Upscaling - pilottilaitoksesta tuotantoon

Kemiallisten prosessien siirtäminen laboratoriomitasta kilogrammamittaan ja edelleen tuotantomittaan voi olla suuri haaste. Mittakaavan kasvatus koekäyttöineen muuttuu nopeasti aika- ja kustannustekijäksi, puhumattakaan tarvittaviin laitteistoihin vaadittavista investoinneista. Lisäksi niin sanottu Skaalaus ylöspäin sellaisesta ammatillisesta asiantuntemuksesta, jota ei todellakaan ole jokaisessa yrityksessä. Meillä DMG Chemillä Leipzigissä on käytössämme kaikki se, mikä on tarpeen onnistuneen skaalansiirto Vaatimuksena ovat nykyaikainen, erinomaisesti varusteltu laboratorio sekä pitkäaikainen kokemus prosessi- ja materiaalikokeista.

Mitä upscaling tarkoittaa?

Skaalaus tai scale-up on englannin kielestä (to scale up = suurentaa, laajentaa) omaksuttu käsite, jota käytetään kemiallisessa prosessitekniikassa harjoitetusta Tuotantoprosessien skaalaus seisoo. Tavoitteena on sellaisen teknisen tuotantolaitoksen rakentaminen, jolla voidaan lopulta valmistaa samoja tuotteita kuin alkutuotannossakin, mutta huomattavasti suuremmissa erissä. Oikea saksankielinen käännös on „Maßstabsübertragung“. Nykyään tämä nimitys on kuitenkin lähes kokonaan korvattu englanninkielisellä termillä.

Miksi systemaattinen ylöspäin skaalaus on kemiassa korvaamatonta?

Kemian tuote- ja prosessikehitystä tapahtuu usein vielä laboratoriomitassa eli koeputkessa tai dekantterilasissa. Tästä saatuja havaintoja ei kuitenkaan voida sellaisenaan siirtää tuotantoon. Sen sijaan tämä edellyttää sopivien teknologioiden löytämistä sekä skaalauslaskelmien ja toteutettavuustutkimusten suorittamista.

Kriittisiä parametreja kemiallisissa reaktioissa ovat esimerkiksi:

Ainepitoisuudet,
Lämpötila,
lämmitys- ja jäähdytysajat,
Homogenisointiajat,
ilman poistaminen ja
lisäaineiden sekoittaminen.

Nämä vaikuttavat tekijät voivat vaikuttaa pienessä mittakaavassa aivan eri tavalla kuin suuressa. Esimerkiksi reaktiolämpö, erityisesti endotermisissä tai eksotermisissä prosesseissa, asettaa mittakaavan suurentamisessa mitä erilaisimpia vaatimuksia laitteistolle, ja pumppujen säätökäyttäytyminen voi muuttua vuorovaikutuksessa oheislaitteiden kanssa. Lämmitys- ja jäähdytysajat puolestaan määritetään alkuvaiheen tuotannossa usein vain hyvin epätarkasti. Jos tätä ei oteta huomioon skaalauksessa (scale-up), myöhemmälle kemialliselle tuotannolle saattaa olla ominaista lämmitys- tai jäähdytysaikojen venyminen, mikä johtaa koko tuotantoajan räjähdysmäiseen kasvuun.

Lisäksi on otettava huomioon, että tavanomaisen laboratoriotekniikan, kuten sauvasekoittimen tai lapasekoittimen, käyttö ei anna mahdollisuuksia tehdä johtopäätöksiä myöhemmän tuotantoprosessin vaatimista homogenointiajoista. Siksi tuotteiden laatu saattaa poiketa merkittävästi kehityksen ja tuotannon välillä. Tiettyjen tuoteominaisuuksien, kuten rakenteen tai viskositeetin, saavuttamiseksi monissa prosesseissa käytetään sakeuttamisaineita, joiden irtotiheys on alhainen. Nämä aiheuttavat kehittäjille usein ongelmia jo laboratoriossa, koska niistä syntyy usein runsaasti pölyä tai ne paakkuuntuvat. Tästä voi suuremman mittakaavan tuotannossa aiheutua laadullisten ja turvallisuuteen liittyvien haittojen lisäksi myös äärimmäisen pitkiä sekoitusaikoja.

Vain kattavien prosessimuutosten kautta osana systemaattisten scale-up-yritysten varmistetaan, että mittakaavan siirto sujuu ongelmattomasti ja että tuotantomittakaavassa saavutetaan lopulta samat tulokset kuin aiemmin laboratoriossa tai pilottituotannossa. Siten skaalaus kuuluu kemiantekniikan tärkeimpiin insinööritehtäviin.

Miten skaalaus eli ylöspäinskaalaus toimii kemiassa?

Skaalausvaiheen aikana kaikkia teknisiä parametreja säädetään ja optimoidaan toistuvasti, kunnes lopulta kaikki on kohdallaan. Tätä varten määritetään aluksi mallikokeessa mittakaavassa pienennetyssä laboratoriolaitteistossa niin sanotut dimensiottomat avainluvut, kuten Reynoldsin luku, Frouden luku tai Eulerin luku, joissa geometriset mitat eivät vaikuta tulokseen. Näiden avainlukujen avulla voidaan toteuttaa mittakaavaltaan suurempia pilottituotantolaitteistoja, jotka mahdollistavat todellisuutta vastaavan prototyyppituotannon ja osittain jo pienerien ensituotannon.

Tärkeitä kysymyksiä, joita yrityksille nousee esiin kasvuvaiheessa, ovat:

Mitä tavoitteita mittakaavan suurentamisella on?
Mitkä ovat laajennettavan prosessin tärkeät näkökohdat?
Mitkä ovat valvontamekanismit?
Kuinka suuri tästä kaikesta pitäisi tulla?
Mitkä virtaustilat esiintyvät?
Millaisia välineitä prosessiin tarvitaan?

Yritysten skaalaus – tätä voimme tehdä puolestasi

Oletteko kehittäneet laboratoriossa lupaavan prosessin, jota haluatte testata suuremmassa mitassa? Vai suunnitteletteko tuotannon laajennusta, johon nykyiset laitteistonne ovat liian pieniä? Silloin voitte hyötyä skaalausosaamisestamme (upscaling-osaamisestamme). Olittepa sitten tuotantoyritys tai prototyyppienvalmistaja: tuemme teitä asiantuntemuksellamme Tuotekapasiteetin suunnittelu ja skaalansiirto pienoiskoosta aina tonnimittakaavaan asti.
Tuemme teitä asiantuntevasti ja pätevästi – tohtoritason luonnontieteilijöiden voimin ja omassa tutkimuslaboratoriossamme – kaikissa kemian alan prosessin skaalauksessa (upscaling) tarvittavissa prosessimuutoksissa ja -optimoinneissa, erityisesti olemassa olevien reseptureidenne mukauttamisessa. Tunnettujen prosessiparametrien, määriteltyjen tuotespesifikaatioiden ja sovittujen prosessivaiheiden avulla olemme tukenanne skaalauksessa ja säästämme näin aikaa ja kustannuksia.

DMG Chemie GmbH – Luotettava skaalauskumppanisi järjestelmälliseen kemialliseen mittakaavan kasvatukseen

Skaalaus eli tuotannon laajentaminen on kemiassa kriittinen vaihe matkalla laboratorio- tai pientaotannosta kypsään sarjatuotantoon. Siirtyminen pienestä suureen on valtava haaste, joka vaatii laajaa asiantuntemusta aloilta kuten tuotantokapasiteetin suunnittelu, tekninen kemia, prosessitekniikka ja kemiallinen reaktiotekniikka. Samalla asetetaan korkeat vaatimukset käyttöturvallisuudelle, taloudellisuudelle, ympäristönsuojelulle sekä resurssitehokkaalle ja kestävälle tuotannolle.

Laajan käytännön kokemuksemme ansiosta meillä on osaaminen ja tietotaito auttaa teitä tässä tärkeässä hankkeessa. Leipzigissa sijaitseva yrityksemme voi myös auttaa teitä, jos tuotantokapasiteetin suunnittelussa ilmenee, että olemassa olevat tuotantolaitokset ovat liian pienet tuleviin tarpeisiin ja niitä on laajennettava. Emme jätä siinä mitään sattuman varaan.

Tarvittaessa nähdään sopimustutkimuksena tai tarkastamme olemassa olevat reseptit tarkasti. Tarvittaessa kehitämme erilaisia ratkaisuvaihtoehtoja prototypeineen, testaamme niitä yhdessä kanssanne ja optimoimme kokonaisuutta niin kauan, että olette tyytyväisiä.

Työssämme pidämme erittäin tärkeänä Vaitiolovelvollisuus ja luottamus. Aluksi on maksuton alkukeskustelu, jossa hahmotellaan suunnitellun projektin karkea laajuus ja selvitetään tärkeimmät kysymykset. Seuraavassa vaiheessa laaditaan aiesopimus ja vaitiolovelvollisuusilmoitus. Vasta sen jälkeen siirrytään sopimuksen laatimiseen.

Kerromme teille mielellämme henkilökohtaisessa keskustelussa kattavista mahdollisuuksistamme Skaalaus kemiassa. Ota meihin yhteyttä vielä tänään sopiaksesi ajan ja hyödynnä asiantuntemuksemme.