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.

W ocenie parametrycznej działalności naukowej w latach 2017-2021 przeprowadzonej przez Komitet Ewaluacji Nauki, dyscyplina inżynieria chemiczna w Politechnice Warszawskiej uzyskała kategorię A. Ocena ta potwierdza wysoki poziom badań naukowych realizowanych na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej. Z satysfakcją odnotowujemy, że efekty naszej działalności naukowej w dyscyplinie inżynieria chemiczna są zauważane i doceniane.

Najważniejsze kierunki 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.

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.

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

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.