Studentská vědecká konference 2019

Koloidní suspenze jsou nepostradatelné v mnoha průmyslových odvětvích, jako jsou například nátěrové hmoty, detergenty, farmacie a další. Pro všechny aplikace koloidních suspenzí je kritická jejich stabilita. Nestabilní suspenze agregují, což může vést ke znehodnocení produktu a finančním ztrátám. Ke stabilizaci koloidních suspenzí lze použít dva druhy povrchově aktivních látek (surfaktantů): (i) ionogenní (elektrostatická stabilizace) a (ii) neionogenní (stérická stabilizace), kterými můžou být například řetězce krátkých polymerů kompatibilních jak s rozpouštědlem, tak s povrchem koloidních částic. Popis a pochopení dílčích mechanismů přispívajících ke stérické stabilizaci je poměrně složitý a zůstává otevřeným problémem. Za účelem modelování stéricky stabilizovaných suspenzí používáme tzv. metodu diskrétních elementů. Chování suspenze je určeno pohybem jednotlivých částic, jenž je dán výslednicí sil působících na ně. V modelu jsou zahrnuty kontaktní i nekontaktní mezičásticové interakce, interakce se stěnou, vzájemná interakce mezi částicemi a tekutinou. Model poskytuje cenná data o chování suspenze a jejích vlastnostech, zejména viskozitě. Model je kvantitativně validován srovnáním s experimentálními daty popisujícími rheologické vlastnosti suspenze za různých podmínek.

Modelování hoření methanu Bc. Martin Jůza Školitel: doc. Dr. Ing. Milan Jahoda Numerický model hoření methanu je snadno aplikovatelný na předpověď průběhu úniku zemního plynu z trubek nebo zásobníků a jeho následném zahoření. Díky němu lze získat představu o rychlosti proudění plynných složek, koncentraci methanu nebo o teplotním profilu ve sledovaném prostoru.  Funkční model hoření methanu lze později využít v oblasti požární bezpečnosti, například při prevenci (umístění koncentračních čidel nebo výpočet teploty v blízkosti stavebních konstrukcí), represi (ochrana zasahujících jednotek hasičů) nebo při vyšetřování příčin vzniku požárů. Správnost modelu je vždy třeba ověřit experimentem (validovat), teprve potom lze model aplikovat na další procesy. Tato práce se zabývá numerickou simulací hoření methanu v programu Fluent v místnosti podle experimentu provedeného L. Stecklerem a kol. (1982). Experiment byl zvolen z důvodu velkého množství publikovaných experimentálních dat. Vytvoření modelu slouží k získání základních dovedností při práci v řešiči Fluent a ověření vhodnosti nastavení parametrů modelových rovnic a numerického řešiče.  

Cílené doručování léčiv by mohlo být revolučním přístupem při léčbě rakoviny. Tato metoda  přináší výhodu specifického doručení léčiva do nádoru, což vede ke snížení vedlejších účinků  a zvýšení účinnosti léčby. Jedním z největších omezení současné aplikace této léčby je  odstranění nanočástic buňkami imunitního systému - makrofágy. Toto vede ke snížení doby  cirkulace v krevním řečišti a tím pádem také k potlačení účinnosti léčby. Křemičité nanočástice  byly modifikovány polymerem poly N-(2-Hydroxypropyl) methacrylamidu a monoklonální  protilátkou IgG M75 (protilátka proti Karbonické Anhydráze IX, která je exprimovaná na  povrchu mnoha nádorových buněk a umožňuje tedy aktivní cílení nanočástic do nádorových  tkání). Fluorescenční mikroskopie v kombinaci s průtokovou cytometrií byla použita za účelem  pochopení procesů fagocytózy makrofágů (buněčná linie J744.A1) a specifických interakcí  protilátka-antigen (buněčná linie HT-29 nadměrně exprimující CA IX). Získaná data budou  dále použita pro vývoj farmakokinetického modelu popisujícího výše uvedené procesy.

This work deals with a model pharmaceutical formulation, consisting of ibuprofen as the API, lactose and microcrystalline cellulose as filler and pregelatinized starch as a binder, where water was added as liquid binder to the mixture during high-shear granulation. This formulation was subjected to a parametric study in a laboratory scale high-shear wet granulator. Firstly bulk dissolution tests were measured. The structure of the produced granules was e xamined by x-ray micro computed tomography, while single granule dissolution experiments were conducted using the Sirius Surface Dissolution UV-Imager providing the real-time 2D UV maps of API concentration profiles in the vicinity of the granule. By coupling those two techniques, a toolbox for investigation of a granule structure-dissolution relationship was created and the granule properties were correlated with the granulation formulation parameters and bulk dissolution tests.

Mezi škodlivé látky vznikající nedokonalým spalováním v automobilových motorech patří zejména plynné škodliviny jako oxid uhelnatý či nespálené uhlovodíky, ale také pevné mikročástice, obecně nazývané saze. Všechny tyto látky je zapotřebí co nejúčinněji zachycovat již ve výfukovém potrubí automobilu, což umožňuje katalytický filtr pevných částic. Jedná se o keramický monolitický filtr pevných částic, na jehož stěny je nanesena tenká katalytická vrstva obsahující vzácné kovy, jež zajišťují konverzi nežádoucích plynů. Jako základ této vrstvy je použit porézní γ-Al₂O₃ ve vodné suspenzi, do které je filtr namáčen, přebytečná suspenze je vyfouknuta stlačeným dusíkem a vrstva vysušena. Výslednou tloušťku, strukturu a umístění nanesené vrstvy lze ovlivnit zejména různou velikostí částic γ-Al₂O₃, různě voleným pH vodné suspenze či navlhčením filtru před nanášením. Připravené vzorky katalytických filtrů jsou následně analyzovány pomocí snímků z elektronového mikroskopu (SEM). Klíčové je, aby při průchodu spalin vrstvou docházelo k co největší chemické konverzi škodlivých plynů, účinné filtraci pevných částic při současném zachování nízké tlakové ztráty filtru. Toho lze docílit například vhodnou distribucí vrstvy do pórů stěny filtru či větším výskytem různě velkých makropórů ve vrstvě.

Tato práce se zabývá studiem adheze bublin na pevném povrchu ve vodných roztocích n-propanolu. Ve vodných roztocích alkoholů dochází vlivem přítomnosti vodíkových vazeb k tvorbě mikrostruktur, což výrazně ovlivňuje chování kapalné fáze i bublin. Příkladem anomálního chování je nelineární průběh povrchového napětí, viskozitní maximum nebo měnící se odporový koeficient pro výpočet stoupavé rychlosti bublin. V případě propanolu dochází ke skokové změně při koncentraci 7 mol. %. Přídavek alkoholu do vody ovlivňuje adhezi bubliny, při níž dochází ke změně velikosti třífázového rozhraní, úhlu smáčení a mobility povrchu bubliny. V experimentální části této práce byly vysokorychlostní kamerou snímány adheze bublin v roztocích propanolu v celém koncentračním rozsahu. Data byla vyhodnocena pomocí obrazové analýzy NIS-Elements. Z experimentálních dat byla vyhodnocena mobilita povrchu bubliny. V čisté vodě má bublina plně mobilní povrch. Se zvyšující se koncentrací roztoku mobilita klesá a kapalina se chová jako roztok povrchově aktivní látky. Při koncentraci nad 7% propanolu dochází ke skokové změně charakteru fázového rozhraní, které je plně imobilní s extrémně rychlou desorpcí molekul alkoholu.  

Příprava biomedicínských vzorků (například proteinů nebo DNA) pro jejich analýzu je mnohdy kvůli nízkým detekčním limitům zásadní pro úspěšnost celého procesu. Předkoncentrace, neboli lokálního zvýšení koncentrace dané molekuly nebo iontu, lze docílit pomocí iontové koncentrační polarizace. Umístěním iontově-výměnné membrány do vnějšího DC elektrického pole vznikají na jejích opačných stranách oblasti obohacené a ochuzené o ionty, v nichž se ustanoví nelineární gradient elektrického pole. Iontově vyčerpaná vrstva může v některých případech působit jako nemechanický filtr pro nabité molekuly a ionty. V této práci je iontově vyčerpaná vrstva využita k předkoncentraci záporně nabitých částic fluoresceinu v mikrofluidním kanálku se dvěma kationtově výměnnými membránami.   Byl zkoumán vliv rozdílných hodnot průtoků a aplikovaného napětí na pozici a tvar zakoncentrovaného útvaru ve třech geometrických variantách čipu: s rovným, zužujícím a rozšiřujícím se kanálkem. V druhé části práce byly tyto čipy porovnávány z hlediska účinnosti odsolování protékajícího roztoku od molekul chloridu draselného. Cílem tohoto výzkumu je vytvoření průtočného systému realizujícího předkoncentraci a separaci iontů z roztoku uplatňujícího iontovou koncentrační polarizaci.  

Many tons of latex for coating purposes are synthetized every year. This widely used material forms a stable dispersion (emulsion) of polymer microparticles in an aqueous medium. Polymer latexes are synthesized from petroleum-based chemicals, and are further processed, e.g., to tires, gloves or coatings, which are formed from latex paints. The formation of latex films is thoroughly discussed in literature, because it is important to understand this process in order to determine the required properties of the manufactured latex and the optimum film-forming conditions. It was shown in many studies that the time and the temperature of film formation and storage conditions have a great impact on the degree of particle coalescence. Therefore, in this work the temperature dependence of the latex film formation and its morphology are investigated by the use of scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM). To obtain the uniform latex layer, the latex was sprayed onto a thin glass using electro-spray or was simply cast on a glass. The samples used for the investigation of latex film formation were monodisperse polystyrene particles (PS) and poly(butyl acrylate) solution (PBA).  

V mnoha odvětvích chemického, farmaceutického a potravinářského průmyslu jsou mj. využívány mechanicky míchané reaktory, ve kterých je dispergován plyn. Takovéto reaktory jsou využívány například k fermentaci, chloraci či hydrogenaci. Pro správný návrh a konstrukci zařízení je nutné znát transportní charakteristiky, zejména objemový koeficient přestupu hmoty k_La. Hodnota k_La je mj. závislá na velikosti zádrže plynu a příkonu míchadel. Znalost uvedených charakteristik je nutná pro predikci přestupu hmoty při návrhu mechanicky míchaných zařízení. Měření příkonu probíhalo na poloprovozní nádobě o vnitřním průměru 59 cm. Nekoalescentní vsádka byla simulována 0,5 M roztokem síranu sodného. K formulaci výpočetních vztahů pro predikci transportních charakteristik v navrhovaných provozních nádobách byla také využita data naměřená na laboratorní nádobě. Vedle měření příkonu a následného testování korelačních rovnic byla také stanovována hodnota otáček míchadla, při níž dochází ke kompletní disperzi plynu, N_CD. Znalost hodnot N_CD bude po vybudování obsáhlejší databáze rovněž využita k vytvoření nových korelačních rovnic pro predikci přestupu hmoty. Získané korelace přispějí ke snížení energetických a materiálových nákladů nově navrhovaných zařízení.  

The increasing emphasis on reducing emissions from transportation is forcing the automotive industry to improve its technology. One of such recently proposed improvements is a catalytic particulate filter, combining catalytic converter with a filter. This combination has many advantages such as lower production costs, space requirements and overall heat losses. The required key properties of this device are minimum pressure drop and maximum conversion and filtration efficiency. They depend mainly on the quality and distribution of catalytic layer (washcoat) and the size, number and structure of the pores. This study investigates influence of the catalyst distribution on pressure drop and conversion in several bare and coated filters. The filter microstructure is reconstructed in 3D using X-ray tomography images and its impact on the sample performance is studied by pore-scale mathematical models of flow, diffusion and reaction implemented in OpenFOAM.