Miniaturización de procesos

La miniaturización de procesos químicos se refiere a un concepto filosófico dentro de la disciplina del diseño de procesos que cuestiona la noción de " economía de escala " o "cuanto más grande, mejor". En este contexto, el diseño de procesos se refiere a la disciplina que se enseña principalmente a los ingenieros químicos . Sin embargo, la disciplina emergente de la miniaturización de procesos implicará conocimientos integrados de muchas áreas; por ejemplo, ingeniería y diseño de sistemas, medición y control remotos mediante sensores inteligentes , ingeniería de sistemas de procesos biológicos y robótica de fabricación avanzada , entre otras.

Uno de los retos de la ingeniería química ha sido diseñar procesos basados ​​en métodos de laboratorio químico a escala industrial y ampliar dichos procesos para poder fabricar productos que sean económicamente asequibles.

A medida que un proceso se amplía, se puede producir más producto por unidad de tiempo. Por lo tanto, cuando una tecnología de proceso se establece o madura y opera de manera consistente sin interrupciones ni tiempos de inactividad, se puede obtener una mayor eficiencia económica mediante la ampliación de escala. Dado un precio fijo para la materia prima (por ejemplo, el precio por barril de petróleo crudo), el costo del producto puede disminuirse utilizando un proceso a mayor escala, ya que la inversión de capital y los costos operativos no suelen aumentar linealmente con la escala. Por ejemplo, la capacidad o el volumen de un recipiente cilíndrico utilizado para producir un producto aumenta proporcionalmente al cuadrado del radio del cilindro, por lo que el costo de los materiales por unidad de volumen disminuye. Sin embargo, los costos de diseño y fabricación del recipiente tradicionalmente han sido menos sensibles a la escala. En otras palabras, se puede diseñar un recipiente pequeño y fabricarlo por aproximadamente el mismo costo que uno más grande. Además, el costo de controlar y operar un proceso (o un componente de la unidad de proceso) no cambia sustancialmente con la escala. Por ejemplo, si se requiere un operador para operar un proceso pequeño, ese mismo operador probablemente pueda operar el proceso más grande.

El concepto de economía de escala, tal como se enseña a los ingenieros químicos, ha llevado a la idea de que uno de los objetivos del desarrollo y diseño de procesos es lograr dicha economía mediante la ampliación a la planta de procesamiento del mayor tamaño posible, de modo que el costo del producto sea económicamente asequible. Esta filosofía disciplinaria se ha visto reforzada por ejemplos de diseño en las industrias de refinación de petróleo y petroquímica, donde las materias primas se han transportado como fluidos a través de oleoductos, grandes buques cisterna y vagones de ferrocarril.

Los fluidos, por definición, son materiales que fluyen y pueden transferirse mediante bombas o por gravedad. Por lo tanto, en la industria de procesos se utilizan grandes bombas, válvulas y tuberías para transferir grandes cantidades de fluidos. La miniaturización de procesos, en cambio, implicará el procesamiento de grandes cantidades de sólidos provenientes de biomasa renovable; por consiguiente, se requerirá un nuevo enfoque para el diseño de procesos optimizados para el procesamiento de sólidos.

El concepto de microproceso fue definido por SS Sofer mientras era profesor en el Instituto Tecnológico de Nueva Jersey . Un microproceso tiene las siguientes características: ^{[ 1 ]}

1) Portabilidad

2) Capaz de ser producido en masa utilizando métodos avanzados de fabricación robótica.

3) Acercándonos a la automatización total

4) Una nueva tecnología

La filosofía de diseño de microprocesos se ha gestado en gran medida a partir del análisis histórico del papel que ha desempeñado la miniaturización de componentes en la industria de la tecnología de la información. La evolución de la miniaturización del hardware informático ha propiciado la reflexión sobre la miniaturización de procesos en el contexto del diseño de ingeniería química. En lugar del objetivo de diseño tradicional de "escalar" el procesamiento a una gran planta de procesamiento centralizada (por ejemplo, un ordenador central), se puede concebir la consecución de los objetivos económicos mediante una filosofía de "expansión horizontal" (por ejemplo, múltiples microordenadores).

Los dispositivos eléctricos y electrónicos siempre han desempeñado un papel importante en la automatización de plantas de procesos químicos. Sin embargo, inicialmente, se utilizaban termómetros sencillos, como los de mercurio, y manómetros mecánicos para monitorizar las condiciones del proceso (como la temperatura, la presión y el nivel en un reactor químico ). Las condiciones del proceso se ajustaban principalmente basándose en el conocimiento heurístico del operador sobre el comportamiento del proceso. Incluso con la automatización electrónica instalada, muchos procesos aún requieren una interacción sustancial del operador, sobre todo durante la fase de puesta en marcha o durante la implementación de una nueva tecnología.

El control de procesos del futuro implicará la utilización generalizada de sensores inteligentes y dispositivos miniaturizados inteligentes de producción masiva, como controladores lógicos programables que se comunican de forma inalámbrica con los actuadores del proceso. Dado que estos dispositivos se miniaturizarán para reducir los costos de fabricación, esto permitirá integrarlos en estructuras, haciéndolos invisibles para el observador casual. Es probable que el costo de dichos sensores se reduzca hasta un punto en el que simplemente "funcionen o no funcionen". Cuando se alcance ese umbral de costo, el procedimiento de reparación consistirá en desactivar el sensor y activar uno redundante que funcione. En otras palabras, sistemas de control complejos completos tendrán un costo tan bajo que la reparación no será económicamente viable.

La inteligencia del proceso se desarrollará mediante modelos de simulación basados ​​en principios científicos. Se programarán reglas heurísticas en los microcontroladores, lo que eliminará en gran medida la necesidad de una supervisión constante basada en el conocimiento heurístico humano del comportamiento del proceso. El proceso, capaz de autooptimizarse automáticamente mediante algoritmos avanzados desarrollados por ingenieros de microprocesos, estará integrado y solo será accesible para el responsable del conocimiento. Esto permitirá la construcción de grandes redes de microprocesos autónomos.

Los sistemas avanzados de control de procesos para la miniaturización de procesos incrementarán la necesidad de controlar la seguridad y la propiedad de la inteligencia de procesos en las empresas basadas en el conocimiento. Será más difícil controlar la propiedad intelectual mediante el método tradicional de patentes; por lo tanto, las marcas registradas, el reconocimiento de marca y las leyes de derechos de autor desempeñarán un papel más importante en la seguridad del valor para las empresas basadas en el conocimiento del futuro.

El análisis tecnoeconómico, tal como se enseña en el diseño tradicional de procesos químicos, también experimentará un cambio radical respecto a la perspectiva conservadora que se basa en el análisis de tendencias económicas históricas y el análisis de flujos de efectivo. La viabilidad económica de una empresa estará más vinculada a la adquisición de información económica en tiempo real, la cual puede variar rápidamente en función de las observaciones empíricas generadas por la emergente disciplina de los sistemas de desarrollo de microprocesos. Por lo tanto, los modelos se basarán más en la pregunta "¿qué es posible?" que en "¿qué ha demostrado el pasado?".

En lugar de una gran planta central que requiere un suministro constante de materia prima, como una refinería que puede descargar un buque cisterna de petróleo si se encuentra cerca del océano, la miniaturización de procesos propone distribuir la tecnología de procesamiento a zonas donde la materia prima no se puede transportar fácilmente en grandes cantidades a una planta centralizada. Esta tecnología miniaturizada puede consistir simplemente en la transformación de materiales de biomasa sólida, provenientes de múltiples microprocesos distribuidos, en fluidos más fáciles de manejar. Estos fluidos pueden transportarse o distribuirse a nodos de procesamiento inteligentes a mayor escala mediante tecnología convencional de transporte de fluidos.

Históricamente, los procesos pequeños o microprocesos propiamente dichos siempre han existido. Por ejemplo, pequeños viñedos y cervecerías han producido materia prima, la han procesado y han almacenado el producto en lo que podría considerarse un "microproceso" en comparación con los procesos diseñados según el modelo de la industria petroquímica o, por ejemplo, la producción de cerveza a gran escala. Pequeñas aldeas en la India y otros lugares del mundo han aprendido a producir biogás a partir de estiércol animal en lo que podría considerarse microprocesos a pequeña escala para la producción de energía. Sin embargo, los microprocesos y la miniaturización de procesos como filosofía de diseño incluyen la noción de acercarse a la automatización total, y constituyen una nueva tecnología que ha sido posible gracias a la miniaturización del hardware informático, como el microprocesador. Es fácil imaginar procesos que puedan producirse y transportarse en masa. Por ejemplo, muchos electrodomésticos como aires acondicionados, lavadoras y refrigeradores podrían considerarse microprocesos.

La filosofía de diseño de la miniaturización de procesos prevé que se puede lograr la reducción de escala de procesos complejos que involucran múltiples operaciones unitarias, y que la economía de escala estará más relacionada con el tamaño de una red de microprocesos autónomos distribuidos. Dado que la falla de un microproceso autónomo no provoca la detención de toda la red, los microprocesos conducirán a una producción más eficiente, robusta y estable de productos que tradicionalmente se han producido para una sociedad basada en el petróleo.

Dado que los combustibles fósiles, por definición, se consumen y no son renovables, los combustibles y materiales del futuro se basarán en biomasa renovable .

La conversión de biomasa en energía es quizás más compleja para el tecnólogo que la obtención de energía a partir de combustibles fósiles. En los procesos de biomasa pueden estar presentes agua, compuestos orgánicos e inorgánicos disueltos y partículas sólidas de diversos tamaños. Es en el desarrollo de pilas de combustible microbianas donde la reflexión filosófica sobre la miniaturización de procesos tendrá mayor relevancia. La difusión del conocimiento, de forma atractiva y moderna mediante dispositivos miniaturizados, puede mejorarse (acelerarse) considerablemente gracias a dispositivos de bajo consumo energético (como los teléfonos inteligentes). Replantearse el concepto de «central eléctrica» puede generar enormes innovaciones, dados los recientes avances en materiales de membrana, metodologías de células enteras inmovilizadas, ingeniería metabólica y nanotecnología .

Los desafíos de las pilas de combustible microbianas se relacionan principalmente con la búsqueda de métodos de fabricación, materiales de construcción y diseño de sistemas de menor costo. Bruce Logan, de la Universidad Estatal de Pensilvania, ha descrito y analizado estos desafíos en varios artículos de investigación.

Sin embargo, incluso con los diseños existentes que generan poca energía, existen aplicaciones en la distribución de sistemas de recarga eléctrica a zonas remotas de África, donde los teléfonos inteligentes permiten el acceso a la vasta información de internet y proporcionan iluminación. Estos sistemas pueden funcionar con residuos agrícolas, animales y humanos utilizando bacterias presentes de forma natural.

La energía nuclear se considera una "tecnología verde" porque no produce dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, a diferencia de las centrales eléctricas tradicionales de gas natural o carbón. La viabilidad económica del despliegue de minirreactores nucleares se ha analizado en un artículo de " The Economist ".

Las ventajas de los minirreactores nucleares también han sido analizadas por el Secretario de Energía, Steven Chu . ^{[ 2 ]} Como explicó Chu, los reactores se fabricarían en un entorno similar al de una fábrica y luego se transportarían intactos por ferrocarril o barco a diferentes partes del país o del mundo. La economía de escala por tamaño se reemplaza por la economía de escala por cantidad. Muchas empresas no están dispuestas a asumir el riesgo de invertir entre 8.000 y 9.000 millones de dólares en un solo reactor grande, por lo que una de las características más atractivas de la miniaturización de procesos es la reducción del riesgo de la inversión de capital y la posibilidad de recuperar la inversión mediante la reventa y reubicación de un microproceso funcional llave en mano a un nuevo propietario, una importante ventaja económica de la portabilidad de los microprocesos.