Ηχοχημική τροποποίηση πολυμερών υλικών με  σκοπό την βιοκαταλυτική τους αποδόμηση

Καλογήρου, Χαραλαμπία Σταματία; Kalogirou, Charalampia Stamatia

dc.contributor.author	Καλογήρου, Χαραλαμπία Σταματία	el
dc.contributor.author	Kalogirou, Charalampia Stamatia	en
dc.date.accessioned	2022-03-01T13:28:21Z
dc.date.available	2022-03-01T13:28:21Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54888
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22586
dc.rights	Default License
dc.subject	Ηχοχημεία	el
dc.subject	Φωτοκατάλυση	el
dc.subject	Βιοαποδόμηση	el
dc.subject	Πολυγαλακτικό οξύ	el
dc.subject	Φασματοσκοπία	el
dc.subject	Photochemistry	el
dc.subject	Sonochemistry	en
dc.subject	PLA	en
dc.subject	Biodegradation	en
dc.subject	XPS	en
dc.title	Ηχοχημική τροποποίηση πολυμερών υλικών με σκοπό την βιοκαταλυτική τους αποδόμηση	el
dc.title	Sonochemical modification of polymers for the their biocatalytic degradation	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Chemical Engineering	en
heal.language	en
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-07-05
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την επεξεργασία δειγμάτων πολυγαλακτικου οξέος (PLA) με τη χρήση διαφόρων διεργασιών οξείδωσης με σκοπό την τροποποίηση της επιφάνειας τους με τετοιο τρόπο ώστε να ευνοείται η προσκόλληση ενζύμων ή βακτηρίων με περαιτέρω σκοπό την βιοαποδόμηση τους. Τα πλαστικά είναι ανθεκτικά στη μικροβιακή επεξεργασία και επιπλέον δεν υπάρχουν ενζυματικές δομές στη φύση ικανές να αποικοδομήσουν συνθετικά πολυμερή. Για το λόγο αυτό, η βιοαποικοδόμηση των πολυμερών εστιάζεται κυρίως στην αλλαγή της επιφάνειας των πολυμερών, ενισχύοντας έτσι τη μικροβιακή πρόσφυση. Επομένως, οι προεπεξεργασίες των επιφανειών του πολυμερούς θεωρούνται απαραίτητες για μια αποτελεσματική μικροβιακή πρόσφυση. Το πρώτο μέρος της εργασίας αποτελείται απο το θεωρητικό μέρος και αφορά στη βιβλιογραφική προσέγγιση του θέματος. Στο δεύτερο μέρος περιγράφονται οι μέθοδοι προετοιμασίας και επεξεργασίας των δειγάτων του PLA. Πιο συγκεκριμένα η επεξεργασία των δειγμάτων έγινε με τη χρήση Ηχοχημείας, Φωτοχημείας καθώς και με τον συνδυασμό των δύο μεθόδων. Η επιφάνεια των δειγμάτων επεξεργάστηκε μέσω υπερήχων στα 20 kHz και 860 kHz και υπό ακτινοβολία UVA 66W. Οι αντιδραστήρες που χρησιμοποιήθηκαν για αυτές τις επιφανειακές επεξεργασίες ήταν είτε εμπορικοί είτε κατασκευασμένοι στο εργαστήριο. Τέλος, ο χαρακτηρισμός των επιφανειών έγινε με Infrared Spectroscopy (IR), Atomic Force Microscope (AFM), Drop Contact Angle (DCA), Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) και X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), τα αποτελεσματα των οποίων αναλύονται στο τρίτο μέρος της διπλωματικής εργασιας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα όλων των παραπάνω μεθόδων χαρακτηρισμού αναφέρεται ότι όλες οι μέθοδοι προεπεξεργασίας επηρεάζουν την επιφάνεια των δειγμάτων PLA. Τόσο οι υψηλές όσο και οι χαμηλές συχνότητες υπερήχων αλλά και η ακτινοβολία UVA προκαλούν αλλαγές στην επιφάνεια των δειγμάτων. Λόγω αυτών, οι επιφανειακές ιδιότητες αλλάζουν σπάζοντας τους δεσμούς οξυγόνου στον σκελετό του πολυμερούς και μειώνοντας έτσι την περιεκτικότητα οξυγόνου του πολυμερούς. Αν και όλες οι μέθοδοι επηρεάζουν τα δείγματα, μερικές από αυτές επηρεάζουν περισσότερο και μερικές λιγότερο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του FTIR, η συγκέντρωση των δραστικών επιφανειακών ομάδων είναι αυτή που αλλάζει ανάλογα με τη μέθοδο επεξεργασίας και τη διάρκεια του πειράματος και όχι οι χαρακτηριστικές κορυφές. Η διαφορά στις εντάσεις των κορυφών υποδηλώνει μια αλλαγή συγκέντρωσης των λειτουργικών ομάδων, η οποία επιβεβαιώνεται επίσης από τα αποτελέσματα XPS. Οι υπέρηχοι στα 860 KHz επηρεάζουν περισσότερο την επιφανειακή μορφολογία αυξάνοντας την τραχύτητα του δείγματος σε σύγκριση με τη χρήση υπερήχων στα 20 kHz ή της UVA ακτινοβολίας. Αυτό θα μπορούσε να οφείλεται στο γεγονός ότι δημιουργούνται περισσότερες μικροφυσαλίδες όταν χρησιμοποιούνται οι υπέρηχοι υψηλής συχνότητας σε σύγκριση με τον αριθμό μικροφυσαλίδων που δημιουργούνται στα 20 kHz, οπότε φαίνεται να έχει έντονη ταλαντωτική συμπεριφορά που καθαρίζει και αλλάζει την επιφάνεια του δείγματος. Ο λόγος C / O αυξάνεται και στις δύο μεθόδους υπερήχων με υψηλότερη επίδραση στα 860 kHz. Η υπεριώδης ακτινοβολία UV είναι πιο ενεργή από τις μεθόδους δύο υπερήχων για την de-oxidation της επιφάνειας PLA. Παρόλο που αναμενόταν ότι ο συνδυασμός υπερήχων και ακτινοβολίας UVA θα επηρέαζε περισσότερο την επιφάνεια των δειγμάτων, αυτό δεν φάνηκε να συμβαίνει από τα αποτελέσματα των μεθόδων χαρακτηρισμού, καθώς η αλλαγή στην αναλογία C / O είναι μικρότερη σε σύγκριση με την υπεριώδη προ-επεξεργασία. Ο λόγος για αυτό θα μπορούσε να είναι είτε η ελάττωση της έντασης UV λόγω του σχηματισμού φυσαλίδων σπηλαίωσης είτε της υπερηχητικής εκτριβής του επιφανειακού στρώματος φέρνοντας φρέσκο PLA στην ελεύθερη επιφάνεια και έτσι αλλάζοντας την αναλογία C / O σε χαμηλότερες τιμές. Αλλά αυτό δεν είναι επωφελές για πιθανή επακόλουθη ενζυματική ή βακτηριακή αποδόμηση του PLA, καθώς τα βακτήρια είναι πιο δραστικά στις επιφάνειες με πρισσοτερη συσταση οξυγόνου. Αλλά, οι επεξεργασίες με συνδυασμένες μεθόδους φαίνεται να επηρεάζουν μηχανικά την επιφάνεια των δειγμάτων περισσότερο, σε σύγκριση με τα πειράματα όπου χρησιμοποιήθηκε μόνο η υπεριώδης ακτινοβολία ή η μοναδική χρήση υπερήχων. Επιπλέον, οι μετρήσεις DCA έδειξαν ότι όλες οι επιφανειακές επεξεργασίες μετατρέπουν την επιφάνεια σε πιο υδρόφοβες. Ωστόσο, η μικροβιακή και ενζυματικη προσκόλληση ευνοείται περισσότερο σε πιο υδρόφιλες επιφάνειες έναντι των υδρόφοβων. Έτσι λοιπόν η αναγωγή που γινεται στις επιφανειες των δειγμάτων δεν ειναι τόσο αποτελεσματική και θα ηταν πιο χρήσιμη η επίδραση πλάσματος, η οποία φαίνεται να οξειδώνει την επιφάνεια.	el
heal.abstract	The main topic of this Master Thesis is the pre-treatment of samples of Polylactic acid (PLA) using different Advanced Oxidation Processes (AOPs) in order to modify their surface in such a way as to foster the adhesion of enzymes or bacteria for further biodegradation. The treatment of the samples is considered necessary as enzymatic or bacterial attach is not possible if the plastic surface environment is not ideal. The first part of this dissertation consists of the theoretical part and also the bibliographic approach of the topic. The second part describes the methods of preparation and processing of PLA samples. More specifically, the samples were processed using Sonochemistry, Photochemistry and the combination of the two methods in different ways. The samples were treated via Ultrasonication at 20 kHz and 860 kHz and under 66W UVA irradiation. The reactors used for these treatments were either commercial or self-made. Finally, the surfaces were characterized by Infrared Spectroscopy (IR), Drop Contact Angle (DCA), Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) / Atomic Force Microscope (AFM), and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), the results of which are analyzed in the third part of the dissertation. The UV experiments seems to affect the samples surface more chemically than morphologically or mechanically based on the characterization methods. Treatment with US at 20 kHz, according to surface roughness values of CLSM, seems to lead to a slightly lower surface activation compared to the other methods. The cavitation caused by High Frequency Ultrasound at 860 kHz according to the 3D images is fiercer and more active compared to the one caused by Low-Frequency Ultrasound at 20 kHz or UVA irradiation. From DCA measurements it is shown that all pre-treatments processes lead to turn more hydrophobic all samples surface and from FTIR spectra it is observed that only the concentration of the functional groups is changing and not the peaks assigned to chemical groups. Last, treatments with combined methods seem to affect mechanically the surface of the samples more, compared to the experiments where only UV was used or the unique use of an Ultrasonication process but the surface de-oxidation in the experiments with combined treatment techniques did not rise as predicted from a synergy of the two applied treatments.	en
heal.advisorName	Αργυρούσης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Μαρκόπουλος, Άγγελος	el
heal.committeeMemberName	Αργυρούσης, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false