Studentská vědecká konference

Fermentace se v posledních letech stává důležitým procesem v cestě za obnovitelnými zdroji. Jedním z hlavních důvodů je úbytek zásob fosilních paliv a hledání ekologičtějších zdrojů. Mezi tyto zdroje patří právě biopaliva jako jsou například methanol, ethanol a butanol. Tyto bioalkoholy je možné získat působením mikroorganismů právě při fermentaci. Po procesu fermentace je třeba separovat vzniklé primární produkty a zároveň zajistit jejich vyšší čistotu. V současné době se k separaci těchto látek nejčastěji používá destilace, nicméně z důvodu vysokých energetických nároků a obtížné separaci azeotropických směsí dochází k hledání alternativních řešení. Jedním z těchto řešení může být právě pervaporace, na niž se zaměřuje tato práce. Při pervaporaci dochází k dělení kapalné směsi průchodem přes neporézní membránu do vakua nebo nosného plynu. Díky selektivitě membrány dochází k separaci směsi nezávisle na termodynamické rovnováze mezi kapalinou a parní fází, a tudíž je možné pervaporaci používat i pro překonávání azeotropů. Důležitým aspektem celého procesu fermentace a separace produktů je jeho kontinualizace. Tato práce se zabývá nalezením podmínek pro provoz laboratorní pervaporační jednotky tak, aby byl proces vhodný pro napojení na fermentaci a optimalizaci této jednotky.

Technologický pokrok, zejména v oblasti 3D tisku, umožňuje výrobu součástek a zařízení s téměř libovolným tvarem. Široká variabilita vyrobitelných tvarů dovoluje optimalizovat topologii součástek pro konkrétní aplikace. Hlavním cílem prezentované práce je vývoj obecné metodologie pro více-účelovou více-parametrickou topologickou optimalizaci založenou na genetických algoritmech a výpočetní dynamice tekutin (anglicky computational fluid dynamics, CFD). Topologická optimalizace je prováděna pomocí binární reprezentace prostoru, kdy optimalizační algoritmus prochází množinu všech vyrobitelných tvarů a hledá nejlepší dle zadaných kritérií. Optimalizační kritéria jsou vyhodnocována s využitím CFD. Standardní metody CFD jsou rozšířeny o hybridní metodu fiktivní domény-vnořené hranice, což umožňuje efektivní provedení CFD výpočtu v obecné geometrii navržené optimalizačním algoritmem. Vyvinutá metodologie je aplikována na tvarovou optimalizaci difuzoru jako součásti ejektoru, jednoduché proudové pumpy využívané například v chladících a tepelných systémech či pro generaci vakua. Cílem ukázkové optimalizace je zvýšení energetické účinnosti ejektoru.

Přestože počet nově registrovaných elektromobilů v EU strmě roste, spalovací motory stále jsou a ještě několik let budou dominantním pohonem pro provoz osobních automobilů. U zážehových motorů je pro redukci škodlivin zpravidla využíván trojcestný katalyzátor, který je schopen jak zoxidovat nespálené zbytky uhlovodíků a oxidu uhelnatého, tak současně zredukovat oxidy dusíku za vzniku zdraví neškodné vodní páry, dusíku a oxidu uhličitého. Tato reakce bohužel neprobíhá ihned po startu motoru, ale až po dosažení určité teploty. Kvůli tlaku na efektivitu motoru je ale stále méně energie přeměněno na odpadní teplo, a tak trvá zahřátí katalytického systému na požadovanou teplotu déle. Cílem této práce bylo provést sérii experimentů s různým složením plynu na dvou trojcestných katalyzátorech a nalézt provozní režim, který by vedl k rychlejšímu náběhu reakcí během teplotní rampy po studeném startu. Směsi se lišily hodnotou λ (poměr vzduch:palivo), poměrem CO, NO, C₃H₆, H₂ a O₂ tak, aby bylo možné co nejlépe porovnat teploty zapálení jednotlivých složek směsi. Kromě konstantního složení byl zkoumán i režim s periodickými oscilacemi.

V automobilovém průmyslu je dnes jedním z nejvíce diskutovaných témat ekologie. V Evropské unii je nyní v platnosti emisní norma Euro 6d, omezující mimo jiné hmotnost a počet produkovaných pevných částic. Pro splnění této normy se do benzínových automobilů přidává katalytický filtr pevných částic, který snižuje současně množství škodlivých plynů i částic v automobilových spalinách. Ke studiu tohoto komplexního systému využíváme matematický model stěny katalytického filtru. Z reálného vzorku katalytického filtru pevných částic je pomocí rentgenové tomografie a následné rekonstrukce obrazu získána trojrozměrná struktura. Tato struktura je převedena na výpočetní síť, kde je pomocí softwaru OpenFOAM modelován tok a filtrace částic. Shluky částic se pohybují v plynu a po srážce se stěnou nebo již usazenými částicemi vytváří filtrační koláč. V prezentované simulační studii je diskutován vliv rychlosti plynu a počtu pevných částic ve shluku na filtrační účinnost a tlakovou ztrátu a jejich vývoj v čase. Právě tyto faktory jsou klíčové pro posouzení celkové účinnosti daného filtru, kde je kladen důraz na nízkou tlakovou ztrátu a vysokou filtrační účinnost.  

Turbulentní proudění s přítomností bublin je nedílnou součástí mnoha průmyslových aparátů, jako jsou probublávané kolony, aerované míchané reaktory apod. Predikce chování těchto komplexních disperzních systémů je velice důležitá pro dobrý návrh zmíněných aparátů. Naše laboratoř se zabývá základním výzkumem chování bublin v turbulentním proudění pro získání experimentálních dat důležitých pro validaci modelů používaných při numerických simulacích. Experiment má podobu zjednodušujícího systému, kde spolu interagují jedna bublina s jednou vírovou strukturou. Pro co nejpřesnější vyhodnocení rozpadu bublin a bezrozměrných kritérií charakterizujících tuto interakci je zapotřebí dobře charakterizovat vírovou strukturu. Cílem práce je pomocí metody PIV získat parametry popisující vírový prstenec tvořený náhlým proudem kapaliny ze zatopené trysky. Z vizualizace proudění pomocí trasovacích částic je vyhodnocen průměr prstence, průměr vírového jádra, postupná rychlost prstence a jeho cirkulace, která charakterizuje celkové množství energie nesené vírovým prstencem. Získané parametry jsou srovnány s výsledky získanými z experimentu s vírem obarveným barvivem, dále s výsledky numerických simulací tvorby vírového prstence stejného jako v experimentu a nakonec s teoretickým modelem.

Hydrogelové mikročástice lze využít pro medicínské účely k enkapsulaci, následnému transportu a vyloučení účinné látky v organismu. Cílem práce bylo připravit alginátové částice o velikosti v jednotkách mikrometrů. Takové částice lze využít jako nosiče účinných látek pro inhalační podání nebo ve formě náplastí k transdermální aplikaci. Požadovaných parametrů bylo dosaženo za pomoci mikrofluidního čipu, který poskytuje dobře definované prostředí, ve kterém je možno syntetizovat částice o žádané velikosti s vysokou reprodukovatelností. Do systému je přiváděn vodní roztok alginátu, olejová fáze a olejová fáze s příměsí Ca²⁺ iontů. Při styku vodní fáze s nemísitelnou olejovou fází dochází ke vzniku kapek. Tato emulze vody v oleji je následně přiváděna k druhé olejové fázi s příměsí Ca²⁺ iontů , kde dochází ke vzniku mikročástic vlivem gelace alginátu v přítomnosti Ca²⁺ iontů. Byl zaznamenáván a vyhodnocen vliv průtoků jednotlivých fází na velikost a tvar kapek v mikrofluidním kanálku a vyprodukovaných částic. Následně byl zkoumán vliv a složení média vyprodukovaných alginátových mikročástic na jejich velikost v čase.

Znalost transportních charakteristik vyplní absorpčních kolon je důležitým předpokladem pro navrhování a obsluhováni průmyslových kolonových aparátů. Tato práce se konkrétně zaměřuje na stanovení objemového koeficientu přestupu hmoty v plynné fázi (k_Ga) a jeho závislosti na difuzivitě. Měření byla provedena v poloprovozní absorpční koloně na plněné strukturované výplni Mellapak 350Y. Měření bylo provedeno chemisorpcí plynného čpavku o známých vstupních koncentracích do zředěného roztoku kyseliny sírové. Tento systém byl zvolen na základě soustředění odporu přestupu hmoty v plynné fázi. Měřením na několika výškách lože byly eliminovány okrajové efekty. Porovnáním hodnot k_Ga s daty naměřenými v laboratoři dříve na systému SO2/NaOH na stejné výplni a stejných podmínek byla vyhodnocena závislost k_Ga na difúzním koeficientu. Ta vychází více než dvakrát nižší než je běžně používáno v literárních korelacích pro výpočet k_Ga. Tento fakt by mohl zásadně ovlivnit přenositelnost hodnot kGa mezi systémy.

Destilace je jedním z procesů sdílení hmoty založeným na rozdílné těkavosti jednotlivých složek směsi. Pro popis sdílení hmoty při destilaci využíváme běžné veličiny jako koeficienty přestupu hmoty, efektivní mezifázovou plochu, model HETP aj. Pro transportní charakteristiky jsou vyvíjeny složité modely vycházející z geometrie výplní, fyzikálních vlastností směsí i procesních parametrů. Pro jejich výpočet neexistuje spolehlivý model. Transportní charakteristiky jsou tudíž pro každou výplň ověřovány experimentálně za použití destilačních směsí a také odvozovány z experimentů za absorpčních podmínek. V současné době v naší laboratoři probíhá výzkum, který zohledňuje vliv gradientu povrchového napětí směsí na výsledné transportní charakteristiky. Tyto tzv. Marangoniho efekty vznikající nerovnoměrným transportem hmoty při destilaci a mohou ovlivnit velikost mezifázové plochy. Měřený systém ethanol-n-propanol je neutrálním systémem, tudíž se povrchové napětí směsi se složením podél kolony ideálně nemění, resp. stabilizační index je blízký nule. Cílem této práce je srovnání transportních charakteristik neutrálního systému s daty měřenými na negativním systému a také s daty naměřenými za absorpčních podmínek, kde k Marangoniho efektům nedochází.

Úspech liečiva nespočíva iba v ovplyvňovaní fyziologických procesov ale taktiež na jeho čo najväčšej absorpcii a cielenej distribúcii v ľudskom tele. Mnohé liečiva sa stretávajú s problémom nízkej rozpustnosti, čo vedie k nedostatočnej biologickej dostupnosti účinnej látky (API, z ang. Active Pharmaceutical Ingredient). Jednoduché a ekonomicky prijateľné riešenie umožňujú nanokryštály. Veľký pomer povrchu k objemu kryštálu robí tieto častice vysoko rozpustnými, a tak API môže dosahovať terapeutickú koncentráciu v krvnej plazme. Hoci sú štruktúry nanokryštálov jednoduché, ďalší vývoj týchto materiálov obmedzuje ich stabilita. Nanokryštály liečiv tak vyžadujú pridanie stabilizátorov, ktoré zabezpečujú elektrostatickú, prípadne stéricku stabilitu. Úloha stabilizátora vo finálnej formulácii nie je len stabilizácia veľkosti nanokryštalických častíc. Správny výber stabilizátora môže podstatne uľahčiť dezintegráciu liečiva.  Jednou z metód prípravy nanokryštálov je antisolventná precipitácia. Štúdia je unikátna v tom, že sa zaoberá jej prietokovým usporiadaním, ktoré oproti vsádkovému usporiadaniu ma výhodu v konštante udržiavanej rovnováhe, rýchlej implementácii zmien a vysokej produktivite. Boli skúmané parametre ovplyvňujúce výslednú morfológiu a veľkostnú distribúciu častíc.