Nauka

DZIAŁALNOŚĆ BADAWCZA WYDZIAŁU INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ

Badania naukowe prowadzone na Wydziale wpisują się w nowe kierunki rozwoju dyscypliny naukowej inżynieria chemiczna, pozwalając na wykorzystanie jej potencjału badawczego m.in. w obszarach:

  1. intensyfikacji procesów przemysłowych (wysokoefektywne i ekonomiczne rozwiązania aparaturowe i procesowe, także w biotechnologii)
  2. metod otrzymywania materiałów funkcjonalnych o predefiniowanych właściwościach oraz ich zastosowań:
    - dla celów zrównoważonego rozwoju (m.in. niskoemisyjne technologie, nowe źródła energii, bioprocesy i ochrona środowiska),
    - w nanotechnologii,
    - w technologiach medycznych.

W badaniach naukowych prowadzonych na Wydziale aktywnie uczestniczą studenci i doktoranci realizując misję Politechniki Warszawskiej jako uczelni badawczej. Obszary działalności naukowej są stale poszerzane dzięki współpracy z przemysłem oraz partnerstwa z ośrodkami badawczymi w kraju i za granicą. W uznaniu dużej aktywności w tych działaniach Wydział uzyskał prestiżowy Certyfikat Doskonałości Kształcenia w kategorii "Partner dla rozwoju - doskonałość we współpracy z otoczeniem społeczno-gospodarczym” przyznany przez Polską Komisję Akredytacyjną w 2022 roku.

Najważniejsze kierunku działalności naukowej Wydziału przedstawiamy krótko poniżej.

Intensyfikacja procesów przemysłowych, reaktory chemiczne i bioreaktory

Umiejętność łączenia wiedzy z zakresu fizyki, chemii i biologii umożliwia podejmowanie pionierskich badań na pograniczu tradycyjnych dyscyplin naukowych. Integracja podejścia eksperymentalnego i obliczeniowego prowadzi do efektywnego opracowywania nowych rozwiązań procesowych zwiększających wydajność i zmniejszających koszty produkcji. Takie podejście znajduje również zastosowanie w interdyscyplinarnych zagadnieniach badawczych, poszerzając klasyczny obszar zainteresowań inżynierii chemicznej.

Zdjęcie przedstawia urządzenie do anenometrii dopplerowskiej (w środku zdjęcia), które znajduje się w laboratorium i jest ustawione do badania prędkości przepływu cieczy w przezroczystym zbiorniku.

Prace Zespołu Inżynierii Produktu skupiają się zarówno na badaniach eksperymentalnych prowadzonych we własnych laboratoriach lub u partnerów przemysłowych, jak również na teoretycznej interpretacji badanych zjawisk i komputerowym modelowaniu przebiegu procesów w różnych skalach. W badaniach dotyczących m.in. wytwarzania cząstek i zawiesin, znajduje zastosowanie obliczeniowa mechanika płynów z uwzględnieniem bilansu populacji. Zespół wykonuje również prace z zakresu projektowania, powiększania skali i doboru warunków procesowych prowadzenia procesów w instalacjach przemysłowych z wykorzystaniem programów do komputerowo wspomaganej inżynierii procesowej.

Grafika przedstawiająca wyniki symulacji pracy mieszadła do deaglomeracji mikrocząstek w farbach. W dolnej części w środku grafiki widoczne jest mieszadło, od którego w dół i na boki odchodzi czerwony lej. Pozostała część grafiki ma kolor niebieski. Od koloru niebieskiego do czerwonego jest cienka warstwa zmiany koloru przechodząca przez kolory zielony i żółty.

Pracownicy Zespołu Inżynierii Reaktorów Chemicznych posiadają bogate doświadczenie w badaniu eksperymentalnym, modelowaniu matematycznym, projektowaniu oraz optymalizacji reaktorów chemicznych i bioreaktorów, zdobyte w trakcie realizacji licznych projektów badawczych oraz B+R we współpracy z partnerami naukowymi i przemysłowymi.

Jednym z nowatorskich obszarów działalności Wydziału jest wykorzystanie płynów w stanie nadkrytycznym. Laboratorium SCF-LAB zajmuje się fizyczną i reaktywną ekstrakcją nadkrytyczną, w tym z wykorzystaniem surowców pochodzenia naturalnego, oraz wytwarzaniem i obróbką materiałów funkcjonalnych. Pracownicy Laboratorium posiadają duże doświadczenie w projektowaniu, badaniu eksperymentalnym oraz modelowaniu matematycznym procesów wysokociśnieniowych.

Prace badawcze w zakresie modelowania działania reaktorów przepływowych stosowanych do mieszania cieczy w szerokim zakresie szybkości ścinania umożliwiły opracowanie procesu wytwarzania emulsji o różnych strukturach. Zainteresowania Zespołu obejmują otrzymywanie emulsji stężonych, techniki enkapsulacji terapeutyków, badania i modelowanie procesu uwalniania i transportu leków.

Zespół Badawczy Termochemicznych Procesów Wytwarzania Wodoru i Pirolizy prowadzi badania dotyczące nowatorskiej metody produkcji wodoru w wyniku bezpośredniej konwersji biogazu do wodoru i węgla w mikrofalowym reaktorze katalitycznym. Zespół ma również duże doświadczenie w otrzymywaniu wodoru i gazu syntezowego zarówno metodami klasycznymi (reforming parowy i suchy), jak i metodami innowacyjnymi, np. otrzymywanie wodoru z równoczesną sekwestracją CO2. Zespół prowadził również badania w zakresie pirolizy odpadów gumowych, elektronicznych i opakowań oraz uszlachetniania produktów pirolizy.

Zespół Nanodyspersji gazów w cieczach, wykonuje prace obejmujące zarówno badania podstawowe dotyczące natury i stabilności nanodyspersji gazu, jak i ich aplikacji w inżynierii bioprocesowej i medycynie. Nanodyspersje wykorzystywane są m.in. w przemyśle spożywczym (napoje z nanopęcherzykami tlenu lub wodoru), do oczyszczania ścieków (flotacja, redukcja ChZT), w agrotechnice (wspomaganie wzrostu roślin i zwierząt) i medycynie (wspomaganie krążenia, leczenie ran chronicznych), a także w biotechnologii przemysłowej (intensyfikacja wzrostu biomasy, intensyfikacja wymiany masy w hodowlach).

Bioreaktory stanowią obszar zainteresowań Zespołu SU-BIOreaktor. Badacze posiadają doświadczenie w zakresie modelowania warunków mieszania i wymiany masy w bioreaktorach single-use oraz zastosowań tego typu aparatów do hodowli komórek zwierzęcych, komórek i organów roślinnych oraz mikroorganizmów. Zespół wykonuje także prace z zakresu zastosowania perfluorowanych ciekłych nośników gazów oddechowych oraz biomateriałowych matryc do intensyfikacji bioprocesów.

Badania w zakresie przetwarzania biomasy lignocelulozowej koncentrują się na poszukiwaniu najkorzystniejszych warunków prowadzenia głównych etapów tego procesu (obróbki wstępnej, hydrolizy enzymatycznej, fermentacji, oczyszczania) w wartościowe produkty, w tym biopaliwa, przy wykorzystaniu enzymów.

Wytwarzanie (nano)materiałów funkcjonalnych oraz ich wybrane zastosowania w technologii i medycynie

Obraz z transmisyjnego mikroskopu elektronowego w kolorze jasnoszarym i ciemnoszarym. W kolorze ciemnoszarym widoczne są owalne, nieregularne struktury płatków tlenku grafenu.

Działalność badawcza Laboratorium Grafenowego, koncentruje się na wytwarzaniu i charakteryzowaniu nanomateriałów węglowych (m.in. tlenku grafenu GO, zredukowanego tlenku grafenu rGO, wielo- i jednościenne nanorurek węglowych SWCNTs i MWCNTs, nanocząstek i kropek węglowych CNPs i CNDs) oraz innych produktów funkcjonalnych w postaci nanocząstek. Materiały te znajdują zastosowanie jako katalizatory w reakcjach elektroutleniania kwasu mrówkowego, redukcji tlenu, wydzielania wodoru oraz fotokatalizy. Ponadto, działalność Laboratorium obejmuje produkcję kompozytów polimerowych o właściwościach termoizolacyjnych, dużej wytrzymałości mechanicznej i właściwościach przewodzących (membrany, piany) oraz środków smarnych na bazie disiarczku molibdenu i kompozytów nanowęglowych.

Zdjęcie przedstawia naukowca w białym fartuchu obserwującego preparat pod mikroskopem. Na monitorze za naukowcem widać zielone komórki. Pokazane badanie to obserwacja wzrostu komórek zwierzęcych przy użyciu mikroskopu konfokalnego.

Nowe materiały są także opracowywane w Laboratorium Inżynierii Biomedycznej (BioMedLab), którego działalność obejmuje zagadnienia m.in. medycyny regeneracyjnej. Naukowcy prowadzą prace badawcze dotyczące wytwarzania i charakterystyki nanostruktur, wytwarzania mikrogranulatów do 

Trzy zdjęcia. Zdjęcie po lewej stronie przedstawia krzemoorganiczny aerożel typu HIPE, który ma kształt krążka i żółty kolor. Umieszczony jest na zielonym tle. Po prawej u góry znajduje się obraz z mikroskopu elektronowego pokazujący dużą porowatość aerożelu. Obraz z mikroskopu jest szaro-czarny, gdzie elementy szare to struktura aerożelu, a elementy czarne to pory (pusta przestrzeń). Po prawej na dole znajduje się kolejny obraz aerożelu z mikroskopu elektronowego pokazujący obszar nieporowaty (szary obraz). Obrazy wskazują na hierarchiczność porowatości.

uzupełniania ubytków kości i chrząstek, funkcjonalnych nanocząstek polimerowych i ceramicznych, zwiększających biozgodność́ i hemozgodność pokryć wyrobów medycznych oraz innych powierzchni funkcjonalnych. W zespole wyłonionym z tego laboratorium wytwarzane są również rożne rodzaje rusztowań tkankowych do regeneracji naczyń́ krwionośnych (protezy naczyniowe), kości, chrząstek, mięśni i nerwów.

Jedna z rozwijanych technologii dotyczy syntezy modyfikowanych nanocząstek hydroksyapatytu. Zespół pracowników Wydziału zajmuje się zarówno doborem warunków wytwarzania nanocząstek, pozwalających na otrzymywanie cząstek o pożądanej wielkości i morfologii, jak również na ich funkcjonalizację. Cząstki takie mogą być wykorzystywane przykładowo jako nośniki leków, które uzyskuje się bezpośrednio podczas procesów ich wytwarzania lub w wyniku zastosowania post-processingu. Prowadzone prace obejmują m.in. opracowanie reaktora do syntezy materiału w trybie ciągłym, jak również formowania kompozytów z nanohydroksyapatytu i polimerów do wykorzystania w procesie druku 3D.

Zespół Inżynierii Aerożeli zajmuje się syntezą materiałów porowatych do różnych zastosowań, np. do modyfikacji filtrów powietrza i wody, otrzymywania podłoży biologicznych lub matryc wspomagających do układów destylacji solarnej. Działalność Zespołu skupia się zarówno na aspektach praktycznych (synteza produktu o pożądanych właściwościach z zastosowaniem techniki zol-żel), jak i teoretycznych (modelowanie matematyczne przebiegu procesu).

Układy rozproszone w ochronie środowiska i medycynie

Procesy produkcyjne nieodzownie wiążą się z powstawaniem strumieni odpadowych, których zagospodarowanie jest ważnym elementem ograniczania oddziaływania technologii na środowisko naturalne i pośrednio na zdrowie ludzi. Najczęściej strumienie te tworzone są przez układy rozproszone (dyspersyjne), takie jak zawiesiny, emulsje, piany, aerozole, wymagające zastosowania szczególnych metod do ich rozdzielania lub oczyszczania.

Zdjęcie przedstawia instalację badawczą filtrów koalescencyjnych do odwadniania paliw ustawioną w laboratorium. Instalacja zbudowana jest na stelażu, do którego odpowiednio przymocowano rurki, zbiorniki oraz filtry.

W zespole Laboratorium Filtracji Wody, Paliw Ciekłych i Gazów Procesowych badane są procesy filtracji, wykorzystujące filtry wgłębne do oczyszczania wody oraz filtry koalescencyjne do rozdziału emulsji W/O (odwadnianie paliw) i O/W (odolejanie wody) lub separacji mgły olejowej i wodnej z gazu. Prowadzone badania skupiają się na optymalizacji włóknin filtracyjnych pod kątem parametrów strukturalnych, a także metodach ich modyfikacji, nadających filtrom określone cechy funkcjonalne, odpowiednio dobrane dla konkretnych zastosowań.

Zdjęcie przedstawia monitor komputerowy, na którym widoczne są dwa obrazy z mikroskopu elektronowego membran do permeacji gazów (w górnej części ekranu) oraz rekonstrukcja 3D badanej membrany (w prawym dolnym rogu ekranu).

Pracownicy Wydziału dysponują również zaawansowaną infrastrukturą badawczą z zakresu wielu technik separacji membranowej. Zespół Membran i Procesów Membranowych koncentruje się na badaniach nad wytwarzaniem membran, nadawaniu im nowych funkcjonalności oraz na działaniach związanych z wdrożeniem procesów membranowych w przemyśle. Najważniejsze aktualne zastosowania opracowane z zespole dotyczą membranowego usuwania ze ścieków związków powierzchniowo czynnych i farmaceutyków.

Obraz z mikroskopu elektronowego filtra włókninowego z fraktalnymi depozytami krzemionki odseparowanej z powietrza. Czarne obszary obrazu to przestrzeń między włóknami, ciemnoszare obszary to włókna filtra, a jasnoszare obszary to zdeponowane cząstki fraktalne na powierzchni włókien.

Zespół Filtracji Aerozoli (AEROFIL) prezentuje kompleksowe podejście do zagadnień filtracji gazów, obejmujące projektowanie i wytwarzanie włókninowych struktur filtracyjnych techniką rozdmuchu stopionego polimeru, modyfikację istniejących struktur filtracyjnych na drodze funkcjonalizacji powierzchni włókien, testowanie skuteczności działania otrzymanych struktur w różnych warunkach procesowych oraz modelowanie matematyczne procesu filtracji cząstek aerozolowych w polimerowych filtrach włókninowych.

Badania w tematyce układów rozproszonych w fazie gazowej prowadzone są także w Laboratorium Mechaniki Aerozoli (AEROLAB). Mają one na celu analizę wpływu kształtu, wielkości, składu i źródła pochodzenia cząstek aerozolowych na ich zachowanie się w środowisku zewnętrznym, możliwość wnikania do organizmu człowieka i oddziaływanie z nim. Do analiz wykorzystywane jest modelowanie matematyczne oraz pomiary przeprowadzane w układach in vitro odzwierciedlających warunki fizjologiczne. Poruszana problematyka dotyczy aspektów toksykologicznych, terapeutycznych, związanych z bezpieczeństwem środowiska pracy i ochroną zdrowia.

Zdjęcie przedstawia nebulizator umieszczony przy urządzeniu do badania rozkładu wielkości kropel aerozolu generowanego przez ten nebulizator. Z nebulizatora (po prawej od środka zdjęcia) wydobywa się mgiełka rozpylonego aerozolu. Po lewej od środka zdjęcia widoczna jest w wydobywającej się z nebulizatora mgiełce czerwona wiązka lasera emitowana przez urządzenie do badania kropel aerozolu.

Kolejnym przykładem aktywności badawczej w obszarze układów rozproszonych są badania właściwości aerozoli w kontekście ich zastosowań w medycynie (inhalacje leków), a także kosmetyce i produktach chemii gospodarczej. Zespół Respi-Lab prowadzi badania dotyczące charakterystyki układów aerozolowych, oceny depozycji inhalowanych cząstek w poszczególnych obszarach układu oddechowego oraz ich wpływu na powierzchnię płuc w wyniku bezpośrednich oddziaływań o charakterze fizykochemicznym, na przykład z surfaktantem płucnym. Oprócz aspektu czysto naukowego, prowadzone prace mają walor praktyczny, pozwalając na ilościową charakterystykę działania inhalatorów oraz opracowywanie nowych typów takich urządzeń, a także rozwój i/lub porównanie jakości inhalacyjnych produktów leczniczych.