Cómo los megatrends globales están cambiando y haciendo más genial la ingeniería de procesos mecánicos

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¿Qué tienen en común los temas de tendencia economía circular, producción de baterías y proteínas vegetales? Desafían la creatividad de los ingenieros de procesos y siguen las megatendencias globales de escasez de recursos, movilidad, alimentación y protección climática. Mientras que en la última década el enfoque estuvo en nuevos procesos químicos y tecnologías digitales, ahora llega el momento de la ingeniería de procesos mecánicos.

La electrificación de la economía y la movilidad pertenece al futuro. Y las tecnologías de almacenamiento jugarán un papel decisivo en ello. Sin embargo, cuando se pregunta a los expertos dónde se espera el mayor potencial de innovación en la tecnología de baterías, la mayoría se sorprende con la respuesta: No en la química ni en nuevos materiales, sino en la tecnología de producción. Mientras que, por ejemplo, en las baterías de iones de litio en el lado de los materiales ya se vislumbra un óptimo tecnológico, la producción de celdas y baterías aún no está madura. La densidad energética, la duración y la capacidad de rendimiento de las celdas de batería dependen en gran medida de la precisión en el tamaño de las partículas y la forma, especialmente a bajas temperaturas. Y aunque China actualmente es líder indiscutido en la producción de baterías para autos eléctricos, esto podría cambiar en los próximos años si nuevos actores en EE. UU. y Europa construyen en gran cantidad nuevas fábricas de baterías con tecnología de última generación.

La clave está en el proceso de producción, están convencidos los investigadores del Instituto Fraunhofer para Tecnología de Producción y Automatización, IPA. Un factor importante son los procesos mecánicos: permiten la producción y procesamiento de nanomateriales y la fabricación exacta de electrodos. La complejidad de la cadena de valor de la batería comienza ya en la obtención de las materias primas mediante minería o extracción química, pero el proceso se vuelve realmente complicado en el procesamiento de los materiales: no solo deben fabricarse con calidad constante ("grado batería"), sino también en grandes cantidades. Y dado que los materiales activos de las baterías son tóxicos, los procesos de producción deben ser herméticamente cerrados (contención).

Fabricantes de mezcladores, dispersores y reactores han abordado el tema. Un ejemplo es el desarrollo de reactores de tubo para la síntesis de polvo: un flujo pulsante de gas caliente, por ejemplo, en el reactor de tubo de Glatt Ingenieurtechnik, genera condiciones turbulentas en el flujo y permite ajustar con precisión y reproducibilidad el tamaño, la superficie y la estructura de las partículas. Pero no solo en la técnica de reacción la distribución de temperatura tiene un gran impacto en la calidad del producto. Debido a que los materiales de ánodo y cátodo a menudo se producen en procesos a altas temperaturas, también importa la calefacción, conducción de flujo y aislamiento de las máquinas de producción.

Otro paso en la fabricación de baterías es el recubrimiento de las láminas portadoras, sobre las que se aplica el material activo. La pasta de recubrimiento debe ser especialmente homogénea, ya que las desviaciones en el tamaño de las partículas o viscosidad conducen a pérdidas de rendimiento. Nuevas máquinas de mezcla y dispersión, como las de Ystral, buscan controlar exactamente la entrada de energía y minimizar el consumo energético, un objetivo importante considerando las grandes cantidades a procesar.

Procesos continuos requieren nueva tecnología de máquinas

Los procesos continuos se vuelven cada vez más interesantes: en contraste con la producción por lotes clásica, los procesos continuos aumentan la productividad al eliminar tiempos de inactividad y limpieza. Además, permiten un mejor control del proceso de producción, pueden diseñarse de forma hermética más sencilla y logran una mayor calidad del producto. Esto es especialmente importante cuando el producto es sensible a contaminantes o se deben evitar cargas microbianas. Además, los procesos continuos son más fáciles de escalar y conducen a una mayor eficiencia energética y de costos.

Pero para lograr procesos continuos, los procesos mecánicos deben adaptarse o desarrollarse de nuevo: ya sean molinos, mezcladores, secadores o centrífugas, el diseño de las máquinas para procesos continuos sigue leyes diferentes. Este cambio de paradigma, con el objetivo de "continuo", ya conduce a nuevas construcciones. Un ejemplo son los separadores de polvo desarrollados recientemente por Flottweg, que se utilizan para la separación continua de sólidos en líquidos, por ejemplo, en biotecnología. A diferencia de las centrifugadoras clásicas, la máquina utiliza un tambor relativamente ligero y requiere mucho menos energía de accionamiento.

Otro ejemplo son los extrusores que trabajan en continuo y se usan en el reciclaje de plásticos. Por ejemplo, los extrusores de doble tornillo de Coperion proporcionan una entrada de energía altamente eficiente en la fusión del plástico polimetilmetacrilato (PMMA), logrando una depolimerización rápida y eficiente en energía.

Economía circular: potenciales para reciclaje químico y mecánico

El desarrollo de máquinas ilumina el creciente mercado futuro de la economía circular: la producción de plásticos basada en reciclaje químico es una opción prometedora. Sin embargo, la descomposición de los polímeros en sus componentes químicos es solo el último paso. Desde una perspectiva de balance energético, el reciclaje mecánico es mucho más conveniente, aunque hasta ahora a menudo fracasa porque los residuos plásticos generalmente no están clasificados por tipo. Aquí, las tecnologías digitales futuras ayudarán. La inteligencia artificial y el aprendizaje automático podrán analizar los datos de cámaras y sensores en las máquinas de clasificación y separar los residuos plásticos en diferentes fracciones, incluso con ayuda de robots.

El aumento de las tasas de reciclaje también representa un desafío para los procesos mecánicos: las instalaciones alcanzan sus límites de capacidad. Por ejemplo, los mezcladores mecánicos tienen limitaciones en sus tamaños y, a medida que aumentan las cantidades, también aumentan las fuerzas mecánicas. En el reciclaje de PET, esto puede causar variaciones en la calidad al mezclar escamas de PET. Los silos de mezcla, donde el material se descarga desde diferentes alturas, son una solución de Zeppelin Systems, que permite mezclar grandes cantidades con cuidado. Los caudales mucho mayores también requieren conceptos de transporte diferentes.

Aquí se hace evidente que los procesos mecánicos, a pesar de las modernas metodologías de diseño como la dinámica de fluidos computacional (CFD), modelado o simulaciones, no pueden planificarse completamente en un entorno digital. Los fabricantes de equipos e instalaciones invierten cada vez más en laboratorios y plantas de prueba propias para encontrar el mejor proceso para cada aplicación de residuos. Las nuevas soluciones surgen en colaboración estrecha entre proveedores de máquinas y usuarios. Esto es aún más importante porque, como muestra el ejemplo de las gigafábricas de baterías, procesos y procedimientos que antes no estaban maduros ahora se escalan a gran escala en instalaciones de "tipo único".

Alimentos sostenibles requieren nuevos procesos

Que los esfuerzos conjuntos de desarrollo sean cada vez más importantes también se aplica a la industria alimentaria, que también está en un proceso de transformación. La conservación de recursos y la sostenibilidad son las megatendencias que impulsan la necesidad de nuevos procesos. Esto se evidencia, por ejemplo, en la tendencia hacia alternativas a la carne, proteínas vegetales y productos lácteos sustitutos. En las próximas décadas, estos serán aún más importantes, ya que la producción clásica de proteínas animales llegará a sus límites frente a una población mundial en crecimiento y cambios en los hábitos alimenticios. Aquí también, los procesos mecánicos juegan un papel central, desde moler y tamizar, pasando por centrifugación, filtración y secado, hasta la texturización de sustitutos de carne mediante extrusores. La innovación también surge aquí de la colaboración interdisciplinaria entre tecnólogos de alimentos, ingenieros mecánicos y técnicos en procesos.

Sin automatización y digitalización no es posible

Aunque parece indiscutible que la inteligencia artificial o el aprendizaje automático jugarán un papel importante en la industria de procesos en el futuro, son solo una manifestación de las tecnologías digitales que podrán beneficiar a la ingeniería de procesos mecánicos. Dos tendencias principales son el aumento del grado de automatización y la necesidad de instalaciones modulares. La idea básica: instalaciones construidas a partir de unidades básicas o módulos de ingeniería de procesos permiten no solo simplificar la ingeniería, sino también ampliar la capacidad de forma flexible. La evaluación de datos de proceso y sensores permite además optimizar continuamente los procesos.

Debido a que la integración (orquestación) de estos módulos en el enfoque clásico de automatización de procesos requiere mucho trabajo de ingeniería y programación, es necesario un cambio de paradigma. Actualmente, esto se realiza con la automatización modular. El objetivo: que las operaciones básicas y los módulos de ingeniería de procesos puedan combinarse fácilmente y sin mucho esfuerzo de programación. Como los módulos ya llevan su lógica de control en forma de un paquete de tipo de módulo (MTP) y disponen de una interfaz estandarizada, sus funciones pueden ser utilizadas por el sistema de control central como un servicio, sin esfuerzo adicional en la programación del sistema de control. Para los fabricantes de máquinas y equipos de ingeniería de procesos mecánicos, esto representa un desafío: deben enfrentarse en el futuro a cuestiones de digitalización, automatización y control. Pero cada vez más operadores y fabricantes de máquinas están convencidos del beneficio, ya que la modularización coherente compensa la escasez de mano de obra especializada. Algunos proveedores, como el fabricante de plantas GEA, ya abordan este desafío y ofrecen nuevas unidades empaquetadas con MTP.

Resumen: ya sea en tecnología de baterías, economía circular o alimentación sostenible, los desafíos técnicos son enormes. Los procesos mecánicos combinados con tecnologías digitales juegan un papel decisivo y son una clave central para la sostenibilidad. Preguntas interesantes, tareas con sentido y la participación activa en la construcción de un futuro sostenible: la ingeniería de procesos mecánicos no carece de factores de "coolness".