プロセスの小型化

化学プロセスの小型化とは、プロセス設計の分野における哲学的概念であり、「規模の経済」や「大きいほど良い」という概念に挑戦するものです。この文脈では、プロセス設計とは主に化学技術者に教えられる分野を指します。しかし、プロセス小型化という新たな分野には、システム工学と設計、インテリジェントセンサーを使用した遠隔測定と制御、生物学的プロセスシステム工学、高度な製造ロボット工学など、 多くの分野からの統合された知識が含まれます

化学工学の課題の 1 つは、化学実験室規模の方法に基づいてプロセスを設計し、経済的に手頃な価格の製品を製造できるようにプロセスを拡大することです。

プロセスが大規模化すると、単位時間あたりに生産できる製品量が増加します。そのため、プロセス技術が確立または成熟し、異常や「ダウンタイム」なしに安定的に稼働するようになれば、スケールアップによる経済効率の向上が期待できます。原料価格（例えば原油1バレルあたりの価格）が固定されている場合、設備投資と運転コストは通常​​、スケールアップに比例して増加しないため、プロセス規模を拡大することで製品コストを削減できます。例えば、製品の製造に使用される円筒形容器の容量または容積は、円筒の半径の2乗に比例して増加するため、単位容積あたりの材料費は減少します。しかし、容器の設計と製造コストは、従来、スケールアップの影響をそれほど受けていませんでした。つまり、小型容器を設計し、大型容器とほぼ同じコストで製造することが可能です。さらに、プロセス（またはプロセスユニットのコンポーネント）の制御と運転にかかるコストは、スケールアップによって大きく変化することはありません。例えば、小型プロセスの操作に1人のオペレーターが必要な場合、その同じオペレーターがおそらく大型プロセスも操作できるでしょう。

化学技術者に教えられている規模の経済の概念は、プロセス開発と設計の目標の一つは、製品コストを経済的に許容できる範囲に抑えるために、可能な限り大規模な処理プラントにスケールアップすることで「規模の経済」を達成することであるという考え方に繋がりました。この学問的哲学は、原料がパイプライン、大型タンカー船、鉄道車両で流体として輸送される石油精製および石油化学産業における設計例によって強化されてきました。

流体とは、定義上、流動性があり、ポンプや重力を利用して移送できる物質です。そのため、プロセス産業では大量の流体を移送するために、大型のポンプ、バルブ、パイプラインが存在します。一方、プロセスの小型化には、再生可能なバイオマス資源から得られる大量の固体の処理が含まれるため、固体処理に最適化されたプロセス設計に向けた新たな考え方が必要になります。

マイクロプロセスの概念は、ニュージャージー工科大学の教授であったSSソファーによって定義されました。マイクロプロセスには以下の特徴があります。^[1]

1) 携帯性

2) 高度なロボット製造方法を用いた大量生産が可能

3) 完全自動化へのアプローチ

4) 新技術

電子機器の小型化

マイクロプロセス設計哲学は、情報技術産業における部品の小型化の役割に関する歴史的分析によって、大きく構想されてきました。化学工学設計の文脈において、プロセスの小型化を考えることが可能になったのは、コンピュータハードウェアの小型化の進化によるものです。従来の設計目標である、処理を1つの集中型大規模処理プラント（例えばメインフレーム）に「スケールアップ」するのではなく、「スケールアウト」哲学（例えば複数のマイクロコンピュータ）を用いて経済的な目標を達成することも可能になります。

電気・電子機器は、化学プロセスプラントの自動化において常に重要な役割を果たしてきました。しかし、当初は、水銀を含むような単純な温度計や、完全に機械的な圧力計が、プロセス状態（化学反応器内の温度、圧力、レベルなど）の監視に使用されていました。プロセス状態は、主に人間のオペレーターがプロセス挙動について経験的に得た知識に基づいて調整されていました。電子自動化が導入されたとしても、多くのプロセスでは、特にプロセスの起動段階や新技術の導入時に、オペレーターによる多大な介入が依然として必要です。

将来のプロセス制御では、インテリジェントセンサーの広範な活用と、プロセスアクチュエータと無線通信するプログラマブルロジックコントローラなどの量産可能な小型インテリジェントデバイスが利用されるでしょう。これらのデバイスは製造コストを削減するために小型化されるため、構造物に埋め込むことができ、一般の観察者には見えなくなります。このようなセンサーのコストは、「機能するかしないか」というレベルまで低下する可能性があります。このコストの閾値に達すると、修理は​​センサーを無効化し、冗長化された機能センサーを作動させることになります。言い換えれば、複雑な制御システム全体が非常に低コストになり、修理が経済的に採算が取れなくなるでしょう。

プロセスのインテリジェンスは、科学的根拠に基づいたプロセスシミュレーションモデルを用いて開発されます。ヒューリスティックなルールがマイクロコントローラにプログラムされることで、プロセス挙動に関する人間のヒューリスティックな知識に基づく継続的な監視の必要性が大幅に軽減されます。マイクロプロセスエンジニアが開発した高度なアルゴリズムによって自動的に自己最適化できるプロセスが組み込まれ、知識所有者のみがアクセスできるようになります。これにより、自律的なマイクロプロセスの大規模ネットワークの構築が可能になります。

知識ベースビジネスのためのプロセス小型化

プロセス小型化のための高度なプロセス制御システムは、知識ベースビジネスにおけるプロセスインテリジェンスのセキュリティと所有権の管理の必要性を高めます。従来の特許による知的財産の管理はますます困難になるため、将来の知識ベースビジネスにおける価値の確保において、商標、ブランド認知度、著作権法がより重要な役割を果たすようになるでしょう。

従来の化学プロセス設計で教えられている技術経済分析も、歴史的トレンド経済学とキャッシュフロー分析を活用するという保守的な視点から劇的に変化します。特定の企業の経済的実現可能性は、マイクロプロセス開発システムという新興分​​野によって生み出される経験的観察に基づいて急速に変化する可能性のあるリアルタイムの経済情報の取得に、より密接に結びつくようになります。したがって、モデルは「過去が何を示しているか？」ではなく、「何が起こり得るか？」に基づくものになるでしょう。

再生可能材料に基づく未来社会のためのプロセス小型化

プロセス小型化の分野では、海に隣接しタンカー輸送可能な石油精製所のように、大量の原料を供給する必要がある単一の大規模な中央プラントではなく、大規模な中央処理プラントへの原料の大量輸送が容易でない地域へのプロセス技術の分散化が想定されています。小型化されたプロセス技術は、複数の分散型マイクロプロセスから得られる固体バイオマス材料をより扱いやすい流体に変換するだけの単純なものです。この流体は、従来の流体輸送技術を用いて、より大規模なインテリジェント処理ノードに輸送または分配することができます。

歴史的に、小規模プロセス、あるいはマイクロプロセスそのものは常に存在してきました。例えば、小規模なブドウ園や醸造所では、石油化学産業モデルや大規模なビール生産などに基づいて設計されたプロセスと比較すると、「マイクロプロセス」と言える方法で原料を生産、処理、保管してきました。インドや世界の他の地域の小さな村では、小規模なマイクロプロセスと言える方法で動物の糞尿からバイオガスを生産し、エネルギーを生産する方法を学んできました。しかし、設計哲学としてのマイクロプロセスとプロセスの小型化には、完全な自動化に近づくという概念が含まれており、マイクロプロセッサなどのコンピュータハードウェアの小型化によって可能になった新しい技術です。大量生産・輸送可能なプロセスを思い描くことは容易です。例えば、エアコン、家庭用洗濯機、冷蔵庫など多くの家電製品はマイクロプロセスと言えるでしょう。

プロセス小型化の設計哲学は、複数のプロセス単位操作を伴う複雑なプロセスの「スケールダウン」を実現し、規模の経済性は分散型自律マイクロプロセスのネットワーク規模に大きく依存するようになることを想定しています。1つの自律マイクロプロセスに障害が発生してもネットワーク全体の停止には至らないため、マイクロプロセスは、従来石油依存社会向けに生産されてきた製品の経済効率、堅牢性、安定性を向上させることにつながります。

化石燃料は定義上、消費され、再生不可能であるため、将来の燃料と材料は再生可能なバイオマスに基づくものになります。

微生物燃料電池のプロセス小型化

バイオマスをエネルギーに変換することは、技術者にとって化石燃料からのエネルギー変換よりも困難かもしれません。バイオマスプロセスには、水、溶解した有機化合物および無機化合物、そして様々なサイズの固体粒子が存在する可能性があります。プロセスの小型化という哲学的思考がより広範な役割を果たすのは、おそらく微生物燃料電池の開発でしょう。小型デバイスを通じたファッショナブルで魅力的なスタイルの知識の流通は、低消費電力デバイス（スマートフォンなど）によって大幅に強化（加速）されます。膜構造材料、固定化細胞法、代謝工学、ナノテクノロジーにおける近年の進歩を考えると、「発電所とは何か？」という問いを再考することは、大きな革新を生み出す可能性があります。

微生物燃料電池の課題は、主に低コストの製造方法、構成材料、そしてシステム設計の確立にあります。ペンシルベニア州立大学のブルース・ローガン氏は、いくつかの研究論文でこれらの課題について解説し、レビューしています。

しかし、既存の低電力設計であっても、アフリカの遠隔地への充電システムの配電に応用可能です。スマートフォンを使えば、インターネット上の膨大な情報にアクセスでき、照明も供給できます。これらのシステムは、自然発生するバクテリアを利用して、農業、動物、そして人間の排泄物から生成されます。

小型原子炉のプロセス小型化

原子力発電は、従来の天然ガス火力発電所や石炭火力発電所のように温室効果ガスである二酸化炭素を排出しないという点で、「グリーンテクノロジー」と考えられています。小型原子炉の導入の経済性については、『エコノミスト』誌の記事で議論されています。

小型原子炉の利点については、スティーブン・チュー米国エネルギー長官も論じている。^[2] チュー長官が述べたように、原子炉は工場のような環境で製造され、鉄道や船舶でそのまま国内や世界のさまざまな場所に輸送される。規模による規模の経済は、台数による規模の経済に取って代わられる。多くの企業は、1基の大型原子炉に80億ドルから90億ドルを投資するリスクを負いたがらない。そのため、プロセス小型化の最も魅力的な特徴の一つは、資本投資リスクの低減と、機能的なターンキーマイクロプロセスを新しい所有者に再販・移転することで投資を回収できる可能性である。これは、マイクロプロセスの可搬性による大きな経済的メリットである。

参考文献

1. Wayback Machineに2011年7月23日アーカイブ
2. スティーブン・チュー・エネルギー長官インタビュー、Discover誌、2011年1月-2月号、42ページ。