Počkejte prosím chvíli...
Nepřihlášený uživatel
Nacházíte se: VŠCHT PrahaFCHI  → Studium na FCHI → Zájemci o studium → Zájemci o doktorské studium → Doktorské studium → Témata vypsaných disertačních prací
iduzel: 13278
idvazba: 15815
šablona: stranka
čas: 21.8.2017 19:39:56
verze: 3780
uzivatel:
remoteAPIs: https://cis-web-test.vscht.cz/redirect/
branch: trunk
Obnovit | RAW

Témata disertačních prací pro rok 2017/2018

Analytická chemie

Studijní program: Chemie (čtyřletá)

Analytická aplikace TeraHerz spektroskopie pro fixní kombinace léčiv

Urban Štěpán, prof. RNDr. CSc. ( urb...@vscht.cz)
Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Analýza interakcí API-API-excipient v tuhé fázi. Predikce disoluce a stability, profilu nečistot na základě teoretického (kvatově chemického) a experimentálního popisu nekovalentních interakcí, porovnání s ostatními spektroskopickými metodikami.

Analytická aplikace TeraHerz spektroskopie pro formulační vývoj léčiv

Urban Štěpán, prof. RNDr. CSc. ( urb...@vscht.cz)
Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Analýza interakcí API-excipient v tuhé fázi. Predikce disoluce a stability, profilu nečistot na základě teoretického a experimentálního popisu nekovalentních interakcí, porovnání s ostatními spektroskopickými metodikami.

Analýza faktorů určujících cílený transport léčiv do mozku a střev

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Cílem práce bude vypracovat metodiky pro orgánové, buněčné a vnitrobuněčné cílení s využitím nanotechnologie. Aplikace pro AD, nádory mozku a střev, Crohnova nemoc.

Analýza interakce epigenetických léčiv s cílovými biologickými strukturami

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Nová skupina epiegenetických léčiv bude analyzována pro interakci s methylovanými úseky DNA a interakci s enzymy pro MeDNA a acetylaci histonů.

Analýza moderních lékových forem: ODT a ODF. Predikce kinetiky disoluce a profilu nečistot

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Bude analyzována nekovalentní interkace API-polymerní excipient vhodný pro tvorbu ODT, ODF. Aplikace nanovláken obsahujících farmaceuticky účinné látky, kinetika disoluce, analýza parametrů určujících profil nečistot.

Analýza nekovaletních interakcí DNA s ligandy na bázi Shiffových bází a jejich metalokomplexů

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Kaplánek Robert, Ing. Ph.D. ( Rob...@vscht.cz)
Interakce farmak s DNA je jedním z mechanizmů účinku řady protinádorových léčiv. Tyto se mohou interkalovat (vmezeřit mezi báze), vázat do malého i velkého žlábku či dokonce se vázat kovalentně. Cílem práce bude studium interakcí vybraných modelových ligandů a metalokomplexů s DNA.

Elektrochemická detekce biologicky významných analytů: vývoj modifikovaných elektrodových povrchů

Šiškanova Taťjana, doc. Mgr. CSc. ( shi...@vscht.cz)
Broncová Gabriela, Ing. Ph.D. ( gab...@vscht.cz)
Předmětem této práce je cílená modifikace povrchů elektrod pro selektivní detekci vybraných analytů.

Evaluace faktorů pro epigenetické procesy u civilizačních chorob

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Cílem práce bude analýza dat vedoucí k určení základních faktorů ovlivňujících k jakým epigenetickým změnám dochází u vybraných civilizačních chorob, včetně obezity a metabolických vad. Studium vlivu prostředí pro zápis do epigenetické informace.

Identifikace neklasických tumorových markerů s použitím nových typů receptorů pro detekci a analýza signálních molekul nádorových buněk

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Havlík Martin, Ing. Ph.D. ( mar...@vscht.cz)
Cílem práce bude studium interakcí vybraných tumorových markerů a nádorově specifických signálních molekul (struktur odlišujících nádorové buňky od zdravých) s jejich potenciálními receptory.

Individuální identifikace osob na základě digitálně zakódované lidské pachové signatury

Urban Štěpán, prof. RNDr. CSc. ( urb...@vscht.cz)
Detailní analýza relativních poměrů koncentrací primárních molekul v lidském pachu bude použita k vytvoření jedinečného kódu tzv. lidské pachové signatury, která umožňuje jednoznačnou individuální identifikaci lidí obdobným způsobem jako otisk prstu. Tato digitální zakódovaná pachová signatura bude použitelná celosvětově pomocí internetu, umožní tvorbu digitálních databází a komparativní identifikaci pomocí počítače. Doktorská práce bude finančně podporována projektem bezpečnostního výzkumu a bude probíhat v mezinárodní spolupráci.

Modifikované fragmenty monoklonálních protilátek, jejich formulace a aplikace pro bioimaging a therapii

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Vybrané FAbs budou analyzovány jak pro specifickou interakci s životním cyklem nádorových buněk, tak pro fluorescenční deriváty pro možnost vývoje nových bioimaging metod.

Molekulárně spektroskopická analýza vzorků krevní plazmy

Setnička Vladimír, doc. Ing. Ph.D. ( set...@vscht.cz)
Cílem práce je zhodnotit potenciál metod chiroptické (elektronového cirkulárního dichroismu a Ramanovy optické aktivity) a vibrační (IR a Ramanova) spektroskopie vzorků krevní plazmy pro diagnostiku některých závažných onemocnění (například Alzheimerovy choroby, karcinomu slinivky břišní, karcinomu plic, tlustého střeva a diabetu). Budou hledány specifické odlišnosti ve spektrální odezvě vzorků pacientů a kontrolních jedinců, na jejichž základě by bylo možné výše uvedená onemocnění diagnostikovat. Součástí práce bude vývoj algoritmů pro zpracování spektrálních dat. Studie bude prováděna ve spolupráci s klinickými pracovišti (VFN Praha, FNKV Praha, ÚVN Praha).

Nové vysokokapacitní analytické metody pro epigenetické profilování: diagnostické aplikace elektrochemických sensorů

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Cílem práce bude vypracování metodiky pro analýzu epigenomu, specificky pro analýzu methylace CpG a acetylace histonů.

Nové vysokokapacitní analytické metody pro epigenetické profilování: diagnostické aplikace optických sensorů

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Cílem práce bude vypracování metodiky pro analýzu epigenomu, specificky pro analýzu methylace CpG.

Polymethiniové sole jako nové typy fluorescenčních prób pro intracelulární vizualizaci. Vývoj moderních biomiaging method

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Bříza Tomáš, Ing. Ph.D. ( Tom...@vscht.cz)
Cílem předkládané diplomové práce bude analyzovat stabilitu, jak chemickou tak fotochemickou pro nové polymethiniové sole jako potencionální jedno- a dvoufotonové fluorescenční proby pro intracelulární vizualizaci. Budou navrženy takové, které budou vykazovat selektivní intracelulární lokalizaci s ohledem na jednotlivé buněčné organely. Cílem bude bioimaging a to jak celulárních struktur, tak nádorově specifických enzymů.

Slabé interakce jako moderní prostředek a rozpoznávání kvality léčiv a jejich padělků

Urban Štěpán, prof. RNDr. CSc. ( urb...@vscht.cz)
Pokročilá metoda terahertzové spektroskopie, která umožňuje detekci vibračních modů, které příslušejí slabým inter- a intra-molekulovým interakcím (vodíkové, Van der Waalsovy, disperzní a jiné vazby), dovoluje rozpoznat rozdílné polymorfní stavy léků, které závisí na způsobu výroby, délce a teplotě skladování. Tímto způsobem lze rozpoznat stárnutí léků, odlišný způsob výrobního procesu (padělky) i za předpokladu, že chemické složení je identické.

Studium interakcí modifikovaných nanočástic kovů s biopolymery vybranými spektrometrickými technikami

Záruba Kamil, doc. Ing. Ph.D. ( zar...@vscht.cz)
Téma je zaměřeno na vývoj a testování nových typů spektrometrických senzorů pro selektivní rozpoznávání cílových míst ve struktuře sacharidů, příp. glykosylovaných proteinů. K tomu budou využity nově syntetizované látky vycházející ze struktury porfyrinů, polymethiniových solí příp. guanidinových a fenylboronových derivátů, jimiž budou modifikovány kovové nanočástice zlata a stříbra. Cílem je nalézt a testovat nástroj (optický senzor) pro diagnostiku abnormalit v primární a sekundární struktuře studovaných biopolymerů.

Studium molekulární struktury komplexů cholesterolu a vývoj molekulárního receptoru pro jeho detekci v živých buňkách

Dolenský Bohumil, doc. Ing. Ph.D. ( dol...@vscht.cz)
Molekulární komplexy cholesterolu se známými i nově připravenými receptory budou studovány pomocí nukleární magnetické rezonance. Získané informace o molekulární struktuře těchto komplexů budou využity k návrhu struktury receptoru vhodného pro detekci cholesterolu v živých buňkách. V rámci doktorské práce budou též provedeny běžné syntetické operace a studie na buňkách. Doktorská práce bude finančně podporována souvisejícím projektem GAČR.

Studium nových fotosensitizerů na bázi pyrrolových makrocyklů

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Havlík Martin, Ing. Ph.D. ( mar...@vscht.cz)
Včasná detekce nádorových buněk rozhoduje o životě a smrti organismů. Několik porfyrinových a chlorinových derivátů již našlo uplatnění při léčbě rakoviny pomocí fotodynamické terapie (PDT). Cílem diplomové práce bude studium nových typů fotosensitizérů na bázi derivátů porfyrinu, chlorinu a bakteriochlorinu.

Studium nových chelátorů kovů jako potencionálních cytostatik a antialzheimerik

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Havlík Martin, Ing. Ph.D. ( mar...@vscht.cz)
Cílem je studium nových protinádorových látek, které kombinují několik typů působení: cytostatický účinek (zahrnující chelataci biologicky významných iontů kovů či inhibici specifických enzymů), nebo interkalaci do DNA. Nové chelatorz budou také analyzovány pro intreakci s amyloidními plaky jako nová strategie pro therapeutickou intervenci AD.

Studium struktury a konformace psychoaktivních látek v roztocích

Setnička Vladimír, doc. Ing. Ph.D. ( set...@vscht.cz)
Bouř Petr, prof. RNDr. CSc. ( b...@uochb.cas.cz)
Práce bude zaměřena na vývoj metod strukturní a konformační analýzy psychoaktivních látek v roztocích metodami vibrační (infračervervená a Ramanova) a chiroptické (cirkulární dichroismus, Ramanova optická aktivita) spektroskopie. Analyzovány budou nejen čisté látky v podobě standardů, ale též vzorky reálně zachycené, zejména opiáty, heroin, kokain, stimulační látky atp. Součástí práce bude též podpora kvantově chemickými výpočty a simulacemi.

Studium struktury cukrů pomocí optické spektroskopie

Bouř Petr, prof. RNDr. CSc. ( b...@uochb.cas.cz)
Cukry mají nesmírný význam v biologii a potravinářském průmyslu. Pro studium jejich detailní struktury a interakcí ale příliš vhodných metod neexistuje, např. netvoří krystaly pro rentgenovou difrakci, a nemají chromofory vhodné pro viditelnou spektroskopii. Naopak, velmi vhodné se jeví pokročilé spektroskopické techniky. V průběhu práce prozkoumáme možnosti vibrační optické aktivity jak pro studium struktury vybraných polysacharidů, tak jejich interakcí, např. s kovy. Dalekým cílem je vyvinout metody na detekci cukrů a eventuelně jejich zobrazování v biologických materiálech.
Zásady: Seznamte se s tématem spektroskopie biomolekul, zejména vibračního cirkulárního dichroismu a Ramanovy optické aktivity, zjistete korelaci mezi spektry Ramanovy optické aktivity, cirkulární polarizované luminiscence a strkuturou a konformací modelových cukrů.

Ultrarychlá spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem pro analýzu anorganických nanočástic

Mestek Oto, prof. Ing. CSc. ( mes...@vscht.cz)
Kaňa Antonín, Ing. Ph.D. ( k...@vscht.cz)
Rozvoj instrumentace hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICP-MS) v posledních letech umožnil aplikaci této techniky na analýzu složení jednotlivých nanočástic metodou sigle particle ICP-MS. Studium bude zaměřeno zejména na dosud málo probádanou oblast ultrarychlého měření s frekvencí sběru dat nad 10 000 Hz a výzkum experimentálních parametrů ovlivňujících rozlišení jednotlivých nanočástic. Výsledkem bude zlepšení odhadů parametrů nanočástic (koncentrace a distribuce velikostí) a možnost analýzy menších nanočástic. V aplikační oblasti bude vypracována a validována metodika rozkladu vzorků rostlinných a živočišných tkání a potravinářských surovin pro analýzu nanočástic a ověřeny možnosti vyvinuté metodiky charakterizace nanočástic v pilotních studiích týkajících se léčebné kosmetiky a potravinářství.
Práce studenta bude finančně podporována z grantového projektu.

Určení pohlaví, lidské rasy a dalších druhových vlastností z chemické analýzy lidského pachu

Urban Štěpán, prof. RNDr. CSc. ( urb...@vscht.cz)
Na základě rozborů molekulového složení kožních pachů dobrovolníků budou hledány zákonitosti, které charakterizují pohlaví, základní lidské rasy (Indoevropané, černoši, Asiaté, Arabové atp.), přibližný věk, základní civilizační choroby a jiné atributy tak, aby mohly být určeny z neznámého pachového vzorku. Doktorská práce bude finančně podporována projektem bezpečnostního výzkumu a bude probíhat v mezinárodní spolupráci.

Vibrační a chiroptická spektroskopie jako pokročilý nástroj studia struktury a identifikace farmaceuticky významných látek

Setnička Vladimír, doc. Ing. Ph.D. ( set...@vscht.cz)
Bouř Petr, prof. RNDr. CSc. ( b...@uochb.cas.cz)
Práce bude zaměřena na vývoj metod strukturní analýzy farmaceuticky významných molekul a nových nástrojů pro odhalování padělků léčiv s využitím metod vibrační (infračervená a Ramanova) a chiroptické (cirkulární dichroismus, Ramanova optická aktivita) spektroskopie. Analyzovány budou nejen čisté látky, ale též reálné léčivé preparáty různých lékových forem. Budou sledovány specifické projevy přítomnosti chirálních nečistot a matric. Součástí práce bude vývoj a aplikace metod statistické analýzy spektrálních dat.

Vliv způsobu kouření elektronických cigaret na obsah aldehydů a (polo)acetalů ve vznikajícím aerosolu pomocí plynové chromatografie a hmotnostní spektrometrie (GC-MS)

Víden Ivan, doc. Ing. CSc. ( vid...@vscht.cz)
Obsah a množství látek vdechovaných během kouření elektronické cigarety závisí nejen na složení náplně, tzv. E-liquidu, ale rovněž na geometrickém uspořádání E-cigarety, teplotě atomizéru a způsobu vtahování vznikajícího aerosolu. V krajních případech může dojít např. ke stavu „dry hit“, anebo naopak při příliš rychlém vtahování ke špatnému odpaření některých komponent. Mezní situace budou studovány v laboratoři sestavenou aparaturou simulující automatického kuřáka. Vznikající kouř bude jímán pomocí SPME a analyzován na GC-MS přístrojích Shimadzu. Pozornost bude zaměřena zejména na obsah aldehydů a (polo)acetalů s jejich důsledky na lidské zdraví.

Vysoce rozlišená mikrovlnná spektroskopie molekul lidského pachu

Urban Štěpán, prof. RNDr. CSc. ( urb...@vscht.cz)
Vybrané molekuly lidského pachu budou studovány špičkovými technikami milimetrové, centimetrové a decimetrové spektroskopie s cílem získat podrobnou kvantově mechanickou informaci, která bude sloužit jak pro výpočet molekulové geometrie, tak jako prostředek pro monitorování a detekci těchto molekul. Tento výzkum bude mít grantovou podporu a bude probíhat v mezinárodní spolupráci.

Využití komplexních nanočástic se zlatými strukturami pro detekci a zobrazování povrchově zesílenou Ramanovou spektroskopií

Řezanka Pavel, doc. RNDr. Ing. Ph.D. ( pav...@vscht.cz)
Kaman Ondřej, Ing. Mgr. Ph.D. ( k...@fzu.cz)
Téma je zaměřené na vývoj zlatých nanostruktur a jejich kovalentní funkcionalizaci organickými látkami, které lze využít v povrchově zesílené Ramanově spektroskopii (SERS). V první fázi bude probíhat anorganická příprava zlatých nanostruktur různé geometrie a kompozitních částic se zlatými nanostrukturami na dielektrickém povrchu. Druhá fáze práce bude zaměřena na přípravu nových molekulárních receptorů a reporterových molekul, které se naváží na zlatý povrch pomocí thiolových skupin a poskytnou vhodný signál pro SERS. V poslední fázi budou studovány možnosti analytického využití připravených systémů a jejich účinnost v zobrazovacích metodách a to zejména v oblasti biomedicinálních aplikací.

Využití oligo-Trögerových bází pro detekci výbušnin

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Havlík Martin, Ing. Ph.D. ( mar...@vscht.cz)
Cílem je studium nových typů specifických receptorů na bázi oligo-Trögerových bází pro optickou detekci výbušnin založených na nitrovaných aromátech, např. TNT a detekce peroxidu s cílem vyvinout optický sensor, nebo kit pro snadnou a rychlou detekci.

Využití polymethiniových solí jako potencionálních cytostatik. Analýza interakce s biologickými cíly

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Bříza Tomáš, Ing. Ph.D. ( Tom...@vscht.cz)
Cílem předkládané práce bude analyzovat interakci PMS s cílovými biolockými strukturami, a otestovat řadu derivátů polymethiniových solí a pokusit se nalézt, jak struktura, lipofilita a nábojová hustota ovlivňuje cytotoxicitu a selektivitu vůči nádorovým buněčným liniím. Design bude dále rozvíjen směrem i cyklickým polymethiniovým solím a jejich příbuzným derivátům, bude studován rozdíl v toxicitě a selektivitě mezi cyklickou a otevřenou formou těchto solí.

Vývoj analytických metod pro studium uvolňování biologicky aktivních látek z termoresponzivních nanosystémů

Řezanka Pavel, doc. RNDr. Ing. Ph.D. ( pav...@vscht.cz)
Kaman Ondřej, Ing. Mgr. Ph.D. ( k...@fzu.cz)
Práce bude zahrnovat přípravu kompozitních nanočástic s termoresponzivními obaly a biologicky aktivními látkami, jejichž řízené uvolňování bude aktivováno fyzikálními podněty (střídavé magnetické pole, záření v NIR). Hlavním cílem práce však bude vývoj analytických postupů pro studium uvolňování těchto látek. Jako analytické metody budou využity UV-Vis spektroskopie, spektrofluorimetrie, HPLC a případně elektromigrační techniky. Uvolňování bude studováno ve vztahu ke způsobu zakotvení analytů v termoresponzivních vrstvách a s ohledem na fyzikální podněty aplikované pro jejich uvolnění.

Vývoj bioanalytickým metod pro detekci pro Alzheimerovy a Parkinsonovy nemoce

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Nové proby pro biologické cíle určující počáteční stadia AD a PD nemoci budou vyvinuty a testovány, a to jak spektroskopicky, APR a in vivo metodikami.

Vývoj činidel pro selektivní barvení buněčných organel a analýzu buněčného prostředí

Dolenský Bohumil, doc. Ing. Ph.D. ( dol...@vscht.cz)
Hubálek Kalbáčová Marie, doc. RNDr. Ph.D.
Rutinní organickou syntézou budou přepraveny a separovány barviva s potenciálem selektivní lokalizace v buněčných organelách. Jejich funkčnost bude ověřena experimenty na buňkách. Vyhodnocením vztahu mezi molekulární strukturou barviva a jeho funkcí v buňkách budou navrženy molekuly s lepší či jinou selektivitou. Doktorská práce bude podporována souvisejícími grantovými projekty a barviva unikátních vlastností budou patentována.

Vývoj elektrochemických metod pro forenzní analýzu psychoaktivních látek

Šiškanova Taťjana, doc. Mgr. CSc. ( shi...@vscht.cz)
Kuchař Martin, Ing. Ph.D. ( mar...@vscht.cz)
Cílem disertační práce bude nalezení vhodných postupů vedoucích k imobilizaci vybraných selektorů na površích elektrod. Takto modifikované povrchy budou využity pro detekci.

Vývoj kombinované therapie pro PDT spojené s cytostatickou léčbou

Král Vladimír, prof. RNDr. D.Sc. ( k...@vscht.cz)
Kombinovaná theraqpie představuje nový směr v farma vývoji. Cílem této práce bude analzyovat efektivitu/synergii kombinace PDT aplikace s moderními cytostatiky, především TK inhibitory.

Vývoj metod Ramanovy spektroskopie pro analýzu tkání

Setnička Vladimír, doc. Ing. Ph.D. ( set...@vscht.cz)
Synytsya Alla, Mgr. Ph.D. ( All...@vscht.cz)
Ramanova spektroskopie patří mezi účinné metody strukturní analýzy a stále častěji je studován její potenciál pro klinickou diagnostiku některých závažných onemocnění (nádorových či neurodegenerativních). Většina studií bývá prováděna mimo vlastní organizmus. Předmětem této disertační práce bude i vývoj a testování Ramanovy mikrosondy, která by umožnila in vivo analýzu klinických vzorků bez nutnosti jejich odběru. Sonda bude experimentálně testována v součinnosti s klinickými pracovišti, totéž platí pro tkáňové vzorky z biopsií. Součástí práce bude také vývoj algoritmů pro zpracování spektrálních dat s cílem nalézt spolehlivé spektrální markery pro diagnostiku některých závažných onemocnění, například karcinomu plic či karcinomu tlustého střeva.

Vývoj spektroskopické detekce vzniku nukleotidových derivátů ve struktuře nukleových kyselin

Záruba Kamil, doc. Ing. Ph.D. ( zar...@vscht.cz)
Práce se bude týkat vývoje metod fluorescenční analýzy pro rychlou a spolehlivou detekci chemických změn nukleotidů ve struktuře nukleových kyselin. Detekční metody budou zaměřeny na aplikace nově vyvinutých chemických fluorescenčních sond. Změny ve struktuře nukleových kyselin jsou zmiňovány v souvislosti s odlišnou expresí určitých genů, což v mnoha případech vede k rozvoji závažných onemocnění. Nově vyvinuté metody by proto představovaly účinný nástroj včasné diagnostiky onemocnění.

Aplikovaná matematika

Studijní program: Aplikovaná matematika

Dynamické chování reakčně-difúzních systémů

Janovská Drahoslava, prof. RNDr. CSc. ( jan...@vscht.cz)
Budeme se zabývat studiem dynamického chování reakčně-difúzních systémů, se kterými se obvykle setkáme při modelování chemických a biologických jevů.Omezíme-li se na prostorově homogenní systémy, jejich dynamika může být popsána soustavou obyčejných diferenciálních rovnic. Nejsou-li systémy prostorově homogenní, modelujeme je obvykle pomocí parabolických parciálních diferenciálních rovnic.
Reakčně-difúzní systémy vykazují velmi bohaté dynamické chování, např. vícenásobné stacionární stavy, oscilace, periodická a kvaziperiodická řešení. Součástí práce budou počítačové simulace uvedených jevů pro vybrané biologické a chemicko-inženýrské problémy.

Hybridní dynamické systémy

Janovská Drahoslava, prof. RNDr. CSc. ( jan...@vscht.cz)
Budeme studovat některé základní pojmy z oblasti hybridních systémů, tedy dynamických systémů, které modelují interakci spojitých a diskrétních dynamických systémů. Spojitá nebo diskrétní proměnná může záviset na nezávislých proměnných, jako je čas, který ovšem může být také spojitý nebo diskrétní.
Hybridní systémy mohou být využity k popisu skutečných jevů, které vykazují nespojité chování. Například, trajektorie poskakujícího míče je výsledkem střídání volného pádu a pružného kontaktu. Hybridní modely mohou být také využity k aproximaci složitých jevů prostřednictvím jednodušších modelů. Například nelineární dynamický systém lze aproximovat přepínáním mezi různými lineární modely.
Teorii budeme ilustrovat na konkrétních aplikacích, součástí práce budou i počítačové simulace výsledků.

Řešení reakčně difúzních rovnic transformačními metodami

Dubcová Miroslava, RNDr. Ph.D. ( dub...@vscht.cz)
Řěšení reakčně difůzních rovnic pomocí transformačních metod (Fourierova transformace, Laplaceova transformace). Student se seznámí s transformačními metodami pro řešení parciálních diferenciálních rovnic. Pomocí těchto metod vypočte některé reakčně difúzní rovnice. Seznámí se s numerickou metodou inverzní transformace. V případě, že nenalezne inverzní transformaci analyticky, použije k nalezení numerickou metodu.

Fyzikální chemie

Studijní program: Chemie (čtyřletá)

Ab initio modelování redoxních dějů v biomolekulách

Slavíček Petr, prof. RNDr. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Výpočetní fotodynamika zaznamenala v posledních letech nebývalý rozvoj, kdy je nyní možné simulovat ultrarychlé děje středně velkých molekul. Tato dizertační práce bude zaměřena na vývoj metod a ab initio modelování redoxních procesů v biomolekulách v realistických podmínkách. Více k nalezení na http://photox.vscht.cz/

Experimentální studium a modelový popis adsorpce organických látek na mobilních fázových rozhraních směsných rozpouštědel

Hovorka Štěpán, Ing. Ph.D. ( hov...@vscht.cz)
Předmětem práce je simultánní zpracování dostupných experimentálních dat (povrchové napětí, termochemické vlastnosti, rovnováhy kapalina-pára a kapalina-kapalina, molekulární spektra) s modelovými představami mobilního fázového rozhraní a kapalné i plynné objemové fáze. Cílem je navrhnout takový model mezifází kapalina-pára a kapalina/kapalina pro studované systémy, který bude konzistentní s experimentálními daty. Výzkum bude zaměřen na vodné i nevodné roztoky organických látek důležitých z biofyzikálního, environmentálního a průmyslového hlediska ve směsných rozpouštědlech.
Zásady: 1. Provedení literární rešerši zaměřenou na:
- popis vztahu mezi aktivitami složky v objemové a povrchové fázi roztoku
- experimentální techniky pro měření povrchového a mezifázového napětí kapalných roztoků
- povrchové napětí a aktivitní koeficienty v objemové fázi u nevodných a vodných roztoků se zvláštním zaměřením na směsná rozpouštědla (hlavně vodné roztoky aminokyselin a anorganických solí)
- rovnováhu kapalina-pára se zaměřením na systémy s kritickou rozpouštěcí teplotou v oboru teplot cca 0-100 oC
- korelační rovnice pro popis koncentrační závislosti povrchového napětí a aktivitních koeficientů v objemové fázi roztoku modely a stavové rovnice povrchové fáze - problematiku simultánních korelací
- modelování a simulaci mezifází kapalina-pára

2. Doměření chybějících experimentálních dat

3. Získání zkušeností s modelováním mobilních fázových rozhraní a silového působení mezi molekulami

4 Navržení vhodného modelu a odpovídající korelační rovnice pro vystižení koncentrační závislosti povrchového napětí u binárních roztoků a vzájemné korelace mezi vlastnostmi povrchové a objemové fáze u systémů kapalina-pára a kapalina-kapalina

5 Provedení simultánní korelace všech dostupných experimentálních a teoretických dat

6. Sepsání práce a připravení ústní presentace

Fázové rovnováhy v systémech obsahujících elektrolyty

Řehák Karel, doc. Ing. CSc. ( kar...@vscht.cz)
Práce zahrnuje teoretickou i experimentální činnost. Jedná se o vývin výpočetní metodiky určené pro odhad rozpustností ionizujících látek např. pro farmaceutické aplikace. Metody by měly být založené na moderních stavových rovnicích (např. ePC-SAFT) či modelech pro dodatkovou Gibbsovu energii.

Kombinovaná experimentální a výpočetní studie termodynamických vlastností vybraných modelových molekul při nízkých teplotách

Růžička Květoslav, prof. Ing. CSc. ( ruz...@vscht.cz)
Fulem Michal, doc. Ing. Ph.D. ( ful...@vscht.cz)
Tato práce je součástí projektu zaměřeného na prozkoumání současných možností ab initio výpočtů poskytovat spolehlivá termodynamická data pro molekulární krystaly a predikovat jejich fázové chování. Základním předpokladem pro vyhodnocení nejistot výpočetních ab initio postupů je existence databáze spolehlivých a termodynamicky konzistentních experimentálních dat včetně jejich nejistot. Z tohoto důvodu budou v rámci této práce provedeny rozsáhlé experimentální studie sublimačních rovnovah, doplněné kalorimetrickými měřeními jak fázového chování, tak také tepelných kapacit stanovení v širokém rozmezí teplot (od 2 K do teploty rozkladu). V teoretické části budou použity vybrané kvantově chemické metody k získání termodynamické vlastnosti (absolutní entropie, sublimačních entalpií a tlaků, tepelných kapacit atd.) v závislosti na teplotě.
Zásady: 1) detailní seznámení s experimentálním zařízením (relaxační, skenovací a Tian-Calvetova kalorimetrie, statická apratura pro měření tlaku nasycených par).
2) zvládnutí potřebných ab-initio výpočtů pro krystal a ideální plyn
3) naměření experimentálních údajů pro skupiny vybraných aminokyslein a jejich derivátů
4) porovnání naměřených a vypočtených hodnot, eliminace těch výpočetních metod, které poskytují nepřesné výsledky
5) sepsání disertační práce

Membránové separace směsí obtížně dělenitelných klasickými metodami

Vopička Ondřej, doc. Ing. Ph.D. ( vop...@vscht.cz)
Předmětem doktorské práce je experimentální studium membránových metod dělení klasickými metodami obtížně dělitelných směsí látek. Součástí práce je měření pervaporace, parní permeace, vývoj nových metod a postupů. Řešitel práce (doktorand) by měl získat originální data o separaci směsí, které jsou obtížně dělitelné klasickými metodami, zejména směsí eutektických a azeotropických.
Zásady: 1) Literární rešerše. 2) Zvládnutí práce s aparaturami. 3) Zpracovaní experimentálních dat, modelování. 4) Prezentace výsledků, sepsání doktorské práce a její obhajoba.

Modelování kvantových efektů jader ve spektroskopii

Slavíček Petr, prof. RNDr. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Práce bude zaměřena na vývoj metod pro modelování různých spektrálních charakteristik molekulárních systémů se zahrnutím kvantových efektů atomových jader. Tyto efekty budou také vyšetřovány z pohledu vlivu na strukturu molekul a na termodynamické vlastnosti (kvantová termodynamika). Více informaci viz http://photox.vscht.cz.

Modelování permeace a sorpce plynů v grafenoxidových membránách / Modelling of gas permeation and sorption in graphene oxide membranes

Friess Karel, doc. Ing. Ph.D. ( fri...@vscht.cz)
Mareš Jan, doc. Ing. Ph.D. ( mar...@vscht.cz)
Membránové separační procesy patří k moderním technologicky významným separačním metodám, které jsou v porovnání s klasickými separačními metodami ekonomičtější i ekologičtější. V posledních letech nacházejí uplatnění v chemickém, petrochemickém, farmaceutickém nebo potravinářském průmyslu. Technologicky se membrány, převážně polymerní, používají např. pro získání helia ze zemního plynu, oddělení vodíku od uhlovodíků, oxidu uhelnatého nebo dusíku a rovněž i pro odstranění oxidu uhličitého z bioplynu nebo par organických látek ze vzduchu. Grafenoxidové materiály náleží do moderní a dynamicky rostoucí skupiny materiálů a mají mnoho zajímavých vlastností využitelných pro membránové separaceplynů, např. vodíku od oxidu uhličitého. V naší laboratoři se tématice membránových separací věnujeme déle než 15 let a v současné době se podílíme na řešení grantů GA ČR a MŠMT, zaměřených na zvýšení efektivity membránových separačních procesů, přičemž vlastní doktorská disertační práce bude tematicky souviset s těmito projekty. Dizertační práce bude zaměřena na modelování transportu plynů a i jejich směsí v GO membránách.
Zásady: 1) Literature search 2) Modelling of permation and sorption experiments of H2, CO2 and others selected gases (O2, N2, CH4, H2, He, Ar, SF6) in graphene oxide membranes 3) Evaluation and elaboration of determined experimental data and calculation of transport parameters (coefficients of permeability, diffusion and sorption) 4) PhD thesis writing

Modelování ultrarychlých dějů v radiační chemii

Slavíček Petr, prof. RNDr. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Díky enormnímu experimentálnímu rozvoji se stalo v současné době možným studovat fotoemisi z vody a vodných roztoků. Taková měření vedla k objevu nových, dopsud neznámých fenomenů jako je mezimolekulární coulombovský rozpad (ICD). Pozorované jevy mají potenciál stát se základem nových spektroskopií či mohou vést k aplikacím kupříkladu v radioonkoligii. Navrhované práce bude yaměřena na hledání zajímavých dějů v této oblasti pomocí metod kvantové teorie molekul a molekulových simulací. Více k nalezení na http://photox.vscht.cz/

Molekulární astrochemie: Modelování fotochemických dějů probíhajících na mezifázích

Slavíček Petr, prof. RNDr. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Na Zemi i ve vesmírném prostoru probíhá řada důležitých chemických a fotochemických dějů na povrchu ledových či prachových částic. Tato dizertační práce je zaměřena na modelování vlivu adsorpce na povrchu ledu či na povrchu minerálních částic na účinné průřezy molekul. Současné studie v oblasti chemie atmosféry naznačují, že efekt může být značný. Dále je projekt zaměřen na studium role povrchu pro fotodynamické děje, neboť se ukazuje, že povrch pevné látky může hrát významnou roli pro fotostabilitu komplexních organických molekul. Více k nalezení na http://photox.vscht.cz/

Molekulární design pomocí metod teoretické chemie

Slavíček Petr, prof. RNDr. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Cílem práce je s pomocí vyspělých metod kvantové chemie a molekulové dynamiky porozumět dějům vyvolaným světlem v organických molekulách a biomolekulách. V dalším kroku budou tyto metody použity k systematickému vyhledávání molekulových systému o žádoucích vlastnostech, například absorpčních či fluorescenčních. Kromě metod teoretické chemie se tak uchazeč seznámí i s oblasti molekulárního designu a kombinatoriální chemie. Více k nalezení na http://photox.vscht.cz/

Molekulární simulace atmosférických aerosolů

Slavíček Petr, prof. RNDr. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Atmosféra země představuje unikátní chemický reaktor, ve kterém mimořádnou roli hrají jak fotochemické reakce, tak reakce heterogenní. Obsahem navrhované dizertační práce je teoretické modelování chemických a zejména fotochemických procesů ve stratosféře a v troposféře s použitím celého arzenálu teoretických metod. Více k nalezení na http://photox.vscht.cz/

Permeace a sorpce plynů v grafenoxidových membránách / Gas permeation and sorption in graphene oxide membranes

Friess Karel, doc. Ing. Ph.D. ( fri...@vscht.cz)
Sofer Zdeněk, doc. Ing. Ph.D. ( Zde...@vscht.cz)
Membránové separační procesy patří k moderním technologicky významným separačním metodám, které jsou v porovnání s klasickými separačními metodami ekonomičtější i ekologičtější. V posledních letech nacházejí uplatnění v chemickém, petrochemickém, farmaceutickém nebo potravinářském průmyslu. Technologicky se membrány, převážně polymerní, používají např. pro získání helia ze zemního plynu, oddělení vodíku od uhlovodíků, oxidu uhelnatého nebo dusíku a rovněž i pro odstranění oxidu uhličitého z bioplynu nebo par organických látek ze vzduchu. Grafenoxidové materiály náleží do moderní a dynamicky rostoucí skupiny materiálů a mají mnoho zajímavých vlastností využitelných pro membránové separaceplynů, např. vodíku od oxidu uhličitého. V naší laboratoři se tématice membránových separací věnujeme déle než 15 let a v současné době se podílíme na řešení grantů GA ČR a MŠMT, zaměřených na zvýšení efektivity membránových separačních procesů, přičemž vlastní doktorská disertační práce bude tematicky souviset s těmito projekty. Dizertační práce bude zaměřena na studium teoretických i experimentálních aspektů transportu plynů a i jejich směsí v polymerních i jiných membránách.
Zásady: 1) Literature search 2) Performing of permation and sorption experiments of H2, CO2 and others selected gases (O2, N2, CH4, H2, He, Ar, SF6) in graphene oxide membranes 3) Evaluation and elaboration of determined experimental data and calculation of transport parameters (coefficients of permeability, diffusion and sorption) 4) PhD thesis writing

Struktura a reakce solvatovaného elektronu

Slavíček Petr, prof. RNDr. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Solvatovaný elektron představuje zajímavou částici v redoxní chemii. Hydratovaný elektron, tj. solvatovaný elektron ve vodě, je částice žijící velmi krátkou dobu (v řádu pikosekund). Přesto se však ukazuje, že solvatovaný a presolvatovaný elektronmůže hrát značnou roli v chemii atmosféry či v biologických procesech. Předměteme navrhované dizertační práce je studium interakce vysokoenergetických částic s vodou, výkum vzniku a reaktivity solvatovaného elektronu. Více k nalezení na http://photox.vscht.cz/

Studium pylových zrn s využitím povrchem a hrotem zesílených vibračně spektroskopických technik

Matějka Pavel, prof. Dr. RNDr. ( mat...@vscht.cz)
Pylová zrna jsou tvořena třemi vrstvami. Vnější z nich, exina, zodpovědná za ochranu vnitřku pylového zrna před vyschnutím, extrémními teplotami a chemickými vlivy, je tvořena převážně polymerem sporopoleninem. Tento biopolymer obsahuje molekuly mastných kyselin, karotenoidů a fenolických látek, jeho přesné složení však není dosud známé.
Struktura i chemické složení povrchu exiny, které mají vliv na uchycení zrn na blizně a na opylovači, jsou charakteristické pro každý rostlinný druh. Díky odolnosti exiny vůči působení mnohe kyselin, zásad a organických rozpouštědel může být vnitřní část zrna chemicky odstraněna při zachování struktury exiny, která může být poté využita jako nosič pro cílenou dopravu léčiv. Detailní znalost topografie a chemického složení povrchu exiny je nezbytná pro určení možností interakce exiny s aktivními složkami léčiv a povrchy tkání.
Povrchem zesílené spektroskopické techniky, jmenovitě spektroskopie povrchem zesíleného Ramanova rozptylu (SERS) a povrchem zesílená infračervená absorpce (SEIRA), jsou pro analýzu povrchu pylových zrn velmi vhodné pro svou neinvazivitu a možnosti detekovat mnohé látky až na úrovni monovrstvy.
Hrotem zesílené mikrospektroskopické techniky, odvozené od mikroskopie atomárních sil (AFM), jsou unikátní svým vysokým laterálním rozlišením a možností poskytnout topografické, mechanické a chemické informace o povrchu vzorku během jednoho skenování, a jsou tedy mimořádně vhodné pro charakterizaci mikro- a nanostruktur na površích a řezech biologických vzorků.
Dizertační práce bude zaměřena na studium topografie a chemického složení povrchu exiny pylových zrn různých rostlinných druhů s využitím povrchem a hrotem zesílených spektroskopických technik, analýza extraktů z pylových zrn pomocí povrchem zesílených vibračně spektroskopických technik a modifikace povrchu pylových zrn kovovými nanočásticemi.
Zásady: 1. Vypracujte rešerši na téma „Využití povrchem a hrotem zesílených vibračně spektroskopických technik pro analýzu rostlinného materiálu“
2. Vypracujte metody analýzy významných složek pylových zrn s využitím povrchem zesílených vibračně spektroskopických technik
3. Vypracujte metodu pro analýzu povrchu pylových zrn s využitím hrotem zesílených mikrospektroskopických technik
4. Vypracujte metodu pro modifikaci povrchu pylových zrn pomocí kovových nanočástic a charakterizujte povrch takto modifikovaných zrn pomocí povrchem a hrotem zesílených vibračně spektroskopických technik

Teoretická a experimentální studie termodynamických vlastností a fázového chování molekulárních krystalů

Fulem Michal, doc. Ing. Ph.D. ( ful...@vscht.cz)
Červinka Ctirad, Ing. ( cti...@seznam.cz)
Projekt bude zkoumat současné možnosti ab initio predikce termodynamických vlastností a fázových diagram molekulárních krystalů. V teoretické části budou aplikovány kvantově chemické výpočty ve spojení s kvaziharmonickou aproximací pro postih teplotní roztažnosti krystalové mřížky s cílem získat teplotně závislé termodynamické veličiny (sublimační entalpie a tlak, tepelné kapacity atd.) modelových látek pro biochemii obsahujících variaci molekulárních motivů a vykazujících pestrou škálu mezimolekulárních interakcí. Tyto látky tak představují velmi obecný soubor pro testování výpočetních metodologií. V experimentální části budou prováděna rozsáhlá měření referenčních termodynamických dat (sublimačního tlaku a entalpie, tepelných kapacit kondenzovaných fází a fázového chování) v širokém rozsahu teplot (od 2 K do teploty rozkladu), která budou společně s analýzou nejistot jednotlivých výpočetních kroků sloužit k celkové evaluaci nejistot ab initio predikcí. Nová měření zároveň podstatně rozšíří databázi dostupných termodynamických dat pro tyto významné látky.

Termodynamická charakterizace ekologicky šetrných rozpouštědel a kapalných médií

Řehák Karel, doc. Ing. CSc. ( kar...@vscht.cz)
Jednou z možností, jak přispívat k ochraně našeho zdraví a životního prostředí, je postupné zavádění do praxe nově vyvíjená ekologičtější rozpouštědla, kapalná média či suroviny. Příkladem mohou být látky jako je cykopetylmethylether, methyltetrahydrofuran, gamma-valerolakton, hydrofluorethery, některé iontové kapaliny či eutektické směsi přírodních látek. Pro kvalifikované rozhodnutí, zda je možno v nějakém technologickém procesu zaměnit klasické rozpouštědlo za nové, je potřeba mnoho informací, které zahrnují chemické, termodynamické, ekonomické a další aspekty. Hlavním tématem práce je oblast termodynamických informací nových kapalných materiálů, a to jak v čistém stavu, tak ve vícesložkových směsích. Práce zahrnuje experimentální činnost týkající se získání dat pro vytipovanou skupinu látek a směsí. Předpokládá se, že budou měřeny především fázové rovnováhy různých typů, kalorimetrická data, volumetrické a transportní vlastnosti. Následovat bude výpočetní zpracování experimentálních dat, které vyústí v komplexnější termodynamický popisu studovaných systémů. Součástí práce by měla být i další teoretická činnost směřující k prozkoumání (případně zkvalitnění) možností predikce termodynamického chování daných látek za jiných podmínek či v jiných směsích.
Zásady: 1. Vypracování literární rešerše týkající se vybraných ekologických rozpouštědel a jejich termodynamických dat. 2. Vytipování vhodných systémů, které budou experimentálně zkoumány. 3. Systematické měření vybraných fázových rovnováh a dalších fyzikálně chemických dat. 4. Zpracování experimentálních dat vhodnými modely. 5. Výzkum možností jak realizovat kvalifikované predikce chování daného rozpouštědla s dalšími látkami.

Termodynamická studie směsných médií obsahujících iontové kapaliny

Dohnal Vladimír, doc. Ing. CSc. ( doh...@vscht.cz)
Vrbka Pavel, Dr. Ing. ( vrb...@vscht.cz)
Navrhovaný projekt se bude zbývat experimentální charakterizací a modelováním termodynamického chování a termofyzikálních vlastností směsných médií obsahujících iontové kapaliny, jež jsou relevantní pro nejrůznější technologické inovace jako rozpouštědla, separační činidla, katalyzátory, termální tekutiny a elektrolyty. Budou studovány vybrané binární a ternární systémy zahrnující iontové kapaliny a kyslíkatá rozpouštědla. Zkoumány budou systematicky jejich fázové rovnováhy, termální a volumetrické vlastnosti, jakožto i transportní vlastnosti (viskozita, elektrická vodivost). K tomuto účelu bude použito efektivních specializovaných experimentálních technik minimalizujících spotřebu vzorku a kombinujících přístroje do průtočných tandemových uspořádání. Jelikož získání přesných a spolehlivých experimentálních dat je zásadní, bude cíleně zkoumán i vliv nečistot v iontových kapalinách. V oblasti modelování bude cílem simultánní popis koncentrační a teplotní závislosti dovolující rozumné extrapolace.

Výpočetní elektrochemie: Vývoj metod a aplikace

Slavíček Petr, prof. RNDr. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Práce je zaměřena na vývoj nových přístupů pro popis dějů s přenosem náboje. Budou zkoumány děje, při kterých je náboj přenášen mezi mezi molekulami stejně jako mezi elektrodou a molekulou. Budou přitom využity moderní přístupy ab initio molekulové dynamiky. Více k nalezení na http://photox.vscht.cz/

Ab initio molekulová dynamika s neadiabatickými a spin-orbitálními efekty a její chemické aplikace

Pittner Jiří, Mgr. Dr.rer.nat.
Cílem tohoto projektu je vývoj a implementace obecně aplikovatelných výpočetních metod molekulové dynamiky se spin-orbitálním a neadibatickým spřažením.
Ústav fyzikální chemie J.H. AV ČR, v.v.i.

Elektrochemické a vodivostní vlastnosti organických molekul pro molekulární elektroniku

Hromadová Magdaléna, Mgr. Ph.D. ( hro...@jh-inst.cas.cz)
Téma navrhuje studium mechanismu přenosu elektronu v molekulách významných pro molekulární elektroniku. Budou využity unikátní metody měření vodivosti jednotlivých molekul v systémech elektroda-molekula-elektroda pomocí metod mechanicky kontrolovaného přerušení můstkového spojení a pomocí přerušení spojení metodou rastrovací tunelovací mikroskopie. Nedílnou součástí řešení bude studium mechanismu přenosu náboje mezi elektrodou a molekulou a studium adsorpčních vlastností vybraných molekul. Problematika mechanismu a kinetiky přenosu elektronu bude řešena pomocí DC a AC elektrochemických metod, vysokorychlostní voltametrie, impedančních měření a in-situ spektroelektrochemie (UV-Vis-NIR a FTIR). Elektrochemické metody budou doplněny některými fyzikálně-chemickými metodami dostupnými v našem ústavu nebo u výzkumných partnerů (zejména EPR a elipsometrie).
Ústav fyzikální chemie J.H. AV ČR, v.v.i.

Vliv vlastností plasmatické membrány na interakci s ionty a cílení proteinů a peptidů

Jungwirth Pavel, prof. Mgr. CSc., DSc. ( pav...@uochb.cas.cz)
Lipidové dvojvrstvy slouží jako modely pro studium chování a vlastnosti buněčných membrán. Cílem tohoto projektu je využít simulací molekulární dynamiky lipidové dvojvrstvy spolu s experimentálně získanými hodnotami parametrů uspořádání a rychlostí laterální difuze lipidů k objasnění vztahů mezi zakřivením dvojvrstvy, vazbou biologicky relevantních iontů a mechanismy cílené lokalizace buněčných proteinů v místech s různými vlastnostmi plasmatické membrány. Tento přístup umožní i zhodnocení vlivu vlastností membrány na stabilitu a vazbu enzym-substrát pro enzymy navázané na membránu.
Ústav fyzikální chemie J.H. AV ČR, v.v.i.

Vývoj nových kvantově chemických metod pro silně korelované molekulové systémy

Pittner Jiří, Mgr. Dr.rer.nat.
Ústav fyzikální chemie J.H. AV ČR, v.v.i.

Chemické inženýrství

Studijní program: Chemické a procesní inženýrství (čtyřleté)

Aplikace metod analýzy složitých chemických reakčních sítí na biorytmy v  signálních a metabolických procesech

Schreiber Igor, prof. Ing. CSc. ( sch...@vscht.cz)
V chemických a zejména biologických systémech může probíhat velký počet souběžných reakcí tvořících komplexní mechanismus, popř. systém mechanismů propojených společným meziproduktem. Pro takový systém je charakteristická přítomnost kladných a záporných zpětných vazeb a nelineární interakce. Dynamika takového systému, pokud je otevřený, vykazuje v důsledku složité vnitřní struktury typické nelineární rysy, jako je excitabilita, oscilace, bistabilita a náhlé přepínání mezi rychlým a pomalým během reakce. Organismy využívají tyto rysy k uskutečňování biologických funkcí, jako např. signalizace, přenos informace, časování a synchronizace-Předmětem doktorského studia bude aplikace existujícího programového vybavení pro analýzu reakčních sítí na analýzu stability biorytmů. Tato metodika bude aplikována na vybrané charakteristické biosystémy mezi které náleží fosforylační a defosforylační kaskády (uplatňují se při signalizaci v mnoha typech buněk i soustav buněk) , Krebsův cyklus, glykolýza, oxidační fosforylace aj. Na tyto systémy je primárně nahlíženo jako na míchaný reaktor otevřený pro reaktanty a produkty, v obecnějším případě budou uvažovány transportní jevy jako je difuze přes volné mezibuněčné spoje.Další informace: tel. 22044 3167, budova B, 1.patro, č.dv. 143, e-mail Igor.Schreiber@vscht.cz.

Aplikace 3D buněčných sferoidů při vývoji nosičů léčiv

Štěpánek František, prof. Ing. Ph.D. ( Fra...@vscht.cz)
Buněčné kultury jsou vhodným substrátem pro testování léčiv, avšak je známo, že buněčná kultura v suspenzi (1D) nebo na povrchu (2D) se chová jinak než skutečná tkáň v živém organismu. Jako vhodná alternativa se jeví tzv. 3D kultury, které věrněji reprodukují jak fyziologický stav buněk, tak odezvu na podané léčivo - např. s ohledem na difusní limitace, přítomnost extracelulární matrix, atd. Cílem tohoto projektu je kultivovat 3D buněčné sferoidy a využít je k testování účinnosti léčiv, zejména v případě léčiv doručovaných z "nano" formy (koloidní nosiče, chemické roboty, metastabilní pevnofázové formy).

Cahn-Hilliardovy modely utváření morfologie materiálů

Kosek Juraj, prof. Dr. Ing. ( Jur...@vscht.cz)
Pavelka Michal, Mgr. Ph.D. ( Mic...@email.cz)
Vývoj nových materiálů pro aplikace v katalýze, ve stavebnictví, v automobilovém průmyslu a v lokálních zdrojích energie je aktuálním směrem výzkumu jak v zahraničí tak v České republice. Tento vývoj je zpravidla empirický. Cílem tohoto projektu je třídění poznatků o utváření struktury materiálů, formulace relevantních fyzikálně-chemických a matematických modelů a jejich řešení s cílem získání obecných poznatků.
Jednou z obecných metodik simulace utváření morfologie jsou Cahn-Hilliardovy modely aplikovatelné především pro popis utváření morfologie spinodální dekompozicí. Pro skutečně praktické a obecnější využití těchto modelů při vývoji/inovaci materiálů je nutno tyto modely validovat a rozšířit mnoha směry: (i) propojení s CFD simulacemi a stavovým chováním kapalné fáze, (ii) pokročilý popis termodynamiky, (iii) uvažování molekulární architektury (vzniklého) polymeru, (iv) modely transportních koeficientů závislých na lokální koncentraci, teplotě a viskozitě, (v) pokročilý popis fázových rozhraní, (vi) uvažování obecného transportu zahrnující Maxwell-Stefanovu difúzi, a (vii) zobecnění pro konzistentní popis problémů s nukleací.
Pokročilé Cahn-Hilliardovy modely budou aplikovány na řadu problémů: (i) optimalizace morfologie nano-/mikro-celulárních polymerů s cílem zlepšení aplikačních vlastností, (ii) nukleace a koalescence bublin při přípravě polymerních pěn, (iii) utváření morfologie částic v emulzní kopolymeraci, (iv) utváření salámové morfologie houževnatého polystyrenu během kontinuální výroby.
Doktorand/ka se nejen zdokonalí v modelování a vizualizaci složitých prostorově 2D a 3D problémů, ale také pronikne hluboko do fyzikálně-chemické podstaty procesů. Bude přitom navazovat na programy vyvinuté dříve na našem pracovišti. Práce bude podporována evropským projektem H2020, granty a průmyslovými spolupracemi. Součástí doktorského studia bude také studijní pobyt v zahraničí.

Info: tel. 220 44 3296, č.dv. B-145, e-mailjkk@vscht.cz, webhttp://kosekgroup.cz

CFD simulace hoření těkavých kapalin

Jahoda Milan, doc. Dr. Ing. ( jah...@vscht.cz)
Nebezpečnost hořlavých kapalin spočívá v jejich snadné dostupnosti jak ve formě pohonných látek (benzín, nafta, kapalné lehké uhlovodíky), tak ve formě kapalných organických čisticích prostředků, ředidel nebo rozpouštědel. Právě hořlavé kapaliny jsou častým iniciačním prostředkem požárů. Podílejí se na lokálních požárech menších rozměrů v domácnostech, laboratořích či dopravních prostředků, ale také na velkorozměrových požárech v průmyslu. Hlavním cílem práce je začlenění modelu pro odpařování těkavé kapaliny do řešiče OpenFOAM pro odhad rychlosti úbytku hořlavé kapaliny v zásobníku během požáru.

Cyklická dynamika v enzymových reakcích a při metabolické aktivitě fotosyntetizujících jednobuněčných organismů

Schreiber Igor, prof. Ing. CSc. ( sch...@vscht.cz)
Schreiberová Lenka, Ing. CSc. ( sch...@vscht.cz)
The enzymes are at the core of metabolic activity of every living cell. The focus of the work is on understanding mechanism and kinetics of enzymes and their cascades that lead to oscillatory variations of substrates, intermediates and products. On the basis of experimental measurements carried out in the lab as well as taken from literature a set of motifs – core mechanistic features supporting oscillatory dynamics in various enzyme reactions will be sought and analyzed. These motifs will then be then used as means of examining a particular rhythmic phenomenon called an ultradian rhythm observed in a cyanobacterium Cyanothece when exposed to a source of constant source of light in a photobioreactor. This recently observed type of metabolic rhythm is related but different from well known circadian clocks, which are autonomous pacemakers built either in a unicellular cell or – more generally – in multicellular organisms. In the case of Cyanothece, the relation between ultradian and circadian rhythms is a novel and largely unexplored topic. The approach to its description intended within this work is to rely on reaction network analysis, which allows for systematic identification of a complex reaction pathway by decomposing it into a set of elementary subnetworks and examining stability (or rather instability such as oscillation) of the whole network via stability analysis of each elementary subnetwork and combinations thereof. This work is done partly in cooperation with the Laboratory of Adaptation Biotechnologies, Academy of Sciences in Drásov and is supported by a grant from Czech Science Foundation 15-17367S.

Design nových biotechnologických změkčovadel

Hassouna Fatima, Mgr. Ph.D.
Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
Novel families of biobased plasticizers will be designed. They will be incorporated into polymeric matrix by (reactive) extrusion. The combination of the plasticizing effect of the bio-based plasticizers and the reinforcing effect of some biobased nanofillers such as nanocellulose can lead to excellent balance of properties. Compatibilization of the ternary systems will considerably improve the dispersion of the cellulose nanofillers and their affinity for the polymeric matrix and the plasticizer to capitalize the benefits of their large surface area, leading to a significant improvement of the targeted properties (mostly thermal and mechanical). Morphology, rheology, thermal and mechanical properties of the final materials will be evaluated.

DPD modelování difúzních, rheologických, mezifázových a relaxačních vlastností polymerů

Kosek Juraj, prof. Dr. Ing. ( Jur...@vscht.cz)
Disipativní částicová dynamika (DPD) je stochastickou technikou modelování pro simulaci jednoduchých i složitých tekutin. Tato technika je využívána v hydrodynamice pro analýzu problémů s časovým a/nebo prostorovým měřítkem přesahujícím možnosti molekulární dynamiky. DPD je nemřížkovou meso-skopickou simulační technikou uvažující částice pohybující se v kontinuálním prostoru. Částice zde reprezentují celé molekuly, segmenty molekul nebo malé elementy tekutin, tedy nikoliv jednotlivé atomy. DPD umožňuje simulovat polymerní tekutiny s objemy až 100 nm v jednom směru po dobu až milisekundy.

Na začátku toho PhD projektu se student ocitne na křižovatce s mnoha náročnými a zajímavými problémy z oblasti chemického inženýrství a polymeračního reaktorového inženýrství. Příklady výzev, které na studenta čekají, jsou následující:
· Difúzní tok transportující monomer(y) ke katalytickým centrům je omezen konečnou rychlostí molekulárního pohybu a nikoliv konstitutivními rovnicemi analogickými Fickově zákonu. Pokud bude tato hypotéza potvrzena, tak poskytne klíčové vysvětlení kinetických dat získaných během několika desetiletí. A standardní učebnice chemického inženýrství budou přepsány.
· Reologie koncentrovaných roztoků polymerů (např. polymer nabobtnalý monomery) je otevřeným problémem a je důležitá např. pro suspenzní polymeraci a v přípravě polyurethanových pěn.
· Difúze segmentů polymeru a mezifázové jevy jsou klíčem k pochopení fázové separace v jednotlivých nanočásticích latexu v emulzní kopolymeraci produkující produkty s vysokou přidanou hodnotou.
· Systematické pochopení difúze penetrantů v polyolefinech zahrnující teplotní závislost a souhru mezi difúzí a relaxační dynamikou je dalším problémem se zásobou experimentálních dat, ale zatím s nedostatečným porozuměním.

Doktorand(ka) se seznámí nejen s polymeračním reaktorovým a materiálovým inženýrstvím, polymerní fyzikou, fyzikální chemií, hydrodynamikou a koloidní chemií, ale bude také rozvíjet svoje schopnosti v oblasti matematického modelování. Projekt bude probíhat nejen v rámci výzkumné laboratoře, ale bude zahrnovat partnery z Evropských firem a univerzit. Projekt bude (snad) podporován grantovými projekty a smluvním výzkumem.

Info: telefon +420 220 44 3296, místnost B-145, e-mail jkk@vscht.cz, web http://kosekgroup.cz

elaxační a transportní procesy v polymerech

Kosek Juraj, prof. Dr. Ing. ( Jur...@vscht.cz)
Relaxační procesy v polymerních systémech jsou klíčem k pochopení řady dějů či vlastností, například difúze, lepivosti, viskozity či visko-elasticity. Pojem relaxace je nazírán z řady úhlů. Jde například o rychlost pohybu segmentů polymerních řetězců na molekulárním měřítku, dynamiku utlumení napětí či deformace ve visko-elastických systémech, rychlost proplétání segmentů polymerních řetězců při adhezi (např. samolepek) či dynamiku utváření difúzních kanálů pro transport malých molekul.
Hlubší pochopení relaxačních procesů umožní vysvětlit řadu experimentů provedených v minulosti v naší laboratoři, např.: (i) difúzní koeficient malých molekul v polymerech závisí jak na koncentraci tak na koncentračním gradientu, (ii) difúzní hystereze, a (iii) teplotní závislost difuzivity. Metodicky bude projekt využívat různé experimentální metody a odpovídající teoretické přístupy: (i) time-domain NMR, (ii) silová spektroskopie AFM, a (iii) měření difúzních procesů v polymerech. Doktorand(ka) také podle zadané dokumentace postaví nové zařízení pro charakterizaci adhesivních vlastností polymerů v reaktorech.
Alternativně lze z termodynamického pohledu uvažovat gradient chemického potenciálu jako hybnou silu transportu. Pro tento termodynamický přístup ale zatím chybí systematické srovnání s experimenty. Stavové rovnice vystihují spíše energii interakcí různých molekul či polymerních segmentů, nikoliv však dynamiku relaxace, která může být pro difúzní procesy určujícím dějem. Srovnání, případná kombinace termodynamického a relaxačního přístupu tak bude zásadním výsledkem této disertace.
Tento multi-disciplinární projekt bude kombinovat teorie a metodiky z oblastí polymerní termodynamiky a fyziky a koloidní chemie. Doktorand(ka) ale bude navazovat na předchozí experimenty a testování různých teorií v naší laboratoři. Pro řešení tohoto projektu bude mít k dispozici jak zázemí kolegů doktorandů, tak i přístroje včetně AFM, konfokálního Ramanova mikroskopu, TD-NMR, sorpčních vah a dalších zařízení. Současně se bude podílet na řešení českých i evropských grantů a průmyslových spoluprací.
Info: tel. 220 44 3296, č.dv. B-145, e-mailjkk@vscht.cz, web http://kosekgroup.cz

Experimentální studie reakčních mechanismů v automobilových katalyzátorech

Kočí Petr, doc. Ing. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Práce se věnuje experimentům s katalytickými monolitickými reaktory a filtry pro konverzi výfukových plynů automobilů. Experimentálně bude zkoumáno jak ustálené, tak i dynamické chování katalytického reaktoru při provozu s časově proměnnými vstupními podmínkami. Cílem experimentů bude získat data pro vyhodnocení reakčních mechanismů a kinetiky na různých typech katalyzátorů a nalézt vhodné provozní podmínky pro dosažení vysoké konverze a selektivity při odstraňování sledovaných škodlivin – zejména oxidů dusíku (NOx), uhlovodíků (HC) a CO. Použita bude směs syntetických plynů o složení odpovídajícím skutečnému výfukovému plynu. Významnou součástí práce budou úpravy, rozvoj a modernizace stávající aparatury na Ústavu chemického inženýrství VŠCHT, tj. mini-reaktoru, analyzátorů, regulátorů průtoku plynů, řídicích jednotek, počítače a obslužných programů v LabView. Projekt probíhá ve spolupráci s průmyslovým partnerem Daimler AG (Mercedes-Benz) a s finanční podporou Grantové agentury ČR.

Experimentální studium enzymových reakcí v propojených průtočných reaktorových systémech

Schreiber Igor, prof. Ing. CSc. ( sch...@vscht.cz)
Schreiberová Lenka, Ing. CSc. ( sch...@vscht.cz)
V otevřených chemických systémech sestávajících ze vzájemně interagujících podsystémů, které samy o sobě vykazují nelineární dynamiku (násobné ustálené stavy, oscilace, excitabilita), mohou při změně intenzity interakce nastat tzv. emergentní jevy, tj. jevy, které jsou vlastní pouze interagujícímu systému a v oddělených součástech se nevyskytují. Typickým příkladem je časová a prostorová samoorganizace v biologických systémech. Jako analogický systém je možné studovat chemické systémy. V kontextu propojených chemických reaktorů, z nichž každý sám o sobě vykazuje excitabilní dynamiku, je emergentním jevem např. složitá oscilační dynamika vznikající souhrou vnější perturbace jednoho z reaktorů a interakce mezi nimi. Předmětem doktorského studia bude soustavná experimentální studie emergentní dynamiky vyvolané vnějšími vzruchy ve dvou propojených reaktorech se vzájemnou výměnou hmoty (prostřednictvím dvou recipročních čerpadel) s vybranou enzymovou reakcí, běžnou v prostředí živých buněk. Každý z reaktorů je ve skutečnosti systém zásobník-reaktor, navzájem oddělené membránou pro řízený přívod substrátu. Budou vybrány enzymové reakce buď s čistými enzymy (kataláza nebo glukóza-oxidáza) anebo s buněčnými extrakty (kvasničný extrakt). V závislosti na intenzitě interakce a frekvenci přídavků jednotlivé dynamické režimy přecházejí jeden na druhý prostřednictvím kaskády bifurkací. Dynamické režimy a jejich přechody budou charakterizovány pomocí metodiky analýzy nelineárních časových řad. Mechanismy uvedených enzymových reakcí jsou přibližně známy, popis kinetiky bude doladěn speciální metodikou odhadu parametrů založenou na teorii reakčních sítí zohledňující aktuální experimentální podmínky. Následně pak budou experimenty srovnány se simulacemi. K dispozici je potřebné přístrojové vybavení a software pro analýzu. Během doktorského studia se předpokládá aktivní účast na vědeckých konferencích.

Experimentální studium návrhových parametrů fermentorů

Moucha Tomáš, doc. Dr. Ing. ( mou...@vscht.cz)
Mezi zařízení používaná v průmyslu k intenzifikaci kontaktu plynu a kapaliny patří mechanicky míchané nádoby. Příkladem průmyslových aplikací takových zařízení mohou být kromě aerobních fermentací (kdy hovoříme o fermentoru) rovněž chlorace nebo hydrogenace (kdy hovoříme o vícefázovém míchaném reaktoru). V případě fermentorů je oproti chemickým reaktorům mnohdy třeba zohlednit i podmínky pro existenci mikroorganismů ve vsádce. Jedním z důležitých parametrů z hlediska existence mikroorganismů je velikost střižných rychlostí produkovaných míchadly. Jelikož je produkční kapacita fermentoru mnohdy dána rychlostí absorpce plynu do kapaliny (například limitace bioprocesu kyslíkem), je třeba hledat vhodný režim míchání, při kterém bude zajištěn dostatečně vysoký objemový koeficient přestupu hmoty kLa a současně nebude překročena nejvyšší pro dané mikroorganismy přijatelná hodnota střižné rychlosti. Jednou z možností ovlivnění poměru mezi kLa a střižnými rychlostmi je změna průměru míchadel.
Cílem výzkumu je nalézt metodiku návrhu průmyslových zařízení pro procesy, ve kterých je třeba optimalizovat kombinaci intenzity mezifázového transportu hmoty a maximální střižné rychlosti v nádobě. Jedná se o návrhy na základě dat měřených v zařízeních laboratorního a poloprovozního měřítka, tedy o formulaci pravidel pro scaling-up. Za tímto účelem byla v laboratorním měřítku již dříve provedena rozsáhlá měření příkonu, zádrže plynu a objemového koeficientu přestupu hmoty v různých typech vsádek (koalescentní, nekoalescentní, viskózní) a s různými průměry a typy míchadel (různé směry čerpání od radiálního k axiálnímu) včetně uspořádání s kombinací více míchadel na společné hřídeli. V posledních letech jsou vedeny experimenty na poloprovozní aparatuře s nádobou průměru 60 cm se třemi míchadly na společné hřídeli. Aparatura je vybavena moderním software řízení a sběru dat používaným v průmyslu. V poloprovozní nádobě byla provedena měření s čistou vodou a s roztokem síranu sodného, což reprezentuje koalescentní a nekoalescentní vsádku. Nyní jsou vedeny experimenty ve vsádce s vyšší viskozitou, neboť takové vsádky se vyskytují v mnoha biochemických výrobách.
Cílem doktorské práce je opatřit soubor transportních charakteristik (příkon míchadel, zádrž plynu a objemový koeficient přestupu hmoty, kLa) měřením v poloprovozní nádobě při použití různých typů a průměrů míchadel. Na základě analýzy dat změřených na zařízeních různých velikostí bude hledána metodika využití dat z laboratorního zařízení k návrhu zařízení průmyslové velikosti, nejprve z pohledu rychlosti mezifázového přestupu hmoty a po získání dat o velikosti střižných rychlostí bude metodika doplněna o předpisy pro návrh tohoto parametru. Doktorand se seznámí s matematickými modely mezifázového transportu hmoty, s měřícím a řídícím software používaným v průmyslu a se způsoby měření mezifázového transportu hmoty ve větší šíři, neboť bude pracovat v kolektivu zabývajícím se také návrhy destilačních a absorpčních kolon a bublaných kolon s ejektorem.
Další informace: Tomáš Moucha, tel. 220 443 299, budova B, přízemí, č.dv. T02a, e-mail mouchat@vscht.cz

Experimentální vývoj pravidel zvětšování měřítka fermentorů

Moucha Tomáš, doc. Dr. Ing. ( mou...@vscht.cz)
Mezi zařízení často v průmyslu používaná k intenzifikaci kontaktu plynu a kapaliny patří mechanicky míchané nádoby. Příkladem průmyslových aplikací takových zařízení mohou být kromě aerobních fermentací (kdy hovoříme o fermentoru) rovněž chlorace nebo hydrogenace (kdy hovoříme o vícefázovém míchaném reaktoru). V mnoha případech je produkční kapacita zařízení dána rychlostí absorpce či desorpce plynu do/z kapaliny (například limitace kyslíkem, či odvodem produkovaného CO2), tj. slovy chemického inženýrství dějem určujícím rychlost celého procesu je mezifázový transport hmoty mezi plynem a kapalinou. Klíčovým parametrem při návrhu takových zařízení je potom objemový koeficient přestupu hmoty kLa.
Cílem výzkumu je nalézt metodiku návrhu průmyslových zařízení pro procesy, ve kterých je rychlost určujícím dějem mezifázový transport hmoty. Jedná se o návrhy na základě dat měřených v zařízeních laboratorního a poloprovozního měřítka, tedy o formulaci pravidel pro scaling-up. Za tímto účelem byla v laboratorních nádobách průměru 20 a 30 cm již dříve provedena rozsáhlá měření příkonu, zádrže plynu a objemového koeficientu přestupu hmoty v různých typech vsádek (koalescentní, nekoalescentní, viskózní) a s různými typy míchadel (různé směry čerpání od radiálního k axiálnímu) včetně uspořádání s kombinací více míchadel na společné hřídeli. V posledních letech jsou vedeny experimenty na poloprovozní aparatuře s nádobou průměru 60 cm se třemi míchadly na společné hřídeli. Aparatura je vybavena moderním software řízení a sběru dat používaným v průmyslu. V poloprovozní nádobě byla provedena měření s čistou vodou a s roztokem síranu sodného, což reprezentuje koalescentní a nekoalescentní vsádku. Nyní jsou vedeny experimenty ve vsádce s vyšší viskozitou, neboť takové vsádky se vyskytují v mnoha biochemických výrobách.
V mnoha aplikacích se také jedná o suspenze s mikroorganismy, jejichž kolonie tvoří významný podíl pevné fáze ve vsádce, čímž ovlivňují hodnoty transportních charakteristik. Je proto třeba proměřit transportní charakteristiky za těchto situací.
Cílem doktorské práce je opatřit soubor transportních charakteristik měřením na poloprovozní nádobě, kde bude použita kapalná vsádka s vyšší viskozitou odpovídající kapalinám v biochemických výrobách, a v nádobě průměru 30 cm za přítomnosti pevných částic. Z transportních charakteristik budou proměřovány příkon míchadel, zádrž plynu a objemový koeficient přestupu hmoty, kLa. Na základě analýzy dat změřených na zařízeních různých velikostí bude hledána metodika využití dat z laboratorního zařízení k návrhu zařízení průmyslové velikosti. Doktorand se seznámí s matematickými modely mezifázového transportu hmoty, s měřícím a řídícím software používaným v průmyslu a se způsoby měření mezifázového transportu hmoty ve větší šíři, neboť bude pracovat v kolektivu zabývajícím se také návrhy destilačních a absorpčních kolon a bublaných kolon s ejektorem.
Další informace: Tomáš Moucha, tel. 2044 3299, budova B, přízemí, č.dv. T02a, e-mail mouchat@vscht.cz

Generování plynů a mikrobublinek na dálkové ovládání

Štěpánek František, prof. Ing. Ph.D. ( Fra...@vscht.cz)
Jednoduché plyny jako je NO, N2O, CO, Cl2, nebo O3 mají silné fyziologické účinky avšak ne vždy je žádoucí je aplikovat systemicky, tj. vystavit jejich působení celý organismus. Pokud by existovala technologie, která by umožnila aplikovat definované množství některého z těchto plynů lokálně ve specifické tkáni nebo orgánu, mělo by to zásadní doapt jak na farmaceutický výzkum tak na klinickou praxi. Cílem tohoto projektu je prozkoumat možnost vytvoření mikro- a nano-částic nebo jejich kompozitů, které by umožňovaly lokální produkci plynných produktů z předem enkapsulovaných prekurzorů chemickou nebo biochemickou reakcí, jejíž průběh by bylo možné regulovat pomocí vnějších stimulů (např. radiofrekvenční stimulace magnetických nanočástic).

Charakterizace iontově-výměnných částic jako hlavní funkční složky heterogenních iontově výměnných membrán

Přibyl Michal, prof. Ing. Ph.D. ( pri...@vscht.cz)
Hlavní náplní disertační práce bude experimentální studium iontově-výměnných částic. Iontově-výměnné částice jsou hlavní funkční složkou heterogenních iontově výměnných membrán, které nacházejí široké průmyslové uplatnění v elektroseparačních metodách (elektrodialýza, elektrodeionizace, apod.). I přes široké průmyslové uplatnění existuje v oblasti iontově-výměnných membrán celá řada otázek, na které současná věda hledá odpovědi. Jednou z takových otázek je vliv povrchové struktury membrán na jejich elektrochemické vlastnosti a vykazované chování po zapojení do stejnosměrného elektrického pole. Hledání odpovědi na tuto otázku bude hlavní motivací disertační práce. Disertant se bude podrobně zabývat elektrochemickou charakterizací jednotlivých iontově-výměnných částic pomocí standardních elektrochemických měření (napěťo-proudové křivky, potenciometrie, amperometrie, atd.) a zároveň bude pozorovat elektrokinetické procesy nastávající na rozhraní mezi částicí a elektrolytem. K tomuto pozorování bude využita fluorescenční mikroskopie. Po charakterizaci jednotlivých iontově-výměnných částic bude hlavní náplní disertanta výroba více-částicových membrán s přesně definovanou strukturou a počtem částic. V této fázi výzkumu bude disertant studovat vliv změny počtu částic, jejich prostorového uspořádání a vzájemné vzdálenosti na celkové chování takového systému a to jak z kvantitativního hlediska tak kvalitativního (změna elektrokinetiky). Kromě výše zmíněného projektu se disertant může podílet na projektech zaměřených na vývoj lab-on-a-chip systémů určených k detekci biomolekul (nukleová kyselina, protein) z komplexních vzorků (např. krev). Hlavním cílem je najít nové uplatnění iontově-výměnných částic k separaci, předkoncentraci či samotné detekci biomolekul. Takovýto projekt má za úkol umožnit využít znalostí získaných z hlavního projektu k vytváření nových věcí postavených na disertantově kreativitě a myšlenkách. Výzkum této disertační práce bude finančně zajištěn z grantu GAČR a to včetně účasti na konferencích a možnosti dalšího osobního ohodnocení.

Charakterizace procesu solvatace léčivých látek

Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
Rohlíček Jan, Ing. Ph.D.
Many active pharmaceutical ingredients (API) interact with solvents used during their synthesis resulting in the formation of API solvates. This has a strong impact on their final properties, such as polymorphic state, solubility, surface properties, stability etc. While, previously, solvates have been considered as undesired forms during the API development, currently, they are becoming an alternative to the pure crystalline APIs. This is particularly due to the possibility to prepare a stable solvated solid form of an API, which would be otherwise unstable and the solvent, in this case, helps to energetically stabilize the crystal lattice. Furthermore, due to the porous structure of certain solvates, and the possibility of elimination of the incorporated solvent, they could be used to prepare pure API polymorphs, which cannot be otherwise obtained. Despite this interest, there is a strong lack of knowledge, about under which conditions a given API will form a solvate.
Therefore, presented project has a goal to increase this knowledge. Particularly, we would like to combine an experimental effort (approximately 50%) with the mathematical modelling (approximately 50%) to understand the conditions, under which a given API and selected solvents are forming solvates and also the conditions, which allow to replace one solvent with another, without destroying the crystal structure. Experimentally, the work will be focused on the measurement of the XRPD patterns for the selected combinations of APIs and solvents. Obtained data will be used to reconstruct the crystal structure and to calculate its energy. The combination of both of these approaches should shed light on the mechanisms of the solvate formation as well as on the criteria, when a given API and a selected solvent would form a solvate. Gained knowledge would then be used to predict possible candidates for the solvate formation.

Chemicko-inženýrské aspekty elektrodialýzy

Šnita Dalimil, prof. Ing. CSc. ( d...@vscht.cz)

Integrované enzymové mikroreaktory-mikroextraktory

Přibyl Michal, prof. Ing. Ph.D. ( pri...@vscht.cz)
Slouka Zdeněk, doc. Ing. Ph.D.
Mikroreaktory umožňují přípravu speciálních chemických produktů, které není možno vyrobit v tradičních typech reaktorů buď vůbec nebo v nižší kvalitě či s nižším výtěžkem. Mikrofluidní zařízení pracují většinou v kontinuálním režimu a mohou snadno kombinovat několik jednotkových operací na jednom čipu. Typickým příkladem je uskutečnění chemické reakce (chemický mikroreaktor) se současnou separací reakčních produktů (mikroextraktor). Enzymy jsou látky bílkovinné povahy s velkou tendencí k inaktivaci (denaturaci). Namísto organických rozpouštědel lze k extrakci produktů s výhodou využít systému dvou nemísitelných vodných fází na bázi polyethylenglykolu či dextranů. Protože řada enzymových reakcí katalyzuje vznik produktů iontové povahu, lze použitím elektrického pole urychlit transport jednotlivých reakčních složek přes fázové rozhraní a tím i celý extrakční proces.
Hlavními cíli navrhovaného tématu jsou:
· Návrh a příprava kombinovaných mikroreaktorů/mikroextraktorů se souproudým a protiproudým uspořádáním dvou nemísitelných vodných fází.
· Výběr enzymového reakčního systému, určení fázových rovnováh pro jednotlivé reakční složky, určení kinetických parametrů enzymové reakce.
· Parametrické studie ve vytvořených mikrozařízeních zaměřené na dosažení vysokého stupně konverze a vysoké selektivity enzymové reakce.
· Studium vlivu elektrického pole kolmo vloženého k fázovému rozhraní na účinnost separace jednotlivých reakčních složek.
· Nalezení obecnějších pravidel vedoucích k dosažení vysoké konverze/selektivity vybrané enzymové reakce například ve formě kriteriálních vztahů.
Školící pracoviště disponuje potřebnými technologiemi pro výrobu mikrofluidních systémů, moderními měřicími přístroji a kvalitní výpočetní technikou. Předpokládá se podíl doktoranda/ky na řešení grantových projektů a aktivní účast na mezinárodních vědeckých konferencích.

Interakce biopolymerů s iontově-výměnnými membránami a částicemi

Přibyl Michal, prof. Ing. Ph.D. ( pri...@vscht.cz)
Slouka Zdeněk, doc. Ing. Ph.D.
Iontově-výměnné částice a membrány se používají v elektromembránových separacích jako funkční komponenty, které zajišťují selektivitu vůči transportu iontů o daném náboji, tzn. usměrňují toky jednotlivých iontů v membránových separačních modulech. Elektromembránové separace se používají nejen ke zpracovávání relativně jednoduchých směsí jako je voda obsahující ionty, ale také k odsolování složitých směsí pocházejících např. z potravinářského průmyslu. Typickým příkladem může být syrovátka, jež kromě malých iontů obsahuje i daleko složitější a větší molekuly jako proteiny, některé vitamíny, laktózu, atd. Zatímco transport a interakce malých jednoduchých iontů s iontově-výměnným materiálem je již dobře popsán a vysvětlen, je chování tohoto materiálu s velkými, různě nabitými molekulami (často amfolyty) předmětem současného vědeckého studia.
Hlavní náplní této disertační práce bude experimentální studium vlivu různě velkých a různě nabitých molekul s iontově-výměnnými membránami a částicemi. Velký důraz bude kladen především na studium vlivu proteinů a nukleových kyselin na zkoumaný materiál. Experimentální výzkum bude založen na využití mikrofluidních technologií, pomocí nichž lze konstruovat mikrofluidní čipy umožňující pozorování procesů probíhajících na rozhraní membrána-elektrolyt, měření základních elektrokinetických a elektrochemických vlastností iontově výměnného materiálu a dále pak jeho analýzu pomocí moderních analytických metod jako např. energetické disperzivní spektroskopie (EDX) či mikropočítačové tomografie.
Kromě zvýšeného studia bude další část práce věnována vývoji technologií založených na využití jevů vykazovaných iontoměniči k detekci biomolekul, jejich lokalizované předkoncentraci a separaci ze složitých biologických vzorků a dále k integraci těchto technologií na jednom mikrofluidním čipu. Tento čip by v budoucnu mohl sloužit jako jednoduchý diagnostický nebo screeningový nástroj s použitím v oblasti medicíny, potravinářství, testování biologického znečištění, a podobně.
Další informace: tel. 2 2044 3251, budova B, přízemí, č.dv. B37, e-mail: sloukaz@vscht.cz

Interakce bublin a částic ve vodných roztocích jednoduchých alkoholů

Basařová Pavlína, Dr. Ing. ( bas...@vscht.cz)
The aqueous solutions of simple alcohols, as methanol, ethanol and propanol, are used in many industrial, biological, pharmaceutical and daily processes and we often do not realize their atypical properties. Their unusual behaviour is caused by the solution microstructure. It was found that simple alcohols in aqueous solutions are micro heterogeneous since they tend to develop distinct local microstructures consisting both of alcohol and water molecules. These structures can have an effect on the interfacial properties of liquid mixtures and may cause unpredictable anomalies in the behaviour of systems where the surface phenomena play an important role. The typical examples are the motion of dispersed fluid particles (bubbles, drops) through the carrying bulk liquid, hydrodynamic interactions between such particles (coalescence and breakup), behaviour of fluid particles at rigid surfaces (adhesion). Such situations commonly occur in many important technological processes and equipment (fermenters, adsorption columns, waste water treatment, flotation, etc.), which presents strong motivation for the research.
The project is aimed at the experimental investigation of hydrodynamic behaviour of multiphase systems with solutions of alcohols and/or surfactants as liquid phase. The aqueous solutions of short-chain alcohols exhibit certain atypical behaviour and features. The effect of this behaviour will be investigated on two different levels: on first level, the physical-chemical properties will be mapped and the region of atypicality will be located; second, the effect of the atypicality on the hydrodynamics of single fluid particles (single bubble motion, coalescence of pairs of bubbles and bubble-solid adhesion) will be investigated. The expected result is the understanding of the basic principles by which the molecular properties project into the macroscopic hydrodynamics. The bubble dynamics and interactions will be captured by high-speed camera and image analysis software will be used for image/data treatment.

Inženýrství reakčně-transportních dějů v porézních katalyzátorech a filtrech

Kočí Petr, doc. Ing. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Práce se zaměřuje na vývoj inženýrských metod pro přípravu a testování porézních katalyzátorů a katalytických filtrů s ohledem na řízení a optimalizaci morfologie pórů, rozmístění a velikosti nanočástic pro dosažení požadovaných transportních a katalytických vlastností. Bude mimo jiné studován vliv distribuce velikosti částic a použití šablon umožňujících kontrolovat porozitu a distribuci velikostí pórů jak v měřítku nanometrů, tak i na úrovni velkých transportních pórů v řádu mikrometrů. U katalytických filtrů budou zkoumány metody řízeného nanášení katalytického materiálu dovnitř porézní struktury filtru, či podle potřeby naopak do ohraničené vrstvy na povrchu filtru. Morfologie připravených vzorků bude analyzována na základě snímků z elektronových mikroskopů (SEM, TEM), elektronové a rentgenové tomografie. Vliv porézní struktury na celkovou účinnost katalyzátoru či filtru pak bude testován v laboratorním reaktoru. Téma je řešeno ve spolupráci s předním světovým výrobcem katalyzátorů Johnson Matthey a finančně podporováno evropským projektem Horizon 2020.

Matematické modelování elektrochemických článků

Kosek Juraj, prof. Dr. Ing. ( Jur...@vscht.cz)
Mazúr Petr, Ing. Ph.D.
Rozvoj obnovitelných zdrojů energie (větrných turbín a fotovoltaiky) jakož i elektromobilů klade vysoké nároky na ukládání elektrické energie buď ve stacionárních distribuovaných úložištích energie nebo v bateriích s vysokou měrnou energií a dostatečným výkonem. Vývoj technicky, ekologicky, bezpečnostně i cenově vyhovujících řešení pro tyto aplikace probíhá primárně empiricky. Cílem tohoto projektu je vyvinutí modelů několika elektrochemických článků, které umožní lépe pochopit praktická omezení jednotlivých článků, otestovat různé hypotézy a systematicky vyvíjet lepší elektrochemické články.
Jedná se o vysoce aktuální Ph.D. projekt navazující na experimentální výzkum v naší výzkumné laboratoři. Řešením modelových rovnic budou jednak koncentrační a potenciálové profily, jednak zátěžové a vybíjecí charakteristiky různých baterií. Soustředíme se na následující elektrochemické systémy: (i) redoxní průtočné baterie, (ii) klasické olověné akumulátory, (iii) zinko-vzduchové sekundární baterie či palivové články. V modelování budou využity také meso-skopické prostorově 3D modely navazující na naše předchozí aktivity. Tak bude možno například simulovat transport kyslíku a jeho redukci na vzduchové porézní elektrodě baterie zinek-vzduch či dendritický růst zinku při jeho depozici.
Doktorand(ka) se kromě modelování seznámí s teoretickými pasážemi vztahujícími se k termodynamice koncentrovaných elektrolytů a transportu iontů v těchto elektrolytech, popisem porézních či pastovaných elektrod, vlivem částečné rozpustnosti některých látek na činnost elektrochemických cel, fázovými přeměnami v blízkosti povrchu elektrod atd. Současně bude úzce spolupracovat s experimentální částí laboratoře na testování různých hypotéz. Na projektu bude spolupracovat nejen v týmu doktorandů a post-doků na našem pracovišti, ale také s partnery z firem a univerzit.

Matematické modelování hašení vodní mlhou

Jahoda Milan, doc. Dr. Ing. ( jah...@vscht.cz)
Počítačové simulace požárů a hašení se v současné době využívají jako pomocný nástroj v požárním inženýrství. Počítačové programy jsou používané na předpovědi šíření zplodin, odhad teploty nebo koncentrace škodlivých látek v oblasti požáru. Další zajímavou a studovanou oblastí je simulace účinnosti hasicích zařízení. Disertační práce je zaměřena na numerické simulace hašení požáru vodním sprchovým proudem pomocí speciálních počítačových programů. Konkrétně bude studován vliv parametrů modelu vodního proudu (např. velikost kapek, intenzita proudu) na rychlost hašení.

Matematické modelování reakčně-transportních dějů v integrovaných mikroreaktorech-mikroextraktorech

Přibyl Michal, prof. Ing. Ph.D. ( pri...@vscht.cz)
Slouka Zdeněk, doc. Ing. Ph.D.
Matematické modelování je účinným nástrojem pro návrh, optimalizaci a ověřování chodu mikroreaktorů i mikroseparačních zařízení. Multifyzikální matematické modely v sobě kombinují popis toku tekutiny v zařízení, transportu chemických složek a působení elektrických sil na iontové složky. Mikroreaktory umožňují přípravu speciálních chemických produktů, které není možno vyrobit v tradičních typech reaktorů buď vůbec nebo v nižší kvalitě či s nižším výtěžkem. Mikrofluidní zařízení pracují většinou v kontinuálním režimu a mohou snadno kombinovat několik jednotkových operací na jednom čipu. Typickým příkladem je uskutečnění chemické reakce (chemický mikroreaktor) se současnou separací reakčních produktů (mikroextraktor). Protože řada enzymových reakcí katalyzuje vznik produktů iontové povahu, lze použitím elektrického pole urychlit transport jednotlivých reakčních složek přes fázové rozhraní a tím i celý extrakční proces.
Hlavními cíli navrhovaného tématu jsou:
· Vytvořit matematický model enzymového mikroreaktoru/mikroextraktoru se souproudým nebo protiproudým uspořádáním nebo uspořádáním využívajícím segmentovaný tok.
· Uskutečnění rozsáhlé numerické analýzy matematického modelu za účelem důkladného pochopení chování systému při změnách konstrukčních a provozních parametrů včetně parametrů vkládaného elektrického pole.
· Uskutečnění parametrických studií zaměřených na nalezení režimu s vysokým stupněm konverze a s vysokou selektivitou vzhledem k žádanému produktu.
· Porovnání výsledků numerické analýzy s dostupnými experimentálními daty.
· Generalizace získaných údajů do formy kriteriálních rovnic.
Školící pracoviště disponuje kvalitní výpočetní technikou. Předpokládá se podíl doktoranda/ky na řešení grantových projektů a aktivní účast na mezinárodních vědeckých konferencích.

Matematické modelování vzniku a rozpouštění strukturovaných částic

Štěpánek František, prof. Ing. Ph.D. ( Fra...@vscht.cz)
Grof Zdeněk, Ing. Ph.D. ( zde...@vscht.cz)
Strukturované částice (např. granule) a jejich soubory (např. tablety, kapsle) jsou všudypřítomné v oblasti farmacie, potravinářství nebo spotřební chemie. Jejich vznik (granulace, fluidní potahování, lisování) i zánik (rozpouštění, desintegrace) v sobě kombinují řadu elementárních fyzikálně chemických dějů, jejichž interakce rozhoduje o finálních užitných vlastnostech produktu. Cílem tohoto projektu je vývoj, validace a aplikace hierarchických matematických modelů, které umožní proces vzniku a zániku mikrostruktury částicových systémů simulovat na počítači a racionálně parametrizovat. Projekt bude probíhat ve spolupráci s průmyslovým partnerem (Zentiva, a.s.).

Měření a modelování metabolizmu savčích buněk

Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
Mammalian cells currently represent a major production platform for biosynthesis of several therapeutic proteins. To meet target concentration of the product of interest several strategies are possible including fed-batch or perfusion cultivation. In all these cases to reach high production rate an essential part is to provide cells with an optimal composition of media to support their growth as well as protein production. Since cells have different requirements during growth and production stages the media the main goal of this project is to measure specific consumption of various media components during fed-batch as well as perfusion cultivation. In parallel to the extracellular composition amount of the intracellular components will be measured as well. Combination of various techniques (HPLC, MALDO-TOF, LC-MS etc.) will be used for this purpose. Obtained data will be used to construct metabolic model of the studied cells to identify possible bottlenecks allowing for process (media) optimization. Methods such as Metabolic Balance Analysis and Flux Balance Analysis will be used to calculate intracellular fluxes during different stages of the process. Validation of the obtained results will be done by measurement of the specific consumption of labeled isotope 13C (various carbon sources) and 15N (nitrogen containing amino acids). Once validated such model will be used to optimize feeding strategy for fed-batch as well as perfusion cultivation.
It is expected that student will be working on both sides of this project. This includes performance of mammalian cell cultivation (i.e. media preparation, usage of sterile bench, cell cultivation using several systems (static dishes as well as bioreactors), sterile sampling etc.), analysis of extracellular as well as intracellular compounds and performance of experiments with isotopically labeled nutrients. From modeling point of view student will learn principles of Metabolic Balance Analysis and Flux Balance Analysis, how to setup metabolic network as well as how to solve system of balance equations for both cases. In the final stage proposed modifications of the process (feeding/media composition etc.) will be tested experimentally.

Metody částicové dynamiky pro modelování disperzních a heterofázových systémů

Kosek Juraj, prof. Dr. Ing. ( Jur...@vscht.cz)
Současné chemické inženýrství se snaží popsat nejen více-škálový, ale také více-stupňový proces utváření struktury materiálu zahrnující nejen jeho přípravu v reaktoru, ale také následné zpracování. V rámci tohoto projektu budou využity metody částicové dynamiky pro studium několika typů systémů: (i) aglomerace a ulpívání částic v heterogenních katalytických reaktorech pro přípravu polyolefinů, (ii) utváření morfologie houževnatého polypropylénu jak v reaktoru, tak při následném formování, (iii) deformace polymerních pěn, a (iv) odolnost vůči nárazu a propagaci prasklin v polymerních materiálech.
Základním nástrojem tohoto projektu je mesoskopické modelování vývoje struktury založené na různých silových interakcích, včetně visco-elastických, van der Waalsových, elektrostatických, mezi-fázových a relaxačních interakcí. Koncept umožňující propojit tyto interakce a simulovat dynamiku utváření či deformace morfologie různých materiálů či aglomerátů se nazývá Metoda diskrétních elementů (anglická zkratka DEM). S modelováním konceptem DEM má výzkumná laboratoř školitele bohaté zkušenosti.
Houževnatý polypropylén (hiPP) bude sloužit jako jeden z demonstračních systémů. Heterofázová morfologie částic hiPP je ovlivněna jak morfologií počáteční částice homopolymeru, tak složením kaučukové fáze (EPR) a reakčními podmínkami. Morfologie hiPP se ale dále vyvíjí v průběhu následného formování. Tento projekt se bude mimo jiné zabývat vlivem blokových kopolymerů na utváření morfologie a aplikační vlastnosti hiPP.
Doktorand(ka) získá nejen rozsáhlé znalosti z oblastí polymeračního reaktorového a materiálového inženýrství, dispersních systémů, fyziky polymerů, koloidní chemie a rheologie, ale také zkušeností s matematickým modelováním. Na projektu bude spolupracovat nejen v týmu doktorandů na našem pracovišti, ale také s partnery z evropských firem a univerzit. Práce doktoranda bude dobře ohodnocena podporou z grantových projektů a projektů smluvní průmyslové spolupráce.
Info: tel. 220 44 3296, č.dv. B-145, e-mail jkk@vscht.cz, web http://kosekgroup.cz

Modelování jednotkových operací ve farmaceutickém průmyslu

Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
Project is a part of large initiative to develop and consequently use engineering models to describe processes involved in the synthesis and consequent post-processing of active pharmaceutical ingredients (APIs). Typical examples are crystallization, filtration or drying processes. Since in many cases API crystals contains also solvents in this project we will focus on description of solvation and desolvation process. The student will be responsible for development of mathematical models to cover different levels of system complexity (e.g. modelling of solvate diffusion inside single pore, modelling of resolvation process where one solvent is replaced with another one, investigate the impact of operating conditions on the de/re-solvation process including stirring speed, flow rate of the drying gas, temperature, crystal size etc.). In parallel, student will be involved in the generation of the suitable experimental data for validation of the developed models (e.g. measurement of diffusion coefficient under various conditions, design of the suitable solvent sequence for re-solvation, process scale-up).

Modelování pokročilých systémů pro katalytickou konverzi automobilových výfukových plynů

Kočí Petr, doc. Ing. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Práce se věnuje modelování pokročilých systémů pro katalytickou konverzi automobilových výfukových plynů. Student se seznámí s modely automobilových katalyzátorů běžně používaných v praxi a bude vyvíjet modely reakce a transportu v nových typech strukturovaných katalyzátorů a filtrů, spojujících několik funkcí a materiálů dohromady. Na základě experimentálních dat z laboratorního reaktoru budou formulovány reakční mechanismy a vyhodnoceny kinetické parametry. Vyvinuté matematické modely pak budou využity pro parametrické simulační studie reálných jízdních cyklů, sloužící k návrhu katalytického konvertoru splňujícího příslušné emisní normy. Projekt probíhá ve spolupráci s průmyslovým partnerem Daimler AG (Mercedes-Benz) a s finanční podporou Grantové agentury ČR.

Modelování toku v systémech kapalina-plyn

Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
The project is a part of large initiative to develop and consequently use engineering models to describe unit operations involving gas-liquid systems typically used in fermentation bioreactors or bubble columns. The student will be responsible for development of mathematical models to cover different levels of system complexity (modelling of hydrodynamics in single- and two-phase flows with constant and time dependent particle size, modelling of mixing, identification of concentration gradients of O2 in liquid phase, accumulation of CO2 in gas phase etc.) as well as generation of experimental data for validation of model predictions (e.g. measurement of the bubble size distribution leaving the sparger, measurement of the maximum hydrodynamic stress, measurement of the mixing time). Furthermore, depending on the studied phenomena (bulk or surface turbulence, effect of bubble shape on drag coefficient etc.) the student will be responsible for an active literature search of the methods for their modelling as well as their consequent implementation and validation against experimental data.

Modelování toku v systémech tuhá fáze-kapalina

Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
Project is a part of large initiative to develop and consequently use engineering models to describe unit operations involving S-L systems typically used in catalysis, drying or particle processing. The student will be responsible for development of mathematical models to cover different levels of system complexity (modelling of hydrodynamic in single or two phase flows with constant and time dependent particle size, modelling of mixing, identification of concentration gradients of solid phase etc.) as well as generation of suitable experimental data for validation of model predictions (e.g. measurement of particle size distribution or the gradient in solid phase concentration). Due to complexity of CFD approach it is intended also to develop a simplified model of the flow field which can be coupled with complex chemical kinetic model (polymerization using heterogeneous catalysis) which can find application in the process optimization.

Modelování transportu a reakce v porézních katalytických filtrech s využitím 3D počítačové rekonstrukce

Kočí Petr, doc. Ing. Ph.D. ( pet...@vscht.cz)
Práce se zabývá podrobným matematickým modelováním porézních katalytických filtrů pro čištění automobilových výfukových plynů. Struktura filtru je počítačově rekonstruována v 3D na základě snímků z elektronových mikroskopů (SEM, TEM) a rentgenové tomografie (XRT). Zrekonstruovaný systém je reprezentován 3D maticí, která popisuje morfologii pórů a prostorové rozložení jednotlivých složek pevné fáze. V tomto systému jsou pak simulovány reakčně-transportní děje, zahrnující proudění, difúzi, katalytické reakce a transformace. Hlavní náplní práce bude vývoj matematických modelů pro jednotlivé fyzikálně-chemické procesy v systému a zkoumání vlivu struktury materiálu na celkovou účinnost katalytického filtru. Výsledky modelů budou konfrontovány s experimentálními daty z laboratorního reaktoru. Téma je řešeno ve spolupráci s předním světovým výrobcem katalyzátorů Johnson Matthey a finančně podporováno evropským projektem Horizon 2020.

Morfologií ovlivněná sorpce plynných a kapalných penetrantů v polyolefinech

Kosek Juraj, prof. Dr. Ing. ( Jur...@vscht.cz)
Zubov Alexandr, Ing. Ph.D. ( Ale...@vscht.cz)
Sorpce monomerů a zřeďovadel v polyethylenu (PE) ovlivňuje reakční rychlost v polymeračních reaktorech, složení kopolymeru a následné odplyňování reziduálních zbytků organických látek. Znalost sorpčních rovnováh penetrantů o nízké molární hmotnosti v PE je důležitá pro návrh a optimalizaci operačních podmínek ve výrobě polyolefinů.
Navzdory svému významu jsou termodynamicky konsistentní a prediktivní nástroje pro sorpční rovnováhy v polyolefinech dostupné jen pro několik specifických případů a snahy o predikci bobtnání těchto semi-krystalických polymerů s využitím stavových rovnic nebyly zatím vůbec úspěšné. Predikce difúze v polyolefinech je dalším otevřeným problémem. Tato situace je způsobena řadou důvodů: (i) nedostatečným souborem experimentálních dat pro široké rozmezí různých jakostních typů PE, teplot, tlaků a složení plynných směsí, (ii) elastickými omezeními reprezentovanými vaznými řetězci spojujícími krystalické lamely a ovlivňujícími termodynamiku amorfní fáze, (iii) nesprávnou interpretací semi-krystalické morfologie nízko-krystalických PE, (iv) zanedbáním vlivu relaxační dynamiky v PE na difúzi, a (v) teplotně-závislou krystalinitou.
Cílem tohoto projektu je návrh a validace konzistentního termodynamického popisu (ko)sorpčních procesů v polyolefinech. K tomuto účelu budou využity následující nástroje: (i) gravimetrická sorpční měření, (ii) měření bobtnání, (iii) měření dynamiky tlakové odezvy, (iv) AFM, SEM, mikro-CT a ultramikrotom, (v) DSC s tlakovou celou, (vi) konfokální Ramanova mikroskopie v tlakové cele, a (vii) stavová rovnice PC-SAFT.
Doktorand bude zapojen do řady aktivit napomáhajících jeho osobnímu rozvoji včetně stavby nových zařízení a řešení grantů a průmyslových projektů. Doktorand bude také vyslán na pracovní pobyt na některé evropské pracoviště, se kterým je navázána spolupráce.

Info: tel. 220 44 3296, č.dv. B-145, e-mail jkk@vscht.cz, web http://kosekgroup.cz

Ověření nového transportního modelu pro strukturované výplně na destilačních datech získaných na poloprovozní rektifikační koloně.

Rejl František, Ing. Ph.D. ( r...@vscht.cz)
Valenz Lukáš, Ing. Ph.D. ( luk...@vscht.cz)
Na našem pracovišti je vyvíjen nový model pro hydraulické a transportní charakteristiky strukturovaných výplní (model UCT). Model je vyvíjen na základě pokročilých experimetálních dat - absorpčních dat získaných s vodnými i s organickými systémy, vzduchem i s plyny o výrazně rozdílné hustotě. Dále pak na vyhodnocení koncentračních profilů naměřených podél plněného lože destilační kolony s průměrem 150mm vyhodnocených 'profilovou metodou'. Model zahrnuje neideální hydrodynamiku kapalné fáze, jež může být vyhodnocena z nezávislých experimentů prováděných za absorpčních podmínek i z destilačních experimentů. Cílem práce je ověření a další vývoj modelu na základě provedení rozsáhlého měření na destilační koloně s průměrem 300 mm a to se systémy s odlišnými fyzikálními vlastnostmi a s různými strukturovanými výplněmi.

Příprava tuhých roztoků a tuhých disperzí léčivých látek

Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
Hassouna Fatima, Mgr. Ph.D.
Active Pharmaceutical Ingredients (API) are commonly small molecules which need to be delivered into human body in a dose which is sufficiently large to ensure proper pharmacokinetic activity. However, substantial drawback with their administration is their rather low solubility in the physiological fluids. Amorphous solid dispersions (ASD) has found its place in the pharmaceutical industry as an important strategy for enhancing bioavailability of poorly soluble drugs. However, amorphous forms are high energy solids and tend to recrystallize, requires development of new formulation principles to ensure the stability of amorphous drug forms. Currently there are several approaches how ASD can be prepared including hot melt extrusion, anti-solvent precipitation process, solvent evaporation techniques (e.g. spray drying). While all these techniques are well established interaction of API with solvent and impact of process parameters makes every formulation very challenging.
The present project will deal with the study of the process of APIs formulation using above mentioned processes, i.e. hot melt extrusion (HME), anti-solvent precipitation, quick evaporation of the solvent and hot melt emulsification. To investigate interaction of API properties with those polymeric matrix several model API will be used in this study. Since in all cases it is necessary to have good dispersion of API and carrier matrix deep characterization of the API miscibility and molecular interactions with matrix will be carried on. Furthermore, student will be responsible for determination of the API content uniformity and integrity, determination of the morphology of the final material (polymeric samples from extrusion, micro and nano-particles, conglomerates etc.), characterization of the surface properties, determination of polymer and/or API crystallinity as well as thermal properties of the drug delivery systems. As a last dissolution/solubility as well as stability of the prepared forms will be investigated as well. When considering HME rheological properties of the excipients will be assessed to predict the process ability and properties of the final systems of the polymer–API mixture. In the case of anti-solvent precipitation or hot melt emulsification impact of hydrodynamic conditions on the size and surface properties of formed particles will be investigated as well. In addition effect of suitable surfactants will provide us additional degree of freedom to tune properties of formed API.
Combination of several powerful techniques such as different microscopy and thermoanalytical techniques, XRD, DSC will be used to characterize formed materials. Further characterization will be focused on the comparison of the API release kinetics as a function of the preparation method and potentially also as a function of the formed API domains (solid solution of API dispersed in the polymeric matrix or precipitated API micro particles). Final step will be to study API release kinetics from the final dosage form (tablet/granule) using model formulation process. Measurement of the concentration of API in the liquid phase will be combined with the characterization of the liberated particles from granules or tables. This should provide better understanding of the formulation process as well as impact of API form on the API release kinetics.

Stacionární úložiště energie na bázi průtočných elektrochemických systémů

Kosek Juraj, prof. Dr. Ing. ( Jur...@vscht.cz)
Pocedič Jaromír, Ing. Ph.D.
Prudký rozvoj obnovitelných zdrojů energie i elektromobilů klade vysoké nároky na ukládání elektrické energie jak ve stacionárních distribuovaných úložištích energie, tak v bateriích nebo palivových článcích s vysokou měrnou energií a dostatečným výkonem. Doktorand se v rámci tohoto tématu soustředí na experimentální i teoretický výzkum průtočných elektrochemických systémů pro akumulaci elektrické energie.
Hlavním předmětem zájmu bude studium komponent průtočných redoxních baterií nebo palivových článků s cílem nalézt komerčně dostupné řešení pro použití v reálných systémech. Důraz bude kladen zejména na komplexní pochopení transportně-reakčních dějů pomocí kombinace moderních technik (mikroskopie atomárních sil, počítačová mikrotomografie, elektrochemické techniky). Experimentálně budou studovány systémy s cenově dostupnými elektrolyty o vysoké energetické hustotě. V navržených a zkonstruovaných aparaturách bude prováděno systematické studium separátorů, porézních elektrod či bipolárních sběračů proudu vedoucí k nalezení termodynamického a kinetického optima provozních podmínek. Dlouhodobá stabilita komponent bude ověřena na základě vyvinuté metodiky testů urychleného stárnutí. Alternativně k systematické studii prvků již zaběhnutých systémů se bude student podílet na vývoji zcela inovativních řešení ukládání energie. Získané poznatky a charakteristiky jednotlivých prvků povedou k výraznému zlevnění a intenzifikaci procesu.
Výstupem doktorské práce bude nejen série publikací, ale také praktické poznatky vedoucí k zavedení vyvinuté technologie do podoby poloprovozního řešení. Na projektu bude doktorand spolupracovat nejen v týmu doktorandů a post-doků na našem pracovišti, ale také s partnery z několika firem a univerzit.

Info: tel. 220 44 3296, č.dv. B-145, e-mailjkk@vscht.cz, web http://kosekgroup.cz

Studium elektromembránových procesů pomocí mikrofluidních technologií

Přibyl Michal, prof. Ing. Ph.D. ( pri...@vscht.cz)
Slouka Zdeněk, doc. Ing. Ph.D.
Elektromembránové separační procesy jako elektrodialýza nebo elektrodeionizace jsou průmyslově používané procesy uplatňující se mimo jiné při odsolování vody, při úpravách znečištěných technologických vod, v potravinářství např. při odsolování syrovátky či při čištění a separaci cenných látek. Elektromembránové procesy jsou považovány do budoucna za jedny z velmi perspektivních separačních technologií umožňující skloubit požadovanou účinnost separace s optimálním ekonomickým provozem. V současné době se hledají nové aplikace pro elektromembránové procesy, jako např. v oblastech zpracování solanek s vysokým obsahem rozpuštěných látek.
Hlavní náplní této disertační práce bude studium procesů a jevů, které se odehrávají při vlastním odsolování různých solanek se zaměřením na roztoky s vysokým obsahem rozpuštěných látek. Tyto jevy a procesy budou studovánu pomocí nových experimentálních systémů postavených na mikrofluidních technologiích. Tyto technologie budou použity na výrobu průtočných mini-elektrodialyzérů umožňující: (i) optické pozorování vlastního odsolování včetně fluorescenční detekce případných jevů odehrávající se na membránách zajišťující vlastní odsolování; (ii) odebírání vzorků z různých míst podél separačního kanálku umožňující analýzy vlastní účinnosti odsolování podél membrán; (iii) analýzu vlastních membrán po provedení vlastních experimentů pomocí moderních analytických metod, jako např. mikropočítačové tomografie. Vlastním výstupem této experimentální disertační práce bude popis základních reakčně-transportních procesů uplatňující se při těchto elektromembránových separacích a dále návrh optimálních pracovních podmínek pro odsolování výše zmíněných roztoků.
Daná práce bude řešena ve spolupráci s firmou MemBrain a.s.
Další informace: tel. 2 2044 3251, budova B, přízemí, č.dv. B37, e-mail: sloukaz@vscht.cz

Studium kolektivního chování v interagujících systémech částic

Štěpánek František, prof. Ing. Ph.D. ( Fra...@vscht.cz)
Chemotaxe (tj. orientovaný pohyb v koncentračním gradientu) a kolektivní chování (např. vznik časo-prostorových struktur, swarming, atd.) jsou jevy charakteristické pro živé systémy jako jsou například bakteriální kolonie. Realizovat takové chování v syntetických systémech, případně v hybridních systémech sestávajících z živýh i člověkem vytvořených částic, je žádoucí jak z hlediska vědeckého (pochopení principu signalizace a skupinového chování) tak technologického (cílené doručování aktivních látek, diagnostika, nové metody ochrany proti bakteriální kontaminaci, atd.). Cílem této práce je studovat na vybané skupině koloidních částic vliv paramterů (koncentrační gradient, iontová síla roztoku, pH, velikost a materiálové složení částic) na jejich skupinové chování a porovnat různé případy s ohledem na jejich realizovatelnost a robustnost (reaktivní/nereaktivní systémy, externí tok/aktivní propulze, gradienty iontové systémy vs. Marangoniho nestability). Pro zvolené systémy pak budou studovány složitější případy jako pohyb v časově proměnných koncentračních polích, kolektivní chování stimuli-responsivních částic a chování v hybridních systémech živých a syntetických částic.

Syntéza a charakterizace biologicky odbouratelných nanonosičů pro řízené doručování léčiv

Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
Treatment of many diseases rely on precise delivery of the drugs into the place of action. This is even more important, when very toxic drugs are used for treatment of diseases such as cancers or inflammations. Currently, for that purpose are used nanoparticles loaded with a drug where release is commonly induced by the increase of temperature triggered by the action of magnetic field. Despite this success it is quite challenging to combine several drugs into single nanoparticles, in particular when drugs negatively affect each other. Building on this concept we plan to prepare multicompartment polymeric nanoparticles or nano-capsules capable to delivery several drugs at a time. Biocompatibility will be achieved by the synthesis of various biodegradable pH and temperature sensitive block copolymers and their consequent formulation into nanoparticles or nano-capsules in the presence of drug moleculs. Particular attention will be paid to the action of biodegradable surfactants on the size and stability of the produced nano objects. Long residence time in the blood stream will be achived by the surface coating with PEG while targeted delivery will be achived by suitable surface functionalization using monoclonal antibodies combined with cell wall adhesion moieties. For this we plan to test several couplings of mAb with surface groups (carboxyl, amine etc.) available in the literature. Inorganic nanoparticles composed of iron oxide and gold will be used as triggers for the release of the drug molecules.
Produced nanoparticles or nano-capsules will be thoroughly characterized using combination of several analytical techniques, including light scattering (DLS, DDLS), TEM, SEM, UV-VIS, XRD etc. Release drug kinetics as well as degration of polymer matrix will be measured by UV-VIS or HPLC. In-vitro testing will be used to test behaviour of the produced nanoparticles in the presence of living cells.

Syntéza a charakterizace nanokompozitů nanocelulóza-kov

Hassouna Fatima, Mgr. Ph.D.
Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
Due to its extraordinary optical, thermal and mechanical properties, cellulose nanocrystal (CNC) films can be used as a substrate. Individual CNC will produced by breaking down the cellulose ramie fibers and isolating the crystalline regions. Isolated nanocrystals will be used as a building blocks in combination with different kinds of nanoparticles such as ferromagnetic nanoparticles (iron), gold particles, with different shapes (spherical, rods…) to make films or aerogels with controlled architecture and with tuned properties. Due to its chemically reactive surface, metallic nanoparticles can be also synthesized on CNC by exposing metallic precursor salts to a cationic surfactant and a reducing agent. The incorporation of guest metallic nanoparticles such as gold nanoparticles into nanocellulose substrates enables production of novel nanocomposites with a broad range of applications

Syntéza biologicky rozložitelných amfifilních blokových kopolymerů nesoucích reaktivní skupiny a syntéza primárních nanočástic

Hassouna Fatima, Mgr. Ph.D.
Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
PLA based amphiphilic block copolymers (ABPs) bearing pendant reactive groups such as hydroxyl, carboxyl and amine functions. The free pendant reactive groups will be used in the next step for further modification, which opens new possibilities for construction of 3D network based nanoparticles (NPs) with modulated properties. Depending on the desired type of functionalization, facile and efficient methods can be used. Then, different types of amphiphilic block copolymers bearing reactive groups such as amino-acids can be prepared. These PLA based ABPs will allow preparing high functional biodegradable core-shell nanoparticles. Besides, to generate core-shell nanoparticles with improved mechanical strength and stability, covalent crosslinking of ABPs micelles will be performed.

Syntéza nanoclusterů jako potenciálních nosičů léčiv

Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
The use of polymer particles as tailored drug delivery systems is becoming more and more attractive. The reason for such growing interest is related to many degrees of freedom which polymer materials offer (biodegradable vs non-degradable polymers, hydrophilic vs. hydrophobic etc.) as well as form in which they can be produced (particles, capsules). Even though these approaches were successfully applied for production of particles containing single drug situation becomes more complicated when several drugs should be delivered at the same time or when drug in combination with imaging agent would be of interest. In this case newly developed Nano-Clusters (NC) can serve as a suitable delivery device. Goal of this project is to investigate several approaches how to efficiently produce such NC, i.e. aggregation followed by breakup, self-assembly of oppositely charged NP, aggregation driven by polyelectrolytes etc. To ensure biocompatibility of the produced NC primary particles will be produced out of biodegradable polymers with various degradation characteristics. In addition, various kind of amphiphilic compounds will be used to form vesicles or capsules. To ensure small size of formed NPs (desired to be less than 50 nm) several techniques will be applied such as nano-precipitation, emulsification followed by solvent removal, self-assembly of bock copolymers into micelles etc. Depending on the material best method will be selected and procedure will be optimized to tune NPs/vesicles size as well as corresponding size distribution. In the next step these nanoparticles will be assembled into NCs of various size and composition. Several techniques will be used for their characterization including light scattering, SEM, TEM etc. Release kinetics will be measured by applying fluorescent dyes, both hydrophobic and hydrophilic, to mimic the behaviour of the real drug molecules. Obtained results will be used to adjust block copolymer properties (length of blocks, their chemical compositions etc) to improve properties of final material.

Utváření mikro a nanostrukturovaných tepelně izolačních materiálů

Kosek Juraj, prof. Dr. Ing. ( Jur...@vscht.cz)
Zubov Alexandr, Ing. Ph.D. ( Ale...@vscht.cz)
Cílem tohoto projektu je optimalizace izolačních vlastností stávajících materiálů a vývoj nové generace izolačních materiálů na základě experimentálních a teoretických poznatků o utváření mikro- a nanostrukturovaných materiálů. Tyto materiály by výrazně snížily spotřebu energie na vytápění a také klimatizaci budov.
Připravovat mikro- a nanostrukturované materiály lze několika způsoby. Doktorand(ka) se bude věnovat zejména těmto metodám přípravy: (i) laserově a (ii) tlakově vyvolanému vypěňování a (iii) tepelně vyvolané fázové separaci. Laserově indukované vypěňování je zcela nová metoda, která umožňuje pozorovat prvopočátky utváření mikro- a nanostrukturovaných materiálů. Znalosti o prvopočátcích utváření takovýchto materiálů jsou nedostatečné, proto se stále ještě ve velkém nevyrábí mikro- a nanostrukturované materiály, jejichž tepelně izolační vlastnosti několikanásobně převyšují vlastnosti stávajících materiálů.
Tlakově vyvolané vypěňování umožňuje optimalizaci stávajících materiálů a používá se k tomu na místo běžně užívaných organických nadouvadel superkritický CO2, který je k životnímu prostředí šetrnější.
Metoda tepelně indukované fázové separace umožňuje připravovat různé mikro- a nanostrukturované materiály. Tím se otevírají nejen nové aplikační možnosti daných materiálů, ale také vývoj nové generace izolačních materiálů.
Doktorand(ka) bude mít k dispozici laboratoře velmi dobře vybavené pro strukturní analýzu materiálů (optický mikroskop, mikro-CT, SEM, AFM, Hg porozimetr, He pyknometr, BET, konfokální Raman) včetně přístrojů pro studium sorpčních, transportních a tepelně izolačních vlastností. Doktorand(ka) bude spolupracovat s AV ČR a s NTC-ZČU a bude vyslán(a) na pracovní pobyt na některé z evropských spolupracovišť. Tato práce je podporována granty a průmyslovými spolupracemi.

Info: tel. 220 44 3296, č.dv. B-145, e-mailjkk@vscht.cz, web http://kosekgroup.cz

Léčiva a biomateriály

Studijní program: Syntéza a výroba léčiv

Formulace aktivních léčebných ingrediencí ve formě amorfních disperzí pomocí extruze

Hassouna Fatima, Mgr. Ph.D.

Formulace léčiv ve forme nanosuspenzí

Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
Active Pharmaceutical Ingredients (API) are commonly small molecules which need to be delivered into human body in a dose which is sufficiently large to ensure proper pharmacokinetic activity. However, substantial drawback with their administration is their rather low solubility in the physiological fluids. To overcome this limitation currently the main approach to increase bioavailability of APIs is to prepare them in the form of nanoparticles. These can provide very large surface area and therefore increase the APIs bioavailability. Even though this approach is very attractive substantial challenge connected with it is the colloidal stability of formed nanoparticles which have tendency to aggregate and therefore change properties of the final product.
The goal of this project is to study the process of APIs formulation in the form of nanoparticles. Two top-down methods commonly used in the pharmaceutical industry will be considered in this work. In particular, ball milling and high pressure homogenization will be used to study process of particle size reduction. Process parameters such as frequency of the ball mill, properties of the used balls (number and their size), and time of milling will be used to investigate this process. On the other hand, in the case of high pressure homogenizer process parameters (i.e. applied pressure and number of passes through the device, viscosity of the carrier fluid etc.) will be considered. An alternative bottom-up approach based on emulsification method or nano-precipitation will be used to prepare nanoparticles of the same API. Since these approaches allow to perform micro-blending or chemical reaction during the process of nanoparticle preparation possibility to formulate API in the form of co-crystals or various blends will be investigated as well. Combination of several powerful techniques such as light scattering (dynamic and static), SEM, TEM and XRD will be used to characterize formed micro- and nanoparticles.
Final part of the project would be dedicated to the measurement of the API release kinetics. In the case of injectable for this would be realized in the isotonic conditions and evolution of API concentration in the liquid phase will be followed by UV spectrophotometry or by HPLC. In the case of oral dosing form prior measurement of API release formed nano- or micro-particles will be incorporated in the granules or tables. Measurement of the concentration of API in the liquid phase will be combined with the characterization of the liberated particles from granules or tables. This should provide better understanding of the formulation process as well as impact of API nano- or micro-particle properties on the API release kinetics.

Kinetika sušení polymerních roztoků a studium jejich mechanických vlastností

Štěpánek František, prof. Ing. Ph.D. ( Fra...@vscht.cz)
Proces fluidní granulace je klíčovým krokem při výrobě mnoha léčiv. Klíčovým parametrem k pochopení kinetiky procesu a jeho následné řízení je "lepivost" pojiva, což zpravidla bývá tenký film ve vodě rozpustného polymeru (např. PVP, HPMC), které je nastříknuto do fluidní vrstvy pomocí atomizační trystky. Ve fludní vrstvě dochází k současnému odpařování rozpouštědla a vrstvení pojiva na primárních částicích, což má za následek komplexní závislost rychlosti granulace na procesních parameterech a materiálových vlastnostech. Cílem projektu je tuto závislot detailně zmapovat na několika úrovních - od detailního studia transportních procesů na úrovni polymerního filmu, přes úrověň kolidujících částic, až po úroveň celého procesu. Kromě experimentální studie bude též vyvinut matematický model procesu granulace, zohledňující získané závislosti. Projekt bude probíhat ve spolupráci s průmyslovým partnerem (PSE Ltd.).

Povrchové vlastnosti lékových forem a jejich vlyv na in-vitro kinetiku vylučování léčiva

Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
Goal of this project is to investigate the effect of surface properties of API and other excipients on in-vitro dissolution behaviour. To simplify the formulation process dry compactification will be used to prepare samples for further studies. Student will be involved in the characterization of surface properties of pure API prepared in various forms (powders with different sizes) using contact angle measurement, surface area characterization, zeta-potential measurement, AFM and Raman mapping. These information will be in the next step correlated with the in-vitro dissolution kinetics of the same API from prepared samples. Particular attention will be dedicated to the interplay between properties of API and other excipients such as hydrophobicity, wettability of API covered with surfactants etc. To obtain complete information about API state characterization of solid state (particle size and size distribution, composition etc.) various techniques such as light scattering, Raman and fluorescence spectroscopy, and image analysis will be combined with the measurement of the liquid phase composition by HPLC and spectrophotometry. Gained knowledge will be used to develop strategies to predict and control dissolution profiles of new APIs. Due to application of several advanced analytical technique knowledge of data treatment and mathematical modelling using MATLAB or equivalent program will be a good asset.

Povrchové vlastnosti lékových forem a jejich vlyv na in-vitro kinetiku vylučování léčiva

Šoóš Miroslav, doc. Ing. Ph.D.
Goal of this project is to investigate the effect of surface properties of API and other excipients on in-vitro dissolution behaviour. To simplify the formulation process dry compactification will be used to prepare samples for further studies. Student will be involved in the characterization of surface properties of pure API prepared in various forms (powders with different sizes) using contact angle measurement, surface area characterization, zeta-potential measurement, AFM and Raman mapping. These information will be in the next step correlated with the in-vitro dissolution kinetics of the same API from prepared samples. Particular attention will be dedicated to the interplay between properties of API and other excipients such as hydrophobicity, wettability of API covered with surfactants etc. To obtain complete information about API state characterization of solid state (particle size and size distribution, composition etc.) various techniques such as light scattering, Raman and fluorescence spectroscopy, and image analysis will be combined with the measurement of the liquid phase composition by HPLC and spectrophotometry. Gained knowledge will be used to develop strategies to predict and control dissolution profiles of new APIs. Due to application of several advanced analytical technique knowledge of data treatment and mathematical modelling using MATLAB or equivalent program will be a good asset.

Vývoj biorelevantních in vitro disolučních metod za použití tkáňového inženýrství

Štěpánek František, prof. Ing. Ph.D. ( Fra...@vscht.cz)
Beránek Josef, Ing. Ph.D.
Standardní disoluční metody jsou povětšině založeny na studiu fyzikálního rozpouštění účinní látky do vodného pufru, případně spojeného s extrakcí do organické fáze. Tyto metody nejsou vždy schopné predikovat in vivo chování a je proto žádoucí pokusit se vyvinout in vitro metody, které by lépe pokryly jednotlivé kroky, při nichž během rozpouštění a vstřebávání léčiv dochází. Cílem tohoto projektu je vytvořit platformu na bázi tkáňového inženýrství, která by umožňovala nejen studium disoluce, ale také studium kinetiky přestupu účinné látky přes biologické bariéry.
Zásady: - Zmapujte současnou literaturu na téma in vitro disolučních modelů využívajcích hybridní a biomimetické membrány pro simulaci vstřebávání léčiva
- Navrhněte, zkonstruujte a ověřte disoluční celu využívající kompozitní membránu s obsahem buněčné kultury a/nebo modelové střevní mikrobioty
- S pomocí vhodně zvolených lékových forem a účinných látek prozkoumejte aplikovatelnost disoluční cely pro účely in vito - in vivo korelací

Technická kybernetika

Studijní program: Chemické a procesní inženýrství (čtyřleté)

Adaptivní metody analýzy a zpracování vícekanálových dat při sportovních aktivitách

Procházka Aleš, prof. Ing. CSc. ( pro...@vscht.cz)
Vaseghi Saeed, Prof. Ph.D.
Téma práce je zaměřené na adaptivní metody analýzy vícekanálových dat včetně potlačování jejich aditivních rušivých složek s využitím obecných metod číslicového zpracování signálů, jejich analýzy v časové a frekvenční oblasti a číslicové filtrace. Práce zahrnuje rozbor korelačních závislosí fyziologických a GPS dat s návazností na fyzické a sportovní aktivity.

Adaptivní vyhodnocování biomedicínckých časových řad s využitím ne-Shannonovských entropií

Procházka Aleš, prof. Ing. CSc. ( pro...@vscht.cz)
Bukovský Ivo, Doc. Ing. Ph.D.
Výzkum tématu se zaměří na analýzu časových řad s využitím vlastního principu učení se neuronových sítí a adaptivní detekce neočekávaných stavů pro vyhodnocování a diagnostiku biosignálů (EEG). Z oblasti neuronových sítí se předpokládá zaměření na nekonvenční neuronové modely lineární v parametrech (např. polynomiální neuronové architektury HONU). Jako vyhodnocovací algoritmus budou zkoumány vlastní průběhy procesů učení neuronových sítí (např. vycházející z algoritmu Learning Entropy) a vývoj metody pro detekci a diagnostiku časových řad (EEG). Podstatným rysem vyvíjené metodiky detekce a diagnostiky signálů bude robustnost vůči nedokonalostem (chybám) samotných prediktivních modelů.

Analýza biomedicínských signálů pro určení míry vyčerpání

Mareš Jan, doc. Ing. Ph.D. ( mar...@vscht.cz)
Téma práce je zaměřené na vývoj a porovnání neinvazivních metod klasifikace míry vyčerpání operátora technologického procesu, založených na analýze vybraných biomedicínských dat. Práce předpokládá (i) studium pokročilých metod analýzy biomedicínských signálů, (ii) návrh konkrétních metod a algoritmů pro klasifikaci vyčerpání a (iii) implementaci a verifikaci.

Analýza obrazů a třírozměrné modelování v diagnostice poruch spánku

Procházka Aleš, prof. Ing. CSc. ( pro...@vscht.cz)
Vyšata Oldřich, MUDr. PhD. ( vys...@vscht.cz)
Práce zahrnuje analýzu metod pro lokalizaci a detekci vlastností třírozměrných objektů s využitím obrazových a prostorových sensorů systému MS Kinect. Výzkumná část práce je následně věnována návrhu metod zpracování videosekvencí pro výběr vlastností a klasifikaci záznamů pohybových aktivit a včasnou diagnostiku poruch spánku. Součástí práce je statistická analýza vybraných vlastností s využitím metod číslicového zpracování signálů, geometrického modelování a počítačové inteligence.

Bezdotykové řízení prototypu mobilního robotického asistenta

Mareš Jan, doc. Ing. Ph.D. ( mar...@vscht.cz)
Vyšata Oldřich, MUDr. PhD. ( vys...@vscht.cz)
Téma práce je zaměřené na vývoj a porovnání metod bezdotykového řízení mobilního robota, založených na analýze vybraných biomedicínských dat. Práce předpokládá (i) studium pokročilých metod analýzy signálů, robotiky a kybernetiky (ii) návrh konkrétních metod a algoritmů pro řízení a (iii) implementaci a verifikaci na prototypu mobilního robota.

Elektronová mikroanalýza struktury chemických senzorů toxických plynů a par

Kopecký Dušan, Ing. Ph.D. ( kop...@vscht.cz)
Vrňata Martin, prof. Ing. Dr. ( vrn...@vscht.cz)
Skenovací elektronová mikroskopie (SEM) a energiově disperzní spektroskopie (EDS) patří mezi dvě základní a nejdůležitější metody elektronové mikroanalýzy. Dohromady vytváří mocný nástroj pro studium nano a mikroobjektů v prostoru i energiích a spolu s pokročilými metodami počítačového zpracování signálů a obrazů umožňují poodhalit strukturu a složení, případě defekty a znečišťující příměsi v řadě miniaturních zařízení. Cílem této práce je studium topologie a povrchového složení citlivých vrstev chemických senzorů a jejich vlivu na schopnost senzorů detekovat nízké koncentrace toxických plynů a par. Práce se bude věnovat zejména moderním metodám mapování povrchů a korelaci získaných dat s parametry depozičních procesů. V práci budou využity pokročilé metody zpracování signálů z detektorů sekundárních a zpětně odražených detektorů, analýzy obrazu a kvantitativní a kvalitativní analýzy prvkového složení vzorku.

Inteligentní textilie pro detekci chemických bojových látek a jejich simulantů

Vrňata Martin, prof. Ing. Dr. ( vrn...@vscht.cz)
Fitl Přemysl, Ing. Ph.D. ( f...@vscht.cz)
Inteligentní textilie pro detekci plynů představují novou třídu senzorů tvořených substrátem z dielektrické tkaniny (nejčastěji polyester nebo polyamid) a tenkou citlivou vrstvou organického vodiče, jejíž elektrické vlastnosti jsou modulovány přítomností sledovaného plynného analytu. V nedávné době byly syntetizovány tzv. polymerní iontové kapaliny, navržené jako kationtové nebo aniontové vodiče, a při prvních experimentech vykázaly inteligentní textilie z nich připravené dobrou citlivost na bojové chemické látky (sarin) i jejich simulanty (diethylmalonát). Výzkum užití polymerních iontových kapalin v senzorice plynů je ovšem dosud teprve v počátečním stadiu. Přitom inteligentní textilie nacházejí kvůli svým výhodným vlastnostem (schopnost detekovat toxické látky za pokojové teploty, ohebnost substrátu, nízké náklady na přípravu) uplatnění v konceptu tzv. "inteligentního oděvu", tj. oděvu osazeného senzory, a jsou již v současné době využívané armádními a bezpečnostními složkami. Disertační práce se zaměří zejména na přípravu inteligentních textilií, charakterizaci chemického složení a elektrotransportních vlastností vybraných polymerních iontových kapalin a systematický výzkum odezvy vytvořených senzorů na chemické bojové látky i jejich simulanty.

Metody posilovaného učení v modelování a řízení biotechnologických procesů

Náhlík Jan, prof. Ing. CSc. ( nah...@vscht.cz)
Biotechnologické procesy jsou velmi složité, nelineární a časově proměnné systémy, pro něž je velmi obtížné získat odpovídající modely. Proto v této oblasti nabývají na významu metody, které jsou schopné se chování systému samy naučit. Práce je zaměřena na studium a možné aplikace metod posilovaného (zpětnovazebního) učení, které jsou právě schopné se učit v pro ně na začátku neznámém prostředí, v oblasti biotechnologií.

Možnosti aplikace baktericidních vlastností korónového výboje

Scholtz Vladimír, doc. Ing. Ph.D. ( sch...@vscht.cz)
Khun Josef, Ing. Ph.D.
Nízkoteplotní plazma, vzhledem ke svým baktericidním vlastnostem, může být vhodnou náhradou konvenčních sterilizačních metod. Práce je zaměřena především na korónový výboj a jeho možné praktické aplikace pro dekontaminaci až sterilizaci povrchů nebo kapalin. Výsledky by mohly být využitelné pravděpodobně v laboratorní praxi. Zároveň je tady prostor pro výzkum vlivu baktericidního agens korónového výboje na různé typy bakterií, jejich spór, kvasinek a případně i jiných mikroorganismů.

Počítačové modelování nízkoteplotního plazmatu a elektrických výbojů

Scholtz Vladimír, doc. Ing. Ph.D. ( sch...@vscht.cz)
Khun Josef, Ing. Ph.D.
Předmětem práce je počítačové modelování nízkoteplotního plazmatu, především v souvislosti s jeho generováním v elektrických výbojích, což by mělo přispět k objasnění chemických reakcí ve výbojích a jejich prostorového rozložení. Práce předpokládá seznámení se s problematikou fyziky plazmatu, počítačovým modelováním, výběr vhodné resp. vhodných metod k modelování vybraného problému a kontrolu s experimentem. Práci je možné spojit i s výzkumem baktericidních vlastností nízkoteplotního plazmatu a případně modelovat interakci plazmatu s organickými strukturami.

Pokročilé metody informačního vytěžování dat a jejich využití pro řízení bioprocesů

Náhlík Jan, prof. Ing. CSc. ( nah...@vscht.cz)
Hrnčiřík Pavel, Ing. Ph.D. ( hrn...@vscht.cz)
V současnosti dochází k bouřlivému vývoji v oblastech metabolického inženýrství a mikro a nano měřicích metod s cílem pochopit buněčné aktivity spojené např. s vysokou produktivitou či výtěžností bioprocesu. Výzkum biotechnologických procesů tak generuje velké objemy dat, v nichž jsou obsaženy důležité informace o vlastnostech a chování těchto procesů. Práce je zaměřena na studium a aplikaci vybraných metod z oblasti umělé inteligence při zpracování těchto dat. Získané znalosti budou implementovány v podobě softwarových agentů a následně použity k pokročilému řízení vybraného biotechnologického procesu.

Polynomiální neuronové architektury pro vícerozměrné dynamické systémy

Bukovský Ivo, Doc. Ing. Ph.D.
Mareš Jan, doc. Ing. Ph.D. ( mar...@vscht.cz)
Výzkum se zaměří na polynomiální neuronové architektury HONU pro dynamické systémy s vice vstupy a vice výstupy. V současném stavu jsou HONU prozkoumány pro jednovstupové systémy a dalším krokem je identifikce a řízení složitějších nelineárních dynamických systémů (chemicko-technologických procesů) s těmito volitelně nelineárními modely, přičemž jejich optimalizace je lineární úloha.

Registrace a analýza záznamu optické koherentní tomografie

Vyšata Oldřich, MUDr. PhD. ( vys...@vscht.cz)
Procházka Aleš, prof. Ing. CSc. ( pro...@vscht.cz)
Práce zahrnuje rozbor dat porízených optickou koherentní tomografií (OCT) pro analýzu struktur oka a ocního nervu, Výzkumná cást obsahuje studium metodiky registrace obrazu, casovou detekci jejich zmen a návrh Bayesovské klasifikace vybraných příznaků s využitím výpocetní inteligence v souvislosti s léčbou zánětu očního nervu. Výsledné algoritmy budou overeny na skupine nemocných a zdravých jedincu z hlediska progrese postižení a využity ke včasné diagnostice poruch zraku v klinické praxi.
Zásady:
Vytvoření grafického uživatelského rozhraní pro zpracování snímku OCT
Odhad doplerovské frekvence pomocí Kasai algoritmu
Zobrazování elasticity na OCT pomocí vzájemné korelace
Tuhá a elastická registrace OCT obrazu
Extrakce příznaků a jejich Bayesovská klasifikace
Statistické modelování morfologických změn a změn prokrvení sítnice v průběhu hojení optické neuritidy

Registrace a analýza záznamů optické koherentní tomografie

Vyšata Oldřich, MUDr. PhD. ( vys...@vscht.cz)
Procházka Aleš, prof. Ing. CSc. ( pro...@vscht.cz)
Práce zahrnuje rozbor dat pořízených optickou koherentní tomografií (OCT) pro analýzu struktur oka a očního nervu, Výzkumná část obsahuje studium metodiky registrace obrazů, časovou detekci jejich změn a návrh Bayesovské klasifikace vybraných příznaků s využitím výpočetní inteligence v souvislosti s léčbou zánětu očního nervu. Výsledné algoritmy budou ověřeny na skupině nemocných a zdravých jedinců z hlediska progrese postižení a využity ke včasné diagnostice poruch zraku v klinické praxi.

Specifické receptory v chemických senzorech

Kopecký Dušan, Ing. Ph.D. ( kop...@vscht.cz)
Vrňata Martin, prof. Ing. Dr. ( vrn...@vscht.cz)
Stávající experimentální chemické senzory na bázi organických látek jsou progresivní elektronické součástky, které však stále trpí řadou neduhů, zabraňujících jejich nasazení do reálných aplikací. Fundamentálním nedostatkem těchto chemických senzorů je jejich nízká selektivita. V praxi se takové senzory projevují vysoce citlivou odezvou na nízké koncentrace různých plynů a par, avšak zároveň nejsou schopny rozlišovat mezi detekovaným analytem a případnými interferenty. V současné době je proto testována řada metod, které by měly tyto problémy překonat. Mezi nejdůležitější patří například molekulární imprinting nebo metody, na které cílí tato práce - chemické a fyzikální funkcionalizace citlivého materiálu chemického senzoru. Cílem práce je systematicky prozkoumat vybrané metody chemické a fyzikální funkcionalizace organických materiálů jako jsou vodivé polymery a makromolekuly vyznačující se charakterem polovodičů. Obě metody budou zkoumány z hlediska mechanismů a kvality implantace specifických receptorů do organických materiálů. Dále bude sledováno jejich výsledné rozložení v citlivé vrstvě chemického senzoru například pomocí prvkového mapování energiově disperzní spektroskopie. Takto modifikované chemické senzory budou testovány v atmosférách analytů toxických a výbušných plynů a par a jejich odezvy budou statisticky porovnány s nestrukturovanými protějšky.

Studium intenzifikace netermálních výbojů a jejich použitelnosti pro účely dekontaminace povrchů a kapalin

Scholtz Vladimír, doc. Ing. Ph.D. ( sch...@vscht.cz)
Khun Josef, Ing. Ph.D.
Cílem práce je intenzifikace stávajících netermálních výbojů s ohledem na možnost jejich použití pro účely dekontaminace povrchů a kapalin. Intenzifikací se rozumí dosažení vyšších výkonů výbojů, popřípadě dosažení kvalitativní změny v jejich režimu bez nežádoucích jevů, jakými jsou přechod do jiskry nebo do oblouku, nadměrný ohřev v oblasti výboje atd. Modifikace (intenzifikace) může být obecně provedena například zařazením vhodného prvku do elektrického obvodu výboje, změnou geometrie elektrod, změnou charakteru napájecího napětí výboje nebo ovlivňováním již vytvořeného plazmatu mezi elektrodami výboje. Poslední možnost zahrnuje například dodatečné přivádění proudícího plynu do prostoru mezi elektrodami, působení elektromagnetického pole či ultrazvuku na plazma, atd. Intenzifikovaný výboj bude poté testován pro účely dekontaminace povrchů nebo kapalin. Bude zjišťována zejména jeho dekontaminační účinnost (procentuální úbytek bakterií po expozici výbojem) a energetická výtěžnost dekontaminace (počet umrtvených bakterií na jednotku energie přivedené do výboje).

Vícerozměrné statistické metody řízení bioprocesů

Hrnčiřík Pavel, Ing. Ph.D. ( hrn...@vscht.cz)
Vsádkové a přítokované kultivace užívané v biotechnologických výrobních procesech ve farmacii a potravinářství jsou typickým příkladem technologických procesů, které nelze efektivně monitorovat a řídit pouze na základě jedné procesní veličiny. Jedním z možných řešení je použití vícerozměrných statistických metod typu analýzy hlavních komponent (PCA) a částečných nejmenších čtverců (PLS). Práce je zaměřena na studium a aplikaci výše uvedených metod pro pokročilé řízení a monitorování vybraného biotechnologického procesu.

Využití nanostrukturovaných a nanoporezních materiálů pro senzory plynů

Fitl Přemysl, Ing. Ph.D. ( f...@vscht.cz)
Vrňata Martin, prof. Ing. Dr. ( vrn...@vscht.cz)
Významný rozvoj technologií přípravy nanomateriálů v posledních dvou dekádách umožnil přípravu celé řady senzoricky aktivních materiálů s unikátní strukturou a vlastnostmi. Poměrně jednoduchými vakuovými technikami je dnes z materiálů používaných pro chemické senzory možno připravovat nanočástice, nanodráty, případně nanotrubice definovaných rozměrů a tvarů na celé řadě substrátů. Z hlediska chemické senzoriky vykazují takto nanostrukturované materiály v mnoha směrech unikátní vlastnosti (nízká pracovní teplota, vysoká citlivost a selektivita). Cílem práce bude návrh a realizace senzorů s různě nanostrukturovanými aktivními vrstvami, nosiči aktivních vrstev a příprava selektivních nanomembrán nad aktivní detekční vrstvou.

Využití pokročilých metod zpracování signálů při návrhu virtuálního velínu

Mareš Jan, doc. Ing. Ph.D. ( mar...@vscht.cz)
Téma práce je zaměřené na vývoj a realizaci tzv. virtuálního velínu vybraného reálného technologického procesu. Projekt je založen na analýze vybraných biomedicínských dat, 3D modelování a virtuální realitě v inženýrství. Práce předpokládá (i) studium pokročilých metod analýzy biomedicínských signálů a 3D modelování, (ii) návrh konkrétních metod a algoritmů pro virtualizaci a řízení procesu (iii) implementaci a verifikaci.

Využití pokročilých optimalizačních metod pro výpočty rovnovážných konstant

Mareš Jan, doc. Ing. Ph.D. ( mar...@vscht.cz)
Výpočty rovnovážných konstant komplexních sloučenin vedou často na netriviální optimalizační úlohy. Práce předpokládá (i) osvojení pokročilých metod optimalizace, (ii) návrh a realizaci výpočetních algoritmů pro optimalizaci rovnovážných konstant komplexů a (iii) implementaci ve formě webové aplikace a verifikace.


Přehled projektů doktorského studia nabízených Ústavem chemických procesů Akademie věd ČR naleznete →ZDE

Aktualizováno: 8.3.2017 12:05, Autor: fchi

VŠCHT Praha
Technická 5
166 28 Praha 6 – Dejvice
IČO: 60461373
DIČ: CZ60461373

Datová schránka: sp4j9ch

Copyright VŠCHT Praha 2014
Za informace odpovídá Oddělení komunikace, technický správce Výpočetní centrum

VŠCHT Praha na sociálních sítích
zobrazit plnou verzi