Search

Biocatalysis is an emerging and important scientific filed for the asymmetric synthesis of pharmaceuticals and fine chemicals that has accomplished astonishing growth in industrial sector in recent years. For individual biocatalytic synthesis to reach its full potential, the process must be explored from the aspect of various scientific fields, including protein engineering, organic chemistry, reaction engineering, and more. The focus of this PhD thesis are halohydrin dehalogenases (HHDHs), promising and yet quite unexplored group of enzymes, and their potential for industrial-scale synthesis. Through extensive research of the existing literature, a serious lack of kinetic data in biotransformations with enzymes from HHDH group was determined. Therefore, one of the objectives of the thesis was to gain insight into kinetic characteristics of HHDH from Agrobacterium radiobacter AD1 (HheC) and develop a mathematical model in synthesis of important building blocks, since this approach may lead to the discovery of enzyme kinetic limitations and process bottlenecks, and, more importantly, enable the enhancement of process outcome through model-based simulations. The investigated reactions were kinetic resolutions for the synthesis of optically pure, fluorinated β-substituted alcohols and epoxides that represent valuable building blocks in pharmaceutical and fine chemicals industries. Ring-opening reactions of fluorinated styrene oxide derivatives, catalyzed by wild-type HheC and its variants W249P and ISM-4, were explored. Fluorinated derivatives of styrene oxide with substituents in para-position were found to be most convenient substrates for HheC based on the activity, enantioselectivity and hydrolytic stability, whereby 2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]oxirane stood out as the best option. Enzyme variant W249P, with exchanged Trp and Pro amino acids on position 249, displayed higher substrate affinity in comparison to the wild type. Hence, it was selected for further kinetic investigation. The synthesis of (R)-2-azido-1-[4-(trifluoromethyl)phenyl]ethanol was described by double substrate Michaelis-Menten kinetics, with the presence of enzyme inhibitions with reacting substrate (R)-2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]oxirane, opposite enantiomer (S)-2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]oxirane, product (R)-2-azido-1-[4-(trifluoromethyl)phenyl]ethanol, by-product rac-2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]-1,2-ethanediol, and co-solvent DMSO. Apart from numerous inhibitions and substantial hydrolysis effect, operational stability decay was found to contribute greatly to the synthesis outcome on higher concentration scale, since deactivation constant is directly correlated to the initial concentration of the substrate, 2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]oxirane. The mathematical model was developed, and process simulations were employed in process optimization. Significant improvements in process metrics were achieved by modifying reactor set-up and selecting suitable initial conditions. The optimized biocatalytic system in repetitive batch reactor led to high reaction yield and optical purity (Y = 95%, ee > 99 %). However, process should be optimized further in order to increase reaction productivity that meets the target for industrial synthesis. The existence of various enzyme inhibitions and concentration-dependent enzyme deactivation, as well as low solubility and hydrolytic instability of the substrate, makes the system convenient for the switch from aqueous to alternative media. In the second part of the thesis, the focus was on the investigation of the influences of organic solvents (OSs) on HheC catalytic and structural performances. The stability of HheC in presence of dimethyl sulfoxide (DMSO), the most used co-solvent in HHDH-catalyzed biotransformations, was found to be preserved in cases when DMSO volume ratio does not exceed 30% (v/v). In higher DMSO content, HheC is not able to retain native structure and is completely and rapidly inactivated at 50% (v/v) co-solvent. This was confirmed by the combination of experimental studies, including monitoring enzyme stability and protein size distributions during incubation with different DMSO content, together with molecular dynamic studies (MD). DMSO also proved to be a mixed-type inhibitor of HheC in the reactions of para-nitro-2-bromo-1-phenylethanol (PNSHH) dehalogenation and para-nitro styrene oxide (PNSO) ring-opening with bromide ions. The inhibitory behavior was detected by kinetic Lineweaver-Burk analysis and confirmed by MD. Likewise, DMSO was found to be inhibitor of W249P variant in (R)-2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]oxirane azidolysis during kinetic investigation. Wild-type HheC also displayed inadequate catalytic properties in presence of other tested water-miscible co-solvents, specifically dimethylformamide, methanol, isopropanol, acetonitrile, and tetrahydrofuran. In case of hydrophobic solvents, a direct correlation between HheC activity and logP value was found in PNSHH ring-closure reaction. Knowledge of such a relationship makes biocatalysis with organic solvents more predictable, which may reduce the need to experiment with a variety of solvents in the future. However, this trend was not reported for PNSO ring-opening reaction. From hydrophobic OSs, tested alkanes (cyclohexane, n-hexane, n-heptane) were found to be compatible with HheC activity and stability during incubation, indicating the preservation of high enzyme structural integrity in these biphasic systems. Chloroform and toluene displayed inhibitory properties, especially in ring-opening reaction, which is more valuable from the synthetic point of view. In comparison to the wild type HheC, thermostable variant ISM-4 performed better in presence of OSs in terms of activity, stability, and enantioselectivity. In other words, the link between thermal stability and resistance to the action of OSs was established. These results revealed that ISM-4 has excellent potential for biotransformations in organic media, and as such should be explored for future implementations. Biokataliza je važno znanstveno područje u razvoju za asimetričnu sintezu lijekova i finih kemikalija koje je postiglo zapanjujući rast u industrijskom sektoru posljednjih godina. Kako bi pojedinačna biokatalitička sinteza dosegla svoj puni potencijal, proces se mora istražiti s aspekta različitih znanstvenih područja, uključujući proteinsko inženjerstvo, organsku kemiju, reakcijsko inženjerstvo itd. U fokusu ovog doktorskog rada su halogenhidrin-dehalogenaze (HHDH), obećavajuća ali još nedovoljno istražena skupina enzima, te njihov potencijal za industrijsku sintezu. Opsežnim istraživanjem postojeće literature utvrđen je ozbiljan nedostatak kinetičkih podataka u biotransformacijama s enzimima iz skupine HHDH. Stoga je jedan od ciljeva doktorskog rada bio dobiti uvid u kinetičke karakteristike HHDH iz Agrobacterium radiobacter AD1 (HheC) i razviti matematički model za sintezu važnih građevnih blokova, budući da ovaj pristup može dovesti do otkrića kinetičkih ograničenja enzima i uskih grla procesa te, što je još važnije, omogućiti poboljšanje ishoda procesa kroz simulacije temeljene na modelu. Istraživane reakcije bile su kinetičke rezolucije za sintezu optički čistih, fluoriranih β-supstituiranih alkohola i epoksida koji predstavljaju vrijedne gradivne elemente u farmaceutskoj industriji i industriji finih kemikalija. Istražene su reakcije otvaranja prstena fluoriranih derivata stiren-oksida, katalizirane divljim tipom HheC i njegovim mutantima W249P i ISM-4. Utvrđeno je da su fluorirani derivati stiren-oksida sa supstituentima u parapoložaju najprikladniji supstrati za HheC na temelju aktivnosti, enantioselektivnosti i hidrolitičke stabilnosti, pri čemu se 2-[4-(trifluormetil)fenil]oksiran istaknuo kao najbolja opcija. Enzim W249P, sa zamijenjenim Trp i Pro aminokiselinama na poziciji 249, pokazao je veći afinitet prema supstratu u usporedbi s divljim tipom, stoga je odabran za daljnje kinetičko istraživanje. Sinteza (R)-2-azido-1-[4-(trifluorometil)fenil]etanola opisana je dvosupstratnom Michaelis-Menteničinom kinetikom, uz prisutnost inhibicija enzima sa supstratom (R)-2-[4-(trifluormetil)fenil]oksiranom, suprotnim enantiomerom (S)-2-[4-(trifluormetil)fenil]oksiranom, produktom (R)-2-azido-1-[4-(trifluormetil)fenil]etanolom, nusproduktom rac-2-[4-(trifluorometil)fenil]-1,2-etandiolom, i ko-otapalom DMSO. Osim brojnih inhibicija i značajnog učinka hidrolize, utvrđeno je da pad operacijske stabilnosti enzima uvelike pridonosi ishodu sinteze pri višim koncentracijama, budući da je konstanta deaktivacije enzima izravno ovisna o početnoj koncentraciji supstrata, 2-[4-(trifluorometil)fenil]oksirana. Razvijen je matematički model, a pri optimizaciji procesa korištene su simulacije procesa. Značajna poboljšanja u ishodu sinteze postignuta su modificiranjem tipa reaktora i odabirom odgovarajućih početnih uvjeta. Optimizirani biokatalitički sustav u repetitivnom šaržnom reaktoru doveo je do visokog iskorištenja na produktu i optičke čistoće (Y = 95%, ee > 99 %). Međutim, proces treba dodatno optimizirati kako bi se povećala produktivnost reakcije koja ispunjava ciljeve za industrijsku sintezu. Postojanje različitih inhibicija i deaktivacije enzima ovisne o koncentraciji, kao i niska topljivost i hidrolitička nestabilnost supstrata, čine sustav pogodnim za prelazak s vodenog na alternativni medij. U drugom dijelu doktorskog rada fokus je bio na istraživanju utjecaja organskih otapala (engl. organic solvent – OS) na katalitička i strukturna svojstva HheC. Utvrđeno je da je stabilnost HheC u prisutnosti dimetil-sulfoksida (DMSO), najčešće korištenog ko-otapala u HHDH-biotransformacijama, očuvana u slučajevima kada volumni udio DMSO ne prelazi 30% (v/v). Pri većem udjelu DMSO, HheC nije u stanju zadržati prirodnu strukturu te se potpuno i brzo inaktivira pri 50% (v/v) ko-otapala. To je potvrđeno kombinacijom eksperimentalnih istraživanja, uključujući praćenje stabilnosti enzima i raspodjele veličine proteina tijekom inkubacije s različitim sadržajem DMSO, zajedno s molekulsko-dinamičkim studijama (engl. molecular dynamics – MD). Prema HheC, DMSO se također pokazao kao inhibitor miješanog tipa u reakcijama dehalogenacije para-nitro-2-bromo-1-feniletanola (PNSHH) i otvaranja prstena para-nitro stiren oksida (PNSO) s bromidnim ionima. Inhibicijsko ponašanje otkriveno je kinetičkom Lineweaver-Burk analizom i potvrđeno MD analizom. Isto tako, tijekom kinetičkih ispitivanja, otkriveno je da je DMSO inhibitor W249P mutanta tijekom azidolize (R)-2-[4-(trifluorometil)fenil]oksirana. Divlji tip HheC također je pokazao neadekvatna katalitička svojstva u prisutnosti drugih testiranih ko-otapala koja se miješaju s vodom, a posebice dimetilformamida, metanola, izopropanola, acetonitrila i tetrahidrofurana. U slučaju hidrofobnih otapala, izravna korelacija između aktivnosti HheC enzima i logP vrijednosti pronađena je u reakciji zatvaranja prstena PNSHH. Saznanje o takvoj ovisnosti čini biokatalizu s organskim otapalima predvidljivijom, što može smanjiti potrebu za eksperimentiranjem s različitim otapalima u budućnosti. Međutim, ovaj trend nije pronađen u reakciji otvaranja PNSO prstena. Od hidrofobnih OS, utvrđeno je da su alkani (cikloheksan, nheksan, n-heptan) kompatibilni s HheC aktivnošću i stabilnošću tijekom inkubacije, što ukazuje na očuvanje visokog strukturnog integriteta enzima u ovim dvofaznim sustavima. Kloroform i toluen pokazali su inhibicijska svojstva, posebno u reakciji otvaranja prstena koja je vrjednija sa sintetičkog gledišta. U usporedbi s divljim tipom HheC, termostabilni mutant ISM-4 demonstrirao je bolje rezultate u prisutnosti OS u smislu aktivnosti, stabilnosti i enantioselektivnosti. Drugim riječima, za slučaj ovog enzima utvrđena je poveznica između termičke stabilnosti i otpornosti na djelovanje otapala. Ova istraživanja otkrila su da ISM-4 mutant enzima ima izvrstan potencijal za biotransformacije u organskim medijima, te bi ga kao takvog trebalo istražiti za buduće primjene.

Accessible clean water is among the highest priorities for sustainable economic growth and societal wellbeing. Water supports life and is a crucial resource for humanity; it is also at the core of natural ecosystems and climate regulation. Water stress is primarily a water quantity issue, but it also occurs as a consequence of a deterioration of water quality and a lack of appropriate water management. Environmental problems that are associated with water pollution have been a persistently important issue over recent decades, correlated negatively with the health and ecosystem. The occurrence of trace amounts of antibiotics in various bodies of water was directly linked to the development of antibiotic resistant pathogens. Over the last two decades, penicillins have been widely prescribed and used across Europe. Recently, Amoxicillin (AMX) was added to the second and third EU “watch list” based on the Decision 2018/840/EU and 2020/1161/EU, respectively. Its presence in wastewater effluents is related to limited removal by common municipal wastewater treatment plants (WWTP's) based on primary (physical) and secondary (biological) treatment. Therefore, the new remediation techniques must be implemented within the water treatment train to remove such recalcitrant substances. Advanced oxidation processes (AOPs) have gained much research attention due to their innate ability to provide effective oxidation of a wide variety of organic pollutants persistent to conventional wastewater treatment methods. AOPs effectiveness rely on highly reactive and non-selective species, primarily hydroxyl radicals (HO•). Among various AOPs, semiconductor photocatalysis greatly attracts attention due to stability of the semiconductor material and potential to use abundant solar energy to degrade organic pollutants. The most widely investigated and employed photocatalyst in water purification is TiO2. However, TiO2 suffers from the fast recombination of photogenerated charges (i.e., electron/hole pairs; e-/h+) and is only active under UV light due its wide band gap (3.0-3.2 eV), thus hindering its potential for solar-driven applications. These deficiencies can be improved by the following strategies: doping with metals and/or non-metals, dye sensitization, incorporation with carbon nanotubes, reduced graphene oxide and coupling with other semiconductors with narrow band gaps. Coupling of TiO2 with narrow band gap semiconductors with visible light response may promote synergistic effects between two semiconducting materials leading to more efficient charge separation and high photocatalytic activity under visible light irradiation. Iron oxide (α-Fe2O3, also known as hematite) is a promising candidate for coupling with TiO2, due to its abundance, low cost, stability and visible light activity due to its narrow band gap (2.0–2.2 eV). Most importantly, suitable band-edge positions of hematite promote photogenerated charge separation in TiO2 via heterojunction transfer. Despite several photocatalytic applications of Fe2O3/TiO2 composites for the removal of contaminants of emerging concern (CECs), all studies investigated their applications in the suspension system (i.e., employing a powdered form of photocatalyst), while the application of immobilized Fe2O3/TiO2 composites are scarcely reported. Moreover, treatment of AMX under solar/visible light using Fe2O3/TiO2, as well as the ecotoxicity of AMX degradation/transformation by-products is rarely explored. In this dissertation, removal of AMX in pure water was investigated using sandwich-type Fe2O3/TiO2 layered films made of commercially available nanomaterials (Part 1) and using synthesized Fe2O3/TiO2 made of pure chemical precursors (Part 2). In part 1, sandwich-type composites made of commercial TiO2-P25 and α-Fe2O3 are obtained in a form of thin films by spin coating, possessing different layer configurations, namely: (i) TiO2 layer over α-Fe2O3 (TiO2@α-Fe2O3), (ii) α-Fe2O3 layer over TiO2 (α- Fe2O3@TiO2), and (iii) physically mixed 50% (w/w) of TiO2/Fe2O3. Photocatalytic activity under simulated solar irradiation of the aforementioned composites and their pure components is investigated for the degradation of AMX in the presence and absence of persulfate (PS). In both cases, TiO2@α-Fe2O3 sandwich-type achieved the highest degradation rates of AMX and a marked effect of PS addition on the AMX degradation rate is noted. The influence of pH and PS concentration on AMX degradation rate is established by means of experimental design and response surface modeling which revealed optimum conditions at [S2O82-] = 0.334 mM and pH = 4.0. The AMX degradation mechanisms and pathways are studied by means of reactive oxygen species scavenging and identification of intermediates by liquid chromatography with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), respectively. Evolution of formed intermediates is directly correlated with an increased toxicity assessed by Daphnia magna and Vibrio fischeri assays. Furthermore, biodegradability changes are correlated with the mineralization profile of AMX solution. The influence of water matrix constituents (Cl-, CO32-, NO3-, PO43- and Suwannee river natural organic matter) on AMX degradation is established as well. In part 2, Fe2O3/TiO2 nanocomposites were fabricated via a facile impregnation/calcination technique employing different amounts of iron (III) nitrate onto commercial TiO2 (P25 Aeroxide). The as-prepared Fe2O3/TiO2 nanocomposites were characterized by X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy (RS), scanning electron microscopy/energy-dispersive spectroscopy (SEM/EDXS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Brunauer–Emmett–Teller analysis (BET), electron impedance spectroscopy (EIS), photoluminescence spectroscopy (PL), and diffuse reflectance spectroscopy (DRS). The Fe2O3/TiO2 composite possessing 5% (w/w) of Fe2O3 showed the highest photocatalytic activity in the slurry system and was thereafter successfully immobilized on glass support. Photocatalytic activity under visible-light irradiation was assessed by treating AMX in the presence and absence of additional oxidants: hydrogen peroxide (H2O2) and PS. The influence of pH and PS concentration on AMX conversion rate was established by means of statistical planning and response surface modeling. Results revealed optimum conditions of [S2O82-] = 1.873 mM and pH = 4.808; these were also utilized in presence of H2O2 instead of PS in long-term tests. The fastest AMX conversion possessing a zero-order rate constant of 1.51 × 10^−7 M·min^-1 was achieved with the photocatalysis + PS system. The AMX conversion pathway was established, and the evolution/conversion of formed intermediates was correlated with the changes in toxicity toward Vibrio fischeri. Reactive oxygen species (ROS) scavenging was also utilized to investigate the AMX conversion mechanism, revealing the major contribution of photogenerated h+ in all processes. Dostupna čista voda jedan je od najvećih prioriteta za održivi gospodarski rast i društvenu dobrobit. Voda podržava život i ključni je resurs za čovječanstvo; također je u srži prirodnih ekosustava i regulacije klime. Vodeni stres prvenstveno je uzrokovan problemom količine vode, ali se javlja i kao posljedica pogoršanja kvalitete vode i nedostatka odgovarajućeg gospodarenja vodom. Problemi okoliša povezani s onečišćenjem vode važno su pitanje tijekom posljednjih desetljeća, te su u negativnoj korelaciji sa zdravljem i ekosustavom. Pojava tragova antibiotika u raznim vodama u okolišu izravno je povezana s razvojem patogena otpornih na antibiotike. Tijekom posljednja dva desetljeća penicilini su naširoko propisivani i korišteni diljem Europe. Nedavno je amoksicilin (AMX) dodan na drugi EU „popis za praćenje” na temelju Odluke Komisije (EU) 2018/840/EU. Njegova prisutnost u otpadnim vodama povezana je s ograničenim uklanjanjem na komunalnim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda (UPOV) koji se temelje na primarnom (fizičkom) i sekundarnom (biološkom) pročišćavanju. Stoga se moraju primijeniti nove tehnike remedijacije za uklanjanje takvih tvari. Nedavno su napredni oksidacijski procesi (AOP) privukli veliku pažnju istraživanča jer osiguravaju učinkovitu oksidaciju širokog spektra organskih onečišćivala koja su otporna na konvencionalne metode obrade vode. Učinkovitost AOP-a oslanja se na visoko reaktivne i neselektivne vrste, prvenstveno hidroksilne radikale (HO•). Među raznim AOP-ima, fotokataliza uz korištenje poluvodičkih materijala uvelike privlači pozornost zbog stabilnosti primjenjenih fotokatalizatora i potencijala korištenja sunčeve energije za razgradnju organskih onečišćivala. Najviše istraživan i korišten fotokatalizator u pročišćavanju vode je TiO2. Međutim, nedostatak TiO2 je brza rekombinacija fotogeneriranih naboja (tj. parova elektron/šupljina; e-/h+) te je aktivan samo pod UV svjetlom zbog široke zabranjene zone (3,0-3,2 eV), čime se smanjuje njegov potencijal u primjeni uz sunčevo zračenje. Ovi nedostaci mogu se poboljšati sljedećim strategijama: dopiranjem metalima i/ili nemetalima, senzibilizacijom boje, ugradnjom ugljičnih nanocijevi, reduciranim grafen oksidom i spajanjem s drugim poluvodičima s uskim propusnim pojasima. Spajanje TiO2 s poluvodičima s uskim razmakom i odzivom na vidljivo svjetlo može pospješiti sinergističke učinke između dva poluvodička materijala što dovodi do učinkovitijeg odvajanja naboja i visoke fotokatalitičke aktivnosti pod zračenjem vidljivim svjetlom. Željezni oksid (α-Fe2O3, također poznat kao hematit) obećavajući je kandidat za spajanje s TiO2, zbog svoje zastupljenosti, niske cijene, stabilnosti i aktivnosti pod vidljivom svjetlosti zbog uske zabranjene zone (2,0–2,2 eV). Ono što je najvažnije, prikladni rubni položaji hematita promiču fotogenerirano odvajanje naboja u TiO2 putem prijenosa heterospojnice. Unatoč nekoliko fotokatalitičkih primjena kompozita Fe2O3/TiO2 za uklanjanje postojanih onečišćivala (engl, contaminants of emerging concern, CECs), sve te studije istraživale su njihovu primjenu u suspenziji (tj. upotrebom praškastog oblika fotokatalizatora), dok je primjena imobiliziranih kompozita Fe2O3/TiO2 vrlo rijetka. Štoviše, tretman AMX-a pod sunčevim/vidljivim svjetlom pomoću Fe2O3/TiO2, kao i ekotoksičnost nusproizvoda razgradnje/transformacije AMX-a rijetko se istražuje. U ovoj disertaciji, uklanjanje AMX-a istraženo je korištenjem slojevitih filmova Fe2O3/TiO2 sendvič tipa izrađenih od komercijalno dostupnih nanomaterijala (1. dio) i korištenjem sintetiziranog Fe2O3/TiO2 napravljenog od čistih kemijskih prekursora (2. dio). U dijelu 1, kompoziti sendvič tipa izrađeni od komercijalnog TiO2-P25 i α-Fe2O3 dobiveni su centrifugiranjem tankih filmova s različitim konfiguracijama slojeva: i) sloj TiO2 preko α-Fe2O3 (TiO2@Fe2O3), ii) α-Fe2O3 sloj preko TiO2 (α-Fe2O3@TiO2), i iii) fizički pomiješano 50% (w/w) TiO2/ Fe2O3. Fotokatalitička aktivnost pod simuliranim sunčevim zračenjem gore spomenutih kompozita i njihovih čistih komponenti istražena je kroz praćenje razgradnje amoksicilina (AMX) u prisutnosti i odsutnosti persulfata (PS). U oba slučaja, TiO2@α-Fe2O3 sendvič tip postigao je najviše stope razgradnje AMX-a i primjećuje se značajan učinak dodatka PS na stopu razgradnje AMX-a. Utjecaj pH i koncentracije PS na brzinu razgradnje AMX-a utvrđen je primjenom eksperimentalnog dizajna i modeliranja površine odziva kojima su određeni optimalni ujveti [S2O82-] = 0,334 mM i pH = 4,0. Put razgradnje AMX proučavao je pomoću uklanjanja reaktivnih kisikovih vrsta i identifikacije međuprodukata tekućinskom kromatografijom s tandemskom spektrometrijom mase (LC-MS/MS). Njihovo nastajanje je u izravnoj korelaciji s povećanom toksičnošću procijenjenom testovima Daphnia magna i Vibrio fischeri. Nadalje, promjene biorazgradljivosti povezane su s profilom mineralizacije AMX otopine. Utvrđen je i utjecaj sastojaka vodene matrice (Cl-, CO32-, NO3-, PO43- i prirodne organske tvari rijeke Suwannee) na razgradnju AMX-a. U 2. dijelu, nanokompoziti Fe2O3/TiO2 proizvedeni su jednostavnom tehnikom impregnacije/kalcinacije korištenjem različitih količina željezovog (III) nitrata na komercijalnom TiO2 (P25 aeroksid). Pripremljeni nanokompoziti Fe2O3/TiO2 karakterizirani su difrakcijom X-zraka (XRD), Ramanovom spektroskopijom (RS), skenirajućom elektronskom mikroskopijom/energetsko-disperzijom spektroskopije (SEM/EDXS), fotoelektronskom spektroskopijom X-zraka (XPS), Brunauer– Emmett-Tellerova analiza (BET), spektroskopija elektronske impedancije (EIS), fotoluminiscencijska spektroskopija (PL) i spektroskopija difuzne refleksije (DRS). Kao rezultat toga, 5% (w/w) Fe2O3/ TiO2 postigao je najveću fotokatalitičku aktivnost u suspenzijskom sustavu i uspješno je imobilizirano na staklenoj podlozi. Fotokatalitička aktivnost pod zračenjem vidljivim svjetlom procijenjena je tretiranjem farmaceutskog amoksicilina (AMX) u prisutnosti i odsutnosti dodatnih oksidansa: vodikovog peroksida (H2O2) i persulfatnih soli (PS). Utjecaj pH i koncentracije PS na stopu konverzije AMX utvrđen je pomoću statističkog planiranja i modeliranja površine odziva. Određeni su optimalni uvjeti [S2O82-] = 1,873 mM i pH = 4,808; oni su također korišteni u prisutnosti H2O2 umjesto PS u dugoročnim testovima. Najbrža AMX pretvorba s konstantom brzine nultog reda od 1,51 × 10^-7 M·min^-1 postignuta je sustavom fotokataliza + PS. Utvrđen je put pretvorbe AMX, a evolucija/pretvorba nastalih međuprodukata povezana je s promjenama toksičnosti prema Vibrio fischeri. Uklanjanje reaktivnih kisikovih vrsta (ROS) također je korišteno za istraživanje mehanizma pretvorbe AMX, otkrivajući glavni doprinos fotogeneriranog h+ u svim procesima. El agua limpia accesible es una de las principales prioridades para el crecimiento económico sostenible y el bienestar social. El agua sustenta la vida y es un recurso crucial para la humanidad; también está en el centro de los ecosistemas naturales y la regulación del clima. El estrés hídrico es principalmente un problema de cantidad de agua, pero también ocurre como consecuencia del deterioro de la calidad del agua y la falta de una gestión adecuada del agua. Los problemas ambientales asociados con la contaminación del agua han sido un problema persistentemente importante en las últimas décadas, correlacionados negativamente con la salud y el ecosistema. La aparición de cantidades mínimas de antibióticos en varios cuerpos de agua estuvo directamente relacionada con el desarrollo de patógenos resistentes a los antibióticos. Durante las últimas dos décadas, las penicilinas se han recetado y utilizado ampliamente en toda Europa. Recientemente, la amoxicilina (AMX) se agregó a la segunda "lista de vigilancia" de la UE con base en la Decisión Europea propuesta 2018/840/EU. Su presencia en los efluentes de aguas residuales está relacionada con la eliminación limitada por parte de las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) comunes municipales basadas en el tratamiento primario (físico) y secundario (biológico). Por lo tanto, las nuevas técnicas de remediación deben aplicarse para eliminar dichas sustancias recalcitrantes. Recientemente, los procesos de oxidación avanzada (POA) han ganado mucha atención en la investigación debido a su capacidad innata para proporcionar una oxidación eficaz de una amplia variedad de contaminantes orgánicos persistentes en los métodos de tratamiento de aguas residuales convencionales. La eficacia de los AOP se basa en especies altamente reactivas y no selectivas, principalmente basadas en radicales hidroxilo (HO•). Entre varios AOP, la fotocatálisis de semiconductores atrae mucho la atención debido a la estabilidad del material semiconductor y el potencial para usar abundante energía solar para degradar contaminantes orgánicos. El fotocatalizador más ampliamente investigado y empleado en la purificación del agua es el TiO2. Sin embargo, el TiO2 sufre la rápida recombinación de las cargas fotogeneradas (es decir, pares de electrones/huecos; e-/h+) y solo es activo bajo la luz ultravioleta debido a su ancho de banda prohibida (3,0-3,2 eV), lo que dificulta su potencial para aplicaciones impulsadas por energía solar. Estas deficiencias se pueden mejorar mediante las siguientes estrategias: dopaje con metales y/o no metales, sensibilización de colorantes, incorporación con nanotubos de carbono, óxido de grafeno reducido y acoplamiento con otros semiconductores con bandas prohibidas estrechas. El acoplamiento de TiO2 con semiconductores de banda estrecha con respuesta de luz visible puede promover efectos sinérgicos entre dos materiales semiconductores que conducen a una separación de carga más eficiente y una alta actividad fotocatalítica bajo la irradiación de luz visible. El óxido de hierro (α-Fe2O3, también conocido como hematita) es un candidato prometedor para el acoplamiento con TiO2, debido a su abundancia, bajo costo, estabilidad y actividad de luz visible debido a su estrecha banda prohibida (2.0–2.2 eV). Lo que es más importante, las posiciones adecuadas del borde de la banda de hematita promueven la separación de carga fotogenerada en TiO2 a través de la transferencia de heterounión. A pesar de varias aplicaciones fotocatalíticas de los compuestos de Fe2O3/TiO2 para la eliminación de contaminantes emergentes (CEC), todos los estudios investigaron sus aplicaciones en la suspensión (es decir, empleando una forma de fotocatalizador en polvo), mientras que la aplicación de compuestos de Fe2O3/TiO2 inmovilizados es escasamente conocida. Informado. Además, rara vez se explora el tratamiento de AMX bajo luz solar/visible usando Fe2O3/TiO2, así como la ecotoxicidad de los subproductos de degradación/transformación de AMX. En esta disertación, se investigó la eliminación de AMX usando películas en capas tipo sándwich de Fe2O3/TiO2 hechas de nanomateriales disponibles comercialmente (Parte 1) y usando Fe2O3/TiO2 sintetizado hecho de precursores químicos puros (Parte 2). En la parte 1, se obtienen compuestos tipo sándwich hechos de TiO2-P25 y α- Fe2O3 comerciales mediante recubrimiento por rotación de películas delgadas con diferentes configuraciones de capa, a saber: i) capa de TiO2 sobre α- Fe2O3 (TiO2@α-Fe2O3), ii) capa de α-Fe2O3 sobre TiO2 (α-Fe2O3@TiO2), y iii) mezclado físicamente al 50 % (p/p) de TiO2/ Fe2O3. Se investiga la actividad fotocatalítica bajo irradiación solar simulada de los compuestos antes mencionados y sus componentes puros para la degradación de amoxicilina (AMX) en presencia y ausencia de persulfato (PS). En ambos casos, el tipo sándwich de TiO2@α-Fe2O3 logró las tasas de degradación más altas de AMX y se observa un marcado efecto de la adición de PS en la tasa de degradación de AMX. La influencia del pH y la concentración de PS en la tasa de degradación de AMX se establece mediante un diseño experimental y un modelo de superficie de respuesta que reveló condiciones óptimas de [S2O82−] = 0,334 mM y pH = 4,0. La ruta de degradación de AMX se estudia mediante la eliminación de especies reactivas de oxígeno y la identificación de intermediarios mediante cromatografía líquida con espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS). Su evolución está directamente relacionada con una mayor toxicidad evaluada por los ensayos de Daphnia magna y Vibrio fischeri. Además, los cambios de biodegradabilidad están correlacionados con el perfil de mineralización de la solución AMX. También se establece la influencia de los componentes de la matriz del agua (Cl−, CO32−, NO3−, PO43− y la materia orgánica natural del río Suwannee) en la degradación de AMX. En la parte 2, se fabricaron nanocompuestos de Fe2O3/TiO2 mediante una sencilla técnica de impregnación/calcinación empleando diferentes cantidades de nitrato de hierro (III) sobre TiO2 comercial (aeróxido P25). Los nanocompuestos de Fe2O3/TiO2 preparados se caracterizaron mediante difracción de rayos X (XRD), espectroscopia Raman (RS), microscopia electrónica de barrido/espectroscopia de dispersión de energía (SEM/EDXS), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), Brunauer– Análisis de Emmett-Teller (BET), espectroscopia de impedancia de electrones (EIS), espectroscopia de fotoluminiscencia (PL) y espectroscopia de reflectancia difusa (DRS). Como resultado, el 5 % (p/p) de Fe2O3/ TiO2 logró la actividad fotocatalítica más alta en el sistema de suspensión y se inmovilizó con éxito en un soporte de vidrio. La actividad fotocatalítica bajo irradiación de luz visible se evaluó mediante el tratamiento de amoxicilina farmacéutica (AMX) en presencia y ausencia de oxidantes adicionales: peróxido de hidrógeno (H2O2) y sales de persulfato (PS). La influencia de la concentración de pH y PS en la tasa de conversión de AMX se estableció mediante planificación estadística y modelado de superficie de respuesta. Los resultados revelaron condiciones óptimas de [S2O82−] = 1,873 mM y pH = 4,808; estos también se utilizaron en presencia de H2O2 en lugar de PS en pruebas a largo plazo. La conversión AMX más rápida que poseía una constante de velocidad de orden cero de 1,51 × 10^-7 M·min^-1 se logró con el sistema de fotocatálisis + PS. Se estableció la ruta de conversión de AMX y se correlacionó la evolución/conversión de los intermedios formados con los cambios en la toxicidad hacia Vibrio fischeri. También se utilizó la eliminación de especies reactivas de oxígeno (ROS) para investigar el mecanismo de conversión de AMX, lo que reveló la principal contribución del h+ fotogenerado en todos los procesos. L'aigua neta accessible és una de les màximes prioritats per al creixement econòmic sostenible i el benestar social. L'aigua dóna suport a la vida i és un recurs crucial per a la humanitat; també és el nucli dels ecosistemes naturals i la regulació del clima. L'estrès hídric és principalment un problema de quantitat d'aigua, però també es produeix com a conseqüència d'un deteriorament de la qualitat de l'aigua i la manca d'una gestió adequada de l'aigua. Els problemes ambientals associats a la contaminació de l'aigua han estat un tema persistentment important durant les últimes dècades, correlacionats negativament amb la salut i l'ecosistema. L'aparició de traces d'antibiòtics en diverses masses d'aigua estava directament relacionada amb el desenvolupament de patògens resistents als antibiòtics. Durant les dues últimes dècades, les penicil·lines s'han prescrit i utilitzat àmpliament a tot Europa. Recentment, l'amoxicil·lina (AMX) es va afegir a la segona "llista de seguiment" de la UE basada en la proposta de Decisió europea 2018/840/UE. La seva presència en els efluents d'aigües residuals està relacionada amb l'eliminació limitada de les depuradores municipals comunes (EDAR) basades en el tractament primari (físic) i secundari (biològic). Per tant, cal aplicar les noves tècniques de remediació per eliminar aquestes substàncies recalcitrants. Recentment, els processos d'oxidació avançats (AOP) han guanyat molta atenció en la investigació a causa de la seva capacitat innata de proporcionar una oxidació eficaç d'una àmplia varietat de contaminants orgànics persistents als mètodes convencionals de tractament de WW. L'eficàcia dels AOP es basa en espècies altament reactives i no selectives, basades principalment en radicals hidroxil (HO•). Entre els diversos AOP, la fotocatàlisi de semiconductors crida molt l'atenció a causa de l'estabilitat del material semiconductor i el potencial d'utilitzar energia solar abundant per degradar els contaminants orgànics. El fotocatalitzador més investigat i emprat en la purificació d'aigua és el TiO2, no obstant això, el TiO2 pateix la recombinació ràpida de càrregues fotogenerades (és a dir, parells d'electrons/forats; e-/h+) i només està actiu sota llum UV a causa de la seva gran bretxa de banda (3,0).-3,2 eV), dificultant així el seu potencial per a aplicacions impulsades per l'energia solar. Aquestes deficiències es poden millorar amb les següents estratègies: dopatge amb metalls i/o no metalls, sensibilització de colorants, incorporació amb nanotubs de carboni, òxid de grafè reduït i acoblament amb altres semiconductors amb bandes buides estretes. L'acoblament de TiO2 amb semiconductors de banda estreta amb resposta a la llum visible pot promoure efectes sinèrgics entre dos materials semiconductors que condueixen a una separació de càrrega més eficient i una alta activitat fotocatalítica sota irradiació de llum visible. L'òxid de ferro (α-Fe2O3, també conegut com a hematita) és un candidat prometedor per acoblar-se amb TiO2, a causa de la seva abundància, baix cost, estabilitat i activitat de la llum visible a causa de la seva banda estreta (2,0–2,2 eV). El més important és que les posicions de banda adequades de l'hematita promouen la separació de càrrega fotogenerada en TiO2 mitjançant transferència d'heterounió. Malgrat diverses aplicacions fotocatalítiques de compostos de Fe2O3/TiO2 per a l'eliminació de contaminants de preocupació emergent (CEC), tots els estudis van investigar les seves aplicacions a la suspensió (és a dir, emprant una forma de fotocatalitzador en pols), mentre que l'aplicació de compostos de Fe2O3/TiO2 immobilitzats amb prou feines són reportat. A més, rarament s'explora el tractament d'AMX sota llum solar / visible mitjançant Fe2O3/TiO2, així com l'ecotoxicitat dels subproductes de degradació / transformació d'AMX. En aquesta tesi, es va investigar l'eliminació d'AMX mitjançant pel·lícules en capes de Fe2O3/TiO2 tipus sandvitx fetes de nanomaterials disponibles comercialment (part 1) i utilitzant Fe2O3/TiO2 sintetitzat fet de precursors químics purs (part 2). A la part 1, els compostos de tipus sandvitx fets de TiO2-P25 i α-Fe2O3 comercials s'obtenen mitjançant pel·lícules primes de recobriment per gir amb diferents configuracions de capes, a saber: i) Capa de TiO2 sobre α-Fe2O3 (TiO2@α-Fe2O3), ii) La capa d'α-Fe2O3 sobre TiO2 (α-Fe2O3@TiO2) i iii) es va barrejar físicament el 50% (p/p) de TiO2/Fe2O3. S'investiga l'activitat fotocatalítica sota irradiació solar simulada dels compostos esmentats i dels seus components purs per a la degradació de l'amoxicil·lina (AMX) en presència i absència de persulfat (PS). En ambdós casos, el tipus sandvitx TiO2@α-Fe2O3 va aconseguir les taxes de degradació més altes d'AMX i es nota un efecte marcat de l'addició de PS sobre la taxa de degradació d'AMX. La influència de la concentració de pH i PS sobre la taxa de degradació d'AMX s'estableix mitjançant un disseny experimental i un modelatge de superfícies de resposta que va revelar condicions òptimes de [S2O82−] = 0,334 mM i pH = 4,0. La via de degradació de l'AMX s'estudia mitjançant l'eliminació d'espècies reactives d'oxigen i la identificació d'intermedis mitjançant cromatografia líquida amb espectrometria de masses en tàndem (LC-MS/MS). La seva evolució està directament correlacionada amb una toxicitat augmentada avaluada pels assaigs de Daphnia magna i Vibrio fischeri. A més, els canvis de biodegradabilitat estan correlacionats amb el perfil de mineralització de la solució AMX. També s'estableix la influència dels components de la matriu de l'aigua (Cl−, CO32−, NO3−, PO43− i matèria orgànica natural del riu Suwannee) en la degradació de l'AMX. A la part 2, es van fabricar nanocomposites Fe2O3/TiO2 mitjançant una tècnica d'impregnació / calcinació fàcil que utilitzava diferents quantitats de nitrat de ferro (III) en TiO2 comercial (aeròxid P25). Els nanocomposites Fe2O3/TiO2 preparats es van caracteritzar per difracció de raigs X (XRD), espectroscòpia Raman (RS), microscòpia electrònica d'escaneig/espectroscòpia dispersiva d'energia (SEM/EDXS), espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (XPS), Brunauer– Anàlisi Emmett-Teller (BET), espectroscòpia d'impedància electrònica (EIS), espectroscòpia de fotoluminescència (PL) i espectroscòpia de reflectància difusa (DRS). Com a resultat, el 5% (p/p) de Fe2O3/TiO2 va aconseguir l'activitat fotocatalítica més alta en el sistema de purins i es va immobilitzar amb èxit sobre suport de vidre. L'activitat fotocatalítica sota irradiació de llum visible es va avaluar tractant amoxicil·lina farmacèutica (AMX) en presència i absència d'oxidants addicionals: peròxid d'hidrogen (H2O2) i sals de persulfat (PS). La influència del pH i la concentració de PS en la taxa de conversió d'AMX es va establir mitjançant la planificació estadística i el modelatge de superfícies de resposta. Els resultats van revelar condicions òptimes de [S2O82−] = 1,873 mM i pH = 4,808; aquests també es van utilitzar en presència d' H2O2 en lloc de PS en proves a llarg termini. La conversió AMX més ràpida amb una constant de velocitat d'ordre zero d'1,51 × 10^−7 M· min^−1 es va aconseguir amb el sistema fotocatàlisi + PS. Es va establir la via de conversió AMX i l'evolució/conversió dels intermedis formats es va correlacionar amb els canvis de toxicitat cap a Vibrio fischeri. També es va utilitzar l'eliminació d'espècies reactives d'oxigen (ROS) per investigar el mecanisme de conversió d'AMX, revelant la principal contribució de l' h+ fotogenerat en tots els processos.

Pharmaceuticals, as one of the largest groups of contaminants of emerging concern (CECs), pose a threat to the environment and human health. Advanced Oxidation Processes (AOPs) have proven to be effective in the degradation of persistent, toxic, and non-biodegradable pollutants in water. Heterogeneous photocatalytic processes are multiparameter systems pertaining to AOPs based on in-situ generated radical, with overall effectiveness influenced by the different process parameters. Predicting the behaviour of photocatalytic AOPs by means of mathematical simulations is crucial not only for scale-up and process optimization, but also for controlling undesirable environmental effects such as the formation of by products with a higher toxicity than the parent compound. In this work, a multi-faceted approach was applied to develop a simulation model for the photocatalytic process for the degradation and mineralisation of pharmaceutical ibuprofen by UV-A/TiO2 P25. The mathematical – mechanistic model of heterogeneous photocatalysis includes a set of differential equations and takes into account the configuration of the photocatalytic reactor, the irradiation emission, the scattering of irradiation, the process parameters, the reaction kinetics and the degradation mechanism. The developed model was verified by experimental results obtained at different photocatalyst loadings. Coumarin and 1,4-benzoquinone were used as chemical probes to confirm the generation of hydroxyl and superoxide radicals and to fine-tune the chemical reactions in the model. To increase the robustness of the developed model, a variety of organic compounds whose structural features influence important mechanisms in photocatalytic treatment, such as adsorption on the TiO2 P25 surface and the prevalence of degradation by hydroxyl and superoxide radicals, were investigated using quantitative-structure activity/property relationship (QSA/PR) modelling. Adsorption was first investigated by a combined experimental/statistical approach using response surface method (RSM), which yielded a quadratic polynomial equation (QPE) describing adsorption for each organic compound studied. The coefficients of the QPE were related to structural features employing QSA/PR. The degradation of organic compounds by the UV-A/TiO2 P25 process in the presence of coumarin and 1,4-benzoquinone was studied, common radical scavengers for hydroxyl and superoxide radicals were investigated and coefficients were determined based on the kinetics obtained, that diversified the prevalence of oxidation or reduction mechanisms in the degradation of organic compounds. The determined coefficients were correlated with structural features of the investigated organic compounds by QSA/PR modelling. The simulation model developed by the proposed multi-faceted approach achieved good agreement between the predicted and experimental data. The QSA/PR modelling combined with RSM methodology accurately predicted the adsorption of organic compounds with complex molecular structure. The QSA/PR technique also successfully captured relevant structural features that determine degradation kinetics, so it can be used to increase the robustness of mathematical – mechanistic models which ensures their simulation capability for a wide range of organic structures. Farmaceutici, kao jedna od najvećih skupina onečišćivala koji izazivaju zabrinutost (eng. contaminants of emerging concern, CECs), predstavljaju prijetnju za okoliš i ljudsko zdravlje. Napredni oksidacijski procesi (eng. advanced oxidation processes, AOPs) su se pokazali učinkovitim u razgradnji postojanih, toksičnih i biološki nerazgradivih onečišćenja u vodi. Heterogeni fotokatalitički procesi kao dio AOP-a su višeparametarski sustavi, koji se temelje na in-situ generiranju radikala, pri čemu na ukupnu učinkovitost utječu različiti parametri procesa. Predviđanje ponašanja fotokatalitičkih AOP-a primjenom matematičkih simulacija važno je ne samo za uvećanje i optimizaciju procesa, nego i za kontrolu nepoželjnih učinaka na okoliš kao što su stvaranje toksičnijih nusprodukata u odnosu na primarni spoj. U ovom radu primijenjen je višestrani pristup za razvoj simulacijskog modela fotokatalitičke razgradnje i mineralizacije farmaceutika ibuprofena UV-A/TiO2 P25 procesom. Razvijeni matematičko – mehanistički model za heterogenu fotokatalizu sastoji se od seta diferencijalnih jednadžbi koje uključuju konfiguraciju fotokatalitičkog reaktora, emisiju zračenja, raspršenje zračenja, parametre procesa, kinetiku reakcije te mehanizam razgradnje. Razvijeni model verificiran je eksperimentalnim rezultatima dobivenih pri različitim koncentracijama fotokatalizatora. Kumarin i 1,4-benzokinon primijenjeni su u svrhu potvrde generiranja hidroksilnih i superoksidnih radikala te za fino podešavanja kemijskih reakcija na koje utječu u razvijenom modelu. Kako bi se povećala robusnost razvijenog modela istraženi su utjecaji strukturnih značajki različitih organskih spojeva na važne mehanizme fotokatalitičkog procesa, ponajprije na adsorpciju onečišćivala na površini TiO2 P25 te relativni doprinos razgradnji hidroksilnim i superoksidnim radikalima, primjenom kvantitativnog odnosa aktivnosti/svojstava strukture (eng. quantitative structure activity/property, QSA/PR) modeliranja. Adsorpcija je ispitana objedinjenim eksperimentalno/statističkim pristupom korištenjem metode odzivnih površina (eng. response surface methodology, RSM), a rezultat su kvadratne polinomne jednadžbe (eng. quadratic polynomial equation, QPE) koje opisuju adsorpciju za svaki pojedini ispitivani organski spoj. Koeficijenti iz QPE jednadžbi korelirani su sa strukturnim značajkama organskih spojeva primjenom QSA/PR modeliranja. Razgradnjom odabranih organskih spojeva UV-A/TiO2 P25 procesom u prisutnosti kumarina i 1,4-benzokinona, hvatača hidroksilnih i superoksidnih radikala, dobiveni su kinetički modeli te su određeni koeficijenti iz kojih je razvidan doprinos oksidacijskih i redukcijskih mehanizama prilikom razgradnje organskih spojeva. Dobiveni koeficijenti su zatim uspješno korelirani sa strukturnim značajkama ispitivanih organskih spojeva primjenom QSA/PR modeliranja. Simulacijski model, razvijen predloženim višestranim pristupom, ukazuje na dobro slaganje predviđenih i eksperimentalnih podataka. QSA/PR modeliranje kombinirano s RSM metodologijom točno predviđa adsorpciju organskih spojeva složenih molekulskih struktura. QSA/PR metodologija je uspješno ukazala na relevantne strukturne značajke koje određuju kinetiku razgradnje te se može primijeniti za uvećanje robusnosti matematičko – mehanističkog modela, što osigurava sposobnost simulacije modela za širok raspon organskih spojeva.

Metodom magnetronskog rasprašenja dobiveni su tanki filmovi koji sadrže 3D mreže uređenih germanijevih kvantnih točaka, kvantnih žica i nanošupljina u Al2O3 matrici. Za analizu pripremljenih tankih filmova korištene su metode raspršenja rendgenskih zraka pri malom kutu uz mali upadni kut (GISAXS), transmisijska elektronska mikroskopija, rendgenska fotoelektronska spektroskopija itd. Provedeno je detaljno istraživanje kako promjena uvjeta depozicije utječe na proces samouređenja. Dodatak dušika u radni plin prilikom depozicije može smanjiti oksidaciju germanija u uzorcima tako što se stabilizira međupovršina Ge/GeO2. Pokazalo se da porast koncentracije dušika povećava vjerojatnost generacije višestrukih ekscitona čime bi se mogla povećati efikasnost fotonaponskih ćelija. Svojstva nanostrukturiranih tankih filmova s germanijevim nanostrukturama optimirana su primarno za upotrebu u fotonaponskim ćelijama, ali ovakvi tanki filmovi primjenjivi su i za druge optoelektrične uređaje kao što su fotodetektori. Iz uzoraka koji su pripremljeni kao germanijeve kvantne žice u Al2O3 matrici može se dobiti, uz specifične uvjete grijanja, uređena mreža nanošupljina, kao posljedica izlaska germanija iz Al2O3 matrice. Radijus pora ovako dobivenih membrana je između 0,5 nm i 2 nm. Ovakvi tanki filmovi uspješno su pripremljeni na različitim podlogama, uključujući i standardne membrane. Kontroliranom depozicijom ovakvih tankih filmova moguće je reducirati veličinu pora do željenog radijusa ovisno o željenoj namjeni. Magnetron sputtering deposition was used for the fabrication of 3D ordered networks of germanium quantum dots, quantum wires, and nanopores in the alumina matrix. Some methods used for the characterization of thin films are grazing incidence small-angle X-ray scattering (GISAXS), transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, etc. It was investigated how deposition conditions can affect the self-assembly process. The addition of nitrogen to working gas could potentially be used to stabilize the Ge/GeO2 interface and therefore reduce the germanium oxidation in the alumina matrix. Furthermore, nitrogen addition has dramatically increased the probability of multiple exciton generation in thin films containing germanium quantum dots and germanium quantum wires. These thin films containing germanium nanostructures could be used for photovoltaic applications or similar devices such as photodetectors. For specific annealing conditions, germanium evaporates from the sample with Ge quantum wires leaving 3D ordered network of nanovoids in an alumina matrix. The pore radius in these nanovoids is between 0,5 nm and 2 nm. These thin films can be fabricated on different substrates, including porous ones. This method allows for a reduction in pore size depending on desired applications.

Wheat bran is an edible by-product rich in dietary fibre and polyphenolic compounds, whose addition in cereal foods diminishes their technological and sensory properties. Three-dimensional (3D) printing technology could provide consumers with a more diverse range of healthier snacks with added bran. This study focused on bran pre-processing (using micronisation, lactic acid fermentation, enzymes, high-intensity ultrasound, microwaves or pulsed light) and their incorporation into 3Dprinted oat snacks or breakfast cereals. Bran pre-processing with high-intensity ultrasound, microwaves and pulsed light reduced polyphenol oxidase activity (by 93%, 83%, or 78%, respectively) and enzymatic darkening of dough. Ultrasonication also lessened the activity of lipase (by 64%) and peroxidase (by 90%) and prolonged bran shelf-life. Bran fermentation degraded fructans by 93%. Preprocessing of the bran contributed to the high printing precision (up to 95%) and minimized deformation in baking (to 5%), and resulted in snack products and breakfast cereals of the desired properties. Pšenične posije su jestivi nusproizvod i bogat izvor prehrambenih vlakana i polifenolnih spojeva čiji dodatak rezultira nepoželjnim promjenama tehnoloških i senzorskih svojstava proizvoda od žitarica. Tehnologija trodimenzijskog (3D) tiska bi potrošačima mogla pružiti raznovrsniju ponudu zdravijih snack-proizvoda s dodanim posijama. U ovoj disertaciji istražena je prethodna brada posija (usitnjavanje, kisela fermentacija, enzimski tretman, ultrazvuk visokog intenziteta, mikrovalovi ili pulsirajuće svijetlo) i njihov dodatak u 3D tiskani zobeni snack-proizvod ili žitarice za doručak. Prethodna obrada posija ultrazvukom visokog intenziteta, mikrovalovima i pulsirajućim svjetlom smanjila je aktivnost polifenol oksidaze (za 93%, 83%, odnosno 78%) te enzimatsko tamnjenje tijesta. Ultrazvučna obrada rezultirala je i smanjenjem aktivnosti lipaze (za 64%) i peroksidaze (za 90%) te produljenom trajnošću posija. Fermentacija posija razgradila je udio fruktana za 93%. Prethodna obrada posija pridonijela je visokoj preciznosti tiska (do 95%) i smanjenju deformacije proizvoda pečenjem (na 5%), te rezultirala snack-proizvodima i žitaricama za doručak željenih svojstava.

Cilj ovog rada je bio ispitati mogućnost primjene procesa reverzne osmoze i nanofiltracije za koncentriranje crnog vina Cabernet Sauvignon, proizvedenog na konvencionalni i ekološki način. Istraživanje je obuhvatilo primjenu različitih tlakova (25, 35, 45 i 55 bara) i dva temperaturna režima (s i bez hlađenja). Rezultati su pokazali da je viši tlak rezultirao većim protokom permeata i višim temperaturama koncentrata. U procesima bez hlađenja ostvarene su više temperature koncentrata te veći protok permeata, u odnosu na procese s hlađenjem pri istim radnim tlakovima. Veći protok permeata rezultirao je kraćim procesom koncentriranja, a pri istim procesnim parametrima, reverzna osmoza je trajala duže od nanofiltracije. Zadržavanje pojedinih skupina spojeva ovisilo je o primijenjenom procesu koncentriranja, procesnim parametrima te tipu vina koje se koncentriralo. Nakon koncentriranja oba vina reverznom osmozom i nanofiltracijom, došlo je do promjene njihovog fenolnog i aromatskog profila. Viši radni tlak te primjena hlađenja rezultirali su većim zadržavanjem bioaktivnih komponenti i ukupne arome vina. Gubitak dijela bioaktivnih komponenti rezultirao je smanjenjem antioksidacijske aktivnosti koncentrata, u usporedbi s početnim vinom. Kod oba procesa zabilježena je visoka permeabilnost za etanol, octenu kiselinu te nepoželjne spojeve arome (4-etilfenol i 4-etilgvajakol). Prema CIELab sustavu, nije došlo do značajne promjene boje početnog vina. The aim of this study was to examine the possibility of applying reverse osmosis and nanofiltration processes for concentrating Cabernet Sauvignon red wine, produced in a conventional and ecological way. The research included the application of different pressures (25, 35, 45 and 55 bar) and two temperature regimes (with and without cooling). The results showed that higher pressure resulted in higher permeate flux and higher concentrate temperatures. In processes without cooling, higher concentrate temperatures and higher permeate flux were achieved, compared to processes with cooling at same operating pressures. Higher permeate flux resulted in a shorter concentration process, and at the same processing parameters, reverse osmosis lasted longer than nanofiltration. The retention of individual groups of compounds depended on the applied concentration process, processing parameters and the type of wine being concentrated. After concentration of both wines by reverse osmosis and nanofiltration, a change in their aromatic and phenolic profile occurred. Higher operating pressure and concentrate cooling resulted in greater retention of the overall aroma and bioactive compounds of the wines. The partial loss of the bioactive compounds resulted in a decrease in the antioxidant activity of the concentrate, compared to the initial wine. High permeability to ethanol, acetic acid and undesirable flavour compounds (4- ethylphenol and 4-ethylguaiacol) was observed in both processes. According to the CIELab system, there was no significant change in the colour of the starting wine.

Kolone s razdjelnom stijenkom (KRS) za četiri proizvoda sljedeći su korak u primjeni ove perspektivne tehnologije koja povezuje značajne operativne i kapitalne uštede. Njihova složena unutarnja struktura i bojazan od utjecaja na dinamičko vladanje sustava predstavljaju glavne prepreke široj industrijskoj upotrebi. U ovom radu istražuju se dinamičke karakteristike svojstva dviju izvedbi KRS, tzv. 2-2-4 i 2-3-3. Predlaže se postupak sinteze sustava za vođenje koji se zasniva isključivo na, u industrijskom okruženju, lako mjerljivim i upravljivim varijablama. Za određivanje osjetljivih ravnotežnih stupnjeva radi njihovog uparivanja u regulacijske krugove s upravljanim varijablama izvedena je studija osjetljivosti i dekompozicija na singularne vrijednosti (SVD analiza). Za preliminarnu procjenu mogućih neželjenih interakcija primijenjena je matrica relativnog pojačanja (RGA). Korištenje studije osjetljivosti dalo je bolje rezultate od SVD analize, čija upotreba se nije pokazala opravdanom u slučaju pojedinačnih regulatora temperature. Ipak, za sintezu učinkovitog sustava za vođenje obje metode moraju se upotrijebiti isključivo uz primjenu izvedenih pravila uparivanja vođenih i upravljanih varijabli. Izvedba kolone 2-2-4 KRS pokazala se manje zahtjevnom za vođenje u usporedbi s izvedbom 2-3-3. Rezultati dobiveni simulacijskim ispitivanjem ukazuju na znatno manje interakcije u izvedbi 2-2-4 u odnosu 2-3-3, što rezultira i bržim i mirnijim dinamičkim odzivom. Održavanje kvalitete proizvoda se, također, pokazalo lakšim u izvedbi 2-2-4, dok kod izvedbe 2-3-3 rezultati u nekim slučajevima sugeriraju na potrebu za aktivnim upravljanjem raspodjelom pare. Four-product dividing wall columns (DWC) represent the next big step in the implementation of this proved technology which offers both significant capital as well as operating savings. Their complex internal arrangement and uncertainty regarding their dynamic properties act as the main obstacles towards broader industrial implementation. This work focuses on dynamic properties of two different four-product DWCs, so-called 2-2-4 and 2-3-3 configuration. Procedure for synthesis of the control system that incorporates only easily measured and manipulated variables in industrial environment is suggested. For determining sensitive stages appropriate for coupling with manipulated variables, sensitivity analysis and singular value decomposition (SVD) is used. As a tool for preliminary interaction indication relative gain array (RGA) is used. Using sensitivity study as a method of determining appropriate variables for control proved to be better choice compared to using SVD as an extra step in case of single-point temperature control. However, for efficient control system synthesis, both methods need to be used along with the set of pairing rules derived in this work. 2-2-4 configuration proved to be significantly easier to control. Closed-loop simulation results indicate significantly smaller interactions compared to the 2-3-3 configuration, resulting in faster but also calmer transient behaviour. Keeping product quality within specification proved to be easier as well in case of 2-2-4 configuration, while results obtained with 2-3-3 configuration suggest need for active vapour split control in certain cases.

Cilj ovog istraživanja bio je ispitati utjecaj četiri inovativne tehnike ekstrakcije: ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom (UAE), ekstrakcija potpomognuta mikrovalovima (MAE), superkritična \(CO_{2}\) ekstrakcija (\(SC-CO_{2}\)) te ekstrakcija vodom u supkritičnom stanju (SWE) na iskorištenje i sadržaj bioaktivnih spojeva u duhanskom otpadu (refabrikat, prašina i rebro) koji nastaje tijekom industrijske prerade lista. U ekstraktima su primjenom tekućinske i/ili plinske kromatografije određeni isparljivi spojevi, fenolni spojevi te nikotin, a primjenom spektrofotometrijskih metoda određena je antiradikalna aktivnost i sadržaj ukupnih fenola. U SC-\(CO_{2}\) ekstraktima određen je i masnokiselinski sastav primjenom plinske kromatografije s plameno-ionizacijskim detektorom. Na temelju dobivenih rezultata uočen je značajan utjecaj primijenjenih procesnih parametara na promatrane odzive (iskorištenje ekstrakcije, sadržaj klorogenske kiseline i nikotina). Primjenom metode odzivnih površina određeni su optimalni parametri svake pojedine tehnike ekstrakcije. Od ispitivanih tehnika ekstrakcije, primjenom UAE dobiven je najveći sadržaj klorogenske kiseline, dok se MAE pokazala pogodnom za ekstrakciju nikotina. Primjenom SWE dobiveni su ekstrakti bogati fenolnim spojevima i nikotinom, no primjena viših temperatura (200-250 °C) uzrokovala je nastanak degradacijskih produkata. \(SC-CO_{2}\) ekstrakcija pokazala se pogodnom za ekstrakciju nepolarnih spojeva (isparljivih spojeva i masnih kiselina), gdje je identificicran nikotin (1,6 %), a dominantna masna kiselina bila je palmitinska kiselina (21,84 %). Od promatrana tri otpada, refabrikat se pokazao najbogatijim bioaktivnim spojevima u usporedbi s listom duhana kao polaznom sirovinom. U konačnici, da bi se u potpunosti iscrpio biljni materijal, pristupilo se valorizaciji refabrikata kroz kombinaciju dvije ekstrakcijske tehnike (\(SC-CO_{2}\) i SWE). Dvostupanjska ekstrakcija dala je najbolje rezultate, te predstavlja inovativan pristup valorizaciji ove vrste otpada istovremeno dajući maksimalno iskorištenje ekstrakcije (74,05 %), uz znatno veći zastupljenosti nikotina (4,67 %) i fenolnih spojeva: klorogenske kiseline (0,74 %), neoklorogenske kiseline (0,46 %), rutina (1,03 %). The aim of this study was to determine the influence of four innovative extraction techniques: ultrasound-assisted extraction (UAE), microwave-assisted extraction (MAE), supercritical \(CO_{2}\) extraction (\(SC-CO_{2}\)) and subcritical water extraction (SWE) on the yield and content of bioactive compounds in tobacco waste extracts. Three fractions of tobacco waste, generated during the industrial processing of leaves (scrap, dust and midrib), were used for the extractions and were compared with the leaf as the starting material. Volatile compounds, phenolic compounds and nicotine were determined in the extracts using liquid and/or gas chromatography. Additionally, total phenol content and antioxidant activity were determined using spectrophotometric assays. In \(SC-CO_{2}\) extracts, the fatty acid composition was determined using gas chromatography with a flame ionization detector. Based on the obtained results, a significant influence of the applied process parameters on the responses (extraction yield, chlorogenic acid content and nicotine) was observed. Using the response surface methodology, the optimal parameters of each extraction technique were determined. Of the four extraction techniques observed, UAE yielded the highest chlorogenic acid content, while MAE proved to be suitable for nicotine extraction. Using SWE, extracts rich in phenolic compounds and nicotine were obtained, but due to the application of higher temperatures (200-250 °C), the formation of degradation products was observed. \(SC-CO_{2}\) showed high selectivity for the extraction of non-polar compounds, particularly targeted fatty acids (the dominant was palmitic acid) and volatile compounds (nicotine was the most abundant). Among the three wastes observed, the scrap proved to be the richest in bioactive compounds. In order to obtain completely exhaust waste material, a two-stage extraction process (\(SC-CO_{2}\) + SWE) was conducted on the scrap. With twostage extraction (\(SC-CO_{2}\) + SWE), the highest extraction efficiency (74.05%) and significantly higher abundance of nicotine (4.67%) and of phenolic compounds (chlorogenic acid (0.74%), neochlorogenic acid (0.46%) and rutin (1.03%)) were obtained. Therefore, two-stage extraction (\(SC-CO_{2}\) + SWE) represents an innovative approach to the valorization of tobacco waste.

U ovom doktorskom radu ispitana je mogućnost primjene komercijalne fotoosjetljive smole Ceramic resin za izradu keramičkih monolitnih nosača katalizatora stereolitografijom kao jednom od tehnika aditivne proizvodnje. Specifični ciljevi uključivali su 3D-ispis monolitnih nosača različitih geometrija, razvoj i primjenu odgovarajuće tehnike nanošenja katalitički aktivnog sloja (miješani oksidi Mn, Cu, Fe i Ni) na pripremljene monolitne nosače, uključujući i različite izvedbe statičkih miješalica kao potencijalnih nosača aktivnih komponenata i testiranje njihove učinkovitosti za oksidaciju smjese aromatskih hlapljivih organskih spojeva (benzen, toluen, etilbenzen i o-ksilen - BTEX) kao i pojedinačnih modelnih BTEX komponenti. Ukupno je izrađeno 12 različitih funkcionalnih izvedbi 3D-ispisanih monolitnih nosača katalizatora, od čega 5 izvedbi u obliku statičkih miješalica. Detaljno je ispitan utjecaj različitih parametara pripreme na fizičko-kemijske, toplinske, mehaničke i katalitičke značajke različitih izvedbi strukturiranih katalizatora te utjecaj procesnih uvjeta na brzinu oksidacije aromatskih hlapljivih organskih spojeva. Rendgenskom difrakcijskom analizom utvrđeno je da se keramička faza kompozitne smole Ceramic resin sastoji od SiO2, tj. da nakon toplinske obrade dolazi do formiranja kristobalita, minerala koji je jedna od temperaturno ovisnih polimorfnih modifikacija kvarca. Elementarni sastav dodatno je potvrđen EDX analizom pri čemu je dobiveno izvrsno slaganje s literaturnim vrijednostima za istu smolu. Određena je veličina keramičkih čestica u smoli uporabom metode laserske difrakcije. Rezultati analize pokazali su da se veličina keramičkih čestica kreće u rasponu od 0,5 μm do 414 μm. Vrijednost medijana veličine čestica (d50) u populaciji iznosi 34,8 μm. Dominantna veličina keramičkih čestica u populaciji (dmode) iznosi 44,7 μm, dok Sauterov promjer (d3,2) čestica iznosi 91,5 μm. Toplinska svojstva smole Ceramic resin ispitana su provedbom simultane TGA/DTA analize. Provedeno je ispitivanje dimenzijske stabilnosti kako bi se eksperimentalno odredili korekcijski dimenzijski faktori koje treba uzeti u obzir prilikom 3D-ispisa monolitnih nosača katalizatora da bi nakon toplinske obrade ostvarili željene dimenzije. Na svim izrađenim monolitnim nosačima katalizatora izmjeren je pad tlaka u reaktorskom sustavu. Rezultati ispitivanja pokazali su gotovo zanemariv pad tlaka pri radnim uvjetima korištenim u provedenom istraživanju. Uvid u morfologiju 3D-ispisanih nosača s i bez nanesenog katalitičkog sloja i određivanje debljine nanesenog katalitičkog sloja dobiveno je upotrebom pretražne elektronske mikroskopije. Sastav katalitički najaktivnijih miješanih manganovih oksida (MnFeOx i MnCuOx) potvrđen je Ramanovom spektroskopijom. Na temelju usporedbe s rezultatima dobivenih rendgenskom difrakcijskom analizom i rendgenskom fotoelektronskom spektroskopijom uspješno je definiran sastav prisutnih miješanih metalnih oksida. Katalitički sloj nanesen je primjenom tehnike mokre impregnacije i sol-gel tehnike. Rezultati ispitivanja adhezije katalitičkog sloja na monolitnim nosačima pokazali su izvrsne rezultate s manje od 2 % gubitka mase nakon pola sata izlaganja djelovanju ultrazvuka radne frekvencije 37 kHz. Na temelju mjerenja katalitičke aktivnosti pripremljenih monolitnih katalizatora zaključeno je da je impregnacija prikladnija tehnika. Također je provedeno optimiranje kemijskog sastava katalitičkog sloja s obzirom na očekivane konverzije modelnih komponenti. Najučinkovitijom geometrijom 3D-ispisanih monolitnih nosača katalizatora pokazala se geometrija nosača ZS (zvijezda sa stijenkom) koja je sadržavala dodatne strukturne elemente (pera) s vanjske strane stijenke. 3D-ispisani monolitni nosač ZDP (zvijezda s dodatnim perima) imao je najveću geometrijsku površinu (28 cm^2) i najveću masu katalitičkog sloja (12,4 mg) te je pokazivao čak i nešto veću katalitičku aktivnost u usporedbi s aktivnošću komercijalnog (kordijeritnog) monolitnog nosača slične geometrijske površine (29 cm^2) na koji je nanesen isti katalitički sloj. Rezultati testiranja katalitičke aktivnosti pokazali su da se sve četiri BTEX komponente uklanjaju iz reakcijske smjese već pri temperaturi od 179 °C, što je od velike ekonomske važnosti s obzirom na njihovu primjenu u realnim sustavima. U završnom dijelu istraživanja provedena je analiza i modeliranje monolitnog reaktora. Za tu svrhu predložen je jednodimenzijski (1D) heterogeni model reaktora, koji uključuje kinetički model za reakciju prvog reda. Provedena je usporedba rezultata dobivenih primjenom BTEX smjese i pojedinačnih BTEX spojeva. Ocjena prihvatljivosti predloženog modela koja je provedena na temelju pripadajućih vrijednosti korijena standardnog odstupanja između eksperimentalno dobivenih i teorijski predviđenih vrijednosti pokazala je da predloženi model uspješno opisuje eksperimentalne rezultate. S obzirom na činjenicu da je 1D heterogeni model izveden na temelju pripadajućih bilanci za modelne komponente u plinskoj fazi i bilanci za modelne komponente na površini katalitičkog sloja, što odgovara fizičkoj slici procesa, zaključeno je da je predloženi model prikladan za opisivanje katalitičke oksidacije BTEX i srodnih aromatskih hlapljivih organskih spojeva uz primjenu heterogenih strukturiranih katalizatora. Rezultati prikazani u ovom doktorskom radu ukazuju na izuzetan potencijal i velike mogućnosti primjene tehnologije aditivne proizvodnje pri proizvodnji složenih izvedbi katalizatora i kemijskih reaktora. Potvrđeno je da se tehnikom stereolitografije mogu uspješno pripremiti keramički monolitni nosači koji su prema svojim katalitičkim značajkama i primjenskim svojstvima usporedivi s katalizatorima izrađenim od komercijalne kordijeritne keramike, pri čemu posebno treba istaknuti njihovu veću fleksibilnost s obzirom na proizvodnju složenih geometrijskih oblika. This dissertation investigated the possibility of using the commercially available photosensitive resin Ceramic resin for the fabrication of ceramic monolithic catalyst carriers by using stereolithography as one of the additive manufacturing techniques. Specific objectives included 3D-printing of monolithic carriers with different geometries, developing and applying a suitable technique for depositing a catalytically active layer (mixed oxides of Mn, Cu, Fe, and Ni) on the prepared monolithic carriers, including different designs of static mixers as potential active component carriers, and testing their effectiveness for oxidation of a mixture of aromatic volatile organic compounds (BTEX) and individual model components. A total of 12 different functional variants of 3D-printed monolithic catalyst carriers were prepared, 5 of which were in the form of static mixers. The influence of different preparation parameters on the physicochemical, thermal, mechanical and catalytic properties of different designs of structured catalysts and the influence of process conditions on the oxidation rate of aromatic volatile organic compounds were studied in detail. X-ray diffraction analysis showed that the ceramic phase of the ceramic resin composite was composed of SiO2, i.e., cristobalite, a mineral that is a temperature-dependent polymorphic modification of quartz, was formed after heat treatment. The elemental composition was confirmed by EDX analysis, where excellent agreement was obtained with literature values for the same resin. The size of the ceramic particles in the resin used was determined by the laser diffraction method. The results of the analysis showed that the size of the ceramic particles ranged from 0.5 μm to 414 μm. The median value of the particle size (d50) in the population is 34.8 μm. The predominant size of the ceramic particles in the population (dmode) is 44.7 μm, while the Sauter diameter (d3,2) of the particles is 91.5 μm. The thermal properties of the ceramic resin were investigated by simultaneous TGA / DTA analysis. Dimensional stability tests were performed to experimentally determine the dimensional correction factors that must be considered in 3D-printing of monolithic catalyst carriers to obtain the desired dimensions after heat treatment. The pressure drop in the reactor system was measured with all fabricated monolithic catalyst carriers. The test results showed almost negligible pressure drop under the operating conditions used in the study. Scanning electron microscopy was used to gain insight into the morphology of the 3D-printed carriers with and without an applied catalytic layer and to determine the thickness of the applied catalytic layer. The composition of the most catalytically active manganese mixed oxides (MnFeOx and MnCuOx) was confirmed by Raman spectroscopy. Comparison with the results of X-ray diffraction analysis and X-ray photoelectron spectroscopy successfully determined the composition of the mixed metal oxides present. The catalyst layer was applied by the wet impregnation technique and the sol-gel technique. The results of the study of the adhesion of the catalytic layer to monolithic carriers showed excellent results with less than 2 % weight loss after half an hour of exposure to ultrasound at an operating frequency of 37 kHz. From the measurements of catalytic activity of the prepared monolithic catalysts, it was concluded that impregnation is a more suitable method. The chemical composition of the catalyst bed was also optimized with respect to the expected conversions of the model components. The most efficient geometry of the 3D-printed monolithic catalyst carriers was found to be the geometry of the ZS carrier, which contained additional structural elements on the outside of the wall. The 3D-printed monolithic ZDP carrier had the largest geometric surface area (28 cm^2), the largest catalytic bed mass (12.4 mg), and exhibited even slightly higher catalytic activity in comparison with a commercial (cordierite) monolithic carrier with similar geometric surface area (29 cm^2) that was coated with the same catalytic layer. The results of the catalytic activity tests showed that all four BTEX components are removed from the reaction mixture already at a temperature of 179 °C, which is of great economic importance considering their application in real systems. In the last part of the research, the analysis and modeling of a monolithic reactor was carried out. For this purpose, a one-dimensional (1D) heterogeneous reactor model was proposed, which includes a kinetic model for the first-order reaction. A comparison of the results obtained with a BTEX mixture and single BTEX compounds was performed. The evaluation of the acceptability of the proposed model, performed on the basis of the corresponding root values of the standard deviation between the experimentally obtained and the theoretically predicted values showed that the proposed model successfully described the experimental results. Based on the fact that the heterogeneous 1D model is derived based on the corresponding balances for the model components in the gas phase and the balance for the model components on the surface of the catalytic layer, which corresponds to the physical picture of the process, it was concluded that the proposed model is suitable for describing the catalytic oxidation of BTEX and related aromatic volatile organic compounds using heterogeneously structured catalysts. The results presented in this dissertation demonstrate the extraordinary potential and great possibilities of the application of additive manufacturing technology in the fabrication of complex designs of catalysts and chemical reactors. It was confirmed that the stereolithography technique can successfully fabricate ceramic monolithic carriers comparable in catalytic properties and application characteristics to catalysts made of commercially available cordierite ceramics, with particular emphasis on their greater flexibility in the fabrication of complex geometric shapes.

Cerijev(IV) oksid (CeO2) jedan je od najvažnijih oksida lantanoida te se intenzivno primjenjuje u različitim područjima od poliranja, proizvodnje i skladištenja energije, zaštite okoliša do najistraživanije katalize. Svojstvo CeO2 ključno za primjenu u katalizi je sposobnost parcijalne redukcije Ce4+ u Ce3+ unutar kristalne rešetke bez narušavanja strukture pri čemu nastaju vakancije kisika. Kisikove vakancije mogu se slobodno kretati unutar kristalne rešetke te se na njih mogu lako adsorbirati molekule kisika iz okoline. Smanjenje veličine čestica te dopiranje raznim elementima s nižom valencijom i radijusom dodatno potiče stvaranje vakancija kisika te poboljšava primjenska svojstva cerijevog oksida. Među brojnim metodama sinteze nanomaterijala hidrotermalna metoda ističe se svojom jednostavnošću, ekološkom prihvatljivošću, niskom cijenom te mogućnošću dobivanja produkata visoke čistoće i homogenosti te male veličine čestica. U ovom radu hidrotermalnom metodom pripremljene su nanočestice bakrom dopiranoga cerijeva(IV) oksida (CuxCe1-xO2, x = 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 i 0,5), toplinski obrađene i temeljito analizirane različitim metodama karakterizacije nanomaterijala. Katalitička aktivnost pripremljenih nanokatalizatora ispitivana je na procesu oksidacije hlapivih organskih spojeva korištenjem plinovite mješavine benzena, toluena, etilbenzena i o-ksilena (BTEX). Provedena je i kinetička analiza rasta zrna pri izotermnim uvjetima s ciljem utvrđivanja utjecaja dodatka bakra na toplinsku stabilnost cerijeva(IV) oksida. Rendgenskom difrakcijskom analizom (XRD) utvrđeno je da do nominalnog udjela od 40 mol. % Cu ne dolazi do pojave sekundarnih faza. Veličine kristalita uzoraka bez toplinske obrade dosad su nezabilježene za bakrom dopirani cerijev(IV) oksid te iznose ispod 4 nm. Veličine čestica određene transmisijskom elektronskom mikroskopijom (TEM) u suglasju su s vrijednostima dobivenim za veličine kristalita. Masenom spektrometrijom induktivno spregnute plazme (ICP-MS), energijski razlučujućom rendgenskom spektroskopijom (EDS) i rendgenskom fotoelektronskom spektroskopijom (XPS) utvrđeno je da je stvarni udio bakra u uzorcima manji od nominalnog. Međutim, sveukupni rezultati pokazuju kako dodatak bakra ima pozitivan utjecaj na brojna svojstva CeO2, što uključuje smanjenje zabranjene zone, poboljšanje reducibilnosti i toplinske stabilnosti, te povećanje katalitičke aktivnosti. Dobiveni rezultati ukazuju na postojanje snažne interakcije između bakra i CeO2, što bi značilo je došlo do stvaranja čvrste otopine. Među pripremljenim uzorcima posebno se ističe uzorak s nominalnim udjelom bakra od 40 mol. % kao uzorak s najboljom toplinskom stabilnošću u cijelom ispitivanom području (od 300 do 700 °C), najboljom katalitičkom aktivnošću za ispitivane hlapive organske spojeve, te najvećim udjelom vakancija kisika u strukturi. Cerium(IV) oxide (CeO2) is one of the most important lanthanide oxides extensively used in various fields such as polishing, energy production and storage, environmental protection and the most researched catalysis. The key property of CeO2 for catalytic application is the ability of a partial reduction of Ce4+ to Ce3+ within the crystal lattice without the collapse of structure. During this process oxygen vacancies are formed, which can move freely within the crystal lattice and adsorb oxygen molecules from the environment. The reduction of particle size and doping with various elements with lower valence and radius further encourage the creation of oxygen vacancies and improve the properties of cerium oxide. Among many nanomaterial's synthesis methods, the hydrothermal method stands out for its simplicity, environmental friendliness, low cost and the ability to obtain products of high purity and homogeneity, as well as small particle size. In this work, nanoparticles of copper doped cerium(IV) oxide (CuxCe1-xO2, x = 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 i 0,5) were prepared by hydrothermal method, thermally treated and thoroughly characterized. The catalytic activity of the prepared nanocatalysts was investigated in the oxidation of volatile organic compounds using a gaseous mixture of benzene, toluene, ethylbenzene and o-xylene (BTEX). An isothermal grain growth kinetics analysis was also performed in order to determine the effect of copper addition on the thermal stability of cerium(IV) oxide. X-ray diffraction analysis (XRD) showed that no secondary phases occur up to the nominal share of 40 mol. % Cu. The crystallite sizes of samples without thermal treatment have not been recorded so far for copper doped cerium oxide and are below 4 nm. Particle sizes determined by transmission electron microscopy (TEM) are in agreement with the values obtained for crystallite sizes. Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) showed that the actual copper content in the samples is lower than nominal. However, the overall results show that the addition of copper has a positive effect on a number of CeO2 properties, which includes the reduction of the band gap, improvement of reducibility and thermal stability, and an increase in catalytic activity. The obtained results indicate the existence of a strong interaction between copper and CeO2, which would mean that a solid solution was formed. Among the prepared samples, the sample with the nominal copper share of 40 mol. % stands out as the sample with the best thermal stability in the studied temperature range (from 300 to 700 °C), the best catalytic activity for the tested volatile organic compounds, and the largest share of oxygen vacancies in the structure.

Biorafinerije su postrojenja za pretvorbu obnovljive biomase u različite kemikalije, materijale i goriva. Cilj biorafinerija je maksimalno iskorištavanje svih sastojaka biomase za proizvodnju primarnih i različitih sekundarnih proizvoda veće dodane vrijednosti. U ovom istraživanju razvijen je novi održivi biorafinerijski sustav za proizvodnju biogoriva i biokemikalija iz otpadnih lignoceluloznih sirovina. Primjenom fizikalno-kemijskih i enzimskih metoda provedena je uspješna predobrada različitih lignoceluloznih sirovina. U hranjivim podlogama dobivenima nakon kiselinske hidrolize kukuruznih oklasaka u visokotlačnom reaktoru i enzimske hidrolize predobrađenih kukuruznih oklasaka provedeni su bioprocesi s plijesni Mucor indicus DSM 2185 u tri laboratorijska bioreaktora različitih konstrukcija, te su proizvedene biokemikalije kao što su etanol, ksilitol i glicerol. Dodatno, nusproizvodi pojedinih postupaka proizvodnje enzima ili baznih kemikalija, kao što su tekući ostaci hranjivih podloga i biomasa plijesni, korišteni su za proizvodnju biomase nesumpornih ljubičastih bakterija (izolacija pigmenata) i izopropanola, te za izolaciju biomaterijala (hitina, hitozana i masnih kiselina) podupirući dodatno biorafinerijski sustav proizvodnje različitih bioproizvoda, a težeći principu tzv. „zero waste“ biorafinerije. Materijalnom bilancom je ustanovljeno da su za proizvodnju 1 kg etanola potrebna 7,48 kg kukuruznih oklasaka i 150,35 L 0,5% sumporne kiseline. Osim etanola dobiveno je i 2,39 kg izopropanola i 1,27 kg octene kiseline, dok je iz biomase plijesni i bakterija moguće izolirati 0,21 kg hitina, 0,14 kg hitozana, 0,18 kg masnih kiselina i 6,73 g pigmenata. Biorefineries are plants used for the conversion of renewable biomass into various chemicals, materials, and fuels. The goal of biorefineries is the maximum utilization of all biomass components to produce primary and various secondary products of higher added value. In this research, a new sustainable biorefinery system for the production of biofuels and biochemicals from waste lignocellulosic raw materials was developed. Pre-processing of various lignocellulosic raw materials was performed using physio-chemical and enzymatic methods. In the substrates, obtained after acid hydrolysis of corn cobs in a high-pressure reactor and enzymatic hydrolysis of pre-treated corn cobs, bioprocesses were performed using Mucor indicus DSM 2185 as the working microorganism in three different types of laboratory bioreactors, which resulted in the production of different biochemicals such as bioethanol, xylitol, and glycerol. In addition, by-products of certain processes like the by-products of the enzyme production process or chemical production processes, such as waste media and mold biomass were respectively used, for the production of non-sulfur purple bacteria biomass (pigment isolation) and isopropanol production, and for different biomaterial isolation (chitin, chitosan, and fatty acids) which contributed to the approach of producing a range of different organic products and striving for the principle of so-called zero waste biorefineries. The material balance established that the production of 1 kg of ethanol requires 7,48 kg of corn cobs and 150,35 L of 0.5% sulfuric acid. In addition to ethanol, it is possible to obtain 2.39 kg of isopropanol and 1.27 kg of acetic acid. From the mold and bacterial biomass, it is possible to isolate 0.21 kg of chitin, 0.14 kg of chitosan, 0.18 kg of fatty acids, and 6.73 g of pigments.

This research aimed to develop and implement alternative purification solutions into the production of biodiesel from sustainable feedstocks. The goal was to use deep eutectic solvents (DESs) for extractive deacidification of waste acidic feedstocks and extractive purification of crude biodiesel. Feedstocks included in the work ranged from slightly acidic, such as waste coffee ground oils (WCGO) and waste cooking oils (WCO), to very acidic like waste animal fats of Category 1 and 2 (WAF1) and Category 3 (WAF2), according to the animal by-product categorisation. Biodiesel was produced via base-catalysed transesterification, which required feedstock purification before the reaction. The study started with eight DESs of various properties - ranging from acidic to basic, from slightly to highly viscous. Six were choline chloride-based, and two were based on potassium carbonate. DESs were used for the removal of free fatty acids (FFA) from feedstocks via extractive deacidification. The results demonstrated that purification efficiency depended on the solvent's pH value, with two basic, potassium carbonate-based DESs exhibiting the highest efficacy. This conclusion raised the question of whether the efficiency was due to extraction or neutralisation. Further experiments revealed that it depended on the DES to feedstock mass ratio. The extraction was occurring at low mass ratios, while neutralisation was observed only at high mass ratios. Potassium carbonate : ethylene glycol (1:10, mol.) DES was chosen as the most suitable for deacidification, at DES to feedstock mass ratios 0.1:1 and 0.25:1, depending on the initial FFA content. The research into feedstock purification was extended to metals and trace elements (Na, K, Ca, Mg, P, B and Fe) purification, and four DESs were used for that purpose. Two were based on choline chloride, and two on potassium carbonate, with ethylene glycol and glycerol as hydrogen bond donors. DESs were compared against two commercial adsorbents and proved more efficient for removing most of the investigated impurities. The initial feedstock impurities composition highly influenced the purification efficiency - with a lower driving force, the mass transfer was slower for all tested purification methods. Upon identifying the best feedstock purification solvent, the investigation proceeded to biodiesel synthesis and crude biodiesel purification. Transesterification was conducted with methanol in the presence of KOH or NaOH. KOH proved slightly better. The ratio of methanol and catalyst to oil was also varied, and their influence was almost negligible in the investigated range. Crude biodiesels were then purified with choline chloride : ethylene glycol (1:2.5 mol.) DES. The experiments were conducted to determine the optimal extraction duration and DES/biodiesel mass ratio. Results showed that the chosen DES was very effective for removal of free and total glycerol. Long extraction time or high mass ratios resulted in a slight decrease in fatty acid methyl ester (FAME) content, except in WAF1, leading to the conclusion that unsaturated FAME slightly dissolved in the DES, while saturated ones present in fat did not. Purification of WCGO biodiesel was also conducted in a continuous Karr column. Stabilisation was achieved after 15 minutes, and purified biodiesel satisfied the criteria for FAME, free glycerol and total glycerol content. Svrha ovog istraživanja je razvoj nove alternativne metode pročišćavanja te njena primjena u procesu proizvodnje biodizela. Cilj rada je primjena niskotemperaturnih eutektičkih otapala (engl. deep eutectic solvents, DES) za uklanjanje nečistoća iz kiselih sirovina te ekstrakciju glicerola i glicerida iz sirovog biodizela. U radu su korištene sirovine niske kiselosti poput ulja od otpadnog taloga kave (engl. waste coffee ground oil, WCGO) i otpadnog jestivog ulja (engl. waste cooking oil, WCO), te visoke kiselosti, poput tehničke masti kategorije 1 i 2 (engl. waste animal fat 1, WAF1) te otpadne masti kategorije 3 (engl. waste animal fat 2, WAF2), prema kategorizaciji životinjskih nus-proizvoda. Sirovinama je titracijom određen kiselinski broj i sve su sadržavale iznad 1 % slobodnih masnih kiselina, zbog čega ih je bilo nužno pročistiti. Kiseline su uklonjene ekstrakcijom pomoću DES-ova kako bi se izbjegla moguća saponifikacija prilikom proizvodnje biodizela procesom lužnato katalizirane transesterifikacije. Metanol je korišten kao reaktant, a kalijev hidroksid ili natrijev hidroksid (KOH ili NaOH) kao katalizatori. Istraživanje je započelo pripremom osam različitih DES-ova, odabranih tako da pokrivaju širok raspon različitih svojstava, poput pH-vrijednosti, viskoznosti, gustoće i ionske vodljivosti. Šest otapala pripravljeno je s kolin-kloridom, a preostala dva s kalijevim karbonatom. Otapala su karakterizirana u temperaturnom rasponu od 20 do 60 °C (s korakom od 10 °C). Određeni su pH, viskoznost, indeks loma i ionska vodljivost. Molarni volumeni izračunati su na temelju literaturnih podataka o gustoći. Polarnost otapala mjerena je pri sobnoj temperaturi. DES-ovi su korišteni za pročišćavanje sirovina različite početne kiselosti – WAF1, WAF2 te WCGO. Cilj je bio odrediti postoji li veza između svojstava otapala i ekstrakcijske učinkovitosti, kako bi se olakšalo pretraživanje otapala za slične primjene. Eksperimenti su provedeni na magnetskoj miješalici s grijanjem, pri 60 °C, 500 o/min, u trajanju od 3 sata uz maseni omjer otapala i sirovine 1:1. Po završetku eksperimenta, kiselinski broj uzoraka određen je titracijom, a uzorci su analizirani primjenom infracrvene spektroskopije s Fourierovim transformacijama (engl. Fourier transformation infrared spectroscopy, FTIR) te protonske nuklearne magnetske spektroskopije (engl. proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, 1H NMR). Rezultati su pokazali da učinkovitost ekstrakcije najviše ovisi o pH-vrijednosti otapala, pri čemu su najučinkovitija bila dva lužnata DESa bazirana na kalijevu karbonatu. Unatoč početnim očekivanjima, viskoznost i ionska vodljivost otapala nisu imali znatnu ulogu u procesu ekstrakcije. Ti zaključci nametnuli su pitanje o mehanizmu deacidifikacije - događa li se u procesu ekstrakcija ili neutralizacija kiselina lužnatim otapalom? S ciljem pronalaženja odgovora na to pitanje, provedeni su dodatni eksperimenti s najučinkovitijim DES-om (DES H: kalij-karbonat : etilen-glikol, 1:10 mol.) i najkiselijom sirovinom (WAF1), pri različitim omjerima otapala i masti. Otkriveno je da pri visokim masenim omjerima otapala i sirovine dolazi do otapanja otapala u masti te neutralizacije, dok se pri nižim omjerima (0,1:1 te 0,25:1) deacidifikacija odvija ekstrakcijom. U zasebnom eksperimentu s uljem iz kave (WCGO) otkriveno je da do neutralizacije ne dolazi pri 25 °C, čak i pri omjeru 1:1. Zaključeno je da je DES H optimalno otapalo za deacidifikaciju zbog visoke učinkovitosti i male viskoznosti te da su najučinkovitiji manji maseni omjeri, 0,1:1 ili 0,25:1, ovisno o početnoj kiselosti sirovine. U nastavku istraživanja pročišćavanja sirovine, fokus je proširen na uklanjanje metala i elemenata u tragovima (Na, K, Ca, Mg, P, B, Fe) iz WAF1, WAF2 i WCO. Četiri DES-a su korištena za tu svrhu, dva na bazi kolin-klorida i preostala dva na bazi kalijeva karbonata, u kombinaciji s etilen-glikolom i glicerolom. Za usporedbu, eksperimenti su provedeni i s dva komercijalna adsorbensa. Različite kombinacije eksperimenata provedene su za tri sirovine različitog početnog sastava nečistoća - provedeni su procesi adsorpcije i ekstrakcije, a zatim višestupnjeviti procesi poput ekstrakcije praćene adsorpcijom, dvostupnjevite ekstrakcije s dva različita otapala te trostupnjevite ekstrakcije. Eksperimenti su provedeni pri 60 °C, u trajanju od 3 h, pri 500 o/min. Udio adsorbensa bio je 5 % i 1 %, a maseni omjer otapala i sirovine 1:1, te u kasnijim eksperimentima s lužnatim DESom 0,1:1. Ispitan je i utjecaj masenog omjera otapala i sirovine na učinkovitost ekstrakcije. Maseni omjeri bili su 1:1, 2:1 te 3:1, a ekstrakcija je provedena u tri stupnja. Uzorci su karakterizirani optičkom emisijskom spektrometrijom induktivno spregnute plazme (engl. inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES), uz prethodnu pripremu mikrovalnom razgradnjom, te FTIR i 1H NMR spektroskopijom. Učinkovitost ekstrakcije metala i elemenata u tragovima iz sirovine najviše ovisi o početnom sadržaju nečistoća u sirovini - učinkovitost je znatno veća kod sirovine s najvećim udjelom nečistoća zbog veće pokretačke sile. Općenito, ekstrakcija se pokazala znatno učinkovitijom od adsorpcije. Sva ispitana otapala pokazala su veliku djelotvornost, uz iznimku otapala s kalijevim karbonatom koja su se djelomično otapala u sirovini i time povećavala udio kalija u uzorku. Pri udjelu od 5 %, adsorbensi su se otapali u masti i povećavali udio Mg i Ca, što se eliminiralo smanjenjem udjela na 1 %. Ukupna djelotvornost adsorpcije time je bila nešto niža, ali nije dolazilo do otapanja adsorbensa. Zatim je ispitan utjecaj kiselosti sirovine na učinkovitost adsorpcije, zbog čega je prvo provedena ekstrakcija-deacifikacija s DESom na bazi kalijeva karbonata pri omjeru 1:1, praćena adsorpcijom s 1 % adsorbensa. Pokazalo se da adsorbensi dobro uklanjaju zaostali kalij. Temeljem tih spoznaja, provedena je dvostupnjevita ekstrakcija s dva otapala - prvo s otapalom na bazi kalijeva karbonata pri nižem masenom omjeru (0,1:1), a zatim i s otapalom na bazi kolin-klorida kako bi se uklonio višak kalija koji zaostaje za prvim otaplom. Učinkovitost ekstrakcije DES-om s kalijevim karbonatom pri omjeru 0,1:1 niža je nego pri omjeru 1:1, ali se znatno smanjuje i količina zaostalog kalija. Učinkovitost DES-a s kolin-kloridom u drugom stupnju znatno je niža nego kod jednostupnjevitog procesa, zbog manje pokretačke sile. Najveću djelotvornost pokazao je DES kolin-klorid : etilen-glikol (1:2,5 mol.). Povećanjem masenog omjera s 1:1 na 2:1 i 3:1, kao i provođenjem ekstrakcije u tri stupnja, ta djelotvornost je neznatno povećana. Sljedeći korak istraživanja bio je sintetiziranje i pročišćavanje biodizela. Biodizel je sintetiziran iz prethodno pročišćenih WCGO, WAF1 i WCO, u reaktoru pri 60 °C. Prilikom sinteze istražen je utjecaj vrste katalizatora na čistoću dobivenog biodizela. KOH se pokazao učinkovitijim od NaOH. Potom je istražen utjecaj masenog omjera katalizatora prema metanolu i sirovini, u omjerima 0,1:40:100, 0,5:40:100 i 1:40:100. Pokazalo se kako najmanji udio katalizatora ne daje zadovoljavajuće rezultate, odnosno da ne nastaje biodizel zadovoljavajuće koncentracije metilnih estera masnih kiselina (eng. fatty acid methyl esters, FAME). Također, prilikom sinteze biodizela iz WAF1 pokazalo se da uz najveću količinu katalizatora dolazi do neutralizacije i nastanka soli. Nakon toga, s fiksnom količinom katalizatora ispitan je utjecaj masenog omjera metanola prema sirovini, i to u omjerima 30:100, 40:100 i 50:100. Sva tri omjera davala su biodizel zadovoljavajuće čistoće i nije primijećen veći rast udjela FAME s porastom količine metanola. Prema tome, optimalnim su se pokazali omjeri 0,5:40:100 i 1:40:100. Nakon sinteze, uzorci sirovih biodizela pročišćeni su kapljevinskom ekstrakcijom pomoću DES-a kolin-klorid : etilen-glikol, molarnoga omjera 1:2,5. Istražen je utjecaj masenog omjera DES-a i biodizela, te vremena trajanja ekstrakcije. Sve ekstrakcije provedene su pri 25 °C, na magnetskoj miješalici pri 500 o/min. Za biodizele iz ulja WCGO i WCO pokazalo se da produljenjem trajanja ekstrakcije dolazi do smanjenja udjela FAME u konačnom biodizelu, što navodi na zaključak da su nezasićene FAME koje su prisutne u uljima djelomično topljive u odabranom otapalu. Unatoč tome, sadržaj FAME u pročišćenim biodizelima ispunjavao je minimalne zahtjeve, odnosno bio je iznad 96,5 %. Kod biodizela iz masti WAF1 pokazao se suprotan trend, odnosno ispostavilo se da su zasićene FAME manje topljive u DES-u nego nezasićene. DES je također uspješno ekstrahirao skoro sav slobodni glicerol te je smanjio sadržaj ukupnog glicerola u biodizelu. S povećanjem omjera DES-a i biodizela dolazi do poboljšanja učinkovitosti ekstrakcije, s time da je i pri najmanjem ispitanom omjeru DES izuzetno učinkovit. Po završetku šaržnih eksprimenata ekstrakcije, biodizel iz WCGO pripremljen je u većoj količini i pročišćen u koloni s pulsirajućim pliticama. Uzorci su uzimani svakih 5 minuta tijekom ekstrakcije i karakterizirani snimanjem 1H NMR spektara. Promatrajući udio FAME u pravilnim vremenskim periodima, zaključeno je da do stabilizacije dolazi nakon 15 minuta ekstrakcije. Pročišćeni biodizel je karakteriziran i zadovoljavao je zahtjeve norme HRN EN 14214 prema svim ispitanim svojstvima, uključujući i udio FAME te sadržaj glicerola i glicerida. Ispitani DES pokazao se kao izuzetno djelotvoran za pročišćavanje biodizela u šaržnim i kontinuiranim eksperimentima. U ovom radu uspješno je provedeno pročišćavanje otpadnih održivih sirovina za proizvodnju biodizela DES-ovima. Slobodne masne kiseline najuspješnije su uklonjene ekstrakcijom pomoću DES-a kalijev karbonat : etilen-glikol (1:10), a metali i elementi u tragovima pomoću DES-a kolin-klorid : etilen-glikol (1:2,5). Potonji se pokazao izuzetno učinkovit i za pročišćavanje biodizela, ukanjajući skoro sav slobodni glicerol. U sklopu rada, DES na bazi kalijeva karbonata prvi je put upotrijebljen za ekstrakcijsku deacidifikaciju, a i sama ekstrakcijska deacidifikacija prvi je put provedena na otpadnim životinjskim mastima, otpadnom jestivom ulju te otpadnom ulju od kave. Također, DES-ovi su prvi put primijenjeni za pročišćavanje metala i elemenata u tragovima iz otpadnih sirovina i pokazali su izuzetnu učinkovitost za tu primjenu. Iz pročišćenih sirovina proizveden je biodizel koji je nakon pročišćavanja zadovoljavao standarde kvalitete, dokazujući još jednom učinkovitost DES-ova u procesu proizvodnje biodizela.

Cilj ovog istraživanja bio je kemijski karakterizirati do sada neistražene makroalge iz Jadranskog mora (smeđa alga Fucus virsoides, crvena alga Amphiroa rigida i zelena alga Codium bursa). Za određivanje profila isparljivih spojeva korištene su različite metode (mikroekstrakcija vršnih para na krutoj fazi (HS-SPME), hidrodestilacija (HD) i ekstrakcija s \(CO_{2}\) u superkritičnom stanju (\(ESCO_{2}\))) koje su provedene na svježim, osušenim na zraku i liofiliziranim uzorcima makroalgi. Dobiveni izolati analizirani su pomoću vezanog sustava plinska kromatografija i spektrometrija masa (GC-MS). Nadalje, sastav masnih kiselina analiziran je pomoću plinske kromatografije s plameno- ionizacijskim detektorom (GC-FID). Iz liofiliziranih uzoraka makroalgi ekstrahirani su i pročišćeni pigmenti primjenom ekstrakcije na čvrstoj fazi (SPE) te \(ESCO_{2}\) koji su potom identificirani i kvantificirani pomoću tekućinske kromatografije visoke djelotvornosti (HPLC). Dodatno, spektrofotometrijskom metodom određene su koncentracije ukupnih klorofila a i b te karotenoida u frakcijama dobivenim primjenom SPE i u \(CO_{2}\) ekstraktima. Na temelju dobivenih rezultata uočene su značajne razlike u kemijskom sastavu između različitih vrsta makroalgi. Tijekom određivanja profila isparljivih spojeva utvrđeno je da utjecaj sušenja ima značajnu ulogu na sastav prisutnih spojeva. Također, uočeni su produkti degradacije masnih kiselina i pigmenata koji upućuju na oksidacijske procese tijekom sušenja. Makroalge korištene u ovom istraživanju mogu se smatrati izvorima visokovrijednih ω-3 i ω-6 masnih kiselina koje su bile prisutne u sve tri analizirane makroalge. Rezultati su pokazali da su prisutni karakteristični pigmenti za pojedinu skupinu makroalgi. Za smeđu makroalgu F. virsoides fukoksantin je detektiran kao dominatan pigment, u crvenoj algi A. rigida klorofil a i β-karoten bili su najzastupljeniji, dok je za zelenu algu C. bursa utvrđena dominantnost klorofila b i astaksantina. Ovo istraživanje značajno doprinosi boljem shvaćanju kemijske bioraznolikosti makroalgi iz Jadranskog mora te njihovom potencijalu za primjenu u prehrambenoj, kozmetičkoj i/ili farmaceutskoj industriji. The aim of this study was to provide chemical characterization of unexplored macroalgae from the Adriatic Sea; brown alga Fucus virsoides, red alga Amphiroa rigida and green alga Codium bursa. Various methods were used to determine the volatilome profiles of fresh, air-dried and freeze-dried samples, including headspace solid-phase microextraction (HS-SPME), hydrodistillation (HD) and supercritical \(CO_{2}\) extraction (\(ESCO_{2}\)). The obtained isolates were analyzed by coupled gas chromatography and mass spectrometry (GC-MS). Furthermore, the fatty acid content was analyzed by gas chromatography with a flame ionization detector (GC-FID). The pigments were extracted and purified using solid phase extraction (SPE) and \(ESCO_{2}\) from freeze-dried macroalgal samples. In the obtained purified fractions and \(CO_{2}\) extracts, the pigments were identified and quantified by high performance liquid chromatography (HPLC). In addition, the concentrations of total chlorophylls and carotenoids in the obtained SPE fractions and \(CO_{2}\) extracts were determined by spectrophotometric method. Based on the obtained results, significant differences were observed between different types of macroalgae. During the determination of the profile of volatile compounds, it was found that the influence of air drying plays a significant role on the composition of the present compounds. Also, degradation products of fatty acids and pigments were observed, which indicate oxidation processes during drying. The macroalgae used in this study can be considered as sources of high-value ω-3 and ω-6 fatty acids that were present in all three macroalgae. The results showed that characteristic pigments for a particular group of macroalgae were present. Fucoxanthin was detected as the dominant pigment in brown alga F. virsoides, chlorophyll a and β-carotene were dominant in red alga A. rigida, while in green alga C. bursa chlorophyll b and astaxanthin were present. This research significantly contributes to a better understanding of the chemical biodiversity of macroalgae from the Adriatic Sea and their potential for application in the food, cosmetic and/or pharmaceutical industries.