|
|
Utilization of Heat in Biodegradation Processes as Electricity Savings Potential
Kuběna, Michael ; Šejvl, Radovan (referee) ; Baxant, Petr (advisor)
The present thesis deals with a non-traditional use of biomass–in particular the use of heat generated by the biodegradation processes, involving the degradation of organic substances. The theoretical part of the thesis discusses common uses of biomass in general first, later focusing on the description of biodegradation processes. Various types of bioreactors, in which biodegradation processes take place, are also briefly examined. Moreover, modern systems using this type of heating are described. The practical part focuses on the construction of a bioreactor with the system of heat dissipation. The bioreactor was monitored with temperature sensors to survey the ongoing processes inside the bioreactor and to determine the appropriate time to abstract the heat.
|
|
|
Controlled Production and Degradation of Selected Biomaterials
Obruča, Stanislav ; Demnerová, Kateřina (referee) ; Vávrová, Milada (referee) ; Němec, Miroslav (referee) ; Márová, Ivana (advisor)
Předložená disertační práce se zabývá studiem produkce a degradace polymerních materiálů s využitím mikroorganismů. Hlavní pozornost je upřena ke studiu produkce polyesterů bakteriálního původu - polyhydroxyalkanoátů. Tyto materiály jsou akumulovány celou řadou bakterií jako zásobní zdroj uhlíku, energie a redukční síly. Díky svým mechanickým vlastnostem, kterými silně připomínají tradiční syntetické polymery jako jsou polyetylén nebo polypropylén, a také díky své snadné odbouratelnosti v přírodním prostředí, jsou polyhydroxyalkanoáty považovány za ekologickou alternativu k tradičním plastům vyráběným z ropy. Polyhydroxyalkanoáty mají potenciál najít řadu aplikací v průmyslu, zemědělství ale také v medicíně. Významná část předložené práce je zaměřena na produkci polyhydroxyalkanoátů z odpadních substrátů pocházejících především z potravinářských výrob. Testována byla odpadní syrovátka nebo odpadní oleje z různých zdrojů. Právě využití levných odpadních substrátů je strategií, která by mohla přispět ke snížení ceny polyhydroxyalkanoátů a tím usnadnit jejich masové rozšíření. Podle výsledků dosažených v této práci jsou právě odpadní olejové substráty velice perspektivní cestou k ekonomicky rentabilní biotechnologické produkci polyhydroxyalkanoátů. Další část předložené práce se zabývá studiu spojení metabolické role polyhydroxyalkanoátů a stresové odpovědi bakterií. V této práci bylo zjištěno, že expozice bakteriální kultury řízené dávce etanolu nebo peroxidu vodíku významně navýší dosažené výtěžky a to o přibližně 30 %. Po aplikaci výše zmíněných stresových faktorů došlo k aktivaci metabolických drah vedoucí k odbourání stresového faktoru z média. Výsledkem bylo navýšení poměru NAD(P)H/NAD(P)+, což vedlo k částečné inhibici Krebsova cyklu a naopak aktivaci biosyntetické dráhy polyhydroxyalkanoátů. Mimoto došlo k významnému navýšení molekulové hmotnosti výsledných materiálů. Podle těchto výsledků se regulovaná aplikace vhodně zvolených stresových podmínek zdá být zajímavou strategií, která vede nejen k navýšení celkových výtěžků, ale také významnému zlepšení vlastností polymeru. Poslední část disertační práce se zabývala studiem procesu biodegradace polyuretanových materiálů. Polyuretanové eleastomery byly modifikovány rozličnými biopolymery za účelem navýšení jejich biodegradability. Tyto materiály byly posléze vystaveny působení směsné termofilní kultury jako modelového systému, který simuluje přirozené konsorcium bakterií. Přítomnost testovaných materiálů v kultivačním médiu vedla k neobvyklým růstovým charakteristikám bakteriální kultury. V průběhu prvních několika dní byl růst kultury silně inhibován, nicméně po překonání této neobvykle dlouhé lag-fáze došlo k intenzivnímu nárůstu kultury. Hlavní podíl na hmotnostním úbytku testovaných materiálů během experimentů měl samovolný rozpad materiálů, nicméně byl pozorován i vliv bakteriální kultury, kdy míra biotické degradace závisela na použitém modifikačním činidle. Nejvyšší míra biotické degradace byla pozorována u polyuretanového materiálu modifikovaného acetylovanou celulózou. Lag-fáze byla způsobena uvolněním nezreagovaného katalyzátoru (dibutylcínlaurát) a polyolu do kultivačního média. Bakteriální kultura se však po čase dokázala na přítomnost toxických látek v médiu adaptovat nebo je dokázala eliminovat.
|
|
|
Biodegradable bone implants based on iron
Müller, Petr ; Kazda, Tomáš (referee) ; Sedlaříková, Marie (advisor)
The present work deals with the comparison of the properties of metallic biomaterials in terms of their suitability for use as a temporary metal implant. In the work is judged biocompatibility of materials, they are comparing the corrosion rates and the influence of additives in the iron alloy to change biocompatibility and corrosion rate. In a part of this work is suggesting a method of preparing biodegradable metallic samples with different alloying elements and determine the methods, processes and measuring the corrosion rates. Part of this work is the chapter dealing with the function and effect of iron in the human body and any complications that may occur when a surplus caused by the release of part of the implant during its degradation or corrosion products. The outcome of this work is sort of created an iron-based samples in terms of their electrochemical corrosion potential, corrosion rate of samples exposed in various corrosive solutions, spectroscopic elemental analysis and outputs from the microscopic observation of the structures.
|
|
|
The possibilities of green algae removal from concrete structures
Cochlárová, Milena ; Ptáček, Petr (referee) ; Opravil, Tomáš (advisor)
This master´s thesis deals with the suppression of algal growth on concrete structures. The subject of the work is to design and coatings their own structural concretes containing protective element in order to inhibit the growth of algae. As the coating are tested commercially avaiable and newly created systems. Testing systems are based on the portland cement and chelates of metal (Cu, Ni, Co, Mn, Zn, Al).
|
|
|
Study of biodegradation of poly(hydroxy alkanoates).
Wurstová, Agáta ; Přikryl, Radek (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
The master‘s thesis is focused on the study of biodegradation of polyhydroxyalkanoates, namely polymer polyhydroxybutyrate. The first part of the thesis is focused on the study of biodegradation of polyhydroxybutyrate in the form of crystalline granules of PHB and PHB films using selected species of microorganisms from bacteria, yeasts and fungi. As a representative of bacteria was chosen microorganism Delftia acidorovans, as yeast was selected Aureobasidium pullulans and Aspergillus fumigatus as fungi. PHB depolymerase activity was measured employing turbidemtiric method with suspension of PHB granules as substrate. The results showed that D. acidorovans can partially degrade PHB. On the contrary A. pullulans cannot effectively degrade PHB. The most significant degradation ability revealed A. fumigatus, which was able to degrade PHB completely. Extracellular enzymes excreted by these microorganisms when cultivated on PHB materials as sole carbon sources were analyzed by SDS-PAGE. The second part of the thesis deals with the biodegradation of PHB in the form of PHB film, PHB hardened foil and PHB Nanoul fabric using standard composting test. Semi-solid cultivation showed positive results. In the interval from 14 days to two months were all forms of the PHB completely biodegraded. With semi-solid cultivation was also studied biodegradation rate of the polyurethane elastomeric films which were modified by partial replacement of polyester polyol by PHB. The test samples were prepared using PHB from Sigma and the PHB samples prepared at the Faculty of chemistry VUT. Samples with different concentrations of the dispersed PHB (1 %, 5 % and 10 %) in the polyurethane were also object of the study. At the end of the cultivation (after 2 months) were measured mechanical properties in tension of the material, then efficiency of biodegradation by gravimetric analysis and modification of the material surface by microscopic analysis.
|
|
|
Modification of concrete elements for cooling towers
Mohelská, Lucie ; Šoukal, František (referee) ; Opravil, Tomáš (advisor)
This master´s thesis deals with the suppression of the growing of algae in cooling towers. Subject of the work is suggestion and testing surface modification of the existing mature concrete in order to suppress the growth of algae. In the frame surface modification, several commercially available and newly developed systems were tested. Testing systems are based on the basis of portland cement, geopolymers or formation of insoluble complex compounds containing metal elements (Zn, Cu). Experimental methods were applied in the real environment of cooling towers of Dukovany Nuclear power plant.
|
|
|
Biodegradability of bacterial natural and modified polyesters and their composites
Pala, Martin ; Babák, Libor (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
Presented work was focused on biodegradability of bacterial natural and modified polyesters and their composites. The first part of the work was focused on study of influence of PHA granules structure on their biodegradability using selected enzymes and influence of physiological conditions on PHA stability. Overall, tested polymer either in crytalinne or amorphous phase seems to be rezistent to attack of seleced hydrolytic enzymes such as lipases or proteases and is stable in simulated physiological fluids as well. Because of thies results, it is possible to use tested PHA materials in biomedical applications requiring rather resistant biomaterials. Second part of the work was focused on microbial degradation of modified PHA materials considering their potential environmental impact. Both mixed thermophillic culture originaly used in wastewater treatment plant and bacterial strain Delftia acidovorans were employed for biodegradation tests. Composites containing chlorine PHB and PHB films modified using plasticizers were tested. Films containing chlorine PHB cause inhibition of biomass growth to both tested cultures. The highest rate of degradation (31%) was observed in presence of bacterial culture with film containing 10% chlorine PHB. The results show that used microbial population is important factor affecting biodegradability.
|
|
|
Microbial Degradation of Polycaprolactone-based Materials
Damborský, Pavel ; Stratilová, Eva (referee) ; Hermanová, Soňa (advisor)
Diplomová práce se zabývá vlivem nutričních a aeračních faktorů na produkci lipáz bakterií Bacillus subtilis (CCM 1999). Produkce lipáz byla studována zejména z hlediska katalytického působení lipáz při degradaci polyesterových řetězců. Mezi studované parametry patřily: růst bakterií, lipolytická aktivita, pH optimum, teplotní optimum, tepelná stabilita, proteolytická aktivita, množství bílkovin, atd. a to v různých typech živných medií zaočkovaných Bacillus subtilis. Jedna série vzorků kultivačních médií pro BS na bázi: pepton a kvasničný extrakt (NB), pepton, kvasničný extrakt s 2% přídavkem (w/v) glukózy (NBG) a minerální médium s kvasničným extraktem (MS-YE) obsahovala jeden PCL vzorek o definovaných rozměrech (Mn = 10 kDa, = 1.4). Experimenty probíhaly po dobu 21 dnů pří rychlosti třepání 160 a 200 rpm. Přítomnost PCL způsobila v obou typech médií (NB, NBG) inokulovaných BS zvýšení lipolytické aktivity, což naznačuje, uvolnění a následné uplatnění se nízko-molekulekulárních řetězců PCL jako substrátů pro BS. BS kultivovaný v MS-YE medium vykazoval ve srovnání s NB a NBG médii nízké hodnoty lipolytické aktivity a to i v přítomnost PCL. Během experimentů se hodnota pH posunula z neutrální (pH 7.0) do alkalické (pH 8.5-9.3) oblasti a to ve všech typech médií s i bez přítomnosti PCL vzorku v důsledku metabolických pochodů BS využívajících různé substráty. Lipolytické enzymy stanovené v supernatanech bez bakteriálních buněk vykazují dvě pH optima v přítomnosti PCL, pH 7 a 9. V nepřítomnosti polymeru vykazují pouze jedno pH optimum při pH 7. Na základě měření tepelné stability bylo prokázáno, že extracelulární lipázy jsou relativně termostabilní enzymy, zejména v nepřítomnosti polymeru. Dále byla provedena základní proteomická analýza lipáz produkovaných bakterií Bacillus subtilis v NBG médiu pomocí metody peptidového mapování (PMF). Byla ověřena přítomnost proteinů s molární hmotnosti (19.3 kDa) pomocí FPLC. SDS-PAGE a IEF-PAGE prokázaly přítomnost těchto proteinů v obou studovaných mediích inokulovaných BS (NBG vs. NBG/PCL). Zásadní rozdíly proteinového složení v přítomnosti PCL nebyly potvrzeny a identifikace pomoci MALDI-TOF hmotnostní spektrometrie nestanovila žádnou lipázu. Proces degradace v PCL vzorcích byl vyhodnocen také na základě hmotnostních úbytků, které byly zjištěny ve všech typech médií inokulovaných BS pravděpodobně v důsledku synergického účinku enzymaticky-katalyzované a biotické hydrolýzy v alkalickém prostředí. . Modelová degradační studie PCL a jeho kompozitu s oxidem grafenu (2.7 hm.%, GO) byla provedena v přítomnosti bakterie Bacillus subtilis v NBG při 30 °C a počátečním pH 7 po dobu tří týdnů. Hmotností úbytky PCL filmů se postupně zvyšovaly během celého degradačního testu až ke 12 hm%. Degradace PLC/GO kompozitu probíhala pomaleji, což je prokázáno maximální hmotnostním úbytkem 5 hm%. Podobný charakter elučních křivek PCL a jeho kompozitu stanovený pomocí SEC potvrzoval snížení molární hmotnosti po degradaci.
|
|
|
Biodegradable polyurethanes based on poly(ethylene glycol)
Kupka, Vojtěch ; Žídek, Jan (referee) ; Vojtová, Lucy (advisor)
Predložená diplomová práce se zabývá syntézou biodegradabilních polyuretanu (bio-PU) na bázi polyethylenglykolu (PEG-u) a polykaprolaktonu (PCL) pro využití k medicínským úcelum. Cílem práce bylo vyvinout metodiku prípravy elastomerního polyuretanu, ze kterého by se dal v budoucnu pripravit skafold (nosic bunek) použitelný v tkánovém inženýrství pro humánní regenerativní medicínu. Teoretická cást práce shrnuje informace o materiálech využitelných pro zamýšlenou aplikaci. Zahrnuty jsou také techniky prípravy skafoldu, jejich biokompatibilita a charakterizace vlastností výsledného materiálu. Praktická cást je pak zamerena na navržení vhodné metodiky pro prípravu funkcních vzorku obsahujících PEG, PCL, hexamethylen-diisokyanát (HMDI) a ethylhexanoát cínatý jako katalyzátor. U pripravených vzorku byl zjištován vliv jejich složení (predevším ruzný obsah a molekulová hmotnost PEG-u) na botnání a hydrolytickou stabilitu spolecne s testováním mechanických vlastností, sledováním kinetiky sítování a stanovením stupne konverze. Morfologie vzorku byla sledována pomocí optické mikroskopie, chemické složení bylo potvrzeno infracervenou spektroskopií a tepelné vlastnosti byly urceny diferencní kompenzacní kalorimetrií. Vývoj v metodice prípravy ukázal, že je nezbytné odstranit pred syntézou z výchozích látek veškeré necistoty, predevším vodu a kyslík, jinak vznikaly nedokonale zreagované vzorky s velkým obsahem póru ruzných velikostí. Syntéza všech vzorku probíhala pod dusíkovou atmosférou ve dvou krocích, kdy v prvním se pouze homogenizovaly oba polyoly (PEG i PCL) na vakuové lince pri 130 °C a ve druhém pak vznikaly výsledné bio-PU za pridání HMDI pri 65 °C v inertní atmosfére manipulacního boxu. Vzorky pak byly dopolymerovány ve forme pri 65 °C pod dobu 48 hodin v sušárne. Ruzné fyzikální podmínky metodiky vedly k príprave jak nepruhledných bílých filmu, tak i vzorku s viditelnou separací fází až po flexibilní transparentní filmy. Pozorování optickým mikroskopem vzorku s fázovou separací prokázalo prítomnost sférolitické struktury krystalické fáze PCL v amorfní fázi matrice PEG-u. Sledování kinetiky sítování pomocí soxhletovy extrakce potvrdilo maximální konverzi polymerace (96 %) již za 4 h dopolymerování v sušárne. Testování zkouškou v tahu ukázalo, že výrazný vliv na pevnost v tahu má isokyanátový index (pomer NCO/OH skupin). Molekulová hmotnost PEG-u ovlivnovala pevnost v tahu jen u vzorku zcela zesítovaných. Merení botnání vzorku ve vode prokázalo, že s rustem molekulové hmotnosti PEG-u roste i obsah vody (od cca 28 až po 58 hm.%) ve vzorcích. Také degradace filmu ve vode pri 37 °C probíhala dle predpokladu rychleji u vzorku s vyšší molekulovou hmotností PEG-u. V predložené diplomové práci bylo potvrzeno, že množstvím a molekulovou hmotností polyethylenglykolu je možné rídit hydrolytickou stabilitu výsledných biodegradabilních polyuretanových elastomeru.
|
|
|
Polycaprolactone, synthesis, characterization, and degradability
Boháčová, Zdeňka ; Vojtová, Lucy (referee) ; Hermanová, Soňa (advisor)
Presented diploma thesis deals with the study of ring-opening polymerization (ROP) of caprolactone catalyzed by novel organic and organometallic compounds. In the theoretical part of the thesis a summary of polymerization strategies and catalytic/initiators systems for ROP of polyesters is overviewed on the basis of reported background research. In experimental part a series of caprolactone polymerization runs with the view of polymerization conditions (solution/monomer ratio, catalyst/initiator ratio, monomer/initiator ratio and monomer concentration) at the temperature range of 25-70 °C was carried out. The experimental study was focused on catalytic precursors based on organic carbenes (tBuNCH=CHN+tBu)CH Cl- (NHC-tBu) in tetrahydrofuran solution and complex of aluminium{O,O’-[4,5-P(O)Ph2tz]-AlMe2} Ph = phenyl, tz = triazole, (OAlMe2) in chlorobenzene solution. Obtained polymers were precisely characterized by means of 1H NMR spectroscopy (Bruker Avance), Differential scanning calorimetry (TA Instruments Q 2000) and Gel permeation chromatography (Agilent Technologies 1100 series) methods. The microbial degradability of synthesized polymer sample having Mn = 12 kg/mol, Mw/Mn = 2.5 and crystallinity degree of 53 % was examined. The polymer in the form of melt-pressed films and powder form was bacterially aged in Bacillus subtilis (BS) strain inoculated mineral and nutrient media for 42 days. Scanning electron microscopy (SEM) and Confocal laser scanning microscopy (CLSM) confirmed the crack development on the surface of films as the consequence of microbial attack in comparison with unchanged control samples. Moreover, the pink coloration of polymer suspension was observed as the consequence of bacterial activity.
|
guest ::
