Numerical Analysis on Thermal Control of Thermo-Bioconvection and Transport Characteristics Generated by Chemotactic Bacteria

Research Project

Project/Area Number	22K03918
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 19010:Fluid engineering-related
Research Institution	Iwate University
Principal Investigator	柳岡英樹岩手大学, 理工学部, 教授 (40281951)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000) Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	生物対流 / 熱対流 / バクテリア / 酸素 / 走化性
Outline of Research at the Start	様々な産業分野において，微生物を有効に利用するためには，流体中における微生物の挙動を解明し，微生物を制御することが要求される．微生物のなかには走性を持ち，熱に強い微生物が存在する．このような微生物が懸濁液中を移動することによって，生物対流が発生する．さらに，懸濁液を加熱した場合，触媒反応をより効率的に行えるため，生物対流を効率的に制御することが可能となる．本研究では，酸素に反応する走化性バクテリアに着目し，対流と物質輸送の強化のために，懸濁液に非定常的な温度変動を与えたときの熱生物対流の周波数応答性や共鳴現象が，バクテリアと酸素の輸送特性に及ぼす影響を明らかし，物質輸送の制御方法を提案する．
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，酸素に反応する走化性バクテリアに着目し，対流と物質輸送の強化のために，懸濁液に非定常的な温度変動を与えたときの熱生物対流の周波数応答性や共鳴現象が，バクテリアと酸素の輸送特性に及ぼす影響を三次元数値解析により明らかにし，対流と物質輸送の制御方法を提案することを目的とする．容器に入った懸濁液中には酸素に反応し，熱に強い走化性バクテリアが存在している．水面から酸素が一様に供給されるため，バクテリアは酸素の豊富な水面方向へ移動する．空気を一様温度に保ち，下壁面を非定常的に加熱することにより，熱生物対流を発生させる．令和5年度では，熱生物対流と物質輸送の周波数応答性を調査した．その結果，以下の知見が得られた． 1.非定常加熱の場合，周波数によらず，プルームの数および位置は，時間変化せず，定常の結果と一致することがわかった．したがって，以上の調査の結果より，非定常加熱におけるパターンの変化に着目せず，定常加熱と非定常加熱における輸送特性の相違に着目すればよいことがわかった． 2.加熱の変動周波数を変化させると，熱生物対流の対流特性を瞬間的に著しく向上させる温度変動の最適な周波数が存在することがわかった．つまり，熱生物対流においても，ある周波数帯で対流特性の時間変化が最も大きくなる共鳴現象が存在することが明らかになった． 3.加熱の変動周波数や振幅を変化させたとき，時間平均の対流速度や輸送特性が極大となる共鳴周波数の存在を明らかにした．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 令和5年度の研究は，申請書の計画通りに進んでいる．加熱の変動周波数と振幅を固定し，バクテリアの初期濃度に様々な乱れを与え，波長が異なる生物対流パターンと，そのパターンの波長による輸送特性の変化を解明することができた．この結果をもとに，バクテリア濃度を固定し，加熱の変動周波数や振幅を変化させたときのプルーム同士の干渉が，対流パターンや輸送特性に及ぼす影響を明らかにした．したがって，現在までの進捗状況は順調に進展しているが，この時点では，論文としてまとめられる結果が蓄積されていないため，進捗状況は，おおむね順調に進展していると判断した．
Strategy for Future Research Activity	令和6年度では，熱生物対流と物質輸送の制御手法の有効性を調査する．最初に，加熱の変動周波数と振幅を広範囲に変化させたとき，共鳴現象の発生によって輸送特性が向上する可能性を調査し，周波数の最適値（共鳴周波数）を提示する．次に，加熱の変動周波数と振幅が物質の輸送特性を向上させるメカニズムを詳細に明らかにし，生物対流の熱制御の有効性を提案する．