Studentská vědecká konference

A dramatic increase in atmospheric CO₂ levels is a primary driver of global warming. The largest source of greenhouse gas emissions originates from the burning of fossil fuels. CO₂ capture and utilization (CCU) are one of the promising technology to mitigate climate change and lower the dependence on fossil fuels by conversion of waste material to a valuable product. To realize scalable CCU technologies, earth-abundant and low-cost materials with high CO₂ sorption capacity and specificity need to be developed. Hierarchically porous heteroatom-doped carbon-based materials are promising materials for CCU. In this work, the polyaniline-derived nitrogen-doped-carbon materials with hierarchical porosity were investigated and tested as CO₂ sorbents. The morphology and chemistry are adjusted by the use of polystyrene nanoparticles, various precursor material, and controlled pyrolysis steps. The presence of macropores, mesopores, and micropores in the developed materials provides enhanced CO₂ capacity.  While incorporating heteroatoms doping (nitrogen, nitrogen phosphor-, nitrogen sulphur-) could improve the CO₂ specificity. Thanks to high porosity and present of dopants, the materials can be further exploited for the catalysis application, and pave the way for new CCU technologies.    

Práce se zabývá problematikou matematického modelování proudění tekutin v míchané nádobě metodami výpočetní mechaniky tekutin (CFD, Computational Fluid Dynamics). Cílem práce je vytvořit validovaný matematický model míchané nádoby s dvojicí radiálních míchadel. Validace modelu, tedy kontrola věrohodnosti modelem predikovaných rychlostních polí, je provedena na základě porovnání předpovězených – vypočtených – dat s experimentálními daty převzatými z odborného článku. Znalosti získané z této práce by měly posloužit jako podklad pro další rozvoj matematického modelování míchaných nádob s typickou i atypickou geometrií. Výpočty jsou prováděny s využitím open-source CFD softwaru OpenFOAM. Zvolená metodika spočívá v numerickém řešení časově průměrovaných Navier-Stokesových rovnic (RANS) metodou konečných objemů (FVM – Finite Volume Methods). Rotace míchadel je zajištěna pomocí techniky MRF – Multiple Reference Frame.

Rozprašovací sušení patří mezi nejdůležitější metody přípravy prášků z vodných či organických roztoků. Suchý prášek je následně separován od sušicího média v cyklonovém odlučovači. Své uplatnění našlo rozprašovací sušení především v potravinářském, kosmetickém a farmaceutickém průmyslu díky své rychlosti a možnosti sušení i teplotně citlivých látek (např. enzymy či probiotika). Zásadním problémem jedné z nejčastěji používaných rozprašovacích sušáren Buchi B290 je nadměrná depozice částic v cyklónovém odlučovači, což při malém množství vzorku může znamenat zásadní problém.  Tato skutečnost byla adresovaná samotným výrobcem pomocí tzv. high-performance cyklónu, který je určen pro zvýšení účinnosti separace v případě jemných částic. I v tomto případě byla pozorována nadměrná depozice. Tato práce se zabývá studiem toku a depozicí částic v cyklonu rozprašovací sušárny Buchi B290 za využití výpočetního softwaru COMSOL Multiphysics, který umožňuje použití anizotropního turbulentního modelu v2-f vhodného pro povrchy s vysokým zakřivením. Hlavním cílem této práce je tvorba modelu dvou typů dodávaných cyklónů, studium toku uvnitř nich a predikce kritických míst, kde může docházet k depozici. Na základě získaných dat budou dále navrhnuty úpravy geometrie cyklónu vedoucí k účinnější separaci.

Ke konci dvacátého století došlo k prudkému rozvoji moderní regenerativní medicíny. Jedná se o víceoborovou disciplínu, která vychází z tkáňového inženýrství, molekulární biologie a z nanotechnologie. Zabývá se nejen náhradou nefunkčních tkání a orgánů, ale především jejich regenerací a opravou. Náhrada orgánu je značně komplikovaným procesem a nese s sebou mnoho náročných výzev. Alternativou je využití mechanických opor, které slouží jako podpůrné 3D struktury napodobující přírodní extracelulární matrici, anglicky označovaných jako „scaffold“ (počeštěně skafold). Tato práce se zabývá termodynamickými aspekty výroby mikroporézních skafoldů z kyseliny polymléčné (PLA) metodou spinodální dekompozice z homogenního roztoku v kyselině octové. Volba těchto dvou složek je podmíněna jejich minimální toxicitou a přirozenou schopností degradace v biologickém prostředí. Pro dvě různé molekulové hmotnosti polymeru byly metodou laserové turbidimetrie naměřeny body zákalu, tedy část tzv. binodální křivky, která ve fázovém diagramu odděluje homogenní směs od dvoufázového systému. Zároveň byly na základě Floryho-Hugginsovy mřížkové teorie vytvořeny binodální a spinodální křivky systému v dobré shodě s experimentálními daty.   

Motivací této práce je neustále se řešící problematika ukládání elektrické energie, ať už z důvodu přebytků v elektrické síti nebo ve spojitosti s energií pocházející z obnovitelných zdrojů, jakými jsou například fotovoltaické panely. Práce se zaměřuje na studium nanostrukturovaných vodivých materiálů a jejich možném využití jako elektrod ve vanadových průtočných bateriích. Tyto baterie představují jeden z možných způsobů, jak elektrickou energii uchovávat ve formě energie chemické. V úvodu se zabýváme navržením a následnou konstrukcí měřicí elektrochemické cely k charakterizaci nanostrukturovaných materiálů. Výhodou cely je možnost elektrochemicky charakterizovat materiály ve formě lože, tzn. bez nutnosti spoléhat na pasivní adsorbci materiálu na proudovém sběrači, či jeho zapouzdření do polymerního pojiva. V další části práce charakterizujeme vytvořená lože pomocí cyklické voltametrie. Mezi hlavní parametry ovlivňující voltametrické křivky patří množství materiálu v loži, jeho komprese a v neposlední řadě i typ použitého nanomateriálu. Byly testovány především uhlíkové materiály s různým druhem modifikací. Na základě vyhodnocení dat jsme určili nanomateriály vhodné pro konstrukci elektrod v těchto bateriích. Tyto materiály budou následně předmětem testování v reálném systému.   

Současným trendem ve farmaceutickém vývoji je kombinace více aktivních látek v jedné formulaci spojené s jejich řízeným uvolňováním. Vhodným procesem k získání takovéto formulace je potahování mikročástic ve fluidním loži. Potahování při fluidaci je však velmi citlivý proces, jehož hlavními parametry jsou rovnováha mezi vlhkostí danou nástřikem roztoku a statickou elektřinou převládající v nižších hodnotách vlhkostí. Statická elektřina způsobuje přilnavost mezi částicí a částicí ale rovněž i mezi částicí a stěnou zařízení. Výsledkem může být úplný kolaps a znehodnocení vsádky. Cílem práce je určit vlivy vlastností částic na proces nabíjení statickou elektřinou se zaměřením na materiál, velikost částic, drsnost a sféricitu. Drsnost a sféricitu je možné upravit zahlazováním částic v procesu fluidace pomocí nástřiku čisté vody na rozpustné typy částic, v našem případě byl použit chlorid sodný.  

Přímé měření okamžité koncentrace vodíku v čase je technologicky náročný úkol, avšak jeho vyřešení by mělo velký význam pro energetický průmysl a bezpečnostní inženýrství. Hlavní problém pro okamžité měření koncentrace vodíku v současnosti představuje citlivost používaných elektrochemických sond a jejich dlouhodobou časovou stabilitu. Laboratoř sdílení hmoty má dlouholeté zkušenosti s vývojem metod pro stanovování okamžité koncentrace plynů v průmyslových systémech. Náš současný výzkum navazuje na úspěšný projekt, který se zabýval vývojem sondy pro okamžité měření kyslíku. Nový prototyp sondy vyvíjený naší výzkumnou skupinou má oproti současným dostupným řešením na trhu okamžitou odezvu měřeného signálu při změně koncentrace vodíku. Tato práce je zaměřena na tvorbu řádné technické dokumentace za účelem sestrojení vodíkové sondy z nových dílů, které jsou kompatibilní s díly použitými v předchozích projektech. Původní sonda se skládá z tubusu, vnitřních částí (váleček pro průchod elektrod, stavěcí červík), měřící elektrody, referentní elektrody, těsnících kroužků a membrány. Dále je práce zaměřena na sestrojení prototypu sondy dle zmíněné dokumentace a experimentální studium rozložení odporu u povrchu obou pracovních elektrod při instalaci srovnávací argentochloridové elektrody.

Myelinové figury jsou dlouhé spletité válcovité struktury, které se tvoří hydratací koncentrované lamelární fáze určitých lipidů a povrchově aktivních látek. Svým vzhledem připomínají živou tkáň, konkrétně lipoproteinový obal nervových vláken – myelin, po kterém nesou tyto figury svůj název. Tvorba myelinu není dodnes zcela objasněna, mezi jeho potenciální aplikace patří zapouzdření a řízené dodávání léčiv. V naší laboratoři pracujeme se systémem dekanol-vodný roztok dekanoátu, do kterého je přidávána alkalická sůl. Pozorujeme morfologické změny kapky dekanolu a v rámci několika desítek minut následný růst myelinových figur z této kapky při vypařování vody. Cílem tohoto výzkumu je experimentálně studovat vliv soli na růst myelinových figur a zefektivnit způsob provádění experimentů, který je závislý na mnoha podmínkách, jako jsou například koncentrace roztoku dekanoátu, poměr objemů kapek v systému, teplota, ale i pohyb při manipulaci při pozorování myelinu pod mikroskopem.

Viac ako 40% nových farmaceuticky účinných látok vykazuje slabú rozpustnosť vo vode, ktorá je príčinou ich nízkej bio-dostupnosti a taktiež je prítomný food-effect, kedy je vstrebateľnosť liečiva premenlivá s príjmom potravy. Inovatívna lipidická lieková forma na princípe liquid marbles (tekutých guličiek) je schopná tieto problémy minimalizovať, ako už bolo dokázané v in vivo štúdiach. Enkapsuláciou účinnej látky do lipidickej matrice vzniká tzv. tekutá olejová gulička, ktorá kombinuje výhody pevných a lipidických formulácii. Ako spôsob výroby bol na VŠCHT vyvinutý prototypový prístroj Kuličkomat (Spheromat). Cieľom tejto práce bolo vykonať parametrickú štúdiu výroby tejto lipidickej liekovej formy na tomto prístroji. Výsledky tejto štúdie sú univerzálne aplikovateľné na princíp výroby a môžu slúžiť pre produkciu rôznych nových lipidických liekových formulácii na scale-upe zariadenia, ktoré je momentálne v štádiu poloprevádzky (pilot plant stage). Potvrdilo sa, že Kuličkomat je schopný laboratórnej výroby tejto lipidickej liekovej formy požadovanej kvality, s maximálnou produkciou 3540 tekutých olejových guličiek za minútu.

Kompozitní mikročástice schopné řízeně vyloučit léčivo byly vytvořeny enkapsulátorem. Mikročástice byly složeny z jádra tvořeného suspenzí norfloxacinu a vhodného vosku, který je za pokojové teploty tuhý. Jádro bylo obaleno hydrogelovou slupkou tvořenou alginátem vápenatým obsahujícím magnetické nanočástice oxidu železa.  Díky magnetickým vlastnostem je směsný oxid Fe3O4 vhodný pro využití ve formě hydrofilních nanočástic stabilizovaných dextranem, které se ohřívají v generovaném střídavém magnetickém poli. Tento indukční ohřev zajišťuje v kompozitních mikročásticích rozpuštění vosku a vyloučení antibiotika do okolí.  Tato práce se zabývá přípravou magnetických nanočástic, měřením jejich magnetických vlastností a využitím v přípravě kompozitních mikročástic. V této práci jsou také popsány zkoumané antibakteriální účinky výsledných kompozitních mikročástic způsobené indukčním ohřevem, které byly testovány v přítomnosti bakterií E.Coli. Bylo zjištěno, že v systému obsahujícím 50 mg mikročástic a 100 µL bakterií (OD600 = 0,15) stačí jeden magnetický impulz na usmrcení 60% bakterií a tři impulzy jsou dostačující pro usmrcení všech bakterií přítomných v systému.