Comment une vanne révolutionne la production des aliments et des boissons

Il est rare qu'une vanne cristallise les attentions. Pourtant, la manière dont elle s'ouvre, se ferme et maintient sa position détermine le fonctionnement de toute la chaîne de production et, plus précisément, le volume de production, la consommation d'énergie et le niveau de propreté. Une nouvelle solution venue compléter le portefeuille de vannes de GEA permet aux producteurs du secteur agroalimentaire de mieux tirer parti de l'espace, de l'énergie et des équipements dont ils disposent déjà.

La façon dont on consomme la bière dans le monde est en train de changer. Les volumes mondiaux ont cessé de progresser et se maintiennent à environ 1,9 milliard d'hectolitres par an. Parallèlement, la gamme de produits qu'une brasserie doit proposer ne cesse de s'élargir, et va désormais des bières haut de gamme au segment en pleine expansion des bières sans alcool ou à faible teneur en alcool. Sur les marchés matures, la pression est encore plus forte. La production européenne est passée de 367 millions d'hectolitres en 2019 à 345 millions en 2024, tandis que le nombre de brasseries en activité s'est stabilisé autour de 9700.

Partout, le défi est de parvenir à diversifier davantage sa production sans augmenter l'empreinte au sol de son appareil de production. Une grande partie de cette flexibilité se décide, de manière assez surprenante, au cœur même du processus : au niveau des vannes. Dans les usines agroalimentaires, les vannes acheminent les liquides via un réseau de conduites et de cuves, régulent le débit et contribuent à maintenir une séparation sûre entre le produit et les liquides de nettoyage. Que les installations produisent de la bière, du lait ou des yaourts, elles jouent un rôle direct en maintenant la sécurité, la régularité et l'efficacité de la production. En modifiant le mode de fonctionnement des vannes, vous modifiez les possibilités offertes par l'ensemble du processus.

Actionner les vannes avec de l'eau

Dans les installations agroalimentaires, les vannes sont généralement actionnées en utilisant de l'air comprimé. La technologie d'actionnement GEA Hydract® Actuation Technology, quant à elle, actionne les vannes en utilisant de l'eau, au sein d'un circuit fermé à commande numérique. Résultat, une vanne peut être maintenue en place de manière exacte et réglée par petits paliers. Cela se traduit par une consommation d'énergie en baisse et un meilleur contrôle. En combinaison avec les données en temps réel fournies par chaque vanne et la possibilité d'utiliser les cuves existantes pour une gamme plus large de produits finis, cette solution offre aux producteurs les options dont ils ont besoin pour s'adapter à l'évolution des marchés.

À l'origine de cette idée il y a un ingénieur, Peter Espersen, qui est aujourd'hui Directeur Senior du développement commercial de la division Pure Flow Processing de GEA. P. Espersen est parti d'une comparaison avec les engins de chantier, dont les systèmes hydrauliques fonctionnent à l'huile : « L'hydraulique traditionnelle à base d'huile est une technologie qui repose sur la force brute et a principalement été conçue pour déplacer d'énormes pelleteuses. C'est une question de haute pression et de débit élevé. « Pour transposer ce principe dans le domaine de la transformation alimentaire, mon équipe savait que nous devions tout miniaturiser, y compris notre approche hydraulique. »

P. Espersen l'explique à l'aide d'une image simple : « Si vous prenez une pompe à vélo et que vous mettez un doigt à son extrémité et essayez d'appuyer dessus, vous constaterez qu'elle est flexible. » Si vous la remplissez d'eau des deux côtés, vous ne pouvez plus rien faire. Elle est simplement bloquée. » Comme l'eau est incompressible, la vanne maintient sa position avec précision, au lieu de se contenter de s'ouvrir et de se fermer.

Il a toutefois fallu des années de développement ininterrompu pour prouver que cela pouvait fonctionner au niveau d'une vanne hygiénique. Aujourd'hui, le positionnement du siège atteint la position cible avec une précision de 0,03 millimètre, et un cycle de régulation complet ne prend qu'une demi-seconde.

La gamme GEA VARIVENT® ne cesse de s'améliorer

GEA intègre dorénavant cette technologie dans sa célèbre gamme de vannes de production d'aliments et de boissons GEA VARIVENT®, en commençant par les modèles les plus courants, et élargira progressivement son offre. Pour les fabricants, cela signifie adopter un système d'actionnement hydraulique sans devoir basculer sur un système de vannes distinct.

Le déploiement commence là où l'impact est le plus immédiat : trois des types de vannes GEA VARIVENT® les plus couramment utilisés (les vannes d'arrêt, de dérivation et anti-mélange) couvrent déjà la plupart des procédés de transformation d'aliments liquides. Sur cette base, il est prévu d'étendre l'actionnement hydraulique à l'ensemble de la gamme GEA VARIVENT® et les vannes aseptiques figurent également sur la feuille de route de cette mise à niveau.

Pourquoi les brasseries accordent-elles de l'importance aux vannes ?

Le recul actuel du marché de la bière pousse les brasseurs à repenser leur offre. Certains, comme Krombacher, ajoutent des boissons complètement différentes à leur portefeuille de produits. D'autres, comme Störtebeker, proposent désormais une large gamme de bières à faible teneur en alcool ou, même, sans alcool. Outre la diversité croissante de leur offre, les brasseurs doivent composer avec des objectifs de développement durable plus stricts et avec la pression constante qui pèse sur les coûts d'exploitation. Pour produire efficacement une gamme aussi diversifiée, tout est une question de timing, le moment crucial étant celui où chaque bière prend sa forme définitive. Avec une régulation précise des vannes, une brasserie peut se limiter à un petit nombre de bières de base qu'elle assemblera ensuite pour multiplier les produits finis juste avant la mise en bouteille. Dans le secteur, on parle de différenciation tardive des produits. Cela signifie moins de cuves à remplir et à nettoyer, et moins de bières finies en stock.

Carlsberg : Une plus grande variété de produits, moins de cuves

« La brasserie Carlsberg de Fredericia au Danemark a repensé la manière dont la bière passe de la cuve à la bouteille », explique Bastian Tolle, vice-président chargé du développement commercial et de la numérisation au sein de l'unité fonctionnelle Vannes et pompes. « L'usine mélange désormais un petit nombre de bières de base concentrées avec de l'eau et d'autres ingrédients sur leur chemin vers la chaîne d'embouteillage, les vannes dosant chaque mélange en suivant une recette exacte. »

Cette évolution se reflète dans le nombre de cuves : Carlsberg stockait autrefois 39 variétés de bière dans 26 cuves de bière claires. Le brasseur stockait la bière avant de la conditionner, mais les cuves n'étaient remplies en moyenne qu'à 54 %. La ligne redessinée permet de produire les mêmes variétés à partir de 8 à 10 bières de base et seulement 14 cuves, qui sont désormais remplies à 90 % de leur capacité. Cela signifie qu'il y a beaucoup moins de cuves à nettoyer et que l'espace est bien mieux utilisé. Les coûts du nettoyage, grâce à la réduction du nombre de cuves, ont baissé d'environ 55 % et la brasserie gagne, selon les estimations, entre 86 et 160 % de capacité utile supplémentaire sans ajouter ne serait-ce qu'une cuve.

« Les essais des vannes hydrauliques ont dépassé nos attentes », déclare Anders Kokholm, directeur de la brasserie, Carlsberg Supply Company Danemark. « La précision et la fiabilité obtenues avec les vannes hydrauliques, par rapport à celles à air comprimé, permettent une approche totalement nouvelle et une production de bière efficace. Cela transforme en profondeur la manière dont nous pourrons produire de la bière à l'avenir. »

C'est de là que provient la valeur stratégique. Moins de cuves en service signifie moins de nettoyage et, donc, une consommation d'eau, d'énergie et de produits chimiques en baisse ; les coûts d'exploitation diminuent tandis que le bilan environnemental s'améliore. L'investissement initial plus élevé lié à l'actionnement hydraulique est généralement amorti en cinq à six ans, voire plus rapidement dans les usines construites ex novo qui n'installent pas de réseau d'air comprimé.

Les économies d'énergie grimpent en flèche lorsque le compresseur passe au second plan

L'utilisation d'eau à la place de l'air comprimé pour actionner les vannes permet à Carlsberg de réduire sa consommation d'électricité de plus de 90 %. La raison est simple : l'air comprimé nécessite un compresseur fonctionnant 24 heures sur 24, tandis que le système d'alimentation en eau s'appuie sur une petite pompe qui ne fonctionne que quelques minutes par jour. Chez Carlsberg, cela s'est traduit par le remplacement d'un compresseur de 250 kilowatts par un moteur de 2,2 kilowatts, soit pratiquement la puissance d'une bouilloire électrique, ce qui a permis d'économiser environ 5700 kilowattheures par jour. Sur un an, cela représente près de deux millions de kilowattheures.

Chaque vanne est une source de données en temps réel

La précision apporte un deuxième avantage. Étant donné qu'un actionneur hydraulique maintient sa position avec précision et la contrôle numériquement, il sait toujours où il se trouve et ce qu'il a fait. Chaque mouvement est enregistré, ce qui fait de chaque vanne une source de données en temps réel sur le procédé et sur l'état de la vanne elle-même. « Nous savons exactement ce que la vanne a fait à n'importe quel moment et si le système fonctionne ou non », explique P. Espersen. « C'est de la surveillance des conditions de notre produit. » Cette visibilité permet à une usine de détecter l'usure des joints avant qu'ils ne cassent et de planifier la maintenance en fonction des signes observés plutôt qu'en se basant sur un calendrier fixe. Dans une usine qui fabrique de nombreux produits différents, ce niveau de transparence aide les opérateurs à anticiper les interventions de maintenance, ce qui se traduit par une réduction des temps d'arrêt de production.

Pourquoi les vannes jouent un rôle essentiel dans la transformation des produits laitiers

Dans le secteur laitier, le point de départ est différent. Le lait est une matière première de grande valeur, périssable et vivante. Le « zéro déchet » et un contrôle rigoureux des processus constituent une préoccupation constante. Les installations laitières appliquent des protocoles de nettoyage rigoureux et sont soumises à des normes d'hygiène pratiquement sans égales dans d'autres secteurs agroalimentaires. Cela signifie que toute technologie intégrée dans le process doit faire ses preuves en matière de fiabilité et de régulation.

« C'est là que l'aspect numérique de l'actionnement hydraulique revêt toute son importance », explique Frederik Wellendorph, directeur commercial Technologie Hydract chez GEA. « Chaque mouvement de vanne étant enregistré, cette technologie transmet les données relatives à la position des vannes aux systèmes de contrôle de l'usine, ce qui renforce la traçabilité des procédés et permet aux opérateurs de disposer en permanence d'informations sur le fonctionnement de chaque vanne. Ces mêmes données servent de base pour la maintenance conditionnelle. »

Une régulation précise ajoute une couche de valeur supplémentaire. Le maintien d'une vanne à son point de consigne exact permet un dosage continu et une standardisation plus rigoureuse du produit fini. Cela permet également la différenciation tardive des produits à des étapes sélectionnées du processus, comme le mélange de différentes qualités de matières grasses au niveau de la remplisseuse ou l'ajout de fruits dans un yaourt de base. « Dans le secteur laitier, ces gains ont tendance à se concentrer dans des zones spécifiques des installations plutôt qu'à transformer l'ensemble de la chaîne de production, comme cela peut être le cas dans le secteur brassicole. Mais nous étudions activement les points auxquels ils s'appliquent. »

Repenser les besoins des installations

Ce qui n'était au départ qu'un moyen d'actionner une vanne en consommant moins d'énergie a donné lieu à un débat plus large sur la manière dont sont construites les usines et sur ce que les installations sont réellement capables de produire. Des brasseries à l'industrie laitière, le simple fait que la technologie des vannes GEA soit passée de l'air à l'eau offrira aux clients davantage d'options et leur permettra de réaliser des économies importantes, à un moment où ils en ont vraiment besoin.