Aplikacja autorskich zestawów pomiarowych do automatycznego miareczkowania dla potrzeb akwarystyki morskiej

Ewaluowany podmiot: 
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy,
Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej
Dyscyplina naukowa: Inżynieria chemiczna
 

Wkład działalności naukowej

Jednym z kierunków badań, realizowanych na WTiICh od ponad 10 lat, jest charakterystyka oddziaływań jonowych w układach: polimer-barwnik [1,2], surfaktant-barwnik [3,4] i surfaktant-polimer [5]. Celem badań jest opracowanie nowych metod analizy wodorozpuszczalnych polimerów i surfaktantów [1-5], a także makroelementów. Proponowane metody analizy są przeznaczone do kontroli surowców, półproduktów i produktów w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, kosmetycznym oraz w procesach uzdatniania wody. Z założenia mają one być nieskomplikowane i niewymagające sprzętowo, a przy tym dokładne. Jest to odpowiedź na oczekiwania małych laboratoriów, które często nie mają dostępu do kosztownych urządzeń pomiarowych. Opracowane metody bazują na klasycznych technikach analitycznych – spektrofotometrii i miareczkowaniu fotometrycznym. Posiadają też dodatkową zaletę w postaci możliwości automatyzacji operacji jednostkowych. Badania prowadzone w ramach dyscypliny inżynieria chemiczna przez zespół: J. Lamkiewicz, D. Ziółkowska, A. Shyichuk koncentrują się na opracowaniu i aplikacji automatycznych lub półautomatycznych procedur miareczkowania, przydatnych do realizacji wspomnianych metod analizy polimerów i surfaktantów. Proponowane rozwiązania wykorzystują autorskie zestawy pomiarowe z dedykowanym oprogramowaniem ChemiON (autor: J. Lamkiewicz) [1,3,5].
Układy pomiarowe do automatycznego miareczkowania składają się ze standardowych biuret automatycznych oraz różnego rodzaju detektorów sygnału analitycznego. W przypadku miareczkowania fotometrycznego jako detektory stosowano zarówno klasyczne układy optyczne w postaci przystawek do spektrofotometrów [2], jak też fotometryczne sondy zanurzeniowe (Optrode) [1,3-5] lub kamery internetowe. Z kolei w miareczkowaniu nefelometrtcznym dobrze sprawdzały się zewnętrzne światłowodowe czujniki optyczne (CR100) [5], pracujące w trybie transmisji światła lub w trybie odbiciowym. Zastosowanie każdego z wymienionych czujników zapewnia możliwość sterowania procesem miareczkowania w szerokim zakresie objętości analitu i titranta. Dodatkowo czujniki zewnętrzne (kamera, CR100) eliminują konieczność częstego czyszczenia układu optycznego, co jest szczególnie istotne w systemach automatycznych. Szeroka gama przetestowanych urządzeń dozujących i detektorów sygnału analitycznego oraz komputerowo wspomaganych metod sterowania, pozyskiwania i analizy danych, a także znaczna ilość zbadanych układów analit-titrant dała zespołowi doświadczenie umożliwiające projektowanie i konstruowanie kolejnych zestawów pomiarowych z możliwością regulacji zakresu stężeń analitu i dokładności oznaczenia. Wieloletnia praca nad udoskonaleniem funkcjonalności oprogramowania ChemiON, stosowanego do sterowania pomiarem i przekazywania danych, pozwala na coraz bardziej komfortową i niezawodną obsługę zestawów pomiarowych.
Metody analizy wodorozpuszczalnych polimerów i surfaktantów wykorzystujące zautomatyzowane układu do miareczkowania opisano w 8 publikacjach o zasięgu międzynarodowym oraz w 3 krajowych patentach i 11 zgłoszeniach patentowych. Ponadto w dorobku naukowym członków zespołu znajduje się szereg innych artykułów i patentów dotyczących opisu i aplikacji oddziaływań jonowych w roztworach i wykorzystujących spektrofotometryczne techniki badań. Dorobek ten, wyrażony ilością prac obecnych w bazie WoS jest następujący:
J. Lamkiewicz  – liczba prac 10, cyt. 28
D. Ziółkowska  – liczba prac 45, cyt. 249
A. Shyichuk  – liczba prac 47, cyt. 569
 

Referencje do publikacji

  • Ziółkowska, J. Lamkiewicz, A. Shyichuk, Determination of Sodium Dodecyl Sulfate via Turbidimetric Titration with Poly(Diallyldimethylammonium Chloride), J. Surfact. Deterg.,-, 23, 5, 913-920, 2020.
    (0 cyt.)
  • Ziółkowska, J. Lamkiewicz, A. Shyichuk, Determination of sodium dodecyl sulphate by means of photometric titration with o-Toluidine Blue dye, J. Surfact. Deterg., 21, 5, 751-756, 2018.
    (3 cyt.)
  • Ziółkowska, I. Syrotynska, A. Shyichuk, N. Kutsevol, Comparison of Metachromatic Dyes Used for Determination of Surfactants by Means of Photometric Titration, Mol.Cryst.Liq.Cryst., 672, 1, 142-149, 2018.
    (1 cyt.)
  • Ziółkowska, A. Kaniewska, J. Lamkiewicz, A. Shyichuk, Determination of carrageenan by means of photometric titration with thiazine dyes, Carbohydrate Polymers, 165, 1-6, 2017.
    (11 cyt.)
  • Shyichuk, D. Ziółkowska, Quantitative determination of anionic surfactants by means of photometric titration with Methylene Blue dye, Surfact. Deterg. 19, 425-429, 2016.
    (11 cyt.)
  • Alexander Shyichuk, Dorota Ziółkowska, Jan Lamkiewicz, Determination of poly(diallyldimethylammonium chloride) via spectrophotometric titration with Coomassie Brilliant Blue G dye, Spectroscopy and Spectral Analysis, 36, No 2, 583-587,
    (0 cyt.)
  • Ziółkowska, I. Syrotynska, A. Shyichuk, Quantitation of polyhexamethylene biguanide by photometric titration with Naphthol Blue Black dye, Polimery, 59, 2, 160-164, 2014.
    (1 cyt.) 
  • Alexander Shyichuk, Dorota Ziółkowska, Sposób oznaczania stężenia poli(chlorku diallilodimetyloamonowego) w roztworach wodnych, PL223704, 2016.

Okres prowadzenia działalności naukowej, której wynikami są dowody wkładu działalności naukowej:

J. Lamkiewicz – od 2010 do 2021 r.
D. Ziółkowska – od 2010 do 2021 r.
A. Shyichuk – od 2010 do 2021 r.
 

Charakterystyka wpływu społecznego

Prowadzenie akwarium morskiego to zajęcie tyleż pasjonujące, co skomplikowane. Akwaria morskie są obiektami o dużych, a czasem ogromnych gabarytach, wymagającymi ciągłej kontroli. Jednakże, dzięki wielkiej atrakcyjności koralowców oraz inny organizmów (np. ryb), cieszących oko różnorodnością kształtów i barw, akwarystyka morska zyskuje coraz większe zainteresowanie. Zbiorniki morskie są instalowane zarówno w obiektach użyteczności publicznej jak i w prywatnych domach.

Prawidłowe prowadzenie akwarium morskiego wiąże się z koniecznością monitorowania i regulacji szeregu parametrów wody. Należą do nich: gęstość, temperatura, pH, alkaliczność (KH), zawartość amoniaku, azotanów (III) i (V), fosforanów, wapnia, magnezu, jodu i strontu. Zwierzęta i rośliny obecne w akwariach morskich są bardzo wrażliwe na nieprawidłowy poziom składników wody, szczególnie wapnia i magnezu, węglanów i wodorowęglanów, azotanów oraz fosforanów. Nieprawidłowości powodują blaknięcie i słaby wzrost korali, a także stres, spadek odporności i nienaturalne zachowania ryb. Kontrola tak wielu parametrów bywa kłopotliwa, szczególnie dla początkujących amatorów koralowców oraz właścicieli akwariów niedysponujących dostatecznie dużą ilością czasu. Stąd na rynku funkcjonuje szereg firm trudniących się zakładaniem akwariów morskich oraz nadzorem nad nimi. Dla sprawnej i prawidłowej kontroli korzystają one z usług specjalistycznych laboratoriów, które przeprowadzają analizę składu wody. Pewnym ułatwieniem takiej kontroli, szczególnie w amatorskim prowadzeniu akwarium, jest stosowanie tzw. testów kropelkowych. Niestety ich częste wykonywanie jest uciążliwe, a czułość niska. Wyniki takich pomiarów mimo wszystko wymagają okresowej weryfikacji w laboratoriach. Stąd wynika potrzeba konstruowania urządzeń, które mogłyby z wystarczającą dokładnością i czułością analizować wodę w akwarium, najlepiej w trybie automatycznym.

O ile urządzenia do monitorowania temperatury wody czy napowietrzania są w akwarystyce stosowane od dawna, to automatyczna kontrola składu chemicznego wody wciąż nastręcza trudności. Procedury analityczne wymagają na ogół przygotowania próbki do badania, co w przełożeniu na konstrukcję i funkcjonowanie przyrządu pomiarowego stwarza dodatkowe problemy. Automatyczny analizator składu wody staje się „robotem”, który musi obsłużyć wiele operacji jednostkowych (sekwencyjne dozowanie płynów, mieszanie, pomiary), a niekiedy kilka procesów jednostkowych (reakcji chemicznych). W rozwiązaniu problemu konstruowania tego typu urządzeń okazało się pomocne doświadczenia w budowaniu i aplikacji zestawów pomiarowych do automatycznego miareczkowania.

W lutym 2020 r., z inicjatywy przedstawiciela firmy Reef Factory [6] specjalizującej się w automatyce oraz inteligentnych rozwiązaniach dla akwarystyki morskiej, rozpoczęła się współpraca tej firmy z zespołem WTiICh w zakresie konstrukcji pierwszego z serii urządzeń do analizy wody w akwariach morskich. Współpraca polegała na opracowaniu i walidacji automatycznego systemu analizy alkaliczności w wodzie akwariowej [7]. Utrzymanie prawidłowej wartości twardości węglanowej (dKH) jest jednym z ważniejszych zadań kontroli wody w akwarium morskim, bowiem wywiera kluczowy wpływ na budowę szkieletu wapiennego koralowców. Dzięki odpowiedniemu dKH udaje się zapobiegać szkodliwym dla organizmów wodnych wahaniom pH. dKH i pH wody morskiej są parametrami szybkozmiennymi, dlatego wymagają częstej kontroli i regulacji. Potrzeba automatyzacji pomiaru w tym zakresie jest zatem szczególnie duża.

Wynikiem współpracy zespołu WTiICh z firmą Reef Factory jest urządzenie KH keeper, przeznaczone do automatycznej kontroli i sterowania poziomem dKH w akwariach morskich. Dodatkowo urządzenie współpracuje bezprzewodowo z systemem online „Smart reef” do zdalnego zarządzania, monitorowania i alarmowania użytkowników w sytuacjach niebezpiecznych [8]. Co ważne, konstrukcja urządzania jest wyjątkowo kompaktowa, dzięki czemu akwarysta może równocześnie instalować inne systemy monitorujące jakość wody w akwarium. Nieskomplikowany sposób obsługi powoduje, że KH keeper nadaje się do stosowania zarówno przez profesjonalistów jak i amatorów.

Produkt KH keeper został wprowadzony do oferty handlowej w listopadzie 2020 i zbiera pozytywne opinie użytkowników [9], którzy doceniają dokładność pomiarów oraz możliwość zdalnego sterowania pomiarami. Opisują urządzenie jako bardzo pomocne w prowadzeniu akwarium morskiego. KH keeper cieszy się zainteresowaniem zarówno w Polsce, jak i poza jej granicami. Jak wynika z danych producenta [10], sprzedano już ponad 1000 takich urządzeń. Jest to dobry prognostyk dla dalszej współpracy zespołu WTiICh z otoczeniem, w tym z firmą Reef Factory.
 

Dowód wpływu społecznego

[6] list intencyjny o nawiązaniu współpracy (mail)
[7] zlecenie wykonania prac badawczych + karta aplikacji produktu
[9] opinie nabywców urządzenia KH keeper (https://www.reeffactory.com/?state=productsKHKeeperOverview)
[10] oświadczenie firmy Reef Factory
 

Drukuj