Oddělení katalýzy a reakčního inženýrství

Biorafinace a biotechnologie v současnosti přinášejí nové žádané produkty, jednoznačně se v nich uplatňuje přínos chemie, konkrétně biochemického inženýrství, mikrobiologie a biokatalýza společně s inženýrským přístupem řešení vícefázových (bio)reaktorů, hydrodynamických parametrů, sofistikované chemicko-inženýrské separační techniky (elektrokoagulace, desintegrace biokatalyzátoru, kapalinová a superkritická extrakce, selektivní adsorpce, atd.). V rámci Oddělení katalýzy a reakčního inženýrství, které je vůdčím subjektem Centra kompetence BIORAF a Národního centra kompetence BIOCIRTECH, je s akademickými i průmyslovými partnery řešena například problematika přípravy nových produktů, např. kloubních preparátů z chrupavek drůbeže, esenciálních vysoce žádaných nenasycených mastných kyselin z mikrořas, kosmetických a protizánětlivých prostředků z magnolie pro dermatologii, vývoj fotobioreaktoru na masovou produkci mikrořas (mj. předmět komplexní technologie pro Mezinárodní výstavu v Dubai v roce 2020), inovace briketovacích lisů na biomasu, zařízení na enzymatickou transesterifikaci odpadních olejů, atd. V současné době je ve spolupráci s lékařskou komunitou řešena problematika adheze živočišných buněk (endotheliálních, svalových, jaterních, apod.) na různé biopolymerní sítě a membrány vyráběné originální metodou elektrospinningu.

Tato oblast cílí na vývoj nových procesů využitelných k ochraně životního prostředí, likvidaci nežádoucích látek z vod, půd i ovzduší, ale i snížení energetické náročnosti různých procesů. V rámci výzkumné oblasti je řešena možnost úschovy obnovitelné energie do chemických látek. Jednou ze zkoumaných možností je elektrochemická cela na bázi solárních článků umožňující současně nejen úschovu energie ve vyvíjeném plynu, ale i rozklad skoro neodstranitelných látek, jako jsou polychlorované bifenyly, z kontaminovaných vod. V rámci odstraňování nežádoucích látek, jako jsou endokrinní disruptory, organické sloučeniny, těžké kovy či farmaka, které se běžně nacházejí ve vodách, jsou testovány a optimalizovány různé procesy, jako je elektrokoagulace, fotolýza, fotokatalýza, adsorpce, ale i nano či nulamocné železo. Výzkum je zaměřen i na optimální kombinace metod s ohledem na účinnost, ale i ekonomiku procesu. Výzkum je zaměřen i na dekontaminaci zemin pomocí termální desorpce propojené se sorpcí s katalytickou koncovkou zajišťující i odstranění rtuti a dalších těžkých kovů. Zároveň je řešena problematika v intencích cirkulární ekonomiky, kdy je řešena příprava pelet či briket s optimalizovanou strukturou z variabilních odpadních materiálů papírenských a čistírenských kalů, čistírenských kalů, odpadních textilních materiálů, s ohledem na výhřevnost i vhodné složení.    

Prudký rozvoj technologií klade stále větší důraz na specifické materiály s unikátními, přesně definovanými vlastnostmi, které je možno modifikovat dle měnících se požadavků. V rámci výzkumné oblasti je řešena problematika přípravy nanomateriálů a tenkých vrstev materiálů s širokou škálou struktur i vlastností nejen na bázi oxidů přechodných kovů, ale i vysoce zesítěných polymerů vyznačujících se ohromným specifickým povrchem na stěnách relativně širokých pórů cíleně připravovaných pro konkrétní aplikace, nebo fotoaktivních polymerů s vysokým obsahem dusíku a nastavitelným oxidačně/redukčním potenciálem využitelným pro selektivní chemické reakce. Výzkum je zaměřen i na přípravu nanovlákenných útvarů připravených technikou elektrostatického zvlákňování, které jsou cíleně modifikovány s ohledem na jejich využití. Testují se jako specifické katalyzátory, obalové materiály na potraviny, či nosiče pro kultury živých buněk. Pro jejich přípravu jsou testovány variabilní materiály od polyamidů až po chitosan připravený deacetylací chitinu odpadajícího ze zpracování mořských korýšů, nebo želatinu z jatečních odpadů, které jsou vhodné jako biokompatibilní obalové materiály.  

Krátké slovo katalýza pokrývá širokou vědní oblast zabývající se přípravou katalyzátorů, s čímž je těsně spjat transport médií v katalyzátorech, jejich mikrostruktura i využití v procesním inženýrství; tedy tradiční oblasti výzkumu v oddělení. V současnosti jsou vyvíjeny nové metody přípravy katalyzátorů pro prevenci tvorby NOx, pro hydrorafinační procesy testované v katalytických mikro reaktorech. Dále jsou objasňovány vztahy mezi strukturou, složením, aktivitou a selektivitou oxidačních katalyzátorů pro účinnější využití biopaliv v automobilovém průmyslu; jsou vyvíjeny a optimalizovány nové typy fotokatalyzátorů uplatnitelné v technologiích pro ochranu životního prostředí. Nedílnou součástí tohoto směru je i výzkum v oblasti přesné charakterizace textury a mikrostruktury materiálů včetně objasnění vztahů mezi strukturou materiálů a transportem v pórech, kdy je využíván a rozvíjen unikátní vlastní software. Tyto znalosti jsou využívány pro popis katalytických procesů a umožňují provádět spolehlivé předpovědi, kdy na základě znalosti jednotlivých kroků je možno navrhnout optimální strukturu pórů heterogenních katalyzátorů, ale i adsorbentů, membrán atd., tedy i optimalizaci přípravy katalyzátoru.    

V rámci testů odstraňování variantních cizorodých látek typu endokrinních disruptorů, farmak a prostředků osobní péče, chemikálií i kovů z odpadních a podzemních vod byl navržen a otestován sekvenční postup: elektrokoagulace →pokročilé oxidační a reduktivní procesy→ adsorpce zaručující komplexní dekontaminaci vod. Zároveň byla objasněna role přítomnosti fotoaktivního katalyzátoru v procesu, který zároveň zajišťuje rozklad i následných produktů, čímž dochází k postupnému poklesu toxicity vody. Bez přítomnosti fotokatalyzátoru za využití fotolytického procesu naopak toxicita stoupá. 2 publikace, užitný vzor  

Byla navržena a otestována tlaková hydrolýza odpadního peří při zvýšené teplotě v rámci výzkumného programu Centra Kompetence BIORAF (TA ČR). Vývoj procesu pro simultánní hydrolýzu proteinů a lipidů obsažených v obtížném živočišném odpadu byl zaměřen na jeho využití jakožto zdroje pro přípravu aminokyselin a nízko-molekulárních proteinů rozpustných ve vodě. Zároveň výsledný hydrolyzát je využitelný v zemědělství, v kosmetice, ale i lékařství. Bylo úspěšně provedeno zvětšování měřítka kysele katalyzované hydrolýzy odpadní  živočišné biomasy s použitím vsádkových promíchávaných autoklávů laboratorního, poloprovozního a provozního měřítka o objemech 2, 25 a 6000 litrů. 2 patenty, 2 užitné vzory, publikace

V rámci tohoto tématu je rozvíjen náš původní postup přípravy vysoce zesítěných polymerů vyznačujících se vysokým specifickým povrchem na stěnách relativně širokých pórů a jsou zkoumány možnosti optimalizace těchto materiálů pro konkrétní aplikace. Publikace, Patent, podán USA patent

Proces recyklace je založen na syntéze silicidu hořečnatého (Mg₂Si), germanidu hořečnatého (Mg₂Ge) nebo jejich směsí přímo z mletých fotovoltaických článků a / nebo rozbitých germaniových čoček s odpadními čipy hořčíku za nízké teploty. Připravené vzorky jsou poté hydrolyzovány kyselinou fosforečnou za vzniku odpovídajících hydridů, silanů (SinH2n + 2), germanů (GenH2n + 2) a dokonce germylsilanů (SixGeyHz), které jsou relativně tepelně nestabilní do té míry, že je lze snadno rozložit na ultračisté prvky Si, Ge a vodík. Kromě toho je možné je použít jako žádoucí prekurzory CVD pro přípravu tenkých polovodivých vrstev nebo pro syntézu silicidů kovů a germanidů, které by mohly najít potenciální využití v oblasti katalýzy, termoelektroniky a elektroniky. 2 patenty, 2 publikace