Rozmowa z dr inż. Antonim Migdałem, liderem Grupy Badawczej Technologii Chemicznej, CeTeN, Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
W laboratorium reakcja idzie pięknie. Powiększasz skalę dziesięć, sto razy i nagle inaczej rozchodzi się ciepło, inaczej miesza się zawartość reaktora, pojawiają się ograniczenia, których nie zidentyfikowano podczas eksperymentów w kolbie. To właśnie tu, pomiędzy stołem laboratoryjnym a halą pilotażową, rozstrzyga się los większości technologii.
Dla dr inż. Antoniego Migdała ta granica to ulubione miejsce w całej chemii. Mówi o swojej pracy tak, jak mówi się o pasji, kiedy coś naprawdę wciąga, przestaje być pracą. Bliżej mu do heurystycznego rozumienia roli naukowca. Liczy się nie tylko wynik, ale sama droga dochodzenia do niego, próbowanie, stawianie pytań, szukanie rozwiązania, którego jeszcze nikt nie ma. Spędził w tym miejscu całą zawodową drogę od gliceryny przerabianej na monomery akrylowe, przez współpracę z Orlenem, po wodór tłoczony pod ciśnieniem czterystu barów. Rozmawiamy o tym, dlaczego czysta chemia nie wystarcza, zmienił w instytucie program KPO i dlaczego niskoemisyjność powinna zaczynać się już przy samym prowadzeniu badania.
Dr inż. Antoni Migdał, CeTeN, Łukasiewicz – IChP (Źródło: Łukasiewicz – IChP)
Kieruje Grupą Badawczą Technologii Chemicznej od 2018 roku. Wcześniej prowadził inną sekcję i zakład, którego w dzisiejszej strukturze już nie ma. Ale historia, którą opowiada, zaczyna się znacznie wcześniej, tuż po doktoracie.
Od czego zaczęła się ta chemia?
Zaczynałem w Zakładzie Proekologicznej Modernizacji Technologii, w sekcji Niekonwencjonalnych Procesów Chemicznych. Rozwijaliśmy wtedy mechanochemię jako sposób na wspomaganie syntez, ale od początku zależało mi, żeby z tego coś wychodziło dla przemysłu, a nie zostawało w laboratorium. Wtedy też ruszyliśmy z gliceryną, z przerabianiem jej na monomery akrylowe, czysty kwas akrylowy i materiały superabsorbujące. Gliceryna to wdzięczny przykład, bo to frakcja uboczna przy produkcji biodiesla, której podaż miała przekroczyć popyt generowany przez znane ówcześnie technologie jej zagospodarowania. Przetwarzanie odpadowego strumienia na produkty wartościowego było ciekawsze niż czysta chemia dla samej chemii. I właściwie taki sposób postrzegania odpadów, przejęty od prof. Jacka Kijeńskiego, został mi do dziś.
Mówi Pan o sobie raczej jak o inżynierze wdrożenia niż chemiku. Gdzie nauczył się Pan najwięcej?
Najwięcej nauczyłem się nie przy samej chemii czy katalizie, tylko przy przeskalowaniu. To moment, w którym proces wychodzi poza ściany laboratorium, trzeba go powtórzyć bezpiecznie w większej skali, a potem przygotować do wdrożenia. Tu kompetencje techniczne to dopiero połowa sprawy, reszta to czytanie ryzyk, ograniczeń procesu oraz taki dobór aparatury i dobór ścieżki skalowania, by nie stracić z pola widzenia tego, czego naprawdę oczekuje przemysł. To też etap, na którym najwięcej technologii „umiera”. W laboratorium reakcja idzie pięknie, a w skali dziesięć czy sto razy większej nagle inaczej rozkłada się ciepło, inaczej zachodzi proces mieszania, uzewnętrzniają się ograniczenia, których na etapie eksperymentów w kolbie jeszcze nie widać.
Instytut pomógł mi to poukładać przez szkolenia dedykowane skalowaniu, między innymi wysyłając na kursy: „Pilot plant and scale-up studies” (CfPA ang. Center for Professional Advancement), czy „Advanced Industrial Process and Unit Operations Scale-up” (Symmetric). Dzięki zdobytej wiedzy prowadzenie projektów staje się pewniejsze, bo wiadomo, kiedy w grę wchodzi użyteczność, a kiedy mamy przed sobą tylko ładny wynik.
Jednym z głośniejszych przykładów współpracy z przemysłem był Projekt Co-Bio, realizowany przez PKN ORLEN przy współpracy badaczy z Łukasiewicz – Instytutu Chemii Przemysłowej. O co w nim chodziło?
Pracowaliśmy nad współuwodornieniem olejów roślinnych z frakcjami mineralnymi, z myślą o instalacji hydroodsiarczania oleju napędowego. Zaznaczam, bo to ważne – to nic poufnego, dane o takich pracach są publicznie dostępne. Sens tego podejścia, w branży mówi się co-processing, jest prosty. Zamiast budować osobną instalację na biokomponenty, wpuszcza się surowiec odnawialny wprost do istniejącego ciągu rafineryjnego. Pełnoskalową próbę procesu jednoczesnego przerobu (współuwodornienia) frakcji ropy z olejami roślinnymi we współpracy z naszym Instytutem PKN ORLEN przeprowadził w końcu 2018 roku na jednej z instalacji rafineryjnych. Test przeprowadzono w ramach realizacji projektu dofinansowanego z programu sektorowego INNOCHEM Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.
To dziś jeden z tańszych sposobów, żeby zbliżyć się do unijnych wymogów, bo RED III przestał liczyć sam udział biopaliwa w litrach, a zaczął rozliczać realną redukcję emisyjności w całym cyklu życia paliwa. Takie projekty wymagają holistycznego postrzegania technologii, w tym uwzględnienie zarówno parametrów reakcji, jak i wymagań rynkowych dla produktu końcowego. Przemysł nie wybacza tu niedbałości.
W konkursie KPO złożyliście wniosek między innymi na stworzenie Centrum Rozwoju Technologii Niskoemisyjnych. Po co?
Impuls przyszedł z dwóch stron. Z jednej przemysł sygnalizował obawy o konkurencyjność, z drugiej dobrze było widać, dokąd zmierza unijna legislacja. Nie chcieliśmy zawężać niskoemisyjności do samego procesu wytwórczego – interesuje nas zarówno cykl życia produktu jak i sam cykl badawczy, uwzględniający etapy skalowania.
Stąd nacisk na aparaturę, która pozwala sięgać po nowe surowce i prowadzić proces niskoemisyjnie, ale też na to, żeby gotowy produkt, przez całe swoje życie, albo mało emitował, albo wręcz działał przeciw zmianom klimatu. Najlepiej widać to na powłokach bakteriostatycznych i bakteriobójczych, które są w Instytucie opracowywane choćby dla zwiększenia bezpieczeństwa w transporcie publicznym, komunikacji miejskiej. Niskoemisyjność nie musi się kłócić z użytecznością społeczną i to jest dla mnie sedno całego pomysłu.
Praca nad niskoemisyjnością wciągnęła Was w technologie cyfrowe. Jak Pan je traktuje?
Jako narzędzie do projektowania i prowadzenia procesów, nic więcej. W praktyce to modelowanie reakcji i bardziej efektywnego zarządzania danymi i procesem badawczym. Musimy gonić Europę i świat, zwłaszcza że koszty pracy przestały grać na naszą korzyść tak jak kiedyś. Dlatego obok produktów o wysokiej marżowości myślimy o zdejmowaniu z ludzi części obciążeń przez stopniową autonomizację procesów. To świeży temat, dopiero w niego wchodzimy.
I tu wracam do tego, o czym już mówiłem. Przy hali niskoemisyjność nie powinna kończyć się na wyniku badania, powinna obejmować też to, jak samo badanie prowadzimy. Jeśli da się emitować mniej dzięki mądrzejszej organizacji pracy i lepszym narzędziom, to nie ma na co czekać.
Wspomniał Pan o hali. KPO to nie tylko aparatura?
KPO dało nam zaawansowaną aparaturę, ale co równie ważne zmieniło zaplecze do przeskalowania. Zmodernizowaliśmy halę technologiczną. To nasz główny poligon, tam proces dostaje pierwsze „sznyty” technologii. Wymieniliśmy przy okazji klasyczny kocioł gazowy na elektryczną wytwornicę pary, więc przy odpowiednim źródle energii możemy dziś pokazać, że nawet sam etap przeskalowania może być realizowany niskoemisyjnie. Doszła też zdolność do wytwarzania produktu w ilościach na tyle dużych, że możliwa jest produkcja małoseryjna, umożliwiająca rynkową weryfikację już na wczesnym etapie rozwoju technologii, a w konsekwencji korektę parametrów procesu, zanim wejdzie w większą skalę. Technologia ma wtedy miejsce na korekty i to jest duża wartość.
Budynek hali zmodernizowany ze środków KPO (Źródło: Łukasiewicz – IChP)
Coraz głośniej mówi się o Instytucie jako o jednostce wiodącej w technologiach wodorowych.
Tak się widzimy, i nie chodzi tylko o samo wytwarzanie wodoru, ale o jego chemiczne zastosowanie, czy autokonsumpcję. Dotyczy to procesów katalitycznych i elektrochemicznych, gdzie sporo reakcji zachodzi in situ. Z KPO i dodatkowych inwestycji pozyskaliśmy aparaturę do produkcji wodoru klasy automotive w skali bliskiej przemysłowej, a do tego rozbudowaliśmy ciąg o etapy aplikacyjne sprężonego wodoru i użycie go w warunkach, jakich wymaga przemysł. Mówię o hydrocrackingu, o głębokim hydroodsiarczaniu w tym pozostałości próżniowych.
Skala ciśnień mówi sama za siebie. Kiedyś 100–200 atmosfer uchodziło za granicę praktyki, a dziś norma SAE J2601 rozpisuje tankowanie pojazdów na dwóch poziomach tj. 350 barów dla autobusów i ciężarówek, 700 dla samochodów osobowych, gdzie liczy się zasięg na małej objętości zbiornika. To zupełnie inny reżim bezpieczeństwa i inna aparatura. Tę zdolność chcieliśmy mieć u siebie, a nie odsyłać klienta gdzie indziej.
Jest jeszcze wątek CO2 i metanolu. To brzmi jak zamykanie obiegu węgla.
Jeszcze przed KPO, wsparliśmy klienta zewnętrznego w procesie optymalizacji i przeskalowania technologię otrzymywania metanolu z CO2. Proces ten można zakwalifikować do kategorii power-to-X, w której energia elektryczna z OZE, poprzez niskoemisyjne procesy wytwarzania wodoru jest wydajnie konwertowana do ciekłych paliw (nośników energii) lub półproduktów chemicznych. We wspomnianej pracy wykorzystane zostało wcześniejsze kilkunastoletnie doświadczenie Instytutu w procesach z udziałem nadkrytycznego CO2. Wyniki tamtych badań wskazały na cały szereg rozwiązań potrafiących mocno obniżyć sumaryczną emisyjność instalacji, m.in. dzięki zmianie stanu skupienia medium w środowisku reakcji katalitycznej, poprzez wygenerowanie warunków, w których zanika granica pomiędzy fazą ciekłą i gazową płynu. Widząc potencjał przemysłowy tego typu rozwiązań zakontraktowaliśmy dedykowaną aparaturę, którą teraz uruchamiamy. To stawia w roli pełnoprawnego partnera biur projektowych, krajowych i europejskich. Historycznie pracowaliśmy z Prochemem, w innych projektach z biurem Weyer.
Dużo Pan mówi o aparaturze. A ludzie?
Równolegle inwestujemy w infrastrukturę trwałą i w samo otoczenie pracy. BHP jest nienegocjowalne, bo chemia często oznacza substancje czy media, które mogą zaszkodzić. Stąd układy wydajnej wentylacji, systemy detekcji on-line, które pozwalają na monitorowanie na bieżąco stopnia zagrożenia, poprzez co wspierają minimalizacją ryzyka procesu badawczego. To pozwala badaczowi na skoncentrowanie się głównie na rozwoju technologii, zamiast zerkania kątem oka na odczyty sensorów eksplozymetrycznych czy NDS/NDSCh.
Nowoczesne urządzenia i aparaty są często sterowane komputerowo, a połączenie z elementami algorytmów AI, nie tylko ułatwia obróbkę danych w czasie rzeczywistym, ale również umożliwia szybszą optymalizację procesu czy skrócenie czasu realizacji poszczególnych etapów skalowania technologii. Wymierną korzyścią pracy z zaawansowanym oprogramowaniem do modelowania jest skrócenie czasu skalowania, np. poprzez świadome pominięcie wybranych etapów w procesie skalowania (zebranie wystarczającej liczby danych na wcześniejszym stopniu rozwoju technologii) lub minimalizacja prawdopodobieństwa popełnienia błędu podczas procesu skalowania. W tym miejscu wracamy do konceptu cyfrowego wątku, który w obecnej formie wspiera, ale nie eliminuje fizycznego udziału naukowca w procesie badawczym. Dbamy też o kadrę. Współpracujemy z uczelniami na Mazowszu, szkolimy praktykantów i stażystów, pokazujemy im, czego rynek naprawdę oczekuje. Za kilka lat to oni będą prowadzić te prace.
Gdyby miał Pan zamknąć to wszystko w jednym celu?
Najbardziej zależy mi na tym, żeby nasze procesy dojrzewały technologicznie do poziomu, na którym przemysł może je wdrożyć. Równolegle rozwijamy rozwiązania niskoemisyjne, zwłaszcza oparte na surowcach odnawialnych albo z recyklingu. Innowacyjność rozumiemy holistycznie jako nowe technologie, produkty, procesy zarządzania wiedzą czy samym procesem badawczym, które dają polskim firmom przewagę za granicą, w tym poza EU. Coraz intensywniej myślę też o bezpieczeństwie i stabilności dostaw, bo geopolityka przypomniała, jak ważny jest dostępny lokalnie surowiec, półprodukt.
To wszystko mieści się w większej zmianie w stronę gospodarki neutralnej klimatycznie w transporcie, produkcji, rolnictwie i w samych procesach. Jako jednostka badawcza trzymamy solidny background naukowy i planistyczny. Równocześnie staramy się by nasza własna praca też była dla klimatu możliwie neutralna. Kiedy nauka, przeskalowanie i odpowiedzialność środowiskowa idą razem, mamy przemysłowi, gospodarce naprawdę wiele do zaoferowania.
