Browarnictwo jest jednym z najstarszych biotechnologicznych sposobów przetwarzania żywności na świecie. Z uwagi na popularność piwa, jako produktu, branża piwowarska jest jedną z prężniej rozwijających się gałęzi przemysłu spożywczego. Wraz z rozwojem nauki i wzrastającej świadomości konsumentów tematyka zastosowania nowych surowców oraz optymalizacji poszczególnych procesów staje się coraz bardziej interesująca.

fot. Michał Łepecki Wydajność procesów realizowanych na warzelni zależy głównie od zastosowanych do produkcji surowców i doboru parametrów technologicznych. W celu uzyskania odpowiedniej jakości produktu końcowego istotne jest opracowywanie nowych technologii, urządzeń oraz wykorzystywanie nowych surowców czy materiałów pomocniczych. W szczególności dotyczy to wdrażania nowych receptur pozyskiwania brzeczek piwnych. Próby technologiczne realizowane w większej skali produkcji powinny być poprzedzane doświadczeniami w skali laboratoryjnej, które pozwalają na porównanie wielu wariantów równolegle przy określonych, stałych warunkach realizacji procesu wytwarzania brzeczki. Jednocześnie z obserwowanym nasyceniem rynku wyrobami piwnymi, piwa specjalne i o wyszukanych recepturach zdobywają coraz większy udział w rynku w związku z wyżej wymienioną tendencją. Nie tylko browary rzemieślnicze, ale również duże browary przemysłowe zainteresowane są innowacyjnymi surowcami i technologiami. Wprowadzanie do receptur piw zamienników słodu czy unikatowych surowców wiąże się często ze zmianami podstawowych cech fizyko-chemicznych brzeczek piwnych (między innymi pH, ekstraktu, barwy, zmętnienia czy składu mineralnego). Prowadzi się też próby polegające na całkowitym zastąpieniu słodu jęczmiennego surowcami niesłodowanymi (np. jęczmieniem, orkiszem, pszenicą, kukurydzą). Modyfikacje tego typu wprowadza się ze względów ekonomicznych (tańszy surowiec) i/lub względów smakowych i prozdrowotnych (uzyskanie nowych, lepszych cech gotowego produktu).

Innowacyjne rozwiązania konstrukcyjne w zakresie klarowania brzeczki mają na celu ulepszenie dotychczas stosowanych metod separacji osadów gorących w kadzi wirowej. Większość browarów na świecie jest wyposażona w zbiornik kadzi wirowej, zwanej potocznie whirlpoolem. Jest to rozwiązanie powszechnie stosowane, przy tym energooszczędne i skuteczne. Stąd próba uzyskania jeszcze większej efektywności jego działania, jedynie przez nieznaczne zmiany konstrukcyjne. Tego typu separator, napełniany jest brzeczką przez otwór umiejscowiony stycznie do jego ściany. Dzięki temu w centralnej części dna zbiornika, formuje się stożek osadu gorącego. Koncentracja cząstek wspomagana jest ruchem wirowym mieszaniny. Zjawisko to występuje naturalnie i w sposób samoistny. Nosi ono nazwę tzw. efektu filiżanki herbaty i zostało po raz pierwszy opisane w 1926 r. przez Alberta Einsteina. Wykorzystując najnowsze metody komputerowej symulacji i analizy obrazu, możliwe jest jego pełniejsze poznanie.

Eksperymentalne badania przepływu cieczy w zbiorniku kadzi wirowej prowadzone są od niedawna w szerszym zakresie. Wykorzystuje się w nich najnowocześniejsze metody pomiarowe, np. cyfrową anemometrię obrazową PIV (ang. Particle Image Velocimetry). Metoda PIV jest szczególnie przydatna podczas analiz pola prędkości przepływów, dla których nie ma możliwości wprowadzenia do zbiornika czujnika pomiarowego. W czasie pomiaru wykorzystuje się cząstki, czyli tzw. posiew, w celu rozpraszania na nich światła laserowego. Dzięki temu rejestrowany jest ruch poszczególnych cząstek.

Idea analizy technologicznych aspektów klarowania brzeczki nastawnej, z uwzględnieniem zmian konstrukcyjnych, zrodziła się na podstawie projektów realizowanych z przedsiębiorcami, z ośrodkami naukowymi (w kraju i za granicą) oraz browarami (zarówno przemysłowymi, jak i rzemieślniczymi). Uwzględniając obecny stan wiedzy w tym zakresie można stwierdzić, że podjęte problemy badawcze charakteryzują się dużą innowacyjnością, a opracowane rozwiązania i wnioski ułatwią otrzymywanie klarownej brzeczki piwnej niezależnie od zastosowanych surowców.

Fot. Michał Łepecki Zrealizowane doświadczenia badawcze w pracy pozwoliły stwierdzić, iż wykor

Zrealizowane doświadczenia badawcze w pracy pozwoliły stwierdzić, iż wykorzystanie niesłodowanego surowca zbożowego (jęczmienia lub orkiszu) powoduje wydłużenie czasu scukrzania i filtracji zacieru, zmniejszenie objętości brzeczek oraz uproszczonej wydajności filtracji w porównaniu do prób ze 100% udziałem słodu jęczmiennego. Dodatek niesłodowanego ziarna orkiszu (powyżej 15% udziału w zasypie) wpływa istotnie na wzrost intensywności barwy brzeczek kongresowych. Natomiast skład chemiczny wody (dejonizowanej lub technologicznej) i wzrost procentowego udziału surowca niesłodowanego (jęczmienia lub orkiszu) w zasypie (do 30%) wpływa istotnie na zwiększenie masy osadu gorącego wytrąconego z brzeczki piwnej oraz na wzrost stężenia jonów Mn2+ w brzeczkach piwnych zarówno słodowych, jak i z 30% udziałem jęczmienia i istotny spadek stężenia tych jonów w osadach gorących.

Zastosowanie przegrody, jako modyfikacji konstrukcji zbiornika separatora z zawirowaniem, skraca czas, dla którego można zidentyfikować występowanie przepływu pierwotnego, o wyższych wartościach prędkości, bliżej centralnej części dna zbiornika. Kształt przegrody, o podstawie trójkąta równoramiennego, umiejscowionej przy dnie zbiornika kadzi wirowej, w położeniu 270° od otworu wlotowego, najskuteczniej poprawia warunki wirowania mieszaniny w zbiorniku napełnianym stycznie. Najkorzystniejsze rozwiązanie konstrukcyjne przyczynia się do poprawy warunków klarowania brzeczki piwnej (oddzieleniu osadu gorącego) w kadzi wirowej. Możliwe jest uzyskanie bardziej zbitego stożka osadu w centralnej części dna zbiornika.

Wiele organizmów żywych ma budowę symetryczną, jednak symetria zwykle nie jest doskonała i osobniki mogą być w różnym stopniu asymetryczne. Pszczoła miodna jest idealnym gatunkiem do badania asymetrii ze względu na wyraźną dwuboczną symetrię ciała i łatwy dostęp do dużej liczby osobników o znanym pochodzeniu.

Rodziny pszczele składają się z dziesiątków tysięcy robotnic o znanym pokrewieństwie, które może być stosunkowo łatwo kontrolowane. Poza tym pszczoły posiadają wiele symetrycznie ułożonych organów, między innymi dwie pary błoniastych skrzydeł, które łatwo zmierzyć ponieważ są płaskie i widoczny jest na nich wyraźny wzór użyłkowania. U pszczoły miodnej prawe i lewe skrzydła nie są idealnie symetryczne zarówno pod względem rozmiaru jak i kształtu. Różnice te są stosunkowo niewielkie, ale precyzyjne pomiary dużej liczby osobników potwierdziły, że zwykle skrzydło prawe jest większe od lewego. Taki rodzaj asymetrii, który można porównać do praworęczności u ludzi, nazywa się asymetrią kierunkową w odróżnieniu od asymetrii fluktuacyjnej, gdzie różnice pomiędzy prawą a lewą stroną ciała są losowe i średni rozmiar strony prawej i lewej jest taki sam. Niekorzystny wpływ środowiska w czasie rozwoju larwalnego może prowadzić do większej asymetrii i dzięki temu asymetria może być wskaźnikiem jakości środowiska, w którym żyją pszczoły. Wiedza na ten temat może być szczególnie przydatna w dzisiejszych czasach, kiedy coraz częściej dochodzi do zwiększonej śmiertelności rodzin pszczelich. W odróżnieniu od asymetrii fluktuacyjnej, asymetria kierunkowa jest znacznie mniej zbadana. Jej obecność w przypadku skrzydeł pszczoły miodnej jest zaskakująca, ponieważ intuicja podpowiada, że do latania lepiej nadają się symetryczne skrzydła. Są dwa możliwe wytłumaczenia asymetrii kierunkowej skrzydeł pszczoły miodnej. Pierwsze wytłumaczenie zakłada, że pszczoły latałyby lepiej z symetrycznymi skrzydłami, ale niekorzystne warunki w trakcie rozwoju sprawiają, że idealna symetria jest trudna do osiągnięcia. Na przykład ułożenie larwy na jednym boku może wpłynąć na rozwój skrzydeł i ich asymetrię. Natomiast drugie wytłumaczenie zakłada, że asymetria skrzydeł jest przystosowaniem do lotu.

W ramach projektu opracowano metodę automatycznego pomiaru skrzydeł z użyciem komputerowej analizy obrazu. Metoda ta pozwala na pomiary dużej liczby cech u dużej liczby osobników. Stwierdzono, że większe pszczoły zwykle są mniej asymetryczne. Obecnie prowadzone są badania asymetrii skrzydeł pszczół rozwijających się w warunkach optymalnych i stresowych. Badany jest między innymi wpływ obecności pestycydów, niskiej temperatury i chowu wsobnego. Wstępne wyniki wskazują, że asymetria kierunkowa skrzydeł pszczoły miodnej występuje niezależnie od obecności warunków stresowych. Dalsze badania powinny dostarczyć dodatkowych informacji na temat wpływu asymetrii na lot.

Żużle po procesach hutniczych z pozoru stanowią niewdzięczny temat badawczy – nie zawierają wyjątkowo cennych pierwiastków takich jak złoto, platyna lub ziemie rzadkie, przeważnie posiadają skrytokrystaliczną budowę, a z ich charakterystyki nie sposób odtworzyć historii Ziemi. Przy bliższym spojrzeniu okazuje się jednak, że stanowią one niemal niewyczerpalny materiał badawczy uwzględniający szereg aspektów: ze względu na unikatowy skład chemiczny i warunki krystalizacji stanowią one wielkoskalowy eksperyment geochemiczny i petrograficzny; w ich budowie odnaleźć można wyjątkowo rzadkie minerały; ich wietrzenie wpływa na otaczające środowisko – glebę, wodę oraz materię organiczną, a na ich bazie możliwe jest odtworzenie przebiegu historycznego procesu wytopu.

Porównanie składu fazowego oryginalnych żużli hutniczych oraz ich syntetycznych odpowiedników po eksperymentach wysokotemperaturowych z kontrolowanym czasem chłodzenia. I tutaj pojawia się problem temperatury krystalizacji żużli. Jest ona tak istotnym czynnikiem, że bez jej precyzyjnego określenia ciężko mówić o pełnym opisie tego materiału. Wpływa ona na jego parametry fizyczne, skład fazowy, skład chemiczny, oraz specjację pierwiastków pomiędzy poszczególnymi fazami. Bez określenia temperatury stopu nie jest możliwy pełny opis reakcji w nim zachodzących zarówno pomiędzy fazami i stopem, jak i rozdziału pierwiastków między stop i ciała stałe. Również odtworzenie historycznego procesu hutniczego bez określenia tego czynnika może być pozbawione podstaw merytorycznych. Dlatego tak kluczowe jest opracowanie możliwie precyzyjnej i dokładnej metody jej wyznaczania. Dotychczas popularnie stosowane techniki mają tendencję do zawyżania uzyskiwanych wyników ze względu na skomplikowany skład żużla, bądź posiadają istotne ograniczenia, często w praktyce uniemożliwiające ich zastosowanie.

Podejście eksperymentalne jest odpowiedzią na te ograniczenia i z założenia umożliwi ono najdokładniejsze przybliżenie temperatury krystalizacji żużli. Podejście to opiera się na wieloczynnikowej analizie podobieństwa pomiędzy żużlami eksperymentalnie wytworzonymi w piecu a tymi pobranymi ze składowiska. Analiza uwzględnia procentowy skład fazowy żużli, cechy morfologiczne kryształów, specjację pierwiastków pomiędzy fazami oraz szkliwem. Poprzez odpowiednie programowanie pracy pieca możliwe jest nie tylko ogrzanie stopu do blisko 1600°C, ale również symulowanie różnych warunków składowania – szybkie, powolne bądź mieszane chłodzenie stopu.

Warto również podkreślić, że opracowywana metodyka nie odnosi się jedynie do żużli. Z powodzeniem można ją również stosować do naturalnych skał krystalizujących w warunkach wysokich temperatur i niskich ciśnień, czyli większości skał wulkanicznych.

Zastosowanie podejścia eksperymentalnego pozwoliło na precyzyjną, jakościową i ilościową rekonstrukcję powstawania paragenez opartych o melilit, pseudowollastonit/wollastonit, plagioklaz i szkło w badanych żużlach. Analizy porównawcze warunków temperaturowych, składu fazowego i chemicznego oraz chemii minerałów dowodzą, że dane uzyskane dla żużli dobrze korespondują ze skałami naturalnymi w szczególności melilitolitami z Colle Fabbri (Włochy). Przeprowadzone eksperymenty doprowadziły nas do uzyskania kluczowych informacji na temat procesu krystalizacji - stwierdzono, że w przypadku badanego materiału krystalizacja rozpoczęła się w zakresie temperatur 1250-1300°C, a gradient termiczny tylko częściowo wpłynął na różnicowanie faz, a istotnie na zanik pierwotnego szkła. Jednocześnie mniej niż 84 h wystarczy, aby rozwinąć zróżnicowany zespół mineralny z kryształami o wielkości do kilku mm.

Badania wykazały również, że podczas wytopu cynku istotnym czynnikiem były reakcje pomiędzy stopem a materiałami ogniotrwałymi. Reakcje przejawiają się wzbogaceniem materiałów ogniotrwałych w ołów, sód, potas oraz cynk i arsen z wypieraniem w głąb materiałów żelaza, magnezu i wapnia. Zależności temperaturowe i separacja grawitacyjna w rezultacie prowadziła do powstania stref wzbogaconych w arsen i ołów, obniżających przebieg solidusu w układzie i korozję materiałów ogniotrwałych. Uwalnianie z nich pierwiastki, głównie krzem i glin, łączyły się z ołowiem, arsenem i innymi pierwiastkami niekompatybilnymi tworząc ostatecznie szkliwo o dużym potencjale emisji Pierwiastków Potencjalnie Toksycznych.

Przeprowadzone badania uwzględniające metodę eksperymentalną znalazły również zastosowanie w archeologii - pozwoliły na odtworzenie procesu wytopu ołowiu w hucie Łosień z XII wieku i w Sławkowie w XVI – XVII wieku, oraz złota w Złotym Stoku w XV-XVII wieku.

Próby zastosowania silnika elektrycznego do napędu pojazdów samochodowych podejmowane były od wielu lat. Były one szczególnie intensyfikowane przy okazji kolejnych kryzysów paliwowych (przykładowo koncern General Motors już w połowie lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku zaprezentował zaawansowany technologicznie model EV1). Europejscy producenci samochodów nie podjęli jednak w odpowiednim czasie wyzwania, którym było zaprojektowanie i wdrożenie do produkcji samochodu elektrycznego.

Electric Controlled Permanent Magnet Excited Synchronous Machine: a) schemat, b) rozkład pola magnetycznego

W chwili obecnej wszystkie koncerny samochodowe posiadają w swojej ofercie samochody elektryczne. Pomimo tego, że branża motoryzacyjna oferuje coraz więcej modeli samochodów elektrycznych, to wciąż pojazdy takie traktowane są jako nowinka technologiczna. Niesłusznie, bo napęd elektryczny konkurował ze spalinowym od zarania motoryzacji. Już pod koniec XIX w. klienci mogli nabywać pojazdy bezkonne wyposażone w silnik elektryczny. Barierę 100 km/h jako pierwszy złamał w 1899 r. właśnie pojazd elektryczny – belgijski La Jamais Contente.

Głównym ograniczeniem na drodze do całkowitego opanowania technologii samochodu elektrycznego jest bez wątpienia źródło energii elektrycznej, które nakłada na pozostałe składniki systemu (przede wszystkim na silnik) bardzo trudne do spełnienia wymagania. Z tego powodu projekt silnika dla samochodu elektrycznego uwzględniać musi wszystkie ograniczenia z tego wynikające, a jednocześnie jednostka napędowa musi być optymalnie dostosowana do standardowego cyklu jazdy. Oznacza to konieczność zredukowania do minimum ciężaru i objętości silnika przy jednoczesnym optymalnym sposobie przetwarzania energii w całym zakresie prędkości obrotowych.

Electric Controlled Permanent Magnet Excited Synchronous Machine Obecnie stosowane silniki elektryczne do napędów samochodów hybrydowych i elektrycznych posiadają wiele istotnych wad i z tego powodu ich układy zasilania i one same muszą być znacznie przewymiarowane, aby zagwarantować istnienie odpowiednio dużego momentu obrotowego przy starcie (dla małych prędkości obrotowych). Preferowane obecnie rozwiązania wykorzystujące silniki z magnesami trwałymi wykazują również niezadowalające parametry przy dużych prędkościach obrotowych. Celem ograniczenia tych efektów stosuje się różne techniki osłabiania strumienia magnetycznego w maszynie. Konwencjonalne rozwiązanie tego problemu polega na regulacji prądu wzbudzenia w ten sposób, że wytwarza on pole magnetyczne skierowane przeciwnie do pola magnesów, osłabiając je. Prowadzi to do komplikacji systemu i powiększenia jego gabarytów.

Electric Controlled Permanent Magnet Excited Synchronous Machine Jako rozwiązanie tych problemów, w ramach projektu realizowanego w konkursie OPUS 9, zaproponowano całkowicie nową strukturę wysokoobrotowej maszyny z magnesami trwałymi, która umożliwia regulację strumienia magnesów trwałych (Electric Controlled Permanent Magnet Excited Synchronous Machine ECPMSM). Maszyna ta to połączenie maszyny tarczowej z maszyną o strumieniu poprzecznym. Jej cechą charakterystyczną jest istnienie dodatkowego układu generacji strumienia magnetycznego, co pozwala na osiągnięcie wysokiej sprawności w całym zakresie prędkości obrotowych i obciążeń. Maszyna ta posiada jednocześnie duży moment rozruchowy i zdolność łatwej regulacji obrotów. Cechy te odpowiadają dzisiejszym wymaganiom stawianym przez przemysł samochodowy jednostkom napędowym (wysokie standardy środowiskowe, oszczędność, małe gabaryty). Opanowanie technologii produkcji takiego silnika elektrycznego oznaczałoby zmniejszenie dystansu technologicznego dzielącego nasz kraj od rozwiniętych krajów Europy w bardzo ważnej dziedzinie gospodarki.

Efektem badań przeprowadzonych w ramach projektu OPUS 9 było skonstruowanie i przebadanie kilku prototypów nowatorskich maszyn z magnesami trwałymi i regulacją strumienia. Wyniki tych badań opublikowano w kilkudziesięciu artykułach i przedstawiono podczas kilkunastu konferencji naukowych. Na rozwiązania maszyn hybrydowych otrzymano również 4 patenty krajowe.

Wzrastające zainteresowanie żywnością napowietrzoną skłania producentów żywności i naukowców do stosowania hydrokoloidów, które jako substancje zagęszczające jednocześnie pozwalają na kontrolowanie masy ciała. Hydrokoloidy wykazują zróżnicowane cechy i wpływ na właściwości produktu, a zastosowanie ich mieszanin pozwala na otrzymanie nowych, atrakcyjnych właściwości dzięki oddziaływaniom synergistycznym. Napowietrzanie jest coraz powszechniejsze, ale sam proces wprowadzania powietrza o kontrolowanej wielkości pęcherzy jest trudny i mało powtarzalny, zwłaszcza przy zastosowaniu prostych technik typu mieszanie lub ubijanie. Dlatego tak ważne jest zbadanie wpływu wytworzonej struktury na właściwości produktu końcowego.

Głównym celem projektu jest wyjaśnienie wpływu otrzymanej struktury liofilizowanych żeli truskawkowych na zmiany właściwości fizycznych i organoleptycznych gotowego produktu. Założeniem projektu było opracowanie liofilizowanego żelu truskawkowego, którego struktura będzie wykreowana poprzez zastosowanie różnych hydrokoloidów oraz czasu napowietrzania żeli.

Na podstawie przeprowadzonych badań potwierdzono tezę o wpływie rodzaju hydrokoloidu na strukturę i właściwości suszu, ale czas napowietrzania w większości przypadków nie miał znaczenia, co pozwoliło przypuszczać, że struktura w większym stopniu kreowana była w czasie ich liofilizacji niż napowietrzania żelu. Liofilizowane żele z pektyną niskometylowaną oraz mieszaniną gumy ksantanowej i gumy guar uzyskały w wielu przypadkach podobne, akceptowalne organoleptycznie właściwości, jednak delikatna struktura żelu z mieszaniną gum utrudnia otrzymywanie suszonego żelu.

Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że zastosowanie pektyny niskometylowanej do produkcji liofilizowanych żeli truskawkowych pozwoliło na akceptowalne technologicznie otrzymanie produktu najwyższej jakości zarówno w ocenie sensorycznej, jak i instrumentalnej.

Na zdjęciach we wnętrzu Librarii w Collegium Maius Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie widnieje przyrząd o nazwie Flexijet, który zastosowano do inwentaryzacji sklepień. Służy on do wykonania laserowych pomiarów i opracowania cyfrowego modelu w technologii BIM.

Projekt dotyczy wybitnych dzieł architektury gotyckiej i ich elementów – sklepień. Rozważane są zagadnienia z zakresu dokumentowania tego dziedzictwa, konserwacji i prawidłowej rekonstrukcji opartej na przesłankach naukowych. Projekt składa się z części teoretycznej (z analizami architektoniczno-historycznymi sklepień) oraz studiów nad źródłami ikonograficznymi.

W zasadniczej części pracy rozwinięto kwestie praktyczne związane z dawnymi technikami budowy sklepień i tradycyjnymi metodami opartymi na prostej geometrii. Autorka zbadała i przeanalizowała źródła materialne, posługując się pomiarami cyfrowymi zabytków (w Gdańsku, Malborku i Krakowie). Cennym źródłem i podstawą nowego spojrzenia na metody konstrukcji sklepień stał się starodruk pochodzący z XVII w. autorstwa Bartla Ranischa pt. Beschreibung aller Kirchen-Gebäude der Stadt Dantzig, odkryty na nowo po wojnie w zbiorach archiwalnych Gdańska. Dzieło to zawiera pionierską dokumentację ówczesnego stanu wszystkich gdańskich kościołów wraz ze szczegółowym opisem sztuki wznoszenia sklepień; ilustrowane jest blisko 50 sztychowanymi planami i wykresami geometrycznymi wielu odmian wzorów. Autorka porównała te najstarsze rysunki gotyckich sklepień gdańskich z autentycznymi, wciąż istniejącymi obiektami i przygotowała nową interpretację geometrii w postaci wirtualnych modeli. Kształty sklepień odwzorowano ściśle według „instrukcji” zawartej w starodruku, ale zgodnie z dzisiejszymi możliwościami, we współczesnych konwencjach (w postaci rzutów prostokątnych i kładów, przekrojów). Wzbogacono je o poglądowe, zrozumiałe przedstawienia w aksonometrii i perspektywie. Posłużono się metodami wizualizacji fotorealistycznej oraz uproszczonej, schematycznej.

Celem badań było wyjaśnienie reguł i szczegółów kształtowania sklepień. Modele sklepień mają formy zróżnicowane: elementarne „drucikowe”, obrazujące osie żeber, formy ustrojów z kształtek żebrowych, oraz formy pełne – z masywnymi żebrami i polami powłok. Etapy tworzenia modeli cyfrowych nawiązywały do kolejności realnych prac na budowie.

Techniki dawnych budowniczych zastosowano eksperymentalnie do odtworzenia zrujnowanych sklepień gotyckich w kościele zamkowym w Malborku. Koncepcja rekonstrukcji, przymierzona do reliktów we wnętrzu (pozostałości konstrukcji i wystroju), okazała się trafna. Rozpoznana metoda będzie zatem przydatna do projektów konserwacji czy rekonstrukcji wielu gotyckich konstrukcji.