Bakteriyel selüloz tabanlı metal organik kafes hibrit membranların ayırma işlemlerinde kullanımı
The use of bacterial cellulose based metal organic framework hybrid membranes in separation processes
- Tez No: 1011909
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İLKNUR KÜÇÜK, PROF. DR. AYÇA MERİÇ HASANOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bakteriyel selüloz (BS), belirli bakteriler tarafından hücre dışı ortamda sentezlenen ve bitki selülozunun aksine lignin veya hemiselüloz gibi yan bileşenleri içermeyen yüksek saflıkta bir biyomalzemedir; nanofibriler yapısı ve biyouyumluluğu sayesinde membran teknolojilerinde öne çıkan sentetik malzemelere sürdürülebilir önemli bir alternatiftir. Bu çalışmada, BS esaslı membranlar negatif basınç altında yürütülen çevresel uygulamalarda, vakum filtrasyon sistemi ile 1-dekanol/su ve bitkisel yağ-su emülsiyonlarının ayrılması ve pozitif transmembran basıncı altında yürütülen biyomedikal uygulamalarda hemodiyaliz alanında kullanılmak üzere iki farklı sistem için çok yönlü bir membran malzemesi olarak geliştirilmiştir. Membranların her iki sistemdeki performansları araştırılarak farklı basınç rejimleri altında kullanılabilirliği incelenmiştir; membran morfolojisi ve taşınım mekanizmaları arasındaki ilişki karşılaştırmalı olarak ortaya konulmuştur. Gluconacetobacter xylinus suşu kullanılarak üretilen saf BS membranlar, kirlenmeyi azaltmak ve gözenek yapısını iyileştirmek amacıyla çinko bazlı bir metal-organik kafes (MOF) yapısı olan ZIF-8 ile modifiye edilmiştir. Saf BS ve BS/ZIF-8 membranların performansı, negatif basınç altında vakum filtrasyonu ile değerlendirilmiştir. Bu kapsamda, 1-dekanol/su ve bitkisel yağ/su emülsiyonlarının ayrılması sırasında elde edilen ayırma performansı ve dayanıklılıkları, 10 döngü boyunca incelenmiştir. Elde edilen bulgularda, tüm membranların %99,9'un üzerinde yağ reddi sağladığını ve 10 döngü boyunca membranların kararlı bir performans sergilediği görülmüştür. Yağ/su emülsiyonları için akı değerleri 25,85–29,41 kg/m².sa aralığında elde edilmiştir. 1-dekanol/su emülsiyonu için ise, ZIF-8 içeren membranlarda mikrogözeneklerin zamanla etkinleşmesi ve membranların ıslanma davranışındaki değişimi sebebiyle daha yüksek akı değerlerine (31,43–32,58 kg/m²·sa) son 5 döngüde ulaşılmıştır. Hemodiyaliz sisteminde kullanılmak üzere hazırlanan BS ve BS/ZIF-8 membranların her iki yüzeyi, elektro-eğirme yöntemi ile polilaktik asit (PLA) polimeri kullanılarak kaplanmış ve böylece sandviç benzeri bir membran yapısı oluşturulmuştur. Ayrıca yüzey yükünün membran performansı üzerindeki etkisini ortaya koymak amacıyla, TEMPO oksitlenmiş bakteriyel selüloz (TOBS)+PLA polimer çözeltisi ile her iki yüzü kaplanan membranlar hazırlanmış ve negatif yüklü fonksiyonel grupların protein adsorpsiyonunu azaltması hedeflenmiştir. Hemodiyaliz sisteminde, PLA+TOBS kaplı BS membranların üre taşınımında en düşük direnci ve en yüksek kütle transfer katsayısını (Ko = 5,92×10⁻⁶ m/s) sağladığı görülmüştür. Protein reddi açısından ise PLA+TOBS kaplı BS/ZIF-8 membranın %90'ın üzerinde BSA reddi ile birlikte yüksek küçük molekül kleransı sağlayarak en dengeli performansı gösterdiği belirlenmiştir. Membranların üre kleransı %17–31, kreatinin kleransı ise %13,08–23,82 aralığında elde edilmiştir. Taşınım mekanizmaları incelendiğinde, üre taşınımının ağırlıklı olarak difüzyon kontrollü olarak gerçekleştiği, kreatinin taşınımında ise adsorpsiyonun önemli bir katkı sağladığı belirlenmiştir. Üre için ise adsorpsiyon katkısı sınırlı (%7–11) kalırken, kreatinin için bu oran %39–61 aralığında bulunmuştur. Elde edilen sonuçlar, ZIF-8 katkısı ile artan tortuozite ve TOBS ile kazandırılan yüzey fonksiyonelliği ile membran içerisindeki taşınım yollarının etkin bir şekilde kontrol edilebildiğini göstermiştir. Bu çalışma ile, BS tabanlı hibrit membranların farklı proses koşullarında yüksek performans sergileyebilen, sürdürülebilir ve güçlü bir alternatif membran malzemesi olduğu ortaya konulmuştur.
Özet (Çeviri)
Bacterial cellulose (BC) is a highly pure biomaterial synthesized extracellularly by certain bacteria and, unlike plant cellulose, does not contain side components such as lignin or hemicellulose; owing to its nanofibrillar structure and biocompatibility, it represents a sustainable and significant alternative to synthetic materials commonly used in membrane technologies. In this study, BC-based membranes were developed as a versatile membrane material for two different systems: environmental applications conducted under negative pressure, involving the separation of 1-decanol/water and vegetable oil/water emulsions via a vacuum filtration system, and biomedical applications conducted under positive transmembrane pressure for use in hemodialysis. The performance of the membranes in both systems was investigated, and their applicability under different pressure regimes was evaluated; the relationship between membrane morphology and transport mechanisms was comparatively elucidated. Pure BC membranes produced using the Gluconacetobacter xylinus strain were modified with ZIF-8, a zinc-based metal–organic framework (MOF), to reduce fouling and improve pore structure. The performance of pure BC and BC/ZIF-8 membranes was evaluated under negative pressure via vacuum filtration. Within this scope, the separation performance and durability of the membranes during the separation of 1-decanol/water and vegetable oil/water emulsions were investigated over 10 cycles. The findings revealed that all membranes achieved oil rejection values above 99.9% and exhibited stable performance over 10 cycles. Flux values for oil/water emulsions were obtained in the range of 25.85–29.41 kg/m²·h. For the 1-decanol/water emulsion, higher flux values (31.43–32.58 kg/m²·h) were reached in the last 5 cycles in ZIF-8-containing membranes due to the gradual activation of micropores and changes in the wetting behavior of the membranes. For use in the hemodialysis system, both surfaces of the BC and BC/ZIF-8 membranes were coated with poly(lactic acid) (PLA) via electrospinning, thereby forming a sandwich-like membrane structure. Additionally, to investigate the effect of surface charge on membrane performance, membranes coated on both sides with a PLA solution containing TEMPO-oxidized bacterial cellulose (TOBC) were prepared, aiming to reduce protein adsorption through negatively charged functional groups. In the hemodialysis system, PLA+TOBC-coated BC membranes exhibited the lowest resistance and the highest mass transfer coefficient for urea transport (Ko = 5.92×10⁻⁶ m/s). In terms of protein rejection, the PLA+TOBC-coated BC/ZIF-8 membrane demonstrated the most balanced performance by achieving high small-molecule clearance together with BSA rejection above 90%. Urea clearance values of the membranes were obtained in the range of 17–31%, while creatinine clearance ranged between 13.08–23.82%. When transport mechanisms were examined, it was determined that urea transport was predominantly diffusion-controlled, whereas adsorption made a significant contribution to creatinine transport. While the adsorption contribution for urea remained limited (7–11%), this value was found to be in the range of 39–61% for creatinine. The obtained results demonstrated that the transport pathways within the membrane can be effectively controlled through increased tortuosity induced by ZIF-8 incorporation and surface functionality imparted by TOBC. This study revealed that BC-based hybrid membranes constitute a sustainable and robust alternative membrane material capable of exhibiting high performance under different process conditions.
Benzer Tezler
- Endofit bakteri G15S1 izolatının tüm genom dizilemesi, biyokimyasal karakterizasyonu ve bazı ağır metallere karşı duyarlılığının incelenmesi
Whole genome analysis, biochemical characterization and investigation of resistance to some metals of G15S1 endophyte bacterial isolate
RÜMEYSA GÖK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyoteknolojiVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiTarımsal Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLGİN TAŞKIN
- Bakteriyel selüloz tabanlı doku iskelesi kullanılarak in vitro yapay deri üretimi
Production of bacterial cellulose based artificial skin in vitro
AYLİN BAŞARAN EROĞLU
- Keratin içeren bakteriyel selüloz tabanlı yeni bir kompozit biyomalzeme üretimi, karakterizasyonu ve biyoyapay deri geliştirilmesinde kullanım potansiyelinin araştırılması
A new composite biomaterial production based on bacterial cellulose containing keratin, its characterization and research of application potential for using bioartificial skin development
ZALİKE KESKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
BiyomühendislikEge ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. E. ESİN HAMEŞ
- CR (VI) tespitinde bakteriyel selüloz tabanlı kompozit kullanımı
The use of a bacterial cellulose-based composite for CR(vi) detection
ELİF GİZEM SAYGILI
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
KimyaEskişehir Osmangazi ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EBRU BİRLİK ÖZKÜTÜK
- Mechanically-informed computational form-finding for biobased materials in the case of bacterial cellulose
Bakterı̇yel selüloz özelı̇nde bı̇yolojı̇k tabanlı malzemeler ı̇çı̇n mekanı̇k olarak bı̇lgı̇lendı̇rı̇lmı̇ş hesaplamalı form bulma
GÖZDE DAMLA TURHAN
Doktora
İngilizce
2022
Mimarlıkİzmir Ekonomi ÜniversitesiTasarım Çalışmaları Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BENGİSU
DOÇ. DR. GÜZDEN VARİNLİOĞLU