Strona główna „Forum Akademickiego”

Archiwum z roku 1999

Spis treści numeru 4/1999

Trzy w jednym
Poprzedni Następny

Z tej samej ilości surowca możemy wyprodukować więcej, lepiej, szybciej i taniej.
I – co najważniejsze – bardziej przyjaźnie dla naszego naturalnego środowiska.

Artur Wolski

Fot. Stefan CiechanCzy zastanawialiście się kiedyś, ile ciekawych zagadek świata nauki ukrytych jest w prozaicznych czynnościach dnia codziennego? Co na przykład może wynikać ze zwykłego mieszania kawy ze śmietanką, przelewania się strumienia wody z kranu czy płynącej wartkim nurtem rzeki? Czy chmury przemieszczające się nad naszymi głowami niosą w sobie informacje tylko dla meteorologów i astronomów, czy także dla innych badaczy? Otóż, otaczająca nas struktura materii jest tak wysoce skomplikowana, że wystarcza pytań i odpowiedzi dla wielu mądrych głów. „Kto pyta, nie błądzi”, mówi stara maksyma i ona właśnie zainspirowała uczonych do dokładniejszego opisywania świata. Tak, wspólnym wysiłkiem wielu chemików, fizyków oraz inżynierów narodziła się nowa dziedzina wiedzy, zwana inżynierią chemiczną i procesową.

Trzy w jednym to wynik godny XXI wieku. Na tę ofertę od dawna czekał człowiek i zrodzony dzięki niemu przemysł. Dlaczego nie spróbować „wycisnąć” z istniejących już procesów dodatkowych norm, nie odchodząc od słusznego powiedzenia: „mierz siły na zamiary”? Okazało się, że dzięki połączeniu i siły są większe, i zamiar skuteczniejszy. Z tej samej ilości surowca możemy wyprodukować więcej, lepiej, szybciej i taniej. I co najważniejsze – bardziej przyjaźnie dla naszego naturalnego środowiska.

BURZLIWY PRZEPŁYW

Co może wynikać z dokładnej analizy procesu burzliwego przepływu, czyli zjawiska „ostrego” mieszania się różnych składników ze sobą? Wyjaśnił mi to prof. Jerzy Bałdyga z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej. Otóż, proces ten do niedawna był jedną z zagadek nauki. Obecny wokół nas, a jednak tajemniczy i niedostępny. Dziś sprawy mają się nieco lepiej i udało się już poznać fragment tego tajemnego pola. W tym celu badacze konstruują specjalne modele, naśladując naturę, i krok po kroku, jak w analizie Pana Tadeusza na lekcjach języka polskiego, rozbierają to „dziwo” na składniki pierwsze. Skutki takiego działania są zaskakująco pozytywne. W laboratoriach buduje się wielkie akwaria wypełnione cieczą. Do nich wmontowuje się dodatkowo cylindry, także z płynem. Konstrukcje są przezroczyste, co ułatwia obserwację. W małym naczyniu jest też specjalne mieszadło, odpowiedzialne za wprowadzenie do połączonych naczyń „niepokoju”. Obok takiej konstrukcji ustawia się anemometr laserowy, który mierzy lokalne wartości prędkości płynu w każdym punkcie reaktora. Poznanie zjawiska burzliwego przepływu pozwala na modelowanie określonych procesów chemicznych.

Jak to się dzieje w praktyce? Otóż bardzo prosto. Np. w drodze syntezy dwóch produktów powstaje określony trzeci. Ale... no właśnie, towarzyszy temu ogromna liczba trudnych technologicznie do opanowania produkcyjnych zasadzek. Dołącza się jeszcze „czarna karta” w postaci niepożądanych szkodliwości, będących efektem reakcji. I teraz, dzięki znajomości tajników burzliwych przepływów i transporcie masy, można tak ustawić produkcję, np. leków, aby otrzymywać tylko to, co chcemy, przy minimalnych kosztach zanieczyszczenia procesu i środowiska. Tak też produkuje się już dziś materiały magnetyczne, światłoczułe czy katalizatory.

PLEŚNIE W RUCHU

Innym działem, w który wkracza inżynieria chemiczna i procesowa, jest biotechnologia. Sprawdziłem to oglądając jedno z laboratoriów w Politechnice Warszawskiej, po którym oprowadziła mnie dr Małgorzata Jaworska. Naszą wizytację rozpoczęliśmy „od kuchni”, gdzie w lodówce, w specjalnych probówkach przechowywane są tzw. skosy. Brzmi to dziwnie, ale sprawa jest prosta. Probówki ułożone są właśnie na skos, po to, by nagromadzona w nich galaretowata pożywka dała jak największą powierzchnię dla hodowli mikroorganizmów. Tam właśnie są wysiewane grzyby strzępkowe. Niska temperatura powoduje, że nie rosną one zbyt szybko a zachowują swoje cechy. Kiedy już przychodzi pora na badania, taka mini hodowla przenoszona jest w warunkach jałowych do wytrząsarki, aby hodowlę rozmnożyć i osiągnąć większą biomasę. W odpowiednio przygotowanych szklanych kolbach nasze pleśnie poddawane są, z punktu widzenia człowieka, torturom. Maszyna z ich zawartością po prostu cały czas drga. Okazuje się jednak, że grzybom to wyjątkowo odpowiada. Są doskonale dotlenione i szybko się rozmnażają. Następnie z tego laboratoryjnego „przedszkola” przenosi się je w miejsce właściwe, a więc do bioreaktora. I tu rozpoczyna się pole doświadczalne inżynierii procesowej. W dużym szklanym cylindrze toczy się dalej proces hodowli, tylko już bardziej dojrzałej. Jest ona ustawiona pod kątem otrzymania określonych związków. Pleśnie znowu zmuszane są do ruchu, dostając dodatkowo dużo pożywienia, muszą się rozmnażać. Odbywa się to w optymalnej dla tego procesu temperaturze i przy właściwym pH.

W życiu, oczywiście, nie ma nic za darmo. Za wysiłek stworzenia komfortowych warunków, pleśnie odwdzięczają się wytwarzaniem różnych pożytecznych związków, m.in. kwasu cytrynowego, stosowanego w przemyśle spożywczym, czy bardzo skomplikowanych antybiotyków nowej generacji. Każdy z tych złożonych procesów zaczynał się w takim właśnie laboratorium. A wszystko po to, aby nic, co obecne jest w przyrodzie, nie zostało zmarnowane i dało jak najwięcej korzyści człowiekowi. Takie przykłady można mnożyć.

POLSKA WODA

Przekonałem się o tym oglądając, wspólnie z prof. Leonem Gradoniem, kolejną pracownię, gdzie opracowano sposób otrzymywania filtrów do wody pitnej i technologicznej. Punktem wyjścia do produkcji takich materiałów – Politechnika uruchomiła specjalną linię – były wyniki badań innego Instytutu, dotyczące jakości polskiej wody. Pomysł „na filtry” okazał się wyjątkowo skuteczny. Na metalowe rdzenie w kształcie walca nakłada się pierścienie wykonane z polipropylenu. Następnie umieszcza się je na specjalnie do tego celu skonstruowanej instalacji, gdzie produkowany jest filtr. Rdzeń w urządzeniu zaczyna się obracać wokół własnej osi, a z góry natryskuje się nań mgłę włókna sztucznego – polipropylenu. Struktura filtru zależy od jego przeznaczenia, czyli od tego, z jakich i jak gęsto ułożonych cząstek tkamy powierzchnię filtru.

APARATY Z DUSZĄ

Inne ciekawe pomieszczenie pokazał mi prof. Andrzej Urbanek. Nie było to zwykłe laboratorium, ale w mikroskali – cała fabryka. Są tam przykłady aparatury stosowanej w produkcji, tylko w nieco mniejszym wymiarze. Studenci mogą zapoznać się z możliwościami rozwiązań, pozwalających na znacznie skuteczniejsze wykorzystanie użytych do reakcji produktów. Nie ma procesu bez aparatu i każdy aparat konstruuje się też do określonego procesu technologicznego. Mogłem zobaczyć pierwowzór specjalnej kolumny fluidalnej, który posłużył do zbudowania największej w Polsce kolumny fluidalnej w linii do produkcji kaprolaktanu w Zakładach Azotowych w Tarnowie-Mościcach. Ta laboratoryjna kolumna to metalowo-szklany walec, w którym następuje mieszanie dwóch strumieni: cieczy i gazu. Dzięki tej technice możemy osiągać bardzo dobre wyniki przebiegu reakcji, wymiany ciepła i innych procesów będących przedmiotem badań inżynierii chemicznej.

Tajemnica pracy konstruktorów polega na ożywieniu tych aparatów, na wprowadzeniu w nie duszy. Można to uczynić przy opracowaniu nowych rozwiązań, ale też udaje się ożywić muzealne, z punktu widzenia techniki, eksponaty. Wiedza i doświadczenie potrafią czynić cuda. Ze starych urządzeń można zrobić zupełnie nowe. Ale to jest tylko jeden nurt badań, jak twierdzi prof. Urbanek. Inny polega na opracowywaniu coraz to nowych technologii oczyszczania gazów, a także ich odsiarczania, np. technologią mokrą magnezową czy też technologią usuwania tlenków azotu metodą KNT (kropli nasyconej tlenem) przy produkcji kwasu azotowego.

ZA MAŁO MAGNEZU

Olbrzymią zaletą metody odsiarczania gazów technologią mokrą magnezową jest możliwość uzyskiwania magnezu. Jest to szalenie istotne w obliczu wyników badań, jakie pod tym kątem przeprowadziło szereg placówek naukowych w kraju. Obserwuje się bowiem już od dłuższego czasu, zwłaszcza w centralnej Polsce, niski poziom magnezu w łańcuchu żywieniowym człowieka. Poprawy można oczekiwać jedynie poprzez wprowadzenie do gleby dużych dawek związków magnezu w formie nawozów. W chwili obecnej zasobność gleb polskich w magnez jest, na przeważających obszarach kraju, kilkakrotnie mniejsza od wymaganej dla produkcji żywności i spełniającej europejskie normy jakościowe. Braki magnezu przyswajalnego w glebach lekkich pogłębiają się, co powoduje niski jego poziom w produktach spożywczych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. W następstwie prowadzi to do niedoboru tego pierwiastka w organizmie. Określa się to mianem hipomagnezji, która niewątpliwie wpływa na skrócenie czasu życia człowieka.

Metoda mokra magnezowa pozwala więc nie tylko na oczyszczenie spalin pochodzących z palenisk zasilanych dowolnym paliwem, ale również, w wyniku odsiarczania, daje możliwość wytwarzania produktu użytecznego: siarczanu magnezu, służącego jako nawóz mineralny. Warto podkreślić, że metoda nie daje jakichkolwiek odpadów stałych oraz ścieków, co gwarantuje jej ekologiczność. Sprawność odsiarczania jest niezwykle wysoka, sięga około 95 proc. Ważnym atutem tej metody jest także ekonomiczny aspekt całego przedsięwzięcia. Dzięki zastosowanym do budowy pionierskim rozwiązaniom, większość aparatów jest wyjątkowo trwała. Ich czas eksploatacji oblicza się na przeszło 20 lat. Nie bez znaczenia jest prostota i łatwość w montażu i dopasowanie instalacji do prawie każdych warunków lokalizacyjnych. I jeszcze jedno – ponad 90 proc. dostaw to polskie aparaty i urządzenia.

Inżynieria chemiczna i procesowa oraz biotechnologia należą do najbardziej ekspansywnych gałęzi inżynierii. Z tego względu specjaliści tych kierunków muszą być przygotowani do współpracy ze specjalistami z mikrobiologii, biochemii, enzymologii, farmacji, chemii oraz ochrony środowiska.

Ogólność wykształcenia, jaką cechują się specjaliści z inżynierii chemicznej i procesowej oraz biotechnologii sprawia, że są oni poszukiwani przez instytucje naukowe i badawcze, biura projektowe i zakłady produkcyjne wszystkich rodzajów. Absolwenci Wydziału odgrywają istotną rolę w rozwoju metod produkcji, począwszy od powstania koncepcji, poprzez badania, projektowanie, budowę i zapewnienie ruchu instalacji, aż do stałego ulepszania i optymalizacji procesów.

Artur Wolski, dziennikarz Programu I Polskiego Radia, autor audycji z cyklu „Mapa Nauki Polskiej”, sponsorowanych przez KBN.

Uwagi.