LEE- Kimya Mühendisliği-Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19355

Gözat

A drug repurposing study to target bacterial ribosome decoding center with molecular docking and molecular dynamics simulations

(Graduate School, 2024-06-25) Ulutürk Ateş, Beril ; Levitas Kürkçüoğlu, Özge A. ; 506211005 ; Chemical Engineering

Antibiotic resistance is a growing threat globally. As it becomes more widespread, antibiotics available on the market are expected to become insufficient for treatments soon. For instance, E. coli which causes many pathogenic diseases that can be treated today poses a serious threat as an antibiotic-resistant bacteria. To this end, drug repurposing can be a very effective approach to implementing new treatments using drugs already on the market for different types of diseases, especially in the fight against antibiotic-resistant bacteria. This thesis uses various computational methods to propose compounds that have the potential to inhibit protein synthesis by targeting the decoding center (DC) binding site in the small subunit (30S) of the E. coli ribosome. Hygromycin B bound 30S E. coli ribosome (PDB ID: 4v64) is used as a reference structure in all calculations. Hygromycin B is an aminoglycoside that binds to the decoding center and inhibit the translocation process by causing a conformational change locally. First, the binding affinities of FDA-approved, experimental, and investigational compound libraries are investigated by performing standard precision (SP-) and extra precision (XP-) docking studies against 30S ribosome structure using Glide program. This is followed by binding energy estimation with truncated ribosome structure using Prime MM-GBSA calculations of Glide program. A filtering procedure based on the docking scores, Prime MM-GBSA interaction energy estimation, and the extent of non-bonded interactions with the ribosome is followed. Additionally, non-antibiotics and especially non-aminoglycosides are preferred when making the selection of the hit compounds. The molecule size is another parameter taken into consideration. After the filtering; Chlorhexidine (-169.77 kcal/mol), DB04718 (-301.74 kcal/mol), DB08018 (-156.62 kcal/mol), Enviomycin (-191.59 kcal/mol), and Ciraparantag (-256.46 kcal/mol) are selected to assess the binding cavity using all atom molecular dynamics (MD) simulations in explicit water. DB04718 and Enviomycin are chosen for the MD simulations even though they are derivatives of the drug Paromomycin, a not FDA-approved aminoglycoside and Viomycin, a tuberactinomycin. The reason is to provide a positive control in addition to the validation with the reference ligand, Hygromycin B (-163.63 kcal/mol). Furthermore, Setmelanotide (-155.57 kcal/mol) and Icatibant (-248.00 kcal/mol) from the docking calculations by AutoDock Vina followed by estimation of the interaction energies using Prime MM-GBSA from another study are also added to the selected molecules. Then, the motions and interactions are observed performing two independent 100 ns MD simulations for each selected molecule-ribosome complex in Desmond. A total of 16 MD simulations are conducted in this thesis. The temperature, pressure and energy values throughout the simulations are observed to check the stability of the system. The movements and configurational changes of the molecules and the ribosome are examined by creating separate root mean squared displacement (RMSD) graphs for the structures. Normalized mean squared fluctuations (MSFs) are calculated to detect nucleotide-based movements. The number of hydrogen bonds during the simulation and their occupancies are also determined as a part of the MD analysis. Moreover, the interactions made in the last frame of the MD simulations are examined to monitor the non-bonded interactions. Finally, the binding free energy values of the docked compounds are estimated with MM-GBSA calculations based on the full atom MD simulations using thermal_mmgbsa.py script. OPLS-2005 force field is used in the energy minimization of the ribosome and the ligand libraries, Prime MM-GBSA calculations and MD simulations. As a result, five hit compounds get high docking and Prime MM-GBSA scores by making many interactions, stay in the cavity throughout the MD simulations, interact with nucleotides similar to the reference ligand and get high binding free energy values in the MM-GBSA calculations. Therefore, five potential hit molecules that are Chlorhexidine (R1: -39.24±6.88 kcal/mol and R2: -48.98±5.97 kcal/mol), Setmelanotide (R1: -83.25±7.49 kcal/mol and R2: -97.56±9.37 kcal/mol), Icatibant (R1: -77.62±9.69 kcal/mol and R2: -81.01±8.30 kcal/mol), DB08018 (R1: -61.38±3.90 kcal/mol and R2: -72.80±3.74 kcal/mol) and Ciraparantag (R1: -62.80±9.58 kcal/mol and R2: -78.97±6.24 kcal/mol) for the E. coli ribosome are proposed to be examined in further experimental studies.
Antarktika buzullarında kimyasal analizler

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-05-16) Özcan Neşe, Gamze ; Güner Genceli, Fatma Elif ; 506181003 ; Kimya Mühendisliği

Dünya'nın iki uç kutup noktalarında bulunan Arktik ve Antarktik Kutup Bölgeleri bilim dünyası için oldukça önemlidir. Arktik donmuş bir okyanus olarak tanımlanırken, Antarktika ise bir kıta olarak tanımlamaktadır. Bu bölgelerde bulunan buzullar bilim dünyası için eşsiz kaynaklar oluşturmaktadır. Buzullar, içeriğinde bulunan safsızlıkları binlerce yıl boyunca saklayabilmektedir. Bu safsızlıkların keşfedilmesi ile tarihsel ve iklimsel süreç hakkında yorum yapılabilmektedir. Böylece geçmişten günümüze birçok bilinmeyeni çözmeyi sağlayabilmektedir. Buzullar sadece jeoloji, kimya ve iklim bilimleri olarak değil, canlı bilimi ve uzay bilimleri gibi çok çeşitli konuları da kapsamaktadır. Dünya üzerinde en son keşfedilen kıta Antarktika'dır. Antarktika oldukça soğuk iklime sahip olup, kıtanın %97.5'unu buzullar oluşturmaktadır. Ayrıca, dünyadaki buzulların yaklaşık %90'ı bu bölgede bulunmaktadır. Antarktika kirlenmemiş bölge olarak tanımlansa da aslında gerçek tam olarak öyle değildir. Bölgedeki insan faaliyetlerinin artması ve çeşitli yollarla bu bölgere ulaşan safsızlıklar bölgeyi kirletmektedir. Bölgedeki safsızlıkların temel sebebi karasal kaynaklı, deniz tuzu kaynaklı ve biyojenik ve antropojenik kaynaklı olmaktadır. Bunlara ek olarak, volkanik patlamalar sonucu açığa çıkan kül bulutları ile safsızlıklar kutup bölgelerine taşınmaktadır. Bu gibi sebeplerle yapılan bazı çalışmalarda Antarktika'da bazı bölgelerde ağır metaller ve organik bileşiklere rastlanmıştır. Yapılan çalışmada, Antarktika'da bulunan Horseshoe Adası, Hovgaar Adası ve Nansen Adası'ndan farklı konum ve farklı derinliklerden alınan 7 adet buzul karot numunesindeki safsızlıklar ve olası kaynakları incelenmiştir. Safsızlık analizleri için IC, ICP-MS ve Mikro-Raman Spektroskopisi yöntemleri kullanılmıştır. Analizlere başlamadan önce toplanan 7 adet buzul numuneleri kodlanmıştır. Analizler ve yorumlar bu kodlamaya göre yapılmıştır. Buzulların erimesi, analizlerin doğruluğunu olumsuz yönde etkilediği için istenmeyen bir durumdur. Bu yüzden analiz öncesi ve sonrası tüm işlemlerin soğuk ortamda gerçekleşmesi gerekmektedir. Bu fikirden yola çıkarak, 2019 yılında proje kapsamında İTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü bünyesinde 'Soğuk Oda Laboratuvar' açılışı gerçekleşmiştir. Analiz öncesi ve sonrası tüm işlemler bu laboratuvarda gerçekleştirilmiştir. Bunlara ek olarak buzulların her türlü nakliye işlemi kuru buz ile sağlanmıştır. IC analizi ile her bir buzul numunesindeki iyonlar belirlenmiştir. Analiz ile buzulların içerindeki F-, Cl-, NO3-, Br-, NO3-, SO4-2 anyonları ile Na+, NH4+, K+, Mg+2, Ca+2 katyonların konsantrasyonları ölçülmüştür. Cl-, NO3-, SO4-2, Na+, K+, Mg+2 ve Ca+2 iyonları tüm buzul numunelerinde görülürken, geri kalanlar ise tüm numunelerde görülmemektedir. Tespit edilen iyonların olası kaynakları litaratürdeki deniz tuzu ve karasal kabuk kütle oranları ile belirlenmiştir. Referans iyon olarak sodyum ve kalsiyum iyonları seçilmiştir. Deniz tuzu kaynaklı sodyum iyonu ve karasal kaynaklı kalsiyum iyonlarının konsantrasyonları hesaplanmıştır. Referans iyonlar ile diğer iyonların kütle oranları kullanılarak iyonların kaynağı hakkında yorum yapılmıştır. Bu oranları karşılamayan iyonların alternatif olası kaynakları araştırılmış ve olası sebepleri çıkarılmıştır. Sülfat, nitrat ve flor iyon konsantrasyonları olası volkanik patlamaları göstermektedir. Bu iyonların hesaplamaları ve diğer iyonlarla korelasyonları ile volkanik patlama kaynaklı olup olmadığı tartışılmıştır. Elde edilen sonuçta bir numunede volkanik patlama kaynaklı safsızlıklar görüldüğü çıkarımı yapılmıştır. ICP-MS ile tüm buzul numunesindeki Na, Mg, Al, P, K, Ca, Ti, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Cs, Ba ve Pb elementlerin konsantrasyonları belirlenmiştir. Na, Mg, K ve Ca elementleri, IC ile de ölçüldüğünden iki ölçüm arasında oransal kıyaslama yapılmıştır. 7 karot numunesi için IC/ICP-MS oranı hesaplanmış ve buzulların homojenlikleri incelenmiştir. ICP-MS ile tespit edilen deniz tuzu kaynaklı ve/veya karasal kaynaklı olduğu düşünülen elementlerin olası kaynakları incelenmiştir. Bu elementler hem geçmiş yıllarda yapılan çalışmalarına göre seçilmiş hem de litaratürdeki üst kabuk elementleri ve deniz tuzu elementlerine göre belirlenmiştir. İnceleme sırasında Kabuksal Zenginleştirme Faktörü (EFc) ve Okyanus Zenginleştirme Faktörü (EFo) değerleri hesaplanmıştır. Hesaplama için referans element EFc için Baryum seçilirken, EFo için Sodyum seçilmiştir. EFc sayısal değeri 10'dan küçük olması halinde karasal kaynaklı olması, EFo sayısal değeri 10'dan küçük olması halinde deniz tuzu kaynaklı olması yorumlanmıştır. Her iki koşulu da sağlayanlar hem deniz tuzu kaynaklı hem karasal kaynaklı olduğu belirlenmiştir. EFc ve EFo sınır değerlerini sağlamayan elementler için olası kaynaklar litaratür olarak incelenmiş ve yorumlanmıştır. Litaratür araştırılması yapıldığında, bazı elementlerin ve ağır metallerin kaynağının volkanik patlama olduğu görülmüştür. Volkanik emisyonların metal/S oranları ile volkanik metal katkılarını hesaplamak mümkündür. Ancak kükürt miktarı bilinmediği için EFc ve/veya EFo değerlerinden yararlanılmıştır. Sınır değerleri sağlamama durumunda volkanik patlama kaynaklı olabileceği ihtimali üzerinde durulmuştur. Elde edilen sonuç, IC sonucu ile karşılaştırılmış ve bir tane numunedeki iyon ve elementlerin volkanik patlama sonucu açığa çıktığı kesinleşmiştir. Yapılan araştırma ile buzul karotların yaşlarının yaklaşık 10 yıllık olduğu tahmin edilmektedir. 2018 yılında toplanan bu buzulların hangi volkanik patlamadan meydana geldiğini bulmak için 2008-2018 yılları arasında meydana gelmiş olan volkanik patlamalar incelenmiştir. Volkanik Patlama İndeksi (VEI) baz alınarak bir çok patlama aktivitesi olduğu görülmüştür. Ancak buzulların tam yaşı bilinmediği için bunlarla ilgili kesin yorum yapılamamış ve genel bir bilgi olarak verilmiştir. Safsızlık analizlerinin son kısmında Mikro-Raman Spektroskopisi ile analizler yapılmıştır. Bunun için ölçüm sistem ve prosedürü sıfırdan kurulmuş ve problemler belirlenmiştir. Bu problemler giderilmiş ve cihaz buz ölçümleri için hazır hale gelmiştir. Buzul analizlerine geçmeden önce laboratuvar ortamında hazırlanan buz numuneleri ile optimum koşullar belirlenmiştir. Bu koşullar buza en az zarar verecek deneme-yanılma yöntemiyle belirlenmiş ve buzul analizleri için uygun hale getirilmiştir. Bu optimum ölçüm koşulları, %10 lazer gücü ve 5 saniye maruz kalma süresi olarak belirlenmiştir. Saf su dondurulmuş ve spektroskopisi çekilmiştir. Yapılan litaratürsel araştırma yardımıyla buz ve hava kabarcığı pikleri belirlenmiştir. Sistem ve koşullar uygun hale getirildikten sonra Antarktika buzullarından alınmış 3 farklı numune için Mikro-Raman Spektroskopisi ölçümleri alınmıştır. 5x mikroskop ile buzulların içinde görülen safsızlıkların görüntüleri çekilmiş ve optimum koşullar ayarlanıp spektral pikler elde edilmiştir. Son olarak, Antarktika buzullarına ait 3 farklı numune için uzak çalışma 50x mikroskop yardımıyla optimum koşullarda Mikro-Raman Spektroskopisi ölçümleri alınmıştır. Buzulların içindeki safsızlıkların görüntüleri çekilmiş ve spektral pikler analiz için kaydedilmiştir. Spektral pikleri yorumlamak için cihazın kütüphanesi yeterli gelmemektedir. Bu da çalışmanın en temel eksiğini oluşturmaktadır. Bu yüzden ileriki çalışmalarda bu piklerin yorumlanması için litaratürsel araştırmalar ile olası safsızlıklar tanımlanması çalışılacaktır.
Biomedical application of an enzymatically synthesized biopolyester

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-06-26) Beyaz, Şenol ; Güvenilir, Yüksel ; 506211027 ; Chemical Engineering

Polymers have played an integral role in advancing drug delivery technology by providing controlled release of therapeutic agents at fixed doses over long periods of time, cyclic dosing, and adjustable release of both hydrophilic and hydrophobic drugs. Modern advances in drug delivery are now based on the rational design of polymers designed to exert different biological functions. Enzyme-based biopolymer syntheses are needed in order to reduce the toxic accumulations caused by these drug systems in the human body, to minimize their side effects, and their effects on the environment. Unlike synthetic polymers, biopolymers produced naturally using enzymes; They are suitable for medical applications due to their biocompatibility, biodegradability, non-toxicity and ability to adsorb bioactive molecules. The use of these biopolymers in drug delivery systems is possible by turning them into materials such as cast films, microspheres, nanoparticles and nanofibers. Various proteins, drugs and proteins can be easily loaded into microspheres. Therefore, in this study, microspheres consisting of biopolymers loaded with antibacterial agents and drugs will be produced. In this study, polypentadelactone-co-valerolactone copolymer synthesized by the immobilized enzyme. In this study, Candida antarctica B lipase was immobilized to rice husk ash, on which surface modifications were applied using the immobilization methods used in previous studies, primarily to be used in enzymatic polymerization reactions. ω-pentadecalactone-co-δ-valerolactone copolymer was produced by ring-opening polymerization using immobilized enzyme from ω-pentadecalactone and δ-valerolactone at different reaction times and temperatures, using monomer ratios of 75-25%. During support preparation and immobilization, RHA was produced by burning rice husks at 600-650°C for 6 hours. The surface of RHA was then modified using a silanization chemical called 3-aminopropyl triethoxysilane (3-APTES), and functional amine (-NH2) groups were added to the surface. Lipase immobilization was achieved by physical adsorption. Previous scientific investigations attempted to optimize novel immobilized lipases using various 3-APTES concentrations and enzyme loading ratios. These research studies are used as references. After copolymers is produced, they will be formed into microspheres and added with oleuropein as an antibacterial agent and loaded with trans-Chalcone as a drug for use in biomedical fields. A drug delivery system with strong mechanical properties, biocompatible, biodegradable, harmless to the environment and living things will be developed by incorporating the copolymer into the polymer-containing microspheres of the drug and antibacterial agent. ω-Pentadecalactone, or pentadecanolide, is a cyclic ester having a 15-carbon backbone. ω-pentadecalactone may have antibacterial and antioxidant properties. Its potential pharmacological qualities make it an attractive candidate for the development of pharmaceutical formulations and nutraceuticals. δ-valerolactone, a lactone, is employed as a chemical intermediate in several processes, such as polyester manufacturing. Polyvalerolactone is a semi-crystalline aliphatic polyester that is hydrophobic. PVL is a well-known biopolymer that has several applications in medication formulation and delivery systems. PVL-based polymers have been employed as antifungal carriers as well as a hydrophobic block in amphiphilic block copolymers for the in vivo administration of chemotherapeutic medications such as daunorubicin (DNR), doxorubicin (DOX), and others. Microspheres are spherically shaped particles that can vary in size from one to a thousand meters. Microspheres are biodegradable, free-flowing particles made up of proteins or synthetic polymers. They are capable of encapsulating small molecules, proteins, peptides, and nucleic acids. They have various advantages over traditional dosage forms, including increased solubility of poorly soluble pharmaceuticals, protection against enzymatic and photolytic degradation, reduced dosing frequency, greater bioavailability, controlled release profile, dose reduction, and drug toxicities. Oleuropein appears to be an effective antibacterial agent. Oleuropein, the major phenolic component of the olive tree, is a chemical found in the fruit in the early stages of ripening, and its level diminishes as the fruit ripens as it is digested. Recent research indicates that oleuropein possesses anticancer, antiviral, antioxidant, and anti-inflammatory properties. Oleuropein will be employed as an addition in this investigation since it is considered to improve antibacterial activity and cell proliferation. Chalcones are open-chain chemicals found naturally in plants. The chemical structure is composed of two aromatic rings separated by a three-carbon α,β-unsaturated carbonyl system.. Trans-chalcone (TC) has grown in popularity in recent years for its biological properties due to its abundance in nature, simplicity of synthesis, and simple structure. TC has been demonstrated to have anticancer effects against a variety of types. TC is also anti-inflammatory, working by reducing the oxidative stress caused by a variety of inflammatory diseases. Many additional compounds are metabolically activated by TC. It has been demonstrated that these substances have estrogenic action. Due to the estrogenic action of xenobiotic chemicals, animals may experience a variety of negative health impacts, including obesity, accelerated female puberty, a decrease in sperm count, altered sexual behavior and reproductive organs, and an increased risk of certain cancers. Controlling the amount of TC treatment and preventing the buildup of TC molecules in the body are therefore crucial. The aim of this study is to develop a new drug delivery system by loading drug and adding antibacterial agent into the bio-based polymeric structure. Microspheres will be obtained by synthesizing a biocompatible, non-toxic and high molecular weight copolymer by using naturally immobilized enzyme to be compatible with the environment and human body. Controlled drug delivery will be carried out by loading a drug and adding an antibacterial agent to this product. Thus, the side effects of the drug will be reduced and its therapeutic properties will be increased. The lack of research in the literature on the use of oleuropein and transchalcone with microspheres for medical reasons adds to the scientific value of the study. The study's uniqueness stems from the lack of literature on the poly(ω-pentadecalactone-co-δ-valerolactone) copolymer produced by enzymatic polymerization. The copolymer synthesized using a biocatalyst will be loaded with oleuropein and trans-chalcone while microspheres are produced and it will be used as medicine. With this mixture, cell biological compatibility will be ensured and the drug will be ensured to reach the desired area at the desired time. As a result, a new drug delivery system will be created by using natural and synthetic polymers, drugs and antibacterial agents. In the second stage, a ω-pentadecalactone-co-δ-valerolactone copolymer was produced enzymatically using the monomer ratios from earlier research as a reference. The highest molecular weighted sample (Mn = 23722 g/mol) was obtained at 80°C and 24 hour reaction duration with 75% ω-pentadecalactone feed weight ratio and selected for microsphere formation. Therefore, in this work, ω-pentadecalactone-co-δ-valerolactone is synthesized utilizing these values. In the third stage of the study, oleuropein added and transchalcone loaded PDL-VL microspheres was tried to be produced via O/W emulsion method. In order to determine the highest encapsulation efficiency and drug release behavior, combinations of 10, 20 and 40 percent TC, as well as 42.5, 75 and 100 Olu, in proportion to the copolymer mass were examined. It was determined that microspheres produced at 100% Olu:PDL-VL ratio and 20% TC:PDL-VL ratio had the highest Encapsulation Efficiency (%) which it was 81.7 ± 0.5 (%). After microspheres are made, several characterization analysis were applied such as SEM, DSC, TGA, FTIR and XRD in order to understand thermal, mechanical and morphological properties of microspheres. DSC analysis was applied to observe the thermochemical changes of the copolymer and microspheres samples. Melting temperatures and enthalpy values of microspheres were examined according to the previous scientific studies. The fact that no melting peak was observed in both oleuropein and transchalcone samples indicates that PDL-VL/Olu and TC-loaded PDL-VL/Olu microspheres are properly dispersed into the structure as stated in the literature. TGA analyzes were applied in order to analyze the thermal degradation behavior of microspheres and compare with PDL-VL. FT-IR was used as a characterization method to observe the chemical groups indicating the presence of Olu, TC and microspheres. All the characteristic peaks were examined and explained. It was concluded that Olu and TC were encapsulated in the microspheres. In addition to all other analyses, the influence of TC loading on crystallinity and crystalline structures of microspheres was examined using XRD analysis. The Xc values were determined, and distinctive crystalline peaks were investigated. The results were similar with those obtained from the DSC. It can be seen from the SEM images that spherical geometry was found in all microsphere formulations. Antibacterial acitivty tests were also examined and it led to the conclusion that PDL-VL/Olu and TC-loaded PDL-VL/Olu microspheres have antibacterial properties. As a results of cytotoxicity anaylsis, it leads to a reduction in the viability of human breast cancer cell lines (MCF-7), and therefore it is effective and promising for human breast cancer therapy. In this study, pH dependent drug release experiments were performed with two pH values which was 5.6 and 7.4 in order to see drug release behaviour of microspheres produced with different environments. The microsphere formulations improved the total cumulative release of TC, which reached 91.18 % in pH 5.6 media and 85.89 % in pH 7.4 media. The behavior of microspheres' release was based on pH; the more acidic the release medium, the greater the release. In all cases, TC release was carried out for up to 964 hours. Lastly, the release kinetics of the design points were investigated. When the release rate constants were assessed, it was discovered that the release suited the Korsmeyer-Peppas kinetic model, which had the highest correlation coefficient. After all characterization analysis and drug release behaviour were obtained, it can be concluded that the the results of this study point to a potential use for microspheres in the long-term therapy of disease. And, undoubtedly, much more study will be required to assess cytotoxicity, cell survival, and in vivo pharmacokinetics.
BSA ile kaplanmış h-BN NP'ler: Kanser tedavisinde potansiyel bir taşıyıcı sistem

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-06-06) Akbıyıkoğulları, Karya ; Güner, Fatma Seniha ; Çulha, Mustafa ; 506201018 ; Kimya Mühendisliği

Kanser, yenilikçi terapötik yaklaşımların geliştirilmesini gerektiren küresel bir sağlık sorunu olmayı sürdürmektedir. Geleneksel tedaviler, spesifik olmayan ilaç dağılımı ve antikanser ajanlarının doğal toksisitesi nedeniyle sıklıkla ciddi yan etkilere neden olmaktadır. Nanoteknoloji, kanser tedavisindeki bu zorlukların üstesinden gelmek için umut verici bir yol olarak ortaya çıkmıştır. Son yıllarda nanopartikül (NP) bazlı ilaç dağıtım sistemleri, nano ölçekteki benzersiz özellikleriyle kanser tedavisinin etkinliğini artırmak için umut verici bir strateji olarak yeni olanaklar sağlamıştır. Bu NP'lerden biri olan Hegzagonal Bor Nitrür (h-BN) geleneksel tedavilere oranla kanser tedavisinde ilaç taşıyıcı olarak büyük potansiyele sahiptir. h-BN NP'lerinin ilaç dağıtım yeteneklerini geliştirmek için çeşitli yüzey modifikasyonları yapmak ve/veya yüzeyin kaplanması gerekmektedir. Doğal bir protein olan Sığır Serum Albümini (BSA) biyouyumluluğu, uyarlanabilirliği ve ilaç yükleme yeteneklerini geliştirme kapasitesi nedeniyle NP'ler için popüler bir kaplama malzemesi olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada kanser tedavisinde kullanılabilecek yeni bir nanotaşıyıcı sistemin tasarlanması amaçlanmıştır. Bu tez çalışması kapsamında, kanser terapisi için bir dağıtım sistemi olarak h-BN NP'lerinin sentezine ve karakterizasyonuna ek olarak, yüzeylerinin kovalent olmayan yöntemlerle BSA ile kaplanması ve elde edilen sistemin taşınımındaki kanser ilacı olarak seçilen Mitoksantron (MTX) dağıtımındaki kullanım potansiyeli incelenmiştir. İlk olarak h-BN NP'ler Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) yöntemiyle sentezlenmiştir. h-BN'lerin sentezinden sonra, BSA ile belirlenen kaplama şartları altında ortamın pH'ı, süre ve BSA:h-BN oranı optimize edilmiştir. Daha sonra, işlevselleştirilmiş NP'ler, antikanser ilacı MTX ile yüklenmiştir. Kaplı NP'lerin ilaç yükleme performansı belirlendikten sonra ardından ilaç yüklü protein kaplı NP'lerden MTX salımı, tümör mikro ortamını (pH=4,5) ve insan sağlıklı hücrelerini (pH=7,4) simüle eden şartlarda incelenmiştir. Bu çalışmada ayrıca, MTX ilacının bu iki farklı ortamda salım kinetiğini açıklamak için çeşitli kinetik modeller kullanılmıştır. Bu amaçla salım verilerine Sıfır derece, Birinci derece, Higuchi, Korsmeyer-Peppas ve Kopcha kinetik modelleri uygulanmıştır. h-BN NP'leri, Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Fourier Dönüşümü Kızılötesi (FT-IR) spektroskopisi, Dinamik Işık Saçılımı (DLS) ve Termogravimetrik Analiz (TGA) gibi yöntemler ile karakterize edilmiştir.Yapılan tüm karakterizasyonlar sonucundaki veriler; 40-80 nm nano boyutlu, trombosit benzeri tekdüze bir yapı sergileyen, yüksek saflıkta ve iyi dağılmış h-BN NP'lerinin sentezlendiğini gösterilmiştir. Bu tez çalışmasının ana hedefi, elde edilen h-BN'lerin ilaç taşıma kapasitelerini arttırmak ve suda dispersiyon özelliklerini iyileştirebilmek için BSA ile kimyasal olmayan etkileşimler ile kaplanmasıdır. BSA:h-BN oranı, çözelti ortamının pH'ı,ve etkileşim süresi bu çalışmada deneysel parametreler olarak seçilmiştir. h-BN@BSA kaplama deneylerinde 3 farklı oranda ve 2 farklı pH değeri seçilerek 8 farklı etkileşim süresinde veri alınarak gerçekleştirilmiştir. Kaplama miktarına etki eden parametrelerin etkileşimlerini belirlemek amacıyla, deneysel veriler Minitab kullanılarak üç faktörlü faktöriyel deney tasarımı ile analiz edilmiştir. Bu analiz sonucunda, BSA:h-BN oranı ve BSA:h-BN oranı ile pH etkileşiminin kaplama miktarı üzerinde anlamlı bir etkisi olduğu belirlenmiştir. Ancak, deney süresi ve diğer parametrelerin ikili ve üçlü etkileşimlerinin kaplama miktarı üzerinde etkili olmadığı sonucuna varılmıştır. Deneyler sonrasında gerçekleştirilen karakterizasyon çalışmalarından SEM görüntüleri, FT-IR spektrumları, jel elektroforez ve suda dispersiyon sonuçları h-BN NP'lerin yüzeyinin BSA ile etkileştiğini kanıtlamıştır. Kaplama deneylerinin sonuçlarına göre mg BSA/g h-BN için en yüksek kaplama miktarı elde edilen BSA-7,4-3-1 ve BSA-4,7-5-6 kodlu NP'ler, ilaç yükleme ve salım çalışmalarında kullanılmak üzere seçilmiştir. BSA@ h-BN NP'lerinin ilaç yükleme kapasitesini değerlendirmek için MTX kullanılarak yapılan ilaç yükleme deneylerinde daha stabil bir nokta olan 4. saatin sonunda, saf h-BN %18,3 (0,37 mg MTX/1 gr h-BN) yükleme yüzdesine sahip iken, kaplı örneklerin birbirine oldukça yakın; BSA-4,7-6-5 için %32,1 (0,64 mg MTX/1 gr h-BN) ile BSA-7,4-3-1 için %31,8 (0,63 mg MTX/1 gr h-BN) yükleme yüzdesine sahip olduğu bulunmuştur. İlaç yükleme deneylerinin sonucundaki karakterizasyon çalışmaları MTX'in varlığını kanıtlamıştır. Ayrıca, zeta potansiyel değerlerinin incelendiğinde, BSA kaplamasının, MTX ilacının kullanılması ile NP'ler üzerinde kararlılığı artırdığı tespit edilmiştir. In vitro ilaç salım çalışmaları, yaklaşık 50 saat boyunca NP'lerden MTX'in salım profilini ortaya koymuştur. Deney verilerinde maksimum salım yüzdesi göz önüne alındığında, tümör hücrelerini simüle eden pH=4,5 ortamında BSA kaplı h-BN'ler (%5,18 ve %5,09), kaplanmamış saf h-BN'ye (%0,83) göre 6 kattan daha fazla ilaç salımı gerçekleştirirken, insan sağlıklı hücreleri taklit eden ortam olan pH=7,4'te kaplanmamış saf h-BN (%2,92), BSA kaplı h-BN numunelerine (%0,23 ve %0,20) kıyasla 12 kattan daha fazla kanser ilacı salımı sağlamıştır. Bu salım sonuçları kinetik modellere göre incelendiğinde h-BN'nin Kopcha Modeline uyduğu ve salım mekanizmasının erozyona dayalı olduğunu belirlenmiştir. BSA@h-BN NP'leri ise Korsmeyer-Peppas ve Hixson-Crowell Modellerine uygun ilaç salımı oluşmaktadır. Farklı sağlıklı insan hücreleri üzerinde gerçekleştirilen hücre kültürü/sitotoksisite testleri incelendiğinde, çeşitli dozajlardaki numunelerin hiçbirinin toksik etki göstermediği belirlenmiştir. Özellikle, BSA@h-BN NP'lerinin hücre çoğalmasını teşvik ettiği gözlemlenmiştir. Ayrıca, kanser ilacı MTX'i taşıyan bu NP'lerin, sağlıklı hücreler üzerinde toksik etki yaratmadığı için, tasarlanan bu ilaç taşıyıcı sistemde güvenle kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak, bu tez çalışmasından elde edilen veriler, BSA ile kaplanmış h-BN NP'leri, kanser tedavisi için etkili ve hedefe yönelik bir taşıyıcı sistem olarak umut verici olduğunu göstermektedir. Tez kapsamında geliştirilen BSA@h-BN NP'lerin MTX'i yükleme ve salım yeteneği ve düşük toksik özelliği bu sistemi değerli hale getirmektedir. Sonuçlar, nanotıp ve biyomedikal alanda artan araştırmalara katkıda bulunmaktadır; ancak bu bulguların güvenliğini ve etkinliğini doğrulamak için terapötik uygulamalara dönüştürülmesi için daha ileri in vivo çalışmalara ve klinik araştırmalara ihtiyaç duyulmaktadır.
Comparative analysis of solvent effects on ZIF-8 features via solvothermal synthesis for enhanced drug delivery applications

(Graduate School, 2023-06-21) Mohseni Hasanloo, Mohammad Hosein ; Sirkecioğlu, Ahmet ; 506181007 ; Chemical Engineering

ZIF-8 is a member of the zeolitic imidazolate framework (ZIF) family, which falls within the broader category of metal-organic frameworks (MOFs). MOFs are a class of crystalline materials composed of metal ions or clusters coordinated with organic ligands. ZIFs are distinguished by their zeolite-like characteristics, resembling the structure and properties of zeolites, but with the added flexibility of incorporating various metal ions. The remarkable features of these nanoparticles are persistent porosity, outstanding thermal and chemical stability, and uniform pore size. ZIF-8, specifically, is one of the most extensively studied ZIFs. It is composed of zinc ions (Zn2+) coordinated with 2-methyl imidazolate (MeIm) ligands. The resulting framework possesses a three-dimensional porous structure with regular and uniform nanosized pores. This structure enables ZIF-8 to exhibit exceptional properties, making it highly attractive for a wide range of applications. This thesis aims to investigate the synthesizing of zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) using various solvents, explicitly focusing on the effects of DI water, methanol, and butanol. ZIF-8 is a prominent metal-organic framework (MOF) with versatile applications in gas separation, catalysis, and drug delivery. The choice of solvent during synthesis significantly influences the structure, morphology, and performance of ZIF-8 to make an ideal choice for each application and usage. The study commences with a review of ZIF-8's structural characteristics, solvothermal synthesis method, and the role of solvents in MOF formation. The thesis then outlines a systematic experimental design to evaluate the influence of DI water, methanol, and butanol on features of ZIF-8. These solvents were chosen due to their diverse properties, including polarity and molecular structure. The thesis highlights the solvent-dependent variations in these properties, shedding light on the specific effects of DI water, methanol, and butanol on ZIF-8 synthesis. The experimental synthesis process explores the impact of changing solvents on the features of ZIF-8. This analysis includes the evaluation of crystal size distribution, morphology, and pore characteristics for each solvent system. The synthesis is conducted under constant and identical conditions, including temperature, reaction time, reactant concentrations, and solvent-to-reactant ratio. Each synthesis condition is carefully monitored and characterized using techniques such as X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), and nitrogen adsorption-desorption measurements (BET). These analytical methods provide valuable insights into the structural, thermal, and adsorption properties of the synthesized ZIF-8 samples. The obtained results are analyzed in terms of crystallinity demonstrating a very favorable crystallinity of 90-97%, surface area, porosity, and stability of the synthesized ZIF-8 samples. The observed promising crystallinity of 90-97% in the synthesized ZIF-8 nanoparticles further highlights their potential for various applications. Furthermore, the thesis delves into the implications of solvent selection on the performance of ZIF-8 in the application of drug delivery systems. Specifically, drug delivery experiments are conducted to evaluate the influence of DI water, methanol, and butanol on the adsorption capacities and selectivity of ZIF-8 in terms of loading and release of a model drug. Allantoin is chosen as the model drug due to its relevant features in drug delivery applications. The results obtained from these experiments offer valuable insights into the suitability of ZIF-8 for the loading and release of this specific drug, contributing to the understanding of its potential in drug delivery systems. In this investigation, post-synthesis loading and releasing drug (allantoin) were investigated at pH 6.4 since it is the pH of wound fluids, by using a UV-visible spectrophotometer. The results show that zif-8 has potential to be used in drug delivery systems.
Cu-MOF katkılı montmorillonit (Cu-MOF/MMT) adsorbanı ile atık sulardan ilaç giderimi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-01-24) Tutuş, Elçin ; Aydın Erdöl, Nalan ; 506201010 ; Kimya Mühendisliği

Su, yaşamın temel taşıdır ve varlığımızı sürdürmemiz için kritik bir öneme sahiptir. Su, doğal ve antropojenik kaynaklardan kaynaklanan su kirliliği nedeniyle çeşitli kirleticilerle karşılaşmaktadır. Bu kirleticiler arasında farmasötikler ve kişisel bakım ürünleri (PPCP'ler), insanların ve hayvanların sağlık ihtiyaçlarını karşılayan ürünleri içerir ve su ortamında sürekli varlıklarını sürdürdükleri için yeni tür kirleticiler olarak kabul edilmektedir. Antibiyotikler, dünya genelinde yaygın olarak kullanılan ilaçlar arasında öne çıkar. Özellikle tetrasiklinlerin artan kullanımı, su kaynaklarında çevresel sorunlara yol açmaktadır. Tetrasiklinlerin su ortamında birikimi, besin zinciri aracılığıyla insan ve hayvan sağlığına zarar verebilen düşük konsantrasyonlarda bile gerçekleşebilir. Ayrıca, tetrasiklinlerin su kaynaklarındaki varlığı, antibiyotiklere dirençli bakterilerin ortaya çıkmasına neden olarak ciddi tehditlere yol açabilir. Kil mineralleri, uygun fiyatlı ve çevre dostu olmaları nedeniyle tercih edilmekte ve smektit grubu kil minerallerinden biri olan montmorillonit, özellikle adsorpsiyon ve iyon değişimi performansı ile dikkat çekmektedir. Metal iyonları veya kümeleri ile organik ligandların birleştirilmesiyle oluşturulan yüksek kaliteli metal-organik çerçeveler (MOF'lar), spesifik yüzey alanı, tasarlanabilir çerçeve yapısı, kontrol edilebilir gözenek boyutu, metal doymamışlık bölgeleri ve modifikasyon kolaylığı gibi avantajlara sahiptir ve adsorpsiyon kapasitesi ve kinetiği açısından geleneksel adsorbanlara göre üstün performans sergileyebilirler. Ortaya çıkan kirleticilerin su ortamından uzaklaştırılması için çeşitli yöntemler araştırılmıştır. Adsorpsiyon, bu kirleticilerin atık su ortamından etkili, ekonomik, hızlı, kolay ölçeklenebilir ve çevre dostu bir şekilde uzaklaştırılmasını sağlayan bir teknoloji olarak öne çıkmaktadır. Bu tez çalışması, Cu-MOF katkılı montmorillonit adsorbanının, adsorpsiyon yoluyla sulu ortamdan tetrasiklin giderimini sağlamak amacıyla gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın ilk aşamasında, farklı oranlarda Cu-MOF kullanılarak sentezlenen kompozitler, FTIR, XRD, BET, SEM ve zeta potansiyel ölçümleri ile karakterize edilmiş ve başarılı bir şekilde sentezlendiği doğrulanmıştır. Sonraki aşamada, başlangıç konsantrasyon, temas süresi, çözelti pH'ı ve sıcaklık gibi parametrelerin adsorpsiyona etkisi değerlendirilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda TC'nin sulu ortamdan gideriminde %10Cu-MOF/MMT kompoziti en uygun adsorban olarak seçilmiştir. TC adsorpsiyonu için 240 dakika temas süresinde, pH 7.32'de (çözeltinin kendi pH değerinde), 45 °C sıcaklıkta en yüksek adsorpsiyon kapasitesi 319,57 mg g-1 olarak elde edilmiştir. İzoterm modellemeleri sonucunda TC adsorpsiyonunun Langmuir modeliyle uyumlu olduğu ve adsorpsiyon kinetiğinin yalancı ikinci derece modelini takip ettiği gözlemlenmiştir. Termodinamik analizler sonucunda, TC adsorpsiyonunun endotermik olduğu ve kendiliğinden gerçekleştiği tespit edilmiştir. Bu çalışma, atıksulardan adsorpsiyonla TC giderimi için %10Cu-MOF/MMT adsorbanının umut vaat edici nitelikte olduğunu göstermiştir.
Destek hazırlama yöntemlerinin paladyum esaslı (Pd) yoğun metalik membran performansına etkileri

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-14) Toprak, Berna ; Gür Gümüşlü, Gamze ; 506181020 ; Kimya Mühendisliği

Bu çalışma kapsamında, bu sorunu çözemek için destek malzemesinin yüzeyinin ara tabaka ile kaplanması, böylece alümina destek malzemesinin yüzeyindeki pürüzlülükler, kusurlar düzeltilerek, gözenek boyutu da küçültülmüştür. Böylelikle yüzeyi geliştirilmiş destek malzemesi yüzeyine kaplanan Pd tabakasının yüzey morfolojisi de iyileşmiştir. Bu iyileşmeyi görebilmek için α-Al2O3/Pd, α-Al2O3/γ-Al2O3/Pd, α-Al2O3/grafit/Pd membranlarının yüzey morfolojileri ve yapıları, Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM) ve X-ray Işını Difraktrometresi (XRD) karakterizasyon yöntemleri ile incelenmiştir ve farklılıklar yorumlanmıştır. α-alümina destek malzemesi yüzeyine kaplanan γ-Al2O3 ara tabakası sol-jel yöntemi ile hazırlanmıştır. Destek malzemesi, böhmit (AlOOH) kullanılarak hazırlanan böhmit kaplama çözeltisine daldırılarak kaplanmıştır ve yüzeye kaplanan ince böhmit yapısını γ- Al2O3 yapısına dönüştürmek amacıyla kalsinasyon yapılmıştır. Yüzeyde γ-Al2O3 ara tabakasının elde edildiğini teyitlemek amacıyla XRD ve Termogravimetrik (TGA) analizleri yapılmıştır. İnce, çatlaksız ve düzgün bir γ-Al2O3 ara tabakasını oluşturmak için kaplama süresi (s), PVA, PEG kimyasallarının hacimsel olarak eklenme oranı ve kalsinasyon prosedürü gibi parametreler optimize edilmiştir. Böylece, böhmitle hazırlanan kaplama çözeltisine , %1,2wt PVA, %0,6wt PEG kimyasallarından sırayla hacimce %8 ve %4 eklenmesine, destek malzemesinin 30 saniye kaplama süresinde kaplanmasına ve kademeli ısıtma ile 600°C sıcaklıkta 3 saat kalsinasyon prosedüründe yapılmasına karar verilmiştir.
Effect of alternative filling materials on tire compounds

(Graduate School, 2023-01-19) Çetindağ, Nazlı Kezban ; Taygun Erol, Melek Mümine ; 506191042 ; Chemical Engineering

The tire, one of the most important parts of the vehicle, is a composite material consisting of many components and many raw materials. Tire production consists of different stages. One of these stages is mixing and compound preparation. At this stage, different raw materials are mixed homogeneously in the equipment called mixer in order to obtain the desired mixing properties. This mixing process consists of multiple steps. The most common raw materials are rubbers, filling materials, oils, antioxidants and curing agents. Considering the raw materials, rubbers and filling materials constitute the largest part of the compound. Looking at the rubber part, rubbers with different properties such as natural rubber, styrene butyl rubber, butyl rubber, chloro-butyl rubber are used. While these rubbers are sometimes used alone, sometimes they are used as combinations of different rubbers. Filling materials consist of very different materials such as carbon black, silica, calcium carbonate. The most widely used filling material is carbon black, and its main purpose is to provide reinforcing to rubber. At the same time, the reason why the tire is black is due to the color given by the carbon black. In addition, filling materials such as silica are used to give the compound low rolling resistance, while raw materials such as calcium carbonate are used to reduce the raw material cost of the tire. Along with these, many studies have been investigating alternative filling materials to reduce the cost of tire compound. In this study, it was aimed to reduce the cost of tire compound. Also, it was paid attention to contribute to the circular economy when choosing those materials. Therefore, charcoal dust and fly ash, which are classified as waste materials, were chosen in this study. Coal has low sulfur and mercury content compared to fossil fuels. It also contains less nitrogen and ash. Fly ash, on the other hand, is a by-product of thermal power plants and this material is classified as waste. Therefore, many studies have been searching for alternative ways to use this material. The charcoal used in this study was obtained from oak wood. Fly ash was taken from Çatalağzı thermal power plant. Before using charcoal in recipes, the particle size was reduced by pre-treatment. Then, particle size analysis, thermogravimetric analysis and x-ray diffraction analysis were applied. Particle size and x-ray diffraction analyzes were applied to the fly ash. While applying the particle size analysis, the particle size of the carbon black together with the charcoal and fly ash was also examined. While applying thermogravimetric analysis to charcoal, the results were compared with carbon black. In this study, the effects of charcoal and fly ash in 3 different recipes were analyzed using different amounts. The most basic difference of the recipes used was the type of the rubber. The reference recipes were chosen as natural rubber, styrene butyl rubber and chloro-butyl rubber. At the same time, control compounds without the addition of alternative filling materials were prepared to compare the results of all experiments with the reference recipe. 9 different experiment versions were prepared with the reference recipe containing natural rubber and the results were compared with the control compound. In these versions, charcoal and fly ash were used separately. However, it was used at different amounts as 1 phr, 2.5 phr, 5 phr and 10 phr. At the same time, in one of the versions, charcoal and fly ash were used in equivalent amounts in the recipe, 5 phr each. Moreover, in the reference recipe containing styrene butyl rubber, the control compound was compared with 4 different trial versions. Two of these versions used charcoal at 5 phr and 10 phr, respectively, while the other two used the same amounts of fly ash. In the reference recipe containing chloro-butyl, as in the recipe using styrene butyl rubber, 4 different experiment versions were prepared and the effect of charcoal and fly ash on this recipe was examined, as in other recipes. Mooney, MDR, stress-strain test and x-ray diffraction tests were applied to the obtained samples. The mooney test shows the uncuring properties of the compounds, while the other tests show the curing properties. Viscosities of the samples were analyzed with the mooney test, and the effect of processability was investigated. The ideal curing conditions of the samples were determined by the MDR results. Stress-strain test was applied under four different conditions. While different reference recipes gave different viscosity results, addition of charcoal and fly ash to the recipes did not significantly change the viscosity results. Likewise, while the curing curves of different reference recipes showed different results, the addition of charcoal and fly ash did not change significantly the curing characteristics of the samples. Therefore, experiments with the same reference recipe were prepared under the same curing conditions for the stress-strain test. In the stress-strain test, the modulus at 300% elongation and the tensile strength and elongation at break were measured. While the results that would affect the use in modulus could not be obtained, the results in tensile and elongation were not promising in use. When the effects of charcoal and fly ash were compared with each other, it was observed that charcoal showed worse results than fly ash. This was thought to be due to the cellulosic structures and larger particle sizes in charcoal. When the tensile strength at break of the samples tested at room temperature was examined, it showed the worst result in the use of charcoal in the recipe with natural rubber, while it showed the best result in the recipe containing chloro-butyl. When looking at the use of fly ash, there was no obvious difference in recipes containing natural rubber and chloro-butyl, while the results in recipes using styrene butyl rubber were relatively better. On the other hand, when the elongation at break of the samples tested at room temperature was examined, the best results were observed in both charcoal and fly ash in the recipe using styrene butyl rubber, while the worst results were seen in the recipe containing chloro-butyl. The control compounds that serve as the reference compounds, had the greatest ZnS and ZnO peaks in x-ray diffiraction. In contrast to the charcoal's composition, which showed SiO2 and FeS peaks, the fly ash's composition showed mullite and gehlenite. The compositions in both charcoal and fly ash were not observed, though, when the versions of the experiments with these additions were evaluated. This may be due to the control compounds had much more ZnS and ZnO content which shaded the crystalline structures of the fly ash and charcoal since their amounts were so low. The fly ash particles were spherical, according to the SEM study, whereas the charcoal particles were angular and irregularly formed. Although these effects were not visible when looking at the samples from the surface, they were visible when looking at the samples from the cross-sectional region. SEM observations showed that the addition of both charcoal and the fly ash to recipes were successful. As a result, more studies are needed to use the charcoal and fly ash used in this study as tire compounds. Further grinding systems can be used to reduce the particle size. But then, since these alternative materials do not show any problem in processability, their use in non-tire products that do not require high performance can be investigated.
Effect of lignin, extractive matter, holocellulose, and alpha cellulose of biomass on calorific value

(Graduate School, 2022) Kaynar, Özlem Ecem ; Yaman, Serdar ; 736597 ; Department of Chemical Engineering

Biomass is a renewable energy source that uses air, water and sunlight. Wood, animal waste, municipal solid waste, agricultural residues, forest residues and power plants are some examples of biomass. The utilization of biomass energy to replace fossil fuels is viewed as a viable strategy to prevent global warming. Woody plants, herbaceous plants/grasses, aquatic plants, and fertilizers are the four basic forms of biomass. Extractives, fiber or cell wall components, and ash are the three primary components. Carbohydrates (cellulose or hemicellulose) and lignin, which gives structural strength, make up the cell wall. Ash is derived from inorganic components in biomass, and its content is often low in lignocellulosic biomass types. The major organic components of biomass are cellulose, hemicellulose, and lignin. Cellulose is a glucose polymer that is water insoluble. The cellulose content of biomass is generally about 40-50 percent by weight. Hemicellulose accounts for around 20-40\% of biomass by weight, while lignin accounts for 10-40\%. Lignin is more biodegradable than cellulose. One of the most essential characteristics for the energy conversion pathway is the ratio of cellulose, hemicellulose, and lignin, and biomass possesses chemical energy because of it. To create a model, researchers gathered data from 12 separate papers. The calorific values of diverse biomass were computed in these articles, as well as the percentage values of lignin, extractive matter, holocellulose, and alpha-cellulose in the biomass content. The goal of this research was to create a model based on the estimated values' correlation. The regression analysis approach was utilized to create the models. Regression analysis is an essential tool for analyzing functional relationships between variables. Data must be supplied into a machine learning algorithm in order to construct the model. For regression analysis, a machine learning algorithm in the Python programming language was employed. The statistical approach of regression analysis was used to investigate the connection between one or more independent variables and response variables. In this investigation, simple and multiple linear regression models were utilized. The most frequent kind of analysis is simple linear regression, which is the simplest way to define the function. It is a simple way to predict an interaction using just one predictive variable. A regression model called multiple linear regression is used to establish a link between many independent variables and a single dependent variable. A plane that passes as close to these sites as feasible should be identified if the link between the three axes is to be stated as multiple linear regression. The lines that best reflect the points on the response and prediction variable scatterplots were calculated in this study using the least squares (OLS) technique. The goal of the OLS method is to find a function curve that is as close to the data points acquired from the measurement result as feasible.
EMT zeolitinin sentezi ve farklı iyon formlarının su tutma kapasitesi üzerine etkisi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-06-08) Delen, Sedat ; Oral Atalay, Çiğdem ; 506201025 ; Kimya Mühendisliği

Zeolitler yapılarında alkali veya toprak alkali elementler bulunduran kristal yapıya sahip alüminosilikatlarıdır. Zeolit kelimesi ilk kez İsveçli araştırmacı Axel F. Cronstedt tarafından kullanılmıştır. Toz veya pelet şeklinde elde edilen zeolitler başlıca olarak iyon değişimi, kataliz, adsorpsiyon ve ayırma gibi önemli uygulama alanlarında kullanılmaktadır. Enerjiye olan ihtiyacın artması ve enerji kaynaklarının daha verimli kullanımının hedeflenmesiyle çevre duyarlılığı yüksek alternatif kaynaklara yönelim artmaktadır. Adsorpsiyon ısı pompaları, mekanik ısı pompalarıyla kıyaslandığında çevre dostu olup endüstriyel atık ısının tekrar kullanımını sağlamaktadır. Toz veya pelet halinde adsorban kullanıldığında adsorpsiyonlu ısı pompalarında verim oldukça düşmektedir. Zeolit gibi bir adsorbanın metal yüzeyler üzerinde kaplama şeklinde kullanılmasıyla, ısı ve kütle iletimindeki gelişmelerden dolayı çevrim süreleri çok kısalmaktadır. Adsorpsiyon ısı pompalarında, X, Y, A ve SAPO34 gibi su tutma kapasiteleri görece yüksek zeolitlerin kullanımı uygun gözükmektedir. Ayrıca düşük sıcaklıklarda rejenere olabilen zeolitlerin kullanımı daha avantajlıdır. Zeolitlerin su tutma kapasitesi bu malzemeleri değişik iyon formlarına getirerek de değiştirilebilir. Bu çalışmada, öncelikle literatürde molar bileşimi bilinen bir reaksiyon karışımından organik bir yönlendirici kullanılarak EMT tipi toz zeolit Na formunda sentezlenmiş ve ardından farklı metal tuzlarının sulu çözeltileri kullanılarak değişik iyon formlarına getirilmiştir. EMT zeolitinin orijinal Na ve diğer iyonik formlardaki su desorpsiyon kapasiteleri termogravimetri (TG) ile belirlenmiştir. İkinci aşamada İTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü Adsorpsiyon ve Kataliz Laboratuvarında daha önce yapılmış ön çalışmalardan yararlanılarak EMT zeolit kaplamalarının hazırlanması için değişik reaksiyon karışımı bileşimleri ile denemelere başlanmış ve sonrasında bazı sentez koşulları değiştirilerek incelemelere devam edilmiştir. Seçilen uygun kristalin ve kalınlıktaki kaplamalar da iyon değişimine tabii tutulmuştur. Elde edilen kaplamalar TG, N2 adsorpsiyonu, X-ışını kırınımı (XRD) ve alan emisyon tabancası taramalı elektron mikroskobu (FEGSEM) ile karakterize edilmiştir. Çalışmalar sonucunda berrak reaksiyon karışımlarından nispeten yüksek kalınlığa sahip kristalin EMT zeoliti içeren kaplamalar elde edilmiştir. TG analizinden elde edilen sonuçlara göre toz ve kaplama formundaki EMT zeolitlerinin iyon değişimi yapıldıktan sonra kapasitelerinde önemli artışlar olduğu gözlenmiştir. İyon değişimi sırasında kaplamaların mekanik stabilitelerinin yüksek olduğu görülmüştür.
Endüstriyel kenevirin(Cannabis sativa L.) dişi çiçeği kullanılarak CBD yağı üretiminin proses tasarım ve simülasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-07-07) Günyel, Berk ; Saygılı, Gülhayat ; 506191004 ; Kimya Mühendisliği

Kannabinoidlerin insan sağlığı açısından faydaları ve kullanım alanları tıp bilimi tarafından bilinip her geçen gün yeni özellikleri keşfedilmektedir. Bu uğurda üretime yönelik adımlar ve yatırımlar gerek ülkelerce gerekse de özel firmalar tarafından atılmaktadır. Ayrıca, yakın tarih boyunca yasak olan kenevir üretimi, endüstriyel kenevir için kalkmakta ve yeni yasalarla beraber kenevir bitkisinin türüne göre düzenlemeler yapılmaktadır. Bu yüksek lisans tez çalışmasında ise Türkiye'de üretimi yasallaştırılan ve üretiminin ilerleyen yıllarda ivmelenerek artması planlanan ve artacak olan endüstriyel kenevirin (Cannabis Sativa L.) çiçek kısmı kullanılarak FDA ve GMP regülasyonlarına, limitasyonlarına uygun, ilaç sektöründe hammadde olarak kullanılabilecek, fitoterapik amaçlarla tüketilebilecek CBD yağı üretecek prosesin simülasyonu ve tasarımı yapılmıştır. Proses simülasyonu için ASPEN programı kullanılmıştır. Simülasyon sonucunda ise ekipman tasarımı yapılmıştır. Ekipman tasarımı ve tüm proses tasarımı sonucunda ise ekonomik analiz yapılmış ve sonuçlar irdelenerek Türkiye için kenevir üretimi ve bu üretimle paralel CBD yağı üretimi konusunda öneriler verilmiştir. Türkiyenin kenevir üretim kapasitesi ve atılımları göz önünde bulundurulduğuna ise kimya mühendisliği tasarımı alanında yapılan bir takım kabullerin dışında kaldığı gözlemlenmiştir. Bu gözlemler ve Türkiye'nin içinde bulunduğu özel durum, tez çalışması boyunca detaylıca irdelenmiştir. Proses, hem dünyada üretilen diğer CBD yağları ile rekabet düzeyi yüksek saflıkta hem de kenevir bitkisinin tüm kısımları kullanılarak üretilebilecek diğer potansiyel sektörel ürünler (kağıt, deri, gıda, enerji...) için gereken proseslerle entegre bir proses şeklinde dizayn edilmiş ve bu çerçevede yaklaşılan dünyadaki ilk ve tek proses olma özelliği taşımaktadır. Bu dizayn ile beraber tüm bu proseslerde işletim maliyetinin minimum düzeye inmesi başarılmış ve en kaliteli CBD yağı en ucuz şekilde üretilmiştir. Üretilecek CBD yağı için "Entourage Etkisi" dikkate alınmış ve bu etki perspektifinde kannabinoidlerle beraber terpen yapısı da korunarak bir final ürün elde edilmiştir. Simülasyon ve tasarım boyunca final ürünün CBD, ∆9-THC, CBG profilleri analiz edilmiştir ve elde edilen simülasyonda final ürün CBD yağı olarak hata payı olmadan sistem başarılı bir şekilde simüle edilebilmiştir. Proses simülasyonları boyunca FDA ve GMP limitasyonları gereğince proseste kullanılacak olan çözücü n-hekzan ve etanolün de ppm değerleri irdelenmiş ve izin verilen değerlerin altında kalacak şekilde proses dizayn edilmiştir. Simülasyonla beraber üretilecek CBD yağının içeriği %52.9-%52.4 CBD yağı ve n-hekzan, etanol ppm değerleri sırasıyla n-hekzan için kalıntı dahi kalmayacak şekilde ve etanol için %0.0463 olacağı öngörülmüştür.
Enzymatically synthesized poly(δ-valerolactone) and poly(δ-valerolactone) nanohybrid usage in controlled drug delivery systems

(Graduate School, 2025-01-23) Keçe, Zeynep ; Güvenilir, F. Yüksel ; 506211042 ; Chemical Engineering

There is an increasing interest for the biopolymers these days, because oppose to synthetically/artificially formed ones, they are generated by renewable resources. It is clear that with the increasing population and the times when we need to pay more attention to the world's depleting resources, why the people are tending to use biopolymers instead of synthetic polymers, which are petroleum-based. In other words, with the developing technology, oppose to fossil resources, which are very traditional, people started to care to eliminate their carbon footprint. In order to make this valuable approach happen, they beginned to use natural resources. Due to their better biodegradability, reproducable, biocompatibility and chemical degradability, they indicate non-toxicity and they have low-weight. These qualities lead them to be used in not only packaging, textile, medical, agricultural industries, but also wearable devices, sensors and mostly in drug delivery systems. Due to their many benefits, including biocompatibility, nontoxicity, thermoplasticity, semi-crystalline and hydrophobic form, flexibility, along with controlled decomposition, PVL is an intriguing option and frequently utilized in biomedical implementations. PVL is a fundamental component in the production of anthracycline type of antibiotics and the controlled medications (like doxorubicin (DOX)), which are prescribed to avoid different types of cancer. Nanohybrid systems are composite substances constructed up of two or more different nanoscale constituents that are closely joined or blended at the molecular or atomic scale. When these elements are combined, a fresh substance with specific qualities that may be superior to those of the constituent parts individually can be produced. The resultant nanohybrids frequently show mutually beneficial impacts, which enhance efficiency across a range of applications. Having particle sizes varying from one to thousand µm in diameter, microspheres are a form of particle dispersion mechanism, where molecules of drug are incorporated in a polymer matrix by adsorption or dispersion. Numerous medical compounds, including peptides, proteins, nucleic acids and molecules of small size medicine could be encapsulated in microspheres and have the relevant therapeutic properties. The microspheres have garnered a lot of interest lately upon account of their tiny size of particles, unique surface features, and substantial surface-to-volume ratio. Chalcones are polyphenolic chemicals of various structures found in plants. There are several possible uses for chalcone-based compounds, including antibacterial, antiviral, antioxidant, anti-inflammatory, antidiabetic, antiulcer, anticancer properties. The remarkable chemical structure and intriguing pharmalogical properties of trans-chalcone (TC), also known as 1,3-diphenyl-2-propen-1-one, make it a prominent focus of scientific investigation alongside other chalcones. In this study, physical adsorption was employed in the first part to immobilize lipase on surface-modified rice husk ash (RHA) to be used in enzymatic ring opening polymerization. The silica based material underwent surface modification when amine groups were added to its surface by utilizing 3-aminopropyltriethoxysilane (3-APTES). Then, pysical adsorption methodology was used to immobilize the free form of Candida antarctica lipase B. By using the monomer ratios from prior study, poly(δ-valerolactone) and poly(δ-valerolactone) nanohybrid were generated by enzymatic ring opening polymerization. The reactions are conducted at 80oC for 24 hours to get the highest molecular mass for both polymer and nanohybrid. These resultant materials were ultimately found to be applied in the fabrication of microspheres. As following, the methodology of O/W emulsion was employed to fabricate TC-loaded PVL microspheres, TC-loaded PVL nanohybrid microspheres, drug-free PVL microspheres and drug free PVL nanohybrid microspheres. Afterwards, drug release mechanism of these fabricated microspheres were investigated. For this investigation, with three different PVA concentrations (0.1, 0.5, 1 (w/v)% ), there different TC:PVL ratio (10, 20, 40%) and TC:PVL nanohybrid ratio (10, 20, 40%) have been evaluated in order to ascertain greatest encapsulation efficiency, and thereby drug release profile. To define the thermal, chemical and mechanical properties, TGA, DSC, SEM and XRD were applied to these microspheres. The greatest encapsulation efficiencies were observed with specimen A-2 (1% PVA and 20% ratio of TC:PVL) as 98.6 ± 8.4 (%) and specimen C-2 (1% PVA and 20% ratio of TC:PVL nanohybrid) as 82.7 ± 6.4 (%). This research, also demonstrates that drug release mechanisms are not affected majorly by the pH-changes. The DSC analysis shows that addition of TC into microspheres has lowered the melting points but there were no any extra TC-peak on the curves, so it is concluded that TC is successfully encapsulated and molecularly dispersed into PVL and PVL nanohybrid microspheres. TGA analyses were used to compare the thermal degradation pattern of drug-free and TC-loaded PVL microspheres with PVL. Additionally, TGA analyses were used to compare the thermal degradation pattern of drug-free and TC-loaded PVL nanohybrid microspheres with PVL nanohybrid. Decompositions and weight losses have been evaluated and interpreted based on the scientific literature and the analyses that were conducted. The chemical groups that indicate the existence of TC, PVL, TC-loaded PVL microspheres, drug-free PVL microspheres, PVL nanohybrid, TC-loaded PVL nanohybrid microspheres, and drug-free PVL nanohybrid microspheres were all observed by using FT-IR as characterization technique. Since FT-IR spectras are alike, it shows that TC was determined to be encapsulated within the microspheres. XRD analyses were used besides to several other characterizations to investigate the impact of TC loading on the crystalline structures and the crystallinity of microspheres. The SEM images reveal that every single one of the microsphere formulations had spherical shape. To observe the drug release behaviour of the microspheres fabricated in various surroundings, pH-dependent drug release investigations were conducted in the present research by employing two pH levels that were 5.6 and 7.4. The total cumulative release of TC was enhanced by the PVL microsphere formulations, reaching 42.1% in pH 7.4 ambient and 43.5% in pH 5.6 ambient. Moreover, the total cumulative release of TC was enhanced by the PVL nanohybrid microsphere formulations, reaching 39.4% in pH 7.4 ambient and 34.2% in pH 5.6 ambient. The TC release was conducted for an overall duration of 744 hours in each case. Finally, the release kinetics were examined. The release was found to be compatible with the kinetic model of Korsmeyer-Peppas. All microsphere formulations had TC release that was controlled by Fickian diffusion, according to the calculated n value. In conclusion, the goal of this study is to develop new controlled drug delivery systems by integrating a transchalcone into biological in origin polymeric carriers. A biocompatible, environmentally friendly, high-molecular-weight polymer and nanohybrid containing home-made immobilized enzymes that are compatible for human body will be produced in order to fabricate microspheres. Transchalcone will be incorporated with the polymer and nanohybrid generated by biocatalyst for use in therapy. Following the completion of all characterization tests and investigation of drug release profiles, it can be clearly said that this research's findings suggest that PVL microspheres or PVL nanohybrid microspheres may find implementation in prolonged therapeutic applications.
Esnek poliüretan köpük üretiminden kaynaklanan atıklardan elde edilen poliolün esnek poliüretan köpük üretiminde kullanılması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-06-27) Aksu, Yaprak ; Açma, Hanzade ; 506211028 ; Kimya Mühendisliği

Poliüretan köpükler dünyada en çok kullanılan polimerlerden biridir. Poliol ve izosiyanat olmak üzere iki ana hammaddeden oluşmaktadır. Diğer hammaddeler ise su, katalizörler ve yüzey aktif maddelerdir. Poliol yumuşak segment, izosiyanat ise sert segmenttir. Sert ve yumuşak segmentlerin oranları poliüretanın özelliklerini etkilemektedir. Poliüretan sentezinde polimerleşme ve şişme reaksiyonu temel reaksiyonlardır. Polimerleşmede poliol ve izosiyanat reaksiyonu sonucu üretan veya poliüretan oluşmaktadır. Şişme ise izosiyanatın suyla reaksiyonu sonucu oluşan gaz çıkışı ile köpüğün yükselmesini sağlamaktadır. Polioller petrol türevlidir ve yapısında hidroksil grupları bulunmaktadır. Endüstride yaygın olarak eter ve ester bazlı polioller kullanılmaktadır. İzoisyanatlar da petrol türevlidir ve yapısında NCO grupları bulunmaktadır. İzosiyanatların birçok çeşidi vardır. Toluen diizosiyanat, difenil metan diizosayanat, izoforon diizosiyanat yaygın olarak kullanılmaktadır. Diğer hammaddelerden su reaksiyonda gaz çıkışını sağlamaktadır. Yüzey aktif maddeler, poliüretan köpüklerin hücre duvarlarının dayanıklı hale getirmektedir. Katalizörler ise şişme polimerleşme reaksiyonlarında kullanılmaktadır. Kullanılan izosiyanat ve poliole göre farklı türde birçok poliüretan çeşidi vardır. Termoplastik poliüretan, esnek poliüretan, sert poliüretan, kaplama, elastomerler yaygın olarak kullanılan çeşitleridir. 2021 yılında küresel poliüretan pazarının büyüklüğü 79 milyar ABD dolarıdır. Yapılan araştırmalara göre ilerleyen yıllarda poliüretan pazarının artış göstereceği öngörülmektedir. Pazar araştırmalarına göre en çok kullanılan ise esnek poliüretan köpüktür. Esnek poliüretan köpükler, mobilya, yatak, otomotiv, tekstil, tıp, paketleme gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Esnek poliüretan köpük pazarının artması sebebiyle birçok atık oluşmaktadır. Bu atıklar üretim, kesim ve ömrünü tamamlamış esnek poliüretan köpüklerdir. Esnek poliüretan köpük genellikle büyük bloklar halinde üretilmektedir. Bu nedenle üretim kaynaklı atıklar oluşmaktadır. Üretim sırasında blokların fiziksel ve mekanik özelliklerini korumak için blokların ön ve arka kısımları kesilerek atılmaktadır. Aynı zamanda blokların üst ve alt kısımlarında reaksiyon kaynaklı bazı yığılmalar oluşmakta ve bu kısımlar kesilerek atılmaktadır. Kullanım alanına göre bloklar kesilmektedir, kesimi sırasında da atıklar oluşmaktadır. Esnek poliüretan köpüklerin kullanım ömürleri sektöre göre değişmektedir. Mobilya, yatak sektöründe genellikle 15-20 yıldır. Kullanım ömrünü tamamlamış esnek poliüretan köpükler de atılmaktadır. Esnek poliüretan köpük atıkları çevreye zarar vermektedir. Esnek poliüretan köpük atıkları doğada 1000 yılda çözünmektedir. Toprağın ve suyun kirlenmesine sebep olmaktadır. Bunun sonucunda da ekolojik denge bozulmaktadır. Ekolojik bozunmanın en büyük etkisi ise küresel ısınmadır. Esnek poliüretan köpük atıklarının çevreye zararlarını önlemek amacıyla geri dönüşüm yöntemleri uygulanmaktadır. Geçmişte esnek poliüretan köpük atıklarına yakma, gömülme ve depolama gibi yöntemler uygulanmıştır. Bu yöntemler çevreye verilen zararı telafi etmemekte ve zarar miktarını arttırmaktadır. Günümüzde kimyasal, mekanik ve termokimyasal geri dönüşüm yöntemleri mevcuttur. Mekanik geri dönüşüm yöntemlerinde esnek poliüretan köpük atıkları fiziksel olarak değiştirilmektedir. Esnek poliüretan köpük atıkları parçalanır ve belirli boyutlara getirilmektedir. Ekonomik ve kolay bir yöntemdir. Ancak elde edilen ürün açısından sınırlıdır. Termokimyasal geri dönüşüm yöntemleri ise endüstriyel olarak kullanılmamaktadır. Kimyasal geri dönüşüm yöntemlerinde esnek poliüretan köpük atıkları uygun reaksiyon koşulları ile ana hammaddelere dönüştürülmektedir. Kimyasal geri dönüşüm yöntemi, hammaddeye dönüşümü sağladığı için endüstriyel olarak ilgi çekici olmaktadır. Kimyasal geri dönüşümde ise hidroliz, glikoliz, asidoliz, aminoliz gibi birçok yöntem bulunmaktadır. Bu çalışmada kimyasal geri dönüşüm yöntemi kullanılmıştır. Kimyasal yöntemin seçilmesinin sebebi esnek poliüretan köpük üretiminde ana hammaddelerden biri olan poliolün geri kazanmaktır. Bu sayede hem esnek poliüretan atıkları değerlendirilmiş hem de hammadde kullanımı azaltılmıştır. Kimyasal yöntemlerden asidoliz seçilmiştir.
Estimation of higher heating value of refuse derived fuel from proximate and ultimate analysis

(Graduate School, 2022) Rashnovadi, Yağmur ; Yaman, Serdar ; 738018 ; Chemical Engineering Programme

Waste production, which is constantly increasing as a result of industrial and technological developments, is becoming an important problem worldwide. Especially with the increase in human population and urbanization, the increase in waste production is inevitable. With the increasing waste production day by day, the resulting wastes must be disposed of in an environmentally friendly way. On the other hand, studies are carried out on obtaining energy from waste in order to reduce dependence on fossil fuels and increase renewable energy production. For this reason, studies are carried out on refuse derived fuel (RDF), which is obtained as a result of physical treatment of municipal solid waste. RDF not only ensures the disposal of waste in an environment friendly way, but also contributes to the production of renewable energy by reducing the dependence on fossil fuels. In addition, the use of fossil fuels in energy production reduces the emission of harmful emissions. RDF contains many different types of waste such as textile, food, rubber, paper, metal, battery, glass. The reason why it is composed of many different components is that there is a wide variety of wastes in municipal solid waste. The compositions in RDF and MSW vary according to factors such as climatic conditions, geographical location and income level. A more homogeneous fuel is obtained by converting municipal solid waste to refuse derived fuel. As a result of obtaining a more homogeneous fuel by converting the wastes to RDF, higher efficiency in energy production is provided. At the same time, RDF has a higher calorific value than MSW. Also, the amount of air required for RDF combustion is less than the amount of air required by MSW. RDF is obtained as a result of various physical processes applied to municipal solid wastes and includes materials such as packaging waste, municipal waste and industrial waste. RDF is a solid fuel with high calorific value and is used as a fuel in many areas such as cement factories and power generation facilities. There are many different methods used to generate energy from RDF. With the thermochemical conversion methods used in obtaining energy from RDF, both waste disposal is ensured and heat or electrical energy is produced. Combustion, pyrolysis, gasification and plasma-based technologies can be given as examples to these thermochemical methods. RDF transforms into solid, liquid and gaseous products through energy production methods. The heating value of the RDF used in energy production is an important factor in terms of the efficiency of the processes. For the design of facilities using RDF, the calorific value must be analyzed correctly. Therefore, within the scope of the thesis, it is aimed to develop correlations that can predict the higher heating value according to the amount of components of the RDF. Proximate and ultimate analysis data were used to determine the components effects on higher heating value and to create a mathematical model. The effects of weight percentage of moisture, ash, volatile matter and fixed carbon on the higher heating value were investigated with the proximate analysis data of 46 different RDF samples obtained as a result of the literature research. According to the results, it was observed that the higher heating values increased with the increase in the amount of volatile matter. On the other hand, the increase in moisture, ash and fixed carbon caused the higher heating values to decrease. In addition, the effects of carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur and chlorine components on the higher heating value were investigated by using the ultimate analysis data of 74 different RDF samples. It was determined that the higher heating values increased with the increase in the weight percentages of carbon and hydrogen. The increase in the oxygen percentage causes the higher heating value to decrease. By applying the multiple linear regression method to the proximate and ultimate analysis data, equations were obtained to estimate the higher heating value of RDF. In regression calculations, higher heating value in the proximate analysis data as the dependent variable; moisture, ash, volatile matter and fixed carbon were considered as independent variables. In the ultimate analysis data, calculations were made with carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen components as independent variables. As a result, three different higher heating value estimation equations were obtained with the multiple linear regression method. The higher heating values were calculated with the obtained equations and compared with the actual higher heating values. The error percentage of the calculated higher heating value according to actual values has been found and it has been determined that the equations can predict the higher heating value with an error of less than 10%.
Eşzamanlı karbondioksit kullanımı ve hidrojen dönüşümü için nikel-demir bazlı katalizör üzerinde karbondioksitten metan eldesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-08-23) Kaplan, Buket ; Sarıoğlan, Alper ; Bayazit, Şahika Sena ; 506211007 ; Kimya Mühendisliği

İnsanlık tarihi boyunca enerji kullanımı, küresel gelişimin tüm aşamalarıyla yakından ilişkilidir. Uygarlıklara güç sağlamak için kullanılan enerjinin çoğu, yüksek enerji yoğunluğuna, düşük maliyete ve erişim kolaylığına sahip fosil yakıtlardan (petrol, kömür ve doğal gaz) sağlanmaktadır. Halen fosil kaynaklar küresel birincil enerji talebinin %85'ini temsil etmektedir; ancak fosil yakıt kullanımının çevre ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkileri bulunmaktadır. İnsan kaynaklı iklim değişikliği ve fosil türevli kaynakların tükenmesi, bugün toplumdaki en belirgin sorunlardan ikisidir. Geçmişten günümüze fosil yakıt kullanımından kaynaklanan aşırı karbondioksit (CO2) emisyonları ciddi çevre sorunlarına neden olmaktadır. Karbondioksit atmosferde yüksek konsantrasyonda bulunan sera gazlarından birisi olup, küresel ısınma ve iklim değişikliği ile mücadele eylem planlarında birinci öncelik karbondioksitin tutulması ve mümkünse bir hidrokarbon kaynağı olarak yeniden kullanımıdır. Bu plan doğrultusunda "Güçten Gaza" (Power to Gas, P2G) teknolojisi başlığı altında karbondioksit metanasyonu olarak da bilinen karbondioksitin metana katalitik hidrojenasyonu öne çıkan karbondioksit kullanım stratejilerinden bir tanesidir. Karbondioksit metanasyonu verimli ve ekonomik olarak da uygulanabilir bir proses olup, sentetik yakıt ve ara mamul olarak çok yönlü kullanım gibi önemli avantajlar sunmaktadır. Bu nedenle karbondioksit kullanım stratejileri arasında büyük ilgi görmektedir. CO2'nin metana katalitik olarak hidrojenasyonu oldukça ekzotermik bir reaksiyon olup, termodinamik olarak düşük sıcaklıklarda daha yüksek bir dönüşüm veren bir katalitik prosestir. Bununla birlikte tamamen oksitlenmiş ve son derece kararlı bir molekül olan karbondioksitin metana hidrojenasyonu, karbon monoksit hidrojenasyonuna göre çok daha zor işletme şartlarında gerçekleşmektedir. Kabul edilebilir bir dönüşüm ve seçicilik elde edilmesinde katalizör performansı belirleyicidir. Aktivite, seçicilik, stabilite ve katalitik yüzey difüzyonu bir katalizörün performansı belirleyen parametrelerdir. Katalizörün bu dört parametreyi de karşılayacak bir performansa sahip olması beklenmektedir. Geliştirilecek katalizörün karbondioksit ve hidrojen dönüşümünün yüksek ve yan reaksiyonlardan gelen karbon monoksit ve metan harici hidrokarbon oluşumunun düşük olması istenmektedir. CO2 metanasyon katalizörleri arasında nikel içerikli katalizörler yüksek katalitik aktiviteleri ve düşük maliyetleri ile avantajlı bir konumdadır. Ancak karbondioksit hidrojenasyonu sırasında koklaşma ve sinterleşme nedeniyle katalizörün kullanım ömrü sınırlıdır. Nikel katalizörlerin koklaşma ve sinterleşme gibi dezavantajlarını iyileştirmek için ikinci bir aktif metal ile katkılanarak bimetalik katalizörler sentezlenmektedir. Destek malzemeleri katalizörün yüzey özelliklerini geliştirmek ve sinterlenmeyi önlemek üzere yüzeyde metal dağılımını artırmak için kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında CO2 hidrojenasyon reaksiyonu ile karbondioksitten metan eldesine yönelik spinel yapıda nikel ferrit katalizörlerinin sentezi, karakterizasyonları ve test reaksiyonu çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Desteksiz olarak bimetalik spinel yapıda nikel ferrit katalizörü birlikte çöktürme yöntemi ile sentezlenmiştir. YSZ ve γ-Al2O3 destekli Ni-Fe katalizörleri ise destek yüzeyinde çöktürme yöntemi ile hazırlanmıştır. Ni-Fe bazlı metal organik kafes (MOF) yapılar hidrotermal yöntemle sentezlenmiştir. Ardından kalsinasyon uygulanarak MOF yapısı bozundurulmuş ve karbon ile çevrelenmiş/desteklenmiş nikel ferrit yapısı elde edilmiştir. Peşi sıra hazırlanan tüm katalizörler karakterize edilerek ve katalitik performans testleri gerçekleştirilerek katalitik yapı-aktivite ilişkisi aydınlatılmaya çalışılmıştır. Katalizör karakterizasyonunda Brunauer-Emmett-Teller (BET) yüzey alanı ve gözenek hacmi ölçümü için azot adsorpsiyon izotermi alınmıştır. Kristal fazların analizi için X-ışını kırınımı (XRD), yüzey morfolojisi için taramalı elektron mikroskobu (SEM), termal kararlılık ve yapı analizi için termal gravimetri, katalizörlerin indirgenme davranışlarını belirlemek için hidrojen ile sıcaklık programlı indirgeme (H2-TPR) ve yüzey bazikliğinin katalitik aktivite üzerine etkisini değerlendirmek üzere sıcaklık programlı karbondioksit desorpsiyonu (CO2-TPD) tekniklerine başvurulmuştur. Ölçülen XRD desenleri ile MOF yapısı, nikel ferrit spinel fazları ve destek malzeme yüzeyinde dağılmış aktif metal varlığı doğrulanmıştır. XRD piklerinin Scherrer korelasyonu ile spinel nikel ferrit katalizörlerinin ve destekli katalizörlerin kristal boyutunun 8-13 nm boyut aralığında değiştiği hesaplanmıştır. MOF türevli katalizörlerin kristal boyutu kalsinasyon sıcaklığına göre değişim göstermiştir. SEM görüntülerinden, MOF türevli nikel ferrit katalizör yapısında gömülü ince parçacıklardan oluşan kümeler fark edilmektedir. Gama alümina destekli NiFe2O4 katalizörde ise nikel ferrit partiküllerinin gama alümina destek yüzeyinde homojen dağılımının bir sonucu olarak herhangi bir destek yüzeyi kullanılmadan hazırlanan spinel NiFe2O4 yapısına göre daha küçük partikül boyutuna sahip olduğu belirlenmiştir. Yttria-stabilize zirkonya (YSZ) destek malzemesinin kullanıldığı NiFe/ YSZ ve NiFe/ γ Al2O3-YSZ katalizörler için ise, nikel ferritin destek yüzeyinde homojen olmayan bir dağılım SEM görüntülerinden anlaşılmaktadır. BET analizi sonuçlarına göre nikel ferrit oluşumunun alüminanın hem iç hem de dış yüzeyinde gerçekleştiği düşünülmektedir. Hazırlanan tüm katalizörler karbondioksitin metana hidrojenasyonu için test edilmiş ve %80'in üzerinde metan seçiciliği ile %40-95 aralığında karbondioksit dönüşümü elde edilmiştir. Tez çalışması kapsamında sentezlenen tüm katalizörler arasında en yüksek katalitik performans γ Al2O3 destekli nikel ferrit katalizör için elde edilmiştir. MOF türevli katalizörler arasında ise en yüksek katalitik performansa 350°C'de kalsine edilmiş MOF türevli nikel ferrit ile ulaşılmıştır. Ni-Fe/ γ Al2O3 katalizörü, en yüksek bazik konsantrasyona ve en düşük CO2 yüzey bağlanma enerjisine sahip bir yüzey özelliği göstermektedir. Katalitik aktivite sonuçlarının verildiği Bölüm 4.2'de görüleceği üzere yüzey bazikliğinin şiddeti ve konsantrasyonu ile katalitik aktivite arasında bir ilişki fark edilmektedir. Yüzey bazik merkezlerinin sayısı arttıkça ve baziklik şiddeti azaldıkça katalitik aktivitede önemli bir artış gözlemlenmektedir. Bu sonuç, katalitik yüzey bazikliğinin ve şiddetinin katalitik aktivite üzerinde oldukça belirleyici olduğunu göstermektedir. Katalitik performans test sonuçları, γ Al2O3 destekli nikel ferrit katalizörün karbondioksitten metan üretim prosesi için ticarileşme potansiyelinin bulunduğunu göstermektedir. Yüksek seçiciliğin önem arz ettiği uygulamalarda ise γ Al2O3 ve YSZ karışımının destek malzemesi olarak kullanıldığı nikel ferrit katalizörü için ticarileşme potansiyelinin mevcut olduğu düşünülmektedir. Sonuç olarak tez çalışmasında farklı tekniklerle hazırlanan destekli ve desteksiz nikel ferrit katalizörlerin aktiviteleri ile fizikokimyasal özellikleri ilişkilendirilmiştir. Karbondioksitin metana hidrojenasyonu için endüstriyel olarak umut verici sonuçlar elde edilmiştir.
Etil levulinat üretim sürecinin iki reaktif distilasyon kolonu kullanarak enerji verimli tasarımı ve kontrolü

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-07-01) Antep, Aslıhan ; Kaymak, Devrim Barış ; 506211002 ; Kimya Mühendisliği

Dünya nüfusunun artmasıyla birlikte çevresel ve ekonomik kaygıların, insanları, kullanılan ürünleri, ürünlerin üretim metotlarını etkilediği kaçınılmaz bir gerçektir. Fosil yakıtların azalması ile yenilenebilir biyokütle kaynaklı yakıtlara ve yakıtların kimyasal özelliklerini değiştirerek daha verimli olmasını sağlayan, emisyonlarını azaltan yakıt katkı maddelerine olan talep de bu sebeple artmıştır. Önemli yakıt katkı maddelerinden biri olan etil levulinatın üretiminin lignoselülozik biyokütleden sentezlenebilen levulinik asit ve biyokütle kaynaklı üretimi yapılabilen etanolden sentezleniyor olması da yeşil proses olarak adlandırılmasını ve sürdürülebilir bir ürün ortaya koyulmasını sağlamaktadır. Çevresel olarak faydalı ve ticari olarak değeri olan etil levulinatın, çeşitli katalizörler ve çeşitli biyo kaynaklarla üretimi için pek çok farklı üretim prosesi literatürde araştırılmıştır. Homojen katalizörlerle kesikli reaktörlerde üretimi ve membran kullanımı bu yöntemlerden bazılarıdır. Bunlardan birisi de etil levulinatın reaktif distilasyon kolonu kullanarak levulinik asit ve etanolün denge reaksiyonundan sentezidir. Reaktif distilasyon kolonları, hem reaktör ve distilasyon kolonunun işlevini bir arada yerine getirirken; hem de azeotropik karışımların ayrılmasını kolaylaştırarak enerji kazanımı sağlar. Kullanılan katalizör miktarının da azaltılmasına destek olurken; yatırım ve proje maliyetlerini düşürerek proses yoğunlaştırma çalışmalarına yardımcı olur. Etil levulinatın reaktif distilasyon kolonunda üretimi için yapılan tasarım çalışmalarında, genellikle denge reaksiyonunun ileri yönde kaymasını sağlamak için fazladan reaktan kullanılmaktadır. İki reaktan-iki ürün reaksiyon sisteminde olan denge reaksiyonunda hem levulinik asitin fazladan beslenmesi hem de etanolün fazladan beslenmesi üzerine çalışmalar mevcuttur. Bu çalışmalardan biri de Novita ve çalışma arkadaşları tarafından 2018 yılında yayınlanan makalede sunulan etanol fazlası ile etil levulinat üretimi için reaktif distilasyon kolonu tasarımıdır. Bu tezin amacı etanol ya da levulinik asit fazlası kullanılmadan Novita ve çalışma arkadaşları tarafından sunulan reaktif distilasyon kolonu tasarımının maliyet bakımından iyileştirilmesidir. Bunun yanında ilk kolonda ortaya çıkan 100 kmol/h debili atık suyun kullanılması için bir tasarım ortaya koyulması amaçlanmıştır. İlk kolonun distilatından elde edilen su açısından zengin akımdaki suyun etilen oksit ile olan etilen glikol sentez reaksiyonu ikinci reaktif distilasyon kolonunda gerçekleşmektedir. Bu reaksiyon sonucunda proseste ortaya çıkan atık miktarı azaltılırken, aynı zamanda katma değerli bir kimyasal üretimi sağlanmıştır. Etilen glikol esas olarak soğutucularda ve motorlu taşıtlarda antifriz olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle ticari değeri yüksek olan bir kimyasal olduğu söylenebilmektedir. İki adet ardışık reaktif distilasyon kolonundan oluşan proseste; ilk kolonun tasarım parametreleri Novita ve çalışma arkadaşları tarafından yayınlanan çalışmadan baz alınmış, besleme noktası, kolonun toplam raf sayısı, işletme ve tasarım spesifikasyonları değiştirilerek daha optimize bir tasarım sağlanmıştır. Her iki reaktif distilasyon kolonunun tasarımı için kolonların raf sayısı, reaktan besleme rafları ve reaktif raf sayıları değiştirilerek optimum değerler belirlenmiştir. Kolon tasarımı simüle edilirken Aspen Plus V12.1 kullanılmış, distilasyon kolonu olarak RADFRAC tercih edilmiştir. İlk kolonda karar ağacından faydalanılarak NRTL-HOC termodinamik modeline karar verilirken; ikinci kolonda da NRTL termodinamik modeli kullanımına karar verilmiştir. Ekonomik analiz ise toplam yıllık maliyet yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Toplam yıllık maliyet işletme ve yatırım maliyetlerinin hesaba katıldığı bir maliyet hesaplama yöntemidir. Toplam yıllık maliyet hesabında yıllık operasyon süresi 8000 saat, geri ödeme süresi üç yıl olarak seçilmiştir. Aspen'de yer alan duyarlılık aracı sayesinde raf sayısı, besleme rafı ve reaktif bölge raf sayısı değişkenlerinin farklı kombinasyonları denenmiştir. Reaktif bölgedeki rafların başlangıç ve bitiş noktalarına karar verilirken ilk kolonda kullanılan Amberlyst 39 katalizörünün 130°C sıcaklığa kadar olan dayanımı göz önüne alınmıştır. Sıcaklık profili incelenerek reaktif rafların 130°C altındaki raflarda olmasına dikkat edilmiştir. Besleme raflarının, kolonun toplam raf sayısının ve zenginleştirme ve sıyırma bölgelerinin raf sayısının kaynatıcı ısıl yükü ve toplam yıllık maliyet üzerindeki etkisi incelenmiştir. Elde edilen değerlerden nihai durum maliyet hesabı yapılarak optimum değerlere karar verilmiştir. Belirlenen optimum prosesin yatırım maliyetleri 1032,39x10³$, işletme maliyetleri 741,70x10³$ ve toplam yıllık maliyeti 1085,84x10³$ olarak hesaplanmıştır. Bu toplam yıllık maliyet, Novita ve çalışma arkadaşları tarafından sunulan prosesin maliyeti ile karşılaştırıldığında, toplam yıllık maliyetin %18 azaltıldığı görülmüştür. Aynı zamanda üretilen etilen glikol katma değeri toplam yıllık maliyet hesabı içerisinde yer almasa da prosesin karlılığı açısından ek bir katkı sağlamaktadır. Son ürünün istenen saflıkta kaldığına emin olmak ve bozan etkenlere karşı prosesin güvenliğini sağlamak için bir kontrol yapısı önerilmiştir. Proseste on üç adet vana bulunmaktadır. Önerilen kontrol yapısında on üç adet manipüle edilen değişken bulunmaktadır. Kontrol yapısında iki basınç kontrol edici, dört seviye kontrol edici, dört debi kontrol edici ve üç sıcaklık kontrol edici kullanılmıştır. Tüm seviye kontrol ediciler oransal kontrol edici, debi ve sıcaklık kontrol edicileri ise oransal-integral kontrol edicilerdir. Dinamik model simüle edilirken Aspen Plus Dynamics V12.1 kullanılmıştır. Sıcaklık kontrolcüsünün yerleştirileceği rafların seçiminde eğim kriteri, duyarlılık kriteri ve tekil değer ayrıştırma analizi yöntemleri kullanılmıştır. Yerleştirilecekleri raflar belirlenen sıcaklık kontrol edicilerin nihai kazanç ve nihai periyotları kapalı çevrim ATV testi kullanılarak bulunmuştur. Tyreus-Luyben eşitlikleri ile de kazanç ve integral zamanı hesaplanmıştır. Kontrol yapısının gürbüzlüğünün incelenmesi için levulinik asit besleme miktarına ±%20, etanol saflığına ise %5 bozan etken verilmiştir. Bozan etkenlere sistemin verdiği tepkiler incelenmiştir. Sonuç olarak optimum tasarımda iki reaktif distilasyon kolonu kullanılmış; ilk kolonda 100 kmol/h debili levulinik asit ve 100 kmol/h debili etanolün reaksiyonundan %99,5 saflıkta 100 kmol/h debide etil levulinat elde edilmiştir. İkinci kolonda ise ilk kolondan elde edilen %99,5 saflıkta 100 kmol/h debili su ile su debisi ile orantılı beslenen etilen oksitin reaksiyonundan %99,7 saflıkta 100 kmol/h debide etilen glikol elde edilmiştir. Prosesin kontrol yapısının dinamik davranışı incelendiğinde ikinci kolon alt akımından elde edilen etilen glikol saflığı dışındaki tüm parametrelerin ilk 3 saat içinde yeni yatışkın hal değerine ulaştığı görülmüştür. Etilen glikol saflığının da 20-25 saat sonrasında kararlı hale ulaştığı sonucuna varıldığından kontrol yapısının prosesin kontrolü için uygun olduğu sonucuna varılmıştır.
Fabrication of enhanced core-shell CO-ZIF-67@MOX (M = ZN, MN and K) nanocomposites via intermediate pyrolysis and plasma treatment for fischer tropsch synthesis

(Graduate School, 2023-06-13) Aydemir, Yavuz ; Sarıoğlan, Alper ; 506211029 ; Chemical Engineering

In this work, catalyst performance was evaluated with product selectivity, deactivation, and CO conversion values. Among the low-temperature pyrolysis catalysts, CoZ@600 showed the highest overall average CO conversion with a value of 31,3%. Plasma-treated catalysts showed higher initial CO conversion but they were deactivated fast which means non-plasma-treated catalysts were more stable than the plasma-treated ones. For all group II catalysts, initially, high CO conversions were observed. As in the case of group I catalysts, the highest CO conversions were achieved over plasma-treated catalysts. Among the group II catalysts, P_CoZ@900 has shown the highest overall average CO conversion with 26,1% in 40h time on stream. Moreover, last but not least, a stepwise decrease in CO conversion was observed for P_CoZ@900. When the product selectivities were evaluated, whatever the pyrolysis temperature is, plasma-treated samples have shown higher olefin selectivity. Among all the 12 catalysts, CoZ@500 and CoZ@600 showed the highest overall average C2-C4 paraffin and C5+ selectivities. After deductions from not only CO and H2 conversions but also product selectivity, CoZ@600 gave the most promising results. Due to this outcome, coating with Zn, Mn and K was applied to CoZ@600. Among the coated catalysts, CoZ@600-ZnOx has shown promising results not only with 34,9% CO and 38,4% H2 conversion but also with 21,4% C2-C4 paraffin and 30,3% C5+ selectivity on average. Therefore, considering the aim of the study to contribute literature to reduce dependence on crude oil and meet the world's fuel requirements, CoZ@600-ZnOx has been evaluated as one of the most proper candidate catalysts for the production of long hydrocarbon chains.
Farklı asitlere katkılanmış polianilinin sentezi sentezi, karakterizasyonu ve süperkapasitör uygulaması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022) Çelenk Metin, Merve ; Güner, Fatma Seniha ; Türker, Yurdanur ; 737882 ; Kimya Mühendisliği Bilim Dalı

Fosil yakıt kaynaklarının hızla tükenmesi ile birlikte günümüzde sürdürülebilir, çevre dostu enerji sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kaynakların etkili bir biçimde kullanılabilmesi için üretilen enerjinin minimum kayıpla ve maksimum nitelikle depolanması gerekmektedir. Bu durum ise enerji depolama sistemlerine olan ihtiyacı zaruri kılmaktadır. Tipik bir enerji depolama sürecinde, bir tür enerji depolanır ve gerektiğinde kullanılmak üzere başka bir enerji çeşidine dönüştürülür. Bu nedenle, farklı enerji kaynaklarının doğru kullanımına yönelik çeşitli enerji depolama sistemleri geliştirilmektedir. Enerji depolama sistemlerinden biri olan süperkapasitörler, mükemmel çevrim ömrü, yüksek güç yoğunluğu ve hızlı şarj-deşarj süreci gibi umut verici özelliklerinden dolayı yaygın olarak kullanılmaktadır. Süperkapasitörlerin performansı; malzeme tasarım stratejilerinin, sentez tekniklerinin, karakterizasyon metodolojilerinin ve farklı elektrot/elektrolit malzemelerinin geliştirilmesiyle hızla ilerlemektedir. Süperkapasitörler temel olarak elektrikli çift katmanlı kapasitörler (EDLC'ler) ve psödokapasitörler olarak sınıflandırılabilir. Çift katmanlı süperkapasitörler elektriği elektrostatik olarak depolar, başka bir deyişle, süreç temel olarak elektrolit ve elektrotlar arasındaki arayüzlerde iyon adsorpsiyonundan kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, psödokapasitans, hızlı geri dönüşümlü faradayik elektrokimyasal reaksiyonlara dayanır. Çift katmanlı süperkapasitör mekanizmasında karbon nanotüpler (CNT'ler), grafen ve aktif karbon gibi çeşitli karbon bazlı malzemeler elektrot malzemeleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Karbonlu malzemeler süperkapasitör uygulamalarında yaygın olarak kullanılmasına rağmen, kapasitans değerleri psödokapasitans sergileyen iletken polimerlere kıyasla nispeten düşüktür. Polianilin (PANI), polipirol (PPY) ve poli (3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT) gibi psödokapasitif malzemeler, zahmetsiz işlenmesi, kolay sentezlenmesi, hafifliği ve düşük maliyeti sayesinde son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Bu polimerler arasında PANI çevre dostu olması, yüksek iletkenliği, kimyasal kararlılığı ve çok çeşitli uygulamalarıyla büyük ilgi görmüştür. PANI bazlı elektrot malzemesinin yükleme/boşaltma işlemi, polimer ve elektrolit arasındaki iyon değişiminin eşlik ettiği tipik bir doping/de-doping işlemidir. Sentez esnasında farklı kimyasal yapılara sahip katkı maddelerinin kullanılmasının yüzey morfolojisi, çözünürlük, kristalinite derecesi, moleküler ağırlık ve iletkenlik gibi çeşitli özellikleri değiştirdiği bilinmektedir. Bu çalışmada, süperkapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanılmak üzere PANI bazlı iletken polimerler, farklı asit katkı maddeleri (HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4, HClO4) kullanılarak kimyasal oksidatif polimerizasyon yoluyla sentezlenmiş ve asit katkısının polimerin elektrokimyasal özelliklerine katkısı incelenmiştir.
Farklı demir öncüllerinin ve seryum fonksiyonlarının FT-olefin performansına olan etkilerinin incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-02-23) Bilgin, Deniz ; Gür Gümüşlü, Gamze ; 506201009 ; Kimya Mühendisliği

Pek çok endüstriyel ürün grubunda hammadde olarak kullanılan hafif olefin ailesine ait etilen, propilen ve bütilen gibi kimyasallara olan talep giderek artmaktadır. Petrol ve petrol türevi hammaddelerden elde edilen hafif olefinler, petrol rezervlerinin hızla tükenmesi ve prosesin atmosferde sera gazına yol açması gibi ana nedenlerden dolayı hafif olefinlerin alternatif yöntemler ile üretimini gerekli kılmaktadır. Petrol dışı hammaddelerden elde edilen sentez gazının, Fischer-Tropsch sentezi yöntemiyle hafif olefinlere dönüştürülmesi ülkemiz açısından da cazip bir alternatif oluşturmaktadır. "Temizlenmiş Sentez Gazından Hafif Olefin Üretimine Yönelik Katalizör ve Reaktör Geliştirilmesi" adlı TÜBİTAK 1003 ARDEB projesi bu kapsamda faaliyete geçmiş ve yapılan çalışmalar İTÜ Sentetik Yakıtlar ve Kimyasallar Teknoloji Merkezi'nde yürütülmüştür. Aynı zamanda, Fischer-Tropsch sentezi için üretilen katalizörlerin aktivite testleri, İTÜ Sentetik Yakıtlar ve Kimyasallar Teknoloji Merkezi'nde var olan yüksek basınçlı sabit yataklı reaktör sisteminde gerçekleştirilmiştir. Fischer-Tropsch Sentezi (FTS), hidrojen ve karbon monoksit reaktan elemanları içeren sentez gazından, su ve pek çok hidrokarbon ürün seçiciliğine sahip kimyasallar üreten katalitik bir sentez işlemidir. Sentez gazı kullanılan diğer hafif olefin (LO) üretim proseslerinin aksine Fischer-Tropsch reaksiyonu, sentez gazından direkt olarak LO eldesine olanak vermektedir. Fischer-Tropsch Olefin (FTO) prosesi olarak adlandırılan bu yöntem, ürün dağılımı ve seçiciliklerini kontrol edebilmek bilimsel araştırmalarda oldukça yer bulan bir konudur. Arzu edilen ürün zincir uzunluğuna göre FTS, yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklıkta uygulanabilmektedir. Bu çalışmada amaç LO elde etmek olduğundan, yüksek sıcaklıkta FT işlemi gerçekleştirilmektedir. Ancak sadece sıcaklığı kontrol etmek, istenilen ürün seçiciliğinin elde edilmesinde yeterli gelmemektedir. FTO yönteminde ürün seçiciliğini sağlayan en önemli faktörlerden birisi de kullanılan katalizörlerdir. FTS yoluyla sentez gazından direkt olarak hafif olefin üretiminde ilerlemeler kaydedilmiş olsa da, arzu edilen ürün dağılımı ve seçicilikleri, hâlâ önemli bir problem olarak kalmaktadır. Bu problemi aşmanın en verimli yolu, yeni tip katalizörler tasarlayıp geliştirerek hafif olefin seçiciliğini iyileştirmekten geçmektedir. Literatürde en yaygın FT katalizörleri, periyodik cetvelin 8B grubunda yer alan kobalt, nikel, rutenyum ve demir elementlerini içermektedir. Demir içerikli katalizörler, düşük maliyetleri nedeniyle diğer metallere oranla daha çok tercih edilmektedir. Katalizördeki demir aktif metali, diğer metaller ile kıyaslandığında hafif olefinlere karşı yüksek seçicilik göstermekle beraber düşük H2/CO oranında çalışabilmektedir. Öte yandan, katalizör yapısındaki aktif metale ek olarak katalizörün aktivitesine, stabilitesine ve ürün seçiciliğine etkiyen yardımcı maddeler de yer almaktadır. Bunlar destek maddeleri ve promotörlerdir. Destek maddelerinin katalizörün yüzey alanını artırarak aktif metalin yüzeyde iyice yayılmasını sağlaması ve bu sayede FTS aktivitesinin daha etkin bir şekilde gerçekleştirmesi mümkün olmaktadır. Bu anlamda ZrO2, katalizörde iyi bir kimyasal stabilite sergilemesi, CO dönüşümünü arttırması ve ikincil hidrojenasyon oranını düşürmesi nedeniyle FT katalizörlerinde destek maddesi olarak öne çıkan bir geçiş metali oksitidir. Katalizördeki aktif metal oranından epey düşük miktarlarda eklenen promotörler ise, genellikle ürün seçiciliğine etki etmektedir. Seryumun bu bağlamda hem promotör olarak hafif olefin seçiciliğini artırdığı, hem de katalizörde destek maddesi olarak iyi bir aktivite sağladığı yapılan çalışmalarda görülmektedir. Bu tez çalışmasında da seryumun her iki özelliğinden faydalanmak amaçlanmıştır. Seryum, katalizöre farklı fonksiyonlara sahip şekilde farklı metotlarda eklenerek FTO performansına etkileri gözlemlenmiştir. Tez çalışması kapsamında, sabit yataklı bir reaktörde katalizörlerin 350°C'de 4 saat boyunca reaksiyon öncesi indirgeme işlemleri yapılmıştır. Sonrasında 310°C'de H2/CO oranı 2:1 olacak şekilde sentez gazı beslenmiş ve 10 bar basınç altında reaksiyon deneyleri gerçekleştirilerek, katalizörlerin FTO performansları ölçülmüştür. İlk aşama deneylerde, iki farklı demir öncülü (amonyum demir sitrat (AIC) ve ferrik nitrat (FN) tuzları) kullanılarak katalizörler sulu impregnasyon yöntemiyle hazırlanmıştır. İkinci aşamada, daha yüksek CO dönüşüm ve hafif olefin seçiciliği veren AIC öncüllü katalizörler seçilerek, Ce'nin farklı işlevlerde kullanıldığı katalizörler sentezlenmiştir. Hazırlanan bu Fe bazlı katalizörlerde Ce, promotör (FeCe/Zr), destek geliştirici (Fe/Ce-Zr) ve katkı maddesi (Fe/Ce d Zr) olarak kullanılmıştır. İlk adımda, ZrO2 ile desteklenen farklı demir öncüllü katalizörlerin FT aktivite performans karşılaştırılması yapılmış, Ce'nin bu öncüllerle FTO performansı üzerindeki ilişkisi incelenmiştir. Deneysel sonuçlara göre, Ce ilavesiz AIC ve FN öncülleriyle hazırlanan katalizörlerin LO seçicilikleri benzer özellik göstermiştir. Fe/Zr ve FeNit/Zr katalizörlerinin LO seçicilikleri sırasıyla % 7.61 ve % 8.25'dir. Bunun yanında ZrO2 destek maddesine Ce ilavesi, her iki Fe öncülü için de LO seçiciliğini geliştirici bir etki yapmıştır. Ce-Zr destek maddesine AIC öncüllü Fe eklenen Fe/Ce-Zr katalizöründe, LO seçiciliği %28'e yükselmiştir. Aynı şekilde Ce-Zr destek maddesine FN öncüllü Fe eklenen FeNit/Ce-Zr katalizöründe, LO %18.07'ye çıkmıştır. Buradan, AIC ve FN öncüllü Fe katalizörlerindeki Ce etkileşiminin, LO seçicilikleri üzerinde farklı şiddette bir davranış gösterdiği sonucuna varılmaktadır. FT aktiviteleri için Ce ilavesiz farklı Fe öncüllü katalizörler birbirlerine yakın özellik göstermiştir. Fe/Zr için CO dönüşüm oranı %66.7 iken FeNit/Zr için bu oran %67.37'dir. Fakat Ce ilavesi sonrasında, Fe/Ce-Zr katalizöründe CO dönüşümü Fe/Zr'ye göre %6 oranında artış sağlanarak %70,11 olmuştur. FeNit/Ce-Zr katalizöründe ise CO dönüşüm oranı %45,11'dir. FN öncüllü Fe katalizörlerinde Ce ilavesiz FeNit/Zr katalizörü FeNit/Ce-Zr katalizörüne göre CO dönüşümünde %33 artışı sağlamıştır. Buradan, Ce ilavesinin AIC öncüllü katalizörlerde CO dönüşümünde artış elde edilirken, FN öncüllülerde düşüş görülmüştür. İkinci aşamada ise, Ce'nin promotör, destek geliştirici ve dopant olarak 3 farklı işlevde kullanıldığı ZrO2 destekli Fe katalizörler sentezlenmiş ve çalışmada Ce'nin bu işlevlerinin, LO üretimine olan katkıları incelenmiştir. Bu aşamada Ce; promotör (FeCe/Zr), destek geliştirici (Fe/Ce-Zr) ve katkı maddesi (dopant) (Fe/Ce d Zr) olarak işlev görmüştür. Bu işlevlerin LO seçiciliğine etkilerinin araştırılması amacıyla FT aktivite testleri yapılmıştır. Deneysel sonuçlara göre, FeCe/Zr katalizörü için LO seçiciliğinin %40 oranına yaklaştığı fakat FT aktivitesinin %40 sınırında kaldığı kaydedilmiştir. Ce'nin promotör, destek gelişticisi ve dopant işlevi gördüğü 3 farklı katalizör arasından en yüksek CO dönüşümü (%70,11) Ce'nin destek geliştirici olarak kullanıldığı Fe/Ce-Zr katalizörü ile elde edilmiştir. Fe/Ce d Zr katalizörü için FeCe/Zr katalizörü ile hemen hemen aynı orandan (%39) LO seçiciliği elde edilmiş olup CO dönüşümünde FeCe/Zr'ye göre %35 oranında artış sağlanmıştır.; Bununla beraber, Ce'nin destek geliştirici işlevi gördüğünde FT aktiviteyi oldukça artırdığı ama LO seçiciliğinde diğer iki katalizöre göre %27 oranında azalış gösterdiği ortaya konmuştur. Son olarak, dopant işlevi gören Ce'nin, hafif olefin seçiciliği bakımından bir promotör etkisi göstermesinin yanında FT aktivitesini promotör etkisine göre %33 oranında iyileştirdiği sonucu elde edilmiştir. Tüm bu sonuçları destelemek ve daha iyi yorumlamak adına elde edilen katalizörlerin yapı-fonksiyon ilişkisi: XRD, H2-TPR, BET ve FTIR gibi bir dizi karakterizasyon tekniği kullanılarak analiz edilmiştir. Yapılan FT-Olefin performans deneyleri sonucunda, Ce'nin destekte dopant olarak kullanıldığı Fe/Ce d Zr katalizörü ile optimum FTS aktivitesine ve en yüksek LO seçiciliğine ulaşılmıştır.
Farklı katı yakıt türlerinin üst ısıl değerlerinin çoklu lineer regresyon, karar ağacı, random forest ve yapay sinir ağları yöntemleriyle belirlenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-12-23) Büyükkanber, Kaan ; Açma, Hanzade ; 506181022 ; Kimya Mühendisliği

İnsanlar, hayatlarının her alanında enerjiye ihtiyaç duyarlar. Bu ihtiyaçların çoğunu fosil yakıtları (doğal gaz, kömür, petrol) kullanarak karşılamaktadırlar. Geçmişten günümüze; nüfus artışı, teknolojik gelişmeler ve hızlı sanayileşme fosil yakıt tüketimini arttırmıştır. Kömür; dünya üzerindeki dağılımı, kullanım ve depolama kolaylığı bakımından emniyetli ve güvenli oluşu, fiyat istikrarı ve şu anki üretim seviyeleri karşılaştırıldığında diğer fosil yakıtlara göre rezerv ömrünün fazla oluşu nedeniyle geçmişte olduğu gibi bugün de önemli bir enerji kaynağı özelliğini taşımaktadır. Kömür rezervlerinin en çok bulunduğu ülkelerin başında Çin, Amerika Birleşik Devletleri ve Hindistan gelmektedir. Üç ülkenin toplam rezervi dünyadaki bütün rezervlerin yaklaşık %70'ini kapsamaktadır. Türkiye, dünyada bulunan kömür rezervleri arasında küçük bir paya sahip olsa da ülkede bulunan fosil kaynaklar içerisinde en yüksek paya sahiptir. Türkiye'de pek çok endüstri alanında, hammadde veya enerji kaynağı olarak kömür kullanımı yaygınlaşmıştır. Başlıca kullanım alanları, elektrik, ısı, çimento, tuğla, gübre ve şeker üretimi vb. olarak sıralanabilir. Kömürün kalitesinin ölçütleri içerisinde ısıl değer başta gelmektedir. Isıl değeri yüksek olan bir kömürün yakılmasıyla ortaya çıkacak enerji de fazla olur. Rezerv olarak aynı bölgede bulunan kömürlerin özellikleri de farklılık gösterebilir. Özellikle, elektrik üretiminin gerçekleştiği büyük miktarda kömür yakılan termik santrallerde aynı ısıl değere sahip kömürlerin yakılması verim ve sürdürülebilirlik açısından önemlidir. Sürekli çalışan sistemlerde kömürün aynı ısıl değerde sisteme beslenebilmesi için kömürün ısıl değeri en kısa sürede belirlenmelidir. Kömürün içerdiği nem ve inorganik maddelerin oksitlenmesi neticesinde oluşan kül ve kükürt istenmeyen kısımlarıdır. Yüksek nemli kömürlerde farklı kurutma yöntemleri uygulanmaktadır. Kömürün külünü azaltmak için lavvarda yıkamak gibi farklı yöntemler mevcuttur. Kısa analiz (uçucu madde, nem, kül ve sabit karbon), ASTM D7582-15 standardı uygulanarak gerçekleştirilir. Kömürdeki elementel hidrojen, oksijen, karbon, kükürt ve azot miktarları ASTM D5373-16 ve D4239-18 standardtlarına göre belirlenir. Sürekli çalışan yakma sistemlerinde bu analiz yöntemlerinin uygulanabilmesi için homojen numune alınması, tane boyutunun 250 mikrometrenin altına indirilmesi gereklidir ve bu analizler belirli bir süre almaktadır. Sürekli çalışan yakma sistemlerinde bu analizler için geçen süre çok önemlidir. Kömürün daha önce yapılmış kısa analiz ve elemental analizlerine dayanarak ısıl değeri bu süreye ihtiyaç kalmaksızın tahmin edilebilir. Ayrıca yakma sistemlerinin tasarımında, esnek yakıt seçiminde farklı kalitedeki katı yakıtların ısıl değerlerine ihtiyaç vardır. Bu çalışma kapsamında turba, linyit, taşkömürü, antrasit kömür numuneleri ile birlikte asfaltit, petrokok ve biyokütleden elde edilen yarıkok numuneleri kullanılmıştır. Sürekli çalışan sistemlerde yakıtların ısıl değerlerini kısa sürede belirlemek için alternatif hesaplama yöntemleri (doğrusal ve doğrusal olmayan) kullanılmaktadır. Bu yöntemler içerisinde, makine öğrenimi metodolojileri olarak da bilinen yapay zeka tabanlı yöntemlerin kullanılması, hızlı ve yüksek hassasiyetli tahminler yapılmasını sağlayacaktır. Bu çalışmada, çoklu lineer regresyon, karar ağacı, random forest ve yapay sinir ağları yöntemleri kullanılmıştır. Breiman tarafından önerilen random forest, torbalama tabanlı bir topluluk öğrenme yöntemidir ve algoritması, ilerici ve uyarlanabilir bir şekilde bilinen girdi-çıktı ilişkilerinin kalıpları ile eğitime dayalıdır. Bu yaklaşım, birkaç karar ağacını birleştirir ve eğitim setindeki küçük bozulmalara karşı hassasiyeti önler. Ayrıca değişkenler arasındaki doğrusal olmayan ilişkileri ortaya çıkarmada kolaylık sağlar. Diğer makine öğrenimi algoritmalarından farklı olarak, yüksek boyutlu, dengesiz ve gürültülü verilere karşı yüksek tahmin doğruluğu sağlar ve fazla uyumlu model oluşturulmasının önüne geçer. Ancak, yapay sinir ağları (ANN) eğitim aşamasında aşırı uyum sağlamaya eğilimlidir. ANN'ların ve yapay zeka tabanlı regresyon tekniklerinin aksine, RF aşırı uyum (overfitting) sorununa yol açmaz. RF algoritması girdi rastgeleliği sunar ve çoklu karar ağaçlarının bir kombinasyonudur, bu da RF'yi diğer modelleme algoritmalarına kıyasla fazla uyumluluğa daha az eğilimli hale getirir. Bununla birlikte, karar ağaçlarında büyük bir ağaç yapısının aşırı uyumla sonuçlanabileceği ve bu nedenle fazla dalların çıkarılması gerektiği de bildirilmektedir. RF algoritması, çok boyutlu problemleri çözmek için güçlü bir yöntemdir. Bununla birlikte, RF çalışmalarının çoğu, genellikle dar aralıklarda değişen çok sayıda veri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, Türkiye, Ukrayna, Rusya, Kolombiya, Güney Afrika, Finlandiya ve ABD'den sınırlı sayıda (turbadan antrasite kadar sıralanmış 85 kömür örneği ve birer adet petrokok, asfaltit ve biyokütle yarıkoku) numunenin kalorifik değer, kısa ve elementel analizleri gerçekleştirilmiştir. Tahmini doğrulamak için, verilerin %70'i modeli eğitirken ve %30'u test ederken kullanılmıştır. RF ile yapılan çalışmalar neticesinde, altı parametreli (sabit karbon, uçucu madde, kül, C, H, ve S içerikleri) ve tek parametreli (C içeriği) modeller, sırasıyla 0,968 ve 0,961 R2 değerleriyle karşılaştırılabilir tahmin performansları vermiştir. RF yönteminin tahmin performansını kontrol etmek için yapay sinir ağı, karar ağacı ve çoklu doğrusal regresyon yöntemleri de test edilmiş ve uyumlu sonuçlar bulunmuştur. Tek değişkenli bir karbon modelini bile kullanan RF yönteminin, örnek özelliklerinin geniş aralıklarda değişmesine ve veri sayısının sınırlı olmasına rağmen tatmin edici bir tahmin sağlayabileceği sonucuna varılmıştır.

Gözat

Başlık ile LEE- Kimya Mühendisliği-Yüksek Lisans'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri