Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Permanent URI for this collection
Browse
Recent Submissions
Item Open Access Τεχνοοικονομική ανάλυση βιομηχανικής μονάδας συγκομποστοποίησης υπολειμμάτων τροφίμων και βιοπλαστικών(2026-10-06) Ρισκάκη, Σταυρούλα Ευτυχία; Riskaki, Stavroula EftychiaΗ ευρεία χρήση των συμβατικών πλαστικών, αν και προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε τομείς όπως η συσκευασία, συνοδεύεται από ραγδαία αύξηση της παραγωγής αποβλήτων και εξάντληση των ορυκτών πόρων. Η αναζήτηση εναλλακτικών βιώσιμων λύσεων οδήγησε στα βιοπλαστικά, λόγω του μικρότερου περιβαλλοντικού τους αποτυπώματος. Ωστόσο, η διοχέτευσή τους στην αγορά χωρίς τις κατάλληλες υποδομές διαχείρισης δημιουργεί νέες προκλήσεις. Η απουσία κατάλληλης διαλογής οδηγεί συχνά στην τυχαία ανάμειξή τους με τα συμβατικά πλαστικά, γεγονός που υποβαθμίζει τα ρεύματα ανακύκλωσης, ενώ η απόρριψή τους στο περιβάλλον προκαλεί ατελή βιοδιάσπαση και συσσώρευση μικροπλαστικών. Στο πλαίσιο αυτό, εξετάζεται η συγκομποστοποίηση υπολειμμάτων τροφίμων και βιοπλαστικών ως μια ενδεδειγμένη μέθοδος, η οποία παρακάμπτει την ανάγκη διαλογής, ελαχιστοποιεί την παραγωγή μικροπλαστικών και αποτρέπει την απόρριψη οργανικών στους ΧΥΤΑ. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιείται ο σχεδιασμός και η τεχνοοικονομική αξιολόγηση μιας βιομηχανικής μονάδας συγκομποστοποίησης, με βάση δεδομένα πιλοτικής κλίμακας. Αφετηρία της ανάλυσης αποτέλεσε η εκτίμηση των αποβλήτων της ευρύτερης περιοχής της Πάτρας, η οποία χωρίζεται σε αστική ζώνη (170,000 κάτοικοι) και περιαστική ζώνη (41,000 κάτοικοι). Η μονάδα σχεδιάζεται για εισερχόμενη ποσότητα αποβλήτων 9,584 τόνων ετησίως, η οποία περιλαμβάνει χωριστά συλλεγόμενα υπολείμματα τροφίμων και βιοπλαστικά σε ποσοστό 8% κ.β. ως προς αυτά. Αρχικά, εξετάζονται και συγκρίνονται δύο εναλλακτικά συστήματα συλλογής και μεταφοράς: η συμβατική αποκομιδή από κοινόχρηστους κάδους και η συλλογή «πόρτα-πόρτα» (door-to-door). Διαμορφώνονται υπολογιστικά μοντέλα για την εκτίμηση των απαιτήσεων σε κάδους και οχήματα, καθώς και του κόστους συλλογής, ως προς βασικές παραμέτρους σχεδιασμού όπως η συχνότητα αποκομιδής, η χωρητικότητα των κάδων και ο στόχος συλλογής (60% για την τυπική συλλογή έναντι 90% για το door-to-door). Η σύγκριση δείχνει ότι, παρά τις μεγαλύτερες ανάγκες σε εξοπλισμό, η συλλογή πόρτα-πόρτα μπορεί να επιτύχει χαμηλότερο κόστος ανά τόνο απορριμμάτων, κυρίως λόγω της μειωμένης συχνότητας αποκομιδής και της αυξημένης ποσότητας συλλεγόμενων αποβλήτων (39.35 tn/d, ενώ στην τυπική συλλογή 26.23 tn/d). Η προτεινόμενη μονάδα περιλαμβάνει τα στάδια του τεμαχισμού των εισερχόμενων υλικών, της ανάμειξης με διογκωτικό παράγοντα, της κομποστοποίησης σε κλειστούς αντιδραστήρες τύπου In-Vessel (IVC), του μηχανικού διαχωρισμού μέσω κοσκίνου και της τελικής ωρίμανσης σε ανοιχτά σειράδια. Ο χρόνος παραμονής στους αντιδραστήρες ορίζεται σε 14 ημέρες με παραδοχή αποδόμησης του 50% των βιοπλαστικών στο στάδιο αυτό, ενώ η ωρίμανση διαρκεί 42 ημέρες. Μέσω του κοσκινίσματος, επιτρέπεται η ανακυκλοφορία του διογκωτικού υλικού και των μη πλήρως αποδομημένων βιοπλαστικών, με στόχο την παράταση του χρόνου επεξεργασίας τους και τον περιορισμό των βιοπλαστικών στο τελικό κομπόστ. Για τον τεχνικό σχεδιασμό αναπτύχθηκαν ισοζύγια μάζας, υγρασίας και στοιχείων στα επιμέρους στάδια, από τα οποία προσδιορίζονται οι παροχές των ρευμάτων, οι ανάγκες προσθήκης νερού, οι απαιτήσεις αερισμού και οι εκτιμώμενες αέριες εκπομπές. Παράλληλα, αναλύθηκαν τα ενεργειακά ισοζύγια για τους κλειστούς αντιδραστήρες και τα ανοιχτά σειράδια, λαμβάνοντας υπόψη τη θερμότητα της βιοαποδόμησης, την εξάτμιση και τους μηχανισμούς μεταφοράς θερμότητας. Μετά τη διαστασιολόγηση του μηχανολογικού εξοπλισμού, πραγματοποιήθηκε η εκτίμηση του κόστους εγκατάστασης (CAPEX) και των ετήσιων λειτουργικών δαπανών (OPEX), με χρήση εμπειρικών συσχετίσεων κόστους και αναγωγή τιμών. Η οικονομική βιωσιμότητα αξιολογείται μέσω ανάλυσης των ταμειακών ροών και της καθαρής παρούσας αξίας, αναδεικνύοντας ότι για το βασικό σενάριο της Πάτρας (9,584 tn/y) η μονάδα δεν είναι βιώσιμη οικονομικά. Προκειμένου να επιτευχθεί το νεκρό σημείο (break-even), το τέλος επεξεργασίας των αποβλήτων (gate fee) θα έπρεπε να ανέλθει περίπου στα 150€/tn, θεωρώντας μια ρεαλιστική τιμή αγοράς για την πώληση του κομπόστ στα 79€/tn. Επιπλέον, μέσω της αναγωγής του σχεδιασμού σε διαφορετικές δυναμικότητες ώστε να εξεταστεί η επίδραση των οικονομιών κλίμακας, καταδείχθηκε ότι η εγκατάσταση καθίσταται εν τέλει οικονομικά βιώσιμη σε κλίμακες δυναμικότητας άνω των 30,000 έως 40,000 τόνων ετησίως.Item Open Access Ολοκληρωμένη αξιοποίηση αποβλήτων ελαιοτριβείου μέσω ανάκτησης προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας και ενέργειας με έμφαση στην ανάκτηση φαινολικών ενώσεων(2026-10-07) Τσαμούταλη, Χρύσα; Tsamoutali, ChrysaOlive mill wastewater constitutes one of the most challenging agro-industrial waste streams to manage due to its high organic load and significant content of phenolic compounds. At the same time, it contains organic constituents that can be further valorized for the production of high-value-added products and energy. In this context, its integrated valorization requires the combination of separation processes, recovery of valuable compounds, and further utilization of the residual streams. The present study investigated the separation, concentration, and recovery of phenolic compounds from two olive mill waste streams originating from three-phase and two-phase olive oil production systems, through a combination of membrane processes and adsorption onto a polymeric resin. The two waste streams had different storage and pretreatment histories. The three-phase waste had been stored for several months under ambient conditions and had undergone spontaneous fermentation, whereas the two-phase waste was immediately subjected to centrifugation, resulting in the separation of solid, oily, and aqueous phases. Consequently, the differences observed between the two samples cannot be attributed exclusively to the type of olive oil production system. Following physicochemical characterization of the aqueous phases, both waste streams were sequentially subjected to ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF), aiming at the fractionation of the organic load and the production of streams with different phenolic contents. For the three-phase waste, the largest calculated mass of total phenolic content (TPC) during UF was distributed to the retentate; however, substantial deviations in the mass balances, particularly during NF, limited the reliable quantitative assessment of phenolic distribution. In the two-phase waste, the fractionation trend was more clearly demonstrated. The TPC concentration in the diluted initial feed was 0.946 g GAE/L and increased to 1.485 g GAE/L in the UF retentate, whereas it decreased to 0.410 g GAE/L in the UF permeate. During NF, the concentration in the retentate reached 1.379 g GAE/L, approximately 3.36 times higher than that of the corresponding NF feed, while a concentration of 0.189 g GAE/L was determined in the permeate. Overall, the combined UF–NF treatment produced fractions with different phenolic loads, with the concentration of the measured phenolic fraction in the retentates being more clearly observed for the two-phase waste. Further recovery of phenolic compounds was investigated using the polymeric resin Amberlite XAD16. For the three-phase waste, adsorption was examined in a fixed-bed column; however, the calculated cumulative TPC mass in the effluent exceeded the corresponding influent mass, preventing a reliable quantitative estimation of adsorption capacity under the applied experimental conditions. For the two-phase waste, both batch adsorption experiments and a fixed-bed experiment were performed. In the batch experiments with diluted NF retentate, the real waste matrix exhibited an apparent adsorption capacity of 1.78 mg GAE/g resin after 72 h, compared with approximately 2.30–2.50 mg GAE/g for the tyrosol solution and the synthetic mixtures. The lower value obtained for the real sample suggests that matrix composition may affect adsorption behavior; however, the observed difference cannot be attributed exclusively to interactions among the accompanying organic constituents. During fixed-bed operation with a real sample of the two-phase waste, the normalized breakthrough curve showed that, after the initial increase in the Cₒᵤₜ/C₀ ratio, the values stabilized at approximately 0.72–0.74. After 600 min of operation, the Cₒᵤₜ/C₀ ratio was 0.722, while an apparent TPC retention of 165.02 mg GAE was calculated, corresponding to 29.9% of the supplied mass, and the apparent cumulative resin loading reached 13.05 mg GAE/g dry resin. These results indicate that the bed was still retaining part of the incoming phenolic load and that complete bed exhaustion had not been demonstrated by the time the experiment was terminated. The recovery of the retained phenolic compounds was subsequently investigated through sequential water washing and ethanol desorption. Ethanol proved more effective than water as a desorption medium, as approximately 90% of the total calculated recovered mass from the two-phase waste was collected during the ethanolic stage. Nevertheless, the overall apparent recovery corresponded to only 2.83% of the mass calculated as retained at the end of the adsorption step, indicating the need for further optimization of the adsorption and desorption conditions. Finally, the potential for further energy valorization of the initial waste and selected process streams was additionally evaluated through biohydrogen and biomethane production experiments. The results showed that the examined streams exhibited potential for further energy recovery; however, a reduction in phenolic load was not consistently associated with increased gaseous biofuel production. Energy performance therefore appears to depend on the overall composition and bioavailability of the organic load rather than solely on the phenolic content. Overall, the results support the potential development of an integrated approach for the valorization of olive mill waste, in which the fractionation and recovery of phenolic compounds are combined with the further energy utilization of residual streams within a biorefinery and circular economy framework.Item Open Access Aποδόμηση του υπερφθοροοκτανοϊκού οξέος (PFOA) στο έδαφος με ψυχρό πλάσμα(0005-10-26) Γκιώνη, Ηρώ; Gkioni, IroΗ ρύπανση του εδάφους αποτελεί σημαντικό περιβαλλοντικό ζήτημα, καθώς η συσσώρευση ρύ-πων στο έδαφος μπορεί να επηρεάσει την ποιότητα των φυσικών πόρων και να δημιουργήσει κινδύ-νους για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Ιδιαίτερη ανησυχία παρουσιάζουν οι υπερ- και πολυφθοροαλκυλικές ουσίες (PFAS), οι οποίες αποτελούν μια ευρεία κατηγορία συνθετικών ενώσε-ων που έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς στη βιομηχανία και σε καταναλωτικά προϊόντα. Η υψηλή χη-μική και θερμική τους σταθερότητα, σε συνδυασμό με την ανθεκτικότητά τους στις φυσικές διεργα-σίες αποδόμησης, καθιστά την παρουσία τους στο περιβάλλον ιδιαίτερα ανησυχητική. Παράλληλα, η απομάκρυνση και κυρίως η καταστροφή των PFAS από ρυπασμένα εδάφη παρουσιάζουν σημαντικές τεχνικές προκλήσεις, καθώς οι συμβατικές μέθοδοι απορρύπανσης δεν είναι πάντοτε επαρκείς για την αποτελεσματική αποδόμησή τους. Για τον λόγο αυτό, η ανάπτυξη αποτελεσματικών και περιβαλ-λοντικά φιλικών τεχνολογιών για την επεξεργασία ρυπασμένων εδαφών με PFAS αποτελεί σημαντικό πεδίο της σύγχρονης έρευνας. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετήθηκε η αποδοτικότητα της τεχνολογίας του ψυχρού ατμοσφαιρικού πλάσματος για την αποδόμηση του υπερφθοροοκτανοϊκού οξέος (PFOA) στο έδαφος. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε αντιδραστήρας εκκενώσεων διηλεκτρικού φράγματος (DBD), με επίπεδη διάταξη ηλεκτροδίων (plane-to-plane), όπου οι εκκενώσεις παράγονταν πάνω από την επι-φάνεια του εδάφους. Για να επιτευχθεί η μέγιστη απόδοση του συστήματος εξετάστηκαν διάφορες λειτουργικοί παρά-μετροι του ψυχρού πλάσματος όπως είναι το πλάτος του παλμού της τάσης, η συχνότητα των εκκε-νώσεων καθώς και το είδος και η ροή του αερίου λειτουργίας. Επιπλέον, εξετάστηκε η επίδραση του είδους του εδάφους στην αποδόμηση του PFOA, ενώ αξιολογήθηκε ο ρόλος της κυματομορφής της εφαρμοζόμενης υψηλής τάσης (παλμοί μικροδευτερολέπτων και νανοδευτερολέπτων) τόσο στην α-ποδόμηση του ρύπου όσο και στην ενεργειακή απόδοση της διεργασίας. Παράλληλα, μελετήθηκαν τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του πλάσματος τα οποία είναι η τάση και το ρεύμα του παλμού, και υπολογίστηκε η ισχύς που καταναλώνεται κατά τη διάρκεια της επεξεργα-σίας. Επίσης ταυτοποιήθηκαν τα κυριότερα δραστικά είδη που παράγονται στην αέρια φάση του πλάσματος, με σκοπό τη διερεύνηση της πιθανής συνεισφοράς τους στην αποδόμηση του PFOA. Συνολικά, η μελέτη ανέδειξε τη δυνατότητα αξιοποίησης του ψυχρού πλάσματος ως αποτελεσμα-τικής τεχνολογίας για την επεξεργασία εδαφών ρυπασμένων με PFAS, ενώ η χρήση νανοπαλμών πα-ρουσίασε ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω των σημαντικά χαμηλότερων ενεργειακών απαιτήσεων της διεργασίας.Item Open Access Επεξεργασία και αξιοποίηση ρευμάτων αναερόβιας απορροής ή/και υγρών αποβλήτων με χρήση μικροφυκών(2026-10-06) Μόσχος, Αλέξανδρος; Moschos, AlexandrosΚατά την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας διερευνήθηκε η συμπεριφορά και ηανάπτυξη του στελέχους Parachlorella kessleri κατά την καλλιέργειά του σε μη αποστειρωμένηαναερόβια απορροή κτηνοτροφικών μονάδων διαφορετικών συγκεντρώσεων, υπό συνθήκεςπεριορισμένου ελέγχου των λειτουργικών παραμέτρων. Παράλληλα, μελετήθηκε η ικανότητααπομάκρυνσης οργανικών ρυπαντών και θρεπτικών συστατικών, με στόχο την αξιολόγηση της δυνατότητας αξιοποίησης της αναερόβιας απορροής ως χαμηλού κόστους υποστρώματος για τηνπαραγωγή μικροφυκικής βιομάζας και την ταυτόχρονη εξυγίανση του αποβλήτου. Αρχικάπραγματοποιήθηκε καλλιέργεια σε μη αποστειρωμένη αναερόβια απορροή αραιωμένη σε 10% (v/vADE), ενώ στη συνέχεια ακολούθησαν καλλιέργειες σε αραιώσεις 20% (v/v ADE) και 50% (v/v ADE).Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η καταλληλότερη αραίωση εξαρτάται από τον τελικό στόχο τηςκαλλιέργειας. Στην αραίωση 10% καταγράφηκε το υψηλότερο ποσοστό συμμετοχής της P. kessleriστη συνολική βιομάζα (71%), καθώς και η μεγαλύτερη απομάκρυνση φωσφόρου και αζώτου, με ποσοστά 98,1% και 87,75% αντίστοιχα. Στην αραίωση 20% παρατηρήθηκε η αποτελεσματικότερη απομάκρυνση χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (COD) και υδατανθράκων, με ποσοστά 74,5% και 83,7% αντίστοιχα. Τέλος, στην αραίωση 50%, παρότι καταγράφηκε η μέγιστη συγκέντρωση συνολικής βιομάζας (5,91 g/L την έβδομη ημέρα), η συμμετοχή του μικροφύκους παρέμεινε σχετικά χαμηλή (35,2%), ενώ εκτός από τη μείωση των υδατανθράκων (63,8%) δεν παρατηρήθηκε σημαντική απομάκρυνση του υπόλοιπου οργανικού φορτίου. Συνολικά, τα αποτελέσματα δείχνουνότι η καλλιέργεια της P. kessleri σε αναερόβια απορροή μπορεί να συμβάλει αποτελεσματικά τόσοστην παραγωγή βιομάζας όσο και στην εξυγίανση του υποστρώματος. Παράλληλα, διαπιστώθηκε ότι καλλιέργειες με περιορισμένο έλεγχο συνθηκών, όπως η απουσία ρύθμισης του pH, είναιδυνατόν να εμφανίσουν φαινόμενα ανταγωνισμού με τους αυτόχθονους μικροοργανισμούς τηςαπορροής, γεγονός που επηρεάζει την ανάπτυξη του μικροφύκους και δυσχεραίνει την επίτευξη των επιθυμητών στόχων της καλλιέργειας.Item Open Access Αναβάθμιση ανακυκλωμένου LDPE με τη χρήση γραφενίου για 3D printed wearable εφαρμογές(2026-10-12) Ρόκιζα, Γεωργία; Rokiza, GeorgiaH κατακόρυφη αύξηση της παραγωγής και της χρήσης πλαστικών παγκοσμίως αλλά και τα μικρά ποσοστά ανακύκλωσης, αναδεικνύουν ως επιτακτική την ανάγκη εφαρμογής νέων στρατηγικών αναβάθμισης (upcycling) των ήδη ανακυκλωμένων πολυμερών, ώστε να καθίστανται αξιοποιήσιμα σε νέες, απαιτητικές εφαρμογές. Με αυτό το σκεπτικό, η παρούσα διπλωματική εργασία μελετά την ανακυκλωμένη μήτρα γραμμικού πολυαιθυλενίου χαμηλής πυκνότητας (reg-LLDPE) ενισχυμένη με νανοπλακίδια γραφενίου (GNPs), έτσι ώστε να διαπιστωθεί η καταλληλόλητα του γραφενίου ως υλικού πλήρωσης, με σκοπό τη χρήση του σε τρισδιάστατες wearable διατάξεις. Αρχικά, μελετώνται δύο καθαρές μήτρες LDPE και LLDPE, με τεχνικές χαρακτηρισμού όπως Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC) και εφελκυστικές δοκιμές, για τη σύγκρισή τους με τα αντίστοιχα ανακυκλωμένα υλικά (regLDPE και regLLDPE). Ο χαρακτηρισμός των βιομηχανικών grades δείχνει υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων, με τους διάφορους κύκλους ανακύκλωσης, οπότε για περαιτέρω μελέτη και παραγωγή συνθέτων επιλέγεται εκείνο με την υψηλότερη απώλεια ιδιοτήτων. Μετά την επιλογή της πιο υποβαθμισμένης μήτρας, σε αυτήν ενσωματώνονται ξεχωριστά δύο εμπορικοί τύποι γραφενίων (BeDimentional και PureG), για τους οποίους, μέσω φασματοσκοπίας Raman και οπτικής παρατήρησης, διαπιστώνεται η ποιότητα του κάθε πληρωτικού, αλλά και η διασπορά και η συσσωμάτωσή του μέσα στη μήτρα. Ταυτόχρονα, γίνονται εκ νέου οι ίδιες διαδικασίες χαρακτηρισμού για τα νανοσύνθετα υλικά που παρασκευάστηκαν (DSC και εφελκυστικές δοκιμές). Στη συνέχεια, από τη σύγκριση προκύπτει πως τα BeDimentional νανοσύνθετα παρουσιάζουν βελτιωμένη μηχανική ενίσχυση σε σχέση με PureG, εξετάζεται εκ νέου η μηχανική και θερμική τους συμπεριφορά, έπειτα από έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία UV-C (τέσσερις εβδομάδες) και σε υγρό περιβάλλον (οκτώ εβδομάδες), καθώς επίσης και η συμπεριφορά των υλικών σε κυκλική κόπωση. Παρόλο που το πείραμα απορρόφησης νερού δεν μπόρεσε να οδηγήσει σε ικανοποιητικά συμπεράσματα, οι πληροφορίες, βάσει των πειραμάτων γήρανσης και κόπωσης, ήταν καθοριστικές. Αποδείχθηκε πως η ενσωμάτωση GNPs μέσα στη συγκεκριμένη πολυμερική μήτρα λειτουργεί ως «ασπίδα» και δεν αφήνει την καταστρεπτική UV-C ακτινοβολία να εισχωρήσει, κάτι που επιβεβαίωσε και η φασματοσκοπία FTIR. Τέλος, εφόσον τα αποτελέσματα σε υγκέντρωση 0,1% w/w BeDimentional GNPs είναι τα βέλτιστα, γίνεται παραγωγή νήματος της συγκεκριμένης συγκέντρωσης, αλλά και καθαρού πολυμερούς, μέσω εξώθησης, με σκοπό την σύγκρισή τους σε τρισδιάστατη μορφή. Στη συνέχεια, λοιπόν, γίνεται και η τρισδιάστατη εκτύπωση με τη μορφή πλέξης wearable υφάσματος, και τα δύο αυτά δείγματα δοκιμάζονται εφελκυστικά και σε τεστ κοπώσεως, αποδεικνύοντας τη μεγάλη ενίσχυση που προσφέρει το συγκεκριμένο πληρωτικό στο γραμμικό πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας.Item Open Access Valorization of food waste for the production of bacterial cellulose and biogas(2026-10-05) Πάντζαρης, Νικόλαος-Ιάσων; Pantzaris, Nikolaos-IasonNowadays, the amount of food waste produced is increasing, resulting in serious environmental, social and financial impacts. Almost one third of the annual food produced is wasted or lost, while the food waste that is left to degrade naturally in agricultural sites or landfills releases high amounts of greenhouse gases thus exacerbating the climate crisis [1]. According to statistics, 70.3 million tons of oranges were produced between 2013 and 2014 in Spain, while only 40% of the orange fruit mass is consumed leading to 42.2 million tons of food waste with the biggest portion being orange peels [2]. The present work investigates the reduction of food waste by utilizing it as raw material for the production of value-added products through bioprocesses based on the circular economy model. Specifically, the current experimental research uses orange peel waste for the production of both bacterial cellulose and biogas, obtaining the latter through anaerobic digestion. Initially, orange peels were processed to extract a liquid phase containing reducing sugars that were used as the carbon source for the bioproduction of bacterial cellulose by Komagataeibacter sucrofermentans; and a solid phase with the orange peel waste. Both the remaining liquid and solid waste fractions were used as substrates in the anaerobic process, in order to maximize the utilization of the waste under study, fostering the circular economy model and contributing to a more sustainable production process. In anaerobic digestion, two additives were investigated to enhance both bacterial cellulose production and biogas production, acetic acid and different types of biochar. The addition of 3 g/L of acetic acid in the orange peel culture medium during bacterial cellulose production was the most efficient concentration, resulting in optimal bacterial cellulose production and yield 3.055 ± 0.188 g/L and 0.589 ± 0.036 g/g respectively. Comparing the bacterial cellulose production to the commercial and more expensive HS culture medium, the orange peel culture medium resulted in higher bacterial cellulose production. As for the anaerobic digestion the results showed that the highest performance was observed for the samples with the orange peel waste containing 3 g/L and 9 g/L of acetic acid. Both of them reached the highest biomethane yield (mL/ gVS). Among these the sample with 3 g/L of acetic acid was considered the optimal due to lower production cost. Further investigation was performed in the anaerobic digestion by applying optimum acetic acid concentration and adding different types of biochar. Although, the literature suggests that the addition of biochar can enhance the biogas production, the results of the current study resulted in a lower methanogenesis compared to the control group. Specifically, the samples containing orange peel waste with 3 g/L of acetic acid and without the addition of any type of biochar resulted in 263.6 ± 0.8 mL/gVS, while the optimal sample containing biochar was the one with 10 g of orange peel biochar reaching a methane production of 222.7 ± 7.1 mL/gVS. Most of the tests containing biochar led to significantly lower hydrogen sulfide production comparing to the control group while others led to the significant reduction of the lag phase. Overall, the present strategy is very promising as it follows a sustainable approach based on the circular economy model and shows promising results.Item Open Access Σύνθεση και χαρακτηρισμός περοβσκιτικών οξειδίων για εφαρμογή στην υδρογόνωση του διοξειδίου του άνθρακα(2026-10-13) Καλαμπόκα, Αλίκη; Kalampoka, AlikiΟ στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη περοβσκιτικών οξειδίων για την υδρογόνωση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) με κύριο προϊόν, τη μεθανόλη. Πιο συγκεκριμένα, μελετάται η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η καταλυτική ενεργότητα περοβσκιτικών οξειδίων. Οι καταλύτες που παρασκευάστηκαν είναι με βάση το Pd ή τον Cu χρησιμοποιώντας περοβσκιτικά οξείδια SrTiO3 και ΖnTiO3. Η διπλωματική εργασία αποτελείται από 5 κεφάλαια. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο της αντίδρασης υδρογόνωσης του CO2, με αφετηρία το περιβαλλοντικό πρόβλημα που συνδέεται με τις εκπομπές του CO2. Εξετάζονται τα κύρια προϊόντα της αντίδρασης, ο ρόλος της κατάλυσης, καθώς και προηγούμενες ερευνητικές εργασίες, με ιδιαίτερη έμφαση στην παραγωγή μεθανόλης. Στο κεφάλαιο 2 πραγματοποιείται η θερμοδυναμική ανάλυση των αντιδράσεων υδρογόνωσης του CO2 προς μεθάνιο (CH4), μεθανόλη (CH3OH)και μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι μέθοδοι παρασκευής και σύνθεσης των καταλυτών, οι τεχνικές χαρακτηρισμού και η πειραματική διάταξη και η διαδικασία διεξαγωγής των πειραμάτων. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται και αναλύονται τα πειραματικά αποτελέσματα. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 συνοψίζονται τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την διπλωματική εργασία αλλά και διατυπώνονται προτάσεις για περεταίρω έρευνα. Όσον αφορά τα αποτελέσματα, αρχικά παρουσιάζεται ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των καταλυτών. Ειδικότερα, μελετώνται η ειδική επιφάνειά τους μετά την παρασκευή και την ολοκλήρωση των καταλυτικών δοκιμών, η αναγωγή τους παρουσία Η2 καθώς και η εκρόφηση του CO2. Στη συνέχεια, αξιολογείται η καταλυτική ενεργότητα των περοβσκιτικών υλικών με τη χρήση της αέριας χρωματογραφίας. Aπό τα αποτελέσματα προκύπτει ότι ο σχηματισμός μεθανόλης ευνοείται σε χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ σε ενδιάμεσες και υψηλές θερμοκρασίες επικρατεί ο σχηματισμός των προϊόντων των παράλληλων αντιδράσεων, δηλαδή του μονοξειδίου του άνθρακα και του μεθανίου. Υψηλότερη μετατροπή CO2 παρουσιάζει ο καταλύτης Pd/1Ga_SrTiO3, χωρίς ωστόσο, να παρουσιάζει παραγωγή μεθανόλης ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αντίθετα, ο καταλύτης Cu/1Ga_ΖnTiO3 εμφανίζει υψηλότερη εκλεκτικότητα προς μεθανόλη, διατηρώντας υψηλές τιμές ακόμη και σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες. Ως προς την απόδοση προς μεθανόλη, υψηλότερες και παραπλήσιες τιμές σε ολόκληρο το εξεταζόμενο θερμοκρασιακό εύρος παρουσιάζουν οι καταλύτες Cu/ZnO και Pd/ZnTiO3. Συνολικά, διαπιστώνεται ότι η προσθήκη Ga στα περοβσκιτικά οξείδια επηρεάζει καθοριστικά τόσο την καταλυτική ενεργότητα όσο και την εκλεκτικότητα προς μεθανόλη.Item Open Access Μετρήσεις ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε σχολικές αίθουσες με αισθητήρες χαμηλού κόστους(2026-10-05) Ράγιου, Δήμητρα; Ragiou, DimitraΗ ποιότητα του αέρα στις σχολικές αίθουσες αποτελεί σημαντικό παράγοντα για την υγεία και την ευημερία των μαθητών, καθώς τα παιδιά αυτά περνούν μεγάλο μέρος της ημέρας τους μέσα σε αυτές. Η παρακολούθηση των ατμοσφαιρικών ρύπων με όργανα ακριβείας παρέχει αξιόπιστες μετρήσεις, ωστόσο το υψηλό κόστος αγοράς και η ανάγκη χειρισμού από εξειδικευμένο προσωπικό περιορίζουν τη δυνατότητα ευρείας χρήσης τους. Οι αισθητήρες χαμηλού κόστους αποτελούν μια εναλλακτική προσέγγιση, καθώς το χαμηλότερο κόστος και η ευκολία στη λειτουργία τους επιτρέπουν τη χρήση τους χωρίς εξειδικευμένες γνώσεις, καθιστώντας έτσι την παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα πιο προσιτή. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η ποιότητα του αέρα σε σχολικές αίθουσες με τη χρήση του συστήματος αισθητήρων χαμηλού κόστους ENSENSIA που αναπτύχθηκε από το Εργαστήριο Μελέτης της Ατμοσφαιρικής Ρύπανσης του Τμήματος Χημικών Μηχανικών. Μελετήθηκαν οι συγκεντρώσεις CO, NO, NO₂, O₃, CO₂, ολικών πτητικών οργανικών ενώσεων (TVOCs) και λεπτών αιωρούμενων σωματιδίων (PM1). Αρχικά αξιολογήθηκε η απόδοση του ENSENSIA μέσω σύγκρισης των μετρήσεών του με όργανα ακριβείας. Ο αισθητήρας παρουσίασε μικρή τάση υποεκτίμησης των συγκεντρώσεων των PM1 τόσο εσωτερικά όσο και εξωτερικά της αίθουσας, ωστόσο είναι κατάλληλος για την παρακολούθηση σχετικών μεταβολών και τάσεων. Για τα TVOCs ο ENSENSIA παρουσίασε συστηματική υπερεκτίμηση των συγκεντρώσεων με ικανοποιητική αποτύπωση των χρονικών μεταβολών εσωτερικά της αίθουσας κατά τις σχολικές ώρες, ωστόσο κατά τις μη σχολικές ώρες και στον εξωτερικό χώρο η αντιστοιχία μεταξύ των δύο συστημάτων ήταν περιορισμένη. Η συμφωνία του αισθητήρα με τα όργανα αναφοράς για το CO2 ήταν σχετικά καλή όσον αφορά την περίοδο της σχολικής λειτουργίας, παρουσίασε όμως αδυναμία στην αποτύπωση των χρονικών μεταβολών ιδιαίτερα σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις. Για το CO, το ENSENSIA παρουσίασε περιορισμένη συμφωνία με το όργανο αναφοράς και δεν κρίθηκε κατάλληλο για ακριβή ποσοτική εκτίμηση των συγκεντρώσεων χωρίς περαιτέρω διόρθωση ή βαθμονόμηση. Για το NO, το ENSENSIA κατά τις σχολικές ώρες παρουσίασε πολύ καλή ικανότητα παρακολούθησης των χρονικών μεταβολών του οργάνου αναφοράς. Αντίθετα, εκτός σχολικού ωραρίου και στον εξωτερικό χώρο η απόδοσή του ήταν λιγότερο αξιόπιστη. Τo ENSENSIA παρουσίασε περιορισμένη συμφωνία με το όργανο αναφοράς για το NO2 στο εσωτερικό, ωστόσο η απόδοση του στον εξωτερικό χώρο ήταν σαφώς καλύτερη. Τέλος για το O3, το ENSENSIA παρουσίασε ασθενή γραμμική σχέση με το όργανο αναφοράς. Στη συνέχεια διερευνήθηκε η επίδραση της σχολικής λειτουργίας στις συγκεντρώσεις των ρύπων σε σχολεία διαφορετικών περιοχών της Αθήνας. Η σύγκριση των σχολικών και μη σχολικών ωρών έδειξε ότι η σχολική λειτουργία επηρέασε διαφορετικά τις συγκεντρώσεις των εξεταζόμενων ρύπων. Για τα PM₁ δεν παρατηρήθηκε κάποια αύξηση κατά τις σχολικές ώρες, ενώ για τα TVOCs καταγράφηκαν γενικά υψηλότερες συγκεντρώσεις, με ιδιαίτερα έντονη αύξηση στο σχολείο του Ζωγράφου. Το CO₂ παρουσίασε την πιο συνεπή επίδραση της σχολικής λειτουργίας, καθώς στις περισσότερες περιοχές και μήνες οι συγκεντρώσεις ήταν υψηλότερες κατά τις σχολικές ώρες και οι περισσότερες διαφορές ήταν στατιστικά σημαντικές, γεγονός που συνδέεται με την παρουσία μαθητών και προσωπικού στις αίθουσες. Για το CO, το NO και το NO₂ παρατηρήθηκαν επίσης αυξήσεις σε αρκετές περιοχές, χωρίς όμως οι μεταβολές να εμφανίζουν την ίδια συμπεριφορά σε όλες τις περιοχές και περιόδους μελέτης. Για το O₃ δεν προέκυψε σαφής και συστηματική επίδραση της σχολικής λειτουργίας. Λαμβάνοντας υπόψη και την αξιολόγηση του ENSENSIA, τα αποτελέσματα για τους ρύπους με περιορισμένη συμφωνία με τα όργανα αναφοράς θα πρέπει να ερμηνεύονται κυρίως ως ενδείξεις σχετικών μεταβολών και όχι ως ακριβής ποσοτική εκτίμηση της επίδρασης της σχολικής λειτουργίας.Item Open Access Ανάπτυξη δομημένων προσροφητικών υλικών με τρισδιάστατη εκτύπωση για την απομάκρυνση του CO₂ από H₂(2026-10-12) Γραμματικός, Παναγιώτης; Grammatikos, PanagiotisΗ παραγωγή υδρογόνου υψηλής καθαρότητας απαιτεί την αποτελεσματική απομάκρυνση ανεπιθύμητων συστατικών, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), από αέρια ρεύματα πλούσια σε H₂. Η χρήση προσροφητικών και καταλυτικών υλικών σε μορφή σκόνης μπορεί να συνοδεύεται από υψηλή πτώση πίεσης, περιορισμούς στη διάχυση των αερίων και δυσκολίες κατά την εφαρμογή τους σε μεγαλύτερη κλίμακα. Οι συμβατικές μορφοποιήσεις, όπως τα pellets, αντιμετωπίζουν μέρος αυτών των προβλημάτων, αλλά προσφέρουν περιορισμένο έλεγχο της γεωμετρίας και της πορώδους δομής. Η τρισδιάστατη εκτύπωση προσφέρει μεγαλύτερο έλεγχο της γεωμετρίας και του πορώδους των δομών, επιτρέποντας παράλληλα τη βελτίωση της ροής του αερίου και της μεταφοράς μάζας και θερμότητας. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη δομημένων προσροφητικών υλικών γ-Al₂O₃ μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης και η αξιολόγησή τους για την απομάκρυνση CO₂ από ρεύματα που περιέχουν H₂. Για τον σκοπό αυτό, παρασκευάστηκαν κυλινδρικές δομές γυροειδούς γεωμετρίας με τεχνική φωτοπολυμερισμού (DLP), ακολουθούμενη από θερμική κατεργασία έως τους 600 °C για την απομάκρυνση της οργανικής φάσης. Παράλληλα, τόσο η γ-Al₂O₃ σε μορφή σκόνης όσο και το τρισδιάστατα εκτυπωμένο υλικό τροποποιήθηκαν επιφανειακά με 3-αμινοπροπυλοτριαιθοξυσιλάνιο (APTES), με στόχο την εισαγωγή αμινομάδων και την ενίσχυση της αλληλεπίδρασης με το CO₂. Τα αρχικά και τροποποιημένα υλικά χαρακτηρίστηκαν με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), φασματοσκοπία ATR-FTIR, προσρόφηση-εκρόφηση N₂ και θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η βασική κρυσταλλική φάση της γ-Al₂O₃ διατηρήθηκε μετά την τρισδιάστατη εκτύπωση, τη θερμική κατεργασία και τη σιλανοποίηση. Η διαμόρφωση σε 3D δομή προκάλεσε σχετικά μικρή μείωση της ειδικής επιφάνειας, από 52 σε 48 m²/g, ενώ η τροποποίηση με APTES οδήγησε σε σημαντική μείωση της προσβάσιμης επιφάνειας και του όγκου πόρων. Παράλληλα, τα αποτελέσματα ATR-FTIR και TGA επιβεβαίωσαν την παρουσία APTES τόσο στη σκόνη όσο και στο τρισδιάστατα εκτυπωμένο υλικό, δείχνοντας ότι η επιφανειακή τροποποίηση πραγματοποιήθηκε επιτυχώς. Η προσροφητική συμπεριφορά των υλικών αξιολογήθηκε μέσω καμπυλών breakthrough και θερμοπρογραμματιζόμενης εκρόφησης CO₂. Η μη τροποποιημένη γ-Al₂O₃ σε μορφή σκόνης και το 3D γ-Al₂O₃ παρουσίασαν ίδια προσροφητική ικανότητα, ίση με 4.6 μmol gads⁻¹, γεγονός που δείχνει ότι η τρισδιάστατη μορφοποίηση δεν υποβάθμισε την ικανότητα δέσμευσης CO₂. Μετά την τροποποίηση με APTES, η προσροφητική ικανότητα αυξήθηκε σημαντικά, φθάνοντας τα 40.3 μmol gads⁻¹ για το 3D γ-Al₂O₃-APTES και τα 54.8 μmol gads⁻¹ για τη γ-Al₂O₃ 600 °C-APTES. Επιπλέον, τα πειράματα TPD έδειξαν ότι περισσότερο από το 96% του προσροφημένου CO₂ στα τροποποιημένα υλικά μπορούσε να εκροφηθεί με θέρμανση έως τους 80 °C. Συνολικά, τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι οι τρισδιάστατα εκτυπωμένες δομές γ-Al₂O₃ μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομημένα προσροφητικά για τον διαχωρισμό CO₂/H₂, ενώ η επιφανειακή τροποποίηση με APTES ενισχύει σημαντικά την ικανότητα δέσμευσης CO₂.Item Open Access Νανοσύνθετες μεμβράνες HDPE / γραφενικών υλικών για φραγμό CO₂ : παραγωγή masterbatch μέσω υγρής ανάμιξης(2026-10-12) Χατζής, Παναγιώτης; Chatzis, PanagiotisΗ ανάπτυξη της δέσμευσης, αξιοποίησης και αποθήκευσης άνθρακα (CCUS) απαιτεί υποδομές μεταφοράς CO₂, στις οποίες μπορούν να περιλαμβάνονται αγωγοί. Το πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE) χρησιμοποιείται σε αγωγούς μεταφοράς, λόγω της χημικής του αντοχής, της ανθεκτικότητάς του στη θραύση υπό τάση και του χαμηλού κόστους εγκατάστασης, παρουσιάζει όμως μη αμελητέα διαπερατότητα στο CO₂, η οποία αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση είναι η ενσωμάτωση νανοπλακιδίων άνθρακα, τα οποία λειτουργούν ως αδιαπέραστα εμπόδια και αυξάνουν τη διαδρομή που πρέπει να διανύσουν τα μόρια του αερίου μέσα στο πολυμερές. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η παρασκευή νανοσύνθετων HDPE με νανοπληρωτικά άνθρακα και η αξιολόγησή τους ως υλικών σωλήνων μεταφοράς CO₂, ως προς τον φραγμό στο CO₂, τη μηχανική συμπεριφορά και την αντοχή στην υπεριώδη ακτινοβολία. Εξετάστηκαν τέσσερα νανοπληρωτικά, δύο εμπορικά νανοπλακίδια γραφενίου με διαφορετικό πλευρικό μέγεθος (GNPs BeD, 10 έως 20 μm, και GNPs Lev, κάτω από 1 μm), ανηγμένο οξείδιο του γραφενίου (rGO Ava) και GNPs BeD χημικά τροποποιημένα με αμινομάδες (N-GNPs), τα οποία παρασκευάστηκαν με οξείδωση, αμίνωση με p-φαινυλενοδιαμίνη και αναγωγή με ασκορβικό οξύ. Τα νανοπληρωτικά ενσωματώθηκαν στο HDPE μέσω masterbatch 10 wt%, το οποίο παρασκευάστηκε με υγρή ανάμιξη σε τολουόλιο (για τα N-GNPs σε μίγμα ξυλολίου και TCB) και καταβύθιση σε αιθανόλη και στη συνέχεια αραιώθηκε με θερμή πρέσα σε φιλμ συγκέντρωσης 0.05, 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 5 wt%. Τα αρχικά νανοπληρωτικά χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία Raman, τα N-GNPs επιπλέον με φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS), και τα νανοσύνθετα με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) και δοκιμές εφελκυσμού. Η ανθεκτικότητα στην ακτινοβολία εξετάστηκε με επιταχυνόμενη γήρανση υπό UVC (254 nm, 4 εβδομάδες), ακολουθούμενη από φασματοσκοπία υπερύθρου με εξασθενημένη ολική ανάκλαση (FTIR-ATR), DSC και δοκιμές εφελκυσμού. Η διαπερατότητα CO₂ μετρήθηκε σε μόνιμη κατάσταση, στο εύρος 30 έως 80 °C και πίεση μίας ατμόσφαιρας, και αναλύθηκε με την εξίσωση Arrhenius. Η φασματοσκοπία Raman έδειξε ότι οι ατέλειες αυξάνονται με τη σειρά GNPs BeD ≈ N-GNPs < GNPs Lev < rGO Ava, ενώ το XPS επιβεβαίωσε την παρουσία αζώτου (5.6 at.%) στα N-GNPs. Η υψηλότερη θερμοκρασία κρυστάλλωσης είναι συμβατή με τη λειτουργία των νανοπληρωτικών ως σημεία εκκίνησης των πυρήνων. Η κρυσταλλικότητα του HDPE μειώθηκε από 57.1% σε περίπου 42 έως 46% στα περισσότερα νανοσύνθετα. Παρά τη μείωση αυτή, η διαπερατότητα CO₂ μειώθηκε έως 69.6% στα 5 wt% rGO Ava στους 70 °C και κατά 68.4% στους 60 °C. Στο 1 wt% rGO Ava παρατηρήθηκε ήδη σαφής βελτίωση, ενώ στα 0.1 και 0.5 wt% οι διαφορές από το neat HDPE δεν ξεχώρισαν καθαρά από τις αβεβαιότητες. Τα N-GNPs 0.1 wt% μείωσαν τη διαπερατότητα κατά 14%, 18% και 26% στους 30, 60 και 80 °C αντίστοιχα, διατηρώντας την αρχική ολκιμότητα. Τα GNPs Lev 0.1 έως 0.5 wt% έδωσαν μειώσεις περίπου 11 έως 18%. Η επίδραση της συγκέντρωσης διέφερε ανάμεσα στα νανοπληρωτικά και δεν εξηγείται μόνο από τη μεταβολή της κρυσταλλικότητας. Το rGO Ava αύξησε το μέτρο ελαστικότητας έως 65%, αλλά από το 0.5 wt% η επιμήκυνση θραύσης μειώθηκε έντονα και στα 3 και 5 wt% η θραύση ήταν ψαθυρή. Τα GNPs BeD αύξησαν το μέτρο ελαστικότητας έως 51%, διατηρώντας την ολκιμότητα. Μετά από 4 εβδομάδες UVC, το neat HDPE έχασε σχεδόν πλήρως την αντοχή του, με μέγιστη τάση πριν από τη θραύση 2.2 MPa. Τα GNPs Lev προστάτευσαν το φιλμ ήδη από το 0.1 wt%, ενώ τα N-GNPs εμφάνισαν πρόωρη ψαθυρή θραύση έως τα 3 wt%. Η επίδραση της συγκέντρωσης στον φραγμό εξαρτήθηκε από το νανοπληρωτικό. Το rGO Ava έδωσε τη μεγαλύτερη συνολική μείωση της διαπερατότητας, αλλά στα 3 και 5 wt% η βελτίωση συνοδεύτηκε από ψαθυρή θραύση. Τα N-GNPs 0.1 wt% πέτυχαν σημαντική μείωση με μικρή ποσότητα νανοπληρωτικού και διατήρηση της αρχικής ολκιμότητας. Τα GNPs Lev 0.1 έως 0.5 wt% συνδύασαν βελτίωση του φραγμού με καλύτερη συμπεριφορά μετά την έκθεση σε UVC. Η καταλληλότητα για αγωγούς CO₂ απαιτεί δοκιμές σε πραγματικούς σωλήνες και στις αντίστοιχες πιέσεις λειτουργίας.Item Open Access Συγκριτική μελέτη ανθρακούχων υλικών σε μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα(2026-10-13) Στάτσεν, Σόνια; Stacen, SonjaΗ παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη συγκριτική μελέτη ανθρακούχων υλι κών ως ηλεκτροκαταλυτών σε μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα. Οι μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα α ποτελούν ένα ηλεκτροχημικό σύστημα με ενδιαφέρον για εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας, στο οποίο ο κύριος ρόλος του πορώδους ηλεκτροδίου, σε άμεση συνέργεια με τον ηλεκτρολύτη, είναι να πραγματοποιεί την αναγωγή του ατμοσφαιρικού οξυγόνου. Συνεπώς, η απόδοση του ηλεκτρο δίου αέρα εξαρτάται σημαντικά από την ηλεκτροκαταλυτική δραστικότητα, την πορώδη δομή, την ηλεκτρική αγωγιμότητα και την επιφανειακή χημεία του χρησιμοποιούμενου υλικού. Στο πλαίσιο της εργασίας εξετάστηκαν τρία ανθρακούχα υλικά: Carbon Black, βιοαπανθρά κωμα από Luffa cylindrica και βιοαπανθράκωμα από ελαιοπυρήνες. Το Carbon Black χρησιμοποιή θηκε ως υλικό αναφοράς, ενώ τα δύο βιοαπανθρακώματα μελετήθηκαν ως εναλλακτικά υλικά προ ερχόμενα από βιομάζα. Για την κατασκευή των ηλεκτροδίων χρησιμοποιήθηκε carbon cloth ως αγώ γιμο υπόστρωμα, ενώ η σύσταση της πάστας προσαρμόστηκε πειραματικά στις ιδιότητες κάθε υλι κού. Μετά από προκαταρκτικές δοκιμές διαφορετικών συνθέσεων και ποσοτήτων εναπόθεσης επι λέχθηκε τελικό επιφανειακό φορτίο 75 mg cm⁻². Για το βιοαπανθράκωμα από Luffa cylindrica πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός με τη μέ θοδο Brunauer-Emmett-Teller (BET) και με φασματοσκοπία XPS. Η ειδική επιφάνεια προσδιορίστηκε ίση με 1225,4 m² g⁻¹, ενώ ο συνολικός όγκος και η μέση διάμετρος των πόρων βρέθηκαν ίσοι με 0,6797 cm³ g⁻¹ και 1,1093 nm, αντίστοιχα. Η ανάλυση XPS έδειξε κυρίαρχη παρουσία ανθρακούχων ειδών στην επιφάνεια και διαφορετικές χημικές καταστάσεις άνθρακα, ενώ ανιχνεύθηκαν επίσης μικρές ποσότητες άλλων στοιχείων. Αντίθετα, για το βιοαπανθράκωμα από ελαιοπυρήνες, ο εκτενής χαρακτηρισμός (μέσω προσδιορισμού ειδικής επιφάνειας, SEM-EDX, XRD, FTIR, Raman και XPS) ανέ δειξε ένα φυσικά εμπλουτισμένο υλικό. Παρά τη μικρότερη ειδική του επιφάνεια (46 m² g⁻¹), το υ λικό παρουσίασε ισχυρό μικροπορώδες και μακροπορώδες δίκτυο, υψηλό ποσοστό sp² υβριδισμού του άνθρακα, καθώς και σημαντική παρουσία ετεροατόμων (Ο, Ν, P) και ανόργανων ιχνοστοιχείων (K, Ca, Mg, S, Cl) που λειτουργούν ως επιπλέον ενεργές ηλεκτροκαταλυτικές θέσεις. Η ηλεκτροχημική αξιολόγηση των τριών ηλεκτροδίων πραγματοποιήθηκε με γραμμική βολ ταμετρία σάρωσης, χρονοποτενσιομετρία και γαλβανοστατικές μετρήσεις φόρτισης-εκφόρτισης. Από τις καμπύλες έντασης-τάσης και έντασης-ισχύος παρατηρήθηκε σαφής διαφοροποίηση μεταξύ των υλικών. Η μεγαλύτερη μέγιστη ισχύς καταγράφηκε για το ηλεκτρόδιο Luffa cylindrica και ανήλθε περίπου στα 65 mW, ενώ οι ελαιοπυρήνες και το Carbon Black παρουσίασαν μέγιστες ισχείς περίπου 56 mW και 25 mW, αντίστοιχα. Η χρονοποτενσιομετρική μελέτη πραγματοποιήθηκε στα 20 mA και στα 100 mA. Στα 20 mA οι αποδόσεις του συστήματος ήταν 60% για το Carbon Black, 76,9% για τη Luffa cylindrica και 64,3% για τους ελαιοπυρήνες. Παράλληλα, οι ελαιοπυρήνες παρουσίασαν τη μεγαλύτερη διάρκεια συνε χούς λειτουργίας. Με την αύξηση του ρεύματος στα 100 mA παρατηρήθηκε σημαντική μείωση της απόδοσης και στα τρία ηλεκτρόδια, με τιμές 20,6%, 5,49% και 19,4% για Carbon Black, Luffa cylin drica και ελαιοπυρήνες, αντίστοιχα. Παρά την περιορισμένη επεξεργασία, παρατηρήθηκε πως το βιοαπανθράκωμα των ελαιοπυρήνων είχε ικανοποιητική συμπεριφορά, συγκρίσιμη με εκείνη του επεξεργασμένου βιοαπανθρακώματος από Luffa Cylindrica. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις γαλβανοστατικής φόρτισης-εκφόρτισης σε σταθερό ρεύμα 10 mA. Και τα τρία ηλεκτρόδια παρουσίασαν επαναλαμβανόμενους κύκλους λειτουργίας, με τα βιοαπανθρακώματα να παρουσιάζουν σταθερή συμπεριφορά και μικρότερη διαφορά μεταξύ των τάσεων φόρτισης και εκφόρτισης σε σχέση με το Carbon Black. Την μικρότερη διαφορά τάσεων πα ρουσίασε το βιοαπανθράκωμα από Luffa Cylindrica. Συνολικά, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα ανθρακούχα υλικά που προέρχονται από βιο μάζα μπορούν να παρουσιάσουν αξιόλογη ηλεκτροχημική συμπεριφορά σε μπαταρίες ψευδαργύ ρου-αέρα. Η τελική απόκριση κάθε υλικού εξαρτάται από τη συνδυασμένη επίδραση των δομικών και επιφανειακών χαρακτηριστικών του, καθώς και από τις συνθήκες λειτουργίας του ηλεκτροδίου.Item Open Access Nanoenhanced antifungal coatings using two-dimensional materials and metallic nanoparticles(2026-10-13) Πατέρα, Παναγιώτα-Ειρήνη; Patera, Panagiota-EiriniFungal infections constitute a continuously growing public health concern, particularly among immuno-compromised patients, with the genus Aspergillus being one of the most significant pathogenic fungi. At the same time, increased humidity and the improved thermal insulation of modern buildings promote the growth of fungi and mold on painted surfaces, compromising aesthetics, reducing coating durability, and deteriorating indoor air quality. Conventional antifungal additives (organic biocides, AgNPs, ZnO, and TiO₂) present limitations due to leaching and environmental concerns, driving interest toward the development of novel hybrid nanomaterials. Within this context, the present thesis focused on the synthesis, characterization, and evaluation of graphene oxide (GO)-based nanocomposites decorated with copper (GO-Cu) and nickel (GO-Ni) nano-particles, with the aim of employing them as antifungal additives in architectural paints against Asper-gillus niger. GO was synthesized using a modified Hummers’ method and subsequently utilized as a substrate for the deposition of Cu and Ni nanoparticles. Material characterization (optical microscopy, SEM, XRD, Raman spectroscopy, and UV–Vis spectroscopy) confirmed the successful oxidation of graphite and the effective deposition of the metals while preserving the fundamental graphene structure. However, the interaction of Ni with GO was found to be stronger than that of Cu, although complete reduction to reduced graphene oxide (rGO) was not observed in either nanocomposite. Colorimetric analysis was used to determine the optimal incorporation concentration in paint (0.1% w/w), at which the color difference (ΔE) remained below the perceptible threshold (ΔE < 2.3). Antifun-gal tests conducted in Petri dishes, initially using impregnated Whatman filter paper and subsequently using painted samples, demonstrated that all three materials (GO, GO-Cu, and GO-Ni) inhibited the growth of A. niger compared with the reference paint. Quantitative analysis using ImageJ software re-vealed a reduction in fungal surface coverage from 26.60% for the reference paint to 10.13% with GO, 2.91% with GO-Cu, and only 1.45% with GO-Ni, corresponding to relative inhibition rates of 61.92%, 89.06%, and 94.55%, respectively. Overall, the results demonstrate that GO–metal hybrid nanocomposites can function as effective anti-fungal additives in architectural coatings. Among the formulations investigated, GO-Ni at a concentra-tion of 0.1% w/w is proposed as the most effective composition, as it combines the highest antifungal activity with the absence of perceptible color changes in the paint.Item Open Access Διαμορφωσιακές μεταβολές εγγενώς αδόμητων πρωτεϊνών μέσω αλληλεπιδράσεων με RNA(2026-10-12) Χρόνη, Ναταλία; Chroni, NataliaΟι εγγενώς αδόμητες πρωτεΐνες (IDPs) και περιοχές (IDRs) δεν υιοθετούν σταθερή τρισδιάστατη δομή, αλλά ένα δυναμικό σύνολο διαμορφώσεων, το οποίο διαμορφώνεται από τις αλληλεπιδράσεις τους με άλλα μόρια, όπως το RNA. Το RNA συμμετέχει στη δημιουργία βιομοριακών συμπυκνωμάτων και ρυθμίζει τη συμπεριφορά πρωτεϊνών που σχετίζονται με ασθένειες. Ο τρόπος με τον οποίο το μήκος του RNA επηρεάζει τη διαμόρφωση της μεμονωμένης πρωτεϊνικής αλυσίδας σε ατομική επί-πεδο παραμένει ωστόσο ελάχιστα διερευνημένος. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν, με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, τρεις πρωτεΐνες διαφορετικού μεγέθους και φορτίου: η αμυλίνη, η α-συνουκλεΐνη και η G3BP1. Κάθε πρωτεΐνη προ-σομοιώθηκε ελεύθερη και παρουσία δομημένου RNA τριών διαφορετικών μηκών, με σταθερή ανα-λογία αμινοξέων προς νουκλεοτίδια. Η ανάλυση περιέλαβε την κινητικότητα των καταλοίπων, τις κα-τανομές της απόστασης άκρου-προς-άκρου, της γυροσκοπικής ακτίνας και της ασφαιρικότητας και τους χάρτες επαφών πρωτεΐνης–RNA. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η επίδραση του RNA δεν εξαρ-τάται γραμμικά από το μήκος του. Το κοντύτερο RNA τείνει να περιορίζει το εύρος των διαμορφώσε-ων, ενώ το μακρύτερο να το διευρύνει, με διαφοροποιήσεις ανάμεσα στις τρεις πρωτεΐνες. Οι κύριες θέσεις αλληλεπίδρασης βρίσκονται σε θετικά φορτισμένες, αδόμητες περιοχές, ενώ οι όξινες περιοχές συμμετέχουν ελάχιστα. Συνολικά, το RNA ανακατανέμει την πιθανότητα ανάμεσα σε διαμορφώσεις που είναι ήδη προσβάσιμες στην πρωτεΐνη.Item Open Access Προσδιορισμός του συντελεστή αυτοδιάχυσης για οργανικές ενώσεις ατμοσφαιρικής σημασίας(2026-10-13) Χαραμή, Κωνσταντίνα; Charami, KonstantinaΤα ατμοσφαιρικά αερολύματα επηρεάζουν σημαντικά τόσο το κλίμα του πλανήτη όσο και την ανθρώπινη υγεία. Στο κλίμα επιδρούν μέσω της αλληλεπίδρασής τους με την ηλιακή ακτινοβολία και του ρόλου τους ως πυρήνων συμπύκνωσης νεφών, ενώ στην υγεία κυρίως μέσω των λεπτόκοκκων σωματιδίων PM2.5. Το οργανικό κλάσμα μπορεί να ξεπερνά το 50% της μάζας των λεπτόκοκκων σωματιδίων. Σημαντικό μέρος του σχηματίζεται στην ατμόσφαιρα ως δευτερογενές οργανικό αερόλυμα (SOA), μέσω της οξείδωσης πτητικών οργανικών ενώσεων. Η κινητικότητα των μορίων στο εσωτερικό ενός σωματιδίου ποσοτικοποιείται μέσω του συντελεστή αυτοδιάχυσης D. Ο συντελεστής αυτός συνδέεται άμεσα με τη φυσική κατάσταση του σωματιδίου (υγρή, ημιστερεή ή υαλώδης) και επηρεάζει διεργασίες όπως η πρόσληψη νερού, η συμπύκνωση και η εξάτμιση. Παρά τη σημασία του, ο D είναι δύσκολο να προσδιοριστεί τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά, και τα διαθέσιμα δεδομένα για πολλές οργανικές ενώσεις ατμοσφαιρικής σημασίας παραμένουν περιορισμένα. Στην παρούσα εργασία υπολογίστηκε ο συντελεστής αυτοδιάχυσης τριών δομικά συγγενών μονοκαρβοξυλικών οξέων με κοινό σκελετό πέντε ατόμων άνθρακα: του πεντανοϊκού (βαλερικού) οξέος και των δύο παραγώγων του στη θέση 2, του 2-υδροξυπεντανοϊκού και του 2-οξοπεντανοϊκού οξέος. Οι τρεις ενώσεις διαφέρουν μόνο ως προς την ομάδα στη θέση 2 (–H, –OH, =O), οπότε μπορεί να απομονωθεί η επίδραση της λειτουργικής ομάδας από την επίδραση του μεγέθους του μορίου. Χρησιμοποιήθηκαν προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής (MD) σε καθαρή υγρή φάση, με το πεδίο δυνάμεων OPLS-AA, στο ισοθερμοβαρικό στατιστικό σύνολο NPT (θερμοστάτης Nosé–Hoover, βαροστάτης Parrinello–Rahman). Πριν από τον υπολογισμό του D επιβεβαιώθηκε ότι η διάχυση σε κάθε σύστημα ήταν κανονική (Fickian), με βάση την τοπική κλίση της καμπύλης log(MSD)–log(t). Στη συνέχεια ο D υπολογίστηκε από τη μέση τετραγωνική μετατόπιση (MSD) του κέντρου μάζας των μορίων, μέσω της σχέσης του Einstein. Για ενώσεις που δεν φτάνουν σε κανονική διάχυση στη θερμοκρασία αναφοράς, ο D υπολογίστηκε σε υψηλότερες θερμοκρασίες και η τιμή στους 298 K προσδιορίστηκε με προεκβολή Arrhenius. Οι πυκνότητες των προσομοιώσεων συμφωνούν με τις πειραματικές ή εκτιμώμενες τιμές με απόκλιση 1.5–2.9%, γεγονός που επιβεβαιώνει την προβλεπτική ικανότητα του πεδίου δυνάμεων. Αντίθετα, η εμπειρική σχέση Kuwata, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως στην επιστήμη των αερολυμάτων και εκτιμά την πυκνότητα μόνο από τους λόγους O:C και H:C, τείνει να την υπερεκτιμά κατά 10–20%. Στους 298.15 K υπολογίστηκε D = 2.17 × 10⁻⁶ cm²/s για το πεντανοϊκό οξύ και D = 2,02 × 10⁻⁷ cm²/s για το 2-οξοπεντανοϊκό οξύ. Το 2-υδροξυπεντανοϊκό οξύ έχει σημείο τήξης περίπου 307 K, οπότε στους 298 K βρίσκεται σε μετασταθή, υπέρψυκτη υγρή κατάσταση. Το σύστημα δεν έφτασε σε κανονική διάχυση ούτε μετά από 1000 ns, γι' αυτό η ένωση προσομοιώθηκε επιπλέον στους 320 Κ, 340 Κ και 360 K, όπου ο D κυμάνθηκε από 1.24 × 10⁻⁸ έως 2.98 × 10⁻⁷ cm²/s. Με προεκβολή Arrhenius (Eₐ = 76.2 ± 2.9 kJ/mol) η τιμή στους 298 K εκτιμήθηκε σε D ≈ 1.57 × 10⁻⁹ cm²/s και πρέπει να θεωρείται άνω όριο της πραγματικής τιμής. Η σχέση Arrhenius υποθέτει σταθερή ενέργεια ενεργοποίησης σε όλο το θερμοκρασιακό εύρος. Κοντά στο σημείο τήξης όμως, η ενέργεια ενεργοποίησης τείνει να αυξάνεται καθώς μειώνεται η θερμοκρασία, επειδή η κίνηση κάθε μορίου απαιτεί όλο και πιο συντονισμένη αναδιάταξη των γειτονικών του μορίων. Έτσι, η κινητικότητα μειώνεται ταχύτερα από ό,τι προβλέπει η σχέση Arrhenius (συμπεριφορά super-Arrhenius), και η προεκβολή από τις υψηλότερες θερμοκρασίες υπερεκτιμά τον D. Για τον λόγο αυτό, η τιμή του D στους 298 K που προκύπτει από την προεκβολή θεωρείται άνω όριο της πραγματικής τιμής. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με την ομόλογη σειρά των απλών μονοκαρβοξυλικών οξέων (προπιονικό, εξανοϊκό, νονανοϊκό οξύ). Στα οξέα αυτά η μείωση του D εξηγείται από την αύξηση του μοριακού βάρους και του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας. Η πυκνότητα και ο αριθμός των δεσμών υδρογόνου παραμένουν σχεδόν σταθεροί, ενώ ο λόγος O:C λειτουργεί μόνο ως έμμεσος δείκτης του μεγέθους του μορίου. Στα δύο παράγωγα, αντίθετα, το μήκος της ανθρακικής αλυσίδας του μορίου είναι ίδιο με του πεντανοϊκού οξέος και το μοριακό βάρος παρόμοιο. Παρ' όλα αυτά, η εισαγωγή μίας πολικής ομάδας μείωσε τον D περίπου δέκα φορές στην περίπτωση της καρβονυλομάδα και περίπου 1400 φορές στην περίπτωση της υδροξυλομάδας, σε τιμές χαμηλότερες ακόμη και από του νονανοϊκού οξέος. Η πολική ομάδα αυξάνει την πυκνότητα κατά περίπου 17% και στα δύο παράγωγα, γεγονός που εξηγεί τη μειωμένη κινητικότητά τους σε σχέση με το πεντανοϊκό οξύ. Τα δύο παράγωγα έχουν επίσης τον ίδιο λόγο O:C (0.60) και σχεδόν ίδια πυκνότητα, αλλά ο D τους διαφέρει κατά περίπου δύο τάξεις μεγέθους. Η διαφορά αυτή αποδίδεται στην ικανότητα σχηματισμού δεσμών υδρογόνου. Η κετονική ομάδα λειτουργεί μόνο ως δέκτης, ενώ η υδροξυλομάδα λειτουργεί και ως δότης και ως δέκτης. Έτσι το 2-υδροξυπεντανοϊκό οξύ σχηματίζει κατά μέσο όρο 1.49 δεσμούς υδρογόνου ανά μόριο, έναντι 0.77 για το 2-οξοπεντανοϊκό και περίπου 0.93 για το πεντανοϊκό οξύ. Στο 2-υδροξυπεντανοϊκό οξύ συμβάλλει επιπλέον το ότι η θερμοκρασία μελέτης βρίσκεται κάτω από το σημείο τήξης του. Η σύγκριση με περαιτέρω οξυγονωμένα οξέα από τη βιβλιογραφία (γαλακτικό, 5-οξοεξανοϊκό και 6-οξονονανοϊκό οξύ) επιβεβαίωσε τη γενικότητα των παραπάνω. Οι ενώσεις με υδροξυλομάδα εμφανίζουν σταθερά τους μικρότερους συντελεστές διάχυσης, ενώ στα κετο-οξέα η μείωση του D είναι εντονότερη όταν η καρβονυλομάδα βρίσκεται πλησίον στην καρβοξυλομάδα. Συμπεραίνεται ότι το μοριακό βάρος και ο λόγος O:C δεν επαρκούν από μόνα τους για την πρόβλεψη της μοριακής κινητικότητας. Σημασία δεν έχει μόνο η ποσότητα του οξυγόνου, αλλά κυρίως ο ρόλος του στο δίκτυο δεσμών υδρογόνου. Κατά συνέπεια, μοντέλα που παραμετροποιούν την κινητικότητα των οργανικών συστατικών των SOA με βάση το μοριακό βάρος ή τη στοιχειακή σύσταση ενδέχεται να υποεκτιμούν την επίδραση συγκεκριμένων λειτουργικών ομάδων. Οι κύριοι περιορισμοί της εργασίας είναι δύο : ο D του 2-υδροξυπεντανοϊκού οξέος στους 298 K προέκυψε με προεκβολή και οι ενώσεις μελετήθηκαν σε καθαρή μορφή, η οποία δεν αντικατοπτρίζει άμεσα την πολυπλοκότητα των πραγματικών ατμοσφαιρικών αερολυμάτων. Για μελλοντική έρευνα προτείνονται προσομοιώσεις μειγμάτων με νερό, η μελέτη άλλων λειτουργικών ομάδων στον ίδιο ανθρακικό σκελετό και η πειραματική επικύρωση των υπολογισμένων τιμών.Item Open Access Hydrogen conversion of a marine internal combustion engine : combustion and tribological analysis(2026-10-15) Γαλατσίδας, Παναγιώτης; Galatsidas, PanagiotisOver the last five years, the maritime sector has undergone major advancements in its approach to adopting alternative fuel options to power its global fleets. The introduction of stricter IMO rules for greenhouse gas emissions, coupled with the increasing eco-conscious agenda among industry peers, pushes the narrative of a greener marine propulsion future. Incorporating propulsion strategies centered on pure hydrogen presents its advantages as an ultimate zero emission candidate. Further evaluation of its feasibility and potential for mass adoption is needed within the array of fuel options available. Hydrogen Internal Combustion Engines, or in short H2ICEs, leverage existing IC infrastructure and are viewed as a cost-effective solution for immediate decarbonization of the field. One major merit justifying additional maritime research is mainly related to the ship’s storage capacity to accommodate the larger volumes mandated by hydrogen’s low volumetric energy density, compared to that of other land-based options like passenger cars or heavy duty vehicles. Specifically, large medium-speed engine options found in Ro-Pax ferries or cruise liners stand out as the most promising platform to run on 100% H2, because they operate on fixed routes between specific ports without needing to carry months of fuel, and could refuel more regularly and by extension reliably. In this study, the four-stroke, single-acting, medium-speed marine engine MAN 48/60B is simulated in ANSYS Forte under two fuel conditions, 100% diesel and 100% hydrogen. Later, its first piston ring is analyzed tribologically in ANSYS Fluent for both cases. As its name suggests it has a 480 mm bore and 600 mm stroke. The engine runs at 100% load, or MCR, with a specific fuel oil consumption of 186 g/kWh. The diesel setup relies on direct injection and compression ignition, whereas hydrogen is strategically switched to spark ignition. MAN B&W 48/60B operates at a rated speed of 514 RPM. It features improved fuel efficiency and a 14% increase in specific power output, specifically 1,200 kW/cylinder. Optimized for the purpose of limiting soot and nitrogen oxide emissions. To support this performance, it utilizes a Miller combustion cycle with IVC and EVO being -203° and +117° ATDC respectively, an elevated compression ratio equal to 15.3:1, and a double turbocharging system. The maximum cylinder pressure, also known as firing pressure, is in the range of 190-200 bar, and moreover the fuel injection pressure is specified at 1,600 bar. Mean piston speed is calculated at 10.28 m/s. The mechanism by which the fuel is delivered relies on a cam-driven jerk pump system with a single central injector. So, the computational mesh is simplified leveraging the combustion chamber’s periodic symmetry. As literature indicates for the part MAN 4860B22104M the nozzle is configured with 14 holes, at a total included spray angle of 162°. For the first part, the research aims to calibrate the ANSYS Forte diesel model utilizing engine specifications, and by extension combustion data. Extensive parametric runs are needed to validate the diesel variant. Afterwards, the hydrogen case is merely established on simulation data retrieved from the baseline model, with few proper adjustments. Due to the engine’s large bore and stroke, computational resources and simulation time are critical parameters to consider, despite the closed-cycle nature of the system. In this context, the principle of geometric similarity in marine engines is introduced, achieving a reduction of the cylinder dimensions to one third of their original size. P-law methodology is selected, thus, MAN 48/60B engine is proportionally scaled down to a 16 cm bore, 20 cm stroke. In particular, this scaling principle dictates that Mean Piston Speed and Injection Pressure should be maintained invariant. Therefore, in order to achieve this, it is necessary to triple the engine rotational speed to N=1,542 RPM, from the initial value of N=514 RPM. In the baseline diesel run, the 1/3 compression ignition scaled model has a bore of 160 mm, a displacement of 4,021 cm^3, a compression ratio of CR=15.30. The downscaled engine burns per cycle 0.536 g of n-heptane, with physical properties of n-dodecane, and a lower heating value of LHV=44.23 kJ/g. Now, the full scale engine has a Gross Indicated Power of 1,175.4 kW, Gross Indicated Work of 274.5 kJ, and IMEP of 2.528 MPa. Furthermore, Gross Indicated Thermal Efficiency is equal to 42.88% and combustion is complete. The peak of firing pressure is at 286.2 bar and the mean temperature peak stands at 1,592.6 K. The maximum pressure rise rate is 2.10 MPa/° CA. These results are attributed to the ignition delay that follows the P-law speed scaling. Of the 651.3 kJ of chemical energy released, 130.1 kJ or about 20% is transferred to the walls. The exhaust composition is quantified by a NOX emission index of 134.0 g/kg_fuel, an emission index for CO of 0.082g/kg_fuel and low emission indices for UHC and soot, 0.052 g/kg_fuel and 0.025 g/kg_fuel correspondingly. In the hydrogen variant, the same geometry is employed as a lean spark-ignition platform with an air excess ratio of λ=2.5. The consumption rate per cycle is 0.197 g with a lower heating value of LHV=120 kJ/g. This fuel variant for the full-scale engine version increases the Gross Indicated Power to 1,271.7 kW and a Gross Indicated Work of 296.8 kJ. More importantly, the Gross Indicated Thermal Efficiency corresponds to 46.50%. Regardless of the increased power output, the mechanical loading of the piston ring pack is significantly reduced. Specifically, pressure peak drops to 224.4 bar and happens later at 14° ATDC, whilst the maximum pressure rise rate is 0.52 MPa/° CA, about one quarter of the diesel value. The hydrogen pressure trace shows two combustion peaks, a first around 14° ATDC that corresponds to the end of the main premixed combustion. And a second lower shoulder peak around 20° ATDC, where lean hydrogen that is pushed out of the squish and crevice areas repressurizes the cylinder as the piston is moving down, burning late. The mean temperature rises higher at around 1,900 K, as befits the quick premixed heat release. For the purpose of the tribological work, the combustion is virtually clean. The NOX emission index is reduced by 97% and all the other exhaust emissions are completely eliminated. The tribological performance of the top piston ring/cylinder liner, or PRCL configuration of the downscaled model was the subject of a quasi-2-D investigation. This was performed via a combined approach of an analytical mixed-lubrication model with CFD cross validation. In detail, 1-D Reynolds equation, solved under the half-Sommerfeld condition for the hydrodynamic pressure, was coupled with the Greenwood-Tripp asperity contact model. Afterwards, it was validated with a thin-film CFD model developed in ANSYS Fluent. The simulation included a single-phase lubricant, SAE-40 grade oil under isothermal conditions at 120℃. It features a density and a dynamic viscosity of ρ=815 kg/m^3 and η=0.0061 Pa⋅s respectively. The top piston ring was represented by a parabolic profile, assigned a composite surface roughness of σ=0.25 μm, an elastic tension of p_el=0.30 MPa and a boundary friction coefficient of μ_b=0.17. Four characteristic crank angles were chosen for each fuel variant, specifically -45° ATDC, the firing pressure peak +4° ATDC for diesel and +14° ATDC for hydrogen, and +30° ATDC,+75° ATDC where the piston’s velocity is increasing markedly. The instantaneous cylinder pressure at each of the aforementioned CAs was extracted directly from the thermodynamic output of Ansys Forte. Excluding the crank angles near the TDC, only at the other three hydrodynamic stations was the CFD method applied and agreed with the analytical one within an 8.3% deviation. That is because at TDC the ring velocity is equal to zero, the oil film is thinning and the Ansys Fluent model does not account for asperity to asperity contacts. Hence, calculations from the analytical model are more accurate. To be more specific, the equilibrium of the force balance was closed with an error far below 0.1%. Scaled to full engine size by a factor of three accounting for the circumference, and the need to simulate a physically realistic ring by maintaining the axial ring height, the minimum film thickness at firing pressure CAs, rises from h_min= 0.103 μm for diesel to h_min= 0.273 μm for hydrogen. The hydrodynamic load share remains unchanged, W_h=266 kN against W_h=254 kN. This highlights the tribological advantages of operating on hydrogen at the hydrodynamic stations. Yet, as far as the calculation of the total ring friction force is concerned the 200 bar rated diesel engine performs better than hydrogen at every specific crank angle.Item Open Access Ενεργειακές εφαρμογές βιοανθρακωμάτων : βιοανθρακώματα από καφέ και ελαιοπυρήνα(2026-02-25) Ράπτη, Σοφία; Rapti, SofiaΤα τελευταία χρόνια, οι έρευνες για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχουν αυξηθεί δραματικά λόγω της εξάντλησης των συμβατικών πηγών ενέργειας και της καταπολέμησης της ρύπανσης του περιβάλλοντος. Η ευρεία χρήση τους όμως εμποδίζεται λόγω του κόστους, των περιόδων έλλειψης τους αλλά και την αδυναμία των δικτύων μεταφοράς ενέργειας να μεταφέρουν κατευθείαν την παραγόμενη ενέργεια. Για τον λόγο αυτό, σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη συσκευών αποθήκευσης ενέργειας και πιο συγκεκριμένα των υπερπυκνωτών. Οι υπερπυκνωτές, οι οποίοι είναι πυκνωτές υψηλής χωρητικότητας αλλά με χαμηλότερα όρια τάσης, μπορούν να αποθηκεύουν και να παρέχουν ενέργεια με πολύ γρήγορο ρυθμό προσφέροντας υψηλό ρεύμα σε σύντομο χρονικό διάστημα. Για τα ηλεκτρόδια υπερπυκνωτών και άλλων ενεργειακών συσκευών έχουν μελετηθεί πορώδη υλικά άνθρακα όπως το εμπορικό carbon black. Ωστόσο, η χρήση και η παραγωγή αυτών των υλικών συνεπάγεται και με μεγάλη παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα που τα καθιστούν επιβλαβή για το περιβάλλον. Για αυτό στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετώνται τα βιοανθρακώματα από βιομάζα και συγκεκριμένα από καφέ και ελαιοπυρήνα (που είχε προηγουμένως χρησιμοποιηθεί για παραγωγή βιοαερίου), ως εναλλακτικά υλικά για την παρασκευή ηλεκτροδίων. Ο χαρακτηρισμός της δομής των βιοανθρακωμάτων έδειξε το μεγάλο ποσοστό τους σε άνθρακα και οξυγόνο αλλά και πιο συγκεκριμένα σε sp2-υβριδισμένο άνθρακα, που σχετίζεται με την ηλεκτρική αγωγιμότητα τους. Τα πειράματα που διεξάχθηκαν για τα δύο υλικά και για το carbon black είχαν ως σκοπό την σύγκριση τους με το εμπορικό προϊόν ώστε να μελετηθεί αν όντως αποτελούν εναλλακτική λύση. Αποδείχθηκε ότι τα βιοανθρακώματα παρουσιάζουν καλύτερη ηλεκτροκαταλυτική συμπεριφορά από το carbon black, πράγμα που καθιστά την χρήση τους σε ενεργειακές εφαρμογές, όπως οι μπαταρίες μετάλλου-αέρα, κατάλληλη. Επιπλέον, η μέτρηση της αντίστασης τους στην διέλευση ηλεκτρικού φορτίου αποδείχθηκε στην περίπτωση του καφέ μικρότερη του carbon black και στην περίπτωση του ελαιοπυρήνα σχεδόν ίση με του carbon black. Επιπλέον, κατασκευάστηκε μία συσκευή, με πρότυπο έναν EDLC υπερπυκνωτή, αποτελούμενη από δύο φύλλα INOX, δύο ηλεκτρόδια ίδιου υλικού, δύο φύλλα Vettex εμποτισμένα με ισχυρό ηλεκτρολύτη και μία μεμβράνη ανταλλαγής ιόντων. Μετρήθηκε η ειδική χωρητικότητα των δύο βιοανθρακώματα και του carbon black. Τα αποτελέσματα στην περίπτωση των βιοανθρακωμάτων αποδείχθηκαν καθαρώς ανώτερα από αυτά του carbon black, με την ειδική χωρητικότητα στην περίπτωση του καφέ να υπολογίζεται στα 168.45 m2gr-1 και 90.85 m2gr-1 στην περίπτωση του ελαιοπυρήνα ενώ το carbon black εμφάνισε ειδική χωρητικότητα μόλις στα 10.86 m2gr-1. Τέλος, έπρεπε να αποδειχθεί ότι η συσκευή που μελετήσαμε λειτουργούσε όντως ως υπερπυκνωτής. Μέσα από μια σειρά πειραμάτων αποδείχθηκε ότι η ένταση του ρεύματος είναι ανάλογη της ταχύτητας σάρωσης (χαρακτηριστικό των υπερπυκνωτών). Επιπλέον, αποδείχθηκε και η κυκλική σταθερότητα της συσκευής, δηλαδή η δυνατότητα της να διατηρεί την χωρητικότητα της μετά από επαναλαμβανόμενους κύκλους.Item Open Access Effect of hydrogen energy substitution on combustion, emissions and first compression ring tribology of a marine diesel–hydrogen dual-fuel engine(2026-10-14) Μπασιάκος, Παναγιώτης; Basiakos, PanagiotisThe maritime sector is under increasing pressure to reduce greenhouse-gas (GHG) emissions and its dependence on conventional fossil fuels. Hydrogen is considered a promising alternative energy carrier because it contains no carbon and can be introduced into existing compression-ignition engines through dual-fuel operation. However, hydrogen substitution affects not only combustion and emissions, but also the mechanical and tribological loading of engine components. The present study investigates these combined effects in a Caterpillar C32 Marine ACERT diesel engine. A coupled computational methodology was developed using ANSYS Forte, Microsoft Excel and ANSYS Fluent. Four operating cases were examined: baseline diesel operation and diesel–hydrogen dual-fuel operation with 20%, 30% and 50% hydrogen energy substitution. The total nominal fuel energy per cycle was maintained constant between the investigated cases. The combustion simulations were performed in ANSYS Forte at 1800 rpm, with hydrogen introduced as a premixed component of the intake charge and diesel directly injected into the cylinder. In the dual-fuel cases, the diesel start of injection was changed from −8°CA to −6°CA. The combustion results showed that increasing hydrogen substitution significantly changed the in-cylinder process. The maximum cylinder pressure increased from approximately 18.83 MPa for the baseline diesel case to 25.05 MPa for the DF 50% H₂ case, while the crank angle of peak pressure shifted from approximately +10°CA to +5°CA. The maximum mean in-cylinder temperature increased from approximately 1877 K to 2316 K, while the apparent heat-release rate became substantially faster and more concentrated near top dead center. Hydrogen substitution strongly reduced soot and unburned hydrocarbon emissions, while carbon monoxide was also reduced at the higher substitution levels. In contrast, nitrogen-oxide emissions increased significantly, with the highest EINOₓ value obtained for the DF 50% H₂ case. The combustion results were subsequently transferred to a tribological model of the first compression ring. Ring kinematics and radial loading were calculated in Microsoft Excel, while a two-dimensional thermal lubricant-film model was developed in ANSYS Fluent using temperature-dependent lubricant viscosity and viscous heating. Asperity contact was evaluated using the Greenwood–Tripp model. Four characteristic crank-angle positions were examined for each fuel case, resulting in sixteen quasi-static tribological operating points. The minimum lubricant-film thickness was determined through an iterative load-balance procedure between the applied ring load, the hydrodynamic load and the asperity-contact load. At peak cylinder pressure, the total radial ring load increased from approximately 72.6 kN/m for the baseline diesel case to 96.4 kN/m for the DF 50% H₂ case. At the same time, the minimum lubricant-film thickness decreased from approximately 0.165 μm to 0.107 μm, while the film parameter, Λ, decreased from approximately 0.413 to 0.267. Overall, the results demonstrate a clear trade-off associated with hydrogen substitution. Hydrogen can strongly reduce soot and other carbon-based emissions, but high substitution levels increase combustion pressure, temperature and NOₓ formation and result in more severe first compression-ring lubrication conditions. Therefore, the application of hydrogen in marine diesel engines should be evaluated through an integrated consideration of combustion, emissions and tribological behavior.Item Open Access Επιφανειακή τροποποίηση εμπορικων προϊόντων κυτταρίνης με πλάσμα αργού(2026-10-13) Στέφας, Παναγιώτης; Stefas, PanagiotisΗ τεχνολογία πλάσματος αναδεικνύεται τα τελευταία χρόνια ως μία πολλά υποσχόμενη μέθοδος επεξεργασίας υλικών, καθώς επιτρέπει τη στοχευμένη τροποποίηση και βελτίωση των επιφανειακών τους ιδιοτήτων χωρίς να απαιτείται εκτεταμένη θερμική ή χημική επεξεργασία. Συγκεκριμένα το ατμοσφαιρικό ψυχρό πλάσμα μπορεί να εφαρμοστεί γρήγορα, με σχετικά χαμηλή κατανάλωση υλικών και περιορισμένη χρήση χημικών αντιδραστηρίων, καθιστώντας δυνατές περιβαλλοντικά φιλικότερες βιομηχανικές διεργασίες. Παράλληλα, η συνεχής αύξηση της παραγωγής και της κατανάλωσης προϊόντων μίας χρήσης καθιστά ολοένα και πιο επιτακτική την ανάγκη για αποτελεσματικότερη ανακύκλωση και αξιοποίηση των παραγόμενων αποβλήτων. Η επαναχρησιμοποίηση πολύτιμων φυσικών πόρων και ο περιορισμός της περιβαλλοντικής ρύπανσης αποτελούν λοιπόν βασικές προϋποθέσεις για τη μετάβαση σε ένα περισσότερο βιώσιμο και κυκλικό μοντέλο παραγωγής. Η παρούσα διπλωματική εργασία εντάσσεται σε αυτό το πλαίσιο, διερευνώντας τη δυνατότητα επιφανειακής τροποποίησης εμπορικών προϊόντων κυτταρίνης με ατμοσφαιρικό πλάσμα αργού. Ως πειραματικά υλικά χρησιμοποιήθηκαν εμπορικά διαθέσιμα πιάτα (δείγματα Α) και μαχαίρια (δείγματα Β) μίας χρήσης με βάση την κυτταρίνη, τα οποία αντιπροσωπεύουν προϊόντα ευρείας κατανάλωσης και παρουσιάζουν άμεσο ενδιαφέρον ως προς τη διαχείρισή τους μετά τη χρήση. Κύριος στόχος της εργασίας ήταν η αύξηση της υδροφιλικότητας της επιφάνειας των υλικών, ώστε να διευκολύνεται η αλληλεπίδρασή τους με το νερό και, δυνητικά, με το υδατικό και μικροβιακό περιβάλλον στο οποίο πραγματοποιούνται οι διεργασίες βιοαποικοδόμησης. Κατά το πειραματικό μέρος εξετάστηκε συστηματικά η επίδραση βασικών παραμέτρων της επεξεργασίας, όπως η ισχύς του πλάσματος, η παροχή του αργού, η απόσταση από τον πίδακα και η χωρική κατανομή της επεξεργασίας. Η αποτελεσματικότητα της επιφανειακής τροποποίησης αξιολογήθηκε κυρίως μέσω μετρήσεων της γωνίας επαφής του νερού. Τα ακατέργαστα δείγματα Α εμφάνισαν αρχική γωνία επαφής περίπου 127°, γεγονός που υποδηλώνει έντονα υδρόφοβη επιφανειακή συμπεριφορά. Μετά την επεξεργασία με πλάσμα παρατηρήθηκε σημαντική μείωση της γωνίας επαφής, η οποία σε ορισμένες συνθήκες έφτασε το μηδέν, παρουσιάζοντας σχεδόν πλήρη εξάπλωση της σταγόνας και δείχνοντας ουσιαστικά πως υπήρξε έντονη βελτίωση της διαβρεξιμότητας της επιφάνειας. Από τη συγκριτική αξιολόγηση των παραμέτρων επιλέχθηκε ως καταλληλότερος συνδυασμός η ισχύς των 20 W, η παροχή αργού 2 L/min και χρόνος επεξεργασίας 10 s ανά σημείο. Η επιλογή αυτή εξασφάλισε αξιόλογη επιφανειακή ενεργοποίηση με σχετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και αερίου, ενώ εφαρμόστηκε και στα δείγματα Β προκειμένου να εξεταστεί η δυνατότητα μεταφοράς της μεθόδου σε προϊόν διαφορετικής γεωμετρίας. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές χωρικής ομοιομορφίας της υδροφιλικότητας, γήρανσής της και μετρήσεις πρόσληψης νερού, καθώς και φασματοσκοπική ανάλυση ATR-FTIR πριν και μετά την επεξεργασία, με σκοπό να μελετηθεί η επιφανειακή τροποποίηση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η επίδραση του πλάσματος είναι εντονότερη στην περιοχή άμεσης έκθεσης στον πίδακα και μειώνεται με την απόσταση, γεγονός που καθιστά απαραίτητη την επικάλυψη διαδοχικών, κοντινών θέσεων κατά την επεξεργασία μεγαλύτερων ή επιφανειών με ιδιαίτερη γεωμετρία. Οι δοκιμές γήρανσης έδειξαν ότι μέρος της αυξημένης υδροφιλικότητας διατηρείται με την πάροδο του χρόνου, παρότι παρατηρήθηκαν φαινόμενα γήρανσης και η τάση να ανακτά την αρχική του γωνία επαφής με το νερό. Η αυξημένη ποσοστιαία πρόσληψη νερού και διόγκωση των κατεργασμένων δοκιμίων υποδηλώνουν αποτελεσματικότερη αλληλεπίδραση του υλικού με το υδατικό περιβάλλον. Συνολικά, τα ευρήματα υποστηρίζουν ότι το ατμοσφαιρικό πλάσμα αργού μπορεί να αυξήσει ουσιαστικά τη διαβρεξιμότητα εμπορικών προϊόντων κυτταρίνης με σύντομη και ελεγχόμενη επεξεργασία. Η βελτιωμένη επαφή με το νερό φάνηκε να διευκολύνει και τη διείσδυση της υγρασίας και την πρόσβαση μικροοργανισμών στο υλικό, δημιουργώντας ευνοϊκότερες προϋποθέσεις για την έναρξη και την εξέλιξη της βιοαποικοδόμησης. Η επίδραση της επεξεργασίας στον ρυθμό και στον βαθμό βιοαποδόμησης επιβεβαιώνεται και από τις σχετικές δοκιμές μεθανογένεσης. Η παρούσα εργασία λοιπόν, ευθυγραμμίζεται με τους στόχους της βιώσιμης διαχείρισης αποβλήτων, καθώς προτείνει μία ήπια μέθοδο προεπεξεργασίας που μπορεί να συμβάλει στην αποτελεσματικότερη βιολογική αξιοποίηση κυτταρινικών προϊόντων, στον περιορισμό της απόρριψής, την ανακύκλωσή τους και στη διατήρηση πολύτιμων φυσικών πόρων στο πλαίσιο της κυκλικής οικονομίας.Item Open Access Μελέτη βιοανθρακωμάτων από φλοιό φυστικιού Αιγίνης και οι ενεργειακές τους εφαρμογές(2026-10-13) Μπενίογλου, Παναγιώτης; Benioglou, PanagiotisΤα τελευταία χρόνια έχει αυξηθεί το ενδιαφέρον για την αξιοποίηση εναλλακτικών πρώτων υλών σε ενεργειακές εφαρμογές, με στόχο τη μείωση της εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα και τον περιορισμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Στο πλαίσιο αυτό, σημαντικό ενδιαφέρον παρουσιάζει η αξιοποίηση της βιομάζας και ιδιαίτερα των φυτικών και γεωργικών υπολειμμάτων. Υλικά τα οποία συνήθως θεωρούνται απόβλητα μπορούν, μέσω κατάλληλης επεξεργασίας, να μετατραπούν σε ανθρακούχα υλικά και να αποκτήσουν νέες δυνατότητες αξιοποίησης, μεταξύ άλλων και σε εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας. Η αποθήκευση ενέργειας αποτελεί επίσης κρίσιμο ζήτημα στη σύγχρονη ενεργειακή τεχνολογία, με τους υπερπυκνωτές (supercapacitors) να αποτελούν μία από τις πλέον καθιερωμένες και ευρέως χρησιμοποιούμενες μεθόδους. Στο πλαίσιο της αναζήτησης βιώσιμων και φιλικών προς το περιβάλλον υλικών, το ενδιαφέρον στρέφεται προς την αντικατάσταση των συμβατικών ανθρακούχων υλικών με εναλλακτικά υλικά βιολογικής προέλευσης, όπως το biochar. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης biochar ως υλικού ηλεκτροδίων σε υπερπυκνωτές, με στόχο την ανάπτυξη αποδοτικών, χαμηλού κόστους και περιβαλλοντικά βιώσιμων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας. Τα δείγματα biochar που χρησιμοποιήθηκαν παρασκευάστηκαν από βιομάζα προερχόμενη από φλοιούς φιστικιών Αιγίνης. Η παρασκευή έγινε μέσω της διαδικασίας της πυρόλυσης υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Στη συνέχεια, τα παραγόμενα υλικά υποβλήθηκαν σε χημική ενεργοποίηση με χρήση υδροξειδίου του καλίου (KOH), με στόχο την ανάπτυξη πορώδους δομής και την αύξηση της ειδικής επιφάνειας και κατ' επέκταση την αύξηση της αγωγιμότητας. Πραγματοποιήθηκε ο προσδιορισμός της ειδικής χωρητικότητας υπερπυκνωτή που κατασκευάστηκε με χρήση ενεργοποιημένου biochar ως υλικού ηλεκτροδίων, μέσω της μεθόδου της χρονοποτενσιομετρίας. Στην περίπτωση του biochar από ενεργοποιημένο φλοιό υπολογίστηκε Cm=187.8 F g-1. Για την περίπτωση αυτή βρέθηκε και σχετικά μεγάλος χρόνος αποφόρτισης που φτάνει τα t=2275 s. Στο πλαίσιο της μελέτης πραγματοποιήθηκαν πειράματα ηλεκτροχημικής εμπέδησης (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS), με σκοπό τη διερεύνηση της αντίστασης στη μεταφορά φορτίου του συστήματος. Βρέθηκε στη περίπτωση του ενεργοποιημένου φλοιού, Rct=3.53 KΩ ,μικρότερη τιμή άρα και καλύτερη ηλεκτροχημική συμπεριφορά από τα υπόλοιπα υλικά που μελετήθηκαν. Εκτελέστηκαν επίσης ,πειράματα γραμμικής σάρωσης δυναμικού (Linear Sweep Voltammetry, LSV) τόσο για διεργασίες οξείδωσης όσο και αναγωγής, με στόχο τη διερεύνηση της ηλεκτροχημικής συμπεριφοράς των υλικών. Προκύπτει ότι το ενεργοποιημένο biochar εμφανίζει υψηλότερες τιμές ρεύματος και εντονότερη ηλεκτροχημική απόκριση σε σχέση με το μη ενεργοποιημένο δείγμα και το carbon black, τόσο στην περιοχή οξείδωσης όσο και στην περιοχή αναγωγής. Με αφορμή τα πειράματα LSV έγινε και η μελέτη της ηλεκτροχημικής οξείδωσης αλκοολών, με στόχο την αξιολόγηση της πιθανής ηλεκτροκαταλυτικής συμπεριφοράς των υλικών biochar. Παρατηρήθηκε ότι το ηλεκτρόδιο biochar στις συγκεκριμένες πειραματικές συνθήκες δεν αποτέλεσε ηλεκτροκαταλυτική συμπεριφορά. Τέλος, μελετήθηκε η ηλεκτροχημική απόκριση ενός απλού κελιού με χρήση biochar και αιθανόλης. Η περιεκτικότητα σε αιθανόλη δεν παρουσίασε σαφή συστηματική επίδραση, ενώ η αύξηση του βήμα-τος δυναμικού οδήγησε σε σημαντική αύξηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης (Isc), γεγονός που συνδέθηκε με χωρητικά φαινόμενα.Item Open Access Mechanics and dynamics of Chignolin(2026-10-12) Γουσγουνέλης, Ανδρέας; Gousgounelis, AndreasChignolin is a designed ten-residue mini-protein (GYDPETGTWG) that forms a β-hairpin-like structure in water. Its small size does not make its conformational behavior trivial. Folded, partially folded and nonnative structures can all be sampled. This combination has made chignolin a useful model for moleculardynamics studies of protein folding. Here, nine cyclic mutations of its sequence are compared with wildtype (WT) chignolin to examine how residue order shapes the accessible conformational ensemble. The simulations had been completed before the start of this thesis, the work reported here concerns trajectory processing and analysis. The initial comparison used Root-Mean-Square Deviation (RMSD), RootMean-Square Fluctuation (RMSF), radius of gyration (Rg) and Dictionary of Secondary Structure of Proteins (DSSP) to describe structural displacement, local mobility, compactness and secondary structure. Global tICA maps and system-specific free-energy landscapes then showed where WT and the mutants sampled the same structural space and where their distributions diverged. A pooled MSM was explored as a diagnostic, but its implied timescales did not converge well enough to support a joint kinetic interpretation. Kinetic modeling was consequently confined to the eight WT trajectories. Their validated MSM contained three metastable states, with State 3 accounting for about 96% of the WT population. This dominant state had the lowest structural deviation, the greatest preservation of native contacts and the largest β-structure contribution. The rest of the states were rare alternatives. A balanced VAMPNet model supplied a nonlinear coordinate for cross-system comparison. Mutant distance from WT was quantified with a structural reference built only from WT data. Frames inside its supported region were labelled WT-compatible and those outside it Novel. The Novel fraction varied widely, from roughly 25% to 74%. The frames that remained WT-compatible also occupied that region in different proportions from WT, as shown by bootstrap Jensen-Shannon distances. The pooled Novel frames formed three reproducible structural basins rather than one diffuse non-WT ensemble. The response to the mutations was not a uniform loss of stability. Generally, residue order redistributed population among native-like conformations, WT-compatible alternatives and three recurrent non-WT families, including an expanded, contact-poor basin.
