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Las prioridades de la Plataforma Tecnológica de la Química Sostenible pasan por reforzar las capacidades de Europa en el diseño de reacciones de ingeniería de procesos

Diseño de reacciones y procesos en la industria química

Redacción QU01/08/2005
El diseño de reacciones y procesos es de vital importancia para la industria química. Los ciclos de vida de los productos son cada vez más cortos y las especialidades químicas se transforman rápidamente en productos comerciales. En estas condiciones de alta presión sobre los costes, la única manera de conservar la rentabilidad pasa por mantener un alto nivel de excelencia en lo relativo a diseño de reacciones y procesos. Esto tiene una importancia capital si se desea disponer de los mejores procesos de producción, es decir, los más rápidos, los más baratos y los más limpios.
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Por diseño de reacciones y procesos se entiende un grupo de tecnologías que pueden aplicarse a todas las áreas de la química, y que están orientadas a la optimización de los procesos de producción de productos químicos básicos, intermedios y de química fina.

En esta sección se integran dos enfoques complementarios, la síntesis de productos químicos, que comprende nuevas rutas sintéticas y nuevas reacciones, nuevos disolventes y rutas sin intervención de disolventes, y catálisis. Y por otro lado, la ingeniería y ciencia de procesos, que comprende el diseño de reactores, los métodos de secado y purificación, las tecnologías de destilación, cristalización y separación, la formulación y diseño de productos y el análisis y control de procesos.

El diseño de reacciones y procesos comprende tanto el diseño de reacciones como la ingeniería de procesos, dos disciplinas bien establecidas que constituyen la base para el desarrollo, la ampliación de escala y el diseño de instalaciones de síntesis de productos químicos. Cuando estas disciplinas se integran de manera efectiva con la ciencia de base y con las tecnologías apropiadas, ofrecen un alto potencial para comprender de forma cuantitativa los procesos de fabricación de productos químicos, lo que permite mejorar los rendimientos, reducir la generación de residuos y optimizar la utilización del capital.

Las prioridades estratégicas que se ha propuesto SusChem, la plataforma tecnológica de la química sostenible, pasan por reforzar las capacidades de Europa en el diseño de reacciones de ingeniería de procesos; por promover la excelencia y atraer el interés de las nuevas generaciones; y por liderar el debate, sirviendo de guía a una opinión informada e influyendo en las políticas públicas.

Diseño inteligente

Un factor esencial para la reducir los residuos, los subproductos y el consumo de energía de los procesos es el diseño inteligente de la ruta de síntesis en sí misma, que debe basarse en materias primas baratas. La experimentación sistemática de los procesos acelera el desarrollo de productos gracias a un análisis rápido de los parámetros (como disolventes, temperaturas y catalizadores). La instrumentación de mezclado y reacción, altamente sofisticada, multifuncional o microestructurada hace posibles procesos más intensivos con un mejor balance económico.

Los procesos de producción a gran escala consolidados son un buen ejemplo de que la optimización e innovación de los procesos son indispensables y viables incluso para los productos comerciales a granel. Las nuevas rutas de reacción (por ejemplo, basadas en agentes de oxidación suaves como el peróxido de hidrógeno, o en los avances en oxidación selectiva utilizando oxígeno molecular) abren la puerta a unos procesos potencialmente superiores, susceptibles de diferenciar la industria europea de la de otras grandes regiones con producción química.

Microtecnologías

Las microtecnologías han hecho posibles avances extraordinarios, no sólo en el terreno de la química fina sino también en el de los productos químicos a granel y los polímeros. La integración de procesos, consistente en combinar varios pasos en un único aparato abre grandes posibilidades de mejora en el procesamiento de productos químicos a granel. La destilación reactiva, las columnas divisoras, la separación con líquidos iónicos o la integración de calor y fuerza redundan en ahorros significativos de capital y rebajan los gastos de operación.
Las microtecnologías han hecho posibles avances extraordinarios

Reacciones catalíticas

Más del 80 por ciento de los productos químicos dependen de las reacciones catalíticas. Por su significativo impacto en el rendimiento de los procesos, la catálisis es todavía una tecnología esencial. Incluso en procesos tan maduros como la producción de poliolefinas, los últimos desarrollos en catálisis han permitido mejorar las actividades en varios órdenes de magnitud con respecto a las décadas anteriores. El desarrollo de catalizadores forma parte de la ingeniería de la reacción, y viceversa; los catalizadores y los reactores se desarrollan simultáneamente.
Más del 80 por ciento de los productos químicos dependen de las reacciones catalíticas
La integración e intensificación de los procesos, combinadas con nuevos conceptos de catálisis, son esenciales para el diseño de procesos competitivos de producción. La catálisis es, sin duda, una tecnología decisiva para el desarrollo de nuevos productos, capaz de contribuir a la creación de materiales de altas prestaciones y de procesos respetuosos con el medio ambiente.

Con carácter general, la fabricación de productos químicos y materiales funcionales basada en recursos renovables está adquiriendo una importancia creciente. La bioproducción a gran escala de polímeros de alto peso molecular y de productos químicos básicos será pronto la vanguardia tecnológica.

A diferencia de los procesos biotecnológicos a gran escala aplicables a los polímeros y productos químicos comerciales, la síntesis de medicamentos, antibióticos, proteínas terapéuticas, etc., requiere tecnologías sofisticadas de pequeña escala, que ofrecen un terreno muy amplio para la investigación y el desarrollo.

Aunque la fermentación y la conversión enzimática son técnicas de producción consolidadas, en los próximos 20 años nuevos avances en tecnología ofrecerán herramientas importantes para nuevos procesos bioquímicos (proteínas, anticuerpos, etc.) y, a la vez, una alternativa muy atractiva a los procesos químicos clásicos. Este nuevo enfoque utilizará procesos optimizados mediante herramientas informáticas, operaciones unitarias de fermentación, separación y manipulación celular y, por supuesto, técnicas de purificación (cromatografía, cristalización, inactivación de virus y liofilización).

La fabricación de productos químicos y materiales funcionales basada en recursos renovables está adquiriendo una importancia creciente
Tampoco conviene olvidar que en el año 2025 la industria de procesos estará tremendamente influenciada por los desarrollos de las tecnologías “in silico”. Los métodos informáticos que se han desarrollado tan poderosamente en la última década estarán mucho más avanzados en 2025. El hardware y software moderno facilitan la modelización, la simulación y el procesamiento de los datos. Las herramientas de simulación de procesos químicos complejos representan una base excelente de know how para muchas técnicas “in silico”. Sirvan como ejemplo los métodos informatizados de terapias médicas individualizadas, la búsqueda de ingredientes activos basada en la predicción de propiedades y la optimización de los procesos biológicos mediante simulación a escala celular. Todo ello acelerará sensiblemente el desarrollo de productos, mejorará el rendimiento y la productividad de los procesos y abrirá posibilidades de negocio nuevas e insospechadas.
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