Projekti / Programi
Sinteza in rekonstrukcija procesov na osnovi alternativnih obnovljivih virov za proizvodnjo zelene energije
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.00 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| T120 |
Tehnološke vede |
Sistemsko inženirstvo, računalniška tehnologija |
anaerobno gnitje, bioplin, metan, energijske rastline, piščančji odpadki, kodigestija, obnovljiva energija, optimiranje procesov, MINLP, EWO, (bio)kemijska preskrbovalna veriga
Raziskovalci (18)
Organizacije (4)
Povzetek
Neustrezna obdelava preostankov kmetijske proizvodnje in različnih organskih odpadkov prehrambene in mesno-predelovalne industrije povzroča velike okoljske probleme. Z novimi tehnologijami lahko te okoljske obremenitve bistveno zmanjšamo. Vendar povzroča uporaba energetskih rastlin za predelavo v energijo in druge proizvode nezaželeno rast cen hrane na svetovnih trgih, saj prihaja do konkurence med prehrambenim in energetskim sektorjem pri uporabi rastlin prehrambene verige.
Osnovni cilj predlaganega projekta je najti alternativne energetske rastline, ki niso del prehrambene verige, in jih uporabiti v obstoječih ali novih procesih, da bi s tem ublažili sedanje neugodne trende cen hrane in zmanjšali okoljske obremenitve zaradi neustreznega ravnanja z organskimi odpadki.
Ta cilj bo dosežen s povezavo raziskav na inovativnem bio-molekularnem nivoju in najsodobnejših znanj in orodij procesne sistemske tehnike, pri čemer bo razvit koncept trajnostne biokemijske preskrbovalne verige, ki sestoji iz naslednjih nivojev:
a) mikroskopski biomolekularni nivo: odkritje novih bioreakcijskih poti in metaboličnih omrežij na biomolekularnem nivoju za pretvorbo biomase iz hitrorastočih energetskih rastlin in organskih odpadkov v bioplin,
b) makroskopski procesno sistemski nivo: na osnovi inovacij bioreakcij bo izvedeno načrtovanje in optimiranje industrijskega obrata za proizvodnjo bioplina in celotne zelene mreže v podjetju Perutnina Ptuj d.d., vključno s toplotno integracijo energetskega sistema in analizo življenjskega kroga bioplinskega obrata.
Uporabljene bodo najsodobnejše metode matematičnega programiranja, ki so vključene v računalniški programski paket MIPSYN za hkratno optimiranje strukture procesne sheme in obratovalnih parametrov. S tem bomo iterativno povezali biomolekularni in procesno sistemski nivo raziskav.
Pričakovani rezultat predlaganega projekta so nove bioreakcijske poti s kombinacijo glivne pretvorbe in bakterijske fermentacije biomase. Zraven tega bodo identificirane nove inovativne in dobičkonosne procesne rešitve za proizvodnjo zelene energije.
Pomen za razvoj znanosti
Na biomolekularnem nivoju so za razvoj znanosti pomembna odkritja novih bio-reakcijskih poti za pretvorbo alternativnih obnovljivih virov in organskih odpadkov v zeleno energijo in koristne produkte. Identificirali smo energetske rastline za dodajanje piščančjemu gnoju, ki ne posegajo v prehrambeno verigo in jih je mogoče gojiti na ekstenziven način brez gnojenja in drugih ukrepov. Izvirnost predlaganih raziskav je v tem, da smo preučevali procese razgradnje piščančjega gnoja v kombinaciji z neprehranskim rastlinskim materialom z lesnimi glivami in bakterijami ter eksperimentalno optimirali pogoje za pridobivanje bioplina v laboratorijskem in pilotnem merilu. Gre za novost v svetovnem merilu in načrtujemo prijavo mednarodnih patentov.
Na procesno-sistemskem nivoju je izvirni znanstveni prispevek razvoj naprednih matematičnih modelov za biokemijske procese, ki omogočajo hkratno optimiranje obratovalnih pogojev, toplotno integracijo bioprocesov s preostalimi obrati in procesnimi podsistemi, sočasno proizvodnjo toplotne in električne energije, kot tudi izbor obratov, vhodnih surovin, transportnih poti, vodnih virov, minimiranje porabe vode ipd. V modele so vključene tudi analize življenjskega cikla in občutljivosti. Tovrstni modeli tako predstavljajo inovativno sistematično orodje za sprejemanje optimalnih in trajnostnih investicijskih odločitev v biokemijski-sistemski tehniki.
Razvito je bilo računalniško orodje za razširjeni koncept biokemijskih preskrbovalnih verig. Glede na naše vedenje gre za eno izmed prvih povezav med raziskavami na molekularnem nivoju biomolekul, biokemijskih reakcij in njihove kinetike, s sistemskim, algoritemskim načrtovanjem obratov za proizvodnjo bioenergije, skupaj s transportnimi potmi, oceno življenjskega kroga in trajnostnim razvojem.
Pomen projekta je v njegovi povezovalno-sinergijski funkciji, saj smo povezali agronomske, laboratorijsko-eksperimentalne in procesno-sistemske raziskave od pridelave in kultivacije alternativnih energetskih rastlin, preko laboratorijskega odkrivanja novih reakcijskih poti za proizvodnjo energije in koristnih produktov iz obnovljivih virov do sistematičnega načrtovanja novih bioprocesov z uporabo najmodernejših metod računalniško podprte procesne tehnike. Opisan celovit pristop obravnava omenjene aktivnosti simultano, kar omogoča sinergistične učinke med njimi in odkritja novih inovativnih, dobičkonosnih in trajnostnih procesnih rešitev za proizvodnjo zelene energije. Z raziskavami v okviru tega projekta smo razširili koncept tradicionalne in dobro znane kemijske preskrbovalne verige na manj raziskano področje biokemijskih preskrbovalnih verig. Z večkriterijskim optimiranjem smo pridobili procesne rešitve za proizvodnjo zelene energije, ki so optimalne z ekonomskega, okoljskega in socialnega vidika.
V sklopu projekta smo okrepili sodelovanje z domačimi institucijami na področju eksperimentalnega raziskovanja procesa anaerobne digestije (Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo in Znanstveno-raziskovalno središče Bistra Ptuj). Okrepili smo mednarodno sodelovanje na področju matematičnega načrtovanja biorafinerijskih procesov s prof. I. E. Grossmannom s Carnegie Mellon University, Pittsburgh, ZDA (bilateralni projekt SLO-ZDA) in na področju sinteze regionalnih obnovljivih omrežij s skupino prof. J. Klemesa s Pannonia University, Veszprem in UMIST (bilateralni projekt Slovenija-Madžarska).
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt je vključeval raziskovalna vprašanja, ki zadevajo načrtovanje inovativnih in učinkovitih procesov za pretvorbo neugodnih okoljskih obremenitev, kot so klavnični odpadki, gnoj, blato, zeleni odpad deponij ipd., v zeleno energijo in druge koristne produkte. V okviru projekta so bila pridobljena znanstvena spoznanja o učinkovitih in inovativnih načinih za pretvorbo biomase v bioplin z anaerobno fermentacijo. Razvite so bile načrtovalske metode in računalniška orodja za načrtovanje trajnostnih in integriranih procesov na osnovi obnovljivih virov. Rezultati projekta predstavljajo temelj za uvajanje novih tehnologij za proizvodnjo zelene energije in drugih produktov iz biomase, kar omogoča tehnološko razširitev in posodobitev dejavnosti slovenskih podjetij. S tem je vzpostavljen temelj za povečanje učinkovitosti malih, srednjih in velikih obratov, izboljšanje njihove tržne konkurenčnosti in okoljske sprejemljivosti, saj se zmanjša poraba materialov in energije.
Ker količina proizvedene toplotne in električne energije bistveno presega potrebe bioobrata za proizvodnjo zelene energije, lahko podjetja viške ponudijo drugim odjemalcem. Rezultati projekta tako prispevajo k povečevanju deleža energentov iz obnovljivih virov in napredku energetske infrastrukture v Sloveniji. Hkrati z reševanjem okoljske problematike se povečujeta energetska učinkovitost in dodana vrednost tovrstnih obratov. S koristno izrabo odpadkov se obrati približujejo konceptu minimalnih ali celo ničelnih odpadkov, kar pomembno prispeva k varovanju okolja in trajnostnemu razvoju v Sloveniji. Zaradi zmanjšanih okoljskih vplivov in emisij smradu iz obratov živilsko-predelovalne industrije in deponij je dosežen dvig kvalitete življenja in izboljšanje odnosov z lokalnimi skupnostmi, nova delovna mesta pa prispevajo k socialnemu razvoju okolja.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
