Intensité et échelle de ségrégation

L’objectif de toute opération de mélange de solides divisés consiste à obtenir un produit final homogène répondant à des propriétés d’usage, réalisé à partir de particules de propriétés différentes. La qualité d’un mélange se définit par l’usage vers lequel le produit est destiné

(45). Cette notion d’usage est intimement liée à l’échelle d’observation qui fixe la taille de l’échantillon que l’on doit prélever et qui sert à étudier la qualité du mélange. En effet, la qua-lité du mélange exigée pour un comprimé pharmaceutique peut être la même que pour un sac d’engrais mais pour des échelles d’observation différentes. Il est donc inutile de réaliser un mélange intime à l’échelle des particules mais plutôt à l’échelle liée aux conditions d’utilisation que l’on appelle « échelle d’observation ».

En première approche, cette échelle peut correspondre à la quantité de matière présente dans le volume du conditionnement élémentaire d’un mélange (comprimé, gélule, sachet, sac).Mais si l’atteinte d’une propriété d’usage est spécifiée pour une fraction de ce conditionnement, comme c’est le cas des comprimés sécables en pharmacie, l’échelle d’observation devra être définie plus finement.

Une fois que l’échelle d’observation et la taille de l’échantillon sont définies, plusieurs cri-tères statistiques peuvent être utilisés pour évaluer la qualité de mélanges à cette échelle. Ces critères sont principalement l’écart type, le coefficient de variation et le coefficient d’auto-corrélation. Ils servent à calculer l’intensité et l’échelle de ségrégation, deux notions intro-duites en 1951 par Danckwerts(46) :

 Intensité de ségrégation I : pour exprimer les différences de composition dans le mé-lange. Plus l’intensité de ségrégation diminue, plus la composition de chaque échantil-lon est proche de la composition moyenne du mélange.

 l’échelle de ségrégation L0 : pour décrire l’état de subdivision des groupes de parti-cules dans le mélange, qui correspond à l’état de micro mélange.

II. 1.1 Intensité de ségrégation

L’intensité de ségrégation est une mesure de la divergence par rapport à la composition moyenne du mélange. Plus l’intensité de ségrégation diminue, plus la composition de chaque

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échantillon est proche de la composition moyenne. L’intensité de ségrégation est quantifiée via l’analyse statistique des échantillons prélevés. L’ensemble des échantillons analysés doi-vent être de même taille, l’échelle d’observation.

Fig. 12: Notion d’intensité de ségrégation (55).

Cette notion est quantifiée par la variance : si l’ensemble du mélange peut être divisé en Z échantillons de composition en un constituant xi, on définit la variance σ ² de ces

teneurs par :

- 25-

Avec :

Z : nombre total d’échantillons

Xi : composition des échantillons en constituant clé µ : teneur moyenne

On peut noter que dans l’industrie pharmaceutique on utilise, au lieu de la

variance, le coefficient de variation. Ce dernier étant l’écart type ramené à la moyenne, il permet de comparer la qualité de mélanges ayant des compositions différentes. Pour caractéri-ser un bon mélange il doit donc être le plus petit possible et inférieur au standard industriel de 6%.

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= -26-

La variance est une caractéristique macroscopique de l’homogénéité du mélange. Plus cette valeur est grande, plus les valeurs des compositions sont éloignées les unes des autres, et plus le mélange est hétérogène. Une diminution de la variance correspond donc à une diminu-tion de l’intensité de ségrégadiminu-tion du mélange.

II.1.2 Échelle de ségrégation

En 1995, Weinekötter [70] a été le premier à faire remarquer que deux mélanges de mêmes compositions et de mêmes variances peuvent avoir des structures totalement différentes (voir l’exemple de la figure 13). Celles-ci pouvant avoir une répercussion sur l’usage recherché du produit.

Fig. 13 : Deux mélanges, en sortie du mélangeur continu, de mêmes variances et de différentes tailles de ségré-gations, d’après Weinekötter et Gericke., 2000, et Weinekötter et Reh. 1995 (69-70).

Imaginons par exemple que la figure 1.3 représente la teneur en principe actif de différents comprimés pharmaceutiques. Les variances sont identiques dans les deux cas. Pourtant, dans le cas (a), le patient subira un surdosage en principe actif au début du traitement et un sous dosage à la fin. En revanche, dans le cas (b) la répartition du principe actif semble plus accep-table.

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Fig. 14: Deux mélanges ayant la même intensité de ségrégation globale peuvent avoir des structures radicale-ment différentes (45).

Pour surmonter cette problématique, Danckwerts et Sellers., 1951[54] ont introduit la no-tion de l’échelle de ségrégano-tion, appelée L0, qui représente la taille des régions ségrégées. La définition de l’échelle de ségrégation est née de la nécessité d’avoir un critère macros-copique capable de retranscrire la structure d’un mélange en prenant en compte les emplace-ments des échantillons les uns par rapport aux autres. Considérons en effet deux échantillons séparés par un intervalle r (qui peut représenter un temps ou bien une distance) et pris parmi une série de données consécutives. Selon la structure du mélange et la distance entre les pré-lèvements, les compositions de ces échantillons peuvent être plus ou moins dépendantes les unes des autres. Danckwerts. [54] a utilisé la fonction d’autocorrélation pour quantifier cet effet d’interdépendance de Z échantillons séparés par un intervalle r (distance ou temps).Mathématiquement, la fonction R est calculée à partir de Z mesures consécutives, de composition xi pour chaque échantillon :

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D’après Danckwerts et Sellers., 1951[54], dans le cas d’un mélangeur continu, l’échelle de

Ségrégation (L₀) est définie par la relation suivante :

-28- -

τ : temps de passage moyen.

Fig. 15: Allure typique d’un autocorrélogramme montrant les différentes notions associées (45).

Lorsque cette fonction s’annule, les compositions des échantillons situés au-delà de la « distance » r0 correspondante se compensent et peuvent être considérées indépendantes: un écart à la valeur moyenne sur un échantillon n’a pas de répercussion pour tout échantillon situé à une distance plus grande que r0. On peut donc estimer que r0 correspond à une lon-gueur de mélange caractéristique de la structure, mais aussi qu’il définit une échelle au delà de laquelle on peut considérer que les propriétés macroscopiques sont atteintes. Cette échelle, que l’on peut définir mathématiquement comme l’aire sous la courbe avant annulation de la fonction d’autocorrélation (cf. figure 15), est appelée « échelle de ségrégation ».

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Fig. 16: Notion d’échelle de ségrégation (55).

Sur la figure 16 est représenté un mélange ayant une intensité de ségrégation, une Variance constante mais dont l’échelle de ségrégation, la taille maximale des régions Ségrégées dimi-nue. Plus cette échelle de ségrégation diminue, plus la taille des régions de ségrégation du mélange diminuent. La notion d’homogénéité de mélange est donc intimement liée à la défini-tion et à la manipuladéfini-tion de deux échelles :

1. celle d’observation, à laquelle on désirerait que des propriétés d’usage soient garanties, et

2. celle de ségrégation, qui correspond à ce qu’un procédé de mélange peut effectivement produire.

III. Échantillonnage