Arts&MétiersMag - N°434 - Mars 2022 - 25

La production de médicaments est particulièrement
contrôlée : le réacteur doit être «décontaminé» entre deux
opérations par aspersion d'eau. Créé à l'aide d'un logiciel en
«open source», le jumeau va simuler les opérations de
mélange des principes actifs du médicament et de lavage
de la cuve. L'industriel a gagné en efficacité.
de rinçage. La physique étant posée, notre équipe de numériciens
a proposé le solveur adapté : dans ce cas, nous retenons
OpenFoam, un logiciel en «open source». Les simulations
de mélangeage sont assez courantes dans l'industrie,
aussi bien pour la pharmacie que pour la chimie ou la
cosmétique par exemple. Les simulations de lavage sont,
elles, plus originales - et, parfois, complexes d'un point de
vue numérique.
Différents types de
buses de lavage testées
dans le jumeau
numérique.
en «open source» (1)
. C'est ce dernier qui va nous intéresser :
il démontre que le jumeau numérique peut être mis à la
portée de tous et qu'il contient des informations essentielles
pour le client désireux de maîtriser son procédé.
LAVER PARFAITEMENT DES CUVES EN PHARMACIE
Prenons un exemple. Un client interpelle Armélio : il souhaite
maîtriser sa production de médicaments à base de
protéine. Pour des raisons de sécurité sanitaire, ces fabrications
sont particulièrement contrôlées. Le travail est traité
par lots («batch» en anglais). On procède à l'assemblage des
produits entrant dans la composition du médicament, qu'on
mélange dans un réacteur (cuve fermée munie d'ancres de
mélangeage). Après un temps précis d'homogénéisation, la
cuve est vidée, le médicament est conditionné et on doit
produire le lot suivant. La réglementation impose que le
réacteur soit entièrement «décontaminé» entre deux lots.
On le lave donc par aspersion d'eau sur les parois de la cuve.
Pour aider le client, il s'agit de créer le jumeau numérique
du réacteur et d'être capable de reproduire par simulation
les étapes du travail.
Au moment du mélange des produits ou à celui du lavage,
la physique en jeu est principalement la mécanique des
fluides avec l'aspect dynamique du mouvement des ancres
pour le brassage des produits et aussi l'écoulement de l'eau
Visualisation du voile
créé par l'interaction
entre les jets d'eau et
les gouttes retombant
des piquages.
RÉSOLUTION D'ÉQUATIONS SUR LES FLUIDES
Le modèle est défini afin de simuler l'écoulement des gouttes
d'eau issues des buses de lavage dans la cuve. Le débit d'eau
pris en compte est identique à celui imposé expérimentalement,
mais il pourra être modifié si la qualité de lavage
obtenue est insatisfaisante. La simulation permet d'observer
quelles zones sont aspergées d'eau lors du lavage, soit de
façon directe depuis les buses, soit indirectement par le
brouillard et l'écoulement du liquide sur les parois.
Le calcul réalisé en transitoire permet de suivre précisément
la position des gouttes et l'évolution du film d'eau au cours
du temps. Le temps est un paramètre important : certaines
zones sont facilement lavées, pour d'autres, la tâche est
malaisée - il faudra insister. Le modèle développé est un
Euler-Euler, où on résout l'écoulement de l'air et l'écoulement
de l'eau. L'eau est ici vue de façon continue, comme
une concentration de particules dans l'air. L'interaction
air-eau est prise en compte par les forces de traînées. Deux
équations de Naviers-Stokes (2)
, une par phase, sont donc
résolues. La prise en compte de ces deux écoulements permet
à ce modèle de définir la collision entre les gouttes et le
brouillard associé. Il est donc très précis.
Fort de cette première base, l'utilisateur du jumeau peut
simplement modifier les paramètres de débit et de pression
entre les différentes cannes de lavage pour optimiser la durée
de nettoyage. Il peut aussi tester d'autres formes de buses.
Comme on le voit, le jumeau numérique permet de représenter
fidèlement les étapes d'un procédé, de s'assurer de la
qualité de fabrication, mais aussi de définir des réglages en
fonction du volume de matière première introduit dans la
cuve. C'est donc un outil précieux pour notre client pharmacien
qui met au point sa fabrication sans gaspiller les
composants rares entrant dans la recette et s'assurant de la
sécurité de l'ensemble.
Mieux encore, ce jumeau développé sur un programme en
«open source» peut être utilisé sans surcoût par le client,
modifié au gré de l'évolution de son travail, permettant ainsi
de conserver une reproduction fidèle de l'outil industriel !
Pour le généraliser dans l'usine, il suffit d'adapter les géométries
pour prendre en compte différentes tailles et technologies
de réacteurs.
Dr Catherine Sanjeu
(1) Souvent fruit d'une collaboration entre développeurs, mis à la disposition de
tous, un logiciel en code source ouvert bénéficie d'une distribution libre. Et il est
adaptable et évolutif.
(2)
Équations aux dérivées partielles non linéaires qui décrivent le mouvement
des fluides newtoniens (gaz et la plupart des liquides).
Arts&MétiersMAG
N°434 / mars 2022
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ILLUSTRATION ARMÉLIO
PHOTO ADOBESTOCK
ILLUSTRATIONS ARMÉLIO
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