Producció accelerada, cicles de planificació més curts i biotecnologia blanca

Xina necessita productes químics i energia. Per satisfer aquesta gran demanda, les empreses, tant estrangeres com nacionals, segueixen creant plantes amb una capacitat de producció massiva. La planta conjunta de Basf / Sinopec a Nanjing ha començat a funcionar. Basada en el model de Ludwigshafen, el lloc, de 220 hectàrees i amb una capacitat de 1,7 milions de tones anuals, compta amb un craquejador a vapor, una central elèctrica de cicle combinat (CPP), el seu propi port en el Iang-Tsé i instal lacions de producció química noves.

El projecte de Shell Nanhai BV i CNOOC té una envergadura similar al de BP i Sinopec. DB Research espera que la xifra de negocis de productes químics creixi a un ritme anual del 10 per cent, fins als 400.000 milions d'euros en 2015, en comparació amb un increment del 3,5 per cent als Estats Units o del 3 per cent en Alemanya.

Basf assegura que les tradicionals plantes d'escala internacional tenen els dies comptats. "Necessitem un canvi radical i, de fet, ja estem treballant en estratègies noves. El problema que plantegen les plantes d'escala internacional està molt clar. Si esperes fins que hi hagi una gran demanda d'un producte per construir la planta, ja has arribat tard. Si construeixes la planta al mateix temps que la competència, l'excés de capacitat farà que els preus s'ensorrin ". Això vol dir que la indústria química necessita posar en marxa unes estratègies d'enginyeria que li permetin adaptar-se als ràpids canvis de la demanda. I aquí la tecnologia modular i una estricta normalització tindran molt a dir. Un altre factor important serà la tecnologia de microprocessos, però més com una filosofia que com un factor que determini la mida total de la planta.

Per la seva banda, Lind'afirma que "s'està arribant al límit de l'enginyeria d'equips de procés, i això suposa un gran risc. El problema és que, en gairebé tots aquests megaprojectes, s'ha de dissenyar una màquina que mai abans s'havia fabricat: el compressor d'aire més gran del món o turbomanorreductor més gran de tots els temps. A més, això planteja problemes logístics cada vegada més difícils de solucionar. Cada vegada més, els aparells, les columnes i altres subsistemes de la planta han d'acoblar in situ, perquè simplement són massa grans per al seu transport ".

Com seran les plantes químiques del futur? El programa Impulse (Integrated Multiscale Process Units with locally Structured Elements, unitats de procés multiescala integrades amb elements estructurats localment) intenta donar resposta a aquesta pregunta. Aquest projecte, posat en marxa per la UE dins del VI Programa Marc, se centra sobretot en l'ús de la microtecnologia. Les empreses i instituts que participen en el projecte estan convençuts que aquesta tecnologia pot ser la base d'una nova generació de sistemes de producció.

Per assolir els seus objectius, Impulse pretén instal lar components estructurats localment en els sistemes de producció. Aquests components s'integraran directament en els equips de procés. A continuació, se citen algunes de les fites del programa:

- Conversió de processos discontinus en processos continus

- Processos modulars i escalables

- Integració d'una nova generació de components en els sistemes existents

- Miniaturització dels subsistemes per facilitar una producció distribuïda

- Entre els objectius individuals s'inclouen els següents: minimització de l'ús de dissolvents o instauració de sistemes de producció sense dissolvents, maximització del rendiment espai-temps, increment de la selectivitat, reducció dels costos de separació de productes i millora de la tecnologia de control de qualitat.

Un dels socis industrials del programa Impulse, Degussa, ja està posant en pràctica aquest plantejament. Amb aquesta estratègia d'intensificació del procés, Degussa podria millorar certs factors, com el rendiment espai-temps, en diversos ordres de magnitud, i no en uns pocs punts percentuals. D'acord amb Henrik Hahn, gestor d'intensificació de processos, aquest increment pot aconseguir mitjançant l'ús de catalitzadors altament actius o microrreactores especials que proporcionin un intercanvi més intens de calor i material.

En concret, el pla és posar en marxa uns processos i sistemes nous, basats en una tecnologia nova, per aprofitar els beneficis d'uns menors costos d'inversió i uns temps de reacció més curts. L'avantatge d'aquest plantejament és que la capacitat es pot ampliar en qualsevol moment per satisfer un augment de la demanda. A més, la nova tecnologia permetrà també desenvolupar nous tipus de productes.

La planta química del futur ideada per Impulse no només serà bastant més petita que les instal·lacions actuals, sinó també més eficient i amb un menor impacte ambiental. D'altra banda, les plantes poden estar ubicades més a prop del client, la qual cosa afegeix una dimensió nova al concepte de "producció guiada per la demanda". La idea de distribuir per tot Europa més instal lacions de producció, però més petites servirà per reduir els costos de transport, a més de permetre als productors reaccionar amb més rapidesa als canvis de les condicions del mercat.

El consorci Impulse està format per 20 socis de set països europeus. A més del CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique), que coordina el projecte, el consorci està format per una sèrie de centres de recerca i centres acadèmics europeus de primera línia, que treballen en l'enginyeria química, la tecnologia de microprocessos i la innovació de processos. Al seu torn, aquestes organitzacions treballen amb quatre importants socis industrials: GlaxoSmithKline, la segona companyia farmacèutica més gran del món; Degussa, el productor de productes químics especials més gran del món; Procter & Gamble, una de les principals empreses del mercat de béns de gran consum, i Siemens, líder mundial en tecnologia d'automatització.

El Ministeri Alemany d'Educació i Investigació (BMBF) ha proporcionat 15 milions d'euros per al finançament del programa de tecnologia de microprocessos que es va posar en marxa el gener de 2005. Aquest programa investiga l'ús de la tecnologia de microprocessos en la producció industrial. A més, hi ha en marxa cinc projectes centrats en els següents temes: fotoquímica industrial, intensificació de processos, policondensació i elaboració de productes farmacèutics intermedis en microrreactores. Per la seva banda, l'objectiu de μVT-GUIDE és preparar una sèrie de directrius per a l'ús industrial de la tecnologia de microprocessos.

De vegades, simplement cal alterar l'estratègia d'enginyeria. Si un operador vol conservar una total flexibilitat, produir quantitats més petites de productes o utilitzar la planta per generar més d'un producte, el normal és optar per una planta multiproducte.

No obstant això, posteriorment, la pressió econòmica pot forçar a l'operador a passar-se a una producció monoproducte, ja que l'experiència demostra que la rendibilitat sol augmentar com a mínim un 25 per cent. L'explicació és simple. Les plantes multiproducte utilitzen un gran nombre de sistemes petits, la qual cosa fa que la manipulació sigui més molesta. Davant d'això, en la monoproducció es necessiten menys tancs i, per tant, és més fàcil automatitzar la planta i, a més, es redueixen les necessitats de personal. L'ús de tancs i sistemes més grans rebaixa automàticament el consum específic d'energia per tona. Una gestió intel ligent del procés i una cinètica optimitzada permeten augmentar la selectivitat en tot el procés, incloses les fases preliminars, al voltant d'un 10 per cent.

A continuació, citem un exemple real d'això. La línia Irgafos va ser transformada d'un procés discontinu en un altre continu, i l'equip responsable de productes químics especials Ciba de la planta de Lampertheim va quedar molt satisfet amb els resultats. Gràcies a aquest sistema innovador, l'empresa va duplicar la capacitat de producció d'aquest important estabilitzador de processos de fosfit fins a arribar a les 10.000 tones anuals. A més, la productivitat i eficiència ecològica de la línia també van millorar. Després de la conversió del procés discontinu en continu, a més d'incrementar-la capacitat, es van aconseguir reduir significativament l'energia i l'ús de matèries primeres i residus.

La biotecnologia, cada vegada més, és capaç d'oferir alternatives als mètodes tradicionals de tractament químic. Un exemple és la vitamina B2. El rendiment de la producció mitjançant múltiples reaccions químiques a partir de la D-ribosa és de només el 60 per cent, mentre que la bioproducció dóna els següents resultats: 50 per cent de reducció de costos, 36 per cent de descens en la producció de residus i reducció del 25 per cent del consum d'energia. En molts casos, el pas d'un procés químic a un procés biotecnològic redueix de manera significativa el consum de recursos i l'impacte ambiental sense necessitat de realitzar una inversió cara i complexa.

Tal com demostra aquest exemple, la reducció de costos i la millora de la manipulació són les forces impulsores del pas a la bioproducció. L'eliminació de les fases convencionals de síntesi per a la producció de vitamines i antibiòtics redueix tant els costos de producció com l'impacte mediambiental, i això contribueix a augmentar el nivell d'acceptació de la bioproducció. La biotecnologia blanca presenta un important potencial, donats els seus beneficis ecològics i la seva capacitat per incrementar el rendiment econòmic. Els experts creuen que la biotecnologia blanca serà cada vegada més important en la producció de productes químics a granel i que l'ús de biocatalitzadors augmentarà. De fet, ja s'utilitzen bioreactors amb un volum de 500 m³ (i superior) a tot el món per fabricar productes a granel, com potenciadors del sabor, L-glutamat i l'additiu nutricional L-lisina. També s'utilitzen en la producció d'antibiòtics, vitamines, àcid cítric i àcid làctic.

La bioproducció planteja certes exigències a l'enginyeria de processos. Certs aspectes especials del procés de tractament, la manipulació de grans volums, els problemes relacionats amb els equips estèrils i les estrictes normes de seguretat són els factors determinants d'un sistema de producció biotecnològic, i incloure'ls com a part integral de tot el procés.

Els resultats d'una enquesta realitzada per la Federació Alemanya d'Enginyeria (VDMA), titulada 'Tendències en la tecnologia de processos 2004-2008' donen una mica de llum sobre les estratègies emergents en el sector d'enginyeria. En aquest treball d'investigació, es va demanar a diversos membres d'universitats i fabricants que donessin la seva opinió sobre la maquinària i els equips de processos.

L'enquesta va revelar, entre altres coses, que la importància de la tecnologia d'automatització seguirà augmentant. Per tant, els fabricants han d'estar preparats per subministrar més màquines i dispositius llestos per a la seva automatització. La diversitat dels sistemes de bus de camp amb la qual hauran de lluitar els fabricants no disminuirà en el futur.

Els proveïdors també hauran d'estar atents als avenços registrats en nanotecnologia, membranes, sensors i instrumentació. Tant els productors com els acadèmics creuen que els grans avenços futurs en enginyeria de processos es basaran en aquestes tecnologies.

La manipulació de sòlids pot oferir oportunitats als fabricants de maquinària i equips de procés. D'altra banda, donat l'augment dels preus del petroli, el desenvolupament de fonts d'energia renovable i de combustibles secundaris també és un camp atractiu. La tecnologia de piles de combustible també presenta un important potencial de desenvolupament i de mercat. A més, durant la fase de desenvolupament del producte, el fabricant no ha d'oblidar els possibles canvis en la normativa relativa a la protecció contra el soroll i la pols, els productes químics i l'eficiència energètica.

En aquest procés de canvi, els serveis "tradicionals" relacionats amb el producte, com les peces de recanvi, reparació, manteniment i serveis en planta, no perdran força. Al contrari, la teleassistència està trepitjant forta i pot ajudar els fabricants a reduir els seus costos.

L'estudi també va mostrar que els fabricants de màquines han detectat que hi ha un dèficit en els sensors per al mesurament d'humitat i el registre d'altres variables mecàniques (per exemple, la pressió i vibració) en certes aplicacions. A més, encara hi ha marge per a la millora dels sensors existents, per tal de perfeccionar certes característiques, com l'autoavaluació, miniaturització, resistència i disseny d'enginyeria.

La simulació consisteix a crear un model del procés de producció basat en principis fonamentals físics i químics. Les reaccions, les operacions de barreja i els fenòmens de transició de materials i de transferència de calor en un reactor i en les fases corrent amunt i avall es descriuen mitjançant models matemàtics.

La simulació segueix millorant. Per exemple, amb els programari de simulació moderns, els usuaris poden introduir fórmules de reaccions directament en una interfície gràfica d'usuari com si les estiguessin escrivint en un full de paper. El programari genera les equacions cinètiques i els balanços de massa, energia i moment. El programari també pot calcular les propietats termodinàmiques i de transport de les mescles que reaccionen entre si. Els resultats es poden utilitzar en els processos d'enginyeria subsegüents. En qualsevol projecte d'enginyeria, el factor temporal és crucial per garantir un retorn ràpid de la inversió. Així, al mateix temps, es fa la planificació d'enginyeria en tot un seguit de disciplines. Les eines de planificació d'enginyeria segueixen evolucionant i cada vegada estan més prop de l'objectiu d'englobar el procés sencer.

La qualitat dels programes de simulació i dels models tridimensionals ara disponibles dóna impuls al concepte de "fàbrica digital". La idea és reproduir tot el procés de producció en un model de planificació tridimensional. Els avantatges són òbvies: els enginyers poden utilitzar el model per provar i optimitzar les diferents opcions abans d'iniciar la construcció, la planta pot construir-se amb molta més rapidesa que en el passat, i el producte pot estar en el mercat abans, el que representa un avantatge competitiu important.

La "fàbrica digital" és més que un concepte. Per exemple, en la indústria automobilística s'accepta ja com una eina universal, que pot utilitzar-se en el desenvolupament, disseny i fabricació de productes. Fins a cert punt, la simulació també té molt a oferir a altres indústries. Moltes vegades, els ordinadors poden utilitzar-se per identificar i eliminar els punts flacs durant la fase de planificació. Els enginyers poden utilitzar aquestes eines per analitzar i, de vegades, fins i tot per accelerar el procés. Mitjançant els simuladors, els usuaris poden crear un model digital dels sistemes, màquines, operacions logístiques, fases de producció i fluxos de procés, i introduir els canvis pertinents.