Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων 15/10/2015 Δημήτρης Χατζηαβραμίδης, PhD, FAIChE Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 1ΔΧ.

Παρουσίαση με θέμα: "Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων 15/10/2015 Δημήτρης Χατζηαβραμίδης, PhD, FAIChE Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 1ΔΧ."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων 15/10/2015 Δημήτρης Χατζηαβραμίδης, PhD, FAIChE Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 1ΔΧ

2 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» 15/10/2015ΔΧ2

3 Η ανάγκη για Σχεδιασμό Χημικών Προϊόντων Η εξέλιξη της ΧΒ καθορίζει την αγορά εργασίας και την εκπαίδευση του Χημικού Μηχανικού 15/10/2015ΔΧ3 19752005

4 15/10/2015ΔΧ4 Η αγορά εργασίας για ΧΗΜ ΜΗΧ στην Ελλάδα Η πλειονότητα της βιομηχανίας στην Ελλάδα είναι Πρωτογενής ή Χημική Βιομηχανία (Πρώτες Ύλες → Διεργασίες → Προϊόντα, π.χ., καύσιμα, τσιμέντα, πλαστικά, τρόφιμα) όχι Συναρμολόγησης (π.χ., αυτοκίνητα, μηχανές, πλοία, αεροσκάφη) Θέσεις πρόσληψης για εργασία (ιδιωτικός + δημόσιος τομέας) << Αριθμός ατόμων που ψάχνουν για εργασία Ανάπτυξη;;; Παγκοσμιοποίηση αγοράς αγαθών & υπηρεσιών → Παγκοσμιοποίηση αγοράς εργασίας Δημιουργία θέσεων εργασίας - Επιχειρείν

5 Η ανάγκη για Σχεδιασμό Χημικών Προϊόντων Ο πυρήνας της ΧΜ προσαρμόζεται στις καινούργιες αγορές εργασίας Πρίν το 1925Βιομηχανική Χημεία (Industrial Chemistry) 1925 – 1950Βασικές Διεργασίες (Unit Operations) 1950 – 1975Επιστήμη Χημ. Μηχανικής (Transport Phenomena) Μετά το 1975Μηχανική Χημ. Συστημάτων (Chem. Systems Eng.) Σύστημα = Προϊόν + Διεργασία 15/10/2015ΔΧ5 Λιπάσματα Τρόφιμα Υλικά Επικάλυψης Πλαστικά Καύσιμα Ηλεκτρονικά Φαρμακευτικά Απορρυπαντικά Διατροφή Υγεία Μεταφορές Επικοινωνία, Διασκέδαση Ένδυση Οικιακά Χημικές Διεργασίες.....

6 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 15/10/2015ΔΧ6

7 15/10/2015ΔΧ7 “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 o 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) o Freon (CFC) – Aναζήτηση ψυκτικού που έχει σημείο βρασμού μεταξύ 0 και -40 ο C, 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

8 Βιβλιογραφία 15/10/2015ΔΧ8 1.E. L. Cussler and G. D. Moggridge, Chemical Product Design, ISBN 0-521-79633-4 (Cambridge University Press, 2001) – Προσέγγιση Χημικής Μηχανικής 2.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 3.J. Wei, Product Engineering, Molecular Structure and Properties, ISBN 0-190-515917-9 (Oxford University Press, 2007) -- Μοριακή Μηχανική 4.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 5.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

9 15/10/2015 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 o Βασικά Χημικά (commodities), π.χ., αμμωνία o Μοριακά, π.χ., φαρμακευτικά ενεργή ουσία o Δομημένα, π.χ., κάψουλα φαρμάκου o Συσκευές, π.χ., συσκευή αιμοκάθαρσης ΔΧ9 ΣΣ Ανάγκη Ω ΙδεΙ Ιδέα Σχεδιασμός Διεργασιών Σχεδιασμός Προϊόντος Ανάπτυξη Προϊόντος Βιομηχανική Παραγωγή

10 Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Πρότυπο με 4 βήματα 1.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 2.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 3.Επιλογή: Από τις τέσσερεις ιδέες που επιλέχθηκαν στο προηγούμενο βημάτων να επιλεγεί η καλλίτερη. Προϋποθέτει προσεγγιστικό υπολογισμό ιδιοτήτων 4.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, lammps, κλπ Σχεδιασμός Διεργασιών: με λογισμικό ASPEN/HYSIS, SUPERPRO, κλπ. 10

11 15/10/2015ΔΧ11 Ανάγκες Διαλεύκανση αναγκών του πελάτη σε τρία στάδια: 1.Συνεντεύξεις πελατών, 2.Αναγνώριση αναγκών, 3.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: 1.Άτομα, 2.Επιχειρήσεις ή δημόσιοι οργανισμοί, 3.«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

12 12 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: 1.Ομάδες στόχου (focus group) 2.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; 15/10/2015ΔΧ

13 Ανάγκες Η αξία της συνέντευξης πελατών εξαρτάται από την ικανότητα αυτού που παίρνει τη συνέντευξη να αποσπά χρήσιμες απαντήσεις Γενικές οδηγίες για τη συνέντευξη: 1.Ενθαρρύνετε συζήτηση σε παραπλήσια θέματα 2.Τονώστε συζήτηση με εναλλακτικά θέματα 3.Ζητείστε απαντήσεις όταν οι περιορισμοί αφαιρούνται 4.Να είστε σε ετοιμότητα για εκπλήξεις Αναγνώριση αναγκών Ανάγκες: Βασικές ή κρίσιμες, επιθυμητές, χρήσιμες Το νέο προϊόν πρέπει να: 1.Ικανοποιεί όλες τις βασικές, 2.Ικανοποιεί αρκετές από τις επιθυμητές, ιδίως αν τα προϊόντα των ανταγωνιστών δεν τις ικανοποιούν, 3.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 13

14 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 14

15 15/10/2015ΔΧ15 Παράδειγμα – Εναλλακτικά υγρά για αποπάγωση (de-icing) αεροπλάνων Ερώτηση: Τι χαρακτηριστικά του προϊόντος είναι λειτουργικά; Απάντηση: Είναι καλό προϊόν. Δουλεύει ακόμη και στους -30 ο C. 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 κρίσιμαΕπιθυμητάΧρήσιμα Λυώνει το χιόνιΜη καρκινογόνοΦθηνό ΕυκολόχρηστοΜη εύφλεκτοΑναμείξιμο με νερό Μη διαβρωτικόΑνακυκλώσιμοΔιαθέσιμο από πολλούς προ- μηθευτές

16 15/10/2015ΔΧ16 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, x di είναι το μοριακό κλάσμα του αποπαγωτικού, ΔΗ f είναι η ενθαλπία σύντηξης (enthalpy of fusion) του νερού. Η πιο σημαντική μεταβλητή για την επιλογή του αποπαγωτικού είναι το x di. Εκτίμηση των αναγκών των καταναλωτών Για να αποτιμήσουμε τις ανάγκες των καταναλωτών έχουμε δυό ειδών κλίμακες μέτρησης την ηδονιστική (hedonic), που μετράει τι αρέσει στον καταναλωτή, και αυτήν της έντασης (intensity), που μετράει τι αισθάνεται ο καταναλωτής.

17 Παράδειγμα – Εναλλακτικά υγρά για αποπάγωση (de-icing) αεροπλάνων Εκτίμηση των αναγκών των 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 πελάτη ως προς τη σκληρότητα και επαλειψιμότητα με μεταβολή συγκέντωσης πηλού. (γ), (δ) – Κλίμακες έντασης, σκληρότητα και επαλειψιμότητα συνδέονται μεταξύ τους και επαλειψιμότητα με μεταβολή σκληρότητας παράγει σχέση παρόμοια με αυτή της (δ) 17

18 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) 15/10/2015ΔΧ18

19 15/10/2015ΔΧ19 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

20 15/10/2015ΔΧ20 Προδιαγραφές Προσδιορίζονται από πειράματα: 1.Στόχος (Τarget), και 2.Κατώτερο και Ανώτερο Όριο Προδιαγραφών (Lower και Upper Specification Limit) Aν οι τιμές Κρίσιμου Χαρακτηριστικού Ποιότητας έχουν κατανομή με μέσο y̅ και τυπική απόκλιση s y, είναι επιθυμητό: y̅ → Τ και [ y ̅ - ks y, y ̅ + ks y ] ⊆ [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 [ y ̅ - 3s y, y ̅ + 3s y ] περιέχει 99.7% του συνόλου των τιμών

21 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 : 1.Βιβλιογραφία ή Ηλεκτρονικές Τράπεζες Δεδομένων (Data Base) 2.Θεωρητικά μοντέλα (Κβαντομηχανική, Θερμοδυναμική, Στατιστική Μηχανική) 3.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 4.Μεθόδους Συνεισφοράς (Ενεργών) Ομάδων (Group Contribution Methods) 5.Σχέσεις Δομής - Ενεργότητας (QSAR) 6.Συγκρίσεις (by association and trend) με όμοια υλικά 7. Πειράματα 15/10/2015ΔΧ21

22 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 15/10/2015ΔΧ22

23 15/10/2015ΔΧ23 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

24 15/10/2015ΔΧ24 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.http://webbook.nist.gov/chemistry

25 15/10/2015ΔΧ25 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 υxυx

26 15/10/2015ΔΧ26 D 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 D ML

27 15/10/2015ΔΧ27 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)

28 15/10/2015ΔΧ28 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

29 15/10/2015 Σχεδιασμός Προϊόντων Προϊόντα o Βασικά Χημικά (commodities), π.χ., αμμωνία o Μοριακά, π.χ., φαρμακευτικά ενεργή ουσία o Δομημένα, π.χ., κάψουλα φαρμάκου o Συσκευές, π.χ., συσκευή αιμοκάθαρσης Αλληλουχία Σχεδιασμού σύμφωνα με τον Cussler & Moggridge (Chemical Product Design, Cambridge U. Press, 2 nd ed., 2011) ΔΧ29 ΣΣ Ανάγκη Ω ΙδεΙ Ιδέα Σχεδιασμός Διεργασιών Σχεδιασμός Προϊόντος Ανάπτυξη Προϊόντος Βιομηχανική Παραγωγή

30 15/10/2015ΔΧ30 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 Ιδέες 1.Κοκκοποίηση των ελαστικών για χρήση στα οδοστρώματα, 2.Χρήση για θερμική μόνωση, 3.Θερμική πυρόλυση για παραγωγή χρήσιμων προϊόντων και 4.Πυρόλυση με μικροκύματα για παραγωγή χρήσιμων προϊόντων

31 15/10/2015ΔΧ31 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 ΕπιθυμητάΧρήσιμα 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 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

32 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 15/10/2015ΔΧ32

33 15/10/2015ΔΧ33 Ανάγκη Ω ΙδεΙ Ιδέα ΣΣ Σχεδιασμός Διεργασιών Σχεδιασμός Προϊόντος Ανάπτυξη Προϊόντος Βιομηχανική Παραγωγή ΙδεΙ Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Σχεδιασμός Προϊόντων Μια καινούργια αλληλουχία Σχεδιασμού (ΔΧ)

34 15/10/2015ΔΧ34 Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος Απάντηση στην ερώτηση «Τι προϊόν θα παράγουμε;» οδηγεί στο Ανάγκη/-ες → y = (y 1, y 2, …, y N ) Τ όπου y 1, …, y N 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 = (z 1, …, z L ) Τ, και των κρίσιμων παραμέτρων διεργασίας, x = (x 1, …, x M ) Τ H βάση για το σχεδιασμό και την αυτόματη ρύθμιση και έλεγχο είναι ο προσδιορισμός της σχέσης y = y(z, x)

35 15/10/2015ΔΧ35 Κρίσιμα Χαρακτηριστικά Προϊόντος (ΚΧΠ) Επιλογή ΚΧΠ 80/20 κανόνας του Pareto

36 15/10/2015ΔΧ36 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)

37 15/10/2015ΔΧ37 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 σοβαρό1

38 15/10/2015ΔΧ38 Κριτήρια Υπολογισμού Συχνότητας FMEA 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

39 15/10/2015ΔΧ39 Κριτήρια Υπολογισμού (Βεβαιότητας) Διάγνωσης FMEA 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

40 40 Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) AN(alysis)O(f)VA(riance) y = y (x 1, x 2, …, x k )y: 1 KXΠx i, i = 1,…, I: I Παράμετροι Διεργασίας (ΠΔ) x ij, j = 1,…, J: J τιμές του x i y ijk, k = 1,…, K: K μετρήσεις του y για κάθε j τιμή του x i 15/10/2015ΔΧ

41 15/10/2015ΔΧ41 Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) AN(alysis)O(f)VA(riance) y = y (x 1, x 2, …, x k )y: 1 KXΠx i, i = 1,…, I: I ΠΔ x ij, j = 1,…, J: J τιμές του x i y ijk, k = 1,…, K: K μετρήσεις του y για κάθε j τιμή του x i _______________________________________________________________________ ΠηγήΆθροισμαΒαθμοί Μέσος ΜεταβλητότηταςΤετραγώνωνΕλευθερία Τετραγώνων _______________________________________________________________________ Μετρήσεις y για συγκεκριμένη τιμή x SS iΜ J – 1 MS Μ Λάθος SS iE J (K – 1)MS E Σύνολο (μετρήσεων για όλες τις τιμές x i ) SS iT J K – 1

42 15/10/2015ΔΧ42 Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) AN(alysis)O(f)VA(riance) y = y (x 1, x 2, …, x k )y: 1 KXΠx i, i = 1,…, I: I ΠΔ x ij, j = 1,…, J: J τιμές του x i y ijk, k = 1,…, K: K μετρήσεις του y για κάθε j τιμή του x i Aν F i0 > F α,J-1,K(J-1) (α = 0.01 ή 0.05 επίπεδο σημαντικότητας ⇒ 99% ή 95% βεβαιότητα στην απόρριψη της μηδενικής υπόθεσης), η παράμετρος x i είναι σημαντική πηγή μεταβλητότητας για το κρίσιμο χαρακτηριστικό προϊόντος y, δηλαδή, είναι κρίσιμη παράμετρος διεργασίας

43 15/10/2015ΔΧ43 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 2 n 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

44 15/10/2015ΔΧ44 Χαμηλό (-) Χαμηλό (-) Υψηλό (+) Υψηλό (+) xBxB xAxA b a ab (1) Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Eξετάζουμε την περίπτωση y = y(x A, x B ) Mε 2 ανεξάρτητες μεταβλητές ή παράγοντες (factors), x A, x B, χρειαζόμαστε 2 2 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, x A και x B, είναι στό υψηλό και χαμηλό επίπεδο, αντίστοιχα. Η κορυφή με τους δυο παράγοντες σε χαμηλό επίπεδο παριστάνεται από το (1)

45 45 Χαμηλό (-) Χαμηλό (-) Υψηλό (+) Υψηλό (+) xBxB xAxA b a ab (1) Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Eξετάζουμε την περίπτωση y = y(x A, x B ) Για να υπολογίσουμε τήν κύρια επίδραση του x A στο y, Α, υπολογίζουμε το μέσο των μετρήσεων στη δεξιά πλευρά του τετραγώνου, όταν το x A είναι σε υψηλό επίπεδο, και αφαιρούμε από αυτό το μέσο των μετρήσεων στην αριστερή πλευρά του τετραγώνου όπου το x A είναι σε χαμηλό επίπεδο, δηλαδή, όπου n είναι ο αριθμός επανάληψης των 4 πειραμάτων (δοκιμών) του τετραγώνου. Παρόμοια για τήν κύρια επίδραση του x B στο y, Β, Στο DOE, υπάρχει και η αλληλοεπίδραση (interaction) των x A και x B, ΑΒ, που είναι η διαφορά του μέσου του y στα σημεία όπου οι παράγοντες δεν βρίσκονται στο ίδιο, χαμηλό ή υψηλό, επίπεδο, y AB-,από το μέσο του y στα σημεία όπου οι παράγοντες βρίσκονται στο ίδιο, χαμηλό ή υψηλό, επίπεδο, y AB+ 15/10/2015ΔΧ

46 15/10/2015ΔΧ46 Χαμηλό (-) Χαμηλό (-) Υψηλό (+) Υψηλό (+) xBxB xAxA b a ab (1) Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Eξετάζουμε την περίπτωση y = y(x A, x B ) Aπό το DOE επιλογής ή 2-επιπέδων προκύπτει η ακόλουθη σχέση y = β 0 + β Α x A + β B x B + β ΑB x A x B Όπου β 0 = y = [(1) + a + b + ab]/4n β Α = A/2 β B = B/2 β ΑB = AB/2 Από τη σύγκριση των συντελεστών β Κ, Κ = A, Β, ΑΒ, μπορούμε να επιλέξουμε ως κρίσιμους τους παράγοντες x Κ, Κ = A, Β, ΑΒ, που έχουν τη μεγαλύτερη επίπτωση στήν μέση τιμή, μ y, ή την μεταβλητότητα, σ y, του y

47 15/10/2015ΔΧ47 Κρίσιμοι Παράμετροι Διεργασίας (Critical Process Parameters) Eξετάζουμε την περίπτωση y = y(x A, x B, x C ) 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 F 0 > F α,1,15, όπου α = 0.05 ή 0.01, με βεβαιότητα 95% ή 99% αντίστοιχα

48 15/10/2015ΔΧ48 Στάδια Σχεδιασμού Προϊόντων 1.Αναγνώριση αναγκών 2.Γέννηση ιδεών 3.Επιλογή καλλίτερων ιδεών 4.Σχεδιασμός βιομηχανικής παραγωγής Επιλογή καλλίτερων ιδεών Έπειτα από σύγκριση με βάση: 1.Τεχνικά κριτήρια Χρήση θερμοδυναμικής, κινητικής χημικών αντιδράσεων και φαινομένων μετα- φοράς (ρυθμοί μεταφοράς μάζας και ενέργειας) 2.Τεχνικά και υποκειμενικά κριτήρια Υποκειμενικά κριτήρια έχουν σχέση με αντίδραση καταναλωτών, π.χ., άνεση, και κοινή γνώμη, π.χ., ασφάλεια Υποκατάσταση σε προϊόντα Γίνεται με βάση ειδικά χαρακτηριστικά καταναλωτικών προϊόντων: 1.Φυσικό ή συνθετικό Ανάλογα με την προέλευση των συστατικών, π.χ., φύση ή εργαστήριο 2.Χαρακτηριστικά που εκφράζουν για τον καταναλωτή επιτυχία ή αποτυχία Παράδειγμα: Καλές κρέμες για το δέρμα χαρακτηρίζονται από παχύρευστη (thickness), απαλή (smoothness) και κρεμώδη (creaminess) υφή

49 15/10/2015ΔΧ49 Υποκατάσταση σε προϊόντα Φυσικό ή συνθετικό συστατικό Αν ένα χημικό συστατικό είναι ισομερικά καθαρό, δύσκολο να πει κανείς αν προέρχεται από τη φύση ή το εργαστήριο. Είναι δυνατό τότε, καθαρό συστατικό με φυσική προέλευση να αντικαταστήσει το ίδιο συστατικό με συνθετική προέλευση και το αντίστροφο Αν ένα συστατικό όμως είναι μη καθαρό, πρέπει να εξεταστούν και άλλοι παράγοντες για να αποφασιστεί η υποκατάσταση του. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το συστατικό με φυσική προέλευση είναι μη καθαρό. Αυτό δεν σημαίνει ότι είναι κατώτερης ποιότητας ή λιγότερο επιθυμητό. Για παράδειγμα, συστατικό που μπορεί να περιέχει γαλακτοματοποιητή (emulsifier) ή επιφανειακά ενεργή ουσία (surfactant) που διευκολύνει την ανάμειξη (mixing) Χαρακτηριστικά που εκφράζουν επιτυχία ή αποτυχία Παράδειγμα: Καλές κρέμες για το δέρμα χαρακτηρίζονται από παχύρευστη (thickness), απαλή (smoothness) και κρεμώδη (creaminess) υφή Ανάγκη για σχέσεις καταναλωτικών χαρακτηριστικών και φυσικών ιδιοτήτων προϊόντος παχύρευστη (thickness) ~ (ιξώδες) 0.33 απαλή (smoothness) ~ συντελεστής τριβής ή οπισθέλκουσας ~ οπισθέλκουσα κρεμώδη (creaminess)= [παχύρευστη (thickness)xαπαλή (smoothness)] 1/2

50 50 15/10/2015 ΔΧ Υποκατάσταση συστατικών με σκοπό τη βελτίωση προϊόντος και για λόγους κόστους, προστασίας περιβάλλοντος (environmental) ή ασφάλειας (safety). Συχνά επιδιώκεται αναπαραγωγή ιδιοτήτων ή επίδοσης (performance) προϊόντος πριν την υποκατάσταση Επιλογή με χρήση Θερμοδυναμικής Παράδειγμα - Εναλλακτικός οργανικός διαλύτης Λιγότερο πτητικός, λιγότερο τοξικός, με μικρότερη περιβαλλοντική επίπτωση και μικρότερο κόστος CH 2 Cl 2 : συχνότερα χρησιμοποιούμενος οργανικός διαλύτης, καρκινογόνος ουσία Εναλλακτικοί διαλύτες: CH 3 OH, CH 3 COCH 3 Καλλίτερη μέθοδος για ανακάλυψη εναλλακτικών διαλυτών: πειράματα Οδηγός για επιλογή εναλλακτικού διαλύτη: παράμετροι διαλυτότητας (Hildebrand, 1970; Hansen, 1999) μ 2 - χημικό δυναμικό του συστατικού 2 σε διάλυμα με διαλύτη το συστατικό 1 σε θερμοκρασία Τ και πίεση p μ 2 0 - χημικό δυναμικό του καθαρού συστατικού 2 σε θερμοκρασία Τ και πίεση p x i, i = 1,2 – μοριακό κλάσμα διαλύτη 1, συστατικού 2 ω – ενεργότητα (activity) σε μονάδες ενέργειας/mole, ω > 0, για ιδανικά διαλύματα ω = 0 V 2 – μοριακός όγκος συστατικού 2 δ i, i = 1,2 – παράμετροι διαλυτότητας διαλύτη 1 και συστατικού 2

51 15/10/2015ΔΧ51 Επιλογή με χρήση Θερμοδυναμικής Παράδειγμα - Εναλλακτικός οργανικός διαλύτης Καλλίτερη μέθοδος για ανακάλυψη εναλλακτικών διαλυτών: πειράματα Οδηγός για επιλογή εναλλακτικού διαλύτη: παράμετροι διαλυτότητας Όσο πιο διαφορετικές τιμές έχουν οι παράμετροι διαλυτότητας διαλύτη 1 και διαλυτοποιημένου συστατικού 2, τόσο περισσότερο μη αναμίξιμα είναι τα 1 και 2, δηλαδή τόσο περισσότερο μη ιδανικό είναι το διάλυμα Πίνακας με τιμές παραμέτρων διαλυτότας δίνεται στη διαφάνεια που ακολουθεί Παράδειγμα – εναλλακτικός διαλύτης αντί για χλωροφόρμιο που έχει δ 1 = 9.2 (cal/cm 3 ) 1/2 είναι το βενζόλιο με δ 1 = 9.2 (cal/cm 3 ) 1/2 Βελτίωση συστατικών Υποκατάσταση συστατικών από άλλα υπέρτερα Συχνά προτιμώνται συστατικά με ιδιότητες που είναι ισχυρές συναρτήσεις της θερμοκρασίας και του pH Παράδειγμα – υδατοδιαλυτά απορροφητικά μέσα (absorbents) όπως οι μονοαιθανολαμίνες που χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση όξινων αερίων αμίνη + (όξινο αέριο) CO2 ---> ανθρακικό άλας (carbonate, υδατοδιαλυτό, διαλύεται με ελαφρά θέρμανση) Αντιδράσεις αμινών είναι γρήγορες και η ισορροπία τους με όξινα αέρια αλλάζει ριζικά με αλλαγή της θερμοκρασίας

52 15/10/2015ΔΧ52

53 15/10/2015ΔΧ53 Βελτίωση συστατικών Ιδιότητες που μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία H 2 S(g) + RNH 2 (aq) ⇄ RNH 3 + (aq) + HS - (aq) Η σταθερά ισορροπίας Κ από την σχέση K = exp(-ΔG 0 /RT) = exp(-ΔH 0 / RT+ ΔS 0 / R) ΔG 0, ΔH 0, ΔS 0 : ελεύθερη ενέργεια, ενθαλπία και εντροπία σε κανονικές συνθήκες Ιδίοτητες που μεταβάλλονται με pH Φαρμακευτικές ουσίες με καρβοξυλικές ή αμινικές ομάδες μπορούν να απομονωθούν και να καθαριστούν με εκχύλιση υγρού-υγρού (extraction). Παράδειγμα: πενικιλλίνη που έχει καρβοξυλική ομάδα _________________________ [RCOOH] org και [R ̅̅̅̅̅ COOH] H2O, συγκεντρώσεις του RCOOH σε οργανική και υδατική φάση, είναι σε ισορροπία __________________ [RCOOH] org = K [R ̅̅̅̅̅ COOH] H2O (1) Η ουσία στην οργανική φάση δεν ιονίζεται, ιονίζεται όμως στην υδατική: __________________ [RCOOH] H2O = [R ̅̅̅̅̅ COOH] H2O + [R ̅̅̅̅̅ COO - ] H2O (2) Η + και RCOO - είναι σε ισορροπία στην υδατική φάση: [H + ] H2O [RCOO - ] H2O = K a [RCOOH] H2O (3) K a είναι η σταθερά διάσπασης του RCOOH

54 15/10/2015ΔΧ54 Βελτίωση συστατικών Ιδίοτητες που μεταβάλλονται με pH Φαρμακευτικές ουσίες με καρβοξυλικές ή αμινικές ομάδες μπορούν να απομονωθούν και να καθαριστούν με εκχύλιση υγρού-υγρού (extraction). Παράδειγμα: πενικιλλίνη που έχει καρβοξυλική ομάδα Πραγματική ισορροπία υδατικής και οργανικής φάσης: [RCOOH] org = K΄ [R ̅̅̅̅̅ COOH] H2O (4) Από (2) & (4): (5) Η σταθερά ισορροπίας Κ από (1) και (5): μεταβάλλεται δραματικά με την συγκέντρωση οξέος

55 Επιλογή με χρήση Κινητική Θερμοδυναμική είναι η επιστήμη του τι είναι εφικτό. Κινητική είναι η επιστήμη του πόσο γρήγορα μπορεί να γίνει κάτι που είναι εφικτό, και κατά συνέπεια ποιό είναι το κόστος της υλοποίησης του εφικτού Χημικές αντιδράσεις: ο ρυθμός τους δεν μπορεί να προβλεφθεί εκ των προτέρων (a priori). Χρειάζονται πειράματα. ΄Οταν όμως δεν υπάρχουν πειραματικά δεδομένα, μπορεί κανείς να υπολογίσει το μέγιστο ρυθμό της αντίδρασης με την παραδοχή ότι ο ρυθμός της χημικής αντίδρασης ελέγχεται από το ρυθμό μεταφοράς μάζας, δηλαδή το ρυθμό διάχυσης (diffusion). Ο ρυθμός μεταφοράς μάζας όπως και ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας είναι εύκολο να προβλεφθούν. Εργάζεται κανείς με τους συντελεστές μεταφοράς μάζας ή θερμότητας και τις αναλογίες τους Κινητική χημικών αντιδράσεων r → mole ανά όγκο ανά χρόνο r0 ης τάξηςκαταλυτική αντίδραση k΄΄ → mole ανά όγκο ανά χρόνο 1 ης τάξηςπλέον συνηθισμένη k → (χρόνος) -1 ψευδο-1 ης τάξηςc 2 >> c 1 2 ας τάξης c 2 ~ c 1 k΄ → όγκος ανά mole ανά χρόνο 55

56 Επιλογή με χρήση Κινητική Κινητική χημικών αντιδράσεων k΄΄, k, k΄ → προσδιορίζονται από πειράματα Προσδιορισμός μέγιστου ρυθμού χημικής αντίδρασης Ρυθμός χημικής αντίδρασης ελέγχεται από το ρυθμό μεταφοράς μάζας Διαφορετικός υπολογισμός για ετερογενείς και ομογενείς χημικές αντιδράσεις. Ευκολότερος υπολογισμός για ετερογενείς Ετερογενής χημική αντίδραση Εξετάζονται αναντίστρεπτες χημικές αντιδράσεις 1 ης τάξης Καύση σωματιδίων άνθρακα στον αέρα. Αντίδραση γίνεται στην επιφάνεια σωματιδίων. Κινητική σταθερά k δίνεται από τη σχέση (αντιστάσεις χημικής αντί- δρασης και μεταφοράς μάζας παράλληλες) k M : συντελεστής μεταφοράς μάζας (με διάχυση) k S : κινητική σταθερά αντίδρασης στην επιφάνεια α:ειδική επιφάνεια, επιφάνεια/όγκο Αν η αντίδραση στην επιφάνεια είναι πολύ γρήγορη, k S >>k M και k ≈ k M α = k D α k D : 10 -3 cm/s σε υγρή φάση ή 1 cm/s σε αέρια φάση Για τον υπολογισμό του μέγιστου ρυθμού χρειάζεται η ειδική επιφάνεια, α 56

57 15/10/2015ΔΧ57 Επιλογή με χρήση Κινητική Προσδιορισμός μέγιστου ρυθμού χημικής αντίδρασης Ετερογενής χημική αντίδραση Για τον υπολογισμό του μέγιστου ρυθμού χρειάζεται η ειδική επιφάνεια, α Ρυθμός αντιδράσεων με σωματίδια καταλύτη, μικροοργανισμούς, σταγόνες γαλα- κτώματος ελέγχεται από μεταφορά μάζας Ομογενής χημική αντίδραση Εξετάζονται αναντίστρεπτες αντιδράσεις. Αν το σύστημα είναι αρχικά καλά αναμειγμένο και η αντίδραση είναι στιγμιαία (εξαιρετικά γρήγορη), ο ρυθμός της αντίδρασης δίνεται από τη σχέση k = 4π( D 1 +D 2 )σÑc 2 (1) D 1,D 2 : συντελεστές διάχυσης για αντιδραστήρια 1 & 2 – 1 σε περιορισμένη ποσότητα, 2 σε περίσσεια σ: διάμετρος συγκρούσεων ~ 5 Å Ñ: αριθμός Avogadro, = 6.02214 x 10 23 μόρια/gmol Συστήματα με εξαιρετικά γρήγορες αντιδράσεις δεν είναι καλά αναμειγμένα στην αρχή και (1) δεν ισχύει. Ρυθμός ομογενούς αντίδρασης προσδιορίζεται από τη σχέση k = 4 ( D 1 +D 2 )/l 2 (2) l: μέσο μέγεθος δίνης σε ανάμειξη

58 15/10/2015ΔΧ58 Επιλογή με χρήση Κινητική Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Δείχτηκε προηγουμένως πως η κινητική σταθερά χημικής αντίδρασης συνδέεται με το συντελεστή μεταφοράς μάζας που, με τη σειρά του, υπολογίζεται ως εξής, ανάλογα με τον μηχανισμό μεταφοράς: Διάχυση Από μοντέλο λεπτού στρώματος (δ: πάχος λεπτού στρώματος ή απόσταση στην οποία παρατηρείται αλλαγή της συγκέντρωσης) k M = D /δ Υγρά: k M ~ 10 -3 cm/s, D ~ 10 -5 cm 2 /s  δ ~ 100 μm = 0.01 cm Αέρια: k M ~ 1 cm/s, D ~ 0.1 cm 2 /s  δ ~ 100 μm = 0.1 cm Συναγωγή (Convection) ή Ροή + Διάχυση Αναλογίες συντελεστών μεταφοράς μάζας και θερμότητας: σχέσεις με αδιάστατα μεγέθη του ίδιου τύπου για μεταφορά μάζας και θερμότητας Εξαναγκασμένη συναγωγή (forced convection) Nu = G(Re, Pr)Sh = G(Re, Sc) Ελεύθερη συναγωγή (free convection) Nu = H(Gr h, Pr)Sh = H(Gr m, Sc) G & H : τύπος συνάρτησης, ίδιος για μάζα και θερμότητα

59 15/10/2015ΔΧ59 Επιλογή με χρήση Κινητική Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Εξαναγκασμένη συναγωγή (forced convection) Nu = G(Re, Pr)Sh = G(Re, Sc) Ελεύθερη συναγωγή (free convection) Nu = H(Gr h, Pr)Sh = H(Gr m, Sc) Νu: αριθμός Nusselt, = h l / λSh: αριθμός Sherwood, = k M l / D h συντελεστής μεταφοράς θερμότητας k M συντελεστής μεταφοράς μάζας l χαρακτηριστικό μήκος (μήκος ή διάμετρος σωλήνα) λ συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας D συντελεστής διάχυσης (μάζας) Re: αριθμός Reynolds, = ρu l /μ Pr: αριθμός Prandtl, = ν/αSc: αριθμός Schmidt, = ν/ D ν κινηματικό ιξώδες, συντελεστής διάχυσης ορμής, μ/ρ α συντελεστής θερμικής διάχυσης, λ/ρc p Gr h : αριθμ. θερμότ. Grashoff, = l 3 ρ 2 gβΔΤ/μ 2 Gr μ : αριθμ. μάζας Grashoff, = l 3 ρ 2 gξΔx/μ 2 β συντ. συμπιεστότητας, = -(∂ρ/∂Τ) p /ρ ξ συντ. συμπιεστότητας, = -(∂ρ/∂x) /ρ

60 15/10/2015ΔΧ60 Επιλογή με χρήση Κινητική Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Αναλογία Chilton-Colburn Ισχύει για τυρβώδη ροή u: ταχύτηταf: συντελεστής τριβής ή οπισθέλκουσας Αέρια: ν, D ~ 0.1 cm 2 /s  k M = h/ρc p αναλογία Reynolds, k M = h/ρc p ~ 1 cm/s Υγρά: α ~ 10 -2 cm 2 /s, D ~ 10 -5 cm 2 /s  k M ~ 10 -3 cm/s  h/ρc p ~ 0.1 cm/s Κατάσταση k M, cm/s h/ρc p, cm/sh, W/m 2 K Αέρια που ρέουν113 Νερό που ρέει0.0010.15000 Οργανικά υγρά που ρέουν0.0010.11000 Υγροποιημένος ατμός/νερό σε βρασμό - -2000

61 15/10/2015ΔΧ61 Επιλογή με χρήση Κινητική Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Παράδειγμα – Η τέλεια κούπα καφέ Μας ζητήθηκε από μια εταιρεία με αλυσίδα καταστημάτων αναθαθμισμένης (upmarket) καφετέριας να σχεδιάσουμε βελτιωμένη κούπα καφέ. Η κούπα που χρησιμοποιείται έχει όγκο 200 cm 3 και επιφάνεια, περιλαμβανομένων της βάσης και της οροφής, 200 cm 2. Η βελτιωμένη κούπα πρέπει να «κρατάει» τον καφέ στην βέλτιστη θερμοκρασία πόσης περίπου 51 0 C για όσο το δυνατό μεγαλύτερο διάστημα. Πειραματικά δεδομένα για την ψύξη του καφέ σε σκεπαστή και ασκέπαστη κούπα δίνονται στην παρακάτω εικόνα. Εξετάζονται 3 ιδέες: 1.Κούπα με καλλίτερη μόνωση (insulation) 2.Κούπα με το δικό της αυτόνομο θερμαντήρα 3.Κούπα με θερμική δεξαμενή που τήκεται στους 50 0 C Το ισοζύγιο ενέργειας για τον καφέ στην κούπα είναι (1) ρ πυκνότητα καφέ, c v ≈ c p ειδική θερμότητα καφέ, V και Α όγκος και επιφάνεια καφέ, Τ θερμοκρασία καφέ, Τ 0 θερμοκρασία αέρα Με ολοκλήρωση της παραπάνω εξίσωσης

62 Επιλογή με χρήση Κινητική Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Παράδειγμα – Η τέλεια κούπα καφέ Τα δεδομένα της εικόνας συμφωνούν με την παραπάνω σχέση. Από την κλίση της ευθείας στην εικόνα τ = 24 και 40 min για την ασκέπαστη και σκεπαστή κούπα, αντί- στοιχα. Με αυτές τις τιμές, από την (2b), U = 57 και 17 W/m 2 για την ασκέπαστη και σκεπαστή κούπα, αντίστοιχα. H πρώτη ιδέα με καλλίτερη μόνωση πρέπει να στοχεύει στο να μειωθεί ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας U, δηλαδή να μειωθεί η κλίση της ευθείας των δεδομένων. Υπάρχουν πολλοί τρόποι για μόνωση και μερικοί από αυτούς δεν κοστίζουν πολλοί. Η ιδέα αξίζει να προχωρήσει στο στάδιο της ανάπτυξης. Στη δεύτερη ιδέα, η κούπα είναι ασκέπαστη και ο αυτόνομος θερμαντήρας της αρχίζει να λειτουργεί όταν η θερμοκρασία πέσει στους 50 0 C. O θερμαντήρας θα δώσει θερμότητα Q = UA(T-T 0 ) = 57 W/(m 2 0 C)(0.04 m 2 )(51-20)=70 W Mέση μπαταρία C δίνει 1 W. Θα χρειαστούν πάρα πολλές μπαταρίες και η ιδέα δεν είναι πρακτική. Στην τρίτη ιδέα η μόνωση θα αντικατασταθεί από ένα λεπτό στρώμα υλικού που τήκεται κοντά στους 50 0 C. Μια τέτοια κούπα συμπεριφέρεται πολύ διαφορετικά από την κούπα με τη μόνωση. ΄Οταν ο ζεστός καφές χύνεται στην κούπα, το υλικό αυτό τήκεται και αυτό ψύχει τον καφέ. ‘Όταν η θερμοκρασία του καφέ φτάσει στο σημείο τήξης του υλικού, το υλικό αρχίζει να ψύχεται. Η θερμότητα τήξης κρατάει την θερμοκρασία του καφέ κοντά στο σημείο τήξης του υλικού ώσπου όλο το υλικό να ψυχθεί. Από κεί και πέρα ο καφές θα αρχίσει να ψύχεται με τον κανονικό τρόπο. 62

63 15/10/2015ΔΧ63 Επιλογή με χρήση Κινητική Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Παράδειγμα – Η τέλεια κούπα καφέ Υλικά που μπορεί να χρησιμοποιηθούν γι αυτό το σκοπό είναι υψηλοί υδρογονάνθρακες που βρίσκονται στο κερί όπως το εικοσιπεντάνιο C 25 H 52 που τήκεται στους 53 0 C και έχει θερμότητα τήξης ΔΗ f = 220 kJ/kg ή κερί μέλισσας που έχει το ίδιο περίπου σημείο τήξης και ΔΗ f = 180 kJ/kg. Η ποσότητα του υλικού που απαιτείται για την τρίτη ιδέα υπο- λογίζεται από τη σχέση m ΔΗ f = Qt = UA(T-T 0 )t(3) Με ΔΗ f = 180 kJ/kg, U = 17 J/(m 2 0 C s), A = 0.04 m 2, T = 53 0 C, T 0 = 20 0 C, t = 20 min = 1200 s, m = 0.07 kg Για την τρίτη ιδέα χρειάζονται 2 πράγματα: 1.Μικρή ποσότητα κεριού μέλισσας 2.Να εξασφαλιστεί αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας από το κερί στον καφέ

64 Επιλογή με υποκειμενικά κριτήρια Στο σχεδιασμό χημικών προϊόντων οι φυσικές επιστήμες και η επιστήμη του μηχανικού παίζουν σπουδαίο ρόλο. Το ίδιο δεν συμβαίνει με καταναλωτικά προϊόντα όπου οι επιστήμες αυτές παίζουν μικρότερο ρόλο από εμπορικά και άλλα κριτήρια που είναι υποκειμενικά Πολλές φορές τα κριτήρια επιλογής είναι αντικειμενικά αλλά σε αντίθετη κατεύθυνση π.χ., επιθυμητή ισορροπία ανάμεσα στο κόστος, που επιθυμούμε να είναι χαμηλό και την απόδοση, που επιθυμούμε να είναι υψηλή. Για παράδειγμα, θέλουμε να σχεδιάσουμε ένα καινούργιο καταλύτη για τα καυσαέρια του αυτοκινήτου για να βελτιώσουμε την ποιότητα του αέρα στον τόπο μας. Αυτός ο καταλύτης είναι σχεδόν σίγουρο ότι θα έχει υψηλό κόστος. Υποκειμενικά κριτήρια όπως τι θέλει ο κόσμος, τι ενδιαφέρει τον καταναλωτή, κλπ., είναι σημαντικά για την επιλογή καλλίτερης/-ρων ιδέας/-ων. Η μεθοδολογία, που ονομάζεται πίνακας επιλογής ιδεών (concept selection matrix) συνίσταται στην (α) διαμόρφωση κριτηρίων, (β) σταθμοποίηση (weighting) των κριτηρίων αυτών, (γ) βαθμολόγηση των ιδεών σε σχέση με ένα πρότυπο (benchmark), που μπορεί να είναι υπάρχον προϊόν ή καθιερωμένη τεχνολογία, με βάση τα κριτήρια που επιλέχθηκαν στην αρχή, και (δ) υπολογισμός του ολικού σκόρ με άθροιση των γινομένων παραγόντων στάθμισης (weighting factors) και βαθμών για κάθε κριτήριο και ιδέα. Η ιδέα που θα επιλεγεί είναι αυτή με το υψηλότερο ολικό σκόρ Το νωρίτερο και σπουδαιότερο σημείο στο οποίο η επιλογή δεν μπορεί να αποφευχθεί είναι στην επιλογή κριτηρίων για τον πίνακα επιλογής ιδεών. Υπάρχουν πάντα πράγματα σπουδαία για την επιλογή καλλίτερης/-ρων ιδέας/-ων, πέρα από το κόστος και την τεχνική εφικτότητα 64

65 Επιλογή με υποκειμενικά κριτήρια Πρέπει να γίνει δημοσκόπηση όσο γίνεται περισσοτέρων ατόμων που ενδιαφέρονται για το υπό σχεδιασμό προϊόν για να μην αφήσουμε κανένα κριτήριο έξω από τον πίνακα επιλογής ακόμη και τα πιο δύσκολα να οριστούν όπως, π.χ., περισσότερο όμορφο, περισσότερο ευχάριστο, πιο φιλικό στο περιβάλλον, κλπ. Πρέπει κανείς να έχει επίγνωση του ότι αυτό που ενδιαφέρει τον σχεδιαστή του προϊόντος δεν είναι απαραίτητα αυτό που ενδιαφέρει τους καταναλωτές Τα κριτήρια που επιλέγει κανείς πρέπει να είναι ανεξάρτητα. Παράδειγμα - Για ορειβασία χρειάζεται κανείς αγκίστρια που να είναι ελαφρά και να έχουν υψηλή αντοχή. Τα δύο κριτήρια αυτά δεν είναι ανεξάρτητα. Είναι καλλίτερο να χρησιμοποιήσει κανείς ένα κριτήριο, αντοχή ανά μονάδα βάρους για την αξιολόγηση αγκιστριών για ορειβασία Ασφάλεια και ανταπόκριση από το καταναλωτικό κοινό είναι σπουδαίοι παράγοντες στην επιλογή κριτηρίων Ο κατάλογος των κριτηρίων αξιολόγησης ιδεών πρέπει να είναι πλήρης. Να περιλαμβάνει ο,τιδήποτε θεωρούν σημαντικό οι καταναλωτές. Στη διαδικασία της επιλογής πρέπει να συμπεριληφθούν εκτός από την βασική ομάδα (core team) σχεδιασμού, εμπειρογνώμονες και επενδυτές Επειδή η επιλογή με υποκειμενικά κριτήρια είναι από τη φύση της κάπως αυθαίρετη, δεν πρέπει να αποδίδεται απόλυτη σημασία στα σκόρ Μετά τον υπολογισμό του ολικού σκόρ, πρέπει να εξεταστεί αν κριτήρια ή ιδέες μπορεί να συνδυαστούν. Ο συνδυασμός μπορεί να οδηγήσει σε καλλίτερο αποτέλεσμα ΔΧ65

66 15/10/2015ΔΧ66 Ανάλυση ιδεών για επιλογή καλλίτερης 1.Προσεκτική επιλογή ιδέας-για-αναφορά (benchmark) 2.Επιλογή των σπουδαιότερων παραγόντων για αξιολόγηση του προϊόντος και συντελεστών στάθμισης (weighting factors) 3.Διαμόρφωση Πίνακα Επιλογής Ιδέας (Concept-Screening Matrix) α.Βαθμολόγηση από διατμηματική ομάδα (sales, engineering, marketing, HSE) b.Βαθμολόγηση από εμπειρογνώμονες c.Βαθμολόγηση με συναίνεση (consensus) i - παράγοντας j – ιδέα s ij – βαθμός i-παράγοντα S j – βαθμός ιδέας H υπόθεση ότι ο βαθμός ιδέας, S j, είναι γραμμική συνάρτηση των βαθμών παραγόντων, s ij, ισχύει κατά προσέγγιση για παρόμοια προϊόντα με μικρές διαφορές. Δεν ισχύει όταν α.Το κριτήριο για βαθμολόγηση είναι ψηφιακό, π.χ., το προϊόν κάνει θόρυβο ή όχι β.Το προϊόν δεν λειτουργεί όπως αναμένεται, π.χ., διαχωριστική συσκευή για ολεφίνες και παραφίνες με μεμβράνη από κοίλες ίνες (hollow fibers) γ. Καινοτομίες: προϊόντα που η σύλληψη της ιδέας τους είναι πέρα από το σύγχρονο τρόπο σκέψης (out-of-the box; game changers, show stoppers) 4. Ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis) για παράγοντες στάθμισης

67 15/10/2015ΔΧ67 Επιλογή με υποκειμενικά κριτήρια Παράδειγμα. Διαχείριση στερεών αστικών υπολειμμάτων (municipal solid waste) με κριτήρια βιώσιμης ανάπτυξης. Κριτήρια_Οικονομικά: έσοδα – έξοδα > 0, εξοικονόμηση πόρων, απασχόληση. Περιβαλλοντικά: καθαρός αέρας, καθαρό νερό, βιοποικιλότητα. Κοινωνικά: Προστασία δημόσιας υγείας, δημιουργία θέσεων εργασίας, αναψυχή. Πρότυπο: συλλογή, διαχωρισμός, ανακύκλωση, ταφή αστικών υπολειμμάτων Ιδέες: (1) Πρότυπο + Καύση για παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας, (2) Πρότυπο + κομποστοποίηση + αναερόβια ζύμωση για παραγωγή βιοαερίου, (4) Πρότυπο + πυρόλυση για παραγωγή βιο-στερεών, βιο-υγρών και βιο-αερίων καυσίμων Σταθμ. Παράγ.Πρότυπο Ιδέα 1 Ιδέα 2 Ιδέα 3 Κριτήρια ____________________________________________________________________________________________ Οικονομικά 0.3 5 6 6 5 Περιβαλλοντικά 0.3 5 4 4 4 Κοινωνικά 0.4 5 5 6 6 Ολικό 1.0 5 5 5.4 5.1

68 Ανάγκη → Ιδέα → Σχεδιασμός → Ανάπτυξη → Παραγωγή Ιδέες 1.Το πρόβλημα χωρίζεται σε μικρότερα, 2.΄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 4.Διερεύνηση συνδυασμού ιδεών, και 5.Δημιουργία καταλόγου και ταξινόμηση ιδεών γιά επιλογή της καλλίτερης και πραγματοποιήσιμης ιδέας 15/10/2015ΔΧ68

69 15/10/2015ΔΧ69 ΑΝΑΛΥΣΗ ΙΔΕΩΝ ΓΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΛΛΙΤΕΡΗΣ 1.Προσεκτική επιλογή ιδέας-για-αναφορά (benchmark) a.Υπάρχον προϊόν με μεγαλύτερο μερίδιο της αγοράς b.Προϊόν που πιστεύεται πως είναι το καλλίτερο c.Το υπό σχεδιασμό προϊόν με τις προδιαγραφές του 2.Επιλογή των σπουδαιότερων παραγόντων για αξιολόγηση του προϊόντος και συντελεστών στάθμισης (weighting factors) a.Ωριμότητα σε επιστημονική γνώση (scientific maturity) b.Ευκολία σε μηχανική εφαρμογή (engineering ease) c.Βαθμός διακινδύνευσης (degree of risk) d.Ασφάλεια (safety) e.Μικρή επίδραση στο περιβάλλον (low environmental impact) f.Βιωσιμότητα (sustainability) Κανονικοποίηση παραγόντων στάθμισης 3.Διαμόρφωση Πίνακα Επιλογής Ιδέας (Concept-Screening Matrix) 4.Ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis) για παράγοντες στάθμισης

70 Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη Πρόβλημα  Θεραπεία διαβήτη τύπου 1  Αρχή  Διαχείρηση σακχάρου στο αίμα  Μέθοδος  Ένεση ινσουλίνης, μεταμόσχευση, γονιδιακή θεραπεία  Συσκευή / Υλικό  ?  Τμήμα (συσκευής) / Συστατικό (υλικού)  ?  Λεπτομέρειες  ? 15/10/2015ΔΧ70

71 Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη Επιλογή καλλίτερης και πραγματοποιήσιμης μεθόδου 1. Ινσουλίνη ταχείας αποτελεσματικότητας, 2.Παρακολούθηση γλυκόζης στο αίμα από ασθενή, 3.Ένεση ινσουλίνης από ασθενή 15/10/2015ΔΧ71

72 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 15/10/2015ΔΧ72

73 15/10/2015ΔΧ73 Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη - Επιλογή Συσκευής / Υλικού Πίνακες κριτηρίων/αξιολόγησης (τύπων συσκευής)

74 15/10/2015ΔΧ74 Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη - Επιλογή Συσκευής / Υλικού & Τμήματος (Βελόνας) / Συστατικού απολυμαντικό δίσκος ελέγχου οδοντωτός τροχός γρανάζι

75 15/10/2015ΔΧ75 Ιδέες Παράδειγμα: Θεραπεία διαβήτη - Επιλογή Συσκευής / Υλικού & Τμήματος (Βελόνας) / Συστατικού Για τελική επιλογή: 1.Επιλογή γενικών ιδεών 2.Απόρριψη παραλόγων (nonsense) και μη πραγματοποιήσιμων (no-go) ιδεών 3.Αξιολόγηση γενικών ιδεών με επί μέρους σχεδιασμό για κάθε μιά 4.Επιλογή καλλίτερης και πραγματοποιήσιμης ιδέας Τεχνικές χρήσιμες για την επιλογή: υπολογισμοί με τη Μηχανική και πίνακες κριτηρίων/αξιολόγησης

76 15/10/2015ΔΧ76 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 / L 2 (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) [r 4 − (r − w) 4 ] E = 2 x 10 11 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

77 15/10/2015ΔΧ77 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) D 2 Δp = 2 η V L΄D 2 / [(r − w) 4 t ] 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 m 3, t = 2 s, D = 9.4 x10 −3 m  F = 26 N Το κάτω όριο της δύναμης είναι επίσης σημαντικό η. Για λεπτότερες βελόνες η δύναμη αυξάνεται δραστικά

78 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 15/10/2015ΔΧ78

79 ΔΧ Σχεδιασμός προϊόντος Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) 3 μονομερή για το τελικό πολυμερές: Βήμα 1: ΝPG και TPA αντιδρούν 240 ο C 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) 15/10/201579

80 15/10/2015ΔΧ80 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

81 15/10/2015ΔΧ81 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)

82 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, D p, διάμετρος σωματιδίου πολυεστέρα, D polyester,διάμετρος TGIC σωματιδίου, D TGIC, ποσοστό όγκου κατειλημένου από TGIC, ε TGIC Αντίδραση σταυροσύνδεσης: πάνω από θερμοκρασία τήξης σκόνης, ταχεία (διάρκεια100 s σε 220 ο C)  μικρός χρόνος για τηγμένα σωματίδια να απλωθούν για να σχηματίσουν επίπεδο λεπτό στρώμα πολυμερούς Συνθήκες δημιουργίας αποδεκτού λεπτού στρώματος επικάλυψης ? Χρειάζονται πειράματα 15/10/2015ΔΧ82

83 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) 15/10/2015ΔΧ83

84 15/10/2015ΔΧ84 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

85 Σχεδιασμός προϊόντος Παράδειγμα: Επικάλυψη επιφανειών με στρώμα σκόνης (powder coating) Μεταβλητές, D p, D polyester, D TGIC - Σωματίδια πολυεστέρα μικρά  ομοιογένεια στην κατανομή υλικού σταυροσυνδέσεων  D polyester = D TGIC - Ανάλυση ψεκασμού (spraying)  D p ~ 30 μm Μέγιστο πάχος λεπτού στρώματος ~ α D p, 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 R 0 και σταγόνα γίνεται πιό επίπεδη με αυξανόμενο χρόνο, t 15/10/2015ΔΧ85

86 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 R 1 (το μισό της απόστασης μεταξύ σωματιδίων TGIC) και η διάχυση σταματά. Ο χρόνος διάχυσης t D εξαρτάται από το συντελεστή και την απόσταση διάχυσης. 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) 8615/10/2015ΔΧ

87 15/10/2015ΔΧ87 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

88 15/10/2015 ΔΧ 88 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

89 15/10/2015 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 89ΔΧ

90 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 15/10/201590ΔΧ

91 15/10/2015ΔΧ91 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, d 32 (Sauter) ή d 50 (μέση) ή d max, κλπ. Η κάθε μια από αυτές τις διαμέτρους έχει τις δικές της χρήσεις. Στο παράδειγμα μας η πιο ενδιαφέρουσα είναι η d max

92 15/10/2015ΔΧ92 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

93 15/10/2015ΔΧ93 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

94 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, t dry, είναι μερικά δευτερόλεπτα. Επίσης, t dry ~ d drop 15/10/2015ΔΧ94

95 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) 15/10/2015ΔΧ95

96 15/10/2015ΔΧ96 Κλιμάκωση Παράδειγμα – Ινουλίνη O χρόνος που είναι διαθέσιμος για τις σταγόνες να διανύσουν απόσταση ίση με την ακτίνα του ξηραντήρα είναι t = D / (2 v air ) 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 πραπλεύρως