| |
|
Modelling, parameter estimation, optimisation and control of transport and reaction processes in bioreactors.
ŠTUMBAUER, Václav
With the significant potential of microalgae as a major biofuel source of the future, a considerable scientific attention is attracted towards the field of biotechnology and bioprocess engineering. Nevertheless the current photobioreactor (PBR) design methods are still too empirical. With this work I would like to promote the idea of designing a production system, such as a PBR, completely \emph{in silico}, thus allowing for the in silico optimization and optimal control determination. The thesis deals with the PBR modeling and simulation. It addresses two crucial issues in the current state-of-the-art PBR modeling. The first issue relevant to the deficiency of the currently available models - the incorrect or insufficient treatment of either the transport process modeling, the reaction modeling or the coupling between these two models. A correct treatment of both the transport and the reaction phenomena is proposed in the thesis - in the form of a unified modeling framework consisting of three interconnected parts - (i) the state system, (ii) the fluid-dynamic model and (iii) optimal control determination. The proposed model structure allows prediction of the PBR performance with respect to the modelled PBR size, geometry, operating conditions or a particular microalgae strain. The proposed unified modeling approach is applied to the case of the Couette-Taylor photobioreactor (CTBR) where it is used for the optimal control solution. The PBR represents a complex multiscale problem and especially in the case of the production scale systems, the associated computational costs are paramount. This is the second crucial issue addressed in the thesis. With respect to the computational complexity, the fluid dynamics simulation is the most costly part of the PBR simulation. To model the fluid flow with the classical CFD (Computational Fluid Dynamics) methods inside a production scale PBR leads to an enormous grid size. This usually requires a parallel implementation of the solver but in the parallelization of the classical methods lies another relevant issue - that of the amount of data the individual nodes must interchange with each other. The thesis addresses the performance relevant issues by proposing and evaluation alternative approaches to the fluid flow simulation. These approaches are more suitable to the parallel implementation than the classical methods because of their rather local character in comparison to the classical methods - namely the Lattice Boltzmann Method (LBM) for fluid flow, which is the primary focus of the thesis in this regard and alternatively also the discrete random walk based method (DRW). As the outcome of the thesis I have developed and validated a new Lagrangian general modeling approach to the transport and reaction processes in PBR - a framework based on the Lattice Boltzmann method (LBM) and the model of the Photosynthetic Factory (PSF) that models correctly the transport and reaction processes and their coupling. Further I have implemented a software prototype based on the proposed modeling approach and validated this prototype on the case of the Coutte-Taylor PBR. I have also demonstrated that the modeling approach has a significant potential from the computational costs point of view by implementing and validating the software prototype on the parallel architecture of CUDA (Compute Unified Device Architecture). The current parallel implementation is approximately 20 times faster than the unparallized one and decreases thus significantly the iteration cycle of the PBR design process.
|
|
Vliv vodního deficitu na obsah energie jednotlivých rostlinných orgánů vybraných druhů listové zeleniny
Šimůnková, Petra ; Hnilička, František (vedoucí práce) ; Česká, Jana (oponent)
Práce je věnována vlivu vodního deficitu na tvorbu sušiny a fotosyntetickou akumulaci energie u jednotlivých rostlinných orgánů vybraných druhů rostlin. Jako vybraný pokusný materiál byly zvoleny rostliny špenátu setého (Spinacea oleracea), odrůda Matador a novozélandský špenát (Tetragonia tetragonioides).
Rostliny špenátu setého a čtyřboče rozložité byly pěstovány v nádobách o velikosti 11x11 cm ve směsi zahradního substrátu A, křemičitého písku (2:1) sklenících FAPPZ ve dvou variantách. Jedna varianta byla kontrolní a druhá vystavená stresové reakci. Kontrolní varianta byla zalévaná po celou dobu pokusu 50 ml vody 2x za týden. Stresovaná varianta byla zalévaná po přepichování a po 6. odběru až do konce pokusu.
U rostlin byla v průběhu ontogenetického vývoje sledována hmotnost sušiny jednotlivých rostlinných orgánů. V sušině byl metodou spalné kalorimetrie sledován obsah fotosynteticky akumulované energie. Obsah netto energie byl zjišťován suchým spalným adiabatickým kalorimetrem LAGEST MS 10A.
Ze získaných výsledků vyplývá, že rostliny čtyřboče (tzv. novozélandského špenátu) mají 2x vyšší nárůst hmotnosti sušiny oproti špenátu. Kontrolní rostliny čtyřboče mají v porovnání s rostlinami rostoucími ve vodním deficitu vyšší hmotnost o 25,5 % (123 mg). Obdobně vyšší hmotnost kořenů vykazují kontrolní rostliny (41 mg) v porovnání se stresovanými rostlinami (40 mg). Kontrolní rostliny špenátu měly vyšší hmotnost nadzemní biomasy o 19,5 % v porovnání so stresovanými rostlinami (43 mg). Kořeny kontrolních rostlin měli nižší hmotnost v porovnání s se stresovanou variantou o 2960 mg.
Z výsledků dále vyplývá, že rostliny čtyřboče mají vyšší hmotnost sušiny kořenů a nadzemní biomasy v porovnání s rostlinami špenátu.
Spalné teplo bez popelovin bylo u nadzemní biomasy kontrolních rostlin čtyřboče ve výši 15,96 kJ.g-1 a u rostlin stresovaných 14,93 kJ.g-1 . V případě rostlin špenátu byl obsah energie kontrolních rostlin 14,98 kJ.g-1 a u stresovaných 14,21 kJ.g-1.
Spalné teplo bez popelovin kořenů kontrolních rostlin čtyřboče bylo o 1.11 kJ.g-1 vyšší než u rostlin stresovaných (13,19 kJ.g-1). V případě rostlin špenátu byl obsah energie kořenů kontrolních rostlin 11,90 kJ.g-1 a u stresovaných 11,72 kJ.g-1 .
Na základě měření byly potvrzeny mezidruhové rozdíly v reakci na vodní deficit a sledované charakteristiky. Z měření vyplynulo, že rostliny špenátu jsou citlivější na působení vodního deficitu v porovnání s rostlinami čtyřboče, který je tolerantnější. Dále z měření
vyplynulo, že existují rozdíly v množství sušiny a hodnotách spáleného tepla v závislosti na působení vodního deficitu.
|
| |
|
Nelegální zaměstnávání v teorii a praxi inspektorátů práce
Kaufmanová, Renata ; Světlíková, Daniela (vedoucí práce) ; Klára, Klára (oponent)
Diplomová práce charakterizuje problematiku nelegálního zaměstnávání s důrazem na rozbor výkonu nelegální práce v České republice a v závislosti na kontrolní činnosti vykonávané inspektoráty práce. Pomocí charakteristiky základních pojmů (závislá práce, nelegální práce, inspektoráty práce) a s pomocí aktuálních judikátů dané oblasti, popisuje současný stav a možnosti kontrolní činnosti inspektorátů práce. Praktická část zkoumá, s využitím šetření prostřednictvím rozhovorů se zaměstnanci inspektorátu práce a odborníky, konkrétní situace kontrolní činnosti a navrhuje řešení, jak zefektivnit a uvést do souladu teorii a praxi kontrolní činnosti nelegálního zaměstnávání v ČR.
|
|
Zabezpečený přístup k lokální počítačové síti
Kočiš, Jan ; Halbich, Čestmír (vedoucí práce) ; Radomír, Radomír (oponent)
Diplomová práce se zabývá problematikou zabezpečení přístupů k lokální počítačové síti. Práce si klade za cíl charakterizovat teoretická východiska řízeného přístupu k počítačové síti, mezi která patří bezpečnostní principy, doporučené praktiky, autentizační metody, síťové protokoly a procesy s nimi související. Nedílnou součástí práce je na základě těchto poznatků realizovat zabezpečení přístupu k lokální počítačové síti v reálném prostředí.
První část charakterizuje teoretické principy, na kterých je založen návrh a implementace celého sytému.
Praktická část práce se zabývá implementací konkrétního řešení zabezpečeného přístupu k lokální počítačové síti ve strojírenské společnosti. V první části je představen podnik, jeho prostředí a požadavky. Navazující pasáž zachycuje provedenou analýzu původního stavu a na základě získaných informací shrnuje navržené řešení. Implementace komplexního systému řízeného přístupu k lokální počítačové síti je podrobně popsána v další části. Součástí práce je popis procesu zavádění systému do produkčního provozu, definice akceptačních testů a doporučení pro řešení možných problémů. Závěr kapitoly obsahuje ekonomické aspekty řešení a možné dopady na provoz výpočetních systémů podniku.
Závěrečné zhodnocení shrnuje diplomovou práci, sumarizuje výhody implementovaného systému a rozebírá slabá místa s doporučením pro jeho další rozvoj. Zároveň shledává navržený zabezpečený přístup k lokální počítačové síti jako vhodný, bezpečný a praktický způsob řízeného přístupu k místním síťovým prostředkům.
|
|
Problematika tvorby povrchového odtoku a epizodní řešení jeho erozních projevů
Kalibová, Jana ; Kovář, Pavel (vedoucí práce) ; Štibinger, Jakub (oponent)
Předkládaná disertační práce shrnuje výzkum využití modelových simulací hydrologických dat pro vodohospodářské studie a dále testování efektivity vybraných protierozních geotextilií formou laboratorních a terénních simulací deště. Poznatky získané v rámci tohoto výzkumu byly aplikovány při návrhu optimalizace vodního režimu krajiny (zmírnění projevů eroze a urychlení procesu obnovy krajiny) na území bývalého lomu Medard-Libík, kde jsou i přes provedené rekultivační operace stále patrné známky rýhové eroze.
Disertační práce je členěna do tří částí. První část rešeršní formou pokrývá téma tvorby povrchového odtoku a definuje stav, za kterého se odtékající voda v krajině stává z hlediska erozních projevů nebezpečnou. Druhá část se zabývá typy rámcových biotechnických opatření proti vodní erozi na svahu. Třetí část je zaměřena na konkrétní situaci modelového svahu v povodí zatápěného bývalého lomu Medard-Libík na Sokolovsku. Hlavním cílem disertace bylo otestovat možnost využití modelu KINFIL pro simulaci protierozního účinku přírodních geotextilií a následný návrh optimalizace vodního režimu za účelem snížení erozního působení povrchového odtoku na rekultivovaných svazích.
Z výsledků práce vyplývá, že model KINFIL může sloužit jako užitečný nástroj pro hodnocení vlivu různých protierozních opatření na povrchový odtok a erozi a pro následnou volbu technicky i ekonomicky optimálního řešení protierozní ochrany. Výsledné simulace efektivnosti přírodních geotextilií odpovídaly výsledkům získaným během laboratorních a terénních měření s využitím simulátorů deště.
Při vyváženém srážko-odtokovém procesu dojde ke zvýšení stability krajiny v okolí jezera, urychlení opětovné hospodářské využitelnosti rekultivovaného území, snížení nákladů na odstranění škod způsobených erozí na cestní a odvodňovací síti a zvýšení kvality vody v jezeře, která nebude znečišťována smytým materiálem. Výsledky této disertační práce lze nabídnout veřejné správě i soukromé sféře pro potřebu kontroly eroze v rámci rekultivací ploch zasažených těžební činností.
|
|
Vliv hospodaření se srážkovou vodou na zmírnění extrémních hydrologických jevů
Pešková, Jitka ; Štibinger, Jakub (vedoucí práce) ; Miroslav, Miroslav (oponent)
Disertační práce se zabývá tématikou vlivu hospodaření se srážkovou vodou na zmírnění extrémních hydrologických jevů. Vzhledem k faktu, že se jedná o téma velmi široké, které není možné komplexně zpracovat, práce cílí na vybrané aspekty této problematiky. Práce je rozdělena do dvou částí. První část práce je rozdělena do následujících 5 kapitol: Voda v krajině, Vodní režim, Hydrologické extrémy, Regulace vodního režimu a Legislativa. V rámci těchto kapitol jsou shrnuty dostupné tuzemské a zahraniční poznatky o možnostech hospodaření s dešťovou vodou jak ve volné krajině, tak v urbanizovaném území se zaměřením na zmírnění extrémních hydrologických jevů (povodně, sucha), včetně legislativního zabezpečení vodního hospodářství na úrovni ČR a EU.
Druhá část disertační práce je zpracována formou komentovaného souboru 4 vědeckých studií (soubor prací), jejichž výsledky byly prezentovány formou publikovaných článků ve vědeckých recenzovaných časopisech. První studie cílí na posouzení účinnosti přírodě blízkých způsobů hrazení bystřin z hydrotechnického hlediska a z pohledu prostupnosti pro vodní faunu. Druhá studie se zaměřuje na území pomoravské nivy, kde se opakovaně projevují negativní dopady povodní a sucha. Práce se zabývá řešením hydrologické bilance tohoto území pomocí modelu WBCM-7. Třetí studie se zaměřuje na určení retenční drenážní kapacity na územích odvodněných systematickou drenáží. Poslední studie pak popisuje možnost využití Fourierových řad při hodnocení vlivu evapotranspirace na odtoky z malých povodí během suchých období. V rámci disertační práce jsou tyto studie propojeny doplňujícím komentářem.
|
|
Srážkové charakteristiky v pozorovaných datech a simulacích regionálních klimatických modelů
Svoboda, Vojtěch ; Pech, Pavel (vedoucí práce) ; Josef, Josef (oponent)
Vzhledem k pozorovaným změnám ve srážkových charakteristikách představují srážky v podobě intenzivních srážkových událostí vyšší potenciální nebezpečí a to nejen z hlediska výskytu bleskových povodní. Přestože informace o charakteristikách individuálních srážkových událostí jsou důležité z pohledu mnoha hydrologických aplikací, individuální srážkové události a jejich charakteristiky nejsou (narozdíl od jiných ukazatelů denních/sub-denních srážkových úhrnů/intenzit) v současné době objektem zájmu mnoha studií. Disertační práce přináší komplexní analýzu charakteristik intenzivních srážkových událostí v České republice založenou na pozorovaných datech a rozsáhlém souboru simulací regionálních klimatických modelů (RCM), která je navíc doplněna o rozbor korelační struktury měřených srážkových dat na příkladu Královéhradeckého kraje. Vzhledem k tomu, že simulace RCM reprezentují prostorový průměr v gridboxech, byl vyhodnocen také efekt prostorového průměrování srážkových dat na charakteristiky událostí. Evaluace srážkových událostí simulovaných RCM pak byla provedena podle několika ukazatelů vzhledem k bodovým a prostorově průměrovaným pozorovaným datům pro kontrolní období 1981-2000. Pro dvojici scénářových období (2020-2049 a 2070-2099) byly následně vyhodnoceny změny v charakteristikách srážkových událostí a to včetně jejich provázanosti s předpokládanými změnami v radiačním působení a teplotě.
|
|
Ventilové rozvody a jejich časování
Vajčner, Patrik ; Pexa, Martin (vedoucí práce) ; Kotek, Tomáš (oponent)
Abstrakt: Cílem práce je posouzení různých typů ventilových rozvodů u automobilových motorů z hlediska konstrukčního zpracování a technického provedení a jejich vlivu na výkon motoru, komfortnost jízdy a spotřebu paliva. Pro posouzení jsem si vybral jak klasické ventilové rozvody, tak moderní ventilové rozvody s možností časování, které umožňují využití různého načasování otevření a uzavření ventilů podle toho, jaký je v tu chvíli požadován výkon motoru. Smyslem správného načasování ventilů a nastavení chodu motoru automobilu není jen dosažení optimálního výkonu motoru pro požadovaný účel jízdy, ale také předcházení zbytečnému zatěžování motoru a opotřebování jednotlivých součástek a především dosažení snížení spotřeby paliva, a s tím související snížení škodlivosti vlivů automobilové dopravy na životní prostředí.
|
host ::
