Kemisk processteknik och livsmedelsteknik

Transkript

1 Kemisk processteknik och livsmedelsteknik Sammanfattande bedömning Kemisk processteknik utgör den teknologiska basen för processindustrin i vid bemärkelse innefattande branscher som kemi, bioteknik, läkemedel, livsmedel, massa och papper samt mineralanrikning. Det kan betonas att av Sveriges nettoexport kommer mer än hälften från denna industri. Sveriges ställning inom processteknisk forskning, i ett internationellt perspektiv, är medelstark till stark. Till de starkare områdena hör transportprocesser/modellering, kristallisation, torkning, membranprocesser, tillämpad elektrokemi, och katalys. Kemiteknisk forskning i Sverige är koncentrerad till relativt få forskargrupper och viktiga aktörer kommer under den kommande tioårsperioden att pensioneras. Antalet unga forskare i kemiteknik är litet. För närvarande satsas stora resurser på att lösa specifika problem i processutvecklingen trots att den generella teoretiska grunden kan vara mycket svag. Det finns behov av teknikvetenskaplig grundforskning för att ta fram grundläggande förståelse och generella verktyg som behövs för att utveckla nya komplexa processer. I de senaste utlysningarna från statliga forskningsfinansiärer finns ingen satsning på kemisk processteknik. En kraftsamling inom vissa utvalda områden är önskvärd. Livsmedelsteknik är ett delområde inom kemitekniken och livsmedelsteknisk forskning har en lång tradition i Sverige och en erkänd position internationellt. Forskningen i Sverige innefattar värmebehandlings- och torkprocesser baserade på traditionella och nya tekniker, strömningsrelaterade fenomen i processutrustning, blandningsprocesser, separation och emulgeringsprocesser. För att framställa livsmedelsprodukter i framtiden krävs en förståelse för samspelet mellan råvaran, processen och produkten. Ämnesbeskrivning Kemisk processteknik behandlar teknikutveckling som rör utveckling och utformning av processer och produkter för processindustrin i vid bemärkelse. Transportprocesser utgör tillsammans med termodynamik och kemisk kinetik grunderna för kemisk processteknik. På senare år har en kraftfull utveckling av modeller, beräkningsmetoder/kapacitet och experimentella tekniker gjort det möjligt att i detalj karakterisera och dimensionera kemiteknisk utrustning. Vi börjar se möjligheten att angripa centrala problemställningar inom kemitekniken, som utformning, optimering och uppskalning av utrustning/processer, genom beräkningar utan att göra kostsamma pilotförsök. Utmärkande för kemisk processteknik är kopplingen mellan kemisk reaktion, strömning, mass- och värmetransport. Kemitekniska processer är ofta flerfasprocesser med samtidig reaktion och transport över fasgränsytor. Viktiga tillämpningar utgörs av reaktions-, separations- och blandningsprocesser. Kemisk processteknik är branschöverskridande och utgör en teknologisk bas för processindustrin i vid bemärkelse inkluderande kemi, läkemedel,

2 livsmedel, bioteknik, massa och papper, samt mineral. Mer än hälften av Sveriges nettoexport kommer från denna industri. Kemiteknisk forskning är också central för att skapa ett bärkraftigt samhälle och är ofta nära knuten till miljö- och energirelaterad forskning. Livsmedelsteknik är ett delområde inom kemitekniken. Livsmedelsteknisk forskning i Sverige innefattar värmebehandlings- och torkprocesser baserade på traditionella och nya tekniker, strömningsrelaterade fenomen i processutrustning, blandningsprocesser, separation och emulgeringsprocesser. Styrkor, svagheter och ämnesmässiga trender Svensk forskning i kemisk processteknik innefattar ett brett spektrum av aktiviteter där kemiteknikerns kompetens i transportprocesser, termodynamik, kemisk kinetik och matematisk modellering utgör en utmärkt grund. Projekten är ofta branschöverskridande och med denna verktygslåda kan kemiteknikern angripa problem även utanför traditionell kemisk processteknik. Sveriges ställning inom kemiteknisk forskning, i ett internationellt perspektiv, är medelstark till stark. Till de starkare områdena hör transportprocesser/modellering, kristallisation, torkning, membranprocesser, tillämpad elektrokemi, och katalys. Antalet unga forskare i kemiteknik är alldeles för litet med tanke på det stora antalet pensionsavgångar under kommande tioårsperiod. Internationellt är forskningsområdet i gränsen mellan kemisk processteknik och fluidmekanik på stark frammarsch. Problem som nu angrips teoretiskt och experimentellt innefattar flerfasströmning, icke-newtonsk reologi, och kopplade processer. Flera av de större kemitekniska forskningscentra i Europa har omfattande forskning inom området. Inom några forskargrupper i Sverige finns en lång tradition av modellering med bland annat Computational Fluid Mechanics (CFD) och utnyttjande av avancerade mätmetoder som PIV, PLIF, LDA och UVP. Exempel utgörs av reaktorer (processintensifiering), partikulära system med torkning, dragering och agglomerering, flerfas blandningsoperationer, och strömning av massafibersuspensioner. Matematisk modellering är fortsatt centralt inom kemisk process- och livsmedelsteknik. En trend är att kemitekniker i allt större utsträckning använder modellverktyg för beräkning av molekylära egenskaper, och därmed behandlar kemitekniken idag skalor från den molekylära till systemnivån. Karakteristiskt för den processtekniska forskningen är att utnyttja modeller på olika skalor i samspel. Detta görs till exempel för utformning av reaktorer, granulering, dragering och strömning av massafibersuspensioner. Populationsbalanser används i allt större omfattning för att beskriva utvecklingen av system med partiklar, bubblor och droppar. Dessa kopplas till CFD-beräkningar för att ta fram så kallade kernels i populationsbalanserna. Tillämpningar utgörs av granulering, kristallisation och flockning. Ett nytt spännande verktyg som vinner terräng utgörs av Lattice-Boltzmann-metoder, bland annat för simulering av transportprocesser i komplexa strukturer. Statistiska metoder för bildanalys, signalbehandling och multivariat analys används i ökad utsträckning. Ett område med stark utveckling är att förstå kopplingen mellan process och produktkvalitet. Utvecklingen går mer och mer till produktion av nya material med högt förädlingsvärde och

3 funktionalitet. Typiska exempel utgörs av farmaceutiska och biobaserade produkter samt livsmedel. Struktur och kvalitet hos dessa material är i högsta grad beroende, och kan styras, av processen för deras framställning. I Sverige pågår ett antal aktiviteter som med stor sannolikhet kommer att växa framöver. För livsmedel, bedrivs till exempel forskning om bättre förståelse av produktstrukturens betydelse för funktionalitet, samt tekniker för att forma och skräddarsy de önskade strukturerna. Forskningen inom kemisk processteknik är central för att skapa ett bärkraftigt samhälle och är ofta nära knuten till miljö- och energirelaterad forskning. Detta kräver ett nära samarbete med andra discipliner. Utvecklingen under senare år med klimatförändringar och ökad internationell konkurrens utgör nya utmaningar, men också möjligheter, för processindustrin. Nya förnyelsebara råvaror, flexibel produktion och fokus på kvalitetsaspekter kräver utveckling av nya och mer effektiva/optimala processer. Det finns ett omedelbart behov av produktionstekniker för förnyelsebara drivmedel och CO 2 -avskiljning. Processanalytisk teknologi (PAT) är ett forskningsfält som innefattar nya mättekniker för utformning, analys och styrning av processer on-line. Mätning i real-tid kan reducera produktionstider, säkerställa produktkvalitet och möjliggöra flexibel produktion. Ett speciellt problem vid användning av förnyelsebara råvaror är variationer i råvarans sammansättning. Kombinationen/integrationen traditionell kemiteknik med avancerade nya analytiska och beröringsfria metoder är ett forskningsområde som har framtiden för sig. Industrins behov av denna ämnesövergripande kompetens är numera väl dokumenterad vilket tyvärr inte motsvaras av satsningar på universiteten. Nya processer ställer ofta höga krav på styrning, reglering och övervakning. Dessa krav ställer i sin tur krav på utformningen av processen, i de mest uppenbara fallen val och placering av aktuatorer och givare. Centrala begrepp är styrbarhet och observerbarhet som är definierade för en modell utan fel. I synnerhet när det gäller nya processer, är det dock snarare regel än undantag att modeller bara ger en grov uppskattning av processens dynamiska beteende. Generella mått bör utvecklas för styrbarhet och observerbarhet hos ett system med givna modellosäkerheter kring en driftspunkt. Krav på flexibilitet och snabba förändringar av driftspunkter skapar ytterligare dimensioner. Livsmedelstillverkningen förändras från ett "push-system" som drivs av producentens förmåga att generera varor, till ett "pull-system" som drivs av konsumenternas behov av mer hälsosamma, goda och bekväma produkter. Etiska frågor såsom ekologisk produktion, och miljöfrågor, såsom minskning av avfall och energi, blir allt viktigare. För att framställa livsmedelsprodukter i framtiden krävs att förstå samspelet mellan råvaran, processen och produkten. Det innebär att man måste förstå och kontrollera de fundamentala mekanismerna för värme-, masstransport och flöden i livsmedelsprocessen. Detta, kombinerat med kvantifiering av kinetiken för kemiska, fysikaliska och mikrobiologiska förändringar, vilka processen åstadkommer i produkten, kan användas för att utforma en tillverkningsprocess vilken ger en produkt med önskade egenskaper. Svensk livsmedelsteknisk forskning är framgångsrik då det gäller att attrahera forskningsmedel från EU. Livsmedelsforskning är ett

4 prioriterat område i Europa och svenska forskare är innovativa och kan bidra med forskning som har stark vetenskaplig grund. Hot och möjligheter Utvecklingen under senare år, med klimatförändringar och ökad internationell konkurrens, innebär både hot och möjligheter för processindustrin. Nya förnyelsebara råvaror, ökad flexibilitet i produktionen och fokus på kvalitet och hållbarhet innebär att många nya processer måste utvecklas. Kostnaden för investering i nya processer inom processindustrin uppgår ofta till flera miljarder. Det innebär stort risktagande och traditionellt försöker man minska riskerna genom att satsa på etablerad teknik och/eller att utveckla de nya processerna i flera steg från laboratorieskala via pilotskala till fullstor anläggning. Detta är en både dyr och långsam process då en pilotanläggning kan kosta 100-tals miljoner och ta år att färdigställa. Trots satsningen på etablerad teknik har projekt ofta lagts ned på grund av tekniska problem, eller att man inte varit tillräckligt snabb med att få fram en process så att flera konkurrenter hunnit före in på marknaden. I stället för att varje företag utvecklar dyrbara processer baserat på företagens tidigare erfarenheter med svag teoretisk grund bör man satsa på processteknisk grundforskning och ta fram den grundläggande förståelse och de generella verktyg som behövs för att utveckla nya komplexa processer. Kemisk processteknisk forskning i Sverige är koncentrerad till relativt få forskargrupper och viktiga aktörer kommer under den kommande tioårsperioden att pensioneras. Antalet unga forskare i kemiteknik är litet. Därför borde en satsning på området göras för att behålla en stark och innovativ processindustri i Sverige. Samspel med forskare inom kemiteknik kan stärka livsmedelsområdet ytterligare. Det saknas större statliga satsningar på kemisk processteknik. I de senaste utlysningarna från statliga forskningsfinansiärer görs t.o.m. avgränsningar som utesluter processteknik. Behovet av processteknisk forskning ökar nu kraftigt på grund av kravet på processindustrin att minska energiförbrukningen och ställa om produktionen mot mer förnyelsebara råvaror. Sverige har redan idag fördelen av att ha en stark processindustri baserad på förnyelsebara råvaror. Både den skogsbaserade industrin och livsmedelsindustrin är stark. Även den mekaniska industrin som bygger utrustning för processindustrin är trots en nedgång sedan 1990-talet fortfarande stark och företag som Tetra Pak, Alfa Laval och Metso är världsledande inom sina segment. Forskningen inom kemisk processteknik, papper/massa och livsmedelsteknik är basen för deras framtida utveckling. Forskningsinfrastruktur Forskningen inom kemisk process- och livsmedelsteknik utnyttjar idag i ringa utsträckning större forskningsanläggningar. Däremot finns först och främst ett uttalat behov av basutrustning, framförallt för flödes- och materialkarakterisering och analys, i kostnadsintervallet 0,5 till 10 miljoner kronor. Det saknas tyvärr också medel för drift och underhåll av sådan utrustning. Utvecklingen i kemisk process- och livsmedelsteknik går mot detaljerade experimentella undersökningar i mindre skala för att erhålla en mekanistisk förståelse som används i

5 matematisk modellering för dimensionering, uppskalning och drift. Detta medför dock inte att behovet av experiment i större skala (pilot) helt undanröjs. I dagsläget görs sådana experiment i huvudsak i samarbete med, och hos, olika industrier. Detta är naturligtvis inte alltid en optimal situation beträffande tillgänglighet och instrumentering. Hela det kemitekniska området, inkluderande kemisk process-, livsmedels-, cellulosa-, pappers- och fiberteknik, har alla liknande behov av en större nationell satsning på infrastruktur med centra för materialkarakterisering, transportprocesser och uppskalning: Tomograficenter med möjligheter att undersöka såväl struktur hos material som att studera hur strukturen/sammansättningen hos ett material ändras under ett processförlopp. Avancerat transportprocesscenter med möjlighet att studera transportförlopp under olika processförhållanden. Processcenter med fokus på uppskalning.