V uplynulých čtyřech letech se vědci z Ústavu chemických procesů AV ČR, v. v. i., a Vysoké školy chemicko-technologické Praha zúčastnili významného evropského projektu, který byl „vlajkovou lodí“ evropského výzkumu a vývoje v oblasti nových chemických procesů, řešeného v rámci 7. rámcového programu. Projekt IMPULSE (Integrated Multiscale Process Units with Locally Structured Elements) se orientoval na výzkum mikrotechnologie jako vhodného nástroje pro příští inovace v chemickém průmyslu, zejména se zaměřením na bezpečnější a čistší výrobní procesy. Význam této evropské iniciativy podtrhuje fakt, že chemický průmysl v Evropě nabízí dva miliony bezprostředních pracovních příležitostí a zajišťuje 25 procent celosvětové produkce chemických výrobků.
Evropské konsorcium řešitelů projektu sestávalo jednak z vedoucích výzkumných a univerzitních center Evropy v oblasti chemického inženýrství, mikrotechnologií a inovace procesů (Nancy, Toulouse, Lyon, Paříž, Manchester, Aachen, Mainz, Karlsruhe, Apeldoorn, Tarragona, Varšava a Praha) a jednak se jej zúčastnili zástupci čtyř průmyslových gigantů: GlaxoSmithKline – druhý největší producent farmaceutik na světě; Degussa – největší výrobce chemických specialit na světě; Procter & Gamble – vedoucí dodavatel produktů spotřební chemie – a Siemens – vedoucí firma v oblasti automatických systémů řízení procesů. Zbývajícími partnery v konsorciu byly servisní společnosti Britest (UK), Dechema (D) a Arttic (F).
Projekt IMPULSE vědci rozdělili do několika částí (vzájemné propojení jednotlivých částí projektu viz obr. 1). Jeho průběh zajišťuje management v čele s ředitelem projektu prof. M. Matloszem z Univerzity v Nancy. Vlastní výzkum se soustředí na tři aktuální chemická odvětví, a to farmaceutické produkty, speciální chemikálie a spotřební chemii. V každém z těchto subprojektů (SP) vědci řešili tři samostatné úkoly, které tvořily vertikální strukturu projektu. Současně existovala i horizontální propojení jednotlivých úkolů, shromažďující výsledky podobného charakteru napříč různými problematikami. Jedná se především o metodiky práce, laboratorní protokoly, vyhodnocovací postupy apod.
Struktura projektu IMPULSE, distribuce finanční podpory ze 7. RP EU
Popularizace výsledků byla náplní dalších tří pracovních aktivit, které se zaměřily na výuku (Training & Education), demonstrační projekty, prezentace výsledků v časopisech, na konferencích a patentech. Právě demonstrační projekty jednotlivých úkolů se staly důležitou součástí IMPULSE, protože jejich úkolem bylo začlenění laboratorních výsledků do poloprovozní průmyslové praxe.
Společný vědecký tým ÚCHP AV ČR a VŠCHT Praha se podílel především na vývoji nových elektrochemických mikroreaktorů pro přípravu speciálních chemikálií (subprojekt T2.3 Elektrochemická alkoxylace). Hlavním cílem bylo vyvinout mikroreaktor, který by umožnil vysokou konverzi a selektivitu při pouze jednom průchodu reakční směsi reaktorem. Tím se odstraní nezbytnost recyklu nezreagovaných reakčních složek v současném výrobním postupu a výrazně sníží náklady na čištění a separaci výsledných produktů. Hlavní myšlenkou nového návrhu bylo použití štěrbinového elektrochemického reaktoru s 0,1mm štěrbinou spolu se segmentovanou elektrodou.
Při výzkumu v tomto subprojektu vědci studovali kinetiku vybraných elektrochemických reakcí a hydrodynamiku dvoufázového toku uvnitř mikroreaktoru. A to jak experimentálně, tak pomocí matematických simulací. Současně také zkoumali možnost paralelizace celého procesu. Tento způsob umožní jednoduše, ale účinně zvýšit výrobní kapacitu mikroreaktorů (scale-up), což je v případě komplexních procesů v tradičních reaktorech poměrně náročné.
Výsledkem intenzivní spolupráce několika mezinárodních pracovišť (VŠCHT Praha, ÚCHP AV ČR, CNRS Nancy Francie, IMM Německo) je nový elektrochemický mikroreaktor pro methoxylaci 4-methylanisolu. Nově navržený reaktor kombinuje využití bipolárních elektrod a paralelního uspořádání štěrbin (viz obr. 2). Mikroreaktor tvoří jednotkový modul pro případné zvětšování kapacity výroby pomocí výše zmíněné paralelizace.
Dalším výsledkem projektu IMPULSE je návrh průmyslového mikroreaktoru, který umožní výrobu 3500 tun produktu za rok. Takový mikroreaktor bude obsahovat elektrody s řádově větší plochou při zachování stejné tloušťky štěrbiny.
Nový bipolární mikroreaktor pro elektrochemickou alkoxylaci
FOTO: Archiv ÚCHP AV ČR
Tým ÚCHP AV ČR se též zapojil do demonstračního projektu TE.3 v oboru spotřební chemie. Tato část projektu se zaměřila na aplikaci mikroreaktorů pro výrobu meziproduktů pro mycí prostředky a aviváže. Cílem demonstrace bylo implementovat laboratorní výsledky do poloprovozní praxe. V podstatě šlo o paralelizaci statických mikromísičů použitých pro výrobu nenewtonských kapalin s komplexní vnitřní strukturou.
Poloprovozní výsledky ukazují, že navržený postup je vhodný nejen pro zvětšování výrobní kapacity mikroreaktorů, ale přináší i další výhody. Jedná se především o udržení identických procesních podmínek, a tím o zaručení identických vlastností výsledných produktů. Jinou výhodou je kompaktnější velikost zařízení nebo kratší doba potřebná na uvedení aparatury do chodu.
Konečné hodnocení výsledků projektu v současnosti posuzuje Evropská komise. Z již zveřejněných hodnocení vyplývá, že ambiciózní cíle projektu vědci naplnili; některé výsledky dokonce předčily očekávání. S jistotou můžeme říci, že mikrotechnologie je slibnou cestou k vytvoření nových, bezpečnějších a čistších výrobních procesů. Více informací o projektu a jeho výsledcích lze najít na webovém portálu projektu IMPULSE http://impulse.inpl-nancy.fr/.
JIŘÍ KŘIŠŤÁL A VLADIMÍR JIŘIČNÝ,
Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i.
Evropské konsorcium řešitelů projektu sestávalo jednak z vedoucích výzkumných a univerzitních center Evropy v oblasti chemického inženýrství, mikrotechnologií a inovace procesů (Nancy, Toulouse, Lyon, Paříž, Manchester, Aachen, Mainz, Karlsruhe, Apeldoorn, Tarragona, Varšava a Praha) a jednak se jej zúčastnili zástupci čtyř průmyslových gigantů: GlaxoSmithKline – druhý největší producent farmaceutik na světě; Degussa – největší výrobce chemických specialit na světě; Procter & Gamble – vedoucí dodavatel produktů spotřební chemie – a Siemens – vedoucí firma v oblasti automatických systémů řízení procesů. Zbývajícími partnery v konsorciu byly servisní společnosti Britest (UK), Dechema (D) a Arttic (F).
Projekt IMPULSE vědci rozdělili do několika částí (vzájemné propojení jednotlivých částí projektu viz obr. 1). Jeho průběh zajišťuje management v čele s ředitelem projektu prof. M. Matloszem z Univerzity v Nancy. Vlastní výzkum se soustředí na tři aktuální chemická odvětví, a to farmaceutické produkty, speciální chemikálie a spotřební chemii. V každém z těchto subprojektů (SP) vědci řešili tři samostatné úkoly, které tvořily vertikální strukturu projektu. Současně existovala i horizontální propojení jednotlivých úkolů, shromažďující výsledky podobného charakteru napříč různými problematikami. Jedná se především o metodiky práce, laboratorní protokoly, vyhodnocovací postupy apod.
Struktura projektu IMPULSE, distribuce finanční podpory ze 7. RP EU
Popularizace výsledků byla náplní dalších tří pracovních aktivit, které se zaměřily na výuku (Training & Education), demonstrační projekty, prezentace výsledků v časopisech, na konferencích a patentech. Právě demonstrační projekty jednotlivých úkolů se staly důležitou součástí IMPULSE, protože jejich úkolem bylo začlenění laboratorních výsledků do poloprovozní průmyslové praxe.
Společný vědecký tým ÚCHP AV ČR a VŠCHT Praha se podílel především na vývoji nových elektrochemických mikroreaktorů pro přípravu speciálních chemikálií (subprojekt T2.3 Elektrochemická alkoxylace). Hlavním cílem bylo vyvinout mikroreaktor, který by umožnil vysokou konverzi a selektivitu při pouze jednom průchodu reakční směsi reaktorem. Tím se odstraní nezbytnost recyklu nezreagovaných reakčních složek v současném výrobním postupu a výrazně sníží náklady na čištění a separaci výsledných produktů. Hlavní myšlenkou nového návrhu bylo použití štěrbinového elektrochemického reaktoru s 0,1mm štěrbinou spolu se segmentovanou elektrodou.
Při výzkumu v tomto subprojektu vědci studovali kinetiku vybraných elektrochemických reakcí a hydrodynamiku dvoufázového toku uvnitř mikroreaktoru. A to jak experimentálně, tak pomocí matematických simulací. Současně také zkoumali možnost paralelizace celého procesu. Tento způsob umožní jednoduše, ale účinně zvýšit výrobní kapacitu mikroreaktorů (scale-up), což je v případě komplexních procesů v tradičních reaktorech poměrně náročné.
Výsledkem intenzivní spolupráce několika mezinárodních pracovišť (VŠCHT Praha, ÚCHP AV ČR, CNRS Nancy Francie, IMM Německo) je nový elektrochemický mikroreaktor pro methoxylaci 4-methylanisolu. Nově navržený reaktor kombinuje využití bipolárních elektrod a paralelního uspořádání štěrbin (viz obr. 2). Mikroreaktor tvoří jednotkový modul pro případné zvětšování kapacity výroby pomocí výše zmíněné paralelizace.
Dalším výsledkem projektu IMPULSE je návrh průmyslového mikroreaktoru, který umožní výrobu 3500 tun produktu za rok. Takový mikroreaktor bude obsahovat elektrody s řádově větší plochou při zachování stejné tloušťky štěrbiny.
Nový bipolární mikroreaktor pro elektrochemickou alkoxylaci
FOTO: Archiv ÚCHP AV ČR
Tým ÚCHP AV ČR se též zapojil do demonstračního projektu TE.3 v oboru spotřební chemie. Tato část projektu se zaměřila na aplikaci mikroreaktorů pro výrobu meziproduktů pro mycí prostředky a aviváže. Cílem demonstrace bylo implementovat laboratorní výsledky do poloprovozní praxe. V podstatě šlo o paralelizaci statických mikromísičů použitých pro výrobu nenewtonských kapalin s komplexní vnitřní strukturou.
Poloprovozní výsledky ukazují, že navržený postup je vhodný nejen pro zvětšování výrobní kapacity mikroreaktorů, ale přináší i další výhody. Jedná se především o udržení identických procesních podmínek, a tím o zaručení identických vlastností výsledných produktů. Jinou výhodou je kompaktnější velikost zařízení nebo kratší doba potřebná na uvedení aparatury do chodu.
Konečné hodnocení výsledků projektu v současnosti posuzuje Evropská komise. Z již zveřejněných hodnocení vyplývá, že ambiciózní cíle projektu vědci naplnili; některé výsledky dokonce předčily očekávání. S jistotou můžeme říci, že mikrotechnologie je slibnou cestou k vytvoření nových, bezpečnějších a čistších výrobních procesů. Více informací o projektu a jeho výsledcích lze najít na webovém portálu projektu IMPULSE http://impulse.inpl-nancy.fr/.
JIŘÍ KŘIŠŤÁL A VLADIMÍR JIŘIČNÝ,
Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i.
English
