Projekti / Programi
Procesna sistemska tehnika in trajnostni razvoj
01. januar 2009
- 31. december 2014
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.00 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
|
| 1.07.00 |
Naravoslovje |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
|
| 1.08.00 |
Naravoslovje |
Varstvo okolja |
|
| 2.03.00 |
Tehnika |
Energetika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.04 |
Tehniške in tehnološke vede |
Kemijsko inženirstvo |
procesna sistemska tehnika, trajnostni razvoj, varstvo okolja, modeliranje, načrtovanje, integriranje, optimiranje, matematično programiranje, MINLP, TRIZ, kazalniki trajnostnega razvoja, dobavna veriga, informacijska tehnologija, inovativnost, prenos znanja
Raziskovalci (19)
Organizacije (1)
Povzetek
Raziskave usmerjamo h krepitvi znanstvenih in tehnoloških kapacitet s skupnim ciljem razvoja novih ali izboljšanih proizvodnih procesov, ki bodo fleksibilnejši, integrirani, varni in čisti, skladni s konceptom trajnostnega razvoja v slovenskem in evropskem prostoru. Raziskovalno delo obsega različna, medsebojno povezana področja procesne sistemske tehnike. Načrtujemo kemijske procese s poudarkom na vseh treh agregatnih stanjih, kontinuirnih in šaržnih procesih in proizvodnji specialnih kemikalij. Razvijamo nove in izboljšane tehnologije, vključno z modeliranjem, simuliranjem, energijskim in snovnim integriranjem, načrtovanjem ter optimiranjem procesov. Ocenjujemo termodinamske in transportne lastnosti snovi. Posebno pozornost namenjamo reakcijski tehniki z določanjem termodinamskih in kinetskih parametrov neraziskanih kemijskih reakcij. Namen teh raziskav je zagotoviti kvalitetne, fleksibilne, ekološko, družbeno in ekonomsko uspešne proizvodne sisteme. Vsebine raziskav so večinoma določene s predlogi mednarodnih programov prednostnih raziskav v okviru 6. OP (CAPRI, PROSCO2, CAPEability, PREPstrem, SUSTAIN, SIPP), EUREKA (CAPE'21) in NATO (Clean Products and Processes) in se tako vključujejo v evropski raziskovalni prostor (ERA).
Trajnostni razvoj vključuje okoljske, ekonomske in socialne vidike s posebnim poudarkom na učinkoviti porabi energije in trajnostnem upravljanju z vodo in kemikalijami. Trajnostni razvoj se nanaša tudi na okolje in energijo, zato raziskujemo racionalno porabo neobnovljivih virov energije, kazalnike trajnostnega razvoja, možnosti zmanjšanja porabe, prečiščevanja in ponovne uporabe vode na področju različnih industrijskih panog ter študiramo okolju prijazne energetske sisteme. Optimiramo obstoječe in nove energetsko zahtevne procese, kar pomeni zniževanje porabe energije in pogonskih sredstev, surovin in pomožnih surovin, učinkovitejše delovanje obstoječih procesov in zmanjševanje emisij toplogrednih plinov, kot se je Slovenija zavezala z ratifikacijo Kjotskega sporazuma. Predlagani program je povezan s prednostnimi raziskavami EU o trajnostnem razvoju (6. OP, prioritete 1.1.2.i, 1.1.2.ii, 1.1.3.i, 1.1.3.iii in 1.1.6.iii).
Dosedanja praksa na področju varstva okolja se je pretežno ukvarjala s saniranjem odpadkov in emisij, kar je zahtevalo velike naložbe in visoke obratovalne stroške. Boljši pristop je preprečevanje nastajanja odpadkov in emisij, kar pomeni preprečiti ali zmanjšati nastajanje emisij in odpadkov z ukrepi na izvoru (sprememba procesa in/ali produkta). Tak pristop imenujemo integrirano preprečevanje in obvladovanje onesnaževanja okolja (IPPC). Govorimo lahko o čistejši proizvodnji. Pri analizi vod bomo uporabljali napredne oksidacijske procese (AOP) in membransko tehnologijo z možnostjo kroženja vode.
Na področju prenosa znanja razvijamo metode prenašanja teorije v prakso, ustvarjalnost, inovativnost in učinkovitost. Nanovo razvita znanja prenašamo v domača podjetja in tudi v študijski proces. Razvijamo aktivnosti za hitrejši pretok informacij v dodiplomskem in podiplomskem študiju, vseživljenjsko učenje in pedagoško delo (pedagoška reforma), uvajamo moderne pristope poučevanja in učenja, priprave sodobnih gradiv za poučevanje ter razvoja izobraževalnega omrežja za prenos znanja na področju procesne sistemske tehnike in trajnostnega razvoja.
Ker je za doseganje trajnostnega razvoja bistvenega pomena prehod od evolucijskih na inovativne izboljšave, je eden od najpomembnejših raziskovalnih ciljev razvoj inovativne integrirne informacijske tehnologije (IT), metodologije za sistematično obvladovanje inovativnosti pri trajnostni sintezi, rekonstrukciji in vodenju obratov.
Pomen za razvoj znanosti
Na procesno-sistemskem nivoju smo nadgradili splošno metodologijo za optimiranje regionalnih omrežij za proizvodnjo in porabo energije ter metodologijo za optimiranje snovnih in energetskih tokov industrijskih podjetij z njihovim dobavnim omrežjem. Z uporabo razvitih metodologij je odslej mogoče dobiti fleksibilne trajnostne rešitve pod fiksnimi in variabilnimi pogoji. Na biomolekularnem laboratorijskem nivoju smo optimirali proizvodnjo bioplina iz predobdelanih lignoceluloznih materialov, kjer smo uporabili bukov les. Izkazalo se je, da predobdelava lesa pripomore k večji proizvodnji bioplina. Na področju ocenjevanja trajnostnega razvoja smo razvili splošno metodologijo za zmanjševanje dimenzionalnosti kriterijev za probleme večkriterijskega optimiranja tako za obremenilne kot celotne (obremenilnih in razbremenilnih) odtise oz. druge kriterije. Orodje se je izkazalo kot praktično in uporabno za zmanjševanje dimenzionalnosti kriterijev. Na področju procesne integracije in intenzifikacije smo razvili splošen postopek in orodje za optimalno identifikacijo modifikacij in integracijo znotraj industrijskih kompleksov in celotnih območij. Orodje se je izkazalo kot zelo obetajoče in veliko naprednejše od trenutno obstoječih komercialnih in akademskih orodij te vrste ter predstavlja pomembno novost v svetu. Za čiščenje industrijskih odpadnih vod, kot so oljno-vodne emulzije, izkazujejo keramične membrane določene prednosti pred klasičnimi postopki, kot je zanesljiva kakovost efluenta. Tako se kaže znanstveni doprinos zlasti v razvoju novih materialov membran, ki so vse bolj cenovno dostopne. Ob upoštevanju trajnostnih načel smo študirali nove (bio)reakcijske poti, optimirali njihove procesne parametre in razvijali kinetične modele reakcij, za katere ti podatki še niso bili objavljeni. Izpostavljamo dve znanstveni tematiki z veliko možnostjo aplikacije. Večina komercialnih lepil za les je še vedno sintetičnih, večinoma zaradi njihove boljše vodoodpornosti. Vendar so pridobljena iz neobnovljivih in omejenih fosilnih virov. Ker so varstvo okolja, zdravja in trajnostna raba naravnih virov velik svetovni problem, zanimanje za naravna lepila narašča. Znano je, da imajo lepila na osnovi soje potencial za zamenjavo sintetičnih, smo razvili novo metodo toplotne modifikacije izolata sojinih proteinov, ki omogoča proizvodnjo lesnih lepil z visoko lepilno močjo. Kemijske in fizikalne lastnosti stekel in frit so v veliki meri odvisne od hitrosti hlajenja in sposobnosti za čim hitrejše preoblikovanje taline v amorfno trdno snov. Poznavanje teh sprememb omogoča proizvodnjo frit višje kakovosti (peči, grelniki za vodo itd) in uspešno ustvarjanje novih talilnih sistemov. Razvili smo tehniko vodne atomizacije za proizvodnjo frit in določili mehanizem strjevanja taline. Kombiniran pristop z uporabo elektrokemijskih metod in tehnik za površinsko analizo, pri študiju zasnove mešanic za uporabo v industriji pridobivanja energentov, je doprinesel k pridobitvi kvalitativnih in kvantitativnih informacij, ki so potrebne za podrobno razumevanje delovanja teh sistemov, kar bo omogočilo razvoj novih mešanic. Osnovne raziskave, usmerjene v izboljšanje razumevanja teh procesov so pomembne za splošen napredek na tem področju. Pomembnost te študije se še posebej kaže v dejstvu, da so uporabljene samo okoljsko sprejemljive kemikalije glede na nemško klasifikacijo WGK, kar prispeva k trajnostnemu razvoju.
Pomen za razvoj Slovenije
Ukvarjali smo se s sistematičnim razvojem in izboljševanjem metod za njihovo uporabo v praksi. Za izboljšanje poslovanja podjetij in njihovega zniževanja negativnih vplivov na okolje, smo razvili splošno sistematično orodje, s katerim je mogoče dobiti fleksibilne, okolju prijazne rešitve z izboljšanim dobičkom. Na primeru podjetja Perutnina Ptuj smo z integracijo obnovljivih virov energije dobili energetsko (iz vidika električne energije) samozadostno podjetje v vseh letnih časih. Za zagotavljanje izpolnjevanja ciljev za leto 2020 glede obnovljive energije na nivoju Slovenije oz. vsake posamezne članice EU in tudi znotraj celotne EU smo razvili splošno orodje, s katerim je mogoče optimirati celotno dobavno omrežje biogoriv in drugih obnovljivih goriv ob upoštevanju nihanja in dinamičnosti razpoložljivih virov in celotne proizvodnje. Orodje lahko pomembno pomaga pri odločanju glede načrtovanja optimalne proizvodnje obnovljivih virov energije. Na področju procesne integracije in intenzifikacije smo razvili splošen postopek in orodje za optimalno identifikacijo modifikacij in integracijo znotraj industrijskih kompleksov in celotnih območij. Orodje se je izkazalo kot zelo obetajoče in veliko naprednejše od trenutno obstoječih komercialnih in akademskih orodij te vrste ter predstavlja pomembno novost v svetu. Razvili smo splošno orodje za izboljšanje energetske učinkovitosti in učinkovitosti rabe virov znotraj obstoječih industrijskih kompleksov in celotnih območij. Z razvitim orodjem lahko tudi identificiramo vire odpadne toplote za daljinsko ogrevanje. Orodje je primerno za različne vrste industrij, ki obratujejo pod fiksnimi in spremenljivimi obratovalnimi pogoji. Preizkušeno je bilo na primeru obstoječe rafinerije nafte in izkazalo se je kot odlično. Če bi aplicirali to orodje v slovenskih podjetjih, bi le-ta postala konkurenčnejša in bolj trajnostna, saj bi lahko optimalno zmanjšala porabo zunanjega goriva in po možnosti odvečno toploto uporabila za daljinsko ogrevanje. Globalni premik procesne industrije v smeri trajnostnega razvoja med drugim zahteva uporabo inovativnih in fleksibilnih procesov, ki dolgoročno zagotavljajo družbenemu okolju prijazne in dostopne produkte z želenimi lastnostmi. Naše raziskave so bile namenjene predvsem industrijski aplikaciji znanstvenih raziskav na interdisciplinarnem področju biotehnologije in reakcijske ter procesne tehnike. V času trajanja programa smo reševali različne procesne probleme in vključevali trajnostne koncepte v slovensko procesno industrijo. Razvijali smo nove (bio)reakcijske poti, modelirali nepoznane reakcijske mehanizme in eksperimentalno optimirali kompleksne homogene in heterogene (bio)kemijske sisteme v različnih agregatnih stanjih. Poseben poudarek smo namenili fermentacijskim tehnikam mlekarske industrije, načrtovanju tehnologij čiščenja odpadnih voda papirne industrije, razvoju biorazgradljivih lepil lesne industrije ter načrtovanju končnih lastnosti novih produktov (porazdelitev velikosti zrn, kristalni polimorfizem) industrije emajlov. Razvoj okolju prijaznih formulacij v industriji pridobivanja energentov je novost in njena uspešna implementacija prispeva k ugledu Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo v Mariboru in ostalih raziskovalnih organizacij, s katerimi smo sodelovali. Prav tako ta tehnologija prispeva k prepoznavnosti slovenske znanosti. Na podlagi razvite tehnologije smo pridobili tržni projekt za nemško podjetje BASF SE, Ludwigshafen. V Sloveniji se na področju čiščenja vod omenja kot ključni problematika povečevanje količine nitratov v vodotokih zaradi pronicanja gnojil iz kmetijskih površin. Z raziskavami smo pokazali, kako je mogoče cenovno ugodno izvesti denitrifikacijo vod v skladu z Uredbo o varstvu voda pred onesnaževanjem z nitrati iz kmetijskih virov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
