Mikrovlnné sušení

29 Dub

Již tři čtvrtě roku uplynulo od srpnových povodní, které zatopily i řadu knihoven a archivů a tím i velké množství knih a cenných archiválií. Většinu cenného kulturního dědictví se podařilo zachránit očištěním vodou a uložením v zamrazeném stavu v mrazírnách. Pro jejich navrácení k opětnému použití je však třeba je co nejdříve vysušit, případně zbavit plísní a choroboplodných zárodků a v případě poškození i restaurovat.

Vzhledem k tomu, že s vysoušením knižních a jiných materiálů nebyly v České republice dosud žádné zkušenosti, byly nejdříve ověřovány znalosti ze zahraničí, např. z Itálie, Německa, Anglie apod. Nejvíce zkušeností pocházelo z Florencie, kde povodeň v roce 1967 způsobila nedozírné škody na vzácných historických dokumentech. Jednalo se o klasické způsoby sušení jako teplovzdušné, vakuové, vakuové balení, vakuová sublimace atd. Ve Florencii se sušilo většinou teplovzdušně v upravených sušárnách na tabák. U nás proběhlo testování těchto metod na různých pracovištích. Bylo provedeno jejich porovnání z mnoha hledisek a jejich zhodnocení na testovacích vzorcích. Výsledky byly zveřejněny ve zprávě Státního ústředního archivu a Národní knihovny na internetu (www.mvcr.cz/archivy). Společnou nevýhodou výše uvedených sušicích metod je, že trvají příliš dlouho a sice několik dnů až týdnů. Bylo odhadnuto, že vysoušení v současné době zamrazeného materiálu čítajícího několik tisíc krychlových metrů bude vyžadovat nejméně 15 let. Nehledě na to, že udržování knih a archiválií v zamrazeném stavu je dosti nákladné (20 milionů Kč ročně). Je akutně potřeba, aby řady knih a spisového materiálu byly co nejdříve k dispozici k opětnému použití (např. soudní spisy, restituční dokumenty). Vzhledem k této tíživé situaci, která postihla i řadu ústavů Akademie věd, se vedení AV ČR obrátilo počátkem září loňského roku na ústavy akademie o pomoc a speciálně pak na mikrovlnné pracoviště ÚCHP s úkolem vyvinout rychlejší a účinnější metodu sušení s využitím mikrovlnné techniky a s cílem zkrátit vysušení knih pro knihovny ústavů Akademie věd na co nejmenší dobu. Případně přispět k rychlejšímu vysušení knih a spisového materiálu i pro ostatní instituce.

Možnosti mikrovlnného sušení

Je známo, že mikrovlnné sušení různých materiálů je po mikrovlnném ohřevu potravin nejrozšířenějším průmyslovým využitím mikrovlnné techniky. Úspěšně se ve světě využívá zejména při sušení textilu, kůže, bavlny, keramiky, tabáku, dřeva, léčiv. V České republice se mikrovlnná technika využívá hlavně při sušení dřeva. Co se týká sušení papíru, byla mikrovlnná sušicí technika použita v omezené míře v USA a Číně při výrobě papíru v papírnách. Mikrovlnné sušení knih bylo rovněž testováno v zahraničí (Německo) v souvislosti s jejich deacidifikací. Několik století staré knihy totiž trpí při dlouhodobém skladování snížením pH, že tedy dochází k zvýšení kyselosti a tím vzrůstá nebezpečí zkrácení životnosti. Po neutralizaci kyselého vlhkého papíru bylo proto použito mikrovlnné sušení za sníženého tlaku za účelem dosáhnout značného urychlení sušicího procesu, který by jinak trval příliš dlouho. I když byla tato metoda patentována, neřešila řadu problémů, které bránily jejímu rozšíření. Jednalo se zejména o možná poškození v důsledku interakce mikrovln s kovovými prvky ukrytými ve vysoušených materiálech (vyřazovaly se detektorem kovů), se zlacenými literami, originálními lepty a zejména hrozící nebezpečí poškození v důsledku přesušení až propálení. To zařadilo mikrovlnnou techniku sušení jako metodu sice rychlou, ale příliš riskantní.

Realizace projektu mikrovlnného sušení

Zahájení projektu mikrovlnného sušení bylo založeno na dosavadních zkušenostech Mikrovlnné laboratoře ÚCHP získaných od roku 1992 při sušení molekulárních sít a heterogenních katalyzátorů. Získané výsledky posloužily jako teoretický základ potenciálního využití i pro sušení papírových materiálů. Bylo zjištěno, že vzhledem ke specifické interakci mikrovln s molekulami vody lze zkrátit sušicí dobu až o jeden řád, tj. více než 10krát, a to i při nižší teplotě, než je bod varu vody – pod 100 °C. Bylo však zřejmé, že knihy a ostatní papírové materiály budou mnohem citlivější k mikrovlnám než výše uvedené anorganické a teplotně odolné materiály. Projekt byl proto nejdříve konzultován s předními pracovišti a specialisty na mikrovlnné sušení včetně výrobců různých sušicích zařízení v zahraničí (Německo, Velká Británie, Francie, USA, Austrálie aj.). Získané informace však nebyly příliš povzbuzující, neboť technologie mikrovlnného sušení archiválií nebyla dosud ve světě zavedena. Důvodem zřejmě byly některé problémy a úskalí související s těžko kontrolovatelnými interakcemi mikrovln s různorodými složkami vysoušených papírových materiálů. Bylo třeba zjistit všechny možné problémy mikrovlnného sušení a nalézt způsob, jak je odstranit, aby mikrovlnná metoda sušení mohla být zcela bezpečná.

Zjištěné problémy mikrovlnného sušení

  • Přesušení papíru a tím snížení jeho životnosti.
  • Vznik tzv. „hot spots“, horkých lokálních míst způsobujících místní přehřátí až propálení papíru.
  • Rozžhavení kovových částí (spony, svorky, rychlovazače, pořadače).
  • Vypálení zlacených míst.
  • Poškození fotografií, barevných i černobílých reprodukcí a tisků.
  • Celkově možná nerovnoměrnost sušení v důsledku různorodosti knižního materiálu v interakci s mikrovlnami (např. lepidla, kůže, plasty, barvy, lepty).

Z uvedených údajů je zřejmé, že projekt mikrovlnného sušení musel tyto problémy úplně vyřešit, aby mohla být metoda shledána vhodnější alternativou ve srovnání s klasickými sušicími metodami. Dosud bylo mikrovlnné sušení archiválií z výše uvedených důvodů považováno spíše za škodlivé než užitečné. Pramení to možná i z malé informovanosti o podstatě mikrovlnného sušení ve srovnání s jinými druhy vysoušecích metod.

Princip a mechanismus sušení

Klasické sušení

Při klasickém sušení horkým nebo vlhkým vzduchem probíhá sušicí proces od povrchu ke středu a závisí na tepelné vodivosti materiálu, která je v případě papíru nízká a tedy nevýhodná. Přenos tepla a hmoty (vody) postupuje v protiproudu, což je rovněž nevýhodné. Rychlost sušení je v tomto případě limitována rychlostí difuze vody k povrchu. Vzhledem k tomu, že se jedná především o difuzi kapilární, je klasické sušení pomalé, zejména ke konci sušicího procesu. Vyšší teploty za účelem urychlení sušicího procesu mohou však způsobit deformace a snížit mechanickou odolnost papíru. Doporučuje se teplota do 60 °C, což je však pro sušení za atmosférického tlaku příliš pomalý proces.

Mikrovlnné sušení

Při mikrovlném sušení jde o zcela jiný mechanismus, neboť sušicí proces probíhá opačným směrem – od středu k povrchu. Dochází tak ke vzniku tzv. „vnitřního tepla“ a tím ke vzniku tlakového gradientu, který účinně „pumpuje“ vodu k povrchu, odkud se rychle odvádí vzdušným prouděním. Přenos tepla a hmoty (vody) probíhá na rozdíl od teplovzdušného způsobu souběžně, což rovněž významně přispívá k urychlení sušicího procesu.

Výsledky mikrovlnného sušení

LaboratornÍ sušení

Metoda mikrovlnného sušení byla vyvíjena nejdříve na laboratorních vsádkových zařízeních (PANASONIC NE 1400, 1,4 a 2,7 kW, Japonsko a DIES 2V, 2,0 kW, Česko). Zařízení vyrobená pro potraviny a sušení dřeva byla upravena pro sušení knih (homogenita pole, instalace absorpčních filtrů, vyladění optimálního výkonu atd.). Byly testovány různé zamrazené papírové materiály z hlediska doby a kvality vysušení. Bylo zjištěno, že zamrazená kniha je rozmrazena na 0 až 15 °C za 5 až 10 minut, dále následuje sušicí perioda při optimální teplotě 60 až 70 °C po dobu 1 až 2,5 hod. podle obsahu vody. Bylo zjištěno, že autentické vzorky knih obsahovaly průměrně 60 % hmotnosti vody – 0,6 kg vody na 1 kg suché knihy. Rozsah obsahu vody se však pohyboval v rozmezí 30 až 130 % hmotnosti. Vyšší obsah vody se vyskytl jen výjimečně a byl snížen mechanickým lisováním po rozmrazení. Sušení knih o různé vlhkosti nečinilo obtíže a bylo přerušeno po dosažení požadované skladovací vlhkosti (10 2 %), která byla kontrolována vlhkoměrem. Bylo zjištěno, že toto je kritický okamžik celého procesu, protože pokud sušení pokračuje, může dojít k přesušení, skončí totiž absorpce mikrovln vodou a začne absorpce suchým papírem, který se může přehřát a poškodit. Byl však nalezen účinný způsob, jak tomuto nebezpečí zabránit a možnost přesušení papíru zcela vyloučit. Tím se mikrovlnná sušicí technologie stala zcela bezpečnou a šetrnou i k nejcitlivějším archiváliím. Kromě toho byly vyřešeny i další problémy, jako úplné odstínění interakce mikrovln s kovovými částmi, které by mohly účinkovat jako anténa a rozžhavením knihy poškodit, stejně tak jako ochrana zlacených liter na obalech či hřbetech knih před vypálením, zachování kvality fotografií, černobílých i barevných reprodukcí i pauzovacích papírů. Vzhledem k tomu, že výše uvedený bezpečný technologický postup mikrovlnného sušení nebyl ve světě dosud vyřešen, byla tato nová technologie přihlášena k patentové ochraně. Je však třeba podotknout, že i když bylo dosaženo mimořádně úspěšných výsledků v laboratorním měřítku, nebylo jisté, zdali se podaří tyto výsledky přenést a aplikovat i v průmyslovém měřítku – pro velkokapacitní sušení s cílem zkrátit plánovaný termín z 15 let na několik málo let při zachování vysoké kvality vysušených materiálů.

Průmyslové sušení

Bylo proto přistoupeno k testování mikrovlnné sušicí technologie rovnou na dostupných průmyslových zařízeních, které sice sloužily pro sušení jiných materiálů (dřeva, keramiky, chemikálií), ale po vhodné úpravě mohly být potenciálně použity pro sušení knih a papírových materiálů. V úvahu přicházely jako nejvhodnější 2 typy průmyslových mikrovlnných sušicích zařízení.

Vsádkové zařízení v kombinaci s vakuem, resp. sníženým tlakem

Testy byly provedeny na upravené sušičce na dřevo (WOOD- MASTER, Slovensko) s kapacitou 600 až 800 kg vsádky zamrazených knih. Při výkonu 16 kW trvalo sušení 6 dní za tlaku 200 až 400 mbar, přičemž teplota sušení nepřesáhla 40 °C. Jde tedy o velmi šetrný sušicí proces kontrolovaný teplotními a vlhkostními čidly.

Kontinuální sušení

Kontinuální sušení bylo zvoleno z důvodu, že je to nejrozšířenější sušicí metoda využívaná v průmyslovém měřítku, neboť tímto způsobem se realizují všechny průmyslové sušicí technologie. Vytipováno bylo zařízení firmy Linn High Therm (Německo), vyvinuté k testování nových mikrovlnných technologií. Po úpravě na knižní materiály (absorpčními filtry, regulací výkonu apod.) se toto zařízení plně osvědčilo. Velkou výhodou tohoto postupu je, že knihy či vysoušené materiály jsou neustále pod přímou kontrolou z hlediska teploty a vlhkosti, neboť v krátkých intervalech opouštějí sušicí prostor a lze je mít vizuálně pod kontrolou. Bylo zajištěno, že po průchodu mikrovlnnou sušicí zónou za 10 až 12 minut je kniha rozmrazena, pak opětovně vstupuje na běžícím pásu do sušicího procesu a je po každém průchodu sušicí zónou kontrolována. Podle obsahu vody se to opakuje 5- až 20krát, kdy je kniha zcela vysušená. Každých 20 až 30 sekund vstupuje do sušicí zóny další kniha či svazek spisů. Sušicí kapacita se pohybovala v rozmezí 100 až 200 kg denně při mikrovlnném výkonu 6,4 kW. Zvýšení výkonu však může zvýšit sušicí kapacitu až několikrát.

Výhody mikrovlnného sušení

  • Vysoká sušicí rychlost oproti klasickým metodám sušení.
  • Rovnoměrnost a šetrnost k vysoušeným materiálům.
  • Průběžná kontrola sušicího procesu za optimálních podmínek.
  • Současná dezinfekce vysoušených materiálů (dochází k současnému ničení plísní a mikroorganismů, ale je třeba to kontrolovat).
  • Energetické úspory vzhledem k selektivnímu působení mikrovln jen na vlhkost.
  • Za nevýhodu mohou být považovány vyšší investiční náklady na mikrovlnné sušicí zařízení ve srovnání s klasickými vysoušecími zařízeními. To se však může vyrovnat vyšší rychlostí sušení a energetickými úsporami.

Závěry z výsledků výzkumu a realizace mikrovlnného sušení

Z dosažených výsledků testování vyvinuté technologie v průmyslovém měřítku vyplynulo, že se mikrovlnné sušení knih a archiválií plně osvědčilo, zejména co se týká rychlosti a kvality. Během měsíce ledna bylo vysušeno 2200 svazků k plné spokojenosti zákazníků (Ústav dějin a umění AV ČR, Filozofický a Sociologický ústav AV ČR, ale i Právnická fakulta UK atd.). Obě metody, vsádková vakuová a kontinuální, se vhodně doplňují a mohou být využity pro většinu různorodého knižního a archivního materiálu. Dosažené výsledky zcela vyvracejí dosavadní rozšířené názory mezi zastánci klasických vysoušecích metod a restaurátory, že mikrovlny jsou pro vysoušení riskantní a spíše poškozují vysoušené materiály, než zaručují jejich kvalitní vysušení. Dosavadní výsledky jak z laboratorního, tak velkokapacitního mikrovlnného vysoušení knih a archiválií však potvrdily, že tato metoda je bezpečná a bezkonkurenčně nejrychlejší při zachování vysoké kvality a hospodárnosti sušicího procesu.

V současné době byl schválen vládou České republiky pětiletý plán na vysušení zatopených knih a archiválií. Situace s navrácením knih a ostatních dokumentů a archivních materiálů k opětovnému použití se tak konečně dostala ke konkrétnímu řešení, kde metoda mikrovlnného sušení najde jistě své významné místo. Byla by škoda, kdyby tato ryze česká sušicí technologie byla zavedena dříve v zahraničí, např. v USA (kde je zájem o prodej licence), než v České republice. Lze jen doufat, že státem vyčleněné peníze v částce téměř 800 milionů Kč budou účinně využity a česká metoda vysoušení zatopených knih a archiválií mikrovlnnou technikou se stane důležitou součástí řešení této akutní situace u nás. V budoucnu pak může sloužit k rychlému řešení povodňové situace v zatopených knihovnách kdekoli na světě.

Autor je vědeckým pracovníkem Ústavu chemických procesů AV ČR v Praze.

Leave a Reply