História činnosti VÚPC siaha do polovice minulého storočia. Skúste nám na úvod stručne predstaviť cestu, ktorou VÚPC za tento čas prešlo.
Výskumný ústav papiera a celulózy Bratislava bol založený v roku 1947 s cieľom modernizácie a zvyšovania konkurencieschopnosti celulózo-papierenského priemyslu bývalého Československa. Tento priemysel bol a stále aj je mimoriadne silný, nakoľko lesnatosť je výnimočne vysoká. Lesy na Slovensku pokrývajú viac ako 41 % plochy a ďalšie plochy sú „zalesňované“ náletovými drevinami, čo sa však oficiálne do plochy lesov nezapočítava.
V strednej a východnej Európe tak patríme medzi krajiny s najvyššou lesnatosťou, pričom tento stav sa tak v rámci Európy, ako aj na Slovensku neustále zlepšuje. Aj preto má celulózo-papierenský priemysel výbornú obnoviteľnú a trvalo udržateľnú surovinovú základňu. Ústav sa podieľal na príprave a realizácii rozvojových akcií celulózo-papierenského priemyslu. Zameral sa na technologický výskum a vývoj a priemyselné využitie, na technickú pomoc celulózkam, papierňam a spracovateľským závodom, na zvyšovanie kvalifikácie papierenských odborníkov a na vyhľadávanie a šírenie odborných a ekonomických informácií.
Od roku 2003 bol k VÚPC pripojený aj Štátny drevársky výskumný ústav s výskumnou činnosťou v oblasti kaskádového využitia drevnej hmoty a recyklácie výrobkov z dreva po ukončení používania. Okrem toho rieši aj témy optimalizácie výroby biodegradovateľných veľkorozmerných, izolačných a nových kombinovaných materiálov na báze dreva.
Už v názve vašej organizácie je slovo „výskumný“. Ktorým oblastiam sa teda v rámci výskumu venujete?
Medzi tie najmodernejšie smery v oblasti celulózo-papierenského priemyslu patrí výskum nanocelulózy. V rámci výroby nanocelulózy sa snažíme dostať už nie na úroveň vlákien, ale takmer na úroveň molekúl polymérov celulózy. Ide o veľmi perspektívnu a sľubnú oblasť, pretože keby sa nám podarilo energeticky nenáročným a efektívnym spôsobom dostať na túto úroveň, tak by sa otvoril priestor na výrobu veľmi špecifických výrobkov so špecifickými vlastnosťami.
Okrem iných by išlo aj o biodegradovateľné obalové materiály, ktoré by mohli nahradiť množstvo iných, v súčasnosti používaných obalov, ktoré predstavujú pre životné prostredie veľkú záťaž. Celulózo-papierenský priemysel je vo svojej podstate trvalo udržateľný vzhľadom na surovinovú základňu, ktorá tvorí jeho vstupy, a má zároveň biologicky degradovateľný produkt. Zameriavame sa teda na výskum všetkých oblastí, kde je základom celulóza.
Veľkú časť tvorí výskum v oblasti biodegradovateľných obalov na báze papiera, kartónu a lepenky. Základom je papier, pričom na jeho povrchovú úpravu s cieľom vytvorenia ochrannej bariéry sa použijú biodegradovateľné a na biologickej báze vyrobené polyméry. Biologické polyméry, podobne ako celulóza, existujú na našej planéte už milióny rokov a poznáme ich napr. ako tuky baktérií (polyhydroxybutyrát), kyselinu polymliečnu (PLA), termoplastický škrob a pod.
Ak tieto zložky v dobrých pomeroch a pri dobrých podmienkach zmiešame, sme schopní vytvoriť biodegradovateľné polyméry s predikovateľným časom degradácie a nanášať ich ako ochrannú bariéru.
V období rokov 2020 – 2023 prebehla rozsiahla modernizácia VÚPC v nových priestoroch novovybudovaného Centra excelentnosti LignoSilva. Čo všetko v rámci tohto projektu do činnosti/vybavenia VÚPC pribudlo a ako to ovplyvní aktivity VÚPC smerom k vašim zákazníkom v najbližšom období?
Centrum excelentnosti LignoSilva bolo vybudované v spolupráci s Národným lesníckym centrom a Fraunhofer Institute, pričom využívame aj schémy verejno-privátneho partnerstva. Tieto subjekty si vzájomne vymieňajú údaje napr. o tom, aké máme na Slovensku dostupné zásoby dreva, aká je sortimentná skladba v našich lesoch, aké sú produkčné plány našich celulózo-papierenských podnikov a pod.
A naopak, druhá strana potrebuje poznať spätnú väzbu z trhu o tom, aké majú podniky rozvojové plány či aké druhy dreva bude trh požadovať. Je dôležité zladiť tieto záujmy z hľadiska všetkých zúčastnených strán – dodávateľa, spracovateľa dreva a celulózy aj odberateľov. Vďaka spomínanému projektu sa podarilo rozšíriť aj kapacitné priestory VÚPC. Postavili sme nové haly, kde bol umiestnený univerzálny papierenský stroj disponujúci tromi nátokmi, online glejacím lisom a natieracou časťou.
Ide teda o unikátnu experimentálnu linku na testovanie technológie výroby papiera a povrchovej úpravy papiera v Európe. Vďaka tomu môžeme poskytovať služby celému celulózo-papierenskému priemyslu na Slovensku, v Čechách, Európe, ale aj v USA či Kanade. Spolupracujeme aj s krajinami, ako je Čína, India či Brazília.
Jednou z hlavných výskumných aktivít VÚPC je optimalizácia procesov spracovania dreva a výroby celulózy a papiera pomocou umelej inteligencie. Tá sa presadzuje nielen v komerčných aplikáciách, ale postupne v takmer všetkých priemyselných odvetviach. Aké možnosti a naopak prípadné hrozby prináša pre celulózo-papierenský priemysel? V akých aplikáciách možno umelú inteligenciu využiť v rámci celulózo-papierenského priemyslu?
V rámci mojej dizertačnej práce, ktorú som obhájil v roku 1997, som sa venoval optimalizácii kyslíkovej delignifikácie aplikáciou neurónových sietí, čo je vlastne základ algoritmov umelej inteligencie. To bola v podstate prvá aplikácia umelej inteligencie vo výrobnom procese na Slovensku, konkrétne v SCP v Ružomberku. Na optimalizačné úlohy pre konkrétnu technológiu alebo typ procesu (napr. reaktora) sa používajú tzv. úzke neurónové siete (z angl. narrow neural networks).
V rámci tejto optimalizácie sa merajú všetky vstupné údaje a im zodpovedajúce hodnoty výstupných veličín vrátane oneskorenia spôsobeného zdržným (retenčným) časom v reaktoroch a zariadeniach. Všetky tieto údaje sú mimoriadne dôležité, pričom sa zvyčajne rozdeľujú do dvoch skupín (množín): jednou skupinou údajov sa natrénuje neurónová sieť, druhou skupinou údajov sa otestuje presnosť predikcie neurónovej siete.
Čím presnejšie budú namerané údaje, tým presnejšia bude predikcia a aj samotná optimalizácia procesu. A to bude predstavovať nielen minimalizáciu finančných nákladov, ale aj pozitívny vplyv na životné prostredie. Už vtedy som cítil obrovský potenciál nasadenia algoritmov umelej inteligencie (UI) aj v ďalších procesoch, a to z jednoduchého dôvodu – všade meriame množstvo údajov, ku konkrétnym vstupným veličinám môžeme získať hodnoty výstupných veličín, či už ide o papierenský stroj, delignifikačné reaktory, tzv. varáky, bieliace reaktory alebo iný technologický uzol v rámci celulózo-papierenského podniku.
V súčasnosti teda už máme priestor, kde by sme umelú inteligenciu dokázali využiť, a to aj vtedy, ak sú údaje nie úplne presné – ale musia byť systematicky nepresné, nie náhodne nepresné. Na druhej strane niektoré prietoky nie sú merané a nemáme úplné hmotnostné či energetické bilancie, čo neumožňuje efektívne nasadiť algoritmy umelej inteligencie. Tieto údaje sa musia získať nasadením chýbajúcich meracích prístrojov alebo pomocou prenosných prístrojov. Až následne sa dá aplikovať optimalizácia pomocou UI.
Ďalšou oblasťou, ktorá je životne dôležitá aj pre celulózo-papierenský priemysel, je zber, spracovanie a vyhodnocovanie prevádzkových údajov. Čo je podľa vás v celulózo-papierenskom priemysle dôležitejšie – kvantita alebo kvalita údajov? Ako sa dá vytvoriť rovnováha v tejto oblasti, aby prevádzkoví pracovníci neboli zahltení množstvom údajov/alarmov a na druhej strane aby sa darilo neustále zvyšovať efektivitu, kvalitu či bezpečnosť výroby na základe presnejších informácií z výrobných procesov a technológií?
Veľmi dobrá otázka. V súčasnosti sa podniky naozaj snažia získavať čo najviac údajov zo svojich strojov a prevádzok. Snímače sú cenovo dostupné, čiže technologická bariéra pre väčšinu prípadov pominula. Zber údajov má však svoje zákonitosti, pričom treba vnímať vlastnosti každého procesu a technológie osobitne. Vysvetlím to na príklade delignifikačného reaktora. Ten má stanovený retenčný čas napr. 103 minút, po ktorom máme na výstupe reaktora presne to, čo očakávame.
Ak by sme mali k tomu meranie každých päť minút, práve v čase 103 minút nebudeme vedieť určiť hodnotu výstupu. V čase 100 alebo 105 minút nás už požadovaný údaj nezaujíma, lebo v týchto časoch nebudeme mať na výstupe to, čo z procesu očakávame. Zber údajov musí byť presne zosúladený s niektorými dôležitými charakteristikami procesu. Preto je dôležité, aby systém a takt merania bol volený po konzultáciách s technológmi a odborníkmi na daný proces.
Už spomínané neurónové siete síce potrebujú čo najviac údajov, ale zároveň takých, ktoré sú zosúladené s charakteristikami procesu. Pre celulózo-papierenský priemysel je mimoriadne dôležitá aj bezpečnosť. Pracujeme s tlakmi a teplotami, ktoré ďaleko prevyšujú tie hodnoty, ktoré poznáme z bežných podmienok. Aj preto je bezpečnostné inžinierstvo integrálnou súčasťou v každom takomto podniku.
Našťastie máme na meranie kvapalín aj pri týchto extrémnych podmienkach veľmi spoľahlivé a presné meracie prístroje. Okrem toho sa pracuje s drevnou štiepkou či papierom, kde sa pri manipulácii s nimi môže vytvárať prostredie s potenciálne výbušnou atmosférou. To je druhá oblasť, na ktorú treba zamerať pozornosť z hľadiska bezpečnosti technológií či samotného personálu a kde treba mať zabezpečené spoľahlivé meranie.
Výroba celulózy a papiera prebieha na komplexných technologických zariadeniach a ich riadenie nie je triviálnou záležitosťou. Vyvíjajú sa v tomto smere aj nové metódy, ako tieto procesy optimalizovať?
Ako ste správne poznamenali, podnik zaoberajúci sa výrobou a spracovaním celulózy a papiera je veľmi zložitý celok pozostávajúci z množstva rôznorodých procesov. Veľmi dobre sa tieto procesy podarilo zmapovať a algoritmizovať pre potreby riadenia v podobe tzv. Pinch analýzy.
Tá je založená na termodynamických princípoch a umožňuje minimalizovať spotrebu energie v priemyselných procesoch optimalizáciou technológií na spätné získavanie tepla, úrovne dodávok energie a prevádzkových podmienok procesov. Metóda bola vyvinutá na University of Manchester. Táto teória veľmi jednoducho prepisuje komplikovanú technológiu do teplotno-entalpického diagramu, kde veľkosť prúdu je vektor toku entalpie.
Zjednodušene môžeme povedať, že pri tomto prístupe využijeme potenciál nejakého nosiča tepla v technológii niekoľkokrát. Práve Pinch analýza umožní navrhnúť veľa procesných modifikácií, ako môžeme tieto nosiče využiť v komplexnej technológii a minimalizovať tak špecifickú spotrebu energie na jednotku výroby.
Pri pohľade na celulózo-papierenský podnik zvonku si laik všimne množstvo komínov s vystupujúcou parou. Samotný proces výroby celulózy a papiera je mimoriadne energeticky náročný. Už ste spomínali, že VÚPC sa venuje aj výskumu v tejto oblasti. Do akej miery sa darí v posledných rokoch optimalizovať energetickú náročnosť a spotrebu pri spracovaní a výrobe celulózy a papiera?
Práve na to je vhodná spomínaná Pinch analýza. Väčšinu procesov a veličín vieme transformovať do matematickej podoby vektorov, takže to vieme veľmi dobre algoritmizovať a použiť aj softvérové nástroje na následnú optimalizáciu. Na VÚPC sme vyvinuli softvér PapStar, ktorý optimalizuje technológie celulózo-papierenského podniku z pohľadu spotreby energie a vody.
Medzi hlavné úlohy manažérov podnikov patrí hľadanie spôsobov, ako znižovať náklady a zvyšovať kvalitu, kvantitu produkcie a samotný zisk podniku. Jednou z metód je aj hľadanie úzkych miest, tzv. debottlenecking v jednotlivých prevádzkach a procesoch. Aké sú najlepšie skúsenosti v tejto oblasti pre celulózo-papierenský priemysel?
Odstránenie úzkych miest v technológii, brániacich zvýšeniu kapacity výroby, je dôležité napr. v čase konjunktúry, keď treba pokryť zvýšený dopyt po produktoch. A naopak, keď je recesia, treba hľadať úzke miesta na strane nákladov, ktoré treba minimalizovať a zároveň maximalizovať zisk. Keďže poznáme technológie v celulózo-papierenskom podniku veľmi podrobne, vieme povedať, aké investičné prostriedky bude potrebné vynaložiť na odstránenie konkrétneho úzkeho miesta.
Aj na tieto témy máme v rámci VÚPC k dispozícii softvérové nástroje, ktoré dokážu vyčísliť potrebné investície, ich návratnosť a príspevok k riešeniu úzkych miest. Celulózo-papierenský priemysel na Slovensku mal počas celej svojej histórie šťastie na manažérov a vedúcich pracovníkov. Boli to ľudia, ktorí týmto procesom rozumeli, vedeli veľmi dobre vyhodnotiť príčinné súvislosti a nebáli sa investovať do moderných technológií a metód.
Keď došlo k tomu, že sa slovenské podniky dostali do nadnárodných spoločností, zahraniční manažéri často s údivom pozerali, ako ďaleko sme sa dostali, a mnohé metódy a postupy preberali aj do svojich zahraničných filiálok. No za čias socializmu sa málokto namáhal, aby boli veci chránené nejakým patentom, takže sme prišli o nemalé kapitálové príjmy. Vďaka múdrosti a prezieravosti našich pracovníkov je v súčasnosti slovenský celulózo-papierenský priemysel vysoko konkurencieschopný.
Za posledných tridsať rokov sa nám spoločnými silami podarilo zvýšiť produktivitu tohto odvetvia 27-krát. Neviem, či je v rámci Slovenska nejaké iné odvetvie, ktoré toto dokázalo.
Špeciálny papier s multifunkčnými vlastnosťami, špeciálne produkty na báze nanofibrilovanej celulózy a nanocelulózy, biologicky odbúrateľné či inteligentné obaly... Hovoríme o vzdialenej budúcnosti alebo sú tieto veci realitou už dnes? Ako zmenia tieto novinky celý reťazec od dodávateľa po spotrebiteľa?
V súčasnosti sa už používa určitý podiel biodegradovateľných materiálov. V Mondi SCP Ružomberok sa udiala jedna z posledných investícií práve do moderného papierenského stroja PM19 s ročnou kapacitou 300-tisíc ton výroby biodegradovateľného obalového papiera. V prípade týchto obalov stále zlepšujeme na začiatku spomínanú bariérovú vrstvu a snahou je postupne eliminovať používanie obalových materiálov, ktoré nie sú biodegradovateľné.
Navyše, celulóza má veľkú budúcnosť nielen z pohľadu obalových materiálov, ale najnovšie aj oblečenia a módy. Používame stále veľa biologicky nedegradovateľných polymérov vyrobených z ropy, ako je polyester, polypropylén, polyetylén, polyvynilchlorid a pod. A čo je horšie, tieto polyméry sú už vo vodách v Himalájach, ale aj v Tatrách. Mikrovlákna týchto polymérov vieme zachytiť, ale nanovlákna sa už začínajú dostávať do našich buniek a neviem odhadnúť, ako môžu narušiť našu DNA. Nehovoriac o ich potenciálnych karcinogénnych účinkoch.
Riešením sú teda výrobky z bavlny, čo je mimochodom tiež čistá celulóza, a viskózová buničina na báze celulózy z dreva alebo bambusu, konope, ľanu a pod., ktoré sú biologicky degradovateľné. Je to jediné vlákno, ktoré vieme vďaka chemickým procesom vyrobiť v podobe tzv. viskózového hodvábu, ktorý je mimoriadne kvalitný a pritom biologicky degradovateľný.
Schopnosť vidieť do budúcnosti bola daná zatiaľ len biblickým prorokom. Skúsme napriek tomu odhadnúť, kam sa budú uberať (nielen technologické) inovácie spojené s výrobou celulózy a papiera, príp. samotných obalových materiálov v najbližších rokoch?
Už som naznačil tie trendy – niektoré podniky sa preorientovali na výrobu viskózovej, chemicky takmer úplne čistej celulózy. Tá sa jednoducho rozpustí a chemicky vyzráža na hrúbku, akú potrebujeme. Tieto vlákna sú aktuálne mimoriadne potrebné, lebo na svete je osem miliárd ľudí, ktorých treba ošatiť, a to do biodegradovateľného oblečenia. Nanocelulóza má zase o dva rády vyššie hodnoty z hľadiska pevnosti ako bežná celulóza, čo otvára ohromné možnosti pri jej využití.
Niektoré štúdie dokonca uvádzajú vyššiu pevnosť ako pri kevlarových či uhlíkových vláknach. Produkty z nanocelulózy sú absolútne kryštalické, transparentné, dokonca viac, ako číre sklo, čo je amorfná látka. Podstatné však bude zvládnuť výrobu celulózy na nano úrovni, čo je o tri rády nižšie, ako je to v súčasnosti. V rámci modernizácie nášho Centra excelentnosti som sa obrátil na umelú inteligenciu s otázkou, aké technologické a experimentálne metódy a zariadenia sú potrebné na to, aby sme sa čo najskôr vedeli dostať k štruktúre celulózy na nano úrovni.
Len pre informáciu ešte dodám, že najlepšia nanocelulóza je na svetových trhoch trikrát drahšia, ako je aktuálna cena zlata. Umelá inteligencia vymenovala niekoľko zariadení, ako sú špeciálne kombinované mlyny, ultrazvukové technológie, rôzne reaktory a pod., ktoré by nám mali pomôcť stať sa svetovou špičkou vo výskume aj v tejto oblasti. V rámci projektu Centra excelentnosti sme si teda podali žiadosť na spolufinancovanie týchto zariadení, ktorá nám bola aj schválená.
Ideme teda do veľkej investičnej akcie a nákupu najmodernejších zariadení, čo bude znamenať skvelý krok nielen pre VÚPC, ale aj celý celulózo-papierenský priemysel na Slovensku. Ak z dreva alebo dokonca z takého „odpadu“, ako je slama, možno získať niečo vzácnejšie ako zlato, tak je to ohromná hnacia sila pre celý výskum a vývoj na Slovensku. Už pred pár rokmi som vyzýval aj Slovenskú akadémiu vied, aby sme spojili naše sily a vydali sa na túto cestu a posunuli Slovensko vpred.
A preto musíme zabezpečiť aj kapacitný rast v slovenských celulózo-papierenských podnikoch, lebo len tzv. ekonomika vo veľkom začne prinášať nižšie ceny a kvalitnejšie a ekologickejšie produkty, ktoré budú aj z pohľadu svetovej ekonomiky konkurencieschopné a udržateľné.
Ďakujeme za rozhovor.
