CAPÍTULO 4
De la probeta al reactor
Cuando comprender el polímero ya no era suficiente
Después de años de estudiar
las familias de polímeros superabsorbentes,
sus materias primas,
las diferencias entre formulaciones,
el comportamiento en el suelo
y las primeras experiencias agrícolas,
llegó una nueva etapa.
Ya comprendíamos mucho mejor
qué características debía tener
un polímero destinado a agricultura.
Conocíamos también
una parte importante
de los proveedores de insumos,
las diferencias de calidad
entre materias primas
y el efecto que podían tener
pequeñas variaciones de formulación
sobre el comportamiento final.
La siguiente decisión fue inevitable:
La nueva frontera
¿Podíamos fabricar nosotros mismos
el polímero que durante años
habíamos aprendido a comprender?
Los primeros reactores experimentales
La primera etapa de fabricación
ocurrió a una escala muy pequeña.
No comenzamos con una planta industrial.
Comenzamos construyendo
nuestros propios sistemas experimentales.
Algunos de los primeros equipos
fueron desarrollados manualmente,
modificando recipientes
y adaptando componentes
para poder realizar
pequeñas reacciones controladas.
Entre estas adaptaciones
hubo recipientes presurizables,
ollas modificadas,
sistemas sencillos de agitación
y equipo de laboratorio
comparable al utilizado
en ambientes universitarios
o experimentales.
Una etapa profundamente artesanal
Antes de contar con reactores industriales,
la fabricación era todavía
una mezcla de química,
ingeniería improvisada
y experimentación directa.
Aquellos primeros lotes
eran pequeños,
pero resultaron fundamentales.
Por primera vez logramos producir
materiales que realmente
mostraban las características
que habíamos buscado:
-
Absorción elevada de agua.
-
Formación de un gel estable.
-
Apariencia cristalina.
-
Buena integridad estructural.
-
Capacidad de permanecer hidratados
sin desintegrarse rápidamente.
-
Comportamiento compatible
con las aplicaciones agrícolas
que estábamos estudiando.
Escalar una reacción no significaba
simplemente utilizar un recipiente más grande
El siguiente paso parecía sencillo:
fabricar cantidades mayores.
Sin embargo,
pronto descubrimos
que una reacción química
cambia profundamente
cuando aumenta el volumen.
Variables que podían controlarse
con relativa facilidad
en pequeñas cantidades
comenzaban a comportarse
de forma diferente.
Entre ellas:
|
Variable de proceso
|
Problema al aumentar la escala
|
|
Transferencia de calor
|
La energía generada
por la reacción
ya no podía disiparse
con la misma facilidad.
|
|
Agitación
|
Mezclar homogéneamente
grandes volúmenes
se volvía considerablemente
más complejo.
|
|
Distribución de reactivos
|
La velocidad y el punto
de incorporación
podían modificar
el comportamiento
de la reacción.
|
|
Temperatura
|
Pequeños aumentos locales
podían acelerar
determinadas etapas
de la reacción.
|
|
Atmósfera
|
Las condiciones dentro
del reactor cerrado
comenzaron a adquirir
mayor importancia
para la estabilidad
y repetibilidad del proceso.
|
|
Secado
|
Obtener un producto uniforme
exigía controlar
la eliminación de humedad
después de la síntesis.
|
|
Tiempo de reacción
|
Las cinéticas observadas
en lotes pequeños
no podían trasladarse
automáticamente
a volúmenes mayores.
|
Cuadro 9:
Variables que adquirieron
una importancia creciente
durante la transición
desde laboratorio hacia piloteo.
Temperatura, atmósfera y secado
Conforme aumentaba
el volumen de las reacciones,
comenzaron a aparecer
aspectos que en laboratorio
podían parecer secundarios.
El control de temperatura
se volvió crítico.
También adquirieron importancia
las condiciones internas
del reactor,
la presencia o ausencia
de determinados gases,
la posibilidad de trabajar
bajo condiciones controladas
y la manera de evacuar
o manejar la atmósfera
generada durante el proceso.
Una vez formado el polímero,
aparecía todavía
otro desafío:
secarlo de forma homogénea.
El secado influía directamente
en la estructura final,
en el tamaño de partícula,
en el manejo del material
y en la consistencia
entre lotes.
El encuentro con Sayerlac
Fue entonces cuando apareció
una posibilidad decisiva.
A través de la relación
con Alberto Álvarez,
de Sayerlac,
identificamos que una planta
dedicada a la fabricación
de resinas y pinturas
podía ofrecer conocimiento
e infraestructura
especialmente útiles
para nuestro desarrollo.
Sayerlac trabajaba
con sistemas acrílicos
y fabricaba sus propios
poliacrilatos líquidos
utilizados como dispersantes
dentro de formulaciones
para pintura.
Aunque nuestro objetivo final
era diferente,
existían suficientes similitudes
en la química de proceso
para que aquella experiencia
resultara extremadamente valiosa.
El siguiente salto
La investigación dejó de ocurrir
únicamente en un laboratorio
experimental.
Comenzó a entrar
en un entorno
de producción química real.
De laboratorio a piloto
La estrategia fue avanzar
progresivamente.
Primero era necesario
estabilizar la formulación
dentro del laboratorio.
Posteriormente,
trasladarla a un reactor piloto.
Y solamente después
intentar volúmenes
significativamente mayores.
|
Etapa
|
Objetivo
|
|
Laboratorio
|
Confirmar formulación,
reacción,
apariencia
y comportamiento del producto.
|
|
Piloto
|
Entender transferencia de calor,
agitación,
tiempos,
alimentación de reactivos
y estabilidad del proceso.
|
|
Escala mayor
|
Buscar reproducibilidad,
seguridad,
productividad
y consistencia de lote.
|
Cuadro 10:
Ruta de escalamiento
utilizada durante
el desarrollo industrial.
Construir un reactor para aprender
Con el objetivo de avanzar
sin poner inmediatamente
en riesgo equipos industriales
de mayor valor,
decidimos construir
nuestro propio sistema piloto.
El reactor fue diseñado
de manera experimental,
incorporando elementos
que permitieran comenzar
a controlar mejor
la reacción.
Entre ellos se encontraban
sistemas de enfriamiento,
serpentines
y mecanismos sencillos
para manejar
el intercambio térmico.
En algunas etapas
se trabajó con sistemas
abiertos o parcialmente abiertos,
lo que permitía observar
directamente
el comportamiento del material
durante la reacción.
Aquella decisión
proporcionó una cantidad enorme
de información.
También produjo
algunos de los episodios
más difíciles
de toda esta historia.
Cuando la reacción se salió del reactor
En una de las primeras experiencias
de escalamiento,
la reacción comenzó
a comportarse de manera
mucho más agresiva
de lo previsto.
El material aumentó
rápidamente de volumen
y comenzó a expandirse
dentro del reactor.
El equipo recuerda el episodio
de una manera muy gráfica:
la mezcla comenzó a hervir
y expandirse
como una enorme olla de frijoles.
La masa polimérica
superó la capacidad
del sistema,
salió del reactor
y terminó derramándose
alrededor del equipo.
El resultado
fue una cantidad considerable
de material difícil de remover,
horas de trabajo,
limpieza complicada
y pérdidas económicas.
Una lección de escalamiento
Una formulación estable
en cantidades pequeñas
no necesariamente conserva
el mismo comportamiento
cuando aumenta el volumen.
El momento en que la seguridad
se convirtió en una prioridad absoluta
En otro ejercicio
ocurrió un evento
todavía más serio.
La reacción desarrolló
un comportamiento exotérmico
mucho más intenso
de lo esperado.
Durante el incidente
se produjo proyección
de materias primas corrosivas
utilizadas dentro del proceso,
incluyendo ácido acrílico
y soluciones alcalinas.
Tres integrantes
del equipo de ingeniería
sufrieron quemaduras leves.
Afortunadamente
las lesiones no tuvieron
consecuencias mayores,
pero el episodio cambió
completamente nuestra percepción
sobre el escalamiento.
La nueva prioridad
Ya no se trataba únicamente
de lograr que la reacción funcionara.
Tenía que funcionar de manera segura.
A partir de ese momento,
variables como temperatura,
presión,
velocidad de alimentación,
capacidad de enfriamiento,
ventilación,
sistemas de contención
y procedimientos de emergencia
adquirieron una importancia
completamente diferente.
La incorporación del ingeniero Vladimir Escobar
La experiencia acumulada
dejó claro que el proyecto
necesitaba incorporar
conocimiento especializado
en procesos industriales
de polimerización.
Fue entonces cuando
se integró al proyecto
el ingeniero
Vladimir Escobar,
quien contaba con experiencia
internacional
en la fabricación
de este tipo de materiales.
Su llegada permitió
dimensionar con mayor claridad
los riesgos asociados
con las reacciones exotérmicas
y con procesos
de polimerización
fuera de control.
El equipo recuerda
que Vladimir insistió
especialmente
en la magnitud
que podía alcanzar
un evento industrial severo
si determinadas variables
de proceso no eran
adecuadamente controladas.
Aquellas conversaciones
modificaron profundamente
nuestra manera
de entender el proyecto.
Cambio de mentalidad
Dejamos de pensar
únicamente como desarrolladores
de una formulación.
Comenzamos a pensar
como responsables
de un proceso industrial.
La fórmula era solamente una parte de la tecnología
Esta etapa nos enseñó
que una tecnología química
no está contenida
únicamente en su formulación.
También está contenida
en la manera
de producirla.
Una misma formulación
podía generar resultados
diferentes
dependiendo de:
-
Temperatura de reacción.
-
Velocidad de alimentación.
-
Tipo de agitación.
-
Capacidad de disipación térmica.
-
Concentración de reactivos.
-
Condiciones atmosféricas.
-
Tiempo de reacción.
-
Método de secado.
-
Molienda y tamaño de partícula.
-
Reproducibilidad entre lotes.
El proceso de fabricación
comenzó así
a formar parte
del conocimiento tecnológico
de AquaSafe Pro.
El costo de aprender
La etapa de escalamiento
fue una de las más exigentes
de toda la historia
de Agua Sólida®.
Hubo lotes perdidos.
Hubo equipos
que tuvieron que modificarse.
Hubo reacciones
que no se comportaron
como esperábamos.
Hubo horas
y días de limpieza.
Hubo pérdidas económicas.
Y hubo incidentes
que obligaron
a replantear
los criterios de seguridad.
Sin embargo,
cada uno de estos eventos
aportó información
que ningún libro
ni publicación técnica
podía proporcionar
completamente.
Era conocimiento adquirido
directamente
durante el desarrollo.
De experimento químico
a proceso industrial
Esta etapa marcó
una transformación decisiva.
Al principio
queríamos fabricar
un polímero que funcionara.
Después comprendimos
que también necesitábamos
fabricar ese polímero
de manera repetible,
segura
y económicamente viable.
El verdadero escalamiento
no consistía
en fabricar más cantidad.
Consistía en aprender
a controlar una reacción
cada vez más grande
sin perder
las características
que habíamos logrado
desarrollar en laboratorio.
Resultado de esta etapa
AquaSafe Pro dejó de conocer
solamente la química
del polímero.
Comenzó a desarrollar
conocimiento propio
sobre su fabricación,
escalamiento
e ingeniería de proceso.
Ese conocimiento
se convertiría
en uno de los pilares
para la producción
de Agua Sólida®
y para los desarrollos
tecnológicos
que vendrían después.
