Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)

Permanent URI for this collection

https://hdl.handle.net/10889/53

Browse

Now showing 1 - 20 of 78

Open Access
3D simulation of blood flow in the microcirculation
Ζαμπέλης, Δημήτριος; Zabelis, Dimitris
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
This thesis concerns hemodynamics in the microcirculation. More specifically, it studies the effect of the hematocrit, vessel diameter and shear-rate on the relative apparent viscosity and velocity profile of blood and on the thickness of the cell-free layer in straight microvessels. In this regard, the theoretical framework, upon which the abovementioned dependences are based, consists of all the fundamental hemodynamical phenomena [1], that is, the formation of the cell-free layer, the Fahraeus and Fahraeus-Lindqvist effects and the shear-thinning behavior of blood [2]. To accomplish the above, this research employs the computing framework proposed by Závodszky et al. [1]. On the one hand, the blood cells, here only the red blood cells, are explicitly modeled as deformable membranes, that consist of networks of Lagrangian surface points [3, Ch. 4] and their responses to force fields are dictated by the constitutive model found in [1]. On the other hand, the suspending medium, in this case, the blood plasma, is represented using the lattice Boltzmann method [1], [3, Ch. 4]. Then, the collective blood behavior emerges as a product of the coupling of the aforementioned cellular and liquid components that the immersed boundary algorithm achieves [1], [3, Ch. 4]. Last, it should be noted that all simulations concern blood flows in straight microvessels with circular cross-sections and that the hemodynamical features are always calculated at steady flow conditions. The final results that stem from a systematic parametric study of approximately 70 simulations are presented in three different forms. First, for all three examined hemodynamical features the corresponding data are given in proper diagrams of those features against the shear-rate for various hematocrits or vessel diameters. Second, the microstructural configurations of some representative systems are displayed and third, whenever possible, the algebraic correlations derived from the non-linear fittings on the data are proposed as well. To conclude it should be highlighted that not only all the results are in qualitative agreement with the theoretical remarks mentioned above, but the quantitative comparison also demonstrates that they are in accordance with the few available data points provided in the literature [1], [4].
Open Access
Electrochemical oxidation of the angiotensin receptor blocker drug losartan
(2022-10-18) Σακελλαρίου, Μαρία; Sakellariou, Maria
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία μελετήθηκε η εφαρμογή της ηλεκτροχημικής οξείδωσης, μίας από τις πιο ευρέως γνωστές προηγμένες μεθόδους οξείδωσης, στην αποδόμηση του φαρ-μάκου λοσαρτάνη, γνωστό αναστολέα των υποδοχέων της αγγειοτενσίνης ΙΙ. Αρχικά, σαν υλικό ανόδου επιλέχθηκε το BDD, και τα προκαταρκτικά πειράματα είχαν στόχο την επιλογή του κατάλληλου υλικού καθόδου. Υπό σταθερές συνθήκες ,και έπειτα από δύο σετ πει-ραμάτων με ηλεκτρολύτες Na2SO4 και NaCl, το υλικό καθόδου με τα πιο ικανοποιητικά αποτελέ-σματα ήταν το Carbon Cloth.Παράλληλα ,διαπιστώθηκε πως η διεργασία ακολουθεί κινητική ψευδο-πρώτης τάξης ως προς την αρχική συγκέντρωση της λοσαρτάνης. Έπειτα ,προκειμένου να επιλεχθεί ο κατάλληλος ηλεκτρολύτης, μελετήθηκε η επίδραση της αρχι-κής συγκέντρωσής του καθώς και αυτή του pH στην διεργασία. Διαπιστώθηκε πως αν και το NaCl επιταχύνει κατά πολύ την αντίδραση, το Na2SO4 είναι ο κατάλληλος ηλεκτρολύτης προκειμένου η οξείδωση να μην έχει καταστροφικό αντίκτυπο στο περιβάλλον. Στην πορεία ,υπό σταθερό υλικό καθόδου και ηλεκτρολύτη, εξετάστηκε η επίδραση της έντασης του ρεύματος ,της συγκέντρωσης λοσαρτάνης, της προσθήκης ιόντων-οργανικών και της υδάτι-νης μήτρας. Τα αποτελέσματα φανέρωσαν πως η μέχρι ενός σημείου αύξηση της έντασης του ρεύματος συμ-βάλλει στην αποδόμηση του ρύπου αυξάνοντας την τιμή της φαινόμενης κινητικής σταθεράς. Αντίθετα , η αύξηση της συγκέντρωσης της λοσαρτάνης έδρασε παρεμποδιστικά ,επιβραδύνοντας την διάσπαση του ρύπου. Η προσθήκη υπερθειικών αλάτων και ιόντων χλωρίου ενίσχυσε σημαντικά την οξείδωση ενώ η προσθήκη διττανθρακικών και χουμικού οξέος έδρασε ανασταλτικά. Τέλος ,η αλλαγή της υδάτινης μήτρας από υπερκάθαρο νερό σε λύματα δευτερο-βάθμιας επεξεργασίας και εμφιαλωμένο μείωσε τόσο την τιμή της φαινόμενης κινητικής σταθε-ράς όσο και το ποσοστό απομάκρυνσης της λοσαρτάνης.
Open Access
Extensional rheology of elastoviscoplastic filaments
Ψαράκη, Κωνσταντίνα; Psaraki, Konstantina
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
In this work we study the extensive flow of materials exhibiting elastoviscoplastic behavior. The sample, which is bounded between two coaxial discs, initially forming a cylindrical filament, is stretched as the upper disk is lifted upwards. This type of flow has not received the necessary spotlight compared to the corresponding shear, although it provides a complete characterization of the material. The material complies with the constitutive model proposed by Saramito [1], in particular the Herschel-Bulkley version [2], which predicts shear-thinning, and yields in accordance with the Von Mises criterion [3]. The induced deformation and pinching-off of the filament are studied numerically using the Finite Element Method [FEM] while the tesselation of the deformed physical domain is based on the elliptic grid generation as developed by Dimakopoulos and Tsamopoulos [4]. In addition, axial symmetry is considered to simplify the underlying equations. We attempt to investigate how important material properties, such as yield stress τy, elastic modulus, G, and shear exponent n, affect the structure of the filament by monitoring the evolution of its shape, and in particular the minimum radius, velocity, and appearing stresses. We demonstrate that the elastic response of the fluid can be evident by increasing the speed at which the upper plate is lifted. Consequently, lower speeds (of a magnitude or smaller) may lead to misguiding interpretations of the fluid’s nature as having a perfect viscoplastic behavior. A major advantage of using computational simulations compared to experimental results is that the investigator is given the opportunity to have a visual estimate of the fluidized and non-fluidized regions of the filament and how they evolve over time due to fluctuations of stresses. The shear-exponent n constitutes an interesting parameter that needs to be investigated. By increasing its value, the shear-thinning of the material decreases and consequently we reach the state of infinitely extensional viscosity. At this point, the capillary forces responsible for the collapse of the filament are much smaller than the elastic forces. As a result, the radius of the neck is not reduced and the material is pulled from the lower part due to the elastic forces. Finally, the temporal evolution of the extensional viscosity is examined to determine under what conditions the coaxial extensional flow approach can be used to calculate the extensional viscosity.
Open Access
In situ μοριακή φασματοσκοπία οξοβαναδικών ειδών (VOx) υπο-στηριγμένων σε TiO2(P25)
(2022-10-18) Θανούκου, Ειρήνη; Χρυσοβέργη, Νεφέλη; Thanoukou, Eirini; Chrysovergi, Nefeli
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της δομής καταλυτών VOx υποστη-ριγμένων σε TiO2 (P25) με μεθόδους φασματοσκοπίας Raman και IR. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τρεις φασματοσκοπικές μεθόδους χαρακτηρισμού, in situ Raman (μόνιμη ροή 20% O2/He),in situ IR (μόνιμη ροή 20% O2/He) και static Raman (σταθερή ατμόσφαιρα Ο2). Η χρήση της φασματοσκοπίας Raman, υπό ελεγχόμενες συνθήκες (in situ), επέτρεψε την εκτενέστερη μελέτη των δομικών χαρακτη-ριστικών των καταλυτών και των αλλαγών τους, που λαμβάνουν χώρα με τη μεταβολή της θερμοκρα-σίας και της φόρτισης. Ο συνδυασμός της δονητικής φασματοσκοπίας Raman και ισοτοπικής εναλλα-γής 18O/16O χρησιμοποιήθηκε για εκτενέστερη διερεύνηση, επιδιώκοντας τη διεξαγωγή συμπερα-σμάτων για τα δομικά χαρακτηριστικά τερματικών απολήξεων (μονο-οξο ή πολυ-όξο χαρακτήρας) των μοριακών διαμορφώσεων στην διεσπαρμένη φάση. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασίες 120, 175, 250 και 430 oC και φορτίσεις 0.4, 0.74, 1.1, 2.0, 4.0 και 5.5V/nm2. Με βάση τα αποτελέσματα προκύπτει ότι υπάρχει ετερογένεια στις δομές VOx που σχηματίζονται. Εντοπιστήκαν τρία διαφορετικά είδη τα οποία ονομάζουμε είδος (Ι), (ΙΙ) και (ΙΙΙ) για φορτίσεις μέχρι 2.0 V/nm2, και είδος (IA), (IIA), (IIIA) για τις φορτίσεις 4.0 και 5.5 V/nm2. Τα είδη (Ι), (IA) και (ΙΙ), (IIA) θεωρούνται μονομερή με mono-oxo τερματική απόληξη, δηλαδή έχουν ένα τερματικό δεσμό V=O, ενώ το είδος (ΙΙΙ), (IIIA) θεωρείται di-oxo, δηλαδή έχει δύο τερματικούς δεσμούς V=O. Επιπλέον, παρατηρήθηκαν και γεφυρωτικοί δεσμοί για φορτίσεις μεγαλύτερες από 1.1V/nm2 , που ονομάστηκαν (IV), (IVA). Από την ανάλυση των φασμάτων συμπεραίνεται ότι το είδος (Ι) παραμένει σταθερό με την αύξη-ση της φόρτισης πάνω από 2.0 V/nm2. Ο σχηματισμός του είδους (ΙΙ) ευνοείται από την αύξηση της θερμοκρασίας και της φόρτισης. Επιπλέον το είδος (ΙΑ) φαίνεται να παραμένει σταθερό με αύξηση της φόρτισης και το είδος (ΙΙΑ) ευνοείται με αλλαγή φόρτισης από 4.0 σε 5.5 V/nm2 ενώ είναι το επι-κρατέστερο είδος. Το είδος (ΙΙΙ) ευνοείται από την μείωση της θερμοκρασίας και την αύξηση της φόρ-τισης, ενώ ο πληθυσμός του φαίνεται να είναι μικρότερος από τα είδη (Ι) και (ΙΙ). Η μείωση της θερμο-κρασίας φαίνεται να προκαλεί μετασχηματισμό του είδους (ΙΙ), (IIA) σε είδος (ΙΙI), (IIIA). Τέλος, οι γεφυ-ρωτικοί δεσμοί δεν επηρεάζονται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας.
Open Access
In-situ study of CVD graphene growth on liquid metal catalysts by radiation-mode optical microscopy
Σφουγκάρης, Ηλίας; Sfougkaris, Ilias
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Graphene is a perfect two-dimensional crystal consisting of covalently bonded carbon atoms, ar- ranged in a honeycomb lattice. Due to its extraordinary physical properties, it is a strong candidate material for a variety of electrical, thermal, and mechanical applications. In fact, it is very likely that graphene will play a key role in overcoming the fundamental challenge that the electronics industry will face in the next 20 years, the further miniaturization of technology. Graphene has already been successfully applied in lab-scale for the construction of many electronic devices, such as light-emitting diodes (LED) and field-effect transistors (FET). This has been achieved using high-quality graphene, which has been mechanically exfoliated from bulk graphite. However, mechanical exfoliation of gra- phene is too labor-intensive to be applied commercially. The lack of an industrially scalable method to produce centimeter-sized, defect-free graphene films is the missing piece for the commercial pro- duction of graphene-based electronics. In 2009, chemical vapor deposition (CVD) of graphene on copper foil was first reported, marking an important step towards large-scale production of graphene films. The obtained graphene film was ~95% monolayer with some few-layer regions, and polycrystalline with a grain size of a few microm- eters. Since then, the CVD process on copper foil has been extensively studied and improved. Later, in 2012, CVD growth of graphene on liquid copper was reported. It has since been observed that liquid metal catalysts (LMCat), such as liquid copper, offer several advantages compared to traditional solid metal catalysts (SMCat), such as copper foil. Recently, facile growth of millimeter-sized hexago- nal graphene crystals was demonstrated on liquid copper, taking graphene electronics one step closer to reality. However, CVD growth of graphene is a delicate process with a huge parameter space. A key take- away from past research work is that it is immaterial to look for the perfect CVD "recipe", since small variations in the experimental setup, such as in gas flow, temperature distribution and reactor geom- etry can lead to very different results. Therefore, industrial adoption of the CVD process for graphene growth will inevitably require the development of in situ metrology for real-time monitoring and dy- namic control of the growth process. A feedback loop which dynamically adjusts process parameters based on real-time metrology data will enable the high yield and high throughput necessary for in- dustrial production. In this thesis, we demonstrate the use of in situ radiation-mode optical microscopy (Rad-OM) to monitor CVD growth of graphene on liquid metal catalysts. We show that CVD growth of graphene can be dynamically controlled using real-time Rad-OM data. We probe the effect of the feed gas composition on the growth process of graphene flakes and obtain insights about the dynamics of flake growth. Under appropriate conditions, graphene flakes undergo a self-assembly process on LMCat. Additionally, we transfer LMCat graphene from copper to other substrates and employ ex situ characterization methods, to assess the quality of LMCat-grown graphene. The graphene is mono- layer, has a low defect-density, and is under compressive stress, as highlighted by Raman spectros- copy on SiO2/Si-supported graphene. Tapping-mode atomic force microscopy (AFM) reveals the pres- ence of contaminants on the graphene film, which result in a relatively high electrical sheet resistance (~3.6 kΩ/sq), as probed via van der Pauw measurements. Finally, LMCat graphene can withstand high strain, as highlighted by a uniaxial tensile test combined with Raman spectroscopy performed on PMMA-supported graphene.
Open Access
Non noble transition metal elements for the modification of Ni based electrodes in solid oxide fuel and electrolysis cells applications
(2023-01-23) Σουβαλιώτη, Αθηνά; Souvalioti, Athina
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Water electrolysis via fuel cell technology is an efficient technique, which through the electro-chemical reaction produces H2 and O2. Alkaline water electrolysis takes place in low temperatures (<100oC), the electrodes are made of metal, the electrolyte is liquid usually KOH and the two electro-lyser chambers are divided by a diaphragm. This technology produces low purity hydrogen, is expen-sive and has low efficiency due to high operating voltage [8]. Proton Exchange Membrane (PEM) electrolysis cells/stacks operate at low temperature (e.g. 70 oC), have a proton conductive polymer membrane as electrolyte and comprise noble metal-containing electrodes (Pt/C-based and IrOx-based). They generally, succeed higher current densities, compared to the alkaline electrolyzer, but they are more expensive and inadequate for long term operation [9]. Another pathway is the high-temperature electrolysis of steam, using solid oxide electrolysis cell (SOEC). The latter technological proposal is more efficient due to more favorable thermodynamic and electrochemical kinetic condi-tions for the water splitting and exhibits the highest tolerance to CO contamination among all fuel cell technologies. In the present, alkaline and proton electrolysers are commercial but confront many issues. In order to be used as interconnectors for power balancing and energy storage, these systems need two separate features, one operating in the fuel cell mode and the other in the electrolysis mode. These configurations are complex and difficult to manage. On the other hand, solid oxide cells (SOCs) can operate as electrolysers and/or fuel cells, depending on the production needs [10]. Re-versible solid oxide cells have lower activation losses at lower current densities (in comparison to alkaline and PEM electrolytes) which indicates higher power generation during the fuel cell mode and decreased energy demands during electrolysis [8]. In general, RSOCs have many advantages in comparison with the other cell technologies. Poten-tially, such reversible SOCs can be combined with already existing energy technologies. RSOCs is the only system that can operate bi-directionally [10]. In the SOE mode, hydrogen is produced via Power-to-Gas process (P2G) and, the same module is able to operate in the reverse mode as SOFC and produce power, via Gas-to-Power process (G2P). It has been demonstrated that a SOFC system can achieve low electrode overvoltages even for high current densities. Furthermore, at SOEC operation an electrical-to-hydrogen conversion efficiency above 100% is feasible [8]. The RSOC is a very prom-ising technology, that has reduced capital expenses and energy requirements as there is no need for hydrogen’s transportation and delivery. RSOCs, can store energy for micro- grid or large context, as unique standalone solution or hybridised with other storage systems. RSOC system has a variety of applications. Great interest presents the possibility of direct electro-lyzing CO2, or even co-electrolyzing of CO2 and H2O simultaneously. The product of this process is syngas (CO and H2) which is a widely used fuel. Syngas is traditionally derived from fossil fuels, con-tributing to the greenhouse effect. Syngas from co-electrolysis in a SOEC system can be feedstock to produce every hydrocarbon that can be used in the chemical industry, refineries via Fischer-Tropsch synthesis or for the production of synthetic natural gas (SNG) via Sabatier process with zero environ-mental impact [11]. SOFC operation can distribute power as CHP unit (Combined Heat and Power), can generate power using natural gas or LPG (remote system), and backup power [12]. Fuel cell mode, with methane as fuel, generates high purity hydrogen through steam-reforming process and dry re-forming process. Additionally, surplus heat from coupling processes can be used or exported from the RSOC system, achieving surplus energy. SOCs due to the innovative functions, have been acknowl-edged appropriate for earthy and space applications. Hydrogen produced in RSOC system can be potential useful in the chemical, metallurgical and glass industry, directly as fuel for cars, and public transport generally, in refineries to replace fossil-based feedstocks, or for electricity and heat pro-duction [12]. So far SOCs technology is an innovative proposal, operating still at the lab-scale due to stability problems that prevent the widespread use and commercialization. Limited long-term durability and high capital costs are the key challenges to implement large scale power production. For large scale applications, the good scalability allows construction of stacks by assembling individual SOCs cells. By increasing the size of the cell and the stack, the cost per unit of product (power, fuel) minimizes, but the internal stack temperature increases causing degradation to the cells. Furthermore, an issue that has been noticed is the deactivation of the Ni/GDC (or Ni/YSZ) hydrogen/steam electrode, which is usually ascribed to nickel’s re-oxidation, coarsening, evaporation and agglomeration during H2O elec-trolysis, or/and carbon deposition during H2O/CO2 co-electrolysis. Oxidization of nickel by the for-mation of volatile compounds, such as nickel hydroxides results to decreased electronic conductivity and causes mechanical stress to the electrode [13]. Another disadvantage is the delamination of the oxygen electrode. In conclusion, it is believed that material’s failure accelerates cell’s degradation in long term operation [14], [15]. Fuel cells are an alternative to heat engines for electricity generation. The coefficient of perfor-mance of heat engines, where the produced heat by the combustion of a fuel is converted into me-chanical energy, it is not possible to exceed the Carnot coefficient of efficiency. Fuel cells are not subjected to this limitation and therefore their efficiency is usually greater than a thermal engine’s. Nevertheless, the overall disadvantage of RSOCs is the low Technology Readiness Level. More re-search and development must be carried out before rSOCs technology is ready for the general power and fuel market. Constantly efforts are conducting to optimize materials to give high performance and durability, with low-cost and long-term stable cells. Investigations are conducting of new and more tolerant fuel and oxygen electrodes and of optimization of operating conditions and adequate utilization of external heat sources [15]. This diploma thesis is an introduction to the key features and characteristics of RSOCs’ working principles and optimization of the fuel electrode, by means of chemical modification with transition metal elements, for water electrolysis and power production. Specifically, the presented assignment is part of a wider research study, which aims to elucidate the modifying effect from different loadings of Mo and Au in Ni/GDC, with the objective to find their optimum content, especially limiting Au, for stable and enhanced operation under RSOC mode.
Open Access
Preparation, characterization and drug release from sodium carboxymethul cellulose hydrogels with β-cyclodextrin
Χαλκιά, Αντωνία-Ναυσικά; Chalkia, Antonia-Nafsika
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
The main idea of the present thesis is the examination of hydrogels for their use as drug carriers in drug delivery systems. Hydrogels are three-dimensional structures, composed of organic resources that have a very high swelling ability in aqueous solutions. Due to their special physical and chemical properties, such as flexibility, swell-ability, softness, and biocompatibility there is growing research interest in their synthesis, swelling and drug release mechanisms, all three of which are discussed in this thesis. The synthesis of hydrogels involves physical, chemical and hybrid bonding and can be comprised of natural or synthetic polymers. Cross-linking agents are also used for a better stability and structure of the hydrogel network, while several mechanisms can be employed to enhance the gel’s properties and expand the variety of the drugs that can be possibly carried. In this work, salt carboxymethylcellu-lose (NaCMC) is chosen as the polymer for the hydrogel synthesis, citric acid is used as a cross-linking agent, while samples of unenhanced and enhanced hydrogels with β-cyclodextrin were prepared and contrasted. The ability to display a measurable change in volume by swelling, in response to external stimuli is a fundamental property of hydrogels. Their swelling behavior may be described using many different models. Understanding these models, and the situations in which they may apply, is important with regard to the use of these materials. Most dynamic gel swelling models are based on Fick’s law of dif-fusion, while others exhibit non-Fickian behavior. The time-dependent concentration profile of the diffusing hydrogels was measured and modeled by comparing two different swelling kinetic equations: the Peppas equation and the second kinetic equation of diffusion. Hydrogels can also be used in drug delivery. Hydrogel delivery systems can leverage therapeutically beneficial outcomes of drug delivery and have found clinical use. Hydrogels can provide spatial and temporal control over the release of various therapeutic agents, including small-molecule drugs, mac-romolecular drugs and cells. Their effectiveness may be extended via several mechanisms such as drug-hydrogel interactions and gel-network engineering, while remote or endogenous triggers can control the drug delivery and release. The drug release kinetics and mechanisms of samples with dif-ferent concentrations were studied and contrasted. The experiments were conducted using two dif-ferent bioactive compounds with different hydrophobicity: ketoconazole and fluconazole, obtaining different results depending on the hydrophobicity of each drug
Open Access
Study of the motion of a thixotropic elastovisco-plastic fluid through a cylindrical pipe
Γάλλιος, Αριστοτέλης; Gallios, Aristotelis
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
In the present thesis, we examine the pressure-driven flow of a thixotropic elastoviscoplastic fluid (TEVP) through a cylindrical pipe. Although this flow has been studied extensively in fluid mechanics with yield stress materials and Newtonian fluids, recent studies have stressed the importance of thixotropy and elasticity to accurately describe it. The objective of this work is to examine the behavior of a TEVP fluid through a pipe, by solving the transient problem, until steady state is reached. This is quintessential, as it will give us an insight into how the flow evolves over time to appreciate the thixotropic, viscoelastic and viscoplastic effects that take place. In the first and introductory chapter, emphasis is given on the omnipresence of yield stress materials in everyday life and nature and applications ranging from industrial processes to biological tissues and cosmetic products. What distinguishes these materials is their characteristic transition from a solid to a liquid state, when subjected to stress, once they surpass a critical threshold, the so-called yield stress. Furthermore, in Chapter 2 a wide class of yield stress materials is presented and the debate of the existence of “real” yield stress is discussed. Recent studies though have underlined the importance of including elastic and thixotropic effects when modeling them. This necessity led to more research regarding the flow of EVP materials, materials that exhibit characteristics of viscoelastic solids before yielding, and viscoplastic liquids upon yielding. Moreover, the concept of thixotropy, regarding the time-dependent evolution of the fluid’s viscosity is introduced and briefly discussed. In the last sections of this chapter, we define the constitutive models that will be used extensively throughout this work. In particular, we present a recently proposed thixotropic elastoviscoplastic model (TEVP), that combines the Saramito with the linear Phan-Thien-Tanner model (LPTT) while introducing thixotropy via a structure parameter. We use this model to derive simpler models, that describe the behavior of EVP, elastoviscoplastic, viscoelastic and Newtonian fluids. Specifically, the derived models are the modified Saramito (SRM-LPTT), the linear Phan-Thien-Tanner (LPTT), the Oldroyd-B, the Bingham, and the Newtonian. In Chapter 3 the Poiseuille flow of a TEVP fluid through a cylindrical pipe is considered. The governing equations and the boundary conditions are stated and the necessity of the transient approach to the problem is stressed. In Chapter 4 the Galerkin Finite Element Method is employed to discretize the velocity and the stress fields into a nodal grid. It is asserted that the computed solution converges for different numbers of finite elements. Moreover, for the time integration, the Newton-Raphson method was used and it is deduced that there is time convergence of the solution for various timesteps. An extensive parametric analysis is performed in Chapter 5. Each constitutive model was used to examine the parameters that affect the flow behavior. In particular, for the Newtonian model the impact of Reynolds on the flow profile was examined. For the Oldroyd-B model the effect of the Weissenberg number on the flow characteristics was assessed. Subsequently, for the LPTT model we analyzed the effect of the LPTT parameter on the flow development, and we also examined the role of yield stress, via the Bingham number, in the time evolution of the flow considering the Bingham and the SRM-LPTT model. Another case involved the effect of thixotropic parameters on the flow, using the TEVP model to study a fumed silica suspension using material data from a recent study [1]. This work is concluded with useful remarks regarding the results of the parametric analysis and suggestions for future investigations.
Open Access
The effect of brain geometry on magnetoencephalographic measurements
Γιάνναρη, Δάφνη; Giannari, Dafni
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
The human brain is an extremely complex organ for which the knowledge we have so far is minimal. This complexity is due to the vast number of nerve cells it contains. The brain neurons compose an enormous electric circuit in which ionic currents of biochemical origin flow. The presence of primary and induced electric currents in stimulated areas within the brain, leads to the generation of an electromagnetic field that can be detected externally. In particular, the weak external magnetic field is measured by the Magnetoencephalography method. In the present work, the brain, together with the scull which surrounds it, is considered as a single, homogeneous and isotropic conductor, while the source of the externally measured electromagnetic field is modeled as a single dipole located at a specific point inside the conductor. At this point it is noted that the size of the human brain and the values of the physical parameters describing the propagation of the electromagnetic wave within the brain, allow the use of the quasi – static theory of Maxwell’ s equations to describe the propagation of the electromagnetic field, that is generated by the brain’s function. The geometric model used for the conductor, in this work, is the spherical and the ellipsoidal one. The spherical geometry is based on spherical symmetry and although it is not a realistic description of the brain, it is widely used for the interpretation of encephalographs. On the other hand, the ellipsoidal geometry embodies the anisotropy of the three – dimensional space and better fits to the brain anatomy, but leads to significantly more complicated equations. Taking into account the above assumptions and using certain vector analysis techniques, the forward Magnetoencephalography problem is solved. Namely, the magnetic field generated outside the brain, is calculated. In the case of the spherical conductor, the magnetic field can be calculated analytically as an expansion of spherical harmonic functions, but also in a closed form, whereas in the case of the ellipsoidal conductor, the magnetic field is calculated as an expansion of ellipsoidal harmonic functions. The result for the ellipsoidal conductor can produce, with the help of certain techniques, the result obtained for the spherical conductor, indicating that the ellipsoid is a superset of the sphere. In addition, the results reveal the effect that each geometry has on the exterior magnetic field and provide information for it, which can contribute to the solution of the inverse Magnetoencephalography problem.
Open Access
Thermodynamics of baryogenesis using the rotating lepton model
Συμινής, Νικόλαος; Syminis, Nick
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
The purpose of this work is to study the process of baryogenesis under the scope of the Rotating Lepton Model (RLM). RLM is Bohr-type model in which leptons are trapped in a rotational bound state under their own gravitational attraction. First, we will see how baryons and the process of baryogenesis are viewed according to the standard model of particle physics. The standard model is right now the generally accepted model that describes the behavior of particles in the microscopic scale. It describes how particles interact, how they are formed and what they are made of [13]. Then we will take the 2 simplest baryons, the proton and the neutron and discuss how they are described according to the RLM. As mentioned before according to RLM baryons are comprised from 3 leptons trapped in a rotational bound state, and in the case of baryons we have 3 neutrinos in the circular orbit [12], [7]. Furthermore, in the center of the bound state we can also have trapped particles which in the case of the proton is a positron while in the case of the neutron can be a neutrino [6]. After that we will take the simplest of the two, that being the neutron, and starting from the forces describing the bound state we will derive the basic thermodynamic properties for the formation of the bound state as seen in [12]. According to the RLM the process of baryogenesis can be viewed as reaction of 3 𝜈𝑒 (neutrinos) to form a neutron. Based on that the properties that interest us are the bound energy, the Gibbs free energy, the enthalpy change, the entropy change and the transition temperature of the reaction. The transition temperature is the temperature where the change in the Gibbs free energy for the formation of the particle is 0. Then we will describe the thermodynamic equilibrium of the reaction and produce the equilibrium diagram in which the conversion of the neutrinos when the reaction reaches equilibrium is plotted against temperature. This will give us an insight about the nature of that reaction and especially about the temperatures at which we expect that reaction to take place. Next, we will look at the kinetics of this reaction and we will try to find an expression for the rate of that reaction. Here we will also show the very important role of electrons and or positrons as a catalyst for this reaction. Last, we will implement the thermodynamics and the kinetics to model how the system behaves in a hypothetical adiabatic batch reactor where we will calculate the conversion of the neutrinos, the temperature change, and the time it takes for the reaction to happen. This will give us a clearer perspective about the reaction as a hole and under which conditions, we can expect it to occur. During the thermodynamic and kinetic analysis, it will become clear that many similarities can be drawn between the baryogenesis process and regular chemical reactions. Thus, to expand upon those similarities we will compare the thermodynamics and the kinetics of the hadronization reaction with one of the most important and known chemical reaction. This is the synthesis of Ammonia from Hydrogen and Nitrogen.
Open Access
Waxy crude oil flow in porous media
(2022-07-11) Λουκάς, Μιχαήλ; Loukas, Michail
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
In this study, we investigate the rheology of waxy crude oil in a porous media tube. We simplify the oil rheology, neglecting thixotropic effects, and we use Carbopol gels as prototype material since they display similar rheological behavior. The Saramito-Herschel-Bulkley (SHB) constitutive equation is used to predict the elasto-visco-plastic effects. Τhe rheology of the Carbopol solutions recent is based on recent studies of Lopez and Pourzahedi. The problem is considered in cartesian coordinates assuming axial symmetry. The governing equations are solved numerically using the open-source toolbox based on OpenFOAM, namely RheoTool is used to simulate the flows, and it’s based on finite-volume element solvers. The purpose of this study is to examine the pressure drop, that needs to set the material in motion (one phase problem) and its displacement from gas-CO2 in an undulating tube (two-phase problem). Firsty, we examine the one-phase problem by setting a steady inlet U_x velocity and we analyze the rheology of Carbopol. We implement three different fixed inlet velocities and we investigate the elasto-viscoplastic phenomena. Then, in the two phase problem we use a two-phase simulation, using pressurized carbon dioxide (CO2) to set in motion the initially static carbopol in the tube. We implement a steady pressure in the CO2, at the inlet of the tube. We start with 300 Pa and we escalate to 450 Pa and 600 Pa in an attempt to investigate the total time that needs the air phase to displace the Carbopol solutions out of the pipe and it’s remaining percentage in the pipe. Also the rheology of the fluids and the normal and shear stresses are analyzed in the tube and around the gas/fluid interface. In all cases, we decrease the Rmin/R¬max from 0.7 to 0.5 and finally to 0.3. Also, we plot the normal and shear stresses to investigate the visco-elastic effects and the yielded/unyielded regions to display the visco-plasticity. With increasing velocity fields, we observe more intense visco-elastic phenomena since, the resulting pressure gradient and normal stresses are increased, while a slight deviation between the velocity streamlines takes place. Also, the decreasing Rmin/R¬max ratio leads to more intense viscoelastic effects since the actual channel geometry determines the ratio of shearing and extensional contribution. As regards the materials, the 0.1% Carbopol solution from Pourzahedi study, is defined with higher consistency index k than the respective carbopol with 0.1% Carbopol solution from Lopez study. A higher consistency index leads to higher visco-elastic stresses and a higher pressure drop to sustain the steady inlet flow. In the gas-displaced experiment, Pourzahedi’s Carbopol is deformed much more difficult since it needs the longest time to be displaced from the CO2 gas phase.
Open Access
Αλληλεπίδραση κυκλικών μορίων DNA (DNA minicircles) με ασθενείς πολύ-ηλεκτρολύτες (με εφαρμογές στη βιοϊατρική) : μοριακή μοντελοποίηση και προσομοίωση.
Μαυραγάνη, Αναστασία; Mavragani, Anastasia
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Τα τελευταία χρόνια, έχει παρατηρηθεί έντονη ερευνητική δραστηριότητα σε τομείς που αφορούν στη βιοτεχνολογία και πιο συγκεκριμένα στις εφαρμογές της στη βιοϊατρική. Θεραπευτικές προσεγγίσεις μέσω γονιδιακής θεραπείας έχουν απασχολήσει σημαντικά την κοινότητα, με απώτερο στόχο τη βελτιστοποίηση της διεργασίας μεταφοράς και έκφρασης επιθυμητών γονιδίων (υπομονάδων DNA) σε οργανισμούς. Μέχρι σήμερα, για το σκοπό αυτό έχει γίνει εκτεταμένη χρήση διαφόρων ιών ως φορέων DNA, αλλά λόγω της κυτταροτοξικότητας και της χαμηλής βιοσυμβατότητας που εμφανίζουν, οι ερευνητές έχουν οδηγηθεί στην αναζήτηση νέων αποτελεσματικότερων φορέων. Το ενδιαφέρον έχει στραφεί στα κατιονικά πολυμερή, καθώς λόγω των ιδιοτήτων τους αποτελούν εξαιρετικούς υποψήφιους φορείς για την αντικατάσταση των μη προτιμώμενων ιϊκών φορέων στην γονιδιακή θεραπεία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται η αλληλεπίδραση ενός ανερχόμενου υποψήφιου πολυκατιόντος, του PDMAEMA, με 2 διαφορετικής αλληλουχίας μικρά κυκλικά μόρια DNΑ (DNA minicircles) σταθερού μοριακού μήκους (ίσου με 30 ζεύγη βάσεων) και εξετάζεται η επίδραση δυο ειδικών περιπτώσεων αλληλουχίας βάσεων στη διεργασία συμπλοκοποίησης μεταξύ DNA-πολυκατιόντος. Θεωρούμε σταθερό βαθμό πολυμερισμού ίσο με 24 για το πολυκατιόν PDMAEMA, και βαθμό ιοντισμού ίσο με 100%. Η μελέτη συνίσταται στη μοριακή μοντελοποίηση μέσω προσομοιώσεων Μοριακής Δυναμικής των δυο μορίων, και στην εξαγωγή αποτελεσμάτων που αφορούν στις τοπικές ιδιότητες διαμόρφωσης και δυναμικής για την κατανόηση του μηχανισμού συμπλοκοποίησης του DNA με το πολυκατιόν, σε ατομιστικό επίπεδο. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν μέσω εφαρμογής του πεδίου δυνάμεων PARMBSC1 της οικογένειας δυναμικών AMBER, ειδικά τροποποιημένο για την προσομοίωση μορίων DNA, και τα αποτελέσματα προέκυψαν από ποσοτική και ποιοτική ανάλυση των δεδομένων της τροχιάς κάθε συστήματος. Παρατηρήθηκε ότι τα 2 μόρια έρχονται σε επαφή αρκετά γρήγορα, σε χρόνο 7ns, με κύριο μηχανισμό αλληλεπίδρασης την ισχυρή ηλεκτροστατική έλξη των θετικά φορτισμένων αμινομάδων του πολυμερούς με τις αρνητικά φορτισμένες φωσφορικές ομάδες του νουκλεϊκού οξέος. Δευτερεύοντες μηχανισμοί αλληλεπίδρασης όπως οι δεσμοί υδρογόνου που δημιουργούνται μεταξύ DNA και πολυκατιόντος συνεισφέρουν σε μικρότερο βαθμό στη συμπλοκοποίηση, ενώ παρατηρήθηκε ότι ο βαθμός ενυδάτωσης του DNA δεν μεταβλήθηκε καθ’ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης. Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης το σύμπλοκο παραμένει σταθερό, με εξαίρεση ορισμένα στιγμιαία συμβάντα αποσυμπλοκοποίησης. Δεν φαίνεται να υπάρχει κάποια αξιοσημείωτη επίδραση της αλληλουχίας βάσεων στο πλήθος των σημείων επαφής, ωστόσο φαίνεται να υπάρχει επιρροή στη διατήρηση της διαμόρφωσης τύπου-Β του DNA, λόγω αποκλίσεων που παρατηρήθηκαν εκτός των επιτρεπτών ορίων γωνιών στρέψης για το σύστημα επαναλαμβανόμενης αλληλουχίας ΑΤ. Παρ’ όλα αυτά, για την επιβεβαίωση της αξιοπιστίας των συμπερασμάτων σχετικά με το βαθμό επιρροής της αλληλουχίας των βάσεων κυκλικών μορίων DNA στη συμπλοκοποίηση με το PDMAEMA, απαιτείται η διεξαγωγή περισσότερων αλλά και μεγαλύτερης διάρκειας υπολογιστικών προσομοιώσεων.
Open Access
Ανάπτυξη βιοσυμβατών υδροπηκτωμάτων από εμβολιασμένο συμπολυμερές πολύ(ακρυλικού οξέος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη)
Κάργα, Μαρία Ελένη; Karga, Maria Eleni
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Τα υδροπηκτώματα ή υδρογέλες αποτελούν τρισδιάστατες υδρόφιλες πολυμερικές δομές, οι οποίες μπορούν να παγιδεύουν μεγάλες ποσότητες νερού και να διογκώνονται. Η ιδιότητά τους αυτή συντελεί στη ομοιότητά τους με ζωντανούς ιστούς, με αποτέλεσμα τη στροφή του ενδιαφέροντος της επιστημονικής κοινότητας προς αυτά για να εκμεταλλευτούν σε διάφορες βιοεφαρμογές. Τα τελευταία χρόνια μεγάλο ενδιαφέρον έχει δοθεί στο σχεδιασμό υδρογελών από βιοσυμβατά πολυμερή, όπως αυτά των φυσικών πολυπεπτιδίων. Τα μακρομόρια αυτά έχουν το πλεονέκτημα της βιοαποικοδομησιμότητας, μη τοξικότητας και κατά συνέπεια εύκολα αποδέχονται από τον οργανισμό κατά την χρήση τους. Επιπλέον, τα υδροπηκτώματα που εμφανίζουν φυσικό τρόπο διασύνδεσης, όπως μέσω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, θεωρούνται πολλά υποσχόμενα υλικά για βιοεφαρμογές, όπως η μη-χανική ιστών, η μεταφορά φαρμάκων και κυττάρων κ.α., καθώς αποτελούν δυναμικά συστήματα με αναστρέψιμες ιδιότητες. Τα διασυνδέσιμα υδατοδιαλυτά πολυμερή, ανήκουν στη κατηγορία πολυμερών που σχηματίζουν υδροπηκτώματα με πληθώρα αλληλεπιδράσεων, όπως οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Βασίζονται σε συμπολυμερή που αποτελούνται από υδρόφιλες πολυμερικές αλυσίδες συνδεδεμένες με υδρόφοβες ομάδες στα άκρα τους ή εμβολιασμένες πάνω τους. Έχουν βρει εφαρμογές σε βαφές, τρόφιμα, στην εξόρυξη καυσίμων, στα καλλυντικά και τη βιοτεχνολογία εξαιτίας των πολλά υποσχόμενων ιξωδοελαστικών τους ιδιοτήτων. Τα «έξυπνα» ή αποκρινόμενα στα ερεθίσματα φυσικά υδροπηκτώματα εμφανίζουν ευαισθησία σε περιβαλλοντικές αλλαγές, παρουσιάζουν έντονο ενδιαφέρον για βιοϊατρικές εφαρμογές καθώς μπορούν να ενισχυθούν οι ιδιότητές τους με τη μεταβολή διάφορων συνθηκών. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα υδροπηκτώματα που εμφανίζουν ευαισθησία στο pH. Σε τέτοια συστήματα μπορούν εύκολα να ρυθμιστούν οι ιδιότητές τους προσαρμόζοντας κατάλληλα τις συνθήκες pH. Επιπλέον, υδροπηκτώματα που εμφανίζουν απόκριση στη διάτμηση και ψευδοπλαστική συ-μπεριφορά είναι πολύ χρήσιμα για εφαρμογές που απαιτείται η μείωση ή αύξηση του ιξώδους (ρεολέπτυνση ή ρεοσκλήρυνση) κατά την επιβολή διατμητικής τάσης, όπως αυτής των ενέσιμων συστημάτων. Τα ενέσιμα υδροπηκτώματα έχουν την δυνατότητα να ρέουν κατά τη διάρκεια της ενέσιμης χορήγησής του και στη συνέχεια να διαμορφώνονται σε σταθερά τρισδιάστατα δίκτυα, δηλαδή ισχυρά πηκτώματα κατά την είσοδό τους στον οργανισμό. Έχουν αναπτυχθεί πληθώρα τέτοιων συστημάτων με εφαρμογές όπως στη μη επεμβατική μηχανική ιστών, στην αναγέννηση ιστών και στην ελεγχόμενη χορήγηση φαρμακευτικών ουσιών με μη επεμβατικές διαδικασίες. Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως στόχο την ανάπτυξη, το χαρακτηρισμό και τη ρεολογική μελέτη βιοσυμβατών υδροπηκτωμάτων εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολύ(ακρυλικού οξέος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη). Η παρασκευή του συμπολυμερούς πραγματοποιήθηκε με εμβολιασμό του υδρόφοβου πολυπεπτιδίου στο σκελετό του πολύ(ακρυλικού οξέος) μέσω αντίδρασης σχηματισμού αμιδικού δεσμού. Ο χαρακτηρισμός της σύνθεσης, μέσω φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου, έδειξε επιτυχή ανάπτυξη του συμπολυμερούς με τον εμβολιασμό κατά μέσο όρο 6.6 αλυσίδων υδρόφοβης πολύ(L-λυσίνης) ανά μία αλυ-σίδα πολύ(ακρυλικού οξέος). Το συμπολυμερές ανήκει στη κατηγορία των διασυνδέσιμων υδατοδιαλυτών πολυμερών αναπτύσσοντας σε υδατικό περιβάλλον φυσικά υδροπηκτώματα ως α-ποτέλεσμα των υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται και τα οποία μελετήθηκαν ως προς τα ρεολογικά τους χαρακτηριστικά. Ειδικότερα, για τη μελέτη της ρεολογικής τους συμπεριφοράς πραγματοποιήθηκαν πειράματα ρεολογίας σε ρεόμετρο τάσης σε δείγματα πέντε δια-φορετικών συγκεντρώσεων συμπολυμερούς, 0.25%, 0.5%, 0.74%, 1% και 1.2% wt, τεσσάρων διαφορετικών συνθηκών pH, 5, 6, 7.4, 8.8, και με προσθήκη ποσότητας άλατος NaCl 0.15M. Η ρεολογική μελέτη απέδειξε ότι το συμπολυμερές εμφανίζει ισχυρά υδροπηκτώματα σε υδατικό περιβάλλον, παρουσιάζοντας ελαστική συμπεριφορά και ιδιότητες ενός «παγωμένου» δικτύου. Αξιοσημείωτο αποτελεί το γεγονός ότι τα χαρακτηριστικά αυτά παρατηρούνται σε μικρές συγκεντρώσεις συμπολυμερούς (<1.2% wt) σε σύγκριση με άλλα φυσικά υδροπηκτώματα που έχουν μελετηθεί ως τώρα. Η συγκέντρωση επιδρά σημαντικά στις ρεολογικές ιδιότητες με αύξηση των μέτρων ελαστικότητας της υδρογέλης κατά την αύξηση της συγκέντρωσης, ακολουθώντας την εκθετική σχέση G’~C1.93 . Την ίδια στιγμή, το σύστημα εμφανίζει χαρακτηριστικά ενός «έξυπνου» υδροπηκτώματος παρουσιάζοντας ευαισθησία στο pH και τη διάτμηση, ενώ εμφανίζει σταθερότητα στις θερμοκρασιακές μεταβολές. Η απόκριση στο pH συμβάλει ευεργετικά στην ανάπτυξη ενός πιο ισχυρού τρισδιάστατου δικτύου που μπορεί να παρομοιαστεί με ένα μαλακό στερεό, εξαιτίας της εξάρτησης του βαθμού ιονισμού των καρβοξυλομάδων του πολυηλεκτρο-λύτη-σκελετού PAA από αυτό. Με την αύξηση του βαθμού ιονισμού (αύξηση του pH) παρατηρείται έκταση των αλυσίδων, λόγω απωστικών ηλεκτροστατικών δυνάμεων, και υπερίσχυση των διαμοριακών υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων έναντι των ενδομοριακών. Έτσι, η ισχύς και διό-γκωση του υδροπηκτώματος μπορεί να ρυθμιστεί αποτελεσματικά αλλάζοντας τις συνθήκες pH. Παρουσιάζει, επιπλέον, εξαιρετική απόκρισή στη διατμητική παραμόρφωση (shear response) και ιδιότητες ρεολέπτυνσης με την πτώση του ιξώδους κατά την επιβολή διατμητικής τάσης και την άμεση επαναφορά του συστήματος στις αρχικές του συνθήκες όταν αυτή σταματήσει. Η αντιστρέψιμότητα της απόκρισης του υδροπηκτώματος στη διάτμηση αποτελεί σημαντικό χαρακτηριστικό που συνδέεται με την ιδιότητα της ενεσιμότητας, έχοντας δηλαδή τη δυνατότητα να χορηγείται ενέσιμα και να διαμορφώνει σταθερά τρισδιάστατα δίκτυα όταν εισέρχεται στο σώμα. Η ρεολογική συμπεριφορά του σε προσομοίωση πειραμάτων ενεσιμότητας, έδειξε ότι μπορεί να αναπτύσσει ισχυρό δίκτυο μόλις εισέλθει στο σώμα, ενώ η διαδικασία της ένεσης μπορεί να ρυθμιστεί σε τιμές ανεκτές για τον άνθρωπο. Επιπροσθέτως, μελετώντας τα υδροπηκτώματα με προσθήκη άλατος NaCl, συμπεραίνεται ότι παρατηρείται το φαινόμενο της προάσπισης φορτίων με αποδυνάμωση του δικτύου παρουσία των ιόντων του άλατος και την επικράτηση ιξώδους συμπεριφοράς. Συμπερασματικά, τα υδροπηκτώματα εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολύ(ακρυλικού οξέ-ος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη) εμφανίζουν ενδιαφέρουσες προοπτικές ως «έξυπνα» ενέσιμα συστήματα για βιοεφαρμογές, έχοντας τη δυνατότητα να καθοριστούν συγκεκριμένα ρεολογικά χαρακτηριστικά ρυθμίζοντας κατάλληλα παραμέτρους όπως το pH και τη συγκέντρωση. Η χρήση τους θα μπορούσε να προταθεί σε εφαρμογές ελεγχόμενης χορήγησης φαρμακευτικών ουσιών για αντιμετώπιση διάφορων διαταραχών, στη μηχανική και αναγέννηση ιστών κτλ. Τέλος, καθο-ριστικό ρόλο διαδραματίζει και το γεγονός ότι το συγκεκριμένο σύστημα αποτελεί μία πρωτότυπη σύνθεση εμβολιασμένου συμπολυμερούς που εμφανίζει το πλεονέκτημα της βιοσυμβατότητας, εμπεριέχοντας το βιοαποικοδομήσιμο πολυπεπτίδιο της πολύ(L-λυσίνης).
Open Access
Ανάπτυξη και λειτουργία συστήματος ηλεκτρόλυσης Η2Ο υψηλής πίεσης, σε κλιμακούμενο μέγεθος ισχύος έως 1 kW (high pressure PEM electrolyser Ely-1).
Οικονόμου, Νικόλας; Oikonomou, Nikolaos
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Ο στόχος της παρούσας εργασίας, η οποία πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο συμβολαίου με την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία (ESA) (Contract No. 4000109578/13/NL/SC), ήταν η ανάπτυξη μιας συστοιχίας ηλεκτρόλυσης πολυμερικού ηλεκτρολύτη υψηλών πιέσεων, έως και 80 bar, ισχύος 1 kW για διαστημικές εφαρμογές. Πιο συγκεκριμένα, η αρχική εφαρμογή της συστοιχίας ήταν για την εγκατάστασή της σε δορυφόρους τηλεπικοινωνιών με στόχο τη μετατροπή της παραγόμενης, από φωτοβολταϊκά πάνελ, ηλιακής ενέργειας σε καθαρό «πράσινο» υδρογόνο, ενώ πλέον εξετάζεται και το ενδεχόμενο της χρήσης της και σε άλλες διαστημικές εφαρμογές. Η συστοιχία ηλεκτρόλυσης τροφοδοτείται με υπερ-κάθαρο (3D) Η2Ο σε υγρή μορφή, στην πλευρά του ανοδικού ηλεκτροδίου, το οποίο με την επιβολή του απαραίτητου δυναμικού απ’ τα φωτοβολταϊκά πάνελ οξειδώνεται σε οξυγόνο, πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Το παραγόμενο οξυγόνο απομακρύνεται μαζί με το νερό, που δεν διασπάστηκε, ενώ τα κατιόντα υδρογόνου διαχέονται μέσω της πολυμερικής μεμβράνης, PEM, προς το καθοδικό ηλεκτρόδιο όπου και μετατρέπονται σε καθαρό υδρογόνο. Ως καταλύτες χρησιμοποιήθηκαν μίγμα βασισμένο στο οξείδιο του ιριδίου (IrO2) και πλατίνα στη ριγμένη σε άνθρακα (Pt/C) για το ανοδικό και το καθοδικό ηλεκτρόδιο αντίστοιχα, καθώς και οι δύο χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερη χημική σταθερότητα και μεγάλη ανθεκτικότητα στις μηχανικές και θερμικές καταπονήσεις. Οι πολυμερικές μεμβράνες Nafion® (PFSA) αποτελούν την συνηθέστερη επιλογή για κελιά ηλεκτρόλυσης χαμηλής θερμοκρασίας, επειδή συνδυάζουν αυξημένη χημική σταθερότητα, σημαντική μηχανική και θερμική αντοχή και μεγάλη πρωτονιακή αγωγιμότητα. Κατά την λειτουργία της συστοιχίας ηλεκτρόλυσης παρατηρείται παράλληλη μεταφορά μορίων υγρού νερού μαζί με τα παραγόμενα πρωτόνια, απ’ το ανοδικό προς το καθοδικό ηλεκτρόδιο, μέσω της πολυμερικής μεμβράνης, υπό το φαινόμενο της ηλεκτρο-ωσμωτικής παράσυρσης. Συνεπώς, πριν την αποθήκευσή τους, ως αέρια υψηλής καθαρότητας, τα δύο ρεύματα μάζας πρέπει να υποβληθούν σε διαδικασία ξήρανσης. Επίσης, υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις, παρατηρείται ανεπιθύμητη μεταφορά μέρους των παραγόμενων αερίων μεταξύ των δύο πλευρών της συστοιχίας, ένα φαινόμενο γνωστό ως διαπερατότητα αερίων (gas crossover). Το φαινόμενο της διαπερατότη τας των αερίων εκδηλώνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις, με το οξυγόνο (Ο2) να συμπαρασύρεται μαζί με το νερό και την αντίστροφη μεταφορά του υδρογόνου (Η2) να εντείνεται σε περιπτώσεις που υπάρχει υπολογίσιμη διαφορά πίεσης μεταξύ των δύο πλευρών. Η μεταφορά του υδρογόνου προς την ανοδική πλευρά είναι άκρως επικίνδυνη και μπορεί να ο δηγήσει στην δημιουργία εκρηκτικού μείγματος, καθώς η μεταφερόμενη ποσότητα είναι ανάλογη της διαφοράς πίεσης μεταξύ των δύο πλευρών. Πιο συγκεκριμένα, το ελάχιστο όριο δημιουργίας εκρηκτικής ατμόσφαιρας έχει υπολογιστεί στο 4% κατά mol H2 μέσα σε Ο2. Οι υψηλές πιέσεις, η εκρηκτικότητα του υδρογόνου αναμεμιγμένου (σε αναλογία μεγαλύτερη του 4% κατά mol) με οξυγόνο, και το ότι το υδρογόνο είναι το ελαφρύτερο στοιχείο στον περιοδικό πίνακα (άρα επιρρεπές προς διαρροές), εγείρουν σημαντικά θέματα ασφάλειας. Κατά συνέπεια, έγινε ενδελεχής έλεγχος για εξωτερικές και εσωτερικές διαρροές. Κατά τη λειτουργία της συστοιχίας ηλεκτρόλυσης διερευνήθηκε περαιτέρω, σε όλο το φάσμα των πιέσεων λειτουργίας, το φαινόμενο της διάχυσης/μεταφοράς του υδρογόνου (hydrogen crossover) μέσω του πολυμερικού ηλεκτρολύτη προς τη πλευρά του οξυγόνου. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση φασματογράφου μάζας, ο οποίος συνδέθηκε με το ρεύμα εξόδου του παραγόμενου οξυγόνου (πλευρά της ανόδου). Διαπιστώθηκε πως κατά την λειτουργία της συστοιχίας ηλεκτρόλυ σης σε ατμοσφαιρική πίεση το επί τις εκατό γραμμομοριακό κλάσμα του υδρογόνου προς οξυγόνο ήταν περίπου ίσο με 2% mol H2/O2, ίσο περίπου με το μισό του ορίου ασφαλείας για τη δημιουργία εκρηκτικού μίγματος, ενώ αυξανόμενης της πίεσης λειτουργίας έως και τα 80 bar το επί τις εκατό γραμμομοριακό κλάσμα του υδρογόνου προς οξυγόνο μειωνόταν. Από θερμοδυναμικής άποψης η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί την κινητική της συνολικής α ντίδρασης με αποτέλεσμα να απαιτείται λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια για την διάσπαση του νερού. Οι τρεις κύριοι λόγοι που μειώνουν την διάρκεια ζωής των κελιών ηλεκτρόλυσης είναι οι μεγάλες θερμικές, χημικές και μηχανικές καταπονήσεις που συνδυαστικά οδηγούν στην βαθμιαία υποβάθμιση των ηλεκτροδίων, στη μείωση των μηχανικών αντοχών και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του πορώδους συλλέκτη ρεύματος και στη σταδιακή λέπτυνση των πολυμερικών μεμβρανών από Nafion®. Οι υψηλές θερμοκρασίες (80 – 110 οC) οδηγούν σε σημαντική υποβάθμιση της πλειοψηφίας των μονωτικών υλικών του συστήματος, όπως και στην καταστροφή των πολυμερικών μεμβρανών. Πιο συγκεκριμένα η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας βρέθηκε πως είναι μεταξύ 70 οC και 80 οC με στόχο τόσο την βελτίωση της ηλεκτρικής απόδοσης του ηλεκτρολυτικού κελιού όσο της διάρκειας ζωής των υλικών. Η συστοιχία ηλεκτρόλυσης υγρού Η2Ο υπό υψηλή πίεση που αναπτύχθηκε τελικά, ονομάστηκε HP-PEM ELY-1, έχει ονομαστική ισχύ 0.7-1 kW και βάρος 4.41 kg. Αναλυτικότερα, είναι ικανή να παράγει έως και 4 L·min-1 αέριου υδρογόνου και έως 2 L·min-1 αέριου οξυγόνου, ενώ μπορεί να λει τουργεί και ως συμπιεστής των παραγόμενων αερίων σε εύρος πιέσεων από 1 - 80 bar.
Open Access
Ανάπτυξη μικροβιακού κελιού ηλεκτρόλυσης για παραγωγή υδρογόνου και επεξεργασία αποβλήτων : επίδραση λειτουργικών παραμέτρων
Τασουλής, Εμμανουήλ; Tasoulis, Emmanouil
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Τα Μικροβιακά Κελιά Ηλεκτρόλυσης (MEC) μετατρέπουν την χημική ενέργεια που περιέχεται στις ενώσεις του οργανικού υποστρώματος σε υδρογόνο μέσω του μεταβολισμού των ηλεκτροπαραγώγων βακτηρίων, τα οποία έχουν την ικανότητα να παράγουν ηλεκτρόνια κατά την αναερόβια οξείδωση της οργανικής ύλης. Όπως τα ηλεκτρολυτικά κελιά έτσι και τα μικροβιακά αποτελούνται από δύο θαλάμους, τον ανοδικό και τον καθοδικό στους οποίους πραγματοποιούνται οι αντίστοιχες αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής. Οι δύο θάλαμοι χωρίζονται μέσω μιας μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων η οποία επιτρέπει στα Η+ να μεταναστεύσουν από τον ανοδικό στον καθοδικό θάλαμο. Για την λειτουργία ενός MEC είναι απαραίτητη η εφαρμογή μιας μικρής τάσης (>0.2 V) στα άκρα του κελιού έτσι ώστε να ξεπεραστεί το θερμοδυναμικό εμπόδιο το οποίο προκύπτει από την συνολική αντίδραση που λαμβάνει χώρα. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τρεις σειρές πειραμάτων. Στην πρώτη σειρά, πραγματοποιήθηκε μια προκαταρκτική μελέτη ενός MEC δύο θαλάμων χρησιμοποιώντας ως μικροβιακή καλλιέργεια, αναερόβια λάσπη, εφαρμόζοντας 0.9 V στα άκρα του. Από αυτό το πείραμα πρόκυψε η καταλληλόλητα της αναερόβιας ιλύος και η επάρκεια της εφαρμοζόμενης τάσης, αφού κατά την διάρκεια αυτού του πειράματος παρήχθησαν υδρογόνο και συνάμα ικανοποιητικές τιμές ηλεκτρικού ρεύματος. Κατά τη διάρκεια του δεύτερου πειράματος, τρία κελιά (MEC1, MEC2, MEC3) βρίσκονταν σε λειτουργία, στα οποία χρησιμοποιήθηκαν δυο διαφορετικά ανοδικά ηλεκτρόδια (κόκκοι γραφίτη, τσόχα άνθρακα) και εφαρμόστηκαν διαφορετικές τάσεις (0.9 V, 1 V). Σε κανένα από τα τρία κελιά δεν παρατηρήθηκε παραγωγή υδρογόνου. Τέλος, λειτούργησε ένα κελί στο οποίο το οργανικό υπόστρωμα ήταν ο ορός τυρογάλακτος. Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά αφού το κελί αυτό είχε παρόμοια απόδοση με το προκαταρκτικό πείραμα.
Open Access
Ανάπτυξη σύνθετων υλικών και εξαρτημάτων γραφενίου με τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης
Κάτσας, Νεκτάριος; Katsas, Nektarios
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Τα πλαστικά-πολυμερή υλικά, ως γνωστόν, κυριαρχούν σε όλους τους κλάδους της καθημερινής μας ζωής και παρόλη την ευελιξία εφαρμογής που μας προσφέρουν, αναντίρρητα παρουσιάζουν ορισμένα αρνητικά τα οποία δεν είναι άλλα από τη δυσκολία αποικοδόμησης τους, τη μόλυνση του περιβάλλοντος κατά την παραγωγή τους και τη στράγγιση των φυσικών πόρων. Τις τελευταίες δεκαετίες, παρατηρείται μια κινητοποίηση ώστε να μεταβληθεί ο τρόπος χρήσης των πλαστικών και να μειωθεί η χρήση του πετρελαίου σε γενικές γραμμές. Μαζί με την προσπάθεια αυτή, παρατηρείται και η ανάπτυξη μιας κατηγορίας υλικών που είναι τα πολυμερή σύνθετα υλικά τα οποία είναι πιο φθηνά και πιο λειτουργικά από τα συμβατικά πλαστικά, που με την κατάλληλη βάση όπως είναι το PLA χαρακτηρίζονται και ως βιοαποικοδομήσιμα σε ένα βαθμό. Ο νέος αυτός κλάδος υλικών, εμφα νίζει πολλές δυνατότητες στο παρόν αλλά και προοπτικές βελτίωσης για το μέλλον. Επιπλέον, επιλέ γοντας τα κατάλληλα μέρη του πολυμερούς σύνθετού υλικού αλλά και συνδυάζοντας το με τεχνικές όπως είναι η τρισδιάστατη εκτύπωση, μπορεί να δημιουργηθεί μια ποικιλία εφαρμογών που δεν ήταν γνωστές στο παρελθόν όπως για παράδειγμα στους τομείς της βιοϊατρικής, της αυτοκινητοβιο μηχανίας κ.α. Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την ανάπτυξη υβριδικών σύνθετων υλικών με ενίσχυση ινών άνθρακα στη μικροκλίμακα και νιφάδων γραφενίου στη νανοκλίμακα για χρήση σε συστήματα τρισ διάστατης εκτύπωσης με στόχο τη βελτίωση των ιδιοτήτων του πρωτογενούς υλικού. Τα υβριδικά σύνθετα υλικά, αποτελούν μια καινοτομία στο χώρο και ο συνδυασμός ινών άνθρακα και γραφενίου συγκεκριμένα αποτελεί μια από τις πρώτες προσπάθειες παραγωγής αυτού του είδους συνθέτου υλικού. Αξίζει να σημειωθεί ότι τόσο οι ίνες όσο και το γραφένιο προσδίδουν στο τελικό υλικό ορισμένες μηχανικές, θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες οι οποίες διαφέρουν από εκείνες του καθαρού πολυμερούς. Αναλυτικά, πρόκειται για την παραγωγή ενός υβριδικού νήματος πολυμερικής μήτρας PLA μέσω εξώθησης, το οποίο περιέχει ίνες άνθρακα και γραφένιο σε κατάλληλες συγκεντρώσεις, ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη βελτίωση μηχανικών ιδιοτήτων. Σημειώνεται ότι για λόγους έλλειψης χρόνου, δεν εξετάζονται οι μεταβολές στις θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του προς δημιουργία υλικού. Αναλυτικά με τις μηχανικές ιδιότητες, μελετάται ο προσανατολισμός των ουσιών που προστίθενται ως ενίσχυση στο πολυμερές με τη βοήθεια οπτικής μικροσκοπίας και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Επιπλέον, υπολογίζονται μέσω κατάλληλων μηχανικών πειραμάτων οι μηχανικές ιδιότητες όπως το μέτρο Young, η αντοχή και η παραμόρφωση στη θραύση. Επίσης, το νήμα θα είναι σε θέση να χρησιμοποιηθεί για εκτύπωση, δηλαδή η διάμετρος του θα είναι όσο το δυνατόν πιο σταθερή, που είναι και ο τελικός στόχος, δηλαδή το νήμα να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για την ανάπτυξη εξαρτημάτων. Τέλος, εκτός των βελτιώσεων στις μηχανικές ιδιότητες γίνεται αναφορά και στις πιθανές αποτυχίες και τους λόγους που αυτές μπορεί να εμφανιστούν.
Open Access
Ανάπτυξη της καλλιέργειας του κυανοβακτηρίου Geitlerinema sp. σε διαφορετικές αλατότητες
Καραδήμας, Πέτρος; Karadimas, Petros
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
H διαρκής τεχνολογική εξέλιξη και οι ανθρώπινες απαιτήσεις φέρνουν στο προσκήνιο καινοτόμες ιδέες που πριν από μερικά χρόνια ήταν άγνωστες στο ευρύ κοινό. Μία τέτοια ιδέα είναι αυτή της εκμετάλλευσης τόσο των μικροφυκών όσο και των κυανοβακτηρίων, η καλλιέργεια των οποίων εμφανίζει χαμηλό περιβαλλοντικό αντίκτυπο ενώ το κόστος δεν είναι ιδιαίτερα υψηλό. Χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή προϊόντων υψηλών σε αξία όπως είναι για παράδειγμα οι χρωστικές, οι πρωτεΐνες, οι υδατάνθρακες και τα λιπίδια. Τα παραπάνω προϊόντα παρουσιάζουν μία τεράστια ποικιλία εφαρμογών σε τομείς όπως αυτός των τροφίμων, της ιατρικής, της φαρμακευτικής καθώς και των βιοκαυσίμων. Επιπλέον, οι δύο αυτοί φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί καταναλώνουν κατά την ανάπτυξη τους, μεγάλη ποσότητα θρεπτικών συστατικών. Για το λόγο αυτό, δίνεται τα τελευταία χρόνια έμφαση στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων, τα οποία αυξάνονται κατακόρυφα από τη στιγμή που πολλαπλασιάζονται οι ανθρώπινες ανάγκες. Τα κυανοβακτήρια απαντώνται σε κάθε είδους περιβάλλον ξεκινώντας από χιόνι και πάγο φτάνοντας μέχρι σε τροπικά δάση και ερήμους. Αυτά που αναπτύσσονται σε θαλάσσιο περιβάλλον ονομάζονται θαλάσσια κυανοβακτήρια και παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού η αλατότητα είναι ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες ανάπτυξης των κυανοβακτηρίων. Τα θαλάσσια κυανοβακτήρια χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή χρωστικών όπως η φυκοκυανίνη και η χλωροφύλλη, δύο χρωστικές με τεράστιο ερευνητικό ενδιαφέρον εξαιτίας των πολλαπλών τους εφαρμογών. Στην παρούσα διπλωματική έρευνα διερευνάται η επίδραση της αλατότητας στην ανάπτυξη του κυανοβακτηρίου Geitlerinema sp.,το οποίο ανήκει στα θαλάσσια κυανοβακτήρια και ανάλογα με την αλατότητα του θαλασσινού νερού μπορεί να αναπτυχθεί είτε λιγότερο είτε περισσότερο. Πιο συγκεκριμένα, εξετάσθηκε η ανάπτυξη του κυανοβακτηρίου για έξι διαφορετικές αλατότητες: 50‰,40‰,30‰,20‰,10‰ και 5‰, ενώ για κάθε αλατότητα το πείραμα πραγματοποιήθηκε δύο φορές. Σε κάθε περίπτωση υπολογίσθηκε η ανάπτυξη της βιομάζας και η παραγωγή των χρωστικών (φυκοκυανίνη, χλωροφύλλη), ενώ μετρήθηκε επίσης η κατανάλωση των θρεπτικών συστατικών (νιτρικά και ορθοφωσφορικά ιόντα). Τέλος, προσδιορίσθηκε το περιεχόμενο σε πρωτεΐνες καθώς και υδατάνθρακες. Εν τέλει, η υψηλότερη συγκέντρωση φυκοκυανίνης και τα μεγαλύτερα ποσοστά απομάκρυνσης ανόργανων ενώσεων εντοπίστηκαν κατά την ανάπτυξη του κυανοβακτηρίου Geitlerinema sp. σε αλατότητα 50‰, ενώ όσον αφορά την συγκέντρωση παραγόμενης βιομάζας, την συγκέντρωση χλωροφύλλης α και την σύσταση της βιομάζας σε πρωτεΐνες και υδατάνθρακες τα πιο ενθαρρυντικά αποτελέσματα εντοπίστηκαν κατά την ανάπτυξη του κυανοβακτηρίου Geitlerinema sp.σε αλατότητα 40‰.
Open Access
Ανάπτυξη υδροπηκτωμάτων αλληλοδιεισδυόμενων πολυμερών αποκρινόμενων στο pH και την [sic] θερμοκρασία
Γεωργίου, Αριστείδης; Georgiou, Aristeidis
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Τα πολυμερικά υλικά διαθέτουν κυρίαρχο ρόλο σε βιοϊατρικές εφαρμογές . Η χρήση τους αυξάνεται με ραγδαίους ρυθμούς και η επιστημονική κοινότητα ερευνά ολοένα και περισσότερους τρόπους αξιοποίησης τους. Μία από τις πιο σημαντικές κατηγορίες πολυμερών είναι τα υδροπηκτώματα, υδρόφιλα πολυμερή που σχηματίζουν δίκτυα ικανά να αποθηκεύσουν υψηλές ποσότητες νερού. Τα υλικά αυτά μελετώνται ως φορείς μεταφοράς φαρμάκων , κυττάρων και άλλων ουσιών στον ανθρώπινο οργανισμό. Η χρήση τους σε τέτοιες εφαρμογές προϋποθέτει υψηλή βιοσυμβατότητα, μετατοπίζοντας τη μελέτη κυρίως σε βιοπολυμερή όπως οι πρωτεΐνες και οι πολυσακχαρίτες. Πολλά υδροπηκτώματα συμπεριφέρονται διαφορετικά ανάλογα με το περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της απόκρισης τους σε διάφορα χημικά, φυσικά και βιολογικά ερεθίσματα. Το pH και η θερμοκρασία χαρακτηρίζουν όλα τα βιολογικά συστήματα και για το λόγο αυτό υδροπηκτώματα ικανά να αποκρίνονται σε αυτά είναι ιδιαίτερα επιθυμητά. Επιπλέον ένας ανερχόμενος τύπος υδροπηκτωμάτων είναι τα αλληλοδιεισδυόμενα δίκτυα πολυμερών. Η κατηγορία αυτή χαρακτηρίζεται από την παρουσία τουλάχιστον δύο διαφορετικών δικτύων πολυμερών οι αλληλοεμπλοκές των οποίων προσδίδουν στο υδροπήκτωμα αυξημένες μηχανικές ιδιότητες. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη υδροπηκτωμάτων αλληλοδιεισδυόμενων πολυμερών αποκρινόμενων στο pH και την θερμοκρασία. Συντέθηκαν τρία πολυμερή το ένα με pH ευαισθησία και τα άλλα δύο με θερμοαισθησία τα οποία έπειτα χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία αλληλοδιεισδυόμενων δικτύων. Το pH ευαίσθητο πολυμερές ήταν αλγινικό νάτριο εμβολιασμένο ,σε ποσοστό 23.4 %, με 3-Αμινοφαινολικό βορονικό οξύ (Alg -g- B). Το αλγινικό νάτριο αποτελεί φυσικό πολυσακχαρίτη με υ-ψηλή βιοσυμβατότητα και αρκετές χρήσεις στην βιοϊατρική. Η παρουσία του βορονικού οξέος και των διολών του αλγινικού επιτρέπουν τη δημιουργία βορονικών εστερικών ομοιοπολικών δυναμικών δεσμών. Οι δεσμοί αυτοί δρουν ως σταυροδεσμοί και οδηγούν στην ανάπτυξη υδροπηκτωμάτων που εμφανίζουν pH ευαισθησία. Μετά τη σύνθεση , το πολυμερές χαρακτηρίστηκε με τη χρήση φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ( ¹H NMR) και μελετήθηκαν οι ρεολογικές του ιδιότητες σε pH 5 ,7.4 και 9 και σε εύρος θερμοκρασίας από 10 °C – 50 °C . Σε pH 5 δεν παρατηρήθηκε η δημιουργία κάποιου δικτύου. Το υδροπήκτωμα σχηματίστηκε σε τιμές pH 7.4 και 9 παρουσιάζοντας εξασθένηση με αύξηση της θερμοκρασίας . Στην περίπτωση του pH 7.4 οδηγήθηκε σε λύση μετά τους 36 °C ενώ pH 9 ήταν πιο ισχυρό και δεν διασπάστηκε με θερμοκρασιακή αύξηση. Τα θερμοευαίσθητα συστήματα ήταν δύο πολυμερή πολυ(ακρυλικού οξέος) (PAA) εμβολιασμένα με οκτώ αλυσίδες πολυ (ν-ισοπροπυλακρυλαμιδίου) χαμηλού (L-PNIPAm) και υψηλού (H-PNIPAm) μοριακού βάρους αντίστοιχα. Οι αλυσίδες του PNIPAm εμφανίζουν κατώτερη κρίσιμη θερμοκρασία διαλύσεως (LCST) κοντά στην θερμοκρασία του ανθρώπινου οργανισμού και οδηγούν στην ανάπτυξη υδροπηκτωμάτων εξαιτίας υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων. Τα L-PNIPAm και H-PNIPAm συντέθηκαν με τη χρήση πολυμερισμού ελεύθερων ριζών. Χαρακτηρίστηκαν με τη χρήση φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ( ¹H NMR), τιτλοδότησης βάσης-οξέος και θολωμετρίας για τον προσδιορισμό του μοριακού τους βάρους και της θερμοκρασίας LCST τους. Έπειτα εμβολιάστηκαν σε αλυσίδες πολυ(ακρυλικού οξέος) με τη χρήση αντιδράσεων αμιδοποίησης και τα τελικά πολυμερή μελετήθηκαν ως προς τις ρεολογικές τους ιδιότητες σε pH 7.4 και εύρος θερμοκρασίας από 10 °C – 50 °C. Ο σχηματισμός του υδροπηκτώματος πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία 35.5 °C και 37.5 °C για του υψηλού και χαμηλού μοριακού βάρους συστήματα αντίστοιχα. Τέλος σχηματίστηκαν δύο διαφορετικά αλληλοδιεισδυόμενα δίκτυα .Το πρώτο αποτελούνταν από ισοβαρείς ποσότητες Alg -g- B και PAA-g-L-PNIPAm . Η μελέτη των ρεολογικών ιδιοτήτων του πραγαματοποιήθηκε σε pH 5 ,7.4 και 9 και σε εύρος θερμοκρασίας από 10 °C – 50 °C. Σε pH 5 δεν παρατηρήθηκε κάποιο υδροπήκτωμα. Σε τιμή pH 7.4 το υδροπήκτωμα που σχηματίστηκε ήταν αρκετά α-ασθενές και εμφάνισε εξασθένιση με τη θερμοκρασία έως τους 40 °C ενώ περαιτέρω αύξηση της οδήγησε στην ενίσχυση του. Σε pH 9 το υδροπήκτωμα ήταν σαφώς ισχυρότερο και παρουσίασε εξασθένιση με αύξηση της θερμοκρασίας σε όλο το θερμοκρασιακό εύρος. Το δεύτερο αλληλοδιεισδυόμενο δίκτυο αποτελούνταν από ισοβαρείς ποσότητες Alg -g- B και PAA-g-H-PNIPAm. Η μελέτη των ρεολογικών ιδιοτήτων πραγματοποιήθηκε στις ίδιες συνθήκες.. Το σύστημα επέδειξε ισχυρότερες μηχανικές ιδιότητες ,σε όλα τα ρεολογικά πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, σε σχέση με το προηγούμενο. Το υδροπήκτωμα σχηματίστηκε σε pH 5 και σε θερμοκρασία άνω των 40 οC. Σε τιμή pH 7.4 και 9 η συμπεριφορά του υδροπηκτώματος ήταν παρόμοια με αυτή του προηγουμένου συστήματος με κύρια διαφορά ότι εμφάνισε ισχυρότερη ελαστική συμπεριφορά. Και τα δύο αλληλοδιεισδυόμενα δίκτυα εμφάνισαν ενδιάμεσες ιδιότητες σε σχέση με τα συστατικά τους . Ωστόσο σε φυσιολογικές τιμές pH και θερμοκρασίας τα υδροπηκτώματα τους ήταν αρκετά ασθενή και χρίζουν περεταίρω τροποποίησής ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε βιοϊατρικές εφαρμογές.
Open Access
Αναστολή σχηματισμού θειϊκού ασβεστίου σε υπέρκορα διαλύματά του
Κούγιας, Βασίλειος; Kougias, Vasileios
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Η καταβύθιση του διένυδρου θειικού ασβεστίου (CaSO4∙H2O, γύψος) υπήρξε αντικείμενο πολυάριθμων μελετών τα τελευταία 50 χρόνια. Τόσο η κατανόηση της πυρηνογέννεσης όσο και της κρυσταλλικής ανάπτυξης του κρυσταλλικού αυτού στερεού βρίσκεται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος των ερευνητών λόγω του μεγάλου εύρους των περιπτώσεων στις οποίες εμφανίζονται σχηματισμοί του με δυσμενή αποτελέσματα στις αντίστοιχες διεργασίες. Το κόστος για την αντιμετώπιση ή τον περιορισμό τέτοιων εναποθέσεων (scaling), είτε με χρήση μηχανικών είτε χημικών μεθόδων, είναι ιδιαίτερα υψηλό. Για την αντιμετώπιση σχηματισμού εναποθέσεων θειικού ασβεστίου, συνήθης μέθοδος είναι η χρήση υδατοδιαλυτών χημικών ουσιών, κυρίως πολυμερικών (ακρυλικά πολυμερή και συμπολυμερή) αλλά και φωσφονικών ενώσεων τα οποία δρουν ως αναστολείς είτε της πυρηνογένεσης είτε της κρυσταλλικής ανάπτυξης. Στην παρούσα μελέτη διερευνήθηκε ο μηχανισμός καταβύθισης του θειικού ασβεστίου σε 25°C, σε συνθήκες σταθερής συγκέντρωσης ασβεστίου σε υπέρκορα διαλύματα. Με τη βοήθεια επιλεκτικού ηλεκτροδίου ασβεστίου και με τον έλεγχο από αντίστοιχο ποτενσιοστάτη, μελετήθηκε η κινητική της καταβύθισης του θειικού ασβεστίου σε υπέρκορα διαλύματά του. Μετρήθηκαν οι περιοχές σταθερότητας του άλατος (σταθερή και ασταθής μετασταθείς ζώνες). Οι ρυθμοί καταβύθισης μετρήθηκαν σε διάφορες τιμές υπερκορεσμού. Σε όλες τις περιπτώσεις το μοναδικό κρυσταλλικό στερεό το οποίο σχηματίσθηκε ήταν το διένυδρο θειικό ασβέστιο. Ο ρυθμός καταβύθισης έδειξε παραβολική εξάρτηση από το σχετικό υπερκορεσμό και τα δεδομένα προσαρμόσθηκαν επιτυχώς σε μοντέλο το οποίο βασίζεται στην υπόθεση ότι το καθορίζον τη ταχύτητα στάδιο είναι η επιφανειακή διάχυση. Συνέπεια του μηχανισμού αυτού είναι, ότι είναι δυνατή η επιβράδυνση της πυρηνογένεσης ή/και της κρυσταλλικής ανάπτυξης με δέσμευση των ενεργών κέντρων πυρηνογένεσης/κρυστάλλωσης. Η δέσμευση αυτή είναι δυνατό να επιτευχθεί με τη βοήθεια ρόφησης ουσιών οι οποίες διαθέτουν ιοντισμένες δραστικές ομάδες με τάση σχηματισμού επιφανειακών συμπλόκων με τα δομικά ιόντα Ca2+ και SO42- της επιφάνειας. Μελετήθηκε λοιπόν η κινητική της καταβύθισης του θειικού ασβεστίου, σε σταθερή ενεργότητα ασβεστίου στους 25°C, pH 6.5, παρουσία των φωσφονικών ενώσεων βενζο 1,3,5-τριυλ τρις φωσφονικό οξύ (BTP) και 1,3,5-τριαζινο- τριφωσφονικό οξύ (TATPA) .Παρουσία συγκεντρώσεων μεταξύ 4-16 ppm η παρουσία ΤΑΤΡΑ είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού κρυσταλλικής ανάπτυξης έως και 100%. Σε σύγκριση με το ΒΤΡ η αναστολή ήταν εμφανώς μεγαλύτερη.
Open Access
Αξιολόγηση της σύστασης μικροφυκών για βιοτεχνολογικές εφαρμογές και μελέτη της παραγωγής φυκοκυανίνης του κυανοβακτηρίου Phormidium sp.
Ντισπυράκη, Ζαχαρένια; Ntispyraki, Zacharenia
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Η εξάντληση των φυσικών πόρων, σε συνδυασμό με τη ραγδαία κλιματική αλλαγή των τελευταίων ετών, έχουν στρέψει το παγκόσμιο ενδιαφέρον στην εύρεση άλλων πηγών χρήσιμων προϊόντων. Τα μικροφύκη και τα κυανοβακτήρια παράγουν πολύτιμα μεταβολικά προϊόντα, χρήσιμα για τον άνθρωπο. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας, είναι η αποτελεσματική αξιοποίηση της σύστασης μικροφυκών για βιοτεχνολογικές εφαρμογές, καθώς και η μελέτη της παραγωγής της φυκοκυανίνης, μιας χρωστικής ουσίας, η οποία είναι παράλληλα ισχυρό αντιοξειδωτικό. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν τρία είδη μικροφυκών, σε διαφορετικές συνθήκες αλατότητας και φωτισμού. Αρχικά, παρατηρείται ότι το Tetraselmis red ευνοείται από τη χαμηλή αλατότητα και υπό υψηλή ένταση φωτός (20 XL), καθώς συγκεντρώνει το μεγαλύτερο ποσοστό πρωτεΐνης (44%) και υδατανθράκων (29%). Το Dunaliella salina αναπτύσσεται καλύτερα υπό υψηλή ένταση φωτισμού αλλά μέτρια αλατότητα(40 XL), όπου παράγει 31% πρωτεΐνες και 41% υδατάνθρακες. Τέλος, το Phormidium sp. φαίνεται να το ευνοούν οι συνθήκες χαμηλής αλατότητας και υψηλής έντασης φωτισμού (20 XL). Παράγει 55% πρωτεΐνες και 35% υδατάνθρακες. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας, γίνεται χρήση τριών διαφορετικών αντιδραστήρων (ετερότροφος, αυτότροφος, μιξότροφος), όπου καλλιεργείται το κυανοβακτήριο Phormidium sp. O ετερότροφος και ο μιξότροφος τροφοδοτούνται με 5 και 1 g/L γλυκόζης, αντίστοιχα. Παρέχεται φωτισμός μόνο στον αυτότροφο και στο μιξότροφο με ένταση 15 μmol φωτονίων 1/m^2 s. Με τις αναλύσεις, που γίνονται, παρατηρείται ότι η ετερότροφη καλλιέργεια δεν παράγει καθόλου χρωστικές, ενώ οι άλλοι δυο παράγουν εκτός από χλωροφύλλη α, β, καροτενοειδή και φυκοκυανίνη, 6.28 και 6.5 μg m/L, αντίστοιχα. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην μιξότροφη καλλιέργεια παράγεται η ίδια ποσότητα φυκοκυανίνης με την αυτότροφη καλλιέργεια στο μισό χρόνο. Επιπλέον, στην αυτότροφη και μιξότροφη καλλιέργεια, παρατηρείται ότι ο φωσφόρος δεν προκάλεσε συνθήκες περιορισμού στην καλλιέργεια, αφού βλέπουμε μία σχετικά μικρή μείωση, μάλλον λόγω του αυτότροφου μεταβολισμού των κυττάρων. Αντίθετα, στην ετερότροφη καλλιέργεια, απουσία φωτός, παρατηρείται σταδιακή μείωση σε ποσοστό περίπου 74% και επίσης, ότι στο τέλος της καλλιέργειας υπάρχει μικρή αύξηση, πιθανώς λόγω της λύσης των κυττάρων και της έκκρισης ενώσεων φωσφόρου από το εσωτερικό τους στο περιβάλλον. Στην ξηρή βιομάζα της ετερότροφης καλλιέργειας, οι υδατάνθρακες είναι το συστατικό της βιομάζας που υπερέχει σε σχέση με τα υπόλοιπα (43.02%), αλλά υψηλό ποσοστό έχουν επίσης και οι πρωτεΐνες (37.24%). Στην αυτότροφη καλλιέργεια, οι πρωτεΐνες είναι το συστατικό της βιομάζας που υπερέχει καθώς έχει ποσοστό 25.6%, και σε δεύτερη θέση βρίσκονται οι υδατάνθρακες (26.29%). Τέλος, στην μιξότροφη καλλιέργεια, οι πρωτεΐνες έχουν το υψηλότερο ποσοστό (38.85%), αλλά σε υψηλό ποσοστό βρίσκονται επίσης και οι υδατάνθρακες (30%). Σε καμία καλλιέργεια του Phormidium sp. δεν παρατηρήθηκε αξιοσημείωτη συσσώρευση λιπαρών οξέων. Συμπερασματικά, οι συνθήκες της καλλιέργειας καθορίζουν την σύσταση της βιομάζας που παράγεται και κατά συνέπεια την μετέπειτα βιοτεχνολογική τους αξιοποίηση.