Tutkimusohjelmamuistio (Prosessiteknologian tutkimus)
Esipuhe
Ensimmäinen ehdotus Suomen Akatemian prosessitekniikan alan tutkimusohjelmaksi luonnosteltiin luonnontieteiden ja tekniikan tutkimuksen toimikunnassa vuonna 1997. Ehdotus koettiin tärkeäksi myös uusien toimikuntien aloitettua kautensa ja sen suunnittelua jatkettiin vuoden 1998 alussa. Akatemian hallitus päätti kokouksessaan 9.6.1998 luonnontieteiden ja tekniikan tutkimuksen toimikunnan esityksestä hyväksyä prosessitekniikan (myöhemmin prosessiteknologian) tutkimusohjelma alkamaan vuonna 1999.
Akatemian hallitus asetti kokouksessaan 15.9.1998 työryhmän valmistelemaan prosessiteknologian tutkimusohjelmaa. Ohjelmaa valmistelleen työryhmän puheenjohtajana toimi dosentti Riitta Keiski Oulun yliopistosta (SA, luonnontieteiden ja tekniikan tutkimuksen toimikunta) ja jäseninä teknologia-asiantuntija Mika Aalto Tekesistä, tutkimusjohtaja Kari Ebeling UPM-Kymmene Oyj:stä, apulaisjohtaja Hannele Kuusi Kemianteollisuus ry:stä, professori Marianne Nyström Lappeenrannan teknillisestä korkeakoulusta (SA, luonnontieteiden ja tekniikan tutkimuksen toimikunta), professori Risto Raiko Tampereen teknillisestä korkeakoulusta, ympäristöpäällikkö Armi Temmes Metsä-Serla Oyj:stä (SA, ympäristön ja luonnonvarojen tutkimuksen toimikunta) ja ryhmänvetäjä, dosentti Antti Vuori Kemira Agro Oy:stä. Varapuheenjohtajaksi nimitettiin Armi Temmes. Ryhmän työskentelyyn osallistuivat lisäksi tiedesihteerit Eeva Linkola (ympäristön ja luonnonvarojen tutkimuksen yksikkö) sekä Ritva Taurio (luonnontieteiden ja tekniikan tutkimuksen yksikkö), joka toimi työryhmän sihteerinä ja toimii ohjelman koordinaattorina.
TAUSTAA
Prosessiteollisuuden tuotteiden osuus Suomen viennistä oli vuonna 1997 noin 40 %. Alan tutkimus- ja tuotekehityspanos on useiden vuosien ajan ollut yli viidennes Suomen koko t&k -panoksesta ja alan tutkimuksen merkitys teollisuudelle on erittäin suuri. Prosessitekniikan tutkimusalalla Suomessa toimii Suomen Akatemian julkaiseman Tieteen tila ja taso -selvityksen (Suomen Akatemian julkaisuja 10/97) mukaan lähes 50 yksikköä ja 70 professoria. Prosessitekniikan tutkimus on voimakkaasti profiloitunut viime vuosina, alan kansainvälisten julkaisujen määrä on viidessä vuodessa yli kaksinkertaistunut ja ala edustaa tällä hetkellä OECD-maiden kärkeä. Heikkoutena on kuitenkin korkeakoulujen välisen yhteistyön koordinoitumattomuus. Opetusministeriön aloitteesta käynnistetty tutkijakoulu Graduate School in Chemical Engineering on tosin huomattavasti lisännyt edellytyksiä yhteistyölle sekä luonut kemian tekniikan metodologista osaamista. Prosessiteknologian tutkimusohjelman avulla voidaan varmistaa alkaneen positiivisen kehityksen jatkuminen, vahvistaa korkeakoulujen ja elinkeinoelämän välistä vuorovaikutusta sekä edistää syntyneen tietotaidon ja alan tohtoreiden siirtymistä teollisuuteen.
Perustutkimuspohjainen prosessiteknologian tutkimusohjelma liittyy aihepiiriltään mm. seuraaviin Tekesin valmisteilla tai käynnistymässä oleviin teknologiaohjelmiin: Prosessiteollisuuden on-line –mittaustekniikat, Prosessi-integraatio-ohjelma, Pro muovi –ohjelma, Polttoprosessien mallinnus, Uudistuva elintarvike sekä Perusmetallin teknologiaohjelma. Suomen Akatemian Prosessiteknologian tutkimusohjelmalla on yllämainittuihin ohjelmiin yhtymäkohtia, mutta varsinaista yhteishakua ei Tekesin kanssa tällä kertaa järjestetä.
2. LÄHTÖKOHDAT
Prosessiteollisuuden on kyettävä kehittämään tuotantoa yhä laadukkaammaksi ja taloudellisemmaksi ja löydettävä uusia keinoja vähentää vaikutuksia ympäristöön. Tämä edellyttää prosessien perusilmiöiden parempaa ymmärtämistä sekä hallinnan lisäämistä. Tämä on saavutettavissa prosessitekniikan perustutkimuksen voimavaroja lisäämällä ja perustutkimuksen tasoa kohottamalla. Erityisen tärkeää on myös kehittää prosessitekniikan tutkimuksen metodiikkaa eli tutkimuksen työkaluja, jotka prosessiteollisuuden eri aloilla ovat monilta osin hyvin samankaltaisia.
Prosessitekniikan alan sovelluslähtöisen tutkimustoiminnan merkittävä lisääntyminen viime vuosien aikana on johtanut perustutkimuksen voimavarojen pienentymiseen. Tiedon sirpaloituminen ja uusien monitieteellisten alojen tuleminen entistä merkittävämmiksi osiksi prosessitekniikkaa on johtanut kemiallisten ja fysikaalisten ilmiöiden ymmärtämiseen liittyvän perustiedon tarpeen korostumiseen. Eri tieteenaloilta saatavan tiedon integrointitarve on myös kasvanut. Tarvitaan kykyä ymmärtää ja hahmottaa suuria kokonaisuuksia, tarvitaan kykyä myös yksinkertaistaa ja paremmin hallita prosesseja. Perustutkimukseen suunnattava tutkimusrahoituksen kasvu turvaa perustiedon korkean tason ja se luo prosessitekniikan soveltavalle tutkimukselle kestävän pohjan.
3. TAVOITTEET
Prosessiteknologian tutkimusohjelman tavoitteena on kehittää prosessien laatua ja edistää prosessiteollisuuden tuotteiden kilpailukykyä pitkällä aikajänteellä ottaen huomioon ympäristö-, turvallisuus- ja taloudellisuusnäkökohdat.
Prosessiteknologian tutkimusohjelman tavoitteena on erityisesti
- luoda ja tukea korkeatasoista prosessitekniikan perustutkimusta
- kehittää yleispäteviä tutkimusmenetelmiä ja työkaluja perusilmiöiden tutkimiseen
- edistää tutkimuksen tuottaman tiedon parempaa, laajempaa ja nopeampaa soveltamista ja hyödyntämistä prosessiteollisuuden eri aloilla
- kehittää prosesseja uudella tavalla toimiviksi ja tehokkaiksi
- yhdistää ja hyödyntää eri perustieteenalojen asiantuntemusta prosessitekniikassa
- edistää alan tutkijankoulutusta
4. PAINOPISTEALUEET
Prosessiteknologian tutkimusohjelman keskeiset painopistealueet ovat
- prosessien perusilmiöt
- prosessien simulointi, mallinnus ja optimointi
- prosessitekniikan tutkimuksen menetelmäkehitys
Ohjelman aihepiiriin sisältyvät kemiallinen ja mekaaninen prosessiteollisuus.
Prosessien perusilmiöt
Prosessien perusilmiöiden ymmärtämiseksi ja prosessien kehittämiseksi prosessitekniikkaa tukevaa tutkimusta on lisättävä niin kemiantekniikan, kemian kuin fysiikankin alueilla. Tutkimushankkeissa pyritään selvittämään esim. prosessien kannalta oleellisia reaktioita, reaktioiden termodynamiikkaa ja kinetiikkaa sekä prosessien aineensiirto-, lämmönsiirto-, pinta- ja virtausilmiöitä. Perusilmiöiden integrointi luo uusia haasteita ilmiöiden tutkimukselle ja hallinnalle. Perusilmiöiden tutkimus vaatii usein lisäksi uusien mittausmenetelmien kehitystä ja käyttöönottoa.
Prosessien mallinnus
Prosessien mallinnus vaatii yleensä korkeaa tietotasoa itse prosessista. Prosessien kokonaismallit rakentuvat perusilmiöiden ymmärtämiselle. Prosessien hyvyyden kriteereinä ovat niiden tekninen toteutettavuus, taloudellisuus, turvallisuus, ympäristövaikutusten vähäisyys ja luonnonvarojen säästäminen. Realististen mallien kehittäminen vaatii parempia ratkaisutekniikoita sekä parempaa perusilmiöiden tuntemusta ja lisää näin mallinnuksen perustutkimustarvetta (esim. mallien valinta, konvergenssiongelmat, parametrien fysikaalinen järkevyys, mallien käyttöalueet, koesuunnittelu).
Prosessitekniikan tutkimuksen menetelmäkehitys
Prosessien suunnittelua auttamaan tarvitaan hyviä hypoteeseja kysymään ja vastaamaan, miten tuotekehitystä voitaisiin parantaa ja nopeuttaa. Myös ideaalimallin siirtäminen epäideaaliseen teollisuusympäristöön luo haasteita suunnittelulle. Lisäksi ympäristönsuojeluun, turvallisuuteen ja taloudellisuuteen liittyvät näkökohdat on huomioitava olennaiseksi osaksi prosessia jo suunnittelun alusta alkaen.
Edellä mainituissa painopistealueissa on prosessitekniikan tutkimuksen menetelmäkehityksellä keskeinen osuus. Menetelmäkehityksellä parannetaan prosessitekniikan eri alojen tutkimuksen työkaluja, mm. tasapainokoostumusten, kinetiikan, termodynamiikan sekä aineen- ja lämmönsiirron laskentaa ja simulointia.
5. TUTKIMUSOHJELMAN HANKKEIDEN VALINTAMENETTELY
Ohjelman ensimmäiseen hakuvaiheeseen marraskuussa 1998 saapui yhteensä 45 aiesuunnitelmaa, arvoltaan lähes 90 milj. markkaa. Valmisteluryhmän suorittaman karsinnan ja joidenkin hankkeiden yhdistämisen jälkeen toiseen hakuvaiheeseen maaliskuussa 1999 lähetettiin 21 hakemusta, joilla haettiin yhteensä noin 38 milj. markkaa.
Kansainvälinen, 5-henkinen asiantuntijapaneeli arvioi hakemukset. Paneelin puheenjohtajana toimi professori Bengt Andersson Chalmersin teknillisestä korkeakoulusta Ruotsista. Muut jäsenet olivat apulaisprofessori Emilia Björnbom Kuninkaallisesta teknillisestä korkeakoulusta Ruotsista, professori Jürgen Gmehling Oldenburgin yliopistosta Saksasta, apulaisprofessori Cor J. Peters Delftin teknillisestä korkeakoulusta Alankomaista sekä professori John Villadsen Tanskan teknillisestä korkeakoulusta. Akatemian toimikuntien ja hallituksen jäsenistä koostuva 4-henkinen jaosto teki toukokuussa 1999 arviointeihin tutustuttuaan ja valmisteluryhmää kuultuaan lopulliset rahoituspäätökset.