1. FKKT
  2. Laboratoriji
  3. Laboratorij za procesno sistemsko tehniko in trajnostni razvoj
  4. Raziskovalna dejavnost

Raziskovalna dejavnost

RAZISKOVALNO PODROČJE

Raziskovalno področje laboratorija je razvoj in uporaba naprednih metod procesne sistemske tehnike pri načrtovanju trajnostnih proizvodnih tehnologij za pridobivanje kemikalij in energije, prehod s fosilnih goriv in naftnih surovin na obnovljive vire, zapiranje vodnih in CO2 krogov, povečevanje snovne in energetske učinkovitosti, razvoj novih materialov in produktov, razvoj reakcijske in bioreakcijske tehnike, varstvo okolja in trajnostni razvoj. Laboratorij razvija inovativne pristope, s katerimi je mogoče simultano obvladovati večnivojsko strukturo proizvodnih sistemov, tj. od atomov in molekul, preko posameznih procesov, do lokalnih in globalnih oskrbovalnih mrež za produkte in energijo. Za doseganje teh ciljev laboratorij razvija večnivojske načrtovalske strategije, ki povezujejo izgradnjo optimizacijskih modelov tehnoloških sistemov z laboratorijskimi in pilotnimi eksperimenti za generiranje zanesljivih vhodnih podatkov in validacijo modelov. Laboratorij s tesno povezavo matematičnega modeliranja in eksperimentalnih raziskav obvladuje kompleksne procesne sisteme in razvija poti za uporabo temeljnega znanja pri reševanju praktičnih problemov. Raziskave potekajo v naslednjih sklopih:

Sinteza celotnih trajnostnih (bio)kemijskih preskrbovalnih verig

V tem sklopu smo sodelovali s prof. Ignaciom E. Grossmannom iz Carnegie Mellon University, ZDA, prof. Jiri Klemešem in prof. Petrom Varbanovom s Pannonia University, Veszprem, Madžarska in dr. Marianom Martinom, University of Salamanca, Španija. Nadgradili smo razviti splošni mešano-celoštevilski linearni (MILP) model za optimiranje regionalnih omrežij za proizvodnjo in porabo energije, hrane in kemijskih proizvodov iz biomase v celotni proizvodni mreži. Model vključuje štiri nivoje: pridelavo surovin (L1), zbiranje, predobdelavo in skladiščenje (L2), predelavo v produkte, biorafinerije in energetska postrojenja (L3) in rabo produktov (L4). Model smo dodatno razširili v večperiodni model, ki vključuje sezonskost surovin in cen, vmesno skladiščenje surovin in produktov, degradacijo surovin in produktov med skladiščenjem, optimalen čas žetve, optimalni izbor površine za surovine, ki so dostopne vso leto (npr. alge) ter optimalni izbor surovin, kot je odpadno  jedilno olje. Model omogoča tudi »Total Site« toplotno integracijo (toplotno integracijo med tehnologijami na različnih lokacijah), ki vključuje toplotne izgube med distribucijo in stroške distribucijskega omrežja.

Povečana raba obnovljivih virov

Izdelali smo optimizacijski model za hkratno sintezo bioplinskega procesa in toplotno integriranega omrežja toplotnih prenosnikov. Model smo uporabili na realnem procesu proizvodnje bioplina v tovarni mesnih izdelkov Perutnina Ptuj. Rezultat optimiranja je energetsko samozadosten termofilni proces proizvodnje bioplina iz piščančjega gnoja in rastlinske biomase z zaprtim vodnim krogom in enostavno strukturo toplotnega omrežja. Postavili smo metodo za integracijo sončne termalne energije v procese, ki potrebujejo ogrevanje in metodologijo za maksimiranje rabe obnovljivih virov v pogojih njihove spremenljive razpoložljivosti.

Sinteze novih (bio)reakcijskih poti, bio- in farmacevtskih procesov

Študirali smo vpliv temperature fermentacije, hitrosti mešanja, dodatka ogljikovih hidratov, vitaminov in mineralov na nastanek kefirana z mlečnokislinskimi bakterijami kefirnih zrn. S tem smo želeli povečati proizvodnost tega specifičnega eksopolisaharida. Dokazali smo, da lahko z ustreznim vodenjem pogojev gojenja zrn in spreminjanjem sestave fermentacijskega medija njegovo proizvodnost znatno povečamo. Ključni faktorji so temperatura, vrtilna frekvenca mešala in dodatek ogljikovih hidratov. Ugotovili smo, da prirast zrn ni sorazmerna z vsebnostjo kefirana.
Monoesterifikacija diolov ima danes zelo velik praktičen pomen. Nastali produkti se uporabljajo za kozmetične, farmacevtske in prehrambne namene. Gre za reverzibilne reakcije, za katere težje določamo kinetiko in mehanizme. Študirali smo monoesterifikacijo etilen glikola z benzojsko kislino v avtomatiziranem reakcijskem kalorimetru, opremljenim z in-line IR spektrometrom. Na osnovi IR spektrov smo konstruirali koncentracijske profile produkta. Z uporabo kinetičnih in stehiometričnih podatkov smo podali reakcijski mehanizem, ki pojasnjuje opažene značilnosti reakcije.
Razvili smo rigorozni kinetični model za oceno koeficientov reakcijske hitrosti in snovnega prenosa. Uporaba takšnega modela je potrebna, saj se površinske lastnosti in topnost komponent med reakcijo spreminjajo, kar vpliva predvsem na kinetiko snovnega prenosa. Le-to smo s predlagano metodologijo zelo natančno definirali. Kot testno reakcijo smo izbrali sintezo natrijevega benzoata. Z dinamično simulacijo smo razvili profil spreminjanja površine snovnega prenosa in celokupnega koeficienta snovnega prenosa med potekom reakcije.
Alkoholne oksidacije v aldehide ali ketone so ene najpomembnejših transformacij v organski kemiji. V farmacevtski industriji jih uporabljajo predvsem kot gradnike pri sintezah. Zaradi pomanjkanja kinetičnih podatkov za te reakcije smo analizirali zelo pogosto reakcijo oksidacije mentola pod izotermnimi pogoji. Mentol ima v vodi nizko topnost, zato smo dodali aceton kot topilo. S tem je reakcijski medij postal bolj homogen in tako primernejši za kinetične analize brez upoštevanja člena snovnega prenosa. Z naraščajočo homogenostjo smo tudi pospešili hitrost reakcije.

Znižanje obremenitve okolja

Razvili smo metodologijo za celovito ocenjevanje trajnostnega razvoja pivovarn, ki temelji na primerjalni analizi (benchmarking) in jo uporabili za dvokriterijsko optimiranje industrijskega vodnega sistema. Predlagane rešitve izkazujejo minimalne stroške in porabo sveže vode ter so ovrednotene z vidika konkurenčnosti s podobnimi obrati v panogi oz. BAT tehnologijami.
V komunalnem podjetju smo izvedli analizo življenjskega cikla (LCA) z namenom znižanja količine odpadkov, ki nastajajo pri gradnji in rušenju objektov. Analizirali smo izvor, vrsto in količino odpadkov ter določili kritične dele sistema z največjim okoljskim vplivom, kar je osnova za zmanjšanje odpadkov in stroškov.
Pregledali smo ekonomske, okoljske in socialne odtise oz. indikatorje, s katerimi lahko merimo napredek v trajnostnem razvoju nekega sistema. Prav tako smo pregledali orodja, s katerimi lahko ocenimo odtise oz. trajnostni razvoj z upoštevanjem več kriterijev. Ogljični in dušični odtis smo ocenili na primeru proizvodnje energije iz biomase, kjer smo ugotovili, da se okoljski odtis zniža v primerjavi z rabo energije pridobljeno s fosilnih virov. Po drugi strani pa je dušični odtis močno povečan v primerjavi z zemeljskim plinom, kurilnim oljem in tudi premogom. Potencial zmanjšanja raznih odtisov, ogljičnega, dušičnega in vodnega smo predstavili na primeru lokalno integriranega energetskega sektorja, ki temelji na metodologiji Total Site.
Za ocenjevanje trajnostnega razvoja pogosto uporabljamo sestavljene indikatorje, ki združujejo več različnih kazalcev v enega. Na industrijskem primeru smo preizkusili različne metode za normalizacijo, določitev uteži in združevanje posameznih kazalcev, predstavili njihove prednosti in slabosti ter predlagali najprimernejši pristop za izračun sestavljenega indeksa trajnostnega razvoja.
Dodatno smo razvili tri metode ocenjevanja trajnostnega razvoja, primerne za večkriterijsko optimiranje, metodo celotnih trajnostnih indeksov, metodo celotnih odtisov in metodo eko- in celotnega dobička. Običajne metode trajnostnih indeksov, odtisov in eko-stroškov smo nadgradili tako, da poleg neposrednih, obremenilnih okoljskih vplivov upoštevajo tudi posredne, razbremenilne vplive, povezane z rabo in zamenjavo okolju škodljivih produktov. Postopek večkriterijskega optimiranja daje prednost rešitvam, ki poleg ekonomske učinkovitosti najprej okolje razbremenjujejo in šele nato okoljsko nimimalno obremenjujejo, kar predstavlja nov pogled na načrtovanje sistemov. Za večkriterijsko optimiranje smo razvili tudi metodologijo za zmanjšanje večjega števila kriterijev na manjše število reprezentativnih kriterijev. Metoda je doslej predstavljena na primeru okoljskih odtisov.
Razvili smo model za sintezo omrežja toplotnih menjalnikov z upoštevanjem cenovnih trendov energije za celotno življenjsko dobo. Rezultat tovrstne sinteze so omrežja z nižjo porabo energije v primerjavi, če pri sintezi upoštevamo le sedanje cene energije..

Novi proizvodni postopki, orodja in tehnologije – istemska tehnologija EWO

Po načelih čistejše in trajnostne proizvodnje produktov posodabljamo in spreminjamo obstoječe procese, da bi bili za okolje čim bolj trajnostni. Vsako razpoložljivo energijo v posameznem procesu prenašamo v procese, ki potrebujejo energijo. Zato smo se osredotočili na energetsko zahtevne procese in jih energetsko integrirali. S tem smo prihranili pri pogonskih sredstvih. Odvečno industrijsko vodo lahko koristno uporabimo, tako da jo vračamo v podsisteme za proizvodnjo pare in nadalje kogeneriramo električno energijo.

Računalniške aplikacije, rešitvene metode in strategije – sintetizer MIPSYN

Razvili smo dvostopenjski večkriterijski pristop za superstrukturno sintezo trajnostnih procesov z matematičnim programiranjem. V prvem koraku izvedemo klasično ekonomsko optimiranje superstrukture tehnoloških alternativ. V drugem koraku dodamo v superstrukturo trajnostne alternative in izvedemo dvokriterijsko optimiranje z ekonomskim in okoljskim kriterijem. Ugotovili smo, da je mogoče generirati procesne rešitve s hkratnim izboljšanjem obeh sicer konfliktnih kriterijev.

Prenos znanja in tehnoloških rešitev

Razvita znanja in optimizacijska orodja smo uporabili pri načrtovanju in optimizaciji procesa za površinsko obdelavo kovin in za načrtovanje procesa obdelave odpadnih oljnih emulzij. Nadaljevali smo s sodelovanjem v evropskem projektu VCSE (Virtual Campus for Sustainable Europe). Znanja o e-učenju in e-poučevanju smo pričeli prenašati na osnovnošolski nivo. Poudarek je na kreiranju banke vprašanj, ki jo lahko učitelji uporabljajo za e-preverjanje znanja učencev. Pri različnih predmetih raziskujemo uporabnost interaktivnih multimedijskih e-gradiv, ki smo jih sami izdelali.

RAZISKOVALNA OPREMA

    • Programska oprema za računalniško podprto procesno tehniko: Aspen+, HYSYS, SuperPro Designer, SuperTarget, PHAST, DIPPR
    • Optimizacijska programska oprema: GAMS, MIPSYN-MINLP, ICAS, Interfaces
    • Matematična programska oprema: MathCad, MATLAB, Mathematica, Polymath
    • Reaktor za kemijske reakcije v tekoči fazi Armfield
    • Pretočni cevni reaktor Armfield
    • Avtomatski laboratorijski reaktor RC1 Mettler Toledo
    • Spektrofotometer ReactIR IC10
    • Anaerobni in aerobni reaktor Armfield
    • CEU katalitski reaktor Armfield
    • Izobraževalna oprema za korozijo Armfield
    • Aeracijska enota
    • Oprema za izobraževanje in raziskave regulacije procesov GUNT
    • Reakcijski sistem RSST
    • Oprema za testiranje požarne in eksplozijske varnosti MP-1, MP-4 Kühner
    • Laboratorij za ekološko tehnologijo
    • Membranski bioreaktor ZW-10 Zenon
    • Enota za reverzno osmozo Culligan
    • Ozonator Wedeco
    • Flokulacijski sistem za JAR – test
    • EasyMax avtomatiziran dvoreaktorski sistem

 

RAZISKOVALNI PROGRAMI IN PROJEKTI

PROGRAMSKA SKUPINA/RESEARCH PROGRAMME GROUP

  • P2 – 032: Procesna sistemska tehnika in trajnostni razvoj
    Nosilec: Zdravko Kravanja

ARIS PROJEKTI

  • Projekt L2-0358 (2008-2011): Sinteza in rekonstrukcija procesov na osnovi alternativnih obnovljivih virov za proizvodnjo zelene energije
    Nosilec: Zdravko Kravanja
  • Projekt L2-3645 (2010-2013): Trajnostno optimiranje integriranih biorafinerij
    Nosilec: Peter Glavič

RAZISKOVALNI PROGRAMI EU

  • How could logistics and the safety of the transport of chemicals be improved in the Mediterranian area, LOSAMEDCHEM, Europe in the Mediterranean. 2010–2013. Ref. no. 2G-MED09-199.
    Koordinator: Peter Glavič
  • European Training Partnership on Sustainable Innovation, TRUST IN.2010–2013.Leonardo da Vinci – Partnerships. Ref. no. LDV-PAR-48/10.
    Koordinator: Peter Glavič
  • Informacijsko in izobraževalno eko-vozlišče za podporo malim in srednje velikim podjetjem pri povezovanju, inoviranju, razvoju in trženju okolju prijaznih izdelkov, procesov in storitev, ECO-HUB. 2011-2013. Operativni program Slovenija-Madžarska 2007-2013
    Koordinator: Damjan Krajnc
  • Znanje za gospodarstvo v mejni regiji – KBB
  • EFENIS-FP7

BILATERALNI MEDNARODNI PROJEKTI /BILATERALCOOPERATIONS

ZDA

  • MINLP sinteza procesov na osnovi alternativnih obnovljivih virov
    Nosilec : Zdravko Kravanja

Bosna in Hercegovina

  • Razvoj in aplikacija optimizacijskega modela za zmanjševanje porabe vode v procesnih industrijah
    Nosilec : Zdravko Kravanja

Republika Južna Afrika

  • Competitive Programme for Rated Researchers 2012, CPR20110701000019924, s prof. Duncanom Frazerjem z Univerze v Cape Townu
    Nosilec na UM : Zdravko Kravanja