Biotechnologinė danga, apsauganti nuo šerkšno susidarymo (BioAFC)

 

Projekto nr.: project8253

Projekto aprašymas:

Jungtinis projektas vykdomas bendradarbiaujant mokslo partneriams iš Lietuvos (KTU, Kaunas) ir Turkijos (SUNUM, Stambulas,Turkija) bei bendradarbiaujant su verslo partneriais iš Turkijos (VBE, KA). Projekte iškelta keletą esminių tikslų: 1) Sukurti draugišką aplinkai bio-dangą, apsaugančia nuo ledo ir šerkšno susidarymo ant dangos paviršiaus (SUMUM); 2)sukurti ir ištirti ultragarsinių nukreiptųjų bangų metodą, skirtą šerkšno ir ledo susidarymui ant objekto paviršiaus aptikti, bei ištirti bio-dangos poveikį apledėjimo greičiui (KTU).
Atlikta literatūros analizė rodo, kad šiuo metu pasaulyje egzistuojančios ledo, šerkšno aptikimo ir pašalinimo metodikos yra lokalios ir pritaikytos konkrečiai sričiai: vėjo jėgainėms, lėktuvams, kelių dangoms, šaldytuvų gamybos pramonei [1,2]. Yra dvi pagrindinės ledo aptikimo ir pašalinimo technologijos: aktyvinė ir pasyvinė. Tarp pasyvinių populiariausios yra cheminė ir biocheminė technologijos. Jos labiau pritaikytos kelių dangoms ir vėjo jėgainėms. Tarp aktyvinių galima būtų išvardinti infraraudonųjų spindulių ir mikrobangų šildytuvus, mechaninius metodus (pneumatiniai) ir aukšto dažnio ultragarsinius metodus. Jie dažniausiai naudojami ledo ir šerkšno pašalinimui nuo vėjo jėgainių, lėktuvų, tačiau netinka kelio dangoms ir šaldytuvų gamyboje. Taigi, universalios metodikos, atitinkančios rinkos poreikius, nėra. Kitas, gan problematiškas klausimas yra specifines, draugiškos aplinkai, apsaugančios nuo ledo susidarymo ant paviršiaus dangos sukūrimas. Projekto eigoje sprendžiamos dvi labai aktualios problemos: 1) aplinkai draugiškos ir efektyvios bio-dangos sukūrimas; 2) dangos efektyvumo įvertinimas, bei besiformuojančio ant paviršiaus ledo identifikavimas. Projekto metu, bendradarbiaujant mokslininkams iš Lietuvos ir Turkijos, siekiama pasiūlyti keletą esminių sprendimų, kurie gali būti puikiai pritaikyti ne tik pramonėje, bet ir kitose srityse, tokiuose kaip aviacijos pramone, atsinaujinančių energijos šaltinių srityje ir kt.
Siekiant įgyvendinti projekto metu numatytus uždavinius, pirmaisiais projekto įgyvendinimo metais buvo tiriami bio-dangos sukūrimo procesai, atliekamas dangų stabilumo įvertinimas bei padengimo ant skirtingų paviršių (metalas, stiklas, silikonas) galimybių tyrimai (SUNUM). Sukurta pirminių bandinių serija, skirta ultragarsinių ledo ir šerkšno aptikimo metodų tyrimams (SUNUM). Sukurtas pirminis ultragarsinių matavimų stendas, atkuriantis šaldymo procesus (diapazone nuo +240 C iki -230 C ) ir įgalintis atlikti akustinius matavimus realiu laiku (KTU). Ištirtas nukreiptųjų bangų sklidimas plonasluoksniuose metalo bandiniuose, padengtuose bio-danga. Parinktos tinkamos nukreiptųjų bangų modos nustatyti ledo formavimosi įtaka akustinėms parametrams, įvertinus jų pasiskirstymus, slopinimą, žadinimo efektyvumą, jautrumą (KTU). Atliktų tyrimų pagrindu pasiūlytas pirminis ledo ir šerkšno aptikimo ir jo formavimosi įvertinimo metodas.

Projekto finansavimas:

ERA-NET ir kitos koordinavimo veiklos

Projekto rezultatai:

Siekiant įgyvendinti projekto metu numatytus uždavinius, pirmaisiais projekto įgyvendinimo metais buvo tiriamas bio-dangos susintetinimo etapai ir procesai, bei dangos padengimo ant skirtingų paviršių (metalas, stiklas, silikonas) metodikos, siekiant nustatyti jos suderinamumą su skirtingais paviršiais (SUNUM). Taip pat patikrintas bio AFC (Anti Freezing Coating) dangos funkcionalumas realiomis sąlygomis.(SUNUM). Sukurtas ir pratestuotas ultragarsinių matavimų stendas, atkuriantis šaldymo procesus (diapazone nuo +240 C iki -230 C ) ir įgalintis atlikti akustinius matavimus realiose sąlygose (KTU). Ištirtas nukreiptųjų bangų sklidimas plonasluoksniuose metalo bandiniuose, padengtuose bio-danga ir be dangos. Bandiniai be dangos buvo naudojami, kaip atraminiai. Parinktos tinkamos nukreiptųjų bangų modos nustatyti ledo formavimosi įtaka akustinėms parametrams, įvertinus jų pasiskirstymus, slopinimą, žadinimo efektyvumą, jautrumą (KTU).
Pirmame etape, laboratorinėmis sąlygomis buvo kultivuojamos bakterijos E.coli DH5a- PUC -IDT AFP ir B. E.coli DH5a-PET-28/1699, kurios pasižymi savybė ypač ilgai išlikti gyvybingos ir funkcionalios ekstremaliomis sąlygomis. Bakterijos buvo laikomos Petri lėkštelėse, palaikant pastovias temperatūrines ir drėgmės sąlygas (T = 37 °C, RH = 75%).Kultivavimo trukmė 1-5 dienos. Eksperimentai atlikti SUNUM Universitete, Turkija. Bakterijų E.Coli kultivavimas Petri lėkštelėje pateiktas pav. 1.
Kitame žingsnyje, konkrečios grupės plazmidų DNR izoliuota nuo kitų kolonijų DNR E. Coli bakterijos chromosomoje. Tam tikslui buvo naudojama GeneJET Plasmid Miniprep Kit rinkinys. Sekančiame etape atlikta izoliuotų plazmidų analizė panaudojus elektroforezės gelyje metodą. Paveiksle žemiau (pav. 2) rodyklėmis pažymėtos keturios kolonijos (1,2,3,4) ir plazmidų DNR, sėkmingai atskirtų nuo kitų kolonijos DNR. Markeris SM1334. naudojamas kaip atraminis.
Kaip žinoma iš literatūros, plazmidai yra struktūriniai elementai, kurių genetine informacija, sėkmingai juos atskirus nuo kitų elementų, gali būti panaudota organizmo atsparumo išoriniams veiksniams padidinimui [14, 15].
Laboratorinėse sąlygose atliktas atskirtų plazmidų DNR kiekybinis ir kokybinis įvertinimas, panaudojus spektrofotometrinį metodą. Gavus teigiamus rezultatas, buvo susintetintas ir išgrynintas aukštos koncentracijos proteinas, kuriuo parametrai (pH, T, druskos koncentracija) buvo optimizuoti, siekiant padidinti jo gyvybingumą ir atsparumą žemai temperatūrai. Sekančiame etape buvo atliktas susintetinto bio-proteino klonavimas, tam, kad gauti reikiamą medžiagos koncentraciją.
Antrame etape, patikrintas bio AFC dangos funkcionalumas realiomis sąlygomis. Tam tikslui proteino koncentratas (1mg/ml) sumaišytas su mažu vandens kiekiu (0.05?L) ir užlašintas ant stiklo paviršiaus. Temperatūra palaipsniui mažinama iki -5°C, -10°C, -15°C ir -20°C atitinkamai. Drėgnumas eksperimento metu buvo palaikomas 75%. Eksperimento rezultatai esant T =-15°C pateikti žemiau (pav. 3 (a), (b)). Ledo sluoksnio storio priklausomybė nuo laiko (a) ir ledo formavimosi greičio priklausomybė nuo laiko (b) atspindi akivaizdų skirtumą tarp bandinio su AFC/vandens sluoksniu ir tik su vandenio sluoksniu.
Laiko skalė pagal eksperimento trukmė suskirstyta į 3 etapus. Palyginti su pirmuoju etapu, antrajame apledėjimo etape užšalimo fronto sklidimo greičio gradientas yra mažesnis esant padengimui AFC/vandens mikstūra. Trečiajame apledėjimo etape buvo pastebėtas apledėjimo greičio padidėjimas ant stiklo paviršiaus, kurį galėjo lemti sumažėjęs skysčio kiekis lašelyje. Atlikus eksperimento analizė, galima teigti, kad I, II ir III stadijose AFP/vandens mikstūros kristalizavimo greitis sumažėjo vidutiniškai 36%, 28% ir 60%, palyginti su paprastu vandeniu.
Trečiame etape atliktas sukurtos bio-dangos AFP (anti freezing protein) padengimo ant skirtingų paviršių (metalas, stiklas, silikonas) metodikų patikrinimas, siekiant nustatyti jos suderinamumą su skirtingais paviršiais. AFP bio-danga padengti paviršiai pateikti pav. 4 (a) stiklas; (b) varis; (c) silikonas)
Ketvirtame etape, projekto partneriai iš Sabanci Universiteto paruošė 4 vario bandinius, kurie pateikti pav. 5 (1 – be AFC dangos; 2,3,4 – padengti AFC danga).KTU buvo atlikti apšalimo proceso tyrimai ultragarsiniais metodais. Bandinių AFC dangos sluoksnio storis 5 µm.
Ultragarso mokslo institute sukurtas matavimo stendas, atkuriantis šaldymo procesus (diapazone nuo +240 C iki -230 C) ir įgalintis atlikti akustinius dangos apšalimo parametrų matavimus realiu laiku. Atlikti eksperimentai su 4 vario bandiniais. Buvo naudojami aukšto dažnio 5 MHz akustiniai keitikliai (diametras 1.27 cm), pritvirtinti prie bandinio šonų, iš abiejų pusių. Matavimai atlikti siuntimo-priėmimo režime. Peltier elementas (TEC1 – 19906 SR) užtikrina bandinio paviršiaus apšalimą. Aktyvinis vandens aušinimo elementas (40×40 mm) užtikrina apšalimo temperatūros palaikymą (-230 C). Eksperimentinio stendo grafinis atvaizdavimas pateiktas paveiksle žemiau (pav. 6)
Metodo pagrindimas
Apledėjimo įvertinimo mintis yra grįsta ultragarsinių nukreiptų bangų, sklindančių tiriamoje plokštelėje, parametrų matavimu. Pagrindinis tokių bangų ypatumas yra tame, kad pirmiausiai jos turi faktiškai begalinį skaičių modų, o antra tai stipriai išreikštas dispersiškumas, t.y. jų sklidimo greitis priklauso nuo dažnio, o tiksliau apibrėžiant – nuo dažnio ir plokštelės storio santykio. Tuo būdu formuojantis ant plokštelės ledui ar šerkšnui keičiasi jos ekvivalentinis storis, o tuo pačiu sklindančių bangų greitis. Be to besiformuojantis šerkšnas ar ledo sluoksniai keičia ir sklindančių bangų išbarstymą. Todėl yra prielaida, kad išmatuotus ultragarsinių nukreiptųjų bangų greitį ir amplitudę galima susieti su besiformuojančio ledo charakteristikomis.

Bandinio paviršiaus temperatūros
Termovizinė kamera buvo panaudota temperatūrinių pokyčių stebėjimui ir šiluminių vaizdų atkūrimui. Bandinio Nr. 3 šiluminiai vaizdai kambario temperatūrai +21.90 C ir esant apšalimui -19.60 C pateikti pav. 7. Temperatūra fiksuojama bandinio paviršiuje, konkreti vieta nurodoma markeriu (kryžiuku). Naudojant termovizinės kameros duomenis buvo nustatytas bandinių paviršiaus temperatūros kitimas eksperimentų metu. Gautos priklausomybės pateiktos 8 pav.
Gaunami signalai ir dispersinės kreivės

Kaip jau buvo minėta aukščiau, nukreiptosios bangos pasižymi daugiamodiškumu ir dispersija, ko pasėkoje jų signalai yra sudėtingi, o analizė komplikuota. Tipinis signalas gautas mūsų eksperimentų metu parodytas 9 pav. Kaip matoma, signalo laikinė forma yra sudėtinga, matomos kelios signalų sekos, priešingai tūrinių ultragarsinių bangų atvejui, kai įprastai matomas pavienis praėjęs signalas. Be to galima pastebėti, kad signalo atskirų segmentų dažnis yra kiek skirtingas. Tarkime, pačioje pradžioje stebimas santykinai labai žemo dažnio signalas. Interpretuoti gautą signalą būtų labai sunku nežinant bendrų, plokštelėje sklindančių bangų, dėsningumo ar savybių. Nukreiptųjų bangų savybes nusako grupinio ar fazinio greičio dispersinės kreivės. Šioms kreivėms gauti naudojamas SAFE (Semi Analytical Finite Element) metodas. Galima būtų išskirti tris pagrindines nukreiptųjų bangų modų grupes: simetrinės, asimetrinės ir skersinės (shear horizontal). Įvertinant eksperimentuose naudojamą žadinimo būdą galima teigti, kad galimybę būti sužadintos turi tik modos iš pirmųjų dviejų grupių. Šios grupės modų grupinio greičio kreivės suskaičiuotos SAFE metodu yra pateiktos 10 pav. Kaip matoma dažnių diapazone iki 10MHz gali sklisti net 6-ios nukreiptųjų bangų modos: simetrinės S0, S1, S2 ir asimetrinės A0, A1, A2. Tačiau atsakymo į klausimą kuris signalo segmentas atitinka šias modas ir kurios yra vyraujančios (stipriausio signale) dispersinės kreivės nepateikia.

Projekto įgyvendinimo laikotarpis: 2021-05-03 - 2024-04-30

Projekto koordinatorius: Vestel Beyaz Esya Sanayi ve Ticaret AS (VBE)

Projekto partneriai: Sabanci University Nanotechnology Research and Application Center (SUNUM), Kansai Altan Boya Sanayi Ve Ticaret AS (KA)