Studentská vědecká konference 2022

Účinnost podaného léčiva se odvíjí od jeho biodostupnosti, tedy množství, které je schopno přejít do krevního oběhu a zde dále působit. Ta je ovlivněna mnoha faktory, počínaje cestou podání léku a jeho formulací, přes aktuální stav pacienta až po fyzikálně-chemické vlastnosti samotné účinné látky jako její permeabilita a rozpustnost. Převážná většina účinných látek je ve vodě špatně rozpustná, a proto je vyvíjena značná snaha rozpustnost těchto léčiv zvýšit. Toho může být dosaženo formulací účinných látek do nanokrystalů, přičemž je zvýšením poměru povrch-objem a snížením ekvivalentního poloměru částice dosaženo zvýšení rozpustnosti. Současně lze nanokrystaly použít v kombinaci s liposomy, které pomocí svojí fosfolipidové dvouvrstvy poskytují zapouzdřeným nanokrystalům tzv. „gate-keeping“ efekt, a tak zpomalují uvolňování zapouzdřeného léčiva.   Tématem této práce byla příprava kompozitních částic liposomů a nanokrystalů pro léčiva ivacaftor, tadalafil a irinotecan. Nejprve byly z vybraných fosfolipidů připraveny liposomy a jednotlivé účinné látky namlety na nanokrystaly technikou mokrého mletí. Jejich následnou koextruzí došlo k zapouzdření nejmenších krystalků a porovnáním disoluce odlišně formulovaných účinných látek byly zjištěny makroskopické vlastnosti tohoto systému.

Vícefázové systémy jako jsou probublávané kolony nebo fermentory mají v chemickém průmyslu hodně aplikací. Při aeraci v nich dochází k transportu hmoty přes fázové rozhraní, což je povrch bublin. Znalost chování bublin je proto velice důležitá pro dosažení co nejvyšší efektivity a modelování hydrodynamiky těchto procesů. Vlastnosti bublin jsou dány fyzikálními vlastnostmi vsádky, charakterem použitého zařízení a průtokem plynu. Experimenty se nejčastěji provádějí na menších kolonách, kde se chování bublin sleduje videokamerou. Cílem této práce bylo studium vlivu viskozity a rychlosti vstupujícího plynu na vlastnosti bublin ve vodných roztocích glycerolu. Experimentálně se ukázalo, že rychlost plynu v distributoru plynu (zde otvor ve dnu kolony) výrazně ovlivňovala velikost, tvar a rychlost bublin. Naopak malý nárůst viskozity v jednotkách procent se na vlastnostech bublin téměř neprojevil. Získaná data byla porovnána s údaji na velké koloně a s teoretickými modely.  

Řízené uvolňování léčiv patří k velkým výzvám současného farmaceutického průmyslu. K řízenému uvolňování mohou být například použity potahované vícevrstvé částice vyrobené ve fluidním loži vybaveném Wursterem. Podle nastavení horního nebo spodního nástřiku probíhá proces sušení, aglomerace nebo potahování částic. Proces potahování probíhá ve velmi úzkém intervalu provozních podmínek (mezi aglomerací a sušením), který je velmi citlivý a vzájemná závislost parametrů způsobí, že i malá změna může celý proces narušit. Pro aglomeraci je typické využití horní trysky, ale dochází k ní i při použití spodní trysky, přičemž proces ovlivňují: rychlost rozstřiku roztoku, teplota a rychlost proudění vzduchu, viskozita a pojivové vlastnosti roztoku. Navzdory mnoha studiím není možné přesně určit mezní procesní podmínky mezi potahováním a aglomerací částic. Pro přesnější určení závislosti je třeba rozšířený sběr procesních dat a parametrů roztoků a materiálů. Cílem této práce je proměřit jednotlivé závislosti, a také hraniční podmínky mezi potahováním a aglomerací. Na závěr budou vyrobeny ukázkové částice a provedeny testy jejich rozpustnosti. 

Koamorfní lékové pevné formy jsou tvořené kombinací dvou (či více) složek, z nichž jedna je účinná látka a druhá je koformer, které po úpravě tvoří homogenní amorfní systém. Tvorba koamorfních forem léčiva se ve farmaceutickém průmyslu stala velmi populární, kvůli své schopnosti zvyšovat rozpustnost a stabilitu výsledných forem. Tato práce je zaměřena na přípravu koamorfních forem léčiva a jejich následnou analýzu stanovující jejich rozpustnost ve vodném prostředí a kompozici. Přípravu koamorfní formy léčiva lze provést více způsoby, z nichž byla zvolena metoda přípravy pomocí šokového chlazení (quench cooling). Bylo připraveno několik koamorfních pevných forem, které byly následně charakterizovány pomocí několika metod jako je XRD, DSC a FTIR. Rozpustnost byla měřena pomocí kapalinové chromatografie (UPLC) a permeabilita za pomocí difúzní cely (UV/VIS). Získané výsledky poukazují na komplexní vliv procesních parametrů na rozpustnost, permeabilitu a kompozici.

Matematický model šíření předpovídá průběh požáru, čímž umožňuje navrhovat bezpečnostní opatření v situacích, kdy není možné provedení požární zkoušky, případně snížit počet těchto finančně nákladných zkoušek.  Model šíření požáru vyžaduje zadání značného množství vstupních parametrů. Tyto parametry, jako jsou fyzikální a tepelné vlastnosti hořících materiálů, ale i kinetika jejich hoření, by měly vycházet z co nejpřesnějších vstupních dat. Právě popis kinetiky rozkladu hořících materiálů je velmi obtížný, ovšem naprosto zásadní pro přesný model hoření. Při rozkladu velké části pevných materiálů dochází k příliš vysokému počtu navzájem se ovlivňujících reakcí, jejichž popis je potřeba zjednodušit pro využití v matematických modelech. K tomuto účelu se nejčastěji celý rozklad popíše pouze jednou fiktivní reakcí pro každou významnou složku ve zkoumaném materiálu. V rámci této práce je představena vytvořená počítačová aplikace, umožňující rychlé vyhodnocení zjednodušených reakčních schémat tepelného rozkladu, a dále popis jednotlivých reakcí pomocí konstant Arrheniovy rovnice. Jako vstupní data aplikace využívá experimentálně naměřená data z termogravimetrické analýzy. Aplikace byla vytvořena v programovacím jazyce Python a disponuje grafickým rozhraním pro usnadnění použití.  

V průmyslu i inženýrské praxi jsou značně rozšířené systémy řízené konvekcí, v provozech typu usazování či fluidace pak systémy typu tekutina-částice. Simulace těchto sytémů ale kladou vysoké nároky na potřebný výpočetní čas, což komplikuje jejich využití při optimalizaci či řízení procesů. Jedním z nástrojů umožňujících snížit výpočetní náročnost opakovaného vyhodnocování modelů se změnou parametrů jsou techniky redukce řádu modelu. Klasické metody redukce typu vlastní ortogonální rozvoj (POD) kombinovaný s Galerkinovou projekcí (GP) ale pro systémy s konvekcí nelze efektivně využít, neboť se tyto systémy nedají aproximovat superpozicí několika málo v čase neměnných prostorových módů. Systémy tekutina-částice zase většinou nelze popsat jednou soustavou parciálních diferenciálních rovnic, což znemožňuje použití GP. V této práci sledujeme dva cíle, (i) zavést časově závislý transportní operátor, po jehož aplikaci konvekcí řízený systém přechází do stojatého stavu a POD tak lze užít daleko efektivněji, a (ii) nahradit GP umělou neuronovou sítí, která dává jako výstup redukovaný model spojitý v čase. Vyvíjená metoda je ilustrována na příkladech z výpočetní dynamiky tekutin, se zaměřením na systémy tekutina-částice s rotací, kde byl v poslední době proveden největší posun.

Probíhající dekarbonizace energetického a dopravního sektoru přináší naléhavou potřebu levných a bezpečných stacionárních úložišť energie s dlouhou životností. Průtočné baterie na bázi organických redoxních látek se jeví jako slibná alternativa ke stávajícímu řešení využívajícímu soli vanadu. Využití organických látek rozpustných ve vodě nabízí řadu technicko-ekonomických výhod oproti vanadovým elektrolytům, jako jsou vyšší dostupnost výchozích surovin, nižší toxicita a možnost ladění elektrochemických a dalších fyzikálně-chemických vlastností pomocí strukturních modifikací. Většímu zapojení těchto technologií však stále brání zejména omezená stabilita těchto baterií. Kromě degradace aktivních látek elektrolytů je pokles kapacity baterie do velké míry způsoben rovněž vzájemnou permeací složek elektrolytů přes iontovýměnnou membránu oddělující anolyt a katolyt a další parazitické děje. V tomto příspěvku jsou shrnuty dosavadní výsledky experimentálního studia vlivu vlastností iontovýměnné membrány, složení elektrolytů a provozních podmínek baterie na její výkon a pokles kapacity získané v naší laboratoři pomocí rozšířené aparatury umožňující on-line monitoring klíčových parametrů.  

Vodní eroze půdy je proces, při kterém dochází k narušování půdního povrchu působením vody, které vede k transportu půdních částic na jiné místo a k jejich následnému usazování. Následkem toho je zemědělská půda ochuzena o její nejúrodnější část, dochází ke snížení propustnosti půdy pro vodu nebo zhoršení chemických vlastností půdy, což vede k potřebě vyššího hnojení. Aby se předešlo těmto problémům, je potřeba zavádět protierozní opatření. K návrhu těchto opatření lze použít odtokový model SMODERP (Simulační Model povrchového ODtoku a Erozního Procesu) vyvinutý našimi kolegy na Fakultě stavební ČVUT, kde základní odvození povrchových procesů vychází z rovnice kontinuity a pohybové rovnice. Výpočet je řešen metodou konečných diferencí na pravidelné, prostorově dvourozměrné rastrové síti popisující krajinný reliéf. V bilanci každého prostorového elementu jsou přítomny tři základní příspěvky – infiltrace vody do půdy, efektivní srážka a přiteklé/odteklé množství vody.  V současné podobě je model založen na explicitní metodě integrace, což způsobuje časovou náročnost při výpočtu větší oblasti. Konečným cílem této práce je transformace stávajícího modelu do implicitní podoby a testování případného kýženého urychlení výpočtu.  

Během nedokonalého spalování vznikají v automobilových motorech nežádoucí plynné emise a pevné částice. Pro odstranění těchto emisí se využívají filtry pevných částic a katalyzátory. Efektivní řešení nám nabízí kombinace těchto dvou zařízení, tzv. katalytický filtr pevných částic. . Do samotného filtru je nanesena vysoce porézní katalytická vrstva γ-aluminy s naimpregnovanými nanočásticemi katalyticky aktivní platiny nebo paládia. Při správném fungování katalytického filtru je dosaženo vysoké filtrační účinnosti a konverze škodlivin, přičemž je zachována nízká tlaková ztráta. Vlastnosti filtru však velmi  závisí na  rozmístění a mikrostruktuře nanesené katalytické vrstvy. Cílem této práce je vytvoření velmi tenké porézní vrstvy na stěně kanálku a zároveň nanesení katalytické vrstvy i do velkých pórů uvnitř stěn filtru, aniž by došlo k jejich ucpání. U nanášených suspenzí katalyzátoru byly měněny parametry jako pH (ovlivňující viskozitu), velikost částic  a jejich hmotnostní zlomek v suspenzi. Byla vyvinuta nová metodika dvojitého nanášení umožňující vytvořit požadovanou mikrostrukturu, která dosahuje podstatně vyšší filtrační účinnosti za cenu jen velmi malého nárůstu tlakové ztráty.  

Jeden ze základních zjednodušujících předpokladů chemického inženýra představuje model pístového toku. V inženýrské praxi bohužel často tento předpoklad nelze použít z důvodu nezanedbatelného podélného promíchávání. Při navrhování plněných kolon pro ostré separace by zanedbání podélného promíchávání mohlo vést ke špatnému výpočtu počtu rovnovážných pater nebo k nepřenositelnosti transportních charakteristik na jiné systémy. Nejčastější způsob popisu podélného promíchávání je model pístového toku s axiální disperzí. Tato práce se věnuje stanovení míry axiální disperze na vysokokapacitní strukturované výplni Mellapak 252Y. Pro stanovení míry axiální disperze ve formě Bodensteinova kritéria se využívá měření odezvy na skokovou změnu vstupní koncentrace stopovací látky. Naměřená data se následně vyhodnocují relativně složitým postupem tak, aby se očistila od okrajových efektů. Obsahem tohoto příspěvku je vytvoření vyhodnocovacího programu v MATLABu, který bude v navazující práci použit pro vyhodnocení Bodensteinova kritéria a střední doby prodlení (zádrž kapalné fáze) pro výplň Mellapak 252Y.