Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Δημήτρης Χατζηαβραμίδης, PhD, FAIChE Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Η ανάγκη για Σχεδιασμό Χημικών Προϊόντων Η Χημική Βιομηχανία παρουσιάζει συνεχή μετατόπιση στην παραγωγή από βασικά χημικά (commodities) σε χημικά προϊόντα Διάφορες διακρίσεις ανάλογα με το είδος της αγοράς, π.χ., καταναλωτικά, αποδοτικά, προστιθέμενης-αξίας (consumer, performance, value-added products), της δράσης, π.χ., συνθετικά μόρια και μεγαλομόρια (ΑΡΙ, πολυμερή), λειτουργικά (λιπαντικά), δομημένα (structured – μεμβράνες), μορφοποιημένα (formulated-δισκία φαρμάκου), ή της βιομηχανίας, π.χ., αγροχημικά (λιπάσματα), φαρμακευτικά, καλλυντικά και προσωπική υγιεινή, δομικά (τσιμέντο), συσκευές (αισθητήρες) Για βιομηχανικά ή βασικά χημικά όπου το κόστος είναι κύριο μέλημα, η ερώτηση που πρέπει να απαντηθεί είναι: «Πως θα το παράγουμε;» Σχεδιασμός Διεργασιών (Process Design) Για χημικά προϊόντα όπου η λειτουργικότητα είναι κύριο μέλημα, η ερώτηση «Τι θα παράγουμε;» Σχεδιασμός Προϊόντων (Product Design) προηγείται της ερώτησης του «πώς θα το παράγουμε» 6/10/2017

Η ανάγκη για Σχεδιασμό Χημικών Προϊόντων Η εξέλιξη της ΧΒ καθορίζει την αγορά εργασίας και την εκπαίδευση του Χημικού Μηχανικού 1975 2005 6/10/2017

. . . . . Η ανάγκη για Σχεδιασμό Χημικών Προϊόντων Ο πυρήνας της ΧΜ προσαρμόζεται στις καινούργιες αγορές εργασίας Πρίν το 1925 Βιομηχανική Χημεία (Industrial Chemistry) 1925 – 1950 Βασικές Διεργασίες (Unit Operations) 1950 – 1975 Επιστήμη Χημ. Μηχανικής (Transport Phenomena) Μετά το 1975 Μηχανική Χημ. Συστημάτων (Chem. Systems Eng.) Σύστημα = Προϊόν + Διεργασία Λιπάσματα Τρόφιμα Υλικά Επικάλυψης Πλαστικά Καύσιμα Ηλεκτρονικά Φαρμακευτικά Απορρυπαντικά Διατροφή Υγεία Μεταφορές Επικοινωνία, Διασκέδαση Ένδυση Οικιακά Χημικές Διεργασίες . . . . . 6/10/2017

Η ανάγκη για Σχεδιασμό Χημικών Προϊόντων Εκπαίδευση ΧΜ επικεντρώνεται στις βιομηχανικές διεργασίες με σκοπό να γίνεται παραγωγή με υψηλή αποδοτικότητα, χαμηλό κόστος, και μέριμνα για το περιβάλλον και τη ζωή Βελτιωμένα και εντελώς νέα προϊόντα χρειάζονται για να βελτιώνουν τη ζωή των ανθρώπων κα να ανανεώνουν την επιχείρηση. Στο παρελθόν η ΧΜ είχε επιτυχίες με χημικά προϊόντα όπως ζελατίνη, νάϋλον, πενικιλλίνη, συνθετικό λάστιχο, Teflon, Kevlar Βελτιωμένα προϊόντα και νέα προϊόντα χρειάζονται σχεδιασμό Καινοτομία : νέο προϊόν, νέα διεργασία, νέα ιδέα 6/10/2017

Καινοτομίες γεννιούνται είτε από τυχαία (random), π.χ., πενικιλλίνη, “Αναγκαιότητα είναι η μητέρα της εφεύρεσης»(Necessity is the mother of invention) και της καινοτομίας Καινοτομίες γεννιούνται είτε σαν απόκριση στην αγορά (market-pull), π.χ., τετρα-αιθυλιούχος μόλυβδος στη βενζίνη, είτε σε αναζήτηση νέων αγορών (technology-push), π.χ., αυτοκόλλητο χαρτάκι (slip sticker) Καινοτομίες γεννιούνται είτε από τυχαία (random), π.χ., πενικιλλίνη, ή προγραμματισμένη αναζήτηση (planned exploration),π.χ., Freon Πενικιλλίνη – Alexander Fleming παρατήρησε ότι αποικίες του βακτηρίου Staphyloccus aureus που ήρθαν τυχαία σε επαφή με μούχλα (penicillium notatum) σταμάτησαν να αναπτύσσονται (αναστολή βακτηριακών ενζύμων υπεύθυνων για τη σύνθεση κυτταρικής μεβράνης) Freon (CFC) – Aναζήτηση ψυκτικού που έχει σημείο βρασμού μεταξύ 0 και -40οC, είναι σταθερό, μη τοξικό, μη εύφλεκτο, και φθηνό. Bρέθηκε από τον Thomas Midgley «Οι λύσεις των προβλημάτων του σήμερα πολλές φορές καταλήγουν να γίνουν προβλήματα του αύριο» (“Today’s solutions are tomorrow’s problems”), π.χ., τη δεκαετία του 1970 ανακαλύφθηκε ότι ο τετρααιθυλιούχος μόλυβδος παράγει καρκινογόνες ουσίες με την καύση της βενζίνηςτο 1980 ανακαλύφθηκε ότι το Freon καταστρέφει το όζον Καινοτομία είναι η χρήση υλικού ή προϊόντος για σκοπό άλλο από αυτόν που έχει δημιουργηθεί, π.χ., botulin στα καλλυντικά 6/10/2017

Βιβλιογραφία E. L. Cussler and G. D. Moggridge, Chemical Product Design, ISBN 0-521-79633-4 (Cambridge University Press, 2001) – Προσέγγιση Χημικής Μηχανικής J. A. Wesselingh, S. Kiil, M. E. Vigild, Design & Development of Biological, Chemical, Food and Pharmaceutical Products, ISBN 978-0-470-06155-8 (Wiley, 2007) -- Προσέγγιση Χημικής Μηχανικής J. Wei, Product Engineering, Molecular Structure and Properties, ISBN 0-190-515917-9 (Oxford University Press, 2007) -- Μοριακή Μηχανική U. Bröckel, W. Meier, and G. Wagner (eds.), Product Design and Engineering: Best Practices (2 Volume Set), ISBN 978-3-527-31529-1 (Wiley, 2007) – Μελέτη περιπτώσεων K. M. Ng, R. Gani and K. Dam-Johansen (eds.), Chemical Product Design: Towards a Perspective through Case Studies, Computer Aided Chemical Engineering Series vol. 23, ISBN 978-0-444-52217-7 (Elsevier, 2007) -- Μελέτη περιπτώσεων 6/10/2017

Νέο Προϊόν Ανάγκη καταναλωτικού κοινού να εξετασθεί σε συνδυασμό με την επιχειρηματική στρατηγική της αγοράς (marketing) Iδέα: αναζήτηση και ανακάλυψη (exploration and discovery) του νέου προϊόντος Προϊόντα Βασικά Χημικά (commodities), π.χ., αμμωνία Μοριακά, π.χ., φαρμακευτικά ενεργή ουσία Δομημένα, π.χ., κάψουλα φαρμάκου Συσκευές, π.χ., συσκευή αιμοκάθαρσης ΣΣ Ανάγκη Ω ΙδεΙ Ιδέα Σχεδιασμός Διεργασιών Προϊόντος Ανάπτυξη Βιομηχανική Παραγωγή 6/10/2017

Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Πρότυπο με 4 βήματα Ανάγκες καταναλωτικού κοινού: να εξετασθούν σε συνδυασμό με την επιχειρηματική στρατηγική της αγοράς (marketing). Μετατροπή αναγκών σε συγκεκριμένες προδιαγραφές με χρήση εργαλείων από επιστήμες και μηχανική Iδέες: αναζήτηση και ανακάλυψη (exploration and discovery ) νέου/-ων προϊόντος/-ων. Στην αρχή, καταιγισμός ιδεών (brainstorming) χωρίς να αποκλείεται καμία με βάση οποιοδήποτε κριτήριο. Στο τέλος, οι εκατό ιδέες να αξιολογηθούν και να επιλεγούν το πολύ τέσσερεις για περαιτέρω αξιολόγηση Επιλογή: Από τις τέσσερεις ιδέες που επιλέχθηκαν στο προηγούμενο βημάτων να επιλεγεί η καλλίτερη. Προϋποθέτει προσεγγιστικό υπολογισμό ιδιοτήτων Ανάπτυξη & Βιομηχανική Παραγωγή προϊόντος: Σχεδιασμός Προϊόντος: με προσομοιώσεις και μοντέλα από Μηχανική Συνεχείας, π.χ., με λογισμικό για ισορροπία φάσεων, ή Μοριακά μοντέλα και προσομοιώσεις, π.χ., με λογισμικό charmm, gromacs, lampt, κλπ Σχεδιασμός Διεργασιών: με λογισμικό ASPEN/HYSIS, SUPERPRO, κλπ. 6/10/2017

Σχεδιασμός Προϊόντων Oργανοληπτικά χαρακτηριστικά Ερεθίσματα Αποτέλεσμα Αντίληψη Όραση Φώς Μήκος κύματος Χρώμα Ακοή Δονήσεις Ένταση Ήχος Αφή Υλικά Παραμόρφωση (strain) Υφή (texture) Γεύση, Oσμή Χημικά Ροή Γεύση, Άρωμα Χαρακτηριστικά Ποιότητας Προϊόντος (φυσικά, μηχανικά, οργανοληπτικά) Ανάγκες Καταναλωτή Δομή Συστατικά προϊόντος (ingredients) υλικών (components) Φυσικοχημικές ιδιότητες 6/10/2017

Διαλεύκανση αναγκών του πελάτη σε τρία στάδια: Συνεντεύξεις πελατών, Ανάγκες Διαλεύκανση αναγκών του πελάτη σε τρία στάδια: Συνεντεύξεις πελατών, Αναγνώριση αναγκών, Μετάφραση αναγκών σε προδιαγραφές προϊόντος Προσοχή να μη περιοριστεί ο ορισμός του προϊόντος πρόωρα Στο στάδιο αυτό, εστίαση στην αναγνώριση αναγκών και όχι στο πώς θα ικανοποιηθούν ανάγκες Ταυτοποίηση πελατών: Άτομα, Επιχειρήσεις ή δημόσιοι οργανισμοί, «Ηγετικοί χρήστες» (lead users) – συχνά εφευρίσκουν μικρές βελτιώσεις στο προϊόν από μόνοι τους και μπορούν να εκφράσουν με σαφήνεια τι είναι λάθος στο προϊόν Παράδειγμα - Πελάτες για κούκλες Βarbie Παιδικό παιχνίδι για κορίτσια που εισάχθηκε στην αγορά το 1959 σαν “teenage fashion doll” και έκανε την Ms. Handler που είχε την ιδέα πλούσια και την εταιρεία της Mattel μείζονα παραγωγό παιδικών παιχνιδιών. Πελάτες: κορίτσια Ανάγκες: Θέλουν να προσποιούνται ότι είναι μητέρες και ενήλικες 6/10/2017

Παράδειγμα - Πελάτες για εγχείρηση καταρράκτη Ανάγκες Παράδειγμα - Πελάτες για εγχείρηση καταρράκτη Καταρράκτης: θόλωμα του κρυσταλλικού φακού του ματιού που συχνά αναπτύσσεται με την ηλικία. Ο φακός μπορεί να αντικατασταθεί με εγχείρηση. Ο χειρούργος οφθαλμίατρος κάνει μια μικρή εντομή στο μάτι και αφαιρεί το φακό. Ο νέος πλαστικός φακός, που είναι τυλιγμένος ώστε να προσαρμόζεται στη βελόνα μιας σύριγγας, τοποθετείται στο μάτι όπου παραμένει μόνιμα. Ο πελάτης κανονικά πηγαίνει σπίτι του την ίδια μέρα. Αν η εταιρεία σας είναι αυτή που κατασκευάζει τους πλαστικούς φακούς, είναι ο πελάτης σας ο ασθενής, ο χειρούργος οφθαλμίατρος ή ο ασφαλιστικός φορέας ιατροφαρμακευτικής περίθαλψης; Πελάτες: Στο πιο γενικό επίπεδο, και οι τρείς. Πελάτης κλειδί είναι ο γιατρός. Ανάγκες: Ο φακός πρέπει να (1) είναι εύκολο να εμφυτευθεί, (2) διορθώνει την όραση, (3) έχει λογική τιμή Εναλλακτικές λύσεις για συνεντεύξεις πελατών: Ομάδες στόχου (focus group) Ομάδες εμπειρογνωμόνων (expert panels) Yπόδειγμα συνέντευξης πελάτη Τι δουλειά κάνετε; Πως μεταχειρίζεστε το (υπάρχον) προϊόν Α Ποια από τα χαρακτηριστικά του είναι λειτουργικά; Ποια από τα χαρακτηριστικά του δεν είναι λειτουργικά; Πως αγοράζετε το προϊόν Α; 6/10/2017

Γενικές οδηγίες για τη συνέντευξη: Ανάγκες Η αξία της συνέντευξης πελατών εξαρτάται από την ικανότητα αυτού που παίρνει τη συνέντευξη να αποσπά χρήσιμες απαντήσεις Γενικές οδηγίες για τη συνέντευξη: Ενθαρρύνετε συζήτηση σε παραπλήσια θέματα Τονώστε συζήτηση με εναλλακτικά θέματα Ζητείστε απαντήσεις όταν οι περιορισμοί αφαιρούνται Να είστε σε ετοιμότητα για εκπλήξεις Αναγνώριση αναγκών Ανάγκες: Βασικές ή κρίσιμες, επιθυμητές, χρήσιμες Το νέο προϊόν πρέπει να: Ικανοποιεί όλες τις βασικές, Ικανοποιεί αρκετές από τις επιθυμητές, ιδίως αν τα προϊόντα των ανταγωνιστών δεν τις ικανοποιούν, Αναγνωρίζει την ύπαρξη χρήσιμων χωρίς να τις ικανοποιεί Παράδειγμα - Εκτίμηση οστεοπόρωσης Γίνεται με μέτρηση της πυκνότητας των οστών με ακτίνες Χ ή υπερήχους, όργανα που κοστίζουν ακριβά. Αναζητείται μια φθηνότερη λύση που δεν θα δίνει απόλυτη τιμή της πυκνότητας, αλλά σχετική. Ανάγκες: Βασικές-όργανο που μετράει τις αλλαγές σε ένα μέγεθος ανάλογο της πυκνότητας για ορισμένο χρονικό διάστημα. Επιθυμητές-όργανο μικρό σε μέγεθος και εύκολο να χρησιμοποιηθεί. Χρήσιμες-όργανο κοστίζει φθηνά και μπορεί να πάρει την έγκριση του FDA 6/10/2017

Παράδειγμα – Εναλλακτικά υγρά για αποπάγωση (de-icing) αεροπλάνων To αεροδρόμιο της Minneapolis-St.Paul έχει πάνω από 400 πτήσεις ημερησίως. Η πόλη είναι γνωστή για τους εξαιρετικά κρύους χειμώνες. Το χειμώνα, το χιόνι συσσωρεύεται πάνω στα αεροπλάνα που περιμένουν στις πύλες (gates) αναχώρησης. Το χιόνι απομακρύνεται από τα αεροπλάνα με ψεκασμό (spraying) με αποπαγωτικά (de-icing) υγρά όπως η προπυλενογλυκόλη που εκκενώνονται στην αποχέτευση μετά τη χρήση. Σε αεροδρόμια άλλων χωρών, τα αποπαγωτικά υγρά μετά τη χρήση τους διοχετεύονται στο υπέδαφος, παρά το γεγονός ότι τα υγρά αυτά είναι τοξικά και με τον τρόπο αυτό περνούν στα υπόγεια ύδατα (groundwater). Στην περίπτωση του αεροδρομίου της Minneapolis-St.Paul, τα απορριπτόμενα αποπαγωτικά υγρά προκαλούν μεγάλο πρόβλημα στο τοπικό εργοστάσιο επεξεργασίας λυμάτων. Στην οποιαδήποτε περίπτωση τα απορριπτόμενα αποπαγωτικά υγρά προκαλούν μέγιστη ρύπανση (pollution). Παίρνονται συνεντεύξεις από τους ανθρώπους του αεροδρομίου και των αεροπορικών εταιρειών. Ερώτηση: Πως γίνεται η αποπάγωση του αεροσκάφους; Απάντηση: Το αεροσκάφος προς απογείωση, πριν την επιβίβαση, μεταφέρεται σε κεντρικό σημείο του αεροδρομίου και ψεκάζεται πρώτα με διάλυμα 50% προπυλενογλυκόλη και 50% νερό. Ψεκάζουμε για 10 λεπτά ή ώσπου να μην υπάρχει χιόνι, όποιο έρθει πιο γρήγορα. Το απορρέον υγρό συλλέγεται σε υπόγειες δεξαμενές και από εκεί διοχετεύεται στο εργοστάσιο επεξεργασίας λυμάτων. Ύστερα ψεκάζουμε με υδροπηκτές (hydrogels) που προσκολλώνται στην εξωτερική επιφάνεια του αεροσκάφους και για όσο χρόνο περιμένει το αεροσκάφος στο έδαφος πρίν την απογείωση του. Οι υδροπηκτές απομακρύνονται από το αεροσκάφος στην απογείωση από τις διατμητικές τάσεις που αναπτύσσονται 6/10/2017

Παράδειγμα – Εναλλακτικά υγρά για αποπάγωση (de-icing) αεροπλάνων Ερώτηση: Τι χαρακτηριστικά του προϊόντος είναι λειτουργικά; Απάντηση: Είναι καλό προϊόν. Δουλεύει ακόμη και στους -30οC. Δεν είναι πτητικό. Δεν προκαλεί διάβρωση (corrosion), όπως το αλάτι. Είναι δύσκολο στην καύση. Ερώτηση: Τι χαρακτηριστικά του προϊόντος δεν είναι λειτουργικά; Απάντηση: Έχει κάποια οσμή και μερικοί επιβάτες αδιαθετούν. Είναι τοξικό και για ανθρώπους και ψάρια. Χαρακτηριστικά Βασικά ή κρίσιμα Επιθυμητά Χρήσιμα Λυώνει το χιόνι Μη καρκινογόνο Φθηνό Ευκολόχρηστο Μη εύφλεκτο Αναμείξιμο με νερό Μη διαβρωτικό Ανακυκλώσιμο Διαθέσιμο από πολλούς προ- μηθευτές 6/10/2017

Παράδειγμα – Εναλλακτικά υγρά για αποπάγωση (de-icing) αεροπλάνων Τα αποπαγωτικά ενεργούν με καταστολή του σημείου πήξης του νερού (freezing point depression) που υπολογίζεται από τη σχέση R είναι η σταθερά των αερίων, xdi είναι το μοριακό κλάσμα του αποπαγωτικού, ΔΗf είναι η ενθαλπία σύντηξης (enthalpy of fusion) του νερού. Η πιο σημαντική μεταβλητή για την επιλογή του αποπαγωτικού είναι το xdi . Αξιολόγηση εκτίμησης καταναλωτών Για να αποτιμήσουμε τις ανάγκες των καταναλωτών έχουμε δύο ειδών κλίμακες μέτρησης την ηδονιστική (hedonic), που μετράει τι αρέσει στον καταναλωτή, και αυτήν της έντασης (intensity), που μετράει τι αισθάνεται ο καταναλωτής. 6/10/2017

Αξιολόγηση εκτίμησης καταναλωτών (α) (β) (γ) (δ) (α)-(β) Εκτιμήσεις πελάτη ως προς τη γεύση με μεταβολή συγκέντρωσης της ζάχαρης. (α) – Ηδονιστική κλίμακα, (β) – Κλίμακα έντασης, ανεξάρτητη από υποκειμενικότητα πελάτη, όχι απαραίτητα γραμμική σχέση (γ)-(δ) Εκτιμήσεις καταναλωτή ως προς τη σκληρότητα και ικανότητα απλώματος με μεταβολή συγκέντωσης πηλού. (γ), (δ) – Κλίμακες έντασης, σκληρότητα και ικανότητα απλώματος συνδέονται μεταξύ τους. Με τη σωστή σκληρότητα έχουμε άριστη ικανότητα απλώματος. Αίσθηση πελάτη με μεταβολή σκληρότητας παράγει σχέση παρόμοια με (δ) 6/10/2017

Αξιολόγηση εκτίμησης καταναλωτών Κλίμακες αξιολόγησης αναγκών καταναλωτή: (1) Σύγκρισης, (2) Tάξης (ordinal) ή κατηγορίας και (3) Λόγου (ratio) Σύγκρισης – Είναι το δείγμα Α περισσότερο κρεμώδες ή περισσότερο απαλό από το δείγμα Β; Σαν συνέπεια (consistency) αν ο καταναλωτής κρίνει ότι το Β είναι περισσότερο κρεμώδες ή περισσότερο απαλό από το C, το δείγμα Α θα κριθεί από τον καταναλωτή περισσότερο κρεμώδες ή περισσότερο απαλό από το C Δεν οδηγεί σε συγκεκριμένο μοντέλο της απόκρισης (response) του καταναλωτή Τάξης ή κατηγορίας – Πιο δύσκολη στην εφαρμογή όμως δίνει περισσότερη πληροφορία Παραδείγματα: (1) Βαθμοί σπουδαστών, Α, Β, κλπ., (2) Κλίμακα πόνου για γιατρούς: 0-1 καθόλου, 2-3 ήπιος, 4-5 μέτριος, 6-7 σοβαρός, 8-9 ακραίος, 10 χειρότερος δυνατός, (3) αίσθηση μαλακού για δείγματα 3 υφασμάτων από 3 πρόσωπα με κλίμακα από 1 μέχρι 10 Καταναλωτής Ύφασμα 1 Ύφασμα 2 Ύφασμα 3 1 8 7 6 2 9 5 2 3 8 8 2 Μέση τιμή 8.3 6.7 3.3 * Το εύρος για μέτρηση αίσθησης μαλακού υφάσματος δεν είναι 1-10 αλλά 2-9 * Ο καταναλωτής 1 εκτιμά και τα 3 δείγματα να δίνουν την ίδια περίπου αίσθηση μαλακού υφάσματος. Στην πραγματικότητα η μέση τιμή βασίζεται μόνο στους καταναλωτές 2 και 3 6/10/2017

  6/10/2017

Εκτιμήσεις καταναλωτών και οργάνων Οι καταναλωτές θέλουν πιο τραγανά δημητριακά, πιο μαλακά (softer) μάλλινα, πιο απαλά (smoother) δέρματα. Πόση βελτίωση μπορεί να παρατηρηθεί και να εκτιμηθεί στα παραπάνω; Οι ανάγκες του καταναλωτή πρέπει να διατυπωθούν σε ποσοτικές προδιαγραφές Τα χαρακτηριστικά που επιθυμεί ο καταναλωτής να έχει συγκεκριμένο προϊόν συνδέονται εμπειρικά με τις μετρήσεις σχετικών φυσικών μεγεθών με όργανα «Παχιά (thick)» σούπα ↔ υψηλό ιξώδες «Λεπτή (thin)» σούπα ↔ χαμηλό ιξώδες Γλυκύτητα ↔ συγκέντρωση σακχάρου Ξυνή γεύση ↔ συγκέντρωση κιτρικού οξέος Η τραγανότητα των δημητριακών δεν σχετίζεται με τις ιδιότητες τους στη μηχανική θραύσης, σχετίζεται με τον ήχο που ακούγεται κατά τη μάσηση Η «απαλότητα» (smoothness) της μπύρας σχετίζεται με την ύπαρξη πολύ μικρών φυσαλίδων που ελαττώνουν την οπισθέλκουσα δύναμη, στην πραγματικότητα τον αντίστοιχο συντελεστή, στη γλώσσα Μερικές φορές οι εκτιμήσεις του καταναλωτή σχετίζονται ποσοτικά με μετρήσεις οργάνων Η αίσθηση στην επαφή του σχετικά ψυχρότερου μεταλλικού κουταλιού από αυτήν ξύλινου κουταλιού στο ίδιο συρτάρι δεν έχει σχέση με την αντίληψη μας για τη θερμοκρασία των κουταλιών που θα πρέπει να είναι η ίδια με τη θερμοκρασία δωματίου αλλά με τη θερμοκρασία του δέρματος μας σε επαφή με καθένα από τα κουτάλια. Αν υπολογίσουμε πως επηρεάζεται η θερμοκρασία του δέρματος από τον συντελεστή θερμικής διάχυσης του υλικού του κουταλιού, μπορούμε να προβλέψουμε πόσο πιο ψυχρό αισθανόμαστε με επαφή το μεταλλικό κουτάλι σε σύγκριση με το ξύλινο 6/10/2017

Εκτιμήσεις καταναλωτών και οργάνων Έχουν αναγνωριστεί 200 περίπου μόρια σημαντικά για τη γεύση και την οσμή του καφέ Η αναγνώριση κάθε μορίου έγινε με το χρόνο παραμονής του στη στήλη αερίου-υγράς χρωματο-γραφίας και της αίσθησης κάποιου γνώστη/εμπειρογνώμονα του καφέ. Για να έχουν αξία τα αποτελέσματα της προηγούμενης διεργασίας πρέπει να επαναληφθεί πολλές φορές και με διαφορετικούς εμπειρογνώμονες. Μετά από χρόνια τέτοιων προσπαθειών οι εταιρείες καφέ έχουν στα χέρια τους λίστες από μόρια που βελτιώνουν τη γεύση και το άρωμα του καφέ και μπορούν να χαρακτηρίζουν τα προϊόντα τους με τις επιστημονικές μεθόδους της χρωματογραφίας και της φασματομετρίας μάζας χωρίς τις χρονοβόρες, πολυέξοδες και σχετικά ασυνεπείς δοκιμές της ανθρώπινης εμπειρίας Γευστική σοκολάτα Ένα από τα πιο επιθυμητά χαρακτηριστικά της καλής σοκολάτας είναι η απαλή (smooth) αίσθηση που λιώνει στο στόμα. Μερικοί άνθρωποι που αγαπούν με πάθος τη σοκολάτα μπορούν ακόμη και ισχυρίζονται ότι συνοδεύεται από μια ευχάριστο δρόσισμα του στόματος επειδή οι λιπαροί κρύσταλλοι στη σοκολάτα απορροφούν λανθάνουσα θερμότητα (latent heat) και λιώνουν. Ενίοτε η σοκολάτα , ειδικά όταν είναι παλιά και έχει αποθηκευτεί σε κυμαινόμενες (fluctuating) θερμοκρασίες, παρουσιάζει ένα λεπτό στρώμα μαύρης σκόνης που ονομάζεται «άνθηση» (blooming). Αν και η σοκολάτα αυτή έχει τα ίδια συστατικά στην ίδια συγκέντρωση όπως η καλή σοκολάτα, αφήνει στο στόμα μια δυσάρεστη υφή σκόνης. Για την ποιότητα της σοκολάτας χρησιμοποιούνται πολύ ικανοί δοκιμαστές που μπορούν να εξακριβώσουν ακόμη και τη χώρα προέλευσης των σπόρων του κακάο. Οι δοκιμαστές κάνουν καλή δουλειά αλλά χρειάζεται να ενισχύσουμε τις εκτιμήσεις τους με τη χρήση επιστημονικών οργάνων 6/10/2017

O κρυσταλλικός τύπος V ο επιθυμητός, με σημείο τήξης Γευστική σοκολάτα Η αίσθηση της σοκολάτας που λιώνει στο στόμα προέρχεται από την τήξη των κρυστάλλων του βουτύρου του κακάο το οποίο είναι τριγλυκερίδιο, παρόμοιο με το ελαιόλαδο, τη μαργαρίνη και το ζωικό λίπος. Αν και τα τριγλυκερίδια είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος λίπους στη φύση, τα περισσότερα δεν έχουν σημείο τήξης καθορισμένο με ευκρίνεια γιατί περιέχουν φάσμα διαφορετικών λιπαρών οξέων. Το βούτυρο του κακάο είναι ασυνήθιστο για το στενό εύρος σύστασης. Αποτελείται από συμμετρικά τριγλυκερίδια με ελαϊκό οξύ (ακόρεστο) στη θέση 2 και παλμιτικό ή στεατικό οξύ (κορεσμένο) στις θέσεις 1 και 3. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μια καλά καθορισμένη κρυσταλλική δομή και ένα διακριτό σημείο τήξης. Το βούτυρο του κακάο όμως μπορεί να κρυσταλλωθεί σε 6 διαφορετικά κρυσταλλικά συστήματα, το καθένα με το δικό του σημείο τήξης. Ποια από τις δομές ΙV, V και VΙ στην παρακάτω εικόνα θα σχηματιστεί, είναι θέμα προετοιμασίας και οι chefs της ζαχαροπλαστικής φροντίζουν για το ρυθμό ψύξης και την ταχύτητα ανάδευσης όταν παρασκευάζουν σοκολάτα από τήγμα O κρυσταλλικός τύπος V ο επιθυμητός, με σημείο τήξης 340C, λίγο κάτω από τη θερμοκρασία του στόματος. O κρυσταλλικός τύπος ΙV παράγεται εύκολα με ψύξη του τήγματος χωρίς ανάδευση, έχει σημείο τήξης 28 0C αλλά δεν προσφέρει την επιθυμητή αίσθηση στο στόμα που δίνει ο τύπος V. Ο τύπος V είναι πιο σταθερός από τον τύπο ΙV, αλλά είναι δύσκολο να παραχθεί, επειδή απαιτείται παρα- τεταμένη περίοδος σταδιακής ψύξης με ανάδευση, μια δι- εργασία γνωστή σαν ανόπτηση ή βαφή ή σκλήρυνση (tempering). O τύπος VΙ, ο πιο σταθερός από όλους με σημείο τήξης λίγο πάνω από τους 360C βαθμούς, είναι αυτός που παρουσιάζει «άνθηση» (blooming) 6/10/2017

Γευστική σοκολάτα Στη σοκολάτα η κινητική ανταγωνίζεται τη θερμοδυναμική και οι πιο σταθερές δομές είναι εκείνες που είναι δυσκολότερο να παραχθούν κινητικά, πιθανώς γιατί τα μόρια είναι πιο στενά συσκευασμένα στις κρυσταλλικές αυτές δομές. Σταδιακή ψύξη και ανάδευση (tempering) είναι μια λεπτή διεργασία στην οποία προσπαθούμε να παράγουμε ούτε τον τύπο που ευνοείται από την κινητική μήτε αυτόν που είναι θερμοδυναμικά πιο σταθερός, αλλά ένα ενδιάμεσο τύπο Οι δοκιμαστές κάνουν μεγάλη προσπάθεια για την αναγνώριση των κρυσταλλικών μορφών του βουτύρου του κακάο. Η αναγνώριση μπορεί να γίνει πιο αξιόπιστα και γρήγορα με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry). Στη μέθοδο αυτή, μετράμε το ρυθμό μεταφοράς θερμότητας όταν η θερμοκρασία ανυψώνεται. Καθώς οι κρύσταλλοι τήκονται, ενέργεια απορροφάται σε μορφή λανθάνουσας θερμότητας, χωρίς να έχουμε συγχρόνως αύξηση της θερμοκρασίας. Αναγνωρίζουμε τους διαφορετικούς κρυσταλλικούς τύπους από την παρουσία των διαφορετικών σημείων τήξης στο DSC. Αν θέλουμε να είμαστε περισσότερο ποσοτικοί, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την δαπανηρή τεχνική της περίθλασης ακτίνων Χ σε σκόνη (power X-ray diffraction) που δείχνει την ποσότητα του κάθε κρυσταλλικού τύπου που είναι παρών 6/10/2017

Επιστρώσεις υφασμάτων Εταιρεία κατασκευάζει διάφορα είδη υφασμάτων οι πωλήσεις των οποίων παραμένουν σταθερά σε ένα επίπεδο. Δημιουργείται μια η οποία ψάχνει για επιστρώσεις (coatings) που θα δώσουν προστιθέμενη αξία στα προϊόντα της εταιρείας. Στην περίπτωση αυτή προστιθέμενη αξία είναι η αίσθηση του μετάξινου (silky) που δίνει η επίστρωση στο ύφασμα Το αποτέλεσμα της εργασίας αυτής της ομάδας σε περίοδο δύο ετών θα είναι να αναπτύξει πνευματική ιδιοκτησία κατάλληλη για όλη την βιομηχανία υφασμάτων. Στην αρχή, πρέπει να απαντηθούν οι εξής ερωτήσεις: Ποια από τα χαρακτηριστικά επιθυμεί ο καταναλωτής είναι σημαντικά; Πως θα μετρηθούν τα χαρακτηριστικά αυτά; Ποιες φυσικές ιδιότητες των επιστρώσεων είναι σημαντικές; Πως σχετίζονται χαρακτηριστικά του καταναλωτή και φυσικές ιδιότητες; Χαρακτηριστικά του καταναλωτή: μαλακό (soft), μετάξινο (silky), εύκαμπτο (supple), απαλό (smooth) Θα μετρήσουμε αντιδράσεις των καταναλωτών από δείγματα υφάσματος με και χωρίς επίστρωση που δίνουμε σε μικρές ομάδες καταναλωτών Περισσότερες πληροφορίες για τις αντιδράσεις καταναλωτών θα πάρουμε αν εκφραστούν σε κλίμακα λόγου (ratio) Τα χαρακτηριστικά αυτά επιτυγχάνονται με επιστρώσεις από ελαστομερή σιλικόνης Μοντέλο αντίληψης (perception model) Aπαλό (smooth): υποθετικά συνδέεται με τις δυνάμεις τριβής (friction forces) που προκαλούνται από την τριβή των δακτύλων σε όλο το δείγμα 6/10/2017

Επιστρώσεις υφασμάτων Μοντέλο αντίληψης Εύκαμπτο (supple): συνδέεται με δυνάμεις κάμψης μεγάλων ποσοτήτων υφάσματος ανάμεσα στα δάκτυλα Μαλακό (soft): παρόμοιο με το προηγούμενο με τη διαφορά ότι μικρές ποσότητες υφάσματος συμπιέζονται μεταξύ των δακτύλων Μετάξινο (silky): συνδυασμός απαλού (soft) και ανακλώμενο φως, δηλ., απτική και οπτική αντίληψη Το μοντέλο υποδεικνύει ότι πρέπει να εξεταστεί πως οι δυνάμεις στα δάκτυλα επηρεάζονται από τη γεωμετρία και τη φυσικοχημεία του υφάσματος. Η γεωμετρία περιλαμβάνει το μέγεθος, απόσταση ινών και την ύφανση (weave) του νήματος στο ύφασμα. To μοντέλο πρέπει να είναι απλό και να επικεντρώνεται στην επίδραση της επίστρωσης περισσότερο από τις ιδιότητες δευτερεύουσας σημασίας δείγματος του υφάσματος. Είναι σπουδαιότερο να εξεταστεί η επίδραση της επίστρωσης στις δυνάμεις τριβής από τη δύναμη που απαιτείται για να σχιστεί το ύφασμα Ιδιότητες Πιο σημαντικές (για την επίδραση επίστρωσης ): συντελεστές τριβής για επαφή υφάσματος-δέρματος και υφάσματος-υφάσματος, και η ποσότητα του ανακλώμενου φωτός. Λιγότερο σημαντικές: ιξώδες υγρών επεξεργασίας υφάσματος, Young modulus των ινών, αντοχή διαρροής (yield strength) του νήματος Σημαντικές;;; : υγροσκοπικότητα και ελαστικότητα νήματος 6/10/2017

Μετατροπή αναγκών σε προδιαγραφές Ανάγκες (ποιοτικά εκφρασμένες) → Προδιαγραφές (ποσοτικά εκφρασμένες) Ανάγκες: διαλογή ρεαλιστικών βελτιώσεων από απραγματοποίητα όνειρα Παράδειγμα: Αποπαγοποίηση αεροσκάφους → μέγεθος υποβιβασμού σημείου πήξης, ρυθμός τήξης, απόδοση κυκλικής διεργασίας Στρατηγική για ορισμό προδιαγραφών Πλήρεις, όσο είναι δυνατό, χημικές αντιδράσεις με τη σωστή στοιχειομετρία για παραγωγή προϊόντος - moles vs. mass Ισοζύγια μάζας και ενέργειας που είναι σημαντικά για χρήση προϊόντος – Θερμοδυναμική καθορίζει ποια αλλαγή και σε ποιο βαθμό μπορεί να συμβεί. Φυσικές ιδιότητες, π.χ., ρ, cp δεν μεταβάλλονται με Τ Ρυθμοί διεργασιών σημαντικών για χρήση προϊόντων – Συντελεστές μεταφοράς, π.χ., k, D δεν μεταβάλλονται με Τ. Τα μ για Νευτωνικά ρευστά εκτός αν ο μη Νευτωνικός χαρακτήρας επηρεάζει τη διεργασία. Ρυθμός χημικών αντιδράσεων μηδενικής ή πρώτης τάξης πάντοτε χαμηλότερος από αυτόν που ελέγχεται από μοριακή διάχυση ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες Επιλογή προτύπου (benchmark): προϊόν που κυριαρχεί στην αγορά ή μελλοντικό προϊόν που εμείς ή οι ανταγωνιστές μας σκεφτόμαστε να αναπτύξουμε Οι προδιαγραφές ανασκευάζονται κάθε φορά η ομάδα του έργου παίρνει καινούργιες πληροφορίες σχετικά με το προϊόν 6/10/2017

Παράδειγμα – Εξάτμιση (ή σιγαστήρας - muffler) αυτοκινήτου Οι εξατμίσεις αυτοκινήτων σκουριάζουν από μέσα προς τα έξω. Αυτό γίνεται γιατί όταν το αυτο- κίνητο οδηγείται, η εξάτμιση περιέχει καυσαέρια με ένα συστατικό τον υδρατμό. Όταν η εξάτμιση κρυώνει, ο υδρατμός συμπυκνώνεται και διαβρώνει το εσωτερικό της εξάτμισης. Έξυπνος τρόπος να αποφευχθεί το πρόβλημα είναι να τοποθετηθεί στην εξάτμιση σάκος με ζεόλιθο που είναι υδρόφιλος και απορροφά υδρατμό, αποτρέπει τη συμπύκνωση και μειώνει τη διάβρωση. Όταν το αυτοκίνητο τίθεται σε κίνηση, τα καυσαέρια θερμαίνουν το ζεόλιθο και απομακρύνουν το απορροφημένο νερό. Ο ζεόλιθος είναι έτοιμος και πάλι να απορροφήσει περισσότερο νερό όταν η μηχανή σταματά. Θέλουμε να κατασκευάσουμε εξατμίσεις με αυτό το χαρακτηριστικό. Πόσο νερό χρειάζεται να απορροφηθεί; Πόσο γρήγορα γίνεται η απορρόφηση; Το πρόβλημα είναι απλά πρόβλημα στοιχειομετρίας. Θεωρείστε ότι ο όγκος της εξάτμισης είναι περίπου 5 lt και το πορώδες 70%. Η βασική αντίδραση στη μηχανή είναι C8H18 + 25/2 O2 → 8CO2 + 9H2O Αν η μηχανή λειτουργεί με 10% περίσσεια αέρος, τότε η συγκέντρωση των καυσαερίων σε πλήρη καύση εύκολα δείχνεται να είναι 0% C8H18 , 2% Ο2 , 75% Ν2 , 11% CO2 , 12% H2O. Έτσι H απορρόφηση αυτής της μικρής ποσότητας νερού μπορεί να παρατείνει τη ζωή της εξάτμισης Η απορρόφηση θέλουμε να είναι ταχεία, αλλά όχι ταχύτερη από το χρόνο ψύξης της εξάτμισης 30 sec είναι πιθανόν μια λογική αρχική τιμή 6/10/2017

Παράδειγμα – Θερμομονωτικά παράθυρα Σε κρύα ή θερμά κλίματα, τα παράθυρα πρέπει όχι μόνο να αφήνουν την είσοδο του φωτός αλλά πρέπει επίσης να ελαττώνουν τη μεταφορά θερμότητας. Τέτοια παράθυρα φαίνονται στην εικόνα και τυπικά γίνονται από δύο υαλοπίνακες πάχους 0.3 cm που διαχωρίζονται από διάκενο πάχους 1.6 cm. Το διάκενο που είναι γεμάτο με αέριο είναι σφραγισμένο. Επειδή το αέριο πρέπει να έχει χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, αρχικά χρησιμοποιήθηκαν διάφοροι τύποι φρέον CCl2F2. Σήμερα χρησιμοποιείται αργό (Ar). To πρόβλημα με τα παράθυρα είναι η εμφάνιση τους που εξαρτάται από το συγκολλητικό μέσο (adhesive) που χρησιμοποιείται για την επικόλληση των υαλοπινάκων στο πλαίσιο του παραθύρου και τη δημιουργία σφραγισμένου διακένου. Ο υδρατμός διαχέεται μέσω της σφραγιστικής/συγ- κολλητικής ουσίας στο διάκενο μεταξύ των υαλοπινάκων. Ο υδρατμός συμπυκνώνεται, όταν ο καιρός ψυχραίνει, και θολώνει τον υαλοπίνακα. Για να αποφευχθεί αυτό, οι κατασκευαστές τοποθετούν αποξηραντικό μεταξύ των υαλοπινάκων, αλλά αυτό γίνεται κορεσμένο με το χρόνο. Επί πλέον, το αργό διαρρέει προς τα έξω πιο γρήγορα από τον αέρα που διαρρέει προς τα μέσα, πράγμα που προκαλεί χαμηλή πίεση έτσι ώστε οι υαλοπίνακες να κάμπτονται και οι δυο μαζί. Αυτό μπορεί να παραμορφώσει την εικόνα που φαίνεται μέσα από το παράθυρο. Ζητείται να οριστούν προδιαγραφές για τη συγκολλητική/σφραγιστική ουσία. Πρώτα ορίζουμε τις ανάγκες με μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Οι πιο σημαντικοί καταναλωτές για την συγκολλητική/σφραγιστική ουσία είναι οι κατασκευαστές θερμομονωτικών παραθύρων.

Παράδειγμα – Θερμομονωτικά παράθυρα Χρειάζεται να μιλήσουμε με κατασκευαστές κτιρίων για να βρούμε αν το θόλωμα του παραθύρου εξαρτάται από τον τρόπο εγκατάστασης του παραθύρου και την τοποθεσία που είναι κτισμένο το σπίτι. Είναι πιθανό να αποκτήσουμε λιγότερες πληροφορίες σχετικά με το πρόβλημα από συνομιλίες με ιδιοκτήτες σπιτιών αν και αυτοί είναι οι πραγματικοί αγοραστές των θερμομονωτικών παραθύρων Ερωτήσεις που χρειάζεται να κάνουμε: Ποιες είναι οι απαιτήσεις της συγκολλητικής/σφραγιστικής ουσίας; Ποιες ουσίες έχουν ήδη δοκιμαστεί; Ποια είναι η διαφορά θερμοκρασίας που αντιμετωπίζει; Ποιος είναι ο χρόνος ζωής του παραθύρου; Οι απαιτήσεις για τη συγκολλητική ουσία εξαρτώνται από τις απαντήσεις στις ερωτήσεις αυτές. Από συνεντεύξεις βρέθηκε ότι τo ελαστικό σιλικόνης είναι η καλλίτερη σφραγιστική ουσία. Όμως η ουσία αυτή έχει διαπερατότητα για το νερό 550 x 10-6 cm2/sec, 600 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του ελαστικού βουτυλίου, που είναι 0.9 x 10-6 cm2/sec. Δυστυχώς το ελαστικό βουτυλίου δεν κολλάει στο γυαλί. Γι’ αυτό, συνιστάται συγκολλητική ουσία με 10 φορές χαμηλότερη διαπερατότητα για το νερό από αυτήν του ελαστικού σιλικόνης αλλά με ικανότητα προσκόλλησης (adhesion) όχι μικρότερη από αυτήν του ελαστικού σιλικόνης. Θέλουμε ακόμη να ελαχιστοποιήσουμε το ρυθμό μεταφοράς θερμότητας δια μέσου του παραθύρου, q, που υπόκειται σε συγκεκριμένη διαφορά θερμοκρασίας, ΔΤ πάχος υαλοπίνακα και διακένου, αντίστοιχα kglass , kgas θερμική αγωγιμότητα υάλου και αερίου, 0.5 και 0.02 W/(m0K), αντίστοιχα 6/10/2017

Παράδειγμα - Θερμομονωτικά παράθυρα Η θερμική αγωγιμότητα του γυαλιού δεν κάνει διαφορά. kgas ~ MW-1/2 → Φρέον η καλλίτερη επιλογή Ευγενή αέρια είναι μια εναλλακτική λύση, όμως το ράδον είναι τοξικό και το κρυπτό έχει υψηλή τιμή. Έτσι το αργό είναι η λύση για τη βιομηχανία αν και η θερμική του αγωγιμότητα είναι μόλις 20% χαμηλότερη από αυτήν του αέρα. Λόγω της μεγάλης διαπερατότητας του αργού μέσα από την συγκολλητική/σφραγιστική ουσία, συνιστάται η αντικατάσταση του από ξηρό αέρα ή CO2 Παράδειγμα – Καθαρισμός νερού για τον ταξιδιώτη Άνθρωποι που ταξιδεύουν στην άγρια φύση (wilderness) χρειάζονται πόσιμο νερό. Συχνά ρέματα και λιμνούλες είναι μολυσμένα με βακτήρια και ιούς. Στη Βόρεια Αμερική το πρόβλημα είναι η γιάρδα (giardia), ένα πρωτόζωο που βρίσκεται στα 90% των υδάτινων πόρων. Φορείς: άνθρωποι και ζώα. Η γιάρδα προκαλεί σοβαρά προβλήματα στο έντερο, με πολύ δυσάρεστα συμπτώματα όπως δύσοσμα αέρια. Η λίστα αναγκών για συσκευή καθαρισμού νερού έχει ως ακολούθως: Παράγει ασφαλές νερό Ελαφρά και μικρή Ενεργεί γρήγορα Έχει μακρό χρόνο ζωής Δεν χρειάζεται πηγή ενέργειας Είναι φθηνή και επαναχρησιμοποιήσιμη Βελτιώνει τη γεύση και την οσμή

Παράδειγμα – Καθαρισμός νερού για ταξιδιώτες Αυτή τη φορά ασχολούμαστε με ένα καταναλωτικό προϊόν. Τα δυο στάδια χημικών αντιδράσεων και θερμοδυναμικής δεν βοηθούν όπως στα προηγούμενα παραδείγματα. Υπάρχει μια διεργασία με ρυθμό καθοριστικό: πόσο γρήγορα οι άνθρωποι χάνουν νερό; Απάντηση: 5 L ή 1gal / day Μπορεί να χρειαστεί νερό για ομάδα 2-4 ατόμων και ταξίδι μέχρι 2 μήνες. Χρειάζονται 20 L την ημέρα αλλά πιθανόν να θέλουμε να παραχθεί ταχύτερα, για παράδειγμα, για μαγείρεμα, συνεπώς χρειαζόμαστε 1 L / min Επειδή πρέπει η συσκευή να μεταφερθεί πάνω στα βουνά πρέπει να ζυγίζει λιγότερο από 1 kg και να καταλαμβάνει όγκο λιγότερο από 1 L Για ασφάλεια, συμβουλευόμαστε τους κανονισμούς υγείας των ΗΠΑ που απαιτούν 99.9% απομάκρυνση βακτηρίων και πρωτόζωων σε επεξεργασία ύδατος στην επιφάνεια (surface water) Ορειβάτες πληρώνουν πάνω από $100 για μια καλή σκαπάνη αναρρίχησης. Αναμένεται ότι θα θέλουν να ξοδέψουν το ίδιο για καθαρό νερό. Το προϊόν πρέπει να είναι αποτελεσματικό για μεγάλο φάσμα θερμοκρασιών στις οποίες βρίσκεται νερό και σε ύψη μέχρι 7000 m → 0 - 400C και 0.3 – 1 atm Προδιαγραφές για συσκευή καθαρισμού νερού: Ικανότητα παραγωγής 2000 L Ρυθμός παραγωγής 1 L / min Κοστίζει λιγότερο από $100 Έχει εύρος λειτουργίας 0 – 400 C και 0.3 – 1 atm Βελτιώνει τη γεύση και την οσμή 6/10/2017

Μετατροπή Αναγκών σε Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος Ανάγκες (καταναλωτή, κοινωνίας) → Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (Critical Quality Attributes) ΚΧΠ ή CQA = f (Kρίσιμες Παράμετροι Λειτουργίας ή Critical Process Parameters, Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Πρώτων Υλών) ΧΗΜΙΚΗ (όχι ΣΥΝΑΡΜΟΛΟΓΗΤΙΚΗ) ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ Πρώτες Ύλες Διεργασίες Προϊόν Βελτίωση ποιότητας → Υπάρχον προϊόν (Quality Improvement) Ποιότητα-Aπό-Σχεδιασμό → Νέο προϊόν (Quality-by-Design) 6/10/2017

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (Critical Quality Attributes) ΚΧΣ ή CQA είναι μετρήσιμα μεγέθη ή ιδιότητες : Mοριακές (δομή, ενέργεια, απόσταση και γωνίες δεσμών, διπολικές και άλλες ροπές) Θερμοχημικές (θερμότητα σχηματισμού, μοριακή εντροπία, θερμοχωρητικότητα), Αλλαγής φάσης (σημείο ζέσης, τήξης και εξάχνωσης, κρίσιμη θερμοκρασία και πίεση, πίεση ατμού, ενθαλπίες και εντροπίες ζέσης, τήξης και εξάχνωσης, Ισορροπίας φάσεων, GLΕ, LLΕ, SLΕ, (σταθερά Henry, συντελεστής κατανομής, διαλυτότητα), Μεταφοράς (ιξώδες, συντελεστής διάχυσης, θερμική αγωγιμότητα), Διεπιφάνειας (επιφανειακή τάση), Ασφάλειας (σημείο ανάφλεξης-flash point-, όριο εκρηκτικότητας-explosive limit-), Οικολογικές, περιβαλλοντικές

Προσδιορίζονται από πειράματα: Στόχος (Τarget), και Προδιαγραφές Προσδιορίζονται από πειράματα: Στόχος (Τarget), και Κατώτερο και Ανώτερο Όριο Προδιαγραφών (Lower και Upper Specification Limit) Aν οι τιμές Κρίσιμου Χαρακτηριστικού Ποιότητας έχουν κατανομή με μέσο y̅ και τυπική απόκλιση sy , είναι επιθυμητό: y̅ → Τ και [y̅ - ksy , y̅ + ksy ] ⊆ [LSL, USL] όπου k∊I+ (θετικός ακέραιος) Στο σύστημα ποιότητας Six Sigma (6σ), k = 3 Aν η κατανομή τιμών Κρίσιμου Χαρακτηριστικού Ποιότητας μπορεί να προσεγγισθεί από κανονική κατανομή, το διάστημα [ y̅ - 3sy , y̅ + 3sy ] περιέχει 99.7% του συνόλου των τιμών 6/10/2017

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (Critical Quality Attributes) Φυσικοχημικές Ιδιότητες είναι συνάρτηση δομής, άλλων γνωστών ιδιοτήτων, αναλογία συστατικών-components-, αντιστοίχων ιδιοτήτων συστατικών) Δύο προβλήματα: Υλικό  Ιδιότητες Ιδιότητες  Υλικό Εκτίμηση ιδιοτήτων με βάση : Βιβλιογραφία ή Ηλεκτρονικές Τράπεζες Δεδομένων (Data Base) Θεωρητικά μοντέλα (Κβαντομηχανική, Θερμοδυναμική, Στατιστική Μηχανική) Συσχετίσεις (correlations) που αναπτύχθηκαν από μεγάλο αριθμό δεδομένων. Συσχέτιση με διακριτές παραμέτρους, π.χ., αριθμός ατόμων άνθρακα ή θέση ατόμων άνθρακα στο μόριο ή συνεχείς μεταβλητές, π.χ., πίεση και θερμοκρασία Μεθόδους Συνεισφοράς (Ενεργών) Ομάδων (Group Contribution Methods) Σχέσεις Δομής - Ενεργότητας (QSAR) Συγκρίσεις (by association and trend) με όμοια υλικά Πειράματα 6/10/2017

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (Critical Quality Attributes) Ιδιότητες από Βιβλιογραφία και Ηλεκτρονικές Βάσεις Δεδομένων Για τις ιδιότητες κοινών χημικών ενώσεων, οργανικών και ανοργάνων, μιά καλή πηγή είναι Lange’s Handbook of Chemistry όπου εκτός από πίνακες δίνονται και εξισώσεις της μορφής f(T) ή f(T,p). Άλλα καλά εγχειρίδια είναι Chemical Properties Handbook (Yaws 1999) Handbook of Chemistry and Physics (Weast and Lide 1989), Tables of Physical and Chemical Constants (Kaye and Laby 1986). Πάντα χρήσιμο:Robert H. Perry and Don W. Green Perry’s Chemical Engineering Handbook, 7th edition,McGraw-Hill 1997 Δύο κλασσικά βιβλία για υπολογισμό ιδιοτήτων γραμμένα από ΧΜ είναι: The Properties of Gases and Liquids (Poling, Prausnitz, O’Connell 2001) και Properties of Polymers (van Krevelen and Nijenhuis 2009) Yπάρχουν επίσης βιβλία για εξειδικευμένα προϊόντα, όπως πετρέλαιο, Petroleum Products Handbook (Guthrie 1960), τρόφιμα, Physical Properties of Foods (Peleg and Bagley 1983). Ο κατάλογος Merck Index έχει στοιχεία για χημικά, φαρμακευτικά και βιολογικά προϊόντα 6/10/2017

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (Critical Quality Attributes) Ιδιότητες από Βιβλιογραφία και Ηλεκτρονικές Βάσεις Δεδομένων Φυσικοχημικές ιδιότητες για συγκεκριμένες κατηγορίες χημικών ενώσεων βρίσκονται σε ερευνητικές εργασίες δημοσιευμένες σε επιστημονικά περιοδικά της ΑCS και AIChE Τοξικές και άλλες επιβλαβείς ιδιότητες χημικών μπορεί να βρεθούν στο βιβλίο Hazardous Chemicals Desk Reference (Sax and Lewis 1987). Για παράδειγμα, το n-βουτάνιο κατατάσσεται στα εύφλεκτα αέρια, είναι μέτρια τοξικό αν εισπνευσθεί, προκαλεί υπνηλία, είναι ασφυξιογόνο, ιδιαίτερα εκρηκτικό όταν εκτεθεί στη φλόγα, και αποτελεί μεγάλο κίνδυνο για φωτιά όταν εκτεθεί σε θερμότητα, οξειδωτές και φλόγα. Ιδιότητες που επιρρεάζουν το περιβάλλον και την ασφάλεια δίνονται αντίστοιχα στις δημοσιεύσεις του ΕΡΑ και NIOSH. Ιδιότητες που σχετίζονται με το δυναμικό μιάς ένωσης να περάσει στην κατηγορία των αερίων του θερμοκηπίου (greenhouse gases) ή των επιβλαβών για το στρώμα του όζοντος που προστατεύει τον πλανήτη από την υπέρυθρη ακτινοβολία θα χρειαστεί να καθοριστούν

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (Critical Quality Attributes) Ιδιότητες από Βιβλιογραφία και Ηλεκτρονικές Βάσεις Δεδομένων Aρκετοί εκδοτικοί οίκοι έχουν βάλει τη βάση δεδομένων σε CD-ROM στην εσωτερική πλευρά του εξωφύλλου του βιβλίου, π.χ., Properties of Organic Compounds (Lide and Milne 1999) Στο διαδίκτυο (internet) υπάρχουν αρκετές βάσεις δεδομένων με φυσικοχημικές και άλλες ιδιότητες. Αρκετές από αυτές δεν έχουν ελεγχθεί για την ακρίβεια τους. Οι δυό πιό σημαντικές είναι : του NIST (National Institute of Science and Technology), Chemistry WebBook, (http://webbook.nist.gov/chemistry), δωρεάν, και του Beilstein, με το εμπορικό όνομα MDL Crossfire, με συνδρομή.

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (Critical Quality Attributes) Μέθοδοι υπολογισμού ιδιοτήτων Μοριακή Θεωρία α. Ιξώδες υγρού (Bird, R.B., Stewart, W.E. and Lightfoot, E.N. Transport Phenomena, Wiley, 2002) x y υx

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (Critical Quality Attributes) Μέθοδοι υπολογισμού ιδιοτήτων Μοριακή Θεωρία β. Διάχυση μεγαλομορίων, M, σε υγρό, L Stokes-Einstein equation και εξάρτηση ιδιότητας από μορφή μορίου Δ DML D

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (Critical Quality Attributes) Μέθοδοι υπολογισμού ιδιοτήτων Ομογενές Μείγμα : ιδιότητες από κανόνες μείγματος (mixing rules) Ιξώδες (διάλυμα) Ετερογενές μείγμα: ιδιότητες από θεωρίες φαινομενικού μέσου (effective medium theories) Ιξώδες (αιώρημα στερεών σφαιρών με την ίδια ακτίνα σε υγρό)

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (Critical Quality Attributes) Μέθοδοι υπολογισμού ιδιοτήτων Κανόνες (ομογενούς) Μείγματος (Mixing rules) α. Ιξώδες β. Πυκνότητα Θεωρίες Αποτελεσματικού Μέσου (Effective Medium Theories) Ιξώδες αιωρήματος στερεών σφαιρών με ακτίνα ενός μεγέθους σε υγρό

Σχεδιασμός Προϊόντων Προϊόντα Βασικά Χημικά (commodities), π.χ., αμμωνία Μοριακά, π.χ., φαρμακευτικά ενεργή ουσία Δομημένα, π.χ., κάψουλα φαρμάκου Συσκευές, π.χ., συσκευή αιμοκάθαρσης Αλληλουχία Σχεδιασμού σύμφωνα με τον Cussler & Moggridge (Chemical Product Design, Cambridge U. Press, 2nd ed., 2011) ΣΣ Ανάγκη Ω ΙδεΙ Ιδέα Σχεδιασμός Διεργασιών Προϊόντος Ανάπτυξη Βιομηχανική Παραγωγή 6/10/2017

Αναγκαιότητα προϊόντος από την τεχνολογία (technology push) Σχεδιασμός Προϊόντων Ιδέες Αναγκαιότητα προϊόντος από την τεχνολογία (technology push) Ιδέες: χρήσεις διαφορετικές από εκείνη για την οποία δημιουργήθηκε το προϊόν Παράδειγμα - Κατεστραμμένα ελαστικά αυτοκινήτων Έχουν δημιουργήσει μεγάλο πρόβλημα σε τοπικό,εθνικό και παγκόσμιο επίπεδο, γιατί στην πλειονότητα τους θάβονται συνήθως σε χωματερές (landfills). Τα χημικά και η ενέργεια που έχουν αποθηκευτεί στα ελαστικά έχουν χαθεί για πάντα όταν τα ελαστικά θάβονται. Άλλα συστατικά των ελαστικών όπως επιβραδυντικά φλόγας/φωτιάς, σταθεροποιητικά, χρώματα, κλπ., μπορεί να εκλυθούν από την κύρια μάζα (bulk) των ελαστικών στο περιβάλλον και να προκαλέσουν προβλήματα ρύπανσης του νερού και του εδάφους. Είναι φανερό ότι καλλίτεροι τρόποι χειρισμού των αποβλήτων από ελαστικά αυτοκινήτων χρειάζονται για περιβαλλοντικούς, κοινωνικούς και οικονομικούς λόγους Κοκκοποίηση των ελαστικών για χρήση στα οδοστρώματα, Χρήση για θερμική μόνωση, Θερμική πυρόλυση για παραγωγή χρήσιμων προϊόντων και Πυρόλυση με μικροκύματα για παραγωγή χρήσιμων προϊόντων 6/10/2017

Αναγκαιότητα προϊόντος από την αγορά (market pull) Σχεδιασμός Προϊόντων Ιδέες Αναγκαιότητα προϊόντος από την αγορά (market pull) Ιδέες: Χαρακτηριστικά Ποιότητας Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Ποιότητας (Critical Quality Attributes) προϊόντος: μετρήσιμα φυσικά μεγέθη που χαρακτηρίζουν το προϊόν Παράδειγμα - Στιγμιαίο (Instant) Cappuccino H εταιρεία σου αποφασίζει να βγάλει στην αγορά στιγμιαίο Cappuccino. Να ορίσετε τα χαρακτηριστικά ποιότητας, παράγοντες που τα επιρρεάζουν, και προδιαγραφές Χαρακτηριστικά Ποιότητας Κρίσιμα Επιθυμητά Χρήσιμα Εύκολο να παρασκευαστεί Χωρίς ζάχαρη Εμπλουτισμένο με βιταμίνες Υφή κρέμας/γάλακτος Χαμηλή περιεκτικότητα σε θερμίδες Διαθέσιμο σε ποικιλία γεύσεων/αρωμάτων Αφρώδες στην επιφάνεια Μεγάλη διάρκεια ζωής αφρού Μικρές ποσότητες σερβιρίσματος Οικονομικό Λίγα συντηρητικά ή πρόσθετα Με ή χωρίς καφείνη Συσκευασία ανθεκτική στην υγρασία Γεύση/άρωμα με φυσικές ουσίες Χωρίς καφείνη για παιδιά 6/10/2017

Παράδειγμα 1. Στιγμιαίο (Instant) Cappuccino ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Παράδειγμα 1. Στιγμιαίο (Instant) Cappuccino H εταιρεία σου αποφασίζει να βγάλει στην αγορά στιγμιαίο Cappuccino. Να ορίσετε τα χαρακτηριστικά ποιότητας, παράγοντες που τα επιρρεάζουν και προδιαγραφές Χαρακτηριστικά Ποιότητας & Παράγοντες Εύκολο να παρασκευαστεί ταχεία διάλυση του καφέ στο νερό καφές σε κρυσταλλικό ή άμορφο τύπο μέγεθος κόκκων & διαλυτότητα καφέ, θερμοκρασία Υφή κρέμας/γάλακτος γάλα με συγκεκριμμένη δομή και σταθερότητα δομής (γαλάκτωμα – emulsion;) Aφρώδες στην επιφάνεια σταθερότητα αφρού, ογκομετρικά κλάσματα υγράς και αέριας φάσης Οικονομικό €,€€ Συσκευασία ανθεκτική στην υγρασία διαπερατότητα υλικού συσκευασίας Προδιαγραφές Κόστος για καταναλωτή: < € 0.75 τα 30 ml Kόστος παρασκευής: € 0.25 τα 30 ml Ποσότητα για 1 σερβίρισμα: 1 κουταλιά Περιεχόμενο θερμίδων: < 50 θερμίδες το σερβίρισμα Επιτρεπτός χρόνος παραμονής πρίν την χρήση: < 6 μήνες Διάρκεια αφρού: > 20 minutes 6/10/2017

Μια καινούργια αλληλουχία Σχεδιασμού (ΔΧ) Σχεδιασμός Προϊόντων Μια καινούργια αλληλουχία Σχεδιασμού (ΔΧ) Ανάγκη Ω ΙδεΙ Ιδέα ΣΣ Σχεδιασμός Διεργασιών Προϊόντος Ανάπτυξη Βιομηχανική Παραγωγή Κρίσιμα Χαρακτηριστικά 6/10/2017

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος Απάντηση στην ερώτηση «Τι προϊόν θα παράγουμε;» οδηγεί στο Ανάγκη/-ες → y = (y1, y2, …, yN)Τ όπου y1, …, yN είναι μετρήσιμα φυσικά μεγέθη που αντιπροσωπεύουν την ποιότητα ή λειτουργικότητα του προϊόντος Απάντηση στην ερώτηση «Πως θα παράγουμε το συγκεκριμένο προϊόν;» οδηγεί στην Ιδέα κι αυτή με τη σειρά της στην αναγνώριση των κρίσιμων παραμέτρων, δηλαδή, των κρίσιμων χαρακτηριστικών (attributes) πρώτων υλών (raw materials), z = (z1, …, zL)Τ , και των κρίσιμων παραμέτρων διεργασίας, x = (x1, …, xM)Τ H βάση για το σχεδιασμό και την αυτόματη ρύθμιση και έλεγχο είναι ο προσδιορισμός της σχέσης y = y(z, x) 6/10/2017

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (ΚΧΠ) Επιλογή ΚΧΠ 80/20 κανόνας του Pareto 6/10/2017

Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (ΚΧΠ) Επιλογή ΚΧΠ Ανάλυση Αποτυχίας και Αποτελεσμάτων (Failure Mode Effect Analysis) Σοβαρότητα – αξιολογεί τη σοβαρότητα του αποτελέσματος πιθανής αποτυχίας στο επόμενο στοιχείο, υποσύστημα ή σύστημα. Μετράται σε κλίμακα από 1 μέχρι 10 Συχνότητα – εκτιμάται η πιθανότητα να παρουσιασθεί ειδική αιτία αποτυχίας. Από σύγκριση με δεδομένα του παρελθόντος (historical data), αναγνωρίζονται μεταβλητές που χρειάζονται περισσότερη ρύθμιση Διάγνωση – αξιολογεί τη δυνατότητα του συστήματος ρύθμισης να διαγνώσει αποτυχία Αριθμός Προτεραιότητας Διακινδύνευσης (Risk Priority Number) ΑΠΔ (RPN) = (Σοβαρότητα) x (Συχνότητα) x (Διάγνωση) 6/10/2017

Αποτέλεσμα Βαθμολογία Κριτήρια Υπολογισμού Σοβαρότητας FMEA Αποτέλεσμα Βαθμολογία Επικίνδυνο χωρίς προειδοποίηση (hazardous w/o warning) 10 Επικίνδυνο με προειδοποίηση (hazardous w warning) 9 Πάρα πολύ (very high) σοβαρό 8 Πολύ (high) σοβαρό 7 Αρκετά (moderately) σοβαρό 6 Λίγο (low) σοβαρό 5 Πολύ λίγο (very low) σοβαρό 4 Ελάχιστα (minor) σοβαρό 3 Πολύ ελάχιστα (very minor) σοβαρό 2 Καθόλου σοβαρό 1 6/10/2017

Κριτήρια Υπολογισμού Συχνότητας FMEA Πιθανότητα Αποτυχίας Βαθμολογία Πιθανότητα Αποτυχίας Βαθμολογία Πολύ μεγάλη (very high)Αποτυχία αναπόφευκτη>1 στα 2 10 1 στα 3 9 Μεγάλη (high)  Επαναλαμβανόμενη αποτυχία 1 στα 8 8 1 στα 20 7 Μέτρια (moderate)  1 στα 80 6 1 στα 400 5 1 στα 2,000 4 Χαμηλή (low)  Λίγες σχετικά αποτυχίες 1 στα 15,000 3 1 στα 150,000 2 Απομακρυσμένη (remote)  αποτυχία είναι απίθανη1 στα 1,500,000 1 6/10/2017

Κριτήρια Υπολογισμού (Βεβαιότητας) Διάγνωσης FMEA Διάγνωση Βαθμολογία Διάγνωση Βαθμολογία Απόλυτη αβεβαιότητα (absolute uncertainty) 10 Πολύ απομακρυσμένη (very remote) βεβαιότητα 9 Απομακρυσμένη (remote) βεβαιότητα 8 Πολύ μικρή (very low) βεβαιότητα 7 Μικρή (low) βεβαιότητα 6 Μέτρια (moderate) βεβαιότητα 5 Αρκετά υψηλή (moderately high) βεβαιότητα 4 Υψηλή (high) βεβαιότητα 3 Πολύ Υψηλή (very high) βεβαιότητα 2 Σχεδόν βέβαιη (almost certain) 1 6/10/2017

Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) AN(alysis)O(f)VA(riance) y = y (x1, x2, …, xk) y: 1 KXΠ xi, i = 1,…, I: I Παράμετροι Διεργασίας (ΠΔ) xij, j = 1,…, J: J τιμές του xi yijk , k = 1,…, K: K μετρήσεις του y για κάθε j τιμή του xi 6/10/2017

Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) AN(alysis)O(f)VA(riance) y = y (x1, x2, …, xk) y: 1 KXΠ xi, i = 1,…, I: I ΠΔ xij, j = 1,…, J: J τιμές του xi yijk , k = 1,…, K: K μετρήσεις του y για κάθε j τιμή του xi _______________________________________________________________________ Πηγή Άθροισμα Βαθμοί Μέσος Μεταβλητότητας Τετραγώνων Ελευθερία Τετραγώνων Μετρήσεις y για συγκεκριμένo xi SSiΜ J – 1 MSΜ Λάθος SSiE J (K – 1) MSE Σύνολο (μετρήσεων για όλες τις τιμές xi) SSiT J K – 1 6/10/2017

Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) AN(alysis)O(f)VA(riance) y = y (x1, x2, …, xk) y: 1 KXΠ xi, i = 1,…, I: I ΠΔ xij, j = 1,…, J: J τιμές του xi yijk , k = 1,…, K: K μετρήσεις του y για κάθε j τιμή του xi Aν Fi0 > Fα,J-1,K(J-1) (α = 0.01 ή 0.05 ⇒ 99% ή 95% πιθανότητα στην απόρριψη της μηδενικής υπόθεσης), η παράμετρος xi είναι σημαντική πηγή μεταβλητότητας για το κρίσιμο χαρακτηριστικό προϊόντος y , δηλαδή, είναι κρίσιμη παράμετρος διεργασίας Το μικρότερο α για το οποίο Fi0 > Fα,J-1,K(J-1) που παριστάνεται από το p ονομάζεται επίπεδο σημαντικότητας. Αν p < 0.05 ή 0.01, ο παράγοντας xi είναι σημαντικός σε επίπεδο σημαντικότητας p 6/10/2017

Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Σχεδιασμός Πειραμάτων Επιλογής (Screening Design Of Experiments) Στο DOE, με τον ελάχιστο αριθμό πειραμάτων παίρνουμε τη μέγιστη πληροφορία Στο DOE, αντίθετα με τον παραδοσιακό τρόπο σχεδιασμού και εκτέλεσης πειραμάτων, οι τιμές όλων των ανεξάρτητων μεταβλητών μεταβάλλονται ταυτόχρονα σε κάθε πείραμα (παραγοντικό DOE – factorial DOE) Στο DOE επιλογής, κάθε ανεξάρτητη μεταβλητή παίρνει μόνο 2 τιμές (DOE 2 επιπέδων), μια χαμηλή (-) και μία υψηλή (+). Σε ένα DOE επιλογής, ο ελάχιστος αριθμός πειραμάτων για την απόκτηση της μέγιστης πληροφορίας είναι 2n όπου n είναι ο αριθμός των ανεξάρτητων μεταβλητών Στο DOE επιλογής, οι φυσικές τιμές (με διαστάσεις) κάθε ανεξάρτητης μεταβλητής, που παριστάνονται με Χ (κεφαλαίο), με το μετασχηματισμό x = [Χ – (Χ+ + Χ-)/2] / [ (Χ+ - Χ-)/2], όπου οι φυσικές τιμές (με διαστάσεις) οι κωδικοποιημένες με x (μικρό), Χ+ και Χ- είναι οι επιλεγμένες φυσικές τιμές, υψηλή και χαμηλή, αντίστοιχα, και x+ = +1 και x- = -1 οι κωδικοποιημένες τιμές, υψηλή και χαμηλή, αντίστοιχα 6/10/2017

Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Χαμηλό (-) Υψηλό (+) xB xA b a ab (1) Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Eξετάζουμε την περίπτωση y = y(xA, xB) Mε 2 ανεξάρτητες μεταβλητές ή παράγοντες (factors), xA, xB, χρειαζόμαστε 22 πειράματα που παριστάνονται στην εικόνα από τα 4 σημεία στις κορυφές του τετραγώνου Η τιμή που παίρνει η ανεξάρτητη μεταβλητή ή απόκριση, y, παριστάνεται από ένα μικρού χαρακτήρα (όχι κεφαλαίο) γράμμα, π.χ., a, b σε κάθε κορυφή του τετραγώνου (αντιστοιχεί σε ένα πείραμα). Άν ένα γράμμα είναι σε συγκεκριμένη κορυφή, ο αντίστοιχος παράγοντας έχει την υψηλή του τιμή στο σημείο αυτό. Αν το γράμμα λείπει από την κορυφή, ο παράγοντας έχει χαμηλή τιμή για τη συγκεκριμμένη δοκιμή, π.χ., για τη κορυφή με το a οι παράγοντες, xA και xB, είναι στό υψηλό και χαμηλό επίπεδο, αντίστοιχα. Η κορυφή με τους δυο παράγοντες σε χαμηλό επίπεδο παριστάνεται από το (1) 6/10/2017

Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Χαμηλό (-) Υψηλό (+) xB xA b a ab (1) Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Eξετάζουμε την περίπτωση y = y(xA, xB) Για να υπολογίσουμε τήν κύρια επίδραση του xA στο y, Α, υπολογίζουμε το μέσο των μετρήσεων στη δεξιά πλευρά του τετραγώνου, όταν το xA είναι σε υψηλό επίπεδο, και αφαιρούμε από αυτό το μέσο των μετρήσεων στην αριστερή πλευρά του τετραγώνου όπου το xA είναι σε χαμηλό επίπεδο, δηλαδή, όπου n είναι ο αριθμός επανάληψης των 4 πειραμάτων (δοκιμών) του τετραγώνου. Παρόμοια για τήν κύρια επίδραση του xB στο y, Β, Στο DOE, υπάρχει και η αλληλοεπίδραση (interaction) των xA και xB, ΑΒ, που είναι η διαφορά του μέσου του y στα σημεία όπου οι παράγοντες δεν βρίσκονται στο ίδιο, χαμηλό ή υψηλό, επίπεδο, ͞yAB-,από το μέσο του y στα σημεία όπου οι παράγοντες βρίσκονται στο ίδιο, χαμηλό ή υψηλό, επίπεδο, yAB+ 6/10/2017

Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Χαμηλό (-) Υψηλό (+) xB xA b a ab (1) Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Eξετάζουμε την περίπτωση y = y(xA, xB) Aπό το DOE επιλογής ή 2-επιπέδων προκύπτει η ακόλουθη σχέση y = β0 + βΑxA + βBxB + βΑBxAxB Όπου β0 = ͞y = [(1) + a + b + ab]/4n βΑ = A/2 βB = B/2 βΑB = AB/2 Από τη σύγκριση των συντελεστών βΚ , Κ = A, Β, ΑΒ, μπορούμε να επιλέξουμε ως κρίσιμους τους παράγοντες xΚ , Κ = A, Β, ΑΒ, που έχουν τη μεγαλύτερη επίπτωση στήν μέση τιμή, μy, ή την μεταβλητότητα, σy, του y 6/10/2017

Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Eξετάζουμε την περίπτωση y = y(xA, xB, xC) Tο DOE επιλογής ή 2-επιπέδων γίνεται με το λογισμικό MINITAB και τα αποτελέσματα δίνονται με τη μορφή Σημαντικοί, δηλαδή, κρίσιμοι είναι οι παράγοντες για τους οποίους F0 > Fα,1,15, όπου α = 0.05 ή 0.01, με πιθανότητα 95% ή 99% αντίστοιχα. Επίσης, p-value < α σημαίνει ότι ο παράγοντας που αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο p είναι σημαντικός με πιθανότητα > α 6/10/2017

Ανάγκη → Ιδέα → Σχεδιασμός → Ανάπτυξη → Παραγωγή Ιδέες Το πρόβλημα χωρίζεται σε μικρότερα, ΄Ερευνα για υπάρχουσες ιδέες (αγορά: καταναλωτές, παραγωγοί, internet, βιβλιογραφία) 3. Έρευνα για νέες ιδέες (άκριτη σταχυολόγηση ιδεών από μέλη ομάδας σχεδιασμού), 4. Κατασκευάζονται δένδρα ιδεών (ideas tree) και χάρτες νόησης (mind maps) που παρατείνουν το χωρισμό του προβλήματος και υποδεικνύουν ανεξάρτητους τρόπους επίλυσης Διερεύνηση συνδυασμού ιδεών, και Δημιουργία καταλόγου και ταξινόμηση ιδεών γιά επιλογή της καλλίτερης και πραγματοποιήσιμης ιδέας 6/10/2017

ΑΝΑΛΥΣΗ ΙΔΕΩΝ ΓΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΛΛΙΤΕΡΗΣ Προσεκτική επιλογή ιδέας-για-αναφορά (benchmark) Υπάρχον προϊόν με μεγαλύτερο μερίδιο της αγοράς Προϊόν που πιστεύεται πως είναι το καλλίτερο Το υπό σχεδιασμό προϊόν με τις προδιαγραφές του Επιλογή των σπουδαιότερων παραγόντων για αξιολόγηση του προϊόντος και συντελεστών στάθμισης (weighting factors) Ωριμότητα σε επιστημονική γνώση (scientific maturity) Ευκολία σε μηχανική εφαρμογή (engineering ease) Βαθμός διακινδύνευσης (degree of risk) Ασφάλεια (safety) Μικρή επίδραση στο περιβάλλον (low environmental impact) Βιωσιμότητα (sustainability) Κανονικοποίηση παραγόντων στάθμισης Διαμόρφωση Πίνακα Επιλογής Ιδέας (Concept-Screening Matrix) Ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis) για παράγοντες στάθμισης

Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη Πρόβλημα  Θεραπεία διαβήτη τύπου 1 Πρόβλημα  Θεραπεία διαβήτη τύπου 1  Αρχή  Διαχείρηση σακχάρου στο αίμα Μέθοδος  Ένεση ινσουλίνης, μεταμόσχευση, γονιδιακή θεραπεία Συσκευή / Υλικό  ? Τμήμα (συσκευής) / Συστατικό (υλικού)  ? Λεπτομέρειες  ? 6/10/2017

Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη Επιλογή καλλίτερης και πραγματοποιήσιμης μεθόδου 1. Ινσουλίνη ταχείας αποτελεσματικότητας, Παρακολούθηση γλυκόζης στο αίμα από ασθενή, Ένεση ινσουλίνης από ασθενή 6/10/2017

Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη Επιλογή Συσκευής / Υλικού (Σύριγγα, / Διάλυμα ινσουλινης) Κριτήρια για σύστημα ένεσης: (Από ανάγκες καταναλωτή) - Ανώδυνο - Μικρή δύναμη για ενεργοποίηση - Ακριβές - Φορητό (Από ανάγκες παραγωγού) - Εύκολο να κατασκευαστεί - Κόστος κατασκευής μικρό 6/10/2017

Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη - Επιλογή Συσκευής / Υλικού Πίνακες κριτηρίων/αξιολόγησης (τύπων συσκευής) 6/10/2017

Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη - Επιλογή Συσκευής / Υλικού & Τμήματος (Βελόνας) / Συστατικού απολυμαντικό δίσκος ελέγχου οδοντωτός τροχός γρανάζι 6/10/2017

Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη - Επιλογή Συσκευής / Υλικού & Τμήματος (Βελόνας) / Συστατικού Για τελική επιλογή: Επιλογή γενικών ιδεών Απόρριψη παραλόγων (nonsense) και μη πραγματοποιήσιμων (no-go) ιδεών Αξιολόγηση γενικών ιδεών με επί μέρους σχεδιασμό για κάθε μιά Επιλογή καλλίτερης και πραγματοποιήσιμης ιδέας Τεχνικές χρήσιμες για την επιλογή: υπολογισμοί με τη Μηχανική και πίνακες κριτηρίων/αξιολόγησης 6/10/2017

Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη - Επιλογή Συσκευής / Υλικού & Τμήματος (Βελόνας) / Συστατικού Υπολογισμοί με τη μηχανική Λύση στο πρόβλημα: χρήση πολύ λεπτών βελόνων Οι βελόνες έχουν μήκος 6-8 mm για να εγχέουν ινσουλίνη σε κατάλληλο βάθος. Υπάρχουν δυό πιθανοί περιορισμοί: 1. Αν η βελόνα είναι λεπτή, κάμπτεται εύκολα 2. Αν ο αγωγός της βελόνας είναι μικρός, η δύναμη στον εμβολέα είναι μεγάλη Η βελόνα είναι μία λεπτή κολόνα με ένα σταθερό και ένα ελεύθερο στήριγμα Δύναμη για συμβεί κάμψη: F = 2 ・ π ・ E ・ I / L2 (Euler) Ε: μέτρο ελαστικότητας ή ακαμψίας, Ι: η δεύτερη ροπή της επιφάνειας, και L: μήκος της βελόνας Για σωλήνα ακτίνας r και πάχους w: I = (π/4) [r4 − (r − w)4] E = 2 x 1011 N m−2 για χάλυβα, r = 0.15 x10−3 m, w = 0.08 x 10−3 m, L= 8 x10−3 m F = 74 N περίπου ίση με τη δύναμη κάμψης άν η βελόνα πιεστεί πάνω σε σκληρή επιφάνεια 6/10/2017

Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη - Επιλογή Συσκευής / Υλικού & Τμήματος (Βελόνας) / Συστατικού Υπολογισμοί με τη μηχανική Σύριγγα για χορήγηση δόσης 0.60 mL σε μικρό χρόνο 2 δευτερόλεπτα (seconds) Διαφορά πίεσης κατά μήκος τριχοειδούς: Δp = 8 η L΄v / (r − w)2 (Poiseuille) η: ιξώδες υγρού, L΄: μήκος ροής στο τριχοειδές, v ταχύτητα ροής στο τριχοειδές: v= V / [π (r − w)2 t ] V: όγκος υγρού που ρέει στο τριχοειδές σε χρόνο t Δύναμη στο έμβολο: F = (π/4) D2 Δp = 2 η V L΄D2 / [(r − w)4t ] Ιξώδες τουλάχιστον ίσο με του νερού, πιθανόν υψηλότερο, η = 10−3 Pa s Μέρος του τριχοειδούς μέσα στην θήκη της βελόνας  μήκος ροής μεγαλύτερο από το μήκος της βελόνας, L΄ = 12 x10−3 m Mε V = 0.6 x10−6 m3 , t = 2 s, D = 9.4 x10−3 m  F = 26 N Το κάτω όριο της δύναμης είναι επίσης σημαντικό . Για λεπτότερες βελόνες η δύναμη αυξάνεται δραστικά 6/10/2017

Σχεδιασμός Από την ιδέα στη «συνταγή» Τα ενδιάμεσα βήματα: Κατανόηση προβλήματος Καταγραφή όλων των μεταβλητών, αναγνώριση κρίσιμων μεταβλητών και αλληλοεπιδράσεων Διαμερισμός προβλήματος σε κομμάτια Υπολογισμοί με μοντέλα και περιορισμένος αριθμός πειραμάτων υποβοηθούν κατανόηση. Εκτέλεση πειραμάτων παράλληλα Ενδιάμεσα βήματα επαναλαμβάνονται ώσπου να βρεθεί βέλτιστο Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) Πλεονεκτήματα της μεθόδου έναντι της επικάλυψης με χρώμα: (1) περιβαλλοντικά (δεν χρησιμοποιεί διαλύτες και το υλικό που δεν χρησιμοποιήθηκε ανακυκλώνεται) (2) αρκετά παχύ στρώμα σε μια επεξεργασία, (3) κόστος 6/10/2017

Σχεδιασμός προϊόντος Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) 3 μονομερή για το τελικό πολυμερές: Βήμα 1: ΝPG και TPA αντιδρούν 240οC και σχηματίζουν πολυεστέρα ΙΡΑ * Μονομερή και πολυμερές: υγρά * Μέσο μήκος πολυμερικής αλυσίδας εξαρτάται από λόγο ποσοτήτων αντιδραστηρίων * Απαιτείται περίσσεια ΝPG για καλή ανάμειξη αντιδραστηρίων * Νερό από αντίδραση απομακρύνεται με εξάτμιση στην αναρoή (reflux) 6/10/2017

Σχεδιασμός προϊόντος Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) Βήμα 2: Προστίθεται αρκετό IPA για να αναγκάσει τις αλυσίδες να έχουν όξινες ομάδες στα άκρα. IPA κάνει την αλυσίδα λιγότερο κανονική για να μην κρυσταλλωθεί (πολυμερή με μεγάλη κρυσταλλικότητα είναι δύσκολα για κατεργασία). Το τήγμα ψύχεται και ακολουθεί άλεση σε σκόνη Θερμοπλαστικά λεπτά στρώματα γραμμικών πολυεστέρων δεν έχουν καλές μηχανικές και χημικές ιδιότητες. Αποκτούν τέτοιες ιδιότητες με σταυροσυνδέσεις (cross-linking). Για τις σταυροσυνδέσεις χρησιμοποιείται τριγλυκιδυλικός-ισο-κυανιούχος αιθέρας ή TGIC που είναι στερεό στη θερμοκρασία δωματίου και κονιοποιείται. TGIC είναι καρκινογενές και πρέπει να χρησιμοποιείται με προσοχή. Όμως, το σταυροσυνδεδεμένο πολυμερές δεν είναι 6/10/2017

Σχεδιασμός προϊόντος Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) TGIC και πολυεστέρας σε μορφή σκόνης αναμειγνύονται σε εκβολέα στους 120 ◦C. Μπορεί να προστεθούν άλλες ουσίες, π.χ., χρώματα Εκβολέας λειτουργεί κάτω από θερμοκρασίες τήξης συστατικών γιά να αποφεύγεται δημιουργία σταυροσυνδέσεων πρίν την επικάλυψη επιφάνειας με σκόνη (σωματίδια πολυεστέρα και TGIC προσκολλώνται αλλά δεν αναμειγνύονται σε μοριακή κλίμακα) 6/10/2017

Σχεδιασμός προϊόντος Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) Μίγμα αλέθεται σε σκόνη που θα χρησιμοποιηθεί για επικάλυψη Παράμετροι σωματιδίων σκόνης: διάμετρος σωματιδίου σκόνης, Dp, διάμετρος σωματιδίου πολυεστέρα, Dpolyester ,διάμετρος TGIC σωματιδίου, DTGIC, ποσοστό όγκου κατειλημένου από TGIC, εTGIC Αντίδραση σταυροσύνδεσης: πάνω από θερμοκρασία τήξης σκόνης, ταχεία (διάρκεια100 s σε 220 οC)  μικρός χρόνος για τηγμένα σωματίδια να απλωθούν για να σχηματίσουν επίπεδο λεπτό στρώμα πολυμερούς Συνθήκες δημιουργίας αποδεκτού λεπτού στρώματος επικάλυψης ? Χρειάζονται πειράματα 6/10/2017

Σχεδιασμός προϊόντος Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) Πόσα πειράματα; Μεταβλητές: (1) τύπος διόλης, (2) τύπος διοξέος 1, (3) τύπος διοξέος 2, (4) ποσοστό διοξέος 2, (5) μήκος αλυσίδας πολυεστέρα, (6) ποσότητα υλικού για σταυροσύνδεση (σταυροσυνδετήρας-cross linker), (7) μέγεθος σωματιδίου πολυεστέρα, (8) μέγεθος σωματιδίου υλικού για σταυροσυνδέσεις, (9) μέγεθος σωματιδίου σκόνης επικάλυψης, (10) θερμοκρασία ωρίμανσης (curing), (11) χρόνος ωρίμανσης, (12) πάχος στρώματος επικάλυψης Για DOE 2-επιπέδων (αναγνώριση κρίσιμων μεταβλητών), όπου κάθε μεταβλητή παίρνει τιμές σε 2 μόνο σημεία, χαμηλό και υψηλό): 4096 πειράματα Με 1 πείραμα την ημέρα, χρειάζονται: 11 χρόνια  χρειάζεται διαφορετική προσέγγιση, π.χ., μοντέλα για καθορισμό χώρου σχεδιασμού (design space) 6/10/2017

Σχεδιασμός προϊόντος Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) Σκόνη ψεκάζεται (απλώνεται) στο υπόστρωμα (substrate). Προσκολάται λόγω ηλεκτρικής φόρτισης Υπόστρωμα με επικολημμένη σκόνη θερμαίνεται σε φούρνο πάνω από θερμοκρασία μαλάκυνσης  (1) Πολυεστέρας ρέει και απλώνεται πάνω στο υπόστρωμα, (2) TGIC διαχέεται στο πολυμερές και δημιουργεί σταυροσυνδέσεις  στερεό, σταυροσυνδεδεμένο στρώμα πολυμερούς επικάλυψης Μείωση αριθμού μεταβλητών Στρώμα επικάλυψης έχει ωρισμένες τιμές για ελαστικότητα, αντοχή στην κρούση, θερμοκρασία μαλάκυνσης (ιδιότητες του πολυμερούς)  επιλογή πολυμερούς από βιβλιογραφία Ποσότητα υλικού για σταυροσυνδέσεις αρκετή για ποσότητα πολυεστέρα ⇒ ποσοστό όγκου TGIC στη σκόνη καθορίζεται από το μήκος πολυμερικής αλυσίδας ⇒ 6 πρώτες μεταβλητές απαλείφονται 6/10/2017

Σχεδιασμός προϊόντος Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) Μεταβλητές, Dp, Dpolyester , DTGIC - Σωματίδια πολυεστέρα μικρά  ομοιογένεια στην κατανομή υλικού σταυροσυνδέσεων  Dpolyester = DTGIC - Ανάλυση ψεκασμού (spraying)  Dp ~ 30 μm Μέγιστο πάχος λεπτού στρώματος ~ α Dp , 1< α < 10 Σωματίδιο σκόνης τήκεται και διαβρέχει το υπόστρωμα. Υγρό σύρεται πάνω στην επιφάνεια από γραμμική τάση σ, που εξαρτάται από διεπιφανειακές τάσεις υγρού, στερεού και αερίου. Στην γραμμική τάση σ αντιτίθενται οι ιξώδεις τάσεις - Ισοπέδωση της σταγόνας υγρού εξαρτάται από αρχικό μέγεθος R0 και σταγόνα γίνεται πιό επίπεδη με αυξανόμενο χρόνο, t 6/10/2017

Σχεδιασμός προϊόντος Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) Διαστατική (Dimensional) Ανάλυση είναι ένα χρήσιμο εργαλείο Πείρα δείχνει ότι ενδιαφέροντα πράγματα συμβαίνουν όταν αδιάστατες ομάδες παίρνουν την τιμή 1. Έτσι βρέθηκε χρόνος ισοπέδωσης σταγόνας ίσος με 100 s Παρόμοια, υπολογίζεται χρόνος διάχυσης TGIC στο πολυμερές. Ισοπέδωση σταματά όταν πολυμερές σταυροσυνδέεται. Αυτό δεν συμβαίνει πρίν τη διάχυση του TGIC. TGIC διαχέεται στο τηγμένο πολυμές ώσπου αρκετή ποσότητα φθάνει σε απόσταση R1 (το μισό της απόστασης μεταξύ σωματιδίων TGIC) και η διάχυση σταματά. Ο χρόνος διάχυσης tD εξαρτάται από το συντελεστή και την απόσταση διά χυσης. Για τιμή αδιάστατης ομάδας ίση με 1, και απόσταση διάχυσης 3 μm (ισοδυναμεί με ακτίνα σωματιδίου1 μm περίπου), ο χρόνος περάτωσης σταυρο- σύνδεσης είναι της τάξης1000 s (μεγαλύτερος από χρόνο ισοπέδωσης) 6/10/2017

Σχεδιασμός προϊόντος Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) Σύνοψη - Επιλογή πολυμερούς από δεδομένα για bulk ιδιότητες  Μεταβλητές (1)-(6), τύπος διόλης, τύπος διοξέος 1, τύπος διοξέος 2, ποσοστό διοξέος 2, μήκος αλυσίδας πολυεστέρα, ποσότητα υλικού για σταυροσύνδεση, αντικαθίστανται από ιδιότητες Διάχυση δείχνει ότι μεταβλητή (7), μέγεθος σωματιδίου πολυεστέρα, δεν είναι κρίσιμη Όρια από ανάλυση ψεκασμού  μεταβλητές (9), μέγεθος σωματιδίου σκόνης, και (12), πάχος στρώματος, δεν χρειάζεται να εξετασθούν Χρόνος ωρίμανσης: πολλαπλάσιο του χρόνου σταυροσύνδεσης Απομένουν 2 μεταβλητές: 1. Μέγεθος σωματιδίου υλικού για σταυροσύνδεση, και 2. Θερμοκρασία ωρίμανσης, λίγο υψηλότερη από θερμοκρασία τήξης πολυμερούς Να βρεθούν οι τιμές μεγέθους σωματιδίου υλικού για σταυροσύνδεση και θερμοκρασία ωρίμανσης που βελτιστοποιούν την ποιότητα (ομαλότητα επιφάνειας) του λεπτού στρώματος επικάλυψης 6/10/2017

Κλιμάκωση (Scale up) Πολλές διαφορές μεταξύ εργαστηριακής και βιομηχανικής παραγωγής: Στα αρχικά στάδια της ανάπτυξης, οι πρώτες ύλες σε εργαστηριακή κλίμακα είναι τυποποιημένες χημικές ενώσεις με πολύ υψηλότερη ποιότητα και τιμή από αυτές που χρησιμοποιούνται στο εργοστάσιο. Σε μεταγενέστερα στάδια, αν είναι δυνατό, οι ίδιες πρώτες ύλες χρησιμοποιούνται και για τις δύο κλίμακες Το ίδιο ισχύει για όλα τα βοηθητικά υλικά, π.χ., πληρωτικό υλικό για στήλες, υλικό φίλτρων, καταλύτες, κλπ Τις περισσότερες φορές, διεργασίες σε εργαστηριακή κλίμακα είναι διαλείποντος έργου (batch), ενώ διεργασίες σε βιομηχανική κλίμακα είναι συνεχείς. Διεργασίες διαλείποντος έργου είναι πιό εύκολες και ευέλικτες από συνεχείς διεργασίες Τέλος, υπάρχουν πολλές διαφορές στον εξοπλισμό μεταξύ εργαστηριακής και βιομηχανικής κλίμακας 6/10/2017

όπου τα σωματίδια δημιουργούνται τόσο Κλιμάκωση Παράδειγμα – Ινουλίνη Πολυσακχαρίτης από ρίζες ραδίκιού. Ουσία υγιεινή, μη παχυντική, με γλυκεία γεύση, που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία τροφίμων. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν πληρωτικό- συνδετικό υλικό σε δισκία φαρμάκων; Παράγεται σε ποσότητες 10000 tn/yr, μικρότερες από αυτές για τη ζάχαρη. Η εκχύλιση και ο καθαρισμός της είναι παρόμοιος με αυτόν των ζαχαροτεύτλων. Κρυσταλλική ινουλίνη είναι δύσκολο να συμπιεσθεί. Παράγεται σε άμορφη φάση από ξήρανση με ψεκασμό (spray drying), όπου τα σωματίδια δημιουργούνται τόσο γρήγορα ώστε να μην μπορούν να κρυσταλ- λωθούν. Αυτό είναι το κρίσιμο στάδιο για να κατασκευαστεί καλό συνδετικό υλικό. Η μηχανή που κατασκευάζει τα δισκία εργά- ζεται με ρυθμό εκατοντάδων χιλιάδων δισκί- ων την ώρα. Ο χρόνος που διατίθεται για την πλήρωση της υποδοχής με κοκκώδες υλικό για συμπίεση είναι μερικά μικρο-δευτερόλεπτα 6/10/2017

Κλιμάκωση Παράδειγμα – Ινουλίνη Το έμβολο για τη συμπίεση του κοκκώδους υλικού πρέπει να έχει λιπαντικό αλλά το λιπαντικό επιδρά αρνητικά στην αποτελεσματικότητα του συνδετικού υλικού Ο παρακάτω πίνακας συγκρίνει τη μικροκρυσταλλική ινουλίνη με τη μικροκρυσταλλική κυτταρίνη (MCC), όξινο φωσφορικό ασβέστιο και μαννιτόλη (ένα άλλο σακχαρίτη). Η ινουλίνη συγκρίνεται ευνοϊκά με τις άλλες ουσίες σε πολλά σημεία. Μπορούμε να κάνουμε ένα καλό συνδετικό υλικό σε μικρή κλίμακα, κι άν αυτό είναι δυνατό, μπορούμε να κάνουμε το ίδιο σε μεγάλη κλίμακα; Θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε αυτές τις ερωτήσεις σε σχέση με τις ρεολογικές ιδιότητες και της σύνδεσης (των κόκκων) Η εικόνα που ακολουθεί δείχνει τους κόκκους της ινουλίνης που παράγονται από ξήρανση με ψεκασμό. Οι κόκκοι είναι σφαιρικά υαλώδη σωματίδια, τα μεγαλύτερα με διάμετρο 5 μm, και πολλά με κοίλο πυρήνα. Οι ρεολογικές ιδιότητες της ινουλίνης σε κοκκώδη μορφή αναμένεται να είναι καλές αν τα σωματίδια (1) δεν είναι πολύ μικρά και (2) δεν προσκολλώνται το ένα στο άλλο 6/10/2017

Η προσκόλληση των σωματιδίων αποφεύγεται, αν Κλιμάκωση Παράδειγμα – Ινουλίνη Η προσκόλληση των σωματιδίων αποφεύγεται, αν αυτά έχουν χαμηλή θερμοκρασία και μηδενική υγρα- σία. Επίσης τα σωματίδια πρέπει να είναι μεγάλα Τα σωματίδια είναι διαφόρων μεγεθών. Κάθε σωματί- διο έχει διάμετρο ισοδύναμης μάζας που είναι η διά- μετρος σφαίρας με μάζα ίση με τη μάζα του σωματι- δίου. Στο πάνω μέρος της εικόνας παρακάτω δίνεται η αθροιστική (cumulative) κατανομή των μεγεθών που δείχνει το κλάσμα της μάζας των σωματιδίων με διάμετρο μικρότερη μιας ορισμένης τιμής. Στο κάτω μέρος δίνεται η κατανομή συχνότητας που δίνει τις πιό συνηθισμένες τιμές για τη διάμετρο και προέρχεται από την αθροιστική κατανομή στο πάνω μέρος. Τα σωματίδια είναι δυνατό να χαρακτηρι- στούν με μια διάμετρο, d32 (Sauter) ή d50 (μέση) ή dmax, κλπ. Η κάθε μια από αυτές τις διαμέτρους έχει τις δικές της χρήσεις. Στο παράδειγμα μας η πιο ενδιαφέρουσα είναι η dmax 6/10/2017

Η εικόνα παράπλευρα δείχνει τη μεταβολή της αν- Κλιμάκωση Παράδειγμα – Ινουλίνη Η εικόνα παράπλευρα δείχνει τη μεταβολή της αν- τοχής του δισκίου με τη δύναμη συμπύκνωσης (compaction). Από την εικόνα αυτή φαίνεται πως η αντοχή του δισκίου δεν εξαρτάται από το λιπαντι- κό (στεατικό μαγνήσιο), που είναι επιθυμητό για συστήματα κοκωδών υλικών Όταν τα σωματίδια πιέζονται, καθένα με τα γειτονικά του, οι επιφάνειες που καλύπτονται με λιπαντικό δεν έχουν καλή συνδεσιμότητα. Αν όμως τα σωματίδια έχουν κοίλο πυρήνα, όπως στην περίπτωση της ινουλίνης, η θραύση τους δημιουργεί καινούργιες επιφάνειες οι οποίες έχουν καλή συνδεσιμότητα Είναι φανερό πως χρειάζονται ξηρά σφαιρικά σωματίδια του συνδετικού υλικού (ινουλίνης) με το ίδιο μέγεθος και κοίλο πυρήνα για διαφορετικές κλίμακες παραγωγής 6/10/2017

περιστρεφόμενο τροχό και ξηραίνονται Κλιμάκωση Παράδειγμα – Ινουλίνη Για την παραγωγή των σωματιδίων της ινουλίνης χρησιμοποιείται ο ξηραν-τήρας με ψεκασμό στην εικόνα που ακολουθεί. Είναι ένα μεγάλο κυλινδρικό δοχείο το κάτω μέρος του οποίου απολήγει σε κόλουρο κώνο. Θερμός αέρας εισέρχεται στον ξηραντήρα από πάνω. Υδατικό διάλυμα με υψηλή συγκέντρωση ινουλίνης διασπείρεται σε μορφή μικρών σταγόνων που εκσφενδονίζονται προς τα έξω από περιστρεφόμενο τροχό και ξηραίνονται γρήγορα από τον ζεστό αέρα. Οι ξηροί κόκκοι συλλέγονται στον πυθμένα του ξηραντήρα. Ο θερμός αέρας εγκαταλείπει τον ξηραντήρα με σωλήνα στο κωνικό τμήμα. Οι κόκκοι που παρασύρονται από το ρεύμα του θερμού αέρα διαχωρίζονται σε κυκλώνα Είναι φανερό πως χρειάζονται ξηραντήρες, ένας μικρός για γρήγορο και εύκολο πειραματισμό στο στάδιο της ανάπτυξης, κι ένας μεγάλος που ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις της παραγωγής. Χρειάζεται διαφορετική προσέγγιση στο σχεδιασμό των ψεκαστήρων για τους δύο ξηραντήρες 6/10/2017

Η εικόνα που ακολουθεί δείχνει το εσωτερικό του ξηραντήρα Κλιμάκωση Παράδειγμα – Ινουλίνη Είναι επιθυμητό οι δυο ξηραντήρες να παράγουν το ίδιο προϊόν, δηλαδή, να δημιουργούν σταγόνες του ιδίου μεγέθους με τις ίδιες συνθήκες ξήρανσης Η εικόνα που ακολουθεί δείχνει το εσωτερικό του ξηραντήρα Σταγόνες εκτοξεύονται από το άκρο του τροχού με ταχύτητα περίπου ίση με την ταχύτητα του άκρου, 100 ms-1, επι- βραδύνονται σε μικρή απόσταση από τον περιβάλλοντα αέρα και μεταφέρονται με την κυκλοφορία του αέρα. Το εξωτερικό τους πρέπει να είναι ξηρό πριν κτυπήσουν το τοίχωμα του ξηραντήρα. Στην αντίθετη περίπτωση, ο ξηραντήρας χρειάζεται καθάρισμα. Η κυκλοφορία του αέρα είναι μεγάλη και, σαν αποτέλεσμα, η θερμοκρασία και η υγρασία είναι περίπου σταθερές. ΄Ετσι, οι σταγόνες ξηραίνονται με περίπου σταθερό ρυθμό. O χρόνος ξήρανσης, tdry, είναι μερικά δευτερόλεπτα. Επίσης, tdry ~ ddrop 6/10/2017

Ο ψεκαστήρας είναι κυλινδρικός τροχός Κλιμάκωση Παράδειγμα – Ινουλίνη Ο ψεκαστήρας είναι κυλινδρικός τροχός με σχισμές και πτερύγια στην παράπλευρη επιφάνεια. Από τις σχισμές εξέρχονται λεπτά στρώματα υδατικού διαλύματος με μεγάλη συγκέντρωση ινουλίνης, τα οποία διασπώνται σε σταγόνες. Με κατάλληλες συνθήκες, το εξατμιζόμενο νερό μεταφέρει ινουλίνη στην επιφάνεια της σταγόνας όπου δημιουργεί φλοιό (skin) και, τελικά, σφαιρικό σωματιδιο με κοίλο πυρήνα. Η μέγιστη διάμετρος των σταγόνων συνδέεται με το ρυθμό ροής, τις διαστάσεις του τροχού, την ταχύτητα περιστροφής, τον αριθμό πτερυγίων Περιορισμοί: (1) 0.05 < Ρυθμός ροής < 0.5 (kg m-1 s-1) , (2) 0.05 < Διάμετρος ψεκαστήρα (m) 6/10/2017

O χρόνος που είναι διαθέσιμος για τις Κλιμάκωση Παράδειγμα – Ινουλίνη O χρόνος που είναι διαθέσιμος για τις σταγόνες να διανύσουν απόσταση ίση με την ακτίνα του ξηραντήρα είναι t = D / (2 vair) Απαιτούμενα: Μικρός ξηραντήρας: μικρή ταχύτητα εκ- τόξευσης σταγόνων, μικρή ταχύτητα κυκλοφορίας αέρα Μεγάλος ξηραντήρας: μεγάλες ταχύτητες για να αποφευχθούν συγκρούσεις και συσσωμάτωση Για να παράγουν οι ξηραντήρες μικρού και μεγάλου μεγέθους το ίδιο προϊόν πρέπει να έχουν την ίδια θερμοκρασία και υγρασία. Οι διαστάσεις τους δίνονται στον πίνακα παραπλεύρως 6/10/2017