir une large plage de taux de remplissage. La question de savoir si une quantité de remplissage minimale déterminée est atteinte dépend toutefois toujours du produit en vrac, de la taille des particules, de la masse volumique apparente, du comportement d'écoulement, de la tâche de mélange et de la géométrie de l'outil.
Une flexibilité élevée au sein d'une même machine nécessite une géométrie de cuve et d'outil de mélange adaptée. Des fonds coniques ou des géométries de fond spécialement conçues garantissent que suffisamment de produit se trouve dans la zone d'action de l'outil de mélange, même en cas de remplissage partiel. Des outils disposés près du fond peuvent améliorer le mouvement du produit dans la partie inférieure et réduire la formation de zones immobiles.
Des entraînements à fréquence variable permettent d'adapter la vitesse de rotation et l'intensité de mélange au taux de remplissage et aux propriétés du produit. Une vitesse de rotation plus faible peut ménager les particules sensibles, tandis qu'une vitesse plus élevée accélère le mélange pour certaines tâches. La vitesse de rotation requise ne doit toutefois pas être déduite uniquement d'un apport de puissance spécifique constant. Pour les produits secs en vrac, la gravité, le frottement à la paroi, la forme des particules et la cohésion déterminent également le comportement de mélange.
Une bonne aptitude à la vidange est particulièrement importante pour les petites charges. Des organes de sortie à faible espace mort et une géométrie de cuve constructive favorable réduisent les quantités résiduelles. Plus la charge est petite, plus l'influence en pourcentage des résidus de produit sur le rendement, la fidélité à la recette et la contamination croisée est importante. Si le produit doit être thermorégulé, une exécution de chauffage ou de refroidissement adaptée peut être judicieuse. Pour les produits pulvérulents, il convient toutefois de vérifier si le transfert thermique est suffisant en cas de faible remplissage.
En pratique, la plage de 5 à 5 000 litres est couverte par une série de mélangeurs comportant plusieurs tailles. Pour une montée en échelle (scale-up) solide, les mélangeurs devraient être comparables dans leur géométrie de base et leur mode de fonctionnement. En font notamment partie le rapport entre l'outil de mélange et le diamètre de la cuve, la hauteur de la cuve, la position des outils et le type de mouvement du produit.
Pour la montée en échelle, des grandeurs caractéristiques telles que la vitesse périphérique, le nombre de Froude, l'apport de puissance spécifique ou l'apport d'énergie peuvent servir de repère. Ces grandeurs ne peuvent toutefois pas être maintenues constantes simultanément. La grandeur déterminante pour la transposition dépend de la tâche de mélange. Pour les produits en vrac librement coulants, c'est souvent le mouvement convectif du produit qui est au premier plan. Pour les poudres cohésives, humides ou contenant des agglomérats, l'effet de cisaillement, le temps de mélange et le dimensionnement des outils de broyage peuvent être plus importants.
Une série de mélangeurs géométriquement similaires réduit l'effort de développement, mais ne remplace pas des essais à l'échelle pilote ou de production. Des différences de taux de remplissage, de pression de produit, de masse volumique apparente, de vidange et de temps d'ajout peuvent influencer la qualité de mélange. Les recettes critiques devraient donc être testées avec le produit d'origine dans plusieurs tailles d'appareil. Outre la qualité de mélange, la tendance à la ségrégation, le ménagement du produit, la vidange résiduelle, la nettoyabilité et la reproductibilité sont également évaluées.
La solution économiquement et techniquement judicieuse consiste le plus souvent en une série de mélangeurs cohérente pour le laboratoire, l'installation pilote et la production. Elle est complétée par des mélangeurs à plage de taux de remplissage utilisable aussi large que possible, à entraînements à fréquence variable, à vidange peu sujette aux espaces morts et à une géométrie d'outil de mélange adaptée au produit. Cela permet de produire des charges de développement, des quantités pilotes et des charges de production avec un effet de mélange comparable, sans dépasser les limites physiques d'une seule machine.
Plages de charge et tailles d'appareil : la technique de mélange amixon® de 5 litres à 100 mètres cubes
amixon® propose des solutions de mélange pour les charges de développement, les quantités pilotes et les charges de production de grand volume. Le spectre va de petits mélangeurs monoarbre à partir d'environ 5 litres jusqu'à de grands mélangeurs Gyraton® pour des charges allant jusqu'à environ 100 mètres cubes. Ce qui est déterminant, ce n'est pas seulement le volume nominal, mais la question de savoir à quel taux de remplissage, avec quel produit et en combien de temps une qualité de mélange définie doit être atteinte.
Une grande flexibilité au sein d'un même mélangeur
De nombreux mélangeurs amixon® peuvent couvrir une large plage de taux de remplissage. Selon le type de mélangeur, le produit et la tâche de mélange, des taux de remplissage d'environ 10 à 100 % du volume utile sont possibles. Un mélangeur de production peut ainsi traiter différentes tailles de lot sans qu'une installation propre soit nécessaire pour chaque taille de charge.
Un HM 7000 peut par exemple, avec une recette et un dimensionnement adaptés, traiter aussi bien des charges partielles que la charge nominale complète. La question de savoir si le même temps de mélange et la même qualité de mélange sont atteints à 800 litres et à 7000 litres doit toutefois être vérifiée avec le produit d'origine. Une large plage de taux de remplissage réduit le besoin en machines supplémentaires, mais ne remplace pas l'évaluation liée au procédé et, le cas échéant, la qualification de différentes tailles de charge.
La grille de tailles d'appareil amixon®
Les mélangeurs monoarbre de la série EM conviennent aux charges de développement, aux petites charges et aux charges en juste-à-temps. Selon l'exécution, des fûts normalisés peuvent être utilisés comme récipients de mélange. Cela facilite le traitement de petites quantités et peut éviter des étapes de transvasement.
Les mélangeurs conteneurs de la série COM utilisent le Mixtainer® ou l'IBC comme chambre de mélange. Ils couvrent des charges d'environ 100 à 4000 litres et conviennent particulièrement aux procédés dans lesquels le contenant sert à la fois de récipient de transport, de stockage et de mélange.
Les mélangeurs verticaux et mélangeurs coniques des séries VM, HM et AM, ainsi que les sécheurs-mélangeurs sous vide et réacteurs des séries VMT et AMT, sont disponibles en de nombreuses tailles. La capacité de l'installation peut ainsi être adaptée étroitement à la taille de charge requise. Des exécutions spéciales permettent également de grands volumes utiles allant jusqu'à environ 50 000 litres.
Pour les grandes charges, le Gyraton® GM est disponible. Il peut être dimensionné pour des charges dans une plage d'environ 10 à 100 mètres cubes. La taille concrète est déterminée en fonction du produit, du temps de mélange requis, du taux de remplissage, de la situation d'implantation et de la logistique des matières.
amixon® propose en complément des solutions de mélange et de granulation continues. Celles-ci sont judicieuses lorsque ce n'est pas la charge individuelle, mais un débit massique régulier qui est au premier plan. Le choix entre procédé discontinu et continu dépend de la recette, du débit, de l'exigence de nettoyage et du degré de flexibilité requis.
Le débit résulte de l'ensemble du procédé
Le débit réel d'une installation de mélange ne résulte pas uniquement de la taille de la charge. Le temps de mélange, le remplissage, le dosage, la vidange, le nettoyage et le changement entre les recettes sont déterminants. amixon® considère donc le temps de cycle comme un processus global.
Une vidange rapide et aussi complète que possible peut nettement améliorer la disponibilité de l'installation. Le KoneSlid® KS permet une évacuation rapide du produit. Les éléments ComDisc® favorisent la vidange résiduelle et aident à réduire le risque de ségrégation pendant l'évacuation. Le temps de vidange atteignable et la quantité résiduelle dépendent alors du produit et de la configuration concrète de l'installation.
Montée en échelle validée en halle d'essais
Les séries amixon® sont conçues de manière à ce que la tâche de mélange concernée puisse être transposée systématiquement du développement à la production. Au sein d'une série de mélangeurs, le mode de fonctionnement fondamental du mélange et les éléments actifs sur le produit restent comparables. Néanmoins, une montée en échelle n'est pas garantie par la seule similitude géométrique de construction.
Des essais de mélange avec le produit d'origine constituent donc un élément central du dimensionnement. La halle d'essais amixon® à Paderborn dispose de plus de 30 installations d'essai de tailles différentes. Des halles d'essais existent en complément au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis. Les essais peuvent être réalisés avec des taux de remplissage et des tailles de charge réalistes ainsi que dans les conditions de température et de pression prévues.
La qualité de mélange, le ménagement du produit, l'apport d'énergie, l'aptitude à la vidange, la nettoyabilité et la reproductibilité sont évalués. Les résultats constituent la base du choix de la taille d'appareil et de la définition des paramètres de procédé pour l'exploitation série ultérieure.
La conception hygiénique (Hygienic Design) pour les changements de charge
La conception hygiénique amixon® (Hygienic Design) favorise des changements de produit rapides et une bonne nettoyabilité. La chambre de mélange et l'outil de mélange sont soudés sans joint et poncés. L'outil de mélange est monté exclusivement en partie haute. Un passage d'arbre inférieur en contact avec le produit peut ainsi être supprimé.
Les portes d'inspection Clever-Cut® avec joints OmgaSeal® créent un bon accès aux surfaces en contact avec le produit. Des organes de sortie à faible espace mort et des lances de lavage intégrées en option facilitent le nettoyage à sec ou humide. Selon l'application, l'exécution peut être adaptée aux exigences hygiéniques de l'industrie alimentaire, pharmaceutique ou chimique.
amixon® ne propose donc pas une seule machine pour l'ensemble de la plage de 5 à 5 000 litres, mais un système modulaire coordonné. Il associe des taux de remplissage flexibles au sein de chaque mélangeur à un large choix de tailles d'appareil et à une validation proche du procédé en halle d'essais.