Studentská vědecká konference 2020

Ejektor typu kapalina-plyn je poměrně rozšířeným druhem proudového čerpadla. Využívá tlakové energie kapaliny k dopravě a stlačení plynu, přičemž z ejektoru vystupují obě média společně jako disperze. Se zařízeními, pracujícími na stejném principu, se běžně setkáváme v podobě rozprašovačů či vodních vývěv. Ejektory kapalina-plyn ale nachází uplatnění především v průmyslu jako vývěvy, vysokokapacitní distributory plynu a zařízení pro intenzivní přestup hmoty. Vzhledem ke svému kompaktnímu designu a absenci pohyblivých částí jsou ejektory levnou, spolehlivou a bezpečnou alternativou k tradičně používaným aparátům. Širšímu průmyslovému nasazení ovšem brání absence spolehlivých návrhových metod; jednou z nezodpovězených otázek je například vliv orientace zařízení na jeho hydrodynamické a transportní vlastnosti. Tato práce se proto zabývá studiem hydraulického chování ejektoru kapalina-plyn v závislosti na orientaci zařízení. V příspěvku jsou prezentovány, porovnány a diskutovány hydraulické charakteristiky změřené na třech limitních orientacích ejektoru voda-vzduch.

Turbulence is pivotal in most industrial applications of computational fluid dynamics (CFD). Nevertheless, direct simulations of all the spatio-temporal scales involved in turbulent flows are impractical due to the required computing power. Thus, to account for effects of turbulence in their simulations, CFD engineers rely on an extensive library of mostly empirical models for a scarcely understood phenomenon. A way to shed some light into the dark abyss of turbulence is via examination of coherent structures observed in fully turbulent flows. Our work is dedicated to both experimental and numerical study of the flow in the wake of a circular cylinder at Reynolds number of 5000. Main contributions of this work lie in (i) selecting a turbulence model capable of delivering accurate flow data in a realistic time frame, (ii) generating and fine-tuning a CFD mesh to directly compute ~97% of the flow kinetic turbulent energy and to exactly simulate the flow separation on the cylinder surface, and (iii) validating computed POD outputs against 2D PIV experiment and using CFD to extend the experimental data.

As various autoimmune diseases, cancer, bacterial and viral diseases, and even global pandemics become larger thread every year, new treatments emerge. One of the main issues of newly synthetized drugs is their poor solubility in water, which impeaches the range of options of their delivery to the body. Targeted drug delivery is a promising way to deliver the drug to the place of effect, ideally without the affecting any other part of the body, thus minimizing the side effects. The previous research has focused on so-called protocells, composite particles made of mesoporous silica nanoparticles (MSNs) core, and liposome outer bilayer (GA, A). Though this system was quite promising, there are other, potentially better approaches, such as nanocrystalline formulation (GA, B). In this work, direct encapsulation of drug nanocrystals was studied along with their preparation, stabilization and possible uses. The crystalline form should improve the solubility similarly to the MSNs carriers while ideally surpassing the issues with the MSNs encapsulation. The benefit of the nanocrystalline form is further supported by direct comparison of the two systems, where the measured loading capacity of protocells is around 45% of curcumin by weight within a protocell and 83% for the nanocrystal.  

Farmaceutický priemysel neustále napreduje. Vyvíja ako nové lieky, tak aj nové spôsoby formulácie už existujúcich liečiv. Cieľom môže byť napríklad zvýšenie potencie liečiva, čo vedie k zníženiu potrebnej dávky, s následkom zvýšenia uživateľského komfortu. Taktiež v súčasnosti je snaha vyvíjať liečivá s komplexnou disolučnou krivkou. Preto táto práca nasleduje aktuálny trend a je zameraná na kontrolované, a riadené rozpúšťanie liečiv. Rýchlosť rozpúšťania častíc API (Active Pharmaceutical Ingredient) rozptýlených v kvapaline sa odvíja od špecifického povrchu častíc. Tento špecifický povrch je možné obmieňať prostredníctvom počiatočnej distribúcie veľkosti častíc (PSD) súvisiaceho rovnako tak s populačnou bilanciou. Na vytvorenie takej PSD, ktorej výsledkom bude predpísaná krivka rozpúšťania, bola preskúmaná kinetika rozpúšťania viacerých veľkostných frakcií a ich kobinácií s rozličnou bi-modálnou distribúciou častíc. Pre lepšie pochopenie rozpúšťania častíc a predikciu predpísaných kriviek rozpúšťania, bude zostrojený matematický model opisujúci rozpúšťanie častíc v závislosti na počte a veľkosti častíc API.  

Elektrodialýza je elektromembránový proces využívající se v dnešní době zejména k odsolování mořských vod, odstraňování solí z biotechnologických či potravinářských produktů nebo k přípravě pitné vody. Principem elektrodialýzy je migrace iontů v elektrickém poli. Klíčovou složkou celé separace jsou iontově-výměnné membrány, které mají za úkol selektivně propouštět či zadržovat složky s daným nábojem. Tato práce se zabývá přímým pozorováním jevů na rozhraní iontově-výměnné membrány a elektrolytu. Pozorování je prováděno pomocí optické metody vizualizace toku zvané „Integrální laserová anemometrie“ (PIV). Díky této metodě jsme nejen schopni sledovat chování tekutiny v okolí iontově výměnných membrán, ale také získat okamžitá rychlostní pole ve sledované proudící tekutině. Cílem této práce je zjistit, jak přítomnost různých molekul jako například molekul DNA ovlivňuje tvar a intenzitu elektrokonvektivních struktur. Tyto struktury napomáhají řádnému promíchání odsolovaného elektrolytu a vedou k intenzivnímu transportu hmoty mezi jádrem elektrolytu a povrchem membrány. Elektrokonvekce může být v tomto kontextu chápána jako proces vedoucí k intenzifikaci odsolení.

Many newly produced drugs are poorly soluble in water which in consequence leads to worse bioavailability. Among many other techniques, polymeric amorphous solid dispersions (PASDs) are possible solution to this kind of problem by turning active pharmacological ingredient (API) to amorphous state and subsequent stabilization of the API by polymeric matrix. These API-polymer formulations, however, often show instability – they tend to recrystallize. Stability of these formulations can be predicted from so-called temperature-composition (T-C) phase diagrams. This work is focused on two model APIs namely indomethacin and naproxen in combination with polyvinyl alcohol – a semicrystalline, water well-soluble polymer. T-C phase diagrams were created using Kyeremateng empirical equation, Flory-Huggins theory and PC-SAFT. The validity of stability prediction of individual approaches was confronted with experimental data of ageing of prepared samples including DSC measurements and X-ray powder diffraction analysis.

Počet automobilů ve světě neustále roste a zatím nic nenasvědčuje tomu, že by se tento trend měl nějak dramaticky měnit. Proto je nutné snižovat množství emisí vyprodukovaných automobilovým průmyslem. Kromě plynných zplodin, kterými jsou hlavně oxidy dusíku, oxid uhelnatý a nespálené zbytky uhlovodíků, je v poslední době kladen stále větší důraz na omezení množství pevných částic. To donutilo výrobce vybavit vozidla nejen katalytickým konvertorem, ale i filtry pevných částic, které jsou schopny částice zachytit, spálit a zamezit tak jejich úniku do ovzduší. Kvůli tlaku na redukci ceny, hmotnosti a velikosti celého katalytického systému byly vyvinuty tzv. katalytické filtry pevných částic, kde je katalytická vrstva nanesena přímo na stěny filtru. Tato studie byla zaměřena na výzkum katalytické aktivity vzorků katalytických filtrů pevných částic, kde byla jako katalyzátor využita Pt/γ-Al₂O₃. Zkoumány byly 4 vzorky, které se lišily především distribucí velikosti částic v aktivní vrstvě (D₉₀ = 6 µm, 12 µm, 20 µm a 6+20 µm). Byla provedena řada experimentů v laboratorním trubkovém reaktoru formou teplotních ramp s lineárním růstem teploty. Zkoumána byla konverze CO v závislosti na teplotě pro 4 různé prostorové rychlosti plynů (6 250 h^-1, 12 500 h^-1, 25 000 h^-1 a 50 000 h^-1).   

Elektromembránové separační procesy jsou velice atraktivní metodou pro separaci složek z roztoků elektrolytů vlivem externě aplikovaného nebo interně generovaného elektrického napětí. Použití těchto procesů poskytuje spoustu výhod z hlediska účinnosti separace, snadné automatizace a provozu v kontinuálním režimu. Elektrodialýza, elektrolýza, difuzní dialýza a kontinuální deionizace již přes 40 let nachází široké uplatnění v rozsáhlých průmyslových aplikacích pro odsolování brakických vod, čištění odpadních vod, výrobě léčiv a polovodičů, nebo například pro získávání kyselin a zásad z roztoků elektrolytů. Nedílnou součást těchto procesů tvoří polopropustné iontovýměnné membrány, které umožňují selektivní separaci námi požadovaných iontů ze zpracovávaných roztoků. Cílem této práce je blíže porozumět transportním a reakčním mechanismům, ke kterým v membránách dochází pomocí naměřených profilů elektrického potenciálu v miniaturizované elektrodialyzní cele. Tyto profily byly naměřeny ve směru odsolení pomocí námi vyvinutých měřících portů z polyakrylamidového gelu, které kontaktovali měřící místo v odsolovacím kanálku s měřící elektrodou. Tyto gelové můstky byly použity k zamezení nechtěných reakcí na měřících elektrodách, které se po vložení do elektrického pole stávají bipolárními.  

Spalovací motory stále tvoří pohon pro většinu nově vyrobených automobilů. Škodliviny, které spalovací motory produkují, jsou dlouhodobě známy, a proto se emisní limity pro toxické plyny pořád zpřísňují. Katalytické konvertory a filtry pevných částic se staly součástí výfukového systému každého automobilu. Obsah toxických plynných složek jako oxid uhelnatý, nespálené uhlovodíky a oxidy dusíku se snižuje v katalytickém konvertoru. Jemné prachové částice jsou následně zachycovány ve filtru. Ten je tvořen kanálky a proud výfukových plynů je nucen prostupovat skrz stěnu ze vstupních do výstupních kanálků. Tím však dochází k tlakové ztrátě a snižuje se tak i výkon motoru. Tato studie se zabývá modelováním asymetrických kanálků, což znamená, že vstupní kanálek je větší než výstupní. Popílek a saze, které se usazují na stěně filtru, pak tvoří nižší vrstvu a tím snižují svůj příspěvek k tlakové ztrátě. Při velké vrstvě sazí je nutné filtr zregenerovat, nižší vrstva zvyšuje dobu mezi jednotlivými regeneracemi a tím prodlužuje i jeho životnost. Výsledky z modelu byly porovnány filtrem s běžnými kanálky.