3B yazıcı platformu yardımıyla üretilen antibakteriyel ultrafiltrasyon membranlarının yapı ve performanslarının incelenmesi
Investigation of the structure and performance of antibacterial ultrafiltration membranes fabricated via 3D printing platform
- Tez No: 1002934
- Danışmanlar: PROF. DR. HASAN BASRİ KOÇER, DOÇ. DR. FATMA DEMİRCİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Ultrafiltrasyon, Ultrafiltration
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Ultrafiltrasyon membran teknolojisi, su arıtımından biyoteknolojiye kadar geniş bir alanda kritik öneme sahip olsa da üretim süreçlerindeki standardizasyon eksikliği ve işletme verimliliğini düşüren biyolojik kirlenme problemleriyle kısıtlanmaktadır. Bu doktora tezi, söz konusu iki temel soruna bütüncül bir çözüm sunmak amacıyla, metodolojik olarak hassas laboratuvar ölçekli bir üretim platformunun geliştirilmesini ve malzeme bilimi açısından antibakteriyel özelliğini yenileyebilen membranların sentezlenmesini amaçlamaktadır. Çalışmanın ilk aşamasında, laboratuvar ölçekli membran üretimindeki tekrarlanabilirlik sorununu aşmak amacıyla, ticari bir 3B yazıcı herhangi bir donanımsal modifikasyona gerek duyulmadan hassas bir film döküm platformuna dönüştürülmüştür. Bu platform kullanılarak polietersülfon membranların morfolojisi ve performansı üzerinde etkili olan döküm sıcaklığı, çekim hızı, koagülasyon banyosu sıcaklığı ve membran kalınlığı parametreleri tek seferde tek değişken yöntemi kullanılarak optimize edilmiştir. Analizler sonucunda 60 oC döküm sıcaklığı, 65 mm s-1 çekim hızı, 30 oC koagülasyon banyosu sıcaklığı ve 50 μm aplikatör aralığının, yüksek akı (271 L m-2 sa-1) ve yüksek seçicilik (%95 üzeri BSA tutma) dengesini sağlayan optimum koşullar olduğu belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, biyolojik kirlenmeye karşı sürdürülebilir bir çözüm geliştirmek amacıyla N-halamin esaslı hidantoin halkaları içeren fonksiyonel bir homopolimer sentezlenmiş ve optimum koşullarda PES matrisine katkılanmıştır. Klorlama işlemiyle aktive edilen N-halamin katkılı membranlar, %0,31 aktif klor yüklemesi ile güçlü bir oksidatif potansiyel kazanmıştır. Antibakteriyel testlerde, bu membranlar hem Staphylococcus aureus hem de Escherichia coli bakterilerine karşı sadece 15 dakikalık temas süresinde %100 oranında tam inaktivasyon sağlayarak aktif bir biyosidal bariyer görevi görmüştür. Çalışmanın en özgün bulgusu, geliştirilen membranların yenilenebilir kirlenme direnci özelliğidir. Ticari sodyum hipoklorit ile yapılan kimyasal temizleme işlemi, membran yüzeyini temizlemenin yanı sıra, N-halamin yapılarını da aktive etmiştir. Artan yüzey hidrofilikliği ve oksidatif etki sayesinde membranların tersinmez kirlenme oranı %1,4 seviyesine indirilmiş ve tekrarlı kirlenme döngüleri sırasında %98,6 gibi yüksek bir akı geri kazanım oranına ulaşılmıştır. Sonuç olarak bu tez, 3B yazıcı teknolojisi ile akıllı malzeme kimyasını birleştirerek, uzun ömürlü, yüksek performanslı ve kendini yenileyebilen yeni nesil membranların geliştirilmesinde öncü bir yaklaşım ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
Although ultrafiltration membrane technology holds critical importance in a wide range of fields from water treatment to biotechnology, it is limited by the lack of standardization in production processes and biofouling problems that reduce operational efficiency. This doctoral thesis encompasses the development of a methodologically precise laboratory-scale production platform and the synthesis of membranes with renewable antibacterial properties utilizing a material science approach, in order to offer a holistic solution to these two fundamental problems. In the first phase of the study, a commercial 3D printer was converted into a precise film casting platform without requiring any hardware modifications to overcome the reproducibility problem in laboratory-scale membrane production. Using this platform, casting temperature, casting speed, coagulation bath temperature, and film thickness parameters, which affect the morphology and performance of polyethersulfone membranes, were optimized using the systematic one-variable-at-a-time (OVAT) method. As a result of the analyses, it was determined that 60 oC casting temperature, 65 mm s-1 casting speed, 30 oC coagulation bath temperature, and 50 μm applicator gap were the optimum conditions providing the balance of high flux (271 L m-2 h-1) and high selectivity (over %95 BSA rejection). In the second phase of the study, a functional homopolymer containing hydantoin rings was synthesized and integrated into the PES matrix under optimum conditions to develop a sustainable solution against biofouling. N-halamine additive membranes, activated by the chlorination process, gained a strong oxidative potential with a 0.31% active chlorine loading. In antibacterial tests, these membranes served as an active biocidal barrier by providing 100% complete inactivation against both Staphylococcus aureus and Escherichia coli bacteria in just a 15-minute contact time. The most original finding of the study is the renewable fouling resistance property of the developed membranes. The chemical cleaning process performed with commercial sodium hypochlorite not only cleaned the membrane surface but also activated the N-halamine structures. Thanks to the increased surface hydrophilicity and oxidative effect, the irreversible fouling ratio of the membranes was reduced to the level of 1.4%, and a high flux recovery ratio of 98.6% was achieved during repeated fouling cycles. In conclusion, this thesis has put forward a pioneering approach in the development of long-lasting, high-performance, and self-renewing new-generation membranes by combining 3D printer technology with smart material chemistry.
Benzer Tezler
- Design and fabrication of magnetically actuated cell sorter
Manyetik olarak kontrol edilebilen hücre siniflandirici tasarimi ve üretimi
MERVE GÜLLE
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN
- Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi Farabi kampüsü bilgi sisteminin tasarımı ve açık kaynak kodlu Web platformunda servis edilmesi
Design of Zonguldak Bülent Ecevit University Farabi campusinformation system and service on open source web platform
NESLİHAN ZEYNEP KARABACAKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Jeodezi ve FotogrametriZonguldak Bülent Ecevit ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYCAN MURAT MARANGOZ
- Direkt üretim şeffaf plakların diş hareketine etkisi
The effect of directly 3D-printed clear aligners on tooth movement
BURCU BAKKAL
Diş Hekimliği Uzmanlık
Türkçe
2025
Diş HekimliğiSağlık Bilimleri ÜniversitesiOrtodonti Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KÜBRA GÜLNUR TOPSAKAL
- Improvement of product quality in 3D printers by preventive control
3B yazıcılarda parça kalitesinin önleyici kontrol ile artırılması
TUNCA ZEKİ BERKKURT
Doktora
İngilizce
2025
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK
DOÇ. DR. MERVE ACER KALAFAT
- Eğitim ve araştırma amaçlı gezgin robot geliştirilmesi
Development of a mobile robot for educational studies and research
MEHMET AKÇAKOCA
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET YAZICI