Projekti / Programi
Krožna sinteza trajnostnih (bio)kemijskih procesov na osnovi obnovljivih virov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.03 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
Procesno sistemsko inženirstvo |
| 2.07.05 |
Tehnika |
Računalništvo in informatika |
Informacijski sistemi - programska oprema |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.04 |
Tehniške in tehnološke vede |
Kemijsko inženirstvo |
| 1.02 |
Naravoslovne vede |
Računalništvo in informatika |
procesni sintetizator, načrtovanje, optimizacija, trajnostni razvoj, krožno gospodarstvo, energijska in prehranska samozadostnost, obnovljivi viri
Raziskovalci (20)
Organizacije (4)
Povzetek
Uporaba matematičnega programiranja za sintezo trajnostnih kemijskih in drugih sistemov postaja vse pomembnejša zaradi številnih prednosti, kot so optimalnost in dopustnost rešitev, hkratna optimizacija strukture in parametrov, možnost hkratne toplotne, energetske in snovne integracije, hkratno upoštevanje različnih kriterijev in obratovalnih značilnosti.
Kljub izvrstnim lastnostim matematičnega programiranja je njegova uporaba težavna, kar preprečuje splošno uveljavitev tega pristopa pri inženirjih in polno izrabo njegovega potenciala. Prvič, orodja niso dovolj prijazna uporabnikom, saj morajo ti imeti izkušnje za pretvorbo inženirskih problemov v ustrezno matematično obliko, reševanje programov in interpretiranje numeričnih rešitev. Drugič, čeprav so bili v zadnjih treh desetletjih razviti številni učinkoviti reševalni programi za probleme mešanega celoštevilskega nelinearnega programiranja (MINLP), praktično ne obstaja akademski ali profesionalni MINLP sintetizer za reševanje netrivialnih sinteznih problemov niti na procesni ravni. In končno, čeprav je bil koncept kemijske oskrbovalne verige predlagan že pred dvema desetletjema, naša orodja še ne omogočajo integriranega izvajanja trajnostne sinteze produktov in procesov v celotni kemijski oskrbovalni verigi, zaradi česar ne dobivamo resnično inovativnih rešitev. Nedvomno je potrebna nova generacija orodij za ta namen.
Na osnovi izkušenj, ki smo jih pridobili pri razvoju računalniškega procesnega sintetizerja MIPSYN (Kravanja, 2010), je glavni cilj predlaganega projekta razvoj naslednje generacije računalniškega sinteznega okolja, imenovanega MIPSYN-Global, ki bo omogočalo pridobivanje inovativnih in trajnostnih rešitev za krožno gospodarstvo na osnovi obnovljivih virov. Za razvoj tovrstne napredne računalniške platforme so načrtovane naslednje aktivnosti:
i) Razvoj naprednih konceptov sinteze, algoritmov in strategij:
1. Izvedba in nadaljnji razvoj najnaprednejših algoritmov in strategij, temelječih na logiki, tudi za globalno optimizacijo.
2. Uveljavitev naprednih strategij reševanja za izvajanje večkriterijskega optimiranja in sinteze kemijskih oskrbovalnih verig na osnovi analize LCA, ki bodo že v osnovi operabilne, kar pomeni varne, fleksibilne ipd.
ii) Modeliranje in iii) razvoj sinteznih orodij:
3. Razvoj novega optimizerja in školjke MIPSYN-Global.
4. Razvoj uporabnikom prijaznega integriranega računalniškega sistema MIPSYN-Global, vključno z grafičnim vmesnikom, povezavo s simulatorjem Aspen Plus in različnimi bazami podatkov.
5. Napovedovanje kemijske kinetike za sinteze kemijskih oskrbovalnih verig.
iv) Razvoj aplikacij za uporabo kmetijskih ostankov in odpadkov prehranske oskrbovalne verige za proizvodnjo zelenih produktov:
6. Procesni MINLP sintetizer za trajnostne procesne rešitve.
7. Bioprocesni MINLP sintetizer za sinteze bioprocesov za pretvorbo kmetijskih in prehranskih odpadkov.
8. Mikroprocesni MINLP sintetizer na osnovi mikroreaktorske tehnologije za sinteze visoko intenziviranih in varnih procesov.
9. Sintetizer oskrbovalnih mrež kmetijskih prehranskih pridelkov in obnovljive energije za maksimiranje regijske prehranske in energetske samozadostnosti, bioraznovrstnosti in znatno zmanjšanje okoljskih bremen ter učinkov podnebnih sprememb.
Predlagane aplikacije so usklajene z raziskovalnimi prioritetami pobude za skupno načrtovanje programa »Kmetijstvo, varnost hrane in podnebne spremembe« (FACCE-JPI); v priponki Vsebina projekta prilagamo Pismo podpore tej pojektni prijavi Ministrstva za kmetijstvo, gozdarstvo in prehrano RS. Predlagani konzorcij sestavljajo računalniško podjetje, dva akademska partnerja in raziskovalni inštitut, ki zagotavljajo visoko, med seboj dopolnjujoče se strokovno znanje in izkušnje, potrebno programsko opremo, računalniško platformo vključno s superračunalnikom, in laboratorijsko opremo, potrebno za kombinacijo eksperimentalnega in procesno sistemskega inženirskega pristopa. Načrtovano trajanje projekta je tri leta.
Pomen za razvoj znanosti
Razvoj učinkovitih krožnih konceptov, metod in orodij za inovativno sintezo (bio)kemijskih oskrbovalnih mrež in njihova implementacija v računalniški lupini MIPSYN-Global sta najpomembnejša cilja predlaganega projekta. Razen uporabe te lupine za sintezo kemijskih procesov (procesni MINLP sintetizator), je novost njena uporaba za sintezo bio-procesov z napredno katalitsko presnovo obnovljivih surovin, vključno s kmetijskimi ostanki in odpadki prehranske verige, v zeleno energijo in kemične produkte (bio-procesni MINLP sintetizator). Napovedovanje reakcijske kinetike bi predstavljalo naslednji pomemben dosežek, saj po našem vedenju napovedovanje reakcijske kinetike v povezavi s sintezo kemijske oskrbovalne verige še ni bilo izvedeno. Skupaj s presejavanjem kemijskih komponent na osnovi napovedovanja lastnosti bi pomembno pripevali k pridobivanju novih, inovativnih rešitev. Razen v običajnih makro-nivojskih obratih, je možno proizvodnjo izvajati tudi v mikroreaktorjih in mikro procesih, pri čemer izkoriščamo na mikro nivoju izboljšane transportne pojave in kemijsko kinetiko. V tem pogledu bo originalnost tudi uporaba računalniške lupine MIPSYN-Global za razvoj mikro procesnega MINLP sintetizatorja. Aplikacija lupine MIPSYN za sintezo oskrbovalnih verig agrikulturnih obnovljivih virov energije in hrane (Sintetizator oskrbovalnih verig agrikulturnih obnovljivih virov energije in hrane) bi omogočala maksimiranje samooskrbe s hrano in energijo, pri čemer bi pomembno zniževali okoljske obremenitve.
Predlagani projekt naslavlja probleme preprečevanja globalnega segrevanja in prehoda v krožno proizvodnjo in porabo virov glede na njihovo omejenost. Cilj projekta je, da skupaj s podobnimi skupinami po svetu prispevamo k razvoju krožnega koncepta, metod in orodij PST na takšni ravni zahtevnosti, da bodo omogočala razvoj novih spojin, novih reakcijskih poti in metabolnih mrež za generiranje novih produktov z želenimi lastnostmi in funkcionalnostjo. S tem bi fundamentalno prenovili kemijsko in procesno industrijo na principih trajnostnega razvoja. Končni cilj je razviti integrirane računalniške metode in orodja, ki bi omogočili inženirjem oblikovanje trajnostnega razvoja v kemični in procesnih industrijah. Razviti modeli za bio-osnovane procese in mikro procese bodo omogočili razširitev uporabnosti in zmogljivosti računalniškega paketa MIPSYN in prispevali k sintezi in optimizaciji inovativnih in trajnostnih rešitev za številne probleme pri trajnostni presnovi kmetijskih ostankov in odpadkov iz prehranske oskrbovalne verige v zelene produkte in energijo.
Pomen za razvoj Slovenije
The development of powerful circular concepts, methods and tools for innovative synthesis of (bio)chemical supply networks and their computer implementation in the MIPSYN-Global Shell is regarded as the main innovation of the proposed project. Besides using this shell for the synthesis of chemical processes (MINLP process synthesizer), the novelty lies in applying it to the synthesis of bio-based processes using advanced catalytic conversion of renewables, including agricultural residues and waste from the food supply chain, to produce green energy and chemical products (MINLP bio-based process synthesizer). The development of a procedure for predicting chemical kinetics would be another important contribution, since to the best of our knowledge, this task has never been undertaken in the context of synthesizing a chemical supply chain. Together with prescreening of chemical components based on the prediction of properties, it would be extremely efficient for obtaining innovative solutions. Besides carrying out production in the usual, macro-scaled process plants, production could also be carried out on the micro scale – in a microreactor and with micro processes – by exploring the intensified performance that transport and chemical kinetic phenomena enable in micro systems. In this respect, a further originality would be the use of the MIPSYN-Global shell for developing an MINLP micro process synthesizer. Application of MIPSYN Shell to the synthesis of agricultural food and renewable energy supply-networks (Agricultural food and renewable energy supply-network synthesizer) would allow the maximization of regional food and energy self-sufficiency, while significantly minimizing environmental burdens.
In order to help prevent global warming and achieve circular production and consumption in the context of limited resources, the role of the proposed project is to contribute, together with similar groups around the world, to the development of the circular PSE concept, methods and tools sufficiently sophisticated to enable the identification of new compounds, new reaction paths and metabolic networks, in order to create new products with the desired properties and functionalities, thus fundamentally innovating the chemical and process industries based on firm sustainability principles. The final incentive is thus to develop integrated methods and tools to provide engineers with a powerful tool for shaping sustainable development in the chemical and process industries.
The resulting models for the synthesis of bio-based processes, micro processes and agricultural food and energy supply networks would enable us to extend the scope of MIPSYN software capabilities and consequently contribute to the synthesis and optimization of innovative and sustainable solutions to a wide range of problems, including those related to sustainable use of agricultural residues and waste from the food supply chain to produce green products and energy.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
