Andra forskningsområden som nu kommersialiseras är nanoteknik, bioteknik och utveckling av biobränslen för att komplettera oljeförsörjningen. Betydande fördelar för miljön har kommit från forskning för att utveckla processer som leder till förbättrad oktantal för bensin, vattenbaserade färger, ersättningar för klorfluorkarboner (CFC) och utvecklingen av grön kemi som ett aktivt forskningsområde.

Från forskning till produktion

Forskning som bedrivs i industrins och universitetens laboratorier är bara det första steget. Dessa upptäckter måste omvandlas till realistiska industriella processer. Detta är kemiteknikerns uppgift, som ansvarar för att översätta laboratoriekemin till en större skala. Att skala upp produktionen från gram under laboratorieförhållanden till tusentals ton i en fullskalig industrianläggning är ett mycket mödosamt arbete för kemister och kemiingenjörer. I mellanstadierna mellan laboratorieproduktion och fullskalig produktion behövs utrustning som kan efterlikna den storskaliga processen och som gör det möjligt att hitta de mest gynnsamma förhållandena för att få en hög avkastning av en produkt som erhålls i lämplig takt (figur 7).

Figur 7 Ett exempel som visar några pilotbatchreaktorer som är separata och
arbetar parallellt. En dator styr varje reaktor och användarna kan utföra serier
av experiment genom att ändra temperatur, tryck och katalysatorsammansättning.
Med vänligt tillstånd av Cambridge Reactor Design Ltd.

Fotot nedan (figur 8) visar ett mellanstadium där en pilotanläggning har byggts för att hitta de lämpligaste förhållandena för den nya OMEGA-processen för att producera etan-1,2-diol. Detta är ett mycket viktigt steg eftersom de förhållanden som är lämpliga för processen i laboratoriet ofta inte nödvändigtvis är lämpliga när processen överförs till utrustning i större skala. Därför utförs många experiment under mycket noggrant kontrollerade förhållanden för att uppnå maximal avkastning. De kemister och kemiingenjörer som utför detta arbete måste också tänka på att det maximala utbytet kan innebära extra kostnader som gör processen oekonomisk.

Figur 8 Pilotanläggningen för den nya OMEGA-processen för att framställa etan-1,2-diol.
Med vänligt tillstånd av Shell International Ltd.

Om detta arbete är framgångsrikt är nästa steg att framställa materialet i kommersiell skala, vilket i fallet med etan-1,2-diol är många hundratusentals ton per år (figur 9). Produktens lönsamhet ligger i utformningen av den reaktor i industriell skala som är nödvändig för en säker tillverkning av de önskade produkterna. Kapitalkostnaden för en sådan anläggning kommer sannolikt att uppgå till miljontals dollar.

Figur 9 Den faktiska anläggningen för den nya OMEGA-processen för framställning av etan-1,2-diol, byggd efter framgångsrika försök i pilotanläggningen. Anläggningen producerar 750 000 ton diol varje år. Med vänligt tillstånd av Shell International Ltd.

Design av en anläggning är ett lagprojekt och kemister, anläggningsdesigners och kemiingenjörer väljer ut lämpliga material för anläggningens konstruktion. Även om den vanliga bilden är att kemiska anläggningar är gjorda av glänsande stål, används många andra material vid konstruktionen av dem, bland annat en mängd olika metaller, plaster, glas och gummi. Eftersom byggmaterialen i sig själva är kemikalier är det viktigt att välja material som inte reagerar med de kemikalier som ingår i processen för att undvika farliga interaktioner, att anläggningen går sönder eller att produkten kontamineras.

Byggnadsmaterial måste vara

• inert mot reaktanter, mellanprodukter och produkter
• och vid behov kunna motstå mycket höga tryck och temperaturer
• hållbart.

Kemikalieindustrin: hur säker och hur miljöreglerad?

Säkerheten måste stå högst upp på kemikalieindustrins dagordning, och det är av goda skäl. Många av dess produkter är potentiellt farliga i något skede under tillverkning och transport. Dessa kemikalier kan vara fasta, flytande eller gasformiga, brandfarliga, explosiva, frätande och/eller giftiga. Tillverkningsprocesserna innebär ofta höga temperaturer, höga tryck och reaktioner som kan vara farliga om de inte kontrolleras noggrant. På grund av detta arbetar industrin inom de säkerhetsgränser som nationell och internationell lagstiftning kräver.

Figur 10 Fluorvätesyra är en mycket frätande vätska. Här lastas den
automatiskt i en tankbil.
Med vänligt tillstånd av Mexichem Fluor.

Risker och skador

Trots att man har att göra med farlig verksamhet har den kemiska industrin faktiskt ett lägre antal olyckor än industrin som helhet. Mellan 1995 och 2005 inträffade i hela den europeiska tillverkningsindustrin av alla slag över fyra skador per 1 000 anställda, vilket är dubbelt så mycket som i den kemiska industrin. Amerikanska uppgifter, som registreras som förlorade dagar på grund av olyckor, visar en ännu tydligare skillnad; antalet förlorade dagar i stora företag inom den kemiska industrin på grund av olyckor är fyra gånger mindre än inom tillverkningsindustrin i allmänhet.

Figur 11 Personalen får en omfattande utbildning i användningen av säkerhetskläder och säkerhetsutrustning. På detta foto utförs underhåll på en reaktor som används för att producera hydrofluoroalkaner. Med vänligt tillstånd av Arkema.

Miljöbestämmelser

Det finns allvarliga farhågor om vissa tillverkade kemikaliers potentiella inverkan på levande organismer, inklusive oss själva, och på den naturliga miljön. Dessa farhågor omfattar luft-, land- och havsföroreningar, global uppvärmning och klimatförändringar, uttunning av ozon i den övre atmosfären och surt regn.

Kemikalieindustrin har ett världsomspännande initiativ med titeln Responsible Care. Det började i Kanada 1984 och praktiseras nu i över 60 länder. Det ålägger nationella sammanslutningar och företag inom den kemiska industrin att:

• Kontinuerligt förbättra kunskapen om miljö, hälsa, säkerhet och trygghet samt prestanda för vår teknik, våra processer och produkter under deras livscykler, så att skador på människor och miljö undviks.
• Använda resurserna på ett effektivt sätt och minimera avfallet.
• Rapportera öppet om resultat, prestationer och brister.
• Lyssna, engagera och samarbeta med människor för att förstå och ta itu med deras bekymmer och förväntningar.
• Samarbeta med regeringar och organisationer för att utveckla och genomföra effektiva bestämmelser och standarder, och för att uppfylla dem eller gå längre än så.
• Ge hjälp och råd för att främja en ansvarsfull hantering av kemikalier av alla som hanterar och använder dem längs produktkedjan.

I USA spenderar kemikalieföretagen mer än 12 miljarder dollar per år på miljö-, hälso- och säkerhetsprogram. Detta har till exempel lett till att farliga utsläpp till luft, mark och vatten har minskat med 80 procent under de senaste 25 åren. En annan miljöåtgärd gäller användningen av energi. Under de 20 åren från och med 1994 sparade den kemiska industrin i USA cirka 20 procent energi per produktionsenhet och under samma period minskade den sparade energin per produktionsenhet i EU med 55 procent. Utsläppen av växthusgaser per produktionsenhet (växthusgasintensiteten) minskade med 58 % respektive 75 % i USA och EU mellan 1990 och 2014.

Regler är i kraft i alla större länder. I Europa tillämpas de genom Reach (registrering, utvärdering, godkännande och begränsning av kemikalier). De förändrar i grunden det sätt på vilket kemikalier tillverkas, säljs och används genom att tillhandahålla en enda standardiserad ram för säker hantering av kemikalier. Reach ålägger både tillverkare och importörer att se till att alla kemikalier som tillverkas i större mängder än ett ton per år inte påverkar människors hälsa eller miljön negativt. Industrin tillhandahåller omfattande dokumenterad information om alla kemikalier som uppfyller kraven och relaterade ämnen, vilket gör det möjligt för användare av kemikalierna att se till att adekvata kontroller finns på plats. Kemikalier som produceras i mängder på 1000 ton eller mer per år måste ha registrerats senast i december 2010 och kemikalier som produceras i mängder på mer än ett ton måste registreras senast i juni 2018.

Bara en liten del av kemikalieavfallet är giftigt eller farligt. De flesta av dessa, tillsammans med material som står emot naturlig nedbrytning, förbränns vid hög temperatur. När det är möjligt är det avfallet självt som utgör bränslet för denna process. De gaser som bildas renas och ”tvättas” noggrant innan de släpps ut i atmosfären, så att endast aska lämnas kvar för bortskaffande. Exempel på hur biprodukter hanteras finns i alla enheter på denna webbplats.

Vilka är utmaningarna för den kemiska industrin i dag?

Den kemiska industrin genomgår enorma förändringar över hela världen. Som vi har sett ovan handlar en om framväxten av länder i Mellanöstern och Kina, Indien och Brasilien som tillverkare av kemikalier i en gigantisk skala, för egen konsumtion och även för export över hela världen. Företagen i dessa länder investerar också i anläggningar i USA och Europa samtidigt som amerikanska och europeiska företag investerar i anläggningar i dessa stora tillväxtländer, vilket gör att industrin som helhet blir helt internationell i sitt sätt att bedriva verksamhet. Utmaningen för företagen i USA och Europa är att sänka sina kostnader och samtidigt se till att de följer de bästa metoderna för att skydda miljön. Denna oro för miljön diskuteras i de separata enheterna om enskilda kemikalier.

En ny revolution står för dörren. I takt med att olja och naturgas blir allt knappare och dyrare söker kemister efter nya råvaror som kan komplettera eller till och med ersätta olja och naturgas. Och de återupptäcker fördelarna med kol (som fortfarande finns i stora mängder, även om det är ett fossilt bränsle som inte kan ersättas) och biomassa.

Därmed är cirkeln sluten. I slutet av 1800-talet och första delen av 1900-talet byggde den organiska kemiska industrin till stor del på kol och biomassa. Kol upphettades kraftigt i frånvaro av luft för att bilda kolgas (en blandning av väte, metan och kolmonoxid). Som biprodukt bildades en vätska (stenkolstjära) som innehöll många användbara organiska kemikalier, bland annat bensen, och den fasta resterna var koks, en oren form av kol. Koks var källan till det som vi nu kallar syntesgas. Ånga passerade över den vid höga temperaturer för att ge kolmonoxid och väte. En annan källa till organiska kemikalier var biomassa. Källan till många C2-kemikalier var t.ex. etanol, som framställdes genom jäsning av biomassa. C3- och C4-kemikalier som propanon och butanol producerades också i stor skala genom jäsning av biomassa.

Sedan dess, från 1940-talet och framåt, har industrin funnit allt bättre sätt att använda produkterna från oljeraffinering för att framställa inte bara alla de kemikalier som nämns ovan utan många fler. Ett exempel är den petrokemiska industrins tillväxt, med en rad nya polymerer, tvättmedel och en myriad av sofistikerade kemikalier som produceras till låg kostnad.

Kanske ligger därför den största utmaningen i att hitta sätt att minska vårt beroende av icke-förnybara resurser. När olje- och naturgastillgångarna minskar måste vi alltså hitta sätt att använda äldre teknik som bygger på biomassa för att framställa kemikalier på ett så miljömässigt acceptabelt sätt som möjligt, när det gäller energiåtgång och utsläpp. Till exempel produceras nu en del eten och en rad polymerer samt mycket stora mängder etanol från biomassa.

En annan utmaning är att minska vårt beroende av icke-förnybara resurser för att producera energi. Det enklaste sättet att göra detta är att hitta sätt att driva våra kemiska anläggningar vid lägre temperaturer med hjälp av katalysatorer eller genom att använda alternativa vägar. Detta har redan börjat på allvar, vilket konstaterades i förra avsnittet. Energiförbrukningen per produktionsenhet har minskat med cirka 55 procent i EU sedan 1994 och med cirka 22 procent i USA sedan 1990. Följaktligen har utsläppen av koldioxid minskat med ungefär lika mycket under samma tidsperioder.

Den nya tekniken baserad på nanomaterial kommer också att ligga i framkant när det gäller framtida framsteg inom den kemiska industrin, och det kommer att vara viktigt att se till att produktionen av dessa revolutionerande material är säker och ekonomiskt fördelaktig.

Kemikalieindustrin står inför många utmaningar på 2000-talet som måste övervinnas för att den ska kunna fortsätta att vara en viktig del av alla större länders hjärta. Det är bara genom detta som industrin kan hjälpa samhället att bibehålla och förbättra sin levnadsstandard och göra det på ett hållbart sätt.

En stor del av de uppgifter som används i denna enhet kommer från publicerat arbete av CEFIC (Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique, The European Chemical Industry Council) och American Chemical Council.