Producción acelerada, ciclos de planificación más cortos y biotecnología blanca

China necesita productos químicos y energía. Para satisfacer esta gran demanda, las empresas, tanto extranjeras como nacionales, siguen creando plantas con una capacidad de producción masiva. La planta conjunta de Basf/ Sinopec en Nanjing ha empezado a funcionar. Basada en el modelo de Ludwigshafen, el sitio, de 220 hectáreas y con una capacidad de 1,7 millones de toneladas anuales, cuenta con un craqueador a vapor, una central eléctrica de ciclo combinado (CPP), su propio puerto en el Yangtsé e instalaciones de producción química nuevas.

El proyecto de Shell Nanhai BV y CNOOC tiene una envergadura similar al de BP y Sinopec. DB Research espera que la cifra de negocios de productos químicos crezca a un ritmo anual del 10 por ciento, hasta los 400.000 millones de euros en 2015, en comparación con un incremento del 3,5 por ciento en Estados Unidos o del 3 por ciento en Alemania.

Basf asegura que las tradicionales plantas de escala internacional tienen los días contados. “Necesitamos un cambio radical y, de hecho, ya estamos trabajando en estrategias nuevas. El problema que plantean las plantas de escala internacional está muy claro. Si esperas hasta que haya una gran demanda de un producto para construir la planta, ya has llegado tarde. Si construyes la planta al mismo tiempo que la competencia, el exceso de capacidad hará que los precios se derrumben”. Eso significa que la industria química necesita poner en marcha unas estrategias de ingeniería que le permitan adaptarse a los rápidos cambios de la demanda. Y aquí la tecnología modular y una estricta normalización van a tener mucho que decir. Otro factor importante va a ser la tecnología de microprocesos, pero más como una filosofía que como un factor que determine el tamaño total de la planta.

Por su parte, Linde afirma que “se está llegando al límite de la ingeniería de equipos de proceso, y esto supone un gran riesgo. El problema está en que, en casi todos estos megaproyectos, se ha de diseñar una máquina que nunca antes se había fabricado: el compresor de aire más grande del mundo o turbomanorreductor más grande de todos los tiempos. Además, esto plantea problemas logísticos cada vez más difíciles de solucionar. Cada vez más, los aparatos, las columnas y otros subsistemas de la planta tienen que ensamblarse in situ, porque simplemente son demasiado grandes para su transporte”.

¿Cómo van a ser las plantas químicas del futuro? El programa Impulse (Integrated Multiscale Process Units with Locally Structured Elements, unidades de proceso multiescala integradas con elementos estructurados localmente) intenta dar respuesta a esta pregunta. Este proyecto, puesto en marcha por la UE dentro del VI Programa Marco, se centra sobre todo en el uso de la microtecnología. Las empresas e institutos que participan en el proyecto están convencidos de que esta tecnología puede ser la base de una nueva generación de sistemas de producción.

Para lograr sus objetivos, Impulse pretende instalar componentes estructurados localmente en los sistemas de producción. Estos componentes se integrarán directamente en los equipos de proceso. A continuación, se citan algunas de las metas del programa:

- Conversión de procesos discontinuos en procesos continuos

- Procesos modulares y escalables

- Integración de una nueva generación de componentes en los sistemas existentes

- Miniaturización de los subsistemas para facilitar una producción distribuida

- Entre los objetivos individuales se incluyen los siguientes: minimización del uso de disolventes o instauración de sistemas de producción sin disolventes, maximización del rendimiento espacio-tiempo, incremento de la selectividad, reducción de los costes de separación de productos y mejora de la tecnología de control de calidad.

Uno de los socios industriales del programa Impulse, Degussa, ya está poniendo en práctica este planteamiento. Con esta estrategia de intensificación del proceso, Degussa podría mejorar ciertos factores, como el rendimiento espacio-tiempo, en varios órdenes de magnitud, y no en unos pocos puntos porcentuales. De acuerdo con Henrik Hahn, gestor de intensificación de procesos, este incremento puede conseguirse mediante el empleo de catalizadores altamente activos o microrreactores especiales que proporcionen un intercambio más intenso de calor y material.

En concreto, el plan es poner en marcha unos procesos y sistemas nuevos, basados en una tecnología novedosa, para aprovechar los beneficios de unos menores costes de inversión y unos tiempos de reacción más cortos. La ventaja de este planteamiento es que la capacidad puede ampliarse en cualquier momento para satisfacer un aumento de la demanda. Además, la nueva tecnología permitirá también desarrollar nuevos tipos de productos.

La planta química del futuro ideada por Impulse no sólo será bastante más pequeña que las instalaciones actuales, sino también más eficiente y con un menor impacto ambiental. Por otra parte, las plantas podrán estar ubicadas más cerca del cliente, lo cual añade una dimensión nueva al concepto de “producción guiada por la demanda”. La idea de distribuir por toda Europa más instalaciones de producción, pero más pequeñas servirá para reducir los costes de transporte, además de permitir a los productores reaccionar con mayor rapidez a los cambios de las condiciones del mercado.

El consorcio Impulse está formado por 20 socios de siete países europeos. Además del CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique), que coordina el proyecto, el consorcio está formado por una serie de centros de investigación y centros académicos europeos de primera línea, que trabajan en la ingeniería química, la tecnología de microprocesos y la innovación de procesos. A su vez, estas organizaciones trabajan con cuatro importantes socios industriales: GlaxoSmithKline, la segunda compañía farmacéutica más grande del mundo; Degussa, el productor de productos químicos especiales más grande del mundo; Procter & Gamble, una de las principales empresas del mercado de bienes de gran consumo; y Siemens, líder mundial en tecnología de automatización.

El Ministerio Alemán de Educación e Investigación (BMBF) ha proporcionado 15 millones de euros para la financiación del programa de tecnología de microprocesos que se puso en marcha en enero de 2005. Este programa investiga el uso de la tecnología de microprocesos en la producción industrial. Además, hay en marcha otros cinco proyectos centrados en los siguientes temas: fotoquímica industrial, intensificación de procesos, policondensación y elaboración de productos farmacéuticos intermedios en microrreactores. Por su parte, el objetivo de µVT-GUIDE es preparar una serie de directrices para el uso industrial de la tecnología de microprocesos.

A veces, simplemente hay que alterar la estrategia de ingeniería. Si un operador quiere conservar una total flexibilidad, producir cantidades más pequeñas de productos o utilizar la planta para generar más de un producto, lo normal es optar por una planta multiproducto.

No obstante, posteriormente, la presión económica puede forzar al operador a pasarse a una producción monoproducto, ya que la experiencia demuestra que la rentabilidad suele aumentar como mínimo un 25 por ciento. La explicación es simple. Las plantas multiproducto utilizan un gran número de sistemas pequeños, lo cual hace que la manipulación sea más engorrosa. Frente a esto, en la monoproducción se necesitan menos tanques y, por tanto, es más fácil automatizar la planta y, además, se reducen las necesidades de personal. El uso de tanques y sistemas más grandes rebaja automáticamente el consumo específico de energía por tonelada. Una gestión inteligente del proceso y una cinética optimizada permiten aumentar la selectividad en todo el proceso, incluidas las fases preliminares, en torno a un 10 por ciento.

A continuación, citamos un ejemplo real de ello. La línea Irgafos fue transformada de un proceso discontinuo en otro continuo, y el equipo responsable de productos químicos especiales Ciba de la planta de Lampertheim quedó muy satisfecho con los resultados. Gracias a este sistema innovador, la empresa duplicó la capacidad de producción de este importante estabilizador de procesos de fosfito hasta alcanzar las 10.000 toneladas anuales. Además, la productividad y eficiencia ecológica de la línea también mejoraron. Tras la conversión del proceso discontinuo en continuo, además de incrementarse la capacidad, se consiguieron reducir significativamente la energía y el uso de materias primas y residuos.

La biotecnología, cada vez más, es capaz de ofrecer alternativas a los métodos tradicionales de tratamiento químico. Un ejemplo es la vitamina B2. El rendimiento de la producción mediante múltiples reacciones químicas a partir de la D-ribosa es de sólo el 60 por ciento, mientras que la bioproducción da los siguientes resultados: 50 por ciento de reducción de costes, 36 por ciento de descenso en la producción de residuos y reducción del 25 por ciento del consumo de energía. En muchos casos, el paso de un proceso químico a un proceso biotecnológico reduce de forma significativa el consumo de recursos y el impacto ambiental sin necesidad de realizar una inversión cara y compleja.

Tal y como demuestra este ejemplo, la reducción de costes y la mejora de la manipulación son las fuerzas impulsoras del paso a la bioproducción. La eliminación de las fases convencionales de síntesis para la producción de vitaminas y antibióticos reduce tanto los costes de producción como el impacto medioambiental, y esto contribuye a aumentar el nivel de aceptación de la bioproducción. La biotecnología blanca presenta un importante potencial, dados sus beneficios ecológicos y su capacidad para incrementar el rendimiento económico. Los expertos creen que la biotecnología blanca va a ser cada vez más importante en la producción de productos químicos a granel y que el uso de biocatalizadores va a aumentar. De hecho, ya se utilizan biorreactores con un volumen de 500 m³ (y superior) en todo el mundo para fabricar productos a granel, como potenciadotes del sabor, L-glutamato y el aditivo nutricional L-lisina. También se utilizan en la producción de antibióticos, vitaminas, ácido cítrico y ácido láctico.

La bioproducción plantea ciertas exigencias a la ingeniería de procesos. Ciertos aspectos especiales del proceso de tratamiento, la manipulación de grandes volúmenes, los problemas relacionados con los equipos estériles y las estrictas normas de seguridad son los factores determinantes de un sistema de producción biotecnológico, y deben incluirse como parte integral de todo el proceso.

Los resultados de una encuesta realizada por la Federación Alemana de Ingeniería (VDMA), titulada ‘Tendencias en la tecnología de procesos 2004-2008’ arrojan algo de luz sobre las estrategias emergentes en el sector de ingeniería. En este trabajo de investigación, se pidió a varios miembros de universidades y fabricantes que dieran su opinión sobre la maquinaria y los equipos de procesos.

La encuesta reveló, entre otras cosas, que la importancia de la tecnología de automatización va a seguir aumentando. Por tanto, los fabricantes deben estar preparados para suministrar más máquinas y dispositivos listos para su automatización. La diversidad de los sistemas de bus de campo con la que van a tener que lidiar los fabricantes no disminuirá en el futuro.

Los proveedores también tendrán que estar atentos a los avances registrados en nanotecnología, membranas, sensores e instrumentación. Tanto los productores como los académicos creen que los mayores avances futuros en ingeniería de procesos se van a basar en estas tecnologías.

La manipulación de sólidos puede ofrecer oportunidades a los fabricantes de maquinaria y equipos de proceso. Por otro lado, dado el aumento de los precios del petróleo, el desarrollo de fuentes de energía renovable y de combustibles secundarios también es un campo atractivo. La tecnología de pilas de combustible también presenta un importante potencial de desarrollo y de mercado. Además, durante la fase de desarrollo del producto, el fabricante no debe olvidar los posibles cambios en la normativa relativa a la protección contra el ruido y el polvo, los productos químicos y la eficiencia energética.

En este proceso de cambio, los servicios “tradicionales” relacionados con el producto, como las piezas de repuesto, reparación, mantenimiento y servicios en planta, no van a perder fuelle. Al contrario, la teleasistencia está pisando fuerte y puede ayudar a los fabricantes a reducir sus costes.

El estudio también mostró que los fabricantes de máquinas han detectado que hay un déficit en los sensores para la medición de humedad y el registro de otras variables mecánicas (por ejemplo, la presión y vibración) en ciertas aplicaciones. Además, aún hay margen para la mejora de los sensores existentes, con el fin de perfeccionar ciertas características, como la autoevaluación, miniaturización, resistencia y diseño de ingeniería.

La simulación consiste en crear un modelo del proceso de producción basado en principios fundamentales físicos y químicos. Las reacciones, las operaciones de mezclado y los fenómenos de transición de materiales y de transferencia de calor en un reactor y en las fases corriente arriba y abajo se describen mediante modelos matemáticos.

La simulación sigue mejorándose. Por ejemplo, con los software de simulación modernos, los usuarios pueden introducir fórmulas de reacciones directamente en una interfaz gráfica de usuario igual que si las estuvieran escribiendo en una hoja de papel. El software genera las ecuaciones cinéticas y los balances de masa, energía y momento. El software también puede calcular las propiedades termodinámicas y de transporte de las mezclas que reaccionan entre sí. Los resultados pueden utilizarse en los procesos de ingeniería subsiguientes. En cualquier proyecto de ingeniería, el factor temporal es crucial para garantizar un retorno rápido de la inversión. Así, al mismo tiempo, se hace la planificación de ingeniería en toda una serie de disciplinas. Las herramientas de planificación de ingeniería siguen evolucionando y cada vez están más cerca del objetivo de englobar el proceso entero.

La calidad de los programas de simulación y de los modelos tridimensionales ahora disponibles da impulso al concepto de “fábrica digital”. La idea es reproducir todo el proceso de producción en un modelo de planificación tridimensional. Las ventajas son obvias: los ingenieros pueden utilizar el modelo para probar y optimizar las distintas opciones antes de iniciar la construcción; la planta puede construirse con mucha más rapidez que en el pasado; y el producto puede estar en el mercado antes, lo que representa una ventaja competitiva importante.

La “fábrica digital” es más que un concepto. Por ejemplo, en la industria automovilística se acepta ya como una herramienta universal, que puede utilizarse en el desarrollo, diseño y fabricación de productos. Hasta cierto punto, la simulación también tiene mucho que ofrecer a otras industrias. Muchas veces, los ordenadores pueden utilizarse para identificar y eliminar los puntos flacos durante la fase de planificación. Los ingenieros pueden utilizar estas herramientas para analizar y, a veces, incluso para acelerar el proceso. Mediante los simuladores, los usuarios pueden crear un modelo digital de los sistemas, máquinas, operaciones logísticas, fases de producción y flujos de proceso, e introducir los cambios pertinentes.