Projekti / Programi
Procesna sistemska tehnika in trajnostni razvoj
01. januar 2022
- 31. december 2027
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.00 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
|
| 1.07.00 |
Naravoslovje |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.04 |
Tehniške in tehnološke vede |
Kemijsko inženirstvo |
| 1.01 |
Naravoslovne vede |
Matematika |
procesna sistemska tehnika, trajnostni razvoj, krožno gospodarstvo, sinteza procesov, integracija, kemijska oskrbovalna veriga, obnovljivi viri, zmanjšanje energije, znižanje emisij, optimizacija, kataliza, okoljska analitika, metrika trajnosti, metrika krožnosti, uporaba vode, MINLP
Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan
26. julij 2024;
A3 za obdobje
2018-2022
Podatki za razpise ARIS (
04.04.2019 - Programski razpis,
arhiv
)
| Baza |
Povezani zapisi |
Citati |
Čisti citati |
Povprečje čistih citatov |
| WoS |
587 |
12.629 |
11.392 |
19,41 |
| Scopus |
726 |
16.170 |
14.519 |
20 |
Raziskovalci (25)
Organizacije (2)
Povzetek
Glavna stalna motivacija in namen raziskovalnega programa "Procesna sistemska tehnika in trajnostni razvoj" je obrniti sedanje netrajnostne trende, povezane zlasti s postopnim izčrpavanjem virov in obsežnimi emisijami. Končni cilj programa je razvoj in uporaba celovitega načrtovalskega pristopa za prehod iz sedanjih linearnih sistemov proizvodnje in porabe v nove krožne verige vrednosti, in pri tem uporabiti odpadke ter znižati emisije. Koncept krožnega gospodarstva (KG) bo integriran v celotno kemijsko oskrbovalno verigo. Predlagane raziskovalne teme obravnavajo celotno kemijsko oskrbovalno verigo od obnovljivih surovin, molekulskih pretvorb, zelenih tehnologij in procesov do distribucije naprednih produktov na lokalnem, regionalnem in kontinentalnem nivoju. Predlaganih je pet raziskovalnih tem, ki so usklajene z Evropsko strategijo pametne specializacije S3 in slovensko usmeritvijo S4: 1. primarni in sekundarni obnovljivi viri, čista in učinkovita raba energija in vode; 2. molekulske pretvorbe: sinteze novih reakcijskih poti za bio- in farmacevtske aplikacije, napredna okoljska analitika; 3. razvoj konceptov in meril za trajnostno sintezo sistemov, osnovanih na KG; 4. razvoj računalniško podprtih metod in orodij za sintezo trajnostnih sistemov na osnovi KG; 5. aplikacije S3, prenos znanja in tehnologij. Prvi sklop obravnava povezavo med surovinami, energijo in vodo z vidika KG, vključno z razvojem naprednih tehnologij za pretvorbo sekundarnih in bio virov v zeleno energijo in produkte, z namenom preprečitve netrajnostne rabe virov in zmanjšanja emisij. Na ravni molekulskih pretvorb so načrtovana odkritja katalizatorjev za nove bio- in farmacevtske reakcijske poti, vzpostavitev integrirane laboratorijsko-računalniške optimizacije in sinteze mikroprocesnih sistemov ter razvoj nove generacije občutljivejših analitskih metod za učinkovitejše sledenje onesnaževal v kontekstu KG. Tretji sklop se nanaša na večkriterijsko časovno in prostorsko integracijo virov v oskrbovalnih mrežah podjetij in stalni razvoj indikatorjev za spremljanje krožnosti in trajnosti. Četrti sklop vključuje razvoj sintezne metodologije za energetsko učinkovita, visoko zmogljiva omrežja ponudbe in porabe obnovljivih virov. Raziskovalci bodo razvijali računalniško krožno sintezno lupino MIPSYN-Global. V zadnjem sklopu bodo pridobljena znanja in orodja uporabljena za več aplikacij S3. Pričakovan je razvoj splošnega poslovnega modela na osnovi KG za optimizacijo industrijskih kompleksov in trajnostne proizvodnje hrane, razvoj funkcionalnih materialov in več aplikacij sintetizerja procesov MIPSYN-Global. Predlagani program predstavlja šestletno nadaljevanje novega programa po združitvi P2-0346 (1.18 FTE) s P2-0032 (1.50 FTE). Raziskovalni skupini sta v zadnjih petih letih objavili okoli 230 izvirnih znanstvenih člankov in izpeljali več EU in industrijskih projektov.
Pomen za razvoj znanosti
Glavni prispevek predlaganega programa so raziskave, ki prispevajo k rasti dodane vrednosti kemijske in procesnih industrij z uporabo predlaganega celovitega načrtovalskega pristopa. Ta zahtevni pristop zahteva povezavo uveljavljenih in novo razvitih metod ter orodij krožne procesne sistemske tehnike z načeli trajnosti, nadgrajenimi s koncepti krožnega gospodarstva. Pristop predstavlja novost v svetovnem merilu in ima potencial za kvaliteten znanstveni preboj, potreben za prehod proti trajnostni in krožni družbi. Načrtovanje procesov in produktov poteka integrirano po časovni in prostorski dimenziji (bio)kemijske oskrbovalne verige, tj. od kemijskih pretvorb, procesov in produktov ter industrijskih območij, do regionalnih oskrbovalnih mrež. Koncept za učinkovito rabo virov (snovi, energije in vode) v industrijskih območjih je razširjen na lokalni in regionalni nivo. Uporablja se na primerih izven kemijske tehnike, npr. v skupnostih, občinah, mestih, prehranski verigi. Simultana snovna in energetska integracija regij predstavlja orodje za doseganje krožnosti. Vodi do novih znanj, ki vključujejo napredne tehnologije za prehod od odstranjevanja onesnaževal na osnovi uničenja do odstranjevanja na osnovi ponovnega pridobivanja. Npr., s predlagano metodologijo za čiščenje vod povrnemo iz odpadne vode komponente, kot so kovine ali celo dušik in fosfor. Nove tehnologije predelave odpadnih snovi v produkte s ciljanimi lastnostmi povečujejo snovno izrabo odpadkov napram energetski izrabi. Ostanki slednje se nadalje predelajo v uporabne produkte. Pri (bio)molekulskih pretvorbah je poudarek na generiranju znanstvenih in tehnoloških podlag za sinteze novih reakcijskih poti za proizvodnjo zelenih in ogljično nevtralnih kemikalij, intenzifikacijo proizvodnih procesov na osnovi tehnologij na čipu in okoljsko analitiko. Izvaja se načrtovanje in razvoj naprednih tehnologij in metod za heterogeno katalizo, karakterizacijo katalizatorjev s površinsko analizo ter hitro in točno določanje aktivnosti encimov. S tem se dosega boljše razumevanje reakcijskih mehanizmov, možna so odkritja novih visoko učinkovitih (bio)katalizatorjev. Intenzivne raziskovalne aktivnosti potekajo na nekonvencionalnih področjih analizne kemije, zlasti elektrokemije, senzorjev, korozije in površinske analize. Poudarek je na podpori razvoju trajnostnih tehnologij, nadgradnji obstoječega znanja in odkritjem občutljivejših, a cenejših in hitrejših analiznih metod. Razvoj na tem področju raziskav predstavlja možnost za optimizacijo učinkovitosti procesov in ponuja rešitve za družbene izzive. Integrirana optimizacijska metodologija lahko izboljša ekonomsko blaginjo in konkurenčnost industrijskega sektorja. Pričakovane so intenzivne povezave med raziskavami in inovacijami, povečanje dodane vrednosti produktov in proizvodnje ter zmanjšanje okoljskih vplivov. Na področju razvoja novih sistemskih metod in orodij se razvijajo napredne optimizacijske metode in računalniška orodja za reševanje zelo kompleksnih sinteznih problemov, ki vključujejo ogromno možnih alternativ. Obstoječi metodi trajnostnega dobička in trajnostne neto sedanje vrednosti se razširita na krožne metode trajnosti. S tem se spodbuja trajnostne rešitve z zaprtimi snovnimi in energetskimi zankami. Predlagane metode so prilagojene za simultano večnamensko optimizacijo in sintezo velikih problemov. Vključeni so vidiki regulabilnosti, zanesljivosti, fleksibilnosti in varnosti. Računalniška orodja in metode so vse bolj celovite in točne, zato je splošno razumevanje medsebojno povezanih proizvodnih sistemov in oskrbovalnih mrež vse boljše in zanesljivejše. Dobljene rešitve kvantitativno podajajo potencial za izboljšave. Načrtovana je izdelava novih ali izboljšanih robustnih formulacij, globalna optimizacija in paralelizirani večstartni algoritmi, sinteza, metode in strategije za fleksibilnost. Našteto se povezuje v večnivojski mešano celoštevilski programirni pristop, ki je uporabljen v razvitem računalniškem paketu MIPSYN-Global. Računalniško okolje se povezuje z laboratorijsko mikroprocesno opremo, kar vodi do novih konceptov za optimalno izvedbo kemijskih reakcij in proizvodnjo produktov na čipu (pretočna kemija, mikroreaktorji). Raziskovalna skupina razširja znanje in rezultate raziskav z objavami številnih člankov v najkvalitetnejših znanstvenih revijah in predstavitvami na znanstvenih konferencah, seminarjih, delavnicah in drugih strokovnih dogodkih.
Pomen za razvoj Slovenije
Inovativni in celoviti pristopi krožne procesne sistemske tehnike, ki so osrednji cilj načrtovanih raziskav, imajo velik potencial za spodbujanje podjetij v smeri trajnostnega razvoja in krožnega gospodarstva. Rezultati celovitega pristopa so optimalne procesne rešitve, ki spodbujajo ponovno uporabo in obtakanje ter približevanje ničelnim odpadkom. Uporabni so za trajnostni dvig učinkovitosti in konkurenčnosti podjetij, saj spodbujajo razvoj tehnoloških rešitev za učinkovitejšo krožno rabo surovin, vode in energije. Nove 'zelene' reakcijske poti in analitske metode za merjenje zelo nizkih koncentracij so zanimive za razvoj novih funkcionalnih materialov, kot so katalizatorji za organske sinteze v bio- in farmacevtski industriji, senzorji za zaščito okolja, sekundarne surovine in goriva iz odpadkov. Računalniški algoritmi za sinteze oskrbovalnih mrež omogočajo podjetjem razvoj krožnih poslovnih modelov s spodbujanjem novih verig vrednosti. Te povezujejo proizvajalce odpadkov z zbiralci in predelovalci odpadkov ter z uporabniki sekundarnih surovin in produktov, izdelanih iz odpadkov. Upoštevanje varnosti, tveganja in negotovosti pri sprejemanju odločitev omogoča varno in fleksibilno obratovanje procesov, kar je za podjetja strateškega pomena. Razviti indikatorji trajnosti in krožnosti omogočajo podjetjem, da spremljajo svoj napredek iz linearnega v krožno gospodarstvo. Intenzifikacija proizvodnje v mikroprocesnem merilu omogoča varnejšo in učinkovitejšo proizvodnjo bio-osnovanih produktov, ki nadomeščajo produkte fosilnega izvora. Pričakovane so inovativne rešitve, ki prinašajo rast vrednosti in so ekonomsko učinkovitejše, okoljsko manj škodljive in socialno pravičnejše. Razširjanje koncepta večkriterijskega optimiranja spodbuja menedžerje in lastnike kapitala, da pri sprejemanju odločitev poleg ekonomskih koristi upoštevajo tudi okoljske in družbene vplive. Razvito znanje omogoča prehod tehnologij s faze konceptov (TRL 1-3) na pilotne aplikacije (TRL 4-6), ki so predpogoj za industrijsko implementacijo. Uporabno je za aplikacije na področjih S3 in S4, kot so krožno gospodarstvo, pametna mesta in trajnostna pridelava hrane. Te aktivnosti lahko pomembno prispevajo k socialnoekonomskemu razvoju Slovenije in EU. Izpostaviti velja interdisciplinarnost programske skupine in njeno edinstveno sposobnost za celovito izvedbo raziskovalno-razvojnih projektov za gospodarstvo, tj. od laboratorijskih raziskav, podprtih z napredno analitiko, preko pilotnega merila in preliminarnega načrtovanja procesov v industrijskem merilu do večkriterijske optimizacije oskrbovalnih mrež z upoštevanjem ekonomike, okoljskih in družbenih vplivov. Inovativni pristopi krožne procesne sistemske tehnike so lahko aplicirani tudi v dejavnostih, ki imajo vpliv na kvaliteto življenja ljudi. Razviti postopki zmanjšujejo onesnaženost vode in zraka, kar ima pozitiven učinek na zdravje ljudi. Nove analitske metode za merjenje zelo nizkih koncentracij onesnaževal (za red velikosti nižjih, kot jih lahko merimo z znanimi metodami) prispevajo k boljšemu nadzoru kvalitete vode in zraka, poleg tega so poceni in hitre. Trajnostna optimizacija procesov in oskrbovalnih mrež z načeli krožnosti spodbuja razbremenilne učinke industrije za okolje, kar prispeva k zmanjšanju odpadkov. Izboljševanje obstoječih in razvijanje novih tehnologij za obdelavo in izrabo odpadkov bo razbremenilo okolje z vidika izrabe neobnovljivih virov surovin, porabe energentov, emisij toplogrednih plinov ipd. S tem se izkazuje potencial rezultatov načrtovanih raziskav za izboljšanje zdravja in kvalitete življenja ljudi. Raziskave je podprlo tudi Ministrstvo za kmetijstvo, gozdarstvo in prehrano. Pristope krožne procesne sistemske tehnike je možno uporabiti za optimizacijo prehranske oskrbovalne mreže vključno s proizvodnjo zelenih produktov in energije iz kmetijskih odpadkov. To prispeva k večji stopnji samooskrbe družbe s hrano in energijo ter varnejši oskrbi s hrano. Pomembno je tudi sodelovanje pri razvoju človeških virov na področju krožnega gospodarstva. Na osnovi razvitega znanja se oblikujejo kompetence zaposlenih na vseh poklicnih ravneh, ki so potrebne za širšo uveljavitev krožne ekonomije v družbi. Na ta način programska skupina prispeva k razvoju kvalificiranih kadrov, ki jih v podjetjih vse bolj primanjkuje. Člani programske skupine prispevajo k promociji Slovenije v njeni tranziciji v krožno gospodarjenje z objavami dosežkov v vrhunskih svetovnih revijah in na konferencah ter sodelovanjem v mednarodnih projektih in združenjih. Z nadaljnjo organizacijo mednarodnih konferenc bodo še naprej prispevali h globalnemu razširjanju znanja na področju uporabe trajnostne kemijske procesne tehnike za prehod v krožno gospodarstvo. Najpomembnejše novosti se vključujejo v podiplomske študijske programe kemijskega inženirstva in kemije.
