Summary
我々は、水和物結晶形態に及ぼす様々な阻害剤、プロモーター、基質の影響を研究するために、瀬状水滴にガスハイドレートを形成する方法を説明する。
Abstract
本論文では、水滴にメタンハイドレートシェルを形成する方法について述べている。さらに、10 MPa作動圧力に定格圧力セルの設計図を提供し、セシル液滴のステージ、視覚化用のサファイアウィンドウ、温度および圧力トランスデューサを含みます。メタンガスボンベに接続された圧力ポンプを使用して、セルを5 MPaに加圧します。冷却システムは、銅コイルを介してエチレングリコールを介して冷却された50%のエタノール溶液を含む10ガロン(37.85 L)タンクです。この設定により、冷却および減圧中の水和物形成と解離に関連する温度変化を観察し、液滴の形態変化の可視化と写真撮影を行うことができます。この方法により、水和殻の形成が~6°C~-9°Cで迅速に観察された。 減圧中、熱水和物解離による圧力/温度(P/T)安定性曲線で0.2°C~0.5°Cの温度低下が観察され、温度降下開始時の融解の目視観察により確認された。2MPaから5MPaに再加圧した後、「メモリ効果」が観察された。この実験設計により、液滴の圧力、温度、および形態を時間の経過とともに監視できるため、水和物形態に関する様々な添加剤や基質の試験に適した方法となっています。
Introduction
ガスハイドレートは、ファンデルワールス相互作用を介してゲストガス分子をトラップする水素結合水分子のケージです。メタンハイドレートは、高気圧および低温条件下で形成され、大陸のマージンに沿った地下堆積物、北極永久凍土下、および太陽系1の他の惑星体に自然界で発生する。ガスハイドレートは、気候とエネルギーに重要な意味を持つ炭素の数千ギガトンを格納します2.ガスハイドレートは、水和物に有利な条件がガスパイプラインで発生し、致命的な爆発や石油流出につながるパイプを詰まらせることができるため、天然ガス業界でも危険である可能性があります。
その場でのガスハイドレートの研究が難しいため、水和物の特性と阻害剤や基質の影響を特徴付けるために、実験室での実験がしばしば採用されている。これらの実験は、様々な形状および大きさの細胞内で上昇圧力でガスハイドレートを成長させることによって行われる。ガスパイプラインにおけるガスハイドレートの形成を防ぐ努力は、不凍タンパク質(AMP)、界面活性剤、アミノ酸、およびポリビニルピロリドン(PVP)5,6を含むいくつかの化学的および生物学的ガスハイドレート阻害剤の発見に至った。これらの化合物がガスハイドレート特性に及ぼす影響を判断するために、これらの実験は、オートクレーブ、結晶化剤、攪拌反応器、および0.2〜106立方センチメートル4の体積を支える揺動細胞を含む多様な容器設計を採用している。
ここで、以前の研究で使用されるセシル液滴法7、8、9、10、11、12は、圧力セル内の水のセスシル液滴上にガスハイドレートフィルムを形成することを含む。これらの容器は10-20 MPaまでの圧力に対応するためにステンレス鋼およびサファイアから成っている。セルはメタンガスボンベに接続されています。これらの2つの研究は、PVP7、11などの市販の運動水和阻害剤(KHI)と比較して、ガスハイドレート阻害剤としてAFPを試験するために液滴法を用いた。Bruusgardら.7阻害剤の形態学的影響に焦点を当て、I型AMPを含む液滴は、高い駆動力で阻害剤を持たない樹状液滴表面よりも滑らかでガラス状の表面を有することを発見した。
Udegbunamら11は、以前の研究でKHIを評価するために開発された方法を使用して、形態/成長機構、水和液-液体蒸気平衡温度/圧力、および速度論を温度の関数として分析することを可能にする。Jungらは、CH4水和物シェル8を形成した後に細胞をCO2であふれさせることにより、CH4-CO2置換を研究した。陳らは、水和物殻が9を形成するとしてオストワルド熟成を観察した。エスピノーザら他は、様々な鉱物基質上のCO2水和物殻を研究した。液滴法は、ガスハイドレートに対する様々な化合物や基質の形態学的効果を決定するための比較的簡単で安価な方法であり、少量の体積に起因する少量の添加剤を必要とします。本論文では、サファイアウィンドウを備えたステンレスセルを用いて水滴にこのような水和物殻を形成する方法を説明し、最大10MPaの作動圧力を評価する。
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Protocol
1. 圧力セルを設計、検証、機械加工します。
- 水滴からの水和物の形成を直接可視化できるように細胞を設計します。セルにシースルーサファイアウィンドウと、流体/ガスインレット、コンセント、ライト、およびワイヤ用の4つのポートを備えたメインチャンバーがあることを確認します(図1)。エンジニアリング設計ソフトウェア (補足図 S1)で最終的な設計を作成します。
- 高圧で作動する圧力セルが安全であることを確認するには、シミュレーションソフトウェアを使用して有限要素解析を行います。
- エンジニアリング設計ソフトウェアのフルサイズの圧力セルモデルをシミュレーションソフトウェアに入力します。
- ヤング率400 GPa、ポアソン比0.29をサファイアウィンドウに割り当てます。
- すべてのステンレス鋼部品に対して、ヤング率190 GPaとポアソン比0.27のステンレス鋼316を割り当てます。
- ステップバイステップの方法で、0を1、2、3、4 5、6、7、8、9、および10 MPa空気圧をセルの内側に適用する(補足ビデオS1 および 補足ビデオS2)。各荷重ステップを静的問題として扱うため、関係式の時間依存項を無視し、加圧時の弾性変形のみを考慮します。
- シミュレーションソフトウェアの直線形方程式ソルバを使用して、さまざまな圧力条件下での応力分布と変形を計算します(補足表S1および補足表S2)。
- 圧力セル設計が安全であることを確認したら、エンジニアリング設計ソフトウェアの設計図に基づいてすべての部品を加工します。
2. 圧力セルを組み立てます (図 1)。
- 4 つのナショナル パイプ テーパード (NPT) スレッドを配管工のテープで圧力セルの各ポートにねじ込みます。
- ブループリント設計(補足図S1、部品C、D、E)を使用して照明ポートを組み立て、左上のNPTネジに接続します。
- 分岐ティーフィッティングとポートコネクタフィッティングを使用して、圧力トランスデューサを上部ポートNPTに接続します。
- ポートコネクタのフィッティングを使用して、左側のNPTネジの入口ニードルバルブを接続します。
- 圧力シールコネクタを圧力セルの右側のポートに取り付けます。3つのK型熱電対線を、セル内の3インチの緩み、セルの外側に3'の緩みを備えた圧力シールコネクタを通して挿入します。
- サンドペーパーでステージ表面を磨きます(補足図S1、パートF)。
- 熱電対をステージの各穴に挿入して、先端がステージの上部と同じになるようにします。各穴に接着剤の小さな滴を使用して、熱電対を所定の位置に固定し、乾燥させます。
- 圧力セルの背面壁にアクリルディスクをフィットさせ、光反射を高めます。圧力セルにステージを合わせます。
- サファイアウィンドウをインストールします。
- 2つの静的シーリングOリング(1つの1"と1-1/5")に真空グリースを塗布します。Oリングを圧力セルの窓穴の周りの溝に収めます。
- サファイアウィンドウを挿入します。8本のM8ステンレス製ネジを使用して、2-1/4インチのゴム製ワッシャーとネジ(補足図S1、パートB)でサファイアウィンドウを覆います(図2C)。
3. 装置を大きなヒュームフードに組み立てます(図2)。
注:メタンは圧力下で可燃性ガスであるため、すべてのメタン関連のチューブと容器を熱、火花、開炎、熱い表面から遠ざけてください。換気の良いエリア(例えば、ヒュームフード)内のすべての機器を設定します。メタンガスを使用する前に、安全メガネとラボコートを着用してください。
- すべての機器が収まるほどの大きさのフームフードに圧力ポンプを慎重に持ち上げます(図2A)。ポンプの基盤の上にポンプコントローラーを置きます。ポンプコントローラをポンプに接続し、電源ストリップに接続します。
- 高圧定格の1/4インチ銅管を、メタンガスボンベのレギュレータから圧力ポンプの入口の隣のヒュームフードまで走らせます(図2A、B)。
- データロガーを圧力ポンプの隣に置き、ラップトップをデータロガーにセットします(図2A)。両方を電源ストリップに差し込みます。データロガーUSBを介してノートパソコンにデータロガーを接続します。
- ラップトップ上で、データロガー、カメラ、圧力トランスデューサを圧力セルに制御するための適切なソフトウェアをインストールします。
- データロガーの横に水槽をセットし、水槽の底に非浸出パディングを置いて、振動を圧力セルに制限します(図2C)。
- 新しい1/4インチ銅管を使用して、銅管を2回楕円形に巻き、水槽に収まるようにし、圧力セルが内部に座る余地を残します(図2D)。コイルが圧力セルのサファイアウィンドウをブロックしていないことを確認します。サファイアウィンドウを表示するには、水槽内の圧力セルを高くします。
- 循環チラーをフームフードの近くの床に置きます(図2A)。50/50 vエチレングリコール/水でチラーを充填します。
注意:エチレングリコールは危険であるため、手袋、ラボコート、ゴーグルを含む適切な安全服装を使用してください。 - 3/8インチ(内径)のプラスチックチューブを2つの長さにカットして、チラーの入口と出口を水槽内の銅管端に接続します。切削前に泡パイプの絶縁材が収まるのに十分な緩みがあることを確認してください。
- プラスチックチューブを泡パイプ断熱材にスライドさせます。
- 循環チラーの入口と出口から、水槽内の銅コイルの端に絶縁されたプラスチックチューブを接続します。金属部品の周りに配管工のテープを巻き付け、ワームドライブホースクランプで接続を締めることによってシールを固定します。チラーをオンにし、高速で循環するように設定します。漏れがないことを確認します。
- 水槽内の銅コイル/プラスチックチューブ接続の周りに水中シーラントを適用します。シーラントを治します。密封剤をダクトテープで包みます。
- 圧力ポンプチューブを取り付ける(図2E)。
注:工具を使用する前に常に接続を手締めし、配管工のテープでNPT接続を取り外すことはありません。- 配管工のテープを使用してポンプに付属の会社の付属品と圧力ポンプの両側に1/8 "ステンレス鋼管を取り付けます(図2F)。
- チューブベンダーを使用して、1/8インチパイプを90°の角度で前方に曲げ、ポンプから約2インチ離れて、接続で曲がらないようにします。
- チューブベンダーを使用して、1/8インチパイプを最初の曲げから約2インチ離れた90°の角度で下向きに曲げてください。
- 1/8" を両側の 1/8" パイプに取り付ける 1/4" アダプターを取り付けます(図 2G)。
- 両サイドのアダプター・フィッティングに1/4"パイプを取り付けます。
注: バルブをポンプの側面に貼り付けるには、1/4 インチのチューブをトリムして、付属のバルブが 2 つのねじ穴の隣に置くようにします。 - 1/4インチのニードルバルブを取り付けます(図2H)。圧力ポンプに弁を固定する場合は、ネジ用の2つの1/16"穴と1つの1/2"穴を備えたスチールまたはプラスチックプレートを機械で留め、針バルブ接続間を固定します。バルブ接続の間にプレートを挿入し、ポンプの側面にプレートをねじ込みます。
注: ニードルバルブの矢印が、高圧(圧力ポンプ内)から低圧(圧力ポンプの外側)を指していることを確認します。 - 1/4"編組ステンレス鋼柔軟な圧力評価ホースの一方の端を圧力ポンプの出口弁に、もう一方の端を圧力セルのサイドバルブに接続します。
- データロガーマルチチャンネルを使用して、圧力セルからデータロガーチャンネルに熱電対を接続します。追加の熱電対ワイヤを接続してタンク溶液の温度を測定し、もう一方の端をタンクに入れます。
- 圧力セルの圧力トランスデューサをラップトップに接続します。
- より鮮明な画像撮影のために、水槽の内側の圧力セルを前面に近づけるように設定します。
- 水族館を絶縁するには、水槽の外側をホイル裏打ちされたガラス繊維で包み、カメラが圧力セルのサファイアウィンドウを見るための穴/スリットで覆います。実験中の蒸発を防ぐために、水族館の上部に絶縁材料を覆います。
注:光源からの熱の蓄積を避けるために、水槽の上をしっかりと密封しないでください。 - 水族館の前面に湿った空気の凝縮を防ぐために、カメラが向いている水槽の前面に最も近い空気バルブからプラスチックチューブを実行して、チューブが写真に見えないようにします。
- 水槽の横に光源ユニットをセットし、電源ストリップに差し込みます。
- 水槽の前にカメラをセットし、水晶体がサファイアウィンドウを向いている。カメラをラップトップと電源ストリップに差し込みます。
- 潜在的な漏れ損傷を防ぐために、フード表面からすべての電子機器を高めます。コンセントの電力容量に電力が供給されていることを再確認します。
4. 圧力セルを水で漏れテストします。
注:すべての接続が正しく密封されたことを確認するには、特にNPTネジを取り外した後に、セルが再組み立てされるたびに、圧力セルを水でリークテストします。これは、サファイアウィンドウやトップバルブを取り外した後に必要ありません。水はガスよりも圧力の下で安全です。
- ラップトップで圧力トランスデューサソフトウェアを開き、1秒のスキャン間隔でデータ収集を開始します。
- 圧力ポンプとコントローラーをオンにします。圧力 ポンプコントローラのポンプA を押して圧力を監視します。
- ポンプに圧力がある場合は、ポンプ入口バルブと出口弁の両方が閉じている間に、圧力ポンプコントローラの リフィル を押して圧力を下げます。
- 両方の圧力セルバルブを開いた状態で、ポンプ出口バルブを~1/16インチ開けて、残りの圧力をゆっくりと解放します。
- 接続されている場合は、圧力ポンプの入口弁から1/4"銅管を外します。
- ナットとフェルールセットを使用してポンプインレットバルブに1/4"フレキシブルチューブを取り付けます。チューブの端を1ガロンの水に入れます。
- ポンプの出口弁を閉じ、ポンプの入口弁を開きます。
- 圧力ポンプコントローラの リフィル を押して、ポンプピストンに水を充填します。
- 水槽の外側の浅い空の容器に圧力セルを設定します。
- 上部のポートから水が出て圧力セルを完全に満たすまで、圧力セルから空気をパージします。
- ポンプの入口弁を閉じ、ポンプの出口弁を開きます。
- 圧力セルのバルブが開いたままであることを確認します。
- 最大(最大)流れを100 mL/minに設定:圧力ポンプコントローラで、リミットを押します。最大流量の場合は 3を押します。1を押して最大流量を設定します。100でパンチ;Enterキーを押します。
- Dキーを押して前のページに移動します。
- 圧力ポンプコントローラで、一定の流量を100 mL/minに設定し 、Constフローを押します。流速の 場合は A を押します。 100でパンチ; Enterキーを押します。を押 します。
- もし水が出ないか、ピストンの容積が不足している場合は、ポンプ出口弁を閉じてピストンを再び補充し、ポンプ入口弁を水中にチューブで開け、 再充填を押す。次に、ポンプ入口バルブを閉じて空気をパージし、ポンプ出口バルブを開き、流量を 100に設定し 、Runを押します。
- 圧力セルの上部ポートから水が出たら、漏れを確認し、漏れた接続を締めます。 [停止]を押します。圧力セル出口(上)バルブを閉じます。
- 圧力セルを加圧します。
メモ:圧力セルを加圧する前に安全メガネを着用してください。- 最大流量制限を 10 mL/min に設定して、セルの高速加圧を防ぎます: 圧力ポンプコントローラで 、リミットを押します。最大流量の 場合は 3 を押します。 1 を押して最大流量を設定します。 10でパンチ; Enterキーを押します。
- 100 kPaにセルを加圧:圧力ポンプコントローラ上で 、Constプレスを押します。 Aを押す。 100でパンチ; Enterキーを押します。を押 します。
- 漏れがないか確認します。漏れがある場合は、ポンプコントローラの 停止 を押し、漏れたコンポーネントを締め付け 、Runを押して、100 kPaで漏れがなくなるまで繰り返します。ポンプ出口バルブを閉じ、圧力トランスデューサソフトウェアの圧力セルの圧力を監視することで、漏れが発生しないようにします。
注:圧力が一貫して低下し、室温変動による通常の変動ではない場合は、漏れがあります。 - 圧力を100kPaから500kPaに500kPaに、次に100kPaから1,000 kPaに100kPa単位で増加させ、最後に1,000kPaから〜10,000 kPaに~10,000 kPaに~10,000 kPaの増分で1,000 kPaの増分で。これは、 以前のようにConst Press の設定を変更することによって行います。圧力設定の間に、ポンプ出口弁を閉じ、圧力が一定であることを確認するために前のように細胞の圧力を監視する。圧力が下がった場合は、漏れた部品を慎重に締め付けます。
- 10,000 kPa に達したら、ポンプ出口弁を閉じ、圧力トランスデューサに従って圧力セルがどの程度圧力を保持しているかを観察します。圧力の一貫した低下は漏れを示すので、より低い圧力で接続を締め付け、〜1,000 kPa。
- 減圧するには、ポンプ出口バルブを開き、圧力を100kPaに設定します。圧力高原が一度、圧力セル出口弁をわずかに開ける。
- 圧力ポンプから水を取り除くために、ポンプの入口弁を閉じ、最大流量および Constフロー 設定を 100 mL/minに変更し、ポンプが空になるまで 実行 を押します。
- ポンプ入口から1/4"フレキシブルチューブを取り外します。三つ編みのステンレス鋼ホースを圧力セルから取り外します。両方のバルブを開き、水を排出します。サファイアウィンドウを取り外して、セルを完全に乾燥させます。
5. 液滴表面にメタンハイドレートシェルを形成します。
- 機器を準備します。
- 新しいナットとフェルールセットを使用して、メタンシリンダーレギュレータを1/4インチ銅管でポンプに接続します。ガスボンベが閉じられていることを確認します。
- 練習液滴挿入技術。
- IVチューブなどの柔軟な先端をカニューレの端に向けて角度で切り、サファイアウィンドウに向かって液滴を向けます。カニューレに1mLのシリンジを取り付け、必要な脱イオン水量(〜50~300μL)を引き込みます。ニードルバルブやサファイアウィンドウが取り付けられていない状態で、カニューレの端部を上部ポートに挿入し、ドロップレットを中央のステージに排出する練習を行います。液滴挿入を練習した後、液滴を取り除き、ステージを乾燥させます。
注:このプロトコルでは、250 μL の脱イオン水をシリンジに取り込んだ。
- IVチューブなどの柔軟な先端をカニューレの端に向けて角度で切り、サファイアウィンドウに向かって液滴を向けます。カニューレに1mLのシリンジを取り付け、必要な脱イオン水量(〜50~300μL)を引き込みます。ニードルバルブやサファイアウィンドウが取り付けられていない状態で、カニューレの端部を上部ポートに挿入し、ドロップレットを中央のステージに排出する練習を行います。液滴挿入を練習した後、液滴を取り除き、ステージを乾燥させます。
- サファイアの窓と洗濯機をM8ネジで取り付け直します。三つ編みのステンレス製ホースを圧力ポンプから圧力セルに接続し、ガスボンベから圧力セルへのすべての接続がタイトであることを再確認します。圧力セル入口弁(サイドバルブ)を開き、水槽内に圧力セルをセットします。光ファイバ光源ケーブルを圧力セル照明ポートに挿入します。
- 50/50エタノール/水(v/v)を水槽に加え、圧力セルの上部に収まるまで、光源接続のすぐ下に配置します。フードフローがオンになっていることを確認します。次の週に、将来の試験の前に溶液レベルが落ちた場合, より多くのエタノールを追加.ソリューションを毎月交換します。
- 冷却機をセル内で〜4°C~~3°Cにして、コイルを通して循環を開始する温度に設定します。水槽表面の結露を防ぐために、水槽の前面に気流をオンにします。
- データロガーソフトウェアで温度ログを開始します。スキャン間隔を 30 秒に設定します。圧力セル内部の温度が2°C(〜6-24時間)で安定するまで待ちます。
- ラップトップのカメラビューを使用して、圧力セルに水滴を追加します。
- 光源を80%程度にします。カメラソフトウェアを開きます。ライブビューでは、カメラレンズをセルの内側のチャンバーに合わせます。最適なイメージングのために光源を調整します。
- 1 秒のスキャン間隔で新しい温度ログを開始します。
- 取り付けた場合は、圧力セルの上部ポートにある出口ニードルバルブを取り外します。カニューレに1mLのシリンジを取り付け、必要な脱イオン水量(〜50~300μL)を引き込みます。
注:このプロトコルでは、250 μL の脱イオン水がシリンジに取り込まれました。 - 先端がライブビューモードでカメラソフトウェアに表示されるまで、上部のポートを通してカニューレを挿入します。中央熱電対上の注射器から流体液滴を排出します。針弁を取り付け直します。
- 圧力セル内の液滴にカメラを焦点を合わせます。〜60 sごとにタイムラプスイメージングを開始します。
- ラップトップで圧力トランスデューサソフトウェアを開き、1秒のスキャン間隔でチャートとデータログのデータ収集を開始します(温度スキャン間隔と同じ)。液滴温度が0〜3°Cの間で安定するまで待ちます。
- 圧力セルを所望の圧力に加圧します。
メモ:セルを加圧する前に安全メガネを着用してください。- ポンプとコントローラーの電源を入れます。圧力ポンプの入口弁を閉じます。
- ポンプの出口弁と圧力セルのバルブを開きます。
メモ:圧力セルの入口弁は常に開いている必要があります。 - 圧力ポンプコントローラで ゼロ を押してポンプ圧力を引き起下げます。圧力 ポンプコントローラのポンプA を選択して、圧力を監視します。
- メタンガス以外の液体がポンプに存在する場合は、圧力ポンプが空であることを確認してください。これを行うには、最大フローと コンストフロー を 100 mL/min に設定し 、Runを押します。ポンプが空になるまで動かしたままにします。ポンプ出口バルブを閉じ、ポンプ入口バルブを開きます。
- ガスボンベを開き、ガスボンベレギュレータを1,000kPaに設定します。
- 圧力ポンプコントローラの リフィル を押します。ポンプが満杯で1,000 kPa近くになったら、ポンプ入口弁とガスボンベを閉じます。
- ポンプ出口弁をセルにわずかに開く(約1/16"回転)。圧力トランスデューサソフトウェアの圧力セル圧力を監視し、圧力セル内の温度が比較的低いため、圧力が低下する可能性があります。
- 最大流量を 10 mL/minに設定 : 圧力ポンプコントローラで 、リミットを押します。最大流量の 場合は 3 を押します。 1 を押して最大流量を設定します。 10でパンチ; Enterキーを押します。
- 最大圧力を 5,000 kPaに設定 : 圧力ポンプコントローラで、 リミットを押します。 1を押します。 5000でパンチ; Enterキーを押します。
- 一定圧力を 1,000 kPaに設定 : 圧力ポンプコントローラで 、Constプレスを押します。 Aを押す。 1000でパンチ; Enterキーを押します。を押 します。
- 1,000 kPa に達したら、ポンプコントローラの 停止 を押し、ポンプの出口弁を閉じます。圧力セルの圧力を監視して、漏れが発生しないようにします。圧力が下がった場合は、液体漏れ検知器を使用して接続時に漏れを検出し、漏れたコンポーネントを慎重に締め付けます。
- セルが安定している場合は、ポンプ出口を開き 、Const Press を 2,000 kPaに設定します。 [停止] を押して、モニタします。2,000 kPa で安定している場合は 、Const プレス を 3,000 kPaに設定します。 [停止] を押して、モニタします。3,000 kPa で安定している場合は 、Const プレス を 4,000 kPaに設定します。 [停止] を押して、モニタします。4,000 kPa で安定している場合は 、Const Press を 5,000 kPaに設定します。 [停止] を押して、モニタします。
- 圧力が安定している場合は、ポンプ出口を閉じます。
メモ:ポンプのボリュームがながなくなる場合は、ポンプの出口を閉じてポンプの入口を少し開きます。ガスボンベをゆっくりと開き、ガスレギュレータを1,000kPaに設定します。ポンプコントローラの リフィル を押します。ポンプが補充されたら、ガスボンベとポンプの入口を閉じます。ポンプを加圧して圧力セルの圧力に合わせる。 - 気体が液滴に浸透するまで、〜12〜24時間待ちます。
- ドライアイスを使用して水和物シェルを核生成します。
- 2~5 sごとに画像を撮影するようにタイムラプスを切り替えます。
- 水分補給殻がタイムラプスで見えるまで、細胞の上部にドライアイスを加えます。ドライアイスがスライドする場合は、セルの上部にテープを貼り付けます。
- メタンハイドレートの進行を、〜2~6時間のタイムラプス写真で観察します。
- ポンプ出口を開き 、Constプレス を2,000kPaに設定することで、セルを2,000kPaに減圧します。融解が発生した場合に注意してください。
注:溶解ガスの脱出のために、セシル液滴のバブリングが発生する場合があります。 - ~30分後、圧力セルを5,000kPaに再加圧して、メモリ効果を観察します。水和物シェルが改革を開始したときに注意してください。シェルを約 30 分間から 2 時間形成します。
- ポンプ出口を開き 、Constプレス を0 kPaに設定して、セルを減圧します。圧力セルに残留圧力がある場合は、圧力セル上部バルブを~1/16で少し開く。
- 圧力と温度データを.csvファイルとして保存します。
- 前のように上部の圧力セルバルブを取り外し、注射器/カニューレ/IVチューブで液滴を抽出することで液滴を取り除きます。試験間の汚染が懸念される場合は、サファイアウィンドウを取り外し、ステージを消毒し、真空グリースを交換してください。圧力セルが室温まで温まったら、サファイアウィンドウを取り除くために吸引カップを使用してください。
6. データを分析します。
- 温度と圧力.csvファイルを開きます。
- 新しいスプレッドシートを作成します。圧力.csvの時間と圧力列、温度.csvファイルの時間と温度を新しいスプレッドシートにコピーします。
- X軸に時間を設定し、温度と圧力を持つ2つのy軸を用いて散布図を作成します(補足図S2)。
- 水和物の安定性曲線に対して、さらに 2 つの列を作成します。最初の列に、0.1 K 間隔で 273.15 K から ~279.15 K までの温度を入力します。2 番目の列で、スローン &K13の式 (1) を使用して圧力を計算します。
P [kPa] = exp(a+b/T [K]) a = 38.98およびb = -8533.80 (1) - 水和物安定性境界の散布図を作成し、X 軸に温度(K)、Y 軸に圧力(kPa)を使用します。x軸とy軸に対する実験温度と圧力を持つ散布図に、第2系列を追加します(図4)。
- タイムラプスイメージングに従って、水和物シェルが見えるようになったグラフに注意してください。
7. 機器を維持します。
- 蒸発したエタノールを交換するためにすべての試験の前にエタノールでタンク溶液を上に置きます。タンクソリューションを毎月完全に交換してください。
- 通常使用の2ヶ月ごとにOリングとゴムワッシャーを交換してください。
- 固定されない持続的なリークが発生した場合は、ポート接続を交換してください。
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Representative Results
この方法により、液滴上のガスハイドレートシェルは、圧力セルのサファイアウィンドウを通して、温度および圧力トランスデューサを介して視覚的に監視することができます。5MPaに加圧した後に水和物シェルを核化するために、ドライアイスを圧力セルの上部に加えて、急速な水和物結晶化を誘発する熱ショックを誘発することができる。ドライアイス強制水和物シェル形成では明らかな形態学的な違いがあります。水滴は、滑らかな反射面(図3A)からわずかに樹状表面を有する不透明な水和物シェルに移行した(図3B)。100 μg mL-1 Type I AFP の添加により、液滴の上部から突起状のエッジと突起部に沿って隆起したエッジを誘導することで、水和物形態が変化しました (図 3C,D)。
水和物殻が〜1時間発達した後、細胞を2MPa(補足ビデオS3)に減圧した。減圧中、発熱性水和物解離によりP/T安定性曲線13(図4)付近で0.2°C~0.5°Cの温度低下が発生した。水和物解離は、温度低下の開始時のタイムラプスイメージングを経て視覚的融解によって確認された、図4の星によって指摘された。完全な水和物解離後、細胞を再加圧して形態と融解温度を観察し、「記憶効果」14と、水和物が既にシステムに形成された後に水和物がより速く形成する現象(補足ビデオS4)。再加圧の際、5MPaに到達してから数分以内に水和物シェルを改変し、解離時の安定性曲線でも同じ温度低下を観察した。
無滴で、水和物殻を形成しなかった液滴を有する陰性対照(図4、試験4および5)は、減圧中の温度の低下を示さなかった。2 MPa未満の減圧の際、急速な脱気から液滴内でガスが泡立つ様子が見られた。各温度低下の頂点は、以前に確立されたP/T安定性曲線13(図4の水和安定性曲線#1)を上回っていたため、これらの試験の頂点P/Tに基づいて回帰曲線を計算した(P[kPa]=EXP(38.98+-8533.8/T[K])、ハイドレート安定性曲線#2図4)。
図1:圧力セル 液滴が座り、埋め込まれた熱電対がサファイアウィンドウを取り外し、ゴムとスチールの洗濯機を上に置くことによって明らかにされる段階。すべての部品と接続にラベルが付けられます。 左上のインセット: 中央およびサイドステージ埋め込まれた熱電対を備えた上から示すステージ。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:メタンハイドレート実験セットアップ(A)実験セットアップが配置されているヒュームフード。(B)ガスボンベは銅コイルを介して圧力ポンプに接続される。パネルから強調表示(A)組み立てられた圧力セル、 (D) 絶縁または溶液のない 10 ガロン (37.85 L) タンク、(E)圧力ポンプ、(F, G, H)圧力ポンプ接続のズームイン画像.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:メタンハイドレートシェル(A)および(B)の前の液滴の代表的な画像は、脱イオン水滴上および(C)および100μg mL-1Type I不凍タンパク質を含む液滴に形成された水和物殻の前(C)および後に形成されたメタンハイドレートシェルである。スケールバー= 5 mm.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:圧力温度安定性図 減圧中の圧力と温度データは、メタンハイドレートのP/T安定性曲線で示されています(この研究から水和物融解ピークから回帰曲線を取ることから計算されたSloanとKoh 2007 13と#2から#1)。 DI水滴上で正常に形成された水和物殻を有する試験は、試験1、2、および3である。試験4は、ステージ上に液滴のない陰性対照であった。試験5における液滴は、水和物殻が形成されていないもう一つの陰性対照であった。星は、減圧中に視覚的な水和物融解がいつ始まったかを示す。トライアル 1 の解像度は 30 s (データ ポイントは 30 s ごと) です。他の試験は1 s.の略語の解決を持っています: T = 試行;M.E. = メモリ効果;P/T = 圧力温度;DI = 脱イオン;res = 解像度。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図S1:圧力セルを加工するCAD画像。 圧力セルの部品A-Fは、部品の文字と寸法でラベル付けされています。略語: CAD = コンピュータ支援設計。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図 S2: 試験 2 - 4 の経時の圧力と温度データ。試験2および3は、水和物殻を形成する規則的な脱イオン水滴であった。試験4は、液滴が存在しない陰性対照であった。試験は、時間ゼロで発生する最初の減圧で並んでいます。圧力ポンプとの混合ガスによる減圧の開始時に温度の小さな低下が起こる。試験2および3に示すように、最初の圧力降下後に水和物融解が発生するため、より大きな温度低下が生じる。試験4の終わりに温度変動は、完全な減圧につながる弁の開口によるものであり、これは試験2および3の終わりにも起こる。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足表S1:機械化された圧力セルの許容応力(MPa) 略語: FS = 安全率。 このテーブルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足テーブルS2:機械加工圧力セルの安全率。 略語: FS = 安全率。 このテーブルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ビデオS1:ひずみ。 機械加工圧力セル上のひずみシミュレーションのビデオ。 こちらをクリックして、このビデオをダウンロードしてください。
補足ビデオS2:ストレス。 機械加工圧力セル上の応力シミュレーションのビデオ。 こちらをクリックして、このビデオをダウンロードしてください。
補足ビデオS3:水和物殻解離の試験3。 25倍速での水和物シェル解離のタイムラプスビデオ。 こちらをクリックして、このビデオをダウンロードしてください。
補足ビデオS4:メモリ効果核化の試験3。 10倍速で2MPaから5 MPaに再加圧した後のメモリ効果による水和物シェル形成のタイムラプス映像。 こちらをクリックして、このビデオをダウンロードしてください。
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Discussion
私たちは、安全にセシル水滴にメタンハイドレートシェルを形成し、この方法を共有して、10 MPaの作動圧力に定格された圧力セルと加圧冷却システムを機械化し、組み立てる方法を開発しました。圧力セルには、埋め込まれた熱電対を含む液滴のステージ、液滴を視覚化するためのサファイアウィンドウ、および細胞の上部に固定された圧力トランスデューサが装備されています。冷却システムは、50%エタノール溶液を含むタンク内の銅コイルを循環する冷却エチレングリコールを含み、圧力セルが配置されます。圧力ポンプは、気筒から圧力セルにガスを加圧します。水和物殻は、急激な温度低下時に形成され、ドライアイスを圧力セルの上部に加えます。我々は、シェルが2時間形成することを可能にし、その間、ガスは水和物殻の確率的な割れ目を通して浸透し、オストワルドはより長い期間にわたって熟成すると信じている。実際、この装置はこれらの現象を研究するために使用することができる。
このプロトコルの重要なステップには、1)ガスで加圧する前に水で圧力セルを漏れテストし、2)サファイアウィンドウを挿入する前に水滴をステージに追加する練習、3)加圧前に〜2°Cで安定するように液滴を冷却し、4)最大流量10 mLmin-1 から5 MPasを加圧する 5)圧力ポンプとのガス交換を制限するために圧力ポンプ(セルに)出口弁を閉じ、6)温度、圧力、およびタイムラプスソフトウェアを1s、1s、5s(以下)ごとに記録するように設定し、ドライアイスを加える前に、7)水和物殻が経過するまで連続的に細胞の上部にドライアイスを適用し、 8)水和物殻が少なくとも1時間、9)加圧と同じ速度で減圧を形成することを許可する。
メソッド開発では、冷却のタイミング、加圧、減圧、液滴サイズ、液滴挿入技術など、変数や技術を最適化しました。この方法を使用する場合、いくつかの制限があります。1つの制限は、カメラと液滴(タンク、エタノール溶液、厚いサファイアウィンドウ)の間のカメラ解像度と材料による液滴イメージングの解像度です。さらに、他の研究では、マイクロスケール7、9、10で表面液滴を観察する一方で、この方法はマクロスケール観測のみを可能にする。顕微鏡のレンズアタッチメントは、マイクロ観測に関心があれば設置することができます。
この方法のもう一つの制限は、水和物シェルの厚さを正確に測定できないことです。しかし、水和物の厚さは、水和物形成前後の断面積を差し引き、減圧時の温度変化を用いてガス消費量を算出し、形成される水和物の体積を求めることによって推定することができる。もう一つの制限は、サファイアウィンドウを含む圧力セルの片側しか存在しないため、この液滴は3Dで見ることができないということです。対照的に、他の研究は、複数の角度7から液滴を観察するために完全にサファイアで作られた細胞を使用しています。また、温度制御ステージ10 や分光技術を導入しませんでした。ただし、このセットアップを使用してインストールすることは確かに可能です。
この方法により、モルフォロジー、解離圧力および温度、および水和物解離中の温度変化は、添加剤または代替段階の基質を含む液滴で観察することができる。この方法は比較的安価であり、ガスハイドレートシェルを形成するための完全なプロトコルはほとんどありません。高圧システムは危険な場合があるため、加圧・漏れ試験の安全に関するヒントを提供しています。さらに、多くの設定では、ガスハイドレート形成の視覚化ができないか、はるかに小さいかはるかに大きなスケールで視覚化されません。実験室での実験は、自然発生するガスハイドレートと天然ガスハイドレートの理解に大きく貢献し、致命的なガスパイプライン爆発を引き起こす可能性があります。この方法は、解離温度と形態に対する添加剤の効果と、メモリ効果を排除する添加剤の能力を迅速に評価するために使用することができます。天然ガスパイプラインの阻害剤として、または深海細菌タンパク質6,15の生物活性を研究するために有効な添加剤を使用することができる。
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Disclosures
競合する財政的利益はありません。
Acknowledgments
NASA exobiology助成金 80NSSC19K0477 はこの研究に資金を提供しました。ウィリアム・ウェイトとニコラス・エスピノーザの貴重な話し合いに感謝します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| CAMERA AND LAPTOP | |||
| Camera Body | Nikon | D7200 | Name in Protocol: camera |
| Camera Control Pro 2 Software | Nikon | Name in Protocol: camera software | |
| Laptop | HP Pavilion | hp-pavilion-laptop-14-ce0068st | Needs to be PC with plenty of storage (~ 1 Tb) Name in Protocol: laptop |
| Macrophotography Lens | Nikon | AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Lens | Name in Protocol: lens |
| CONSUMABLES | |||
| Deionized water | Name in Protocol: DI water | ||
| Dry Ice | VWR or grocery store | Buy just before nucleation Name in Protocol: dry ice |
|
| Ethanol | Name in Protocol: ethanol | ||
| Ethylene Glycol | Name in Protocol: ethylene glycol | ||
| COOLING SYSTEM | |||
| 1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 25 ft. Polyethylene Tubing | Everbilt | Model # 301844 | For circulating coolant from chiller to copper coils in aquarium Name in Protocol: 3/8” (inner diameter) plastic tubing |
| Circulating chiller | Polyscience | Name in Protocol: chiller | |
| Economical Flexible Polyethylene Foam Pipe Insulation | McMaster-Carr | 4530K162 | 3/4" thick wall; 1/2" inner diameter; R Value 3; 6' long Name in Protocol: foam pipe insulation |
| Plastic tubing | use any tubing that fits the airline connection in the lab and long enough to travel from the airline connection to the front of the aquarium | ||
| DATALOGGER | |||
| Armature Multiplexer Module for 34970A/ 34972A, 20-Channel |
Keysight Technologies | 34901A | Name in Protocol: datalogger multichannel |
| Benchvue or Benchlink software | Benchvue or Benchlink | Name in Protocol: temperature transducer software | |
| Data Acquisition/Switch Unit. GPIB, RS232 | Keysight Technologies | 34970A | Name in Protocol: datalogger |
| USB/GPIB interface | Keysight Technologies | 82357B | Name in Protocol: datalogger USB |
| datalogger multichannel | |||
| Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fiber Optic Light Source | Schott Fostec | A20500 | 3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W Name in Protocol: light source unit |
| Schott Fostec light source guide - single bundle | Schott Fostec | A08031.40 | Name in Protocol: fiber optic light source cable |
| METHANE GAS AND REGULATOR | |||
| 1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil | Everbilt | Model # D 04020PS | For pressurizing ISCO pressure pump. An additional pack is needed for coolant circulation, as listed below. Name in Protocol: high pressure-rated 1/4” copper pipe |
| Methane cylinder regulator | Airgas | Y11N114G350-AG | Name in Protocol: methane cylinder regulator |
| Methane gas cylinder | Airgas | ME UHP300 | Name in Protocol: methane gas cylinder |
| PRESSURE PUMP | |||
| 1/4 in. flexible tubing, ~ 3 ft. | Connect to pump inlet for leak test Name in Protocol: 1/4" flexible tubing |
||
| 260D Syringe Pump W/Controller | Teledyne Instruments Inc. | 67-1240-520 | Name in Protocol: pressure pump |
| Controller − Ethernet/USB | Teledyne Instruments Inc. | 62-1240-114 | Purchase if you would like to install Labview onto computer and control pressure pump remotely. We did not do this. |
| Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/4" OD, 0.035" Wall Thickness, 1 Foot Long (x5) | McMaster-Carr | 89785K824 | Name in Protocol: 1/4" pipe |
| Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/8" OD, 0.02" Wall Thickness, 1 Foot Long (x4) | McMaster-Carr | 89785K811 | Name in Protocol: 1/8" pipe |
| Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Reducing Union, 1/4 in. x 1/8 in. Tube OD (x4) | Swagelok | SS-400-6-2 | Name in Protocol: 1/8” to 1/4” adapter |
| PRESSURE CELL | |||
| 316 Stainless Steel Nut and Ferrule Set (1 Nut/1 Front Ferrule/1 Back Ferrule) for 1/4 in. Tube Fitting (20) | Swagelok | SS-400-NFSET | Used for fitting connections where necessary Name in Protocol: ferrule set |
| 316L Stainless Steel Convoluted (FM) Hose, 1/4 in., 316L Stainless Steel Braid, 1/4 in. Tube Adapters, 60 in. (1.5 m) Length | Swagelok | SS-FM4TA4TA4-60 | Connects pressure pump to pressure cell Name in Protocol: 1/4" braided stainless steel flexible pressure-rated hose |
| ABAQUS | ABAQUS FEA | Name in Protocol: simulation software | |
| Abrasion-Resistant Cushioning Washer for 7/8" Screw Size, 0.875" ID, 2.25" OD, packs of 10 (x1) | McMaster-Carr | 90131A107 | Name in Protocol: 2.25" rubber washer |
| Abrasion-Resistant Sealing Washer, Aramid Fabric/Buna-N Rubber, 3/8" Screw Size, 0.625" OD, packs of 10 (x1) | McMaster-Carr | 93303A105 | Used for illumination port |
| Acrylic Sheet | White 2447 / WRT31 Extruded Paper-Masked (Translucent 55% (0.118 x 12 x 12) |
Interstate Plastics | ACRW7EPSH | Machine a circle of acrylic to fit in the inner chamber of the pressure cell to serve as the background for imaging Name in Protocol: acrylic disc |
| AutoCAD | AutoCAD | Name in Protocol: engineering design software | |
| Conax fitting | Conax Technologies | 311401-011 | TG(PTM2/)-24-A6-T, OPTIONAL 1/4" NPT Name in Protocol: pressure seal connector |
| High Accuracy Oil Filled Pressure Transducers/Transmitters for General industrial applications (x2) |
Omega Engineering, Inc. | PX409-3.5KGUSBH | Buy two so there is a backup. Name in Protocol: pressure transducer |
| HIGH PRESSURE CHAMBER PARTS | Wither Tool, Die and Manufacturing Company | Machining for pressure cell parts as listed in CAD drawings (Figure S1) Name in Protocol: Part B = stainless steel washer |
|
| High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M5 x 0.80 mm Thread, 14 mm Long (x20) | McMaster-Carr | 90037A119 | Used for illumination port |
| High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M8 x 1.25 mm Thread, 25 mm Long (x20) | McMaster-Carr | 90037A133 | Name in Protocol: M8 stainless steel screws |
| Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 120, packs of 50 (x1) | McMaster-Carr | 5308T178 | Name in Protocol: 1" o-ring |
| Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 128, packs of 50 (x1) | McMaster-Carr | 5308T186 | Name in Protocol: 1.5" o-ring |
| Omega Inc. pressure transducer software | Omega Engineering, Inc. | Name in Protocol: pressure transducer software | |
| Polycarbonate Disc | McMaster-Carr | 8571K31 | Listed in CAD drawings for illumination port, Fig. S1 Part E |
| Sapphire windows (x3) | Guild Optical Associates, Inc. | Optical Grade Sapphire Window, C-Plane Diameter: 1.811” ±.005” Thickness: .590” ±.005” Surface Quality: 60/40 Edges ground and safety chamfered |
Buy three so there are two backups. Name in Protocol: sapphire window |
| Solid Thermocouple Wire FEP Insulation and Jacket, Type K, 24 Gauge, 50 ft. Length (x1) | McMaster-Carr | 3870K32 | Name in Protocol: thermocouples |
| Stainless Steel Integral Bonnet Needle Valve, 0.37 Cv, 1/4 in. Swagelok Tube Fitting, Regulating Stem (x4) | Swagelok | SS-1RS4 | Two will be used for the pressure pump as well. Name in Protocol: 1/4" needle valves |
| Stainless Steel Pipe Fitting, Hex Nipple, 1/4 in. Male NPT (x2) | Swagelok | SS-4-HN | Used for illumination port |
| Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Female Branch Tee, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Female NPT (x2) | Swagelok | SS-400-3-4TTF | Used with pressure transducer Name in Protocol: branch tee fitting |
| Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Male Connector, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Male NPT (x4) | Swagelok | SS-400-1-4 | Used on top port and side port leading to needle valves Name in Protocol: NPT screws |
| Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Port Connector, 1/4 in. Tube OD (x8) | Swagelok | SS-401-PC | Use as tube connections between NTP and valve connections Name in Protocol: port connector fitting |
| TANK | |||
| 1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil | Everbilt | Model # D 04020PS | For circulating coolant Name in Protocol: 1/4" copper pipe |
| 10 gallon aquarium | Tetra | Name in Protocol: 10 gallon tank | |
| 2 oz. Waterweld | J-B Weld | Model # 8277 | Name in Protocol: underwater sealant |
| 3 in. x 25 ft. Foil Backed Fiberglass Pipe Wrap Insulation | Frost King | Model # SP42X/16 | For wrapping around aquarium Name in Protocol: foil-lined fiberglass |
| 3/8 7/8 in. Stainless Steel Hose Clamp (10 pack) | Everbilt | Model # 670655E | Name in Protocol: worm drive hose clamps |
| Styrofoam | Name in Protocol: insulating material | ||
| TOOLS | |||
| 1-1/8 in. Ratcheting Tube Cutter | Husky | Model # 86-036-0111 | |
| 1/2 in. to 1 in. Pipe Cutter | Apollo | Model # 69PTKC001 | |
| Adjustable wrench (x2) | Steel Core | Model # 31899 | Need two wrenches with jaw at least 1" |
| Allen wrench set | Home Depot | ||
| Duct tape | Name in Protocol: duct tape | ||
| Flexible tubing, like an IV line, to fit on the end of grainger probe (canula) | Name in Protocol: IV tube | ||
| Grainger 18 gauge probe | Grainger | For inserting droplet Name in Protocol: cannula |
|
| High Vacuum Grease | Dow corning | Apply to o-rings before inserting sapphire window Name in Protocol: vacuum grease |
|
| Klein Tools Professional 90 Degree 4-in-1 Tube Bender | Klein Tools | Model # 89030 | Name in Protocol: tube bender |
| Snoop liquid leak detector | Swagelok | MS-SNOOP-8OZ | To detect leaks when pressurized when methane Name in Protocol: liquid leak detector |
| Suction cup | Home Depot | For removing tight fitting sapphire window Name in Protocol: suction cup |
|
| Teflon Tape | Name in Protocol: plumber's tape | ||
| Temflex 3/4 in. x 60 ft. 1700 Electrical Tape Black | 3M | Model # 1700-1PK-BB40 | Name in Protocol: electrical tape |
References
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- Jung, J. W., Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. Properties and phenomena relevant to CH4-CO2 replacement in hydrate-bearing sediments. Journal of Geophysical Research. 115 (10102), 1-16 (2010).
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