Jak globální megatrendy mění a zlepšují mechanické zpracování

© AdobeStock_196833565_pickup

© iStock_1427146272_Parradee-Kietsirikul

© AdobeStock_328267323_Sergey-Ryzhov

Co mají společného trendy témata oběhové ekonomiky, výroby baterií a rostlinných proteinů? Vyžadují kreativitu techniků procesního inženýrství a sledují globální megatrendy nedostatku zdrojů, mobility, výživy a ochrany klimatu. Zatímco v uplynulém desetiletí byl důraz kladen na nové chemické procesy a digitální technologie, nyní přichází čas mechanického procesního inženýrství.

Budoucnost patří elektrifikaci ekonomiky a mobility. A klíčovou roli zde budou hrát skladovací technologie. Pokud se však odborné veřejnosti položí otázka, kde v technice baterií lze očekávat největší inovační potenciál, bude většina lidí překvapena: Ne v chemii a nových materiálech, ale v technologiích výroby. Zatímco například u lithium-iontových baterií je na materiálové straně již patrné technické optimum, výroba bateriových článků a baterií je stále nedokonalá. Energetická hustota, životnost a výkon bateriových článků závisí především na přesnosti velikosti částic a tvarování, a to zejména při nízkých teplotách. Ačkoli je Čína v současnosti nepřekonatelným lídrem na trhu výroby baterií pro elektromobily, v příštích letech se to může změnit, pokud noví hráči v USA a Evropě začnou masově stavět nové továrny na baterie s nejmodernější technologií.

Klíčem k tomu je výrobní proces, přesvědčeni jsou vědci z Fraunhoferova institutu pro výrobní technologie a automatizaci, IPA. Důležitým faktorem jsou mechanické procesy: umožňují výrobu a zpracování nanomateriálů a přesné výroby elektrod. Složitost hodnotového řetězce baterií začíná již při získávání surovin těžbou nebo chemickou extrakcí – ale skutečně složitý je proces při zpracování materiálů: musí být nejen vyráběny v konzistentně vysoké kvalitě („Battery Grade“), ale také ve velkém množství. A protože aktivní materiály baterií jsou toxické, musí být výrobní procesy hermeticky uzavřené (kontainment).

Výrobci míchadel, dispergátorů a reaktorů se této problematice věnují. Příkladem je další vývoj trubkových reaktorů pro práškovou syntézu: pulsující proud horkého plynu například v trubkovém reaktoru od Glatt Ingenieurtechnik vytváří turbulentní podmínky proudění a umožňuje přesně a reprodukovatelně nastavit velikost, povrch a strukturu částic. Nejen v reakční technice má však teplotní rozložení velký vliv na kvalitu produktu. Protože materiály anod a katod se často vyrábějí při vysokých teplotách, záleží také na vytápění, vedení proudění a izolaci výrobních strojů.

Dalším krokem ve výrobě baterií je nanášení vrstvy na nosné fólie, na které je aktivní materiál nanesen. Tato nanášecí hmota musí být zvlášť homogenní, protože odchylky ve velikosti částic nebo viskozitě vedou ke snížení výkonu. Nové míchací a dispergační stroje, například od firmy Ystral, mají za cíl přesně kontrolovat přívod energie a minimalizovat její spotřebu – což je důležitý optimalizační cíl vzhledem k velkým množstvím zpracovávaného materiálu.

Kontinuální procesy vyžadují novou strojní techniku

Stále atraktivnější jsou kontinuální procesy: na rozdíl od klasické dávkové výroby zvyšují produktivitu, protože odpadávají doby zastavení a čištění. Navíc umožňují lepší kontrolu výrobního procesu, lze je snadněji hermeticky uzavřít a dosahují vyšší kvality produktů. To je zvlášť důležité, pokud je produkt citlivý na kontaminaci nebo je třeba zabránit přítomnosti mikroorganismů. Kontinuální procesy jsou také jednodušší na škálování a vedou k vyšší energetické a nákladové efektivitě.

Aby bylo možné kontinuální procesy realizovat, je třeba mechanické procesy upravit nebo nově vyvinout: ať už mlýny, míchadla, sušičky nebo centrifugy – konstrukce kontinuálních strojů se řídí jinými zákonitostmi. Přechod na myšlenku „kontinuální“ již vede k novým konstrukcím. Příkladem jsou například poslední odstředivky od Flottweg, které byly vyvinuty pro kontinuální oddělování pevných částic od kapalin, například v biotechnologii. Na rozdíl od klasických centrifug je stroj vybaven relativně lehkým bubnem, což výrazně snižuje spotřebu pohonných energií.

Dalším příkladem jsou kontinuálně pracující extrudéry, které se používají při recyklaci plastů. Například dvojšroubové extrudéry od firmy Coperion při termické recyklaci polymethylmethakrylátu (PMMA) zajišťují vysoce efektivní přívod energie do taveniny plastu, což umožňuje rychlou a energeticky úspornou depolymerizaci.

Oběhová ekonomika: potenciál pro chemické a mechanické recyklace

Vývoj strojů poukazuje na rostoucí budoucí trh oběhové ekonomiky: výroba plastů na bázi chemické recyklace je jednou z perspektivních možností. Rozklad polymerů na jejich chemické složky je sice posledním krokem, ale z hlediska energetické bilance je mnohem výhodnější mechanická recyklace, která však dosud často naráží na problém, že odpadní plasty nejsou tříděny podle druhu. V budoucnu by měly pomoci digitální technologie. Umělá inteligence a strojové učení dokážou analyzovat data z kamer a senzorů na třídicích strojích a rozdělit plastový odpad – i za pomoci robotů – do různých frakcí.

Rostoucí míra recyklace je rovněž výzvou pro mechanické procesy: zařízení dosahují svých kapacitních limitů. Například mechanická míchadla jsou omezená velikostí konstrukce a s množstvím rostou i mechanické síly, což způsobuje v recyklaci PET směsí kvalitou kolísání. Mísicí sila, kde se odpadní materiál současně odebírá z různých výšek, je řešením od Zeppelin Systems, které umožňuje šetrné míchání velkých množství. Vyšší průtěry však vyžadují i jiné dopravní koncepty.

Už zde je jasné, že mechanické procesy se často i přes moderní metody návrhu, jako je numerická proudová mechanika (CFD), modelování nebo simulace, nedají plně naplánovat digitálně. Výrobci zařízení a strojů proto stále častěji investují do vlastních laboratoří a testovacích zařízení, aby našli nejlepší postup pro dané použití. Nová řešení vznikají ve spolupráci mezi dodavateli strojů a zařízení a jejich uživateli. To je obzvlášť důležité, protože – jak ukazuje příklad gigafabrik výroby baterií – stále více i nedokonalých procesů a technologií se dokáže škálovat na velký technický stupeň.

Udržitelná potravinářská produkce vyžaduje nové procesy

Rostoucí důraz na společný vývoj je také patrný v potravinářském průmyslu, který se také nachází v transformačním procesu. Šetrnost k zdrojům a udržitelnost jsou zde hlavními megatrendy, které pohánějí potřebu nových technologií. To je zřejmé například u trendu alternativ masa, rostlinných proteinů a náhrad mléka. Tyto produkty budou v příštích desetiletích stále důležitější, protože tradiční výroba živočišných proteinů se kvůli rostoucí světové populaci a měnícím se stravovacím návykům dostává na hranici svých možností. I zde hrají klíčovou roli mechanické procesy – od mletí a síření přes centrifugaci, filtraci a sušení až po texturaci náhražek masa pomocí extruderu. Inovace vznikají také díky interdisciplinární spolupráci mezi potravinářskými technologiemi, strojními inženýry a techniky procesního inženýrství.

Bez automatizace a digitalizace to nepůjde

Ačkoliv je zřejmé, že v budoucnu bude hrát umělá inteligence nebo strojové učení důležitou roli v průmyslu procesů, jsou to pouze projevy digitálních technologií, které mohou v mechanickém procesním inženýrství přinést užitek. Dva hlavní trendy jsou rostoucí míra automatizace a potřeba modulárních zařízení. Základní myšlenka: zařízení sestavená z jednotlivých základních procesních modulů umožní nejen zjednodušit inženýrství, ale i flexibilně rozšiřovat kapacity. Analýza dat z procesů a senzorů umožňuje také průběžné optimalizace.

Protože propojení (orchestrace) takových modulů při klasickém přístupu k procesní automatizaci vyžaduje vysoké náklady na inženýrství a programování, je třeba změna paradigmat. Ta se právě nyní odehrává s modulární automatizací. Cílem je, aby základní procesní operace a moduly bylo možné v budoucnu snadno a bez velkého programování kombinovat. Protože moduly již obsahují řídicí logiku ve formě balíčku typu Module Type Package (MTP) a mají standardizované rozhraní, mohou být funkce modulu využívány centrálním řídicím systémem jako služba – a to bez dodatečných nákladů na programování řízení v řídicím systému. To představuje výzvu pro výrobce strojů a zařízení v mechanickém procesním inženýrství – musí se nyní intenzivně zabývat otázkami digitalizace, automatizace a řídicí techniky. Ovšem stále více provozovatelů zařízení a výrobců strojů je přesvědčeno o výhodách – protože důsledná modularizace se vyplatí vzhledem k nedostatku kvalifikovaných pracovníků. Někteří dodavatelé, například výrobce zařízení GEA, již tuto výzvu přijali a nabízejí nové balíčkové jednotky s MTP.

Závěr: Ať už jde o techniku baterií, oběhovou ekonomiku nebo udržitelnou výživu – technické výzvy jsou obrovské. Mechanické procesy v kombinaci s digitálními technologiemi hrají klíčovou roli a jsou hlavním klíčem k udržitelnosti. Vzrušující otázky, smysluplné úkoly a aktivní tvorba udržitelné budoucnosti – mechanické procesní inženýrství nemá nedostatek cool faktoru.