Модель роста биоплёнки поможет снизить расходы и выбросы в морском транспорте

Накопление слизи на корпусах грузовых судов приводит к значительному снижению топливной эффективности, увеличению выбросов и, в конечном счёте, росту цен для потребителей. Исследование, опубликованное в журнале npj Biofilms and Microbiomes, предлагает новый подход к управлению этой распространённой проблемой.

Учёные из Королевского технологического института (KTH) разработали модель для оценки скорости и масштабов роста биоплёнки. Это позволит операторам судов планировать очистку корпусов в оптимальные интервалы для экономии топлива.

Корнелиус Виттиг, аспирант в области механики жидкости в KTH, отмечает, что исследование впервые объясняет, как напряжение сдвига взаимодействует с биоплёнкой во времени, способствуя обрастанию слизью таких поверхностей, как корпус судна.

Процесс обрастания начинается с прикрепления к поверхности микроколоний бактерий. Эти бактерии формируют базовые структуры, из которых начинают расти нитевидные стримеры.

Вместе базовые структуры и стримеры создают неровности поверхности, ведущие к увеличению трения между корпусом и водой. Скорость роста стримеров и накопления неровностей зависит от уровня напряжения, вызванного потоком жидкости вдоль поверхности.

Обрастание слизью значительно увеличивает гидродинамическое сопротивление, требуя повышения мощности судна на величину до 18%, говорит Виттиг. «Судно, покрытое тонкой биоплёнкой, может столкнуться с увеличением расхода топлива до 80%».

Во многих случаях судно отправляют на очистку только после того, как оператор замечает резкий скачок расхода топлива. «К тому моменту уже слишком поздно, и много топлива потрачено впустую».

Таким образом, для получения выгоды от очистки судна критически важен правильный выбор времени.

«Потенциальная экономия топлива от очистки должна быть достаточно велика, чтобы компенсировать затраты на докование и процедуры очистки», — говорит Виттиг. «Точные прогнозы позволят операторам эффективно планировать очистку».

Он отмечает, что для применения модели в судоходстве необходимы дополнительные исследования в более реалистичных условиях. Полученные данные показывают, что напряжение сдвига можно приблизительно оценить, зная скорость судна.

«С точки зрения оператора судна важно знать, нужно ли чистить судно в следующем месяце или в следующем году, поэтому оценки достаточно для повышения точности принятия решений».

Виттиг говорит, что результаты исследования применимы в широком спектре областей, где биоплёнка является проблемой, включая стоматологию и медицину.

«Стримеры могут колебаться и увеличивать сопротивление, испытываемое судном или в трубе. В меньших по размеру системах, например, в медицинских устройствах, таких как стенты или катетеры, стримеры могут приводить к быстрому засорению».