Sind Fische die Zukunft der Filtration Gesichter?


Crossflow Filtration arbeitet für Fisch und Industrie

Durch das Endoskop konnten wir sehen, dass der Hauptfluss des Wasser in Richtung der Rückseite des Mundes konzentriert Partikel parallel zu der Kieme Rakers Filter transportiert wurde. Weniger starke Ströme von partikelfreie Wasser verlassen zwischen der Kieme Rakers. Alle diese Dynamik von Flüssigkeiten entstehen durch die Wechselwirkung des Wassers mit den physischen Strukturen in das Fischmaul.

Wir hatten nicht erwartet, Crossflow Filtration bei Fischen zu sehen, obwohl dieser Mechanismus unabhängig von der Industrie ein paar Jahrzehnte zuvor entwickelt worden war. Crossflow Filtration verhindert Verstopfungen und wird oft verwendet, um Abwasser, Pharma, Milchprodukte und Getränke wie Bier und Fruchtsäfte zu filtern.

Leider verstopfen sogar industrielle Crossflow Filter schließlich noch. Im Laufe der Zeit da Wasser durch die Poren des Filters, tritt, legt es einige Partikel auf dem Filter. Der Filter müssen dann rückgemeldet oder mit Chemikalien, verursachen einen großen Betriebsausgabe gereinigt.

So wandten wir uns wieder an Fisch zu sehen, ob Millionen von Jahren der Evolution einzigartige Crossflow Filter Designs ausgedacht haben könnte.

Biomimetische Designs aus Fisch Mund

Wir begannen unsere Studie anhand von grundlegenden Strukturen im Inneren Fisch Münder, vertraut, Fischer und Aquarium Hobbyisten. Fisch Kieme Rakers – die "Fütterung Filter" – sind die Branchial Bögen befestigt. Diese Bögen sind Knochen oder Knorpel "Rippen" im Mund, die auch die leuchtenden rote Kiemen für Gasaustausch unterstützen. Die Bögen sind in der Regel nacheinander positioniert von vorne im Mund zurück in Richtung Speiseröhre, wo Nahrung geschluckt. Wissenschaftler hatte nicht vorher die Auswirkungen berücksichtigt, die Branchial Bögen auf Mustern der Wasserfluss haben könnte.

Für unsere neuesten Forschungsergebnisse haben wir unsere eigenen Filter mithilfe von Computer aided Design (CAD) Software und 3D-Druck kegelförmige Kunststoffmodellen Fisch Münder zu erstellen. Wir deckten die Branchial Bogen "Rippen" mit einem feinen Nylon-Netzgewebe.

Wir anhand unserer physikalischen Modellen Löffelstöre und Riesenhaie weil ihre Branchial Bögen bilden eine Reihe von hohen Rippen, die durch tiefe Furchen getrennt sind. In unseren Modellen war jeder Rippe ein rückwärts gerichteter Schritt, der mit der Crossflow Wasser Reisen über den Schritt interagiert.

Fast überall, dass das Wasser fließt über einen Schritt rückwärts gerichteter, ein Strudel wird automatisch erstellt. Aus diesem Grund, die eng beieinander liegender hohen Rippen ("d-Typ Rippen") in diese Fische Münder sind nicht oft benutzt von Ingenieuren wegen der störenden Wirbel, die kontinuierlich in die Rillen zwischen den Rippen bilden.

Wir haben viele Modelle mit unterschiedlichen Versionen dieser Schritte rückwärts gerichteter, testen Sie die Auswirkungen der unterschiedlichen Eigenschaften wie Höhe und Abstand zwischen den Schritten entwickelt. Interessanterweise haben Entwürfe für einige Mikrofluidik-Geräte, die in Labors für Zellsortierung verwendet werden ähnliche rippenartige Strukturen.

Löffelstöre und Riesenhaie sind Ram Filtrierer, die nach vorne, mit einem völlig offenen Mund schwimmen, Beute zu erfassen. Um diese Art der Fütterung zu simulieren, führte meine drei Bachelor-Student Mitautoren, Erin Roberts, Jillian Lineburg und Hannah Brooks, und ich Experimente in einem Tank fließen. Wir eintauchen unserer stationären Modelle in einen konstanten Strom von Wasser im Inneren des Tanks. Die Modelle "gefüttert" Partikel wie wir, die Geschwindigkeit des Wassers in den Tank fließen angepasst und Partikel der unterschiedlichen Größen, Formen und dichten dem Wasser zugesetzt.

Einzigartige bejubelten Kreuz-Stufen Filtration in Fisch

Wir manipuliert die Wirbel um Partikel auf den Boden der Modelle zu tragen, zeigt, dass Fische dieses sehr anpassungsfähig Filtersystem wie eine "hydrodynamische Zunge" verwenden könnte, Teilchen in den Mund zu bewegen.

Wir manipuliert die Wirbel in unseren Modellen konzentriert Partikel entlang der Achse Wirbel transportieren flussabwärts von jedem Schritt rückwärts gerichteter. Die Wirbel aufgehoben Partikel aus dem Netz und trug sie auf den Boden des Modells.

Kleine erhaltene Löffelstöre aus einer Aquakultur-Unternehmen platziert in den Tank fließen in Filter-Fütterung Position bildete auch Wirbel, die Partikel im Mund konzentriert. Dies deutet darauf hin, dass wir haben richtig identifiziert und Strukturen, die wichtig modelliert für die Erzeugung von Wirbel in echte Fische Münder sind.

Diese neue Filtrationsmethode, die wir "bejubelten Kreuz-stufige Filtration" nennen, ist wirksam, auch wenn das Netz beschädigt ist oder fehlt ein großer Teil der Modelle. Genau wie Fisch füttern weiterhin kann, auch wenn ihre Kieme Rakers wächst oder gerissen sind, können unsere Modelle Partikel erfassen, auch wenn es große Löcher im Netz.

Obwohl wir Wirbel als ein möglicher Mechanismus für die Fische Filtration bereits 2001 identifiziert hatte, noch nicht Daten auf Partikel Gefangennahme durch bejubelten fließen in Fisch Mund vorher veröffentlicht worden.

Farbstoff Rhodamin zeichnet den Weg von einem Vortex, die stromabwärts aus einem Schritt rückwärts gerichteter bildet. Der Schritt ahmt einen Branchial Bogen in einem Fischmaul.

Die Zukunft der Kreuz-stufige filtration

Unser biomimetischer Modelle Löffelstöre und Riesenhai Mund verwenden neue Arrangements von Kunstbauten, die nutzen bejubelten Fluss zu erhalten und winzigen Speisereste zu transportieren. Kreuz-stufige Filtration könnte auch auf Filter-Fütterung Enten, Bartenwale und Kieme Rakers Filter Fütterung Fischarten wie Mantas zutreffen.

Verständnis dieser Wirbel in Fisch öffnet neue Forschungsrichtungen für engineering verbesserte Filter mit weniger Verstopfungen, sowie die schnelle Trennung der Zellen für biomedizinische Tests.

S. Laurie Sanderson, Professor für Biologie, College of William & Maria

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf das Gespräch. Lesen Sie die

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