CoreSpin: Biofouling Isı Eşanjörleri – Her seferinde tek bir protein!

Merhaba, biz CoreSpin. Maastricht Üniversitesi’nden, biyoloji, kimya, mühendislik ve bilgisayar bilimleri alanlarında farklı geçmişlere sahip, 16 ülkeyi temsil eden 14 öğrenciden oluşan bir ekibiz. Merak duygusu ve laboratuvar ile gerçek dünya arasındaki boşluğu kapatma hedefiyle bir araya gelerek, biyolojinin mühendisliği nasıl yeniden şekillendirebileceğini araştırıyoruz.

Projemiz, biyolojik düşünceyi nadiren temas ettiği bir alana taşıyor: ısıl mühendislik. Isı transfer yüzeylerini kaplayan, biyolojik kirlenme ile toz ve tortu birikimini azaltmaya yönelik, ısı iletkenliği yüksek bir nano katman geliştiriyoruz.

Mühendislik ve Sentetik Biyoloji

Sentetik biyoloji, yediğimiz gıdalardan kullandığımız ilaçlara kadar modern yaşamı sessizce dönüştürüyor. Bu alan, doğal organizmaların işlevlerini geliştirmek veya tamamen yeni işlevler kazandırmak amacıyla yeniden tasarlanmasını içerir. Biyoloji, mühendislik, kimya, fizik ve bilgisayar bilimlerinin kesişiminde yer alan bu disiplin; amaç odaklı biyolojik sistemlerin tasarlanmasını ve üretilmesini mümkün kılar.

Doğadan ilham alan sentetik biyoloji, daha sürdürülebilir ve döngüsel bir ekonomi için yenilikçi yollar sunar. Farklı disiplinlerin prensiplerini bir araya getirerek, geleneksel olarak biyolojiden uzak kalan alanlarda bile malzeme ve sistem tasarımını yeniden düşünmemizi sağlar.

Bu alanlardan biri de, biyolojik yaklaşımların uzun süredir devam eden endüstriyel sorunlara yenilikçi çözümler sunabileceği ısıl mühendisliktir.

*Not.* Hallinan, J. S., Wipat, A., Kitney, R., Woods, S., Taylor, K., & Goñi‐Moreno, A. (2019). Future‐proofing synthetic biology: educating the next generation. *Engineering Biology*, 3(2), 25–31. https://doi.org/10.1049/enb.2019.0001 adresinden **uyarlanmıştır.**

Doğadan, özellikle örümcek ipeğinin olağanüstü özelliklerinden ilham alarak, doğrudan bakıra bağlanabilen proteinler tasarlıyor ve dizilerini; optimum mekanik dayanım, ısıl iletkenlik ve nano ölçekte yapı elde edecek şekilde hassas biçimde optimize ediyoruz.

Modern Yaşamın Omurgası: Isı Eşanjörleri

Bu tür bir yeniliğin nerede fark yaratabileceğini anlamak için, modern yaşamın en göz ardı edilen ancak en kritik teknolojilerinden birine odaklandık: ısı eşanjörleri. Otomobil motorlarını soğutur, buzdolaplarının çalışmasını sağlar, binaların sıcaklığını düzenler ve veri merkezlerindeki soğutma sistemlerinin temelini oluşturur. Nitekim endüstriyel süreçlerde kullanılan ısının %90’ından fazlası, proses tamamlanmadan önce en az bir kez bir ısı eşanjöründen geçer. Bu nedenle bu sistemler, yalnızca sayısız uygulamanın sorunsuz çalışması için değil, genel enerji verimliliğinin artırılması açısından da kritik öneme sahiptir.

Yerel bir hastanenin enerji merkezine yaptığımız ziyarette, teknisyenler ve yöneticilerle görüşerek bu alandaki büyük bir sorunla tanıştık: ısı eşanjörü kirlenmesi. Bu görüşme, problemin somut etkilerini görmemizi sağladı ve projemizin gerçek dünya ile olan bağını netleştirdi.

Isı eşanjörü yüzeylerinde Bakteri, Toz ve Tortu

Sıvıdan havaya çalışan ısı eşanjörleri, ısıyı bir sıvıdan çevredeki havaya aktarır. Ancak toz, partikül ve bakterilerle dolu açık ortamlarda çalıştıkları için biyolojik kirlenme, korozyon ve tortu oluşumuna son derece yatkındırlar. Örneğin bakteriler, iletken yüzeylere tutunarak biyofilm adı verilen kaygan bir tabaka oluşturabilir. Bu durum küçük gibi görünse de, bakır yüzeylerde oluşan biyolojik kirlenmenin ısı iletkenliğini ciddi ölçüde düşürdüğü kanıtlanmıştır. Saç teli kalınlığındaki bir biyofilm bile ısı transferini %98’e kadar azaltabilir. Ayrıca bu bakteriler, zamanla malzeme yüzeyini bozan doğal korozyona katkıda bulunur ve ısıl verimliliği %20’den fazla düşürür. Toz ve tortu birikimi ise ısı iletiminde ilave %30’luk bir kayba yol açabilir.

Tüm bu faktörler birlikte, ısı eşanjörlerinin normal çalışmasını bozar ve verimliliği ciddi şekilde azaltır. Bu kaybı telafi etmek için sistemler daha fazla çalışmak zorunda kalır; bu da daha yüksek enerji tüketimi ve daha fazla sera gazı emisyonu anlamına gelir.

Mevcut temizlik yöntemleri genellikle kısa vadeli çözümler sunar ve çoğu zaman sağlık açısından riskli, sert kimyasallara dayanır. Bakım süreçleri duruş sürelerine ve işletme maliyetlerinin artmasına neden olur. Sonuç olarak birçok şirket, eski bileşenleri bakım yapmak yerine devre dışı bırakmayı tercih eder; bu da kaynakların tükenmesine ve gereksiz atık oluşumuna yol açar.

Not.Fryer, M. (2024, July 22). Fouling in Heat Exchanger: Learn Causes, Detection, and Prevention. CSI Designs. Retrieved October 22, 2025, from https://www.csidesigns.com/blog/articles/fouling-in-heat-exchangers?srsltid=AfmBOopNT832FlFDBBFmLdm9z7G6BCcvyAgnR-OnI8Goqz9-usmxg5IN adresinden uyarlanmıştır.

Not. Apex Thermal. (2024, March 25). Plate Heat exchanger Cleaning Information Guide. Apex Thermal Heat Exchangers – Heat Exchanger Specialists. https://www.apexthermal.co.za/plate-heat-exchanger-cleaning-information-guide/ adresinden uyarlanmıştır.

Parlak bir Gelecek için Doğa ve Teknolojinin Birleşimi

Mevcut temizlik ve bakım yöntemlerinin sınırlamalarını aşmak için, hem yüksek ısıl verimlilik hem de kendi kendini temizleme özellikleri sunabilen biyolojik malzemeleri araştırdık. Örümcek ipeği, bu çok işlevli performans için doğal bir model olarak öne çıktı.

Örümcekler, ağlarının farklı bölümlerini oluşturan çeşitli ipek türleri üretir. Bunlar arasında dragline ipeği — diğer adıyla major ampullate ipeği — özellikle dikkat çekicidir. Ağın yük taşıyan ana elemanı olan bu ipek, olağanüstü özellikler sunan özel proteinler içerir: çelik kadar güçlü, Kevlar’dan üç kat daha tok ve naylondan beş kat daha elastiktir. Ayrıca örümcek ipeği, bakıra yakın seviyede dikkat çekici bir ısıl iletkenliğe sahiptir.

*Not.* Liu, X., & Zhang, K. (2014). Silk fiber — molecular formation mechanism, structure- property relationship and advanced applications. In *InTech eBooks* içinden uyarlanmıştır

Proteinin Bakır Yüzeylere Bağlanması

Örümcek ipeği yüksek mekanik dayanım ve ısıl iletkenlik sunsa da, doğal proteinleri olan spidroinler metallerle kendiliğinden bağlanmaz. Oysa bu özellik, tasarımımız için kritik bir gerekliliktir. İpeğin özelliklerini işlevsel bir kaplamaya dönüştürmek için, bu proteinleri doğrudan bakır yüzeylere sabitlemenin bir yolunu bulmamız gerekiyordu. Bakır, yüksek ısıl iletkenliği ve kararlı kristal yapısı nedeniyle tercih edildi.

Bu amaçla protein dizisine ek bir sistein kalıntısı ekledik. Bu kalıntının tiyol grubu, bakır–kükürt arasında kovalent bir bağ oluşturarak protein tabakası ile metal yüzey arasında doğrudan moleküler bir bağlantı sağlar. Bu bağ, fonon eşleşmesi için kritik öneme sahiptir; yani ısı enerjisinin bakırdan spidroin fibrillerine aktarılmasını mümkün kılar. Bu bağlantı olmadan, metal ile protein tabakası arasında mikroskobik boşluklar oluşur; bu boşluklar havayı hapseder ve kaplamayı iletken bir yapı yerine yalıtkan bir bariyere dönüştürür.

Bu kovalent bağlanma, yalnızca etkin ısı transferini sağlamakla kalmaz, aynı zamanda kaplamanın antibakteriyel özelliklerinden sorumlu nano ölçekteki yüzey yapısının oluşmasına da katkıda bulunur.

Yüzey topografisi ile Bakterilerin Tespiti ve Eliminasyonu

Protein bakır yüzeye başarıyla bağlandıktan sonra, bir sonraki adım yapının ek işlevler sunacak şekilde nasıl tasarlanabileceğini incelemek oldu. Kaplamanın nano ölçekteki yüzey topografisini tasarlayarak, hem ısıl performansı koruyan hem de bakteri tutunmasına karşı dirençli doğal yüzeyleri taklit etmeyi hedefledik.

Bu noktada yine doğadan ilham aldık — bu kez yusufçuk ve ağustos böceği kanatlarından. Bu böceklerin yüzeyleri, bakteri hücrelerinden daha küçük yapısal özelliklere sahip nano yapılar içerir. Boyut dışlama prensibi sayesinde, bakterilerin tutunabileceği yüzey alanı ciddi şekilde azalır.

Kanat yüzeyleri, yüzeye dik şekilde uzanan, düzenli dizilmiş nano sütunlarla kaplıdır. Bakteriler bu yüzeye tutunmaya çalıştığında, bu sütunlar hücre zarını gerer ve parçalayarak hücre lizisine neden olur. Tamamen fiziksel olan bu mekanizma, nano katmanımızın kimyasallar veya antibiyotikler kullanmadan antibakteriyel kalmasını sağlar.

*Not*. Oopath, S. V., Baji, A., Abtahi, M., Luu, T. Q., Vasilev, K., & Truong, V. K. (2022). Nature‐Inspired biomimetic surfaces for controlling bacterial attachment and biofilm development. *Advanced Materials Interfaces*, 10(4). https://doi.org/10.1002/admi.202201425 adresinden uyarlanmıştır

Aynı prensibin toz ve tortu için de geçerli olduğu düşünülmektedir. Düzenli nano sütun yapısı, bu kirleticilerin yüzeye yerleşmesini sınırlar ve yüzeye kendi kendini temizleme özelliği kazandırır.

Prototip: Gerçek Dünya için bir Test Platformu

Doğal nano yapılardan elde edilen bu bilgiler doğrultusunda, biyomühendislik ürünü kaplamamızı deneysel bir düzeneğe uyguladık. Bu prototip, kaplamanın ısıl iletkenliğini, kirlenmeye karşı direncini ve antibakteriyel performansını; gerçek uygulamaları temsil eden kontrollü ısı değişim koşulları altında nicel olarak değerlendirmek üzere geliştirildi.

Deney düzeneği, bakır ısı eşanjörü levhalarının ısı transfer verimliliğini üç farklı kaplama koşulunda değerlendirir:

İşlem görmemiş saf bakır
Biyofilm oluşmuş bakır
Modifiye edilmiş örümcek ipeği proteinleriyle kaplanmış bakır

Amaç, sıvı-hava ısı eşanjörlerinde gerçekçi kirlenme koşullarını simüle etmek ve yüzey kaplamalarının ısıl performans üzerindeki etkisini ölçmektir.

Deney düzeneği üç ana bölümden oluşur: kalorimetri sistemi, özel tasarlanmış ısı eşanjörü kapağı ve hava akışı ile çevresel kontrol sistemi.

Kalorimetri Sistemi

Kalorimetri kabı, deneysel çalışmalarda kullanılan en temel termodinamik ekipmanlardan biridir. Isı yalıtımlı bir malzemeden üretilmiş bu kap, deneyde ana ısı deposu olarak görev yapar. Deney, kabın 100 °C sıcaklığında su ile doldurulmasıyla başlar; ölçümler ise 80 °C ile 40 °C aralığında gerçekleştirilerek tutarlı bir başlangıç sıcaklık gradyanı sağlanır.

±0,1 °C hassasiyete sahip bir sıcaklık probu suya daldırılarak sıcaklık sürekli izlenir ve kaydedilir. Ayrıca kap, buharlaşma kayıplarını en aza indiren ve su ile ortam havası arasında bir ısı eşanjörü görevi gören özel bir kapakla kapatılır.

Isı eşanjörü Montajı

Kapak montajını, gerçekçi ısı değişim koşullarında protein testleri için optimize edilmiş, modüler bir ısı transfer arayüzü olarak tasarladık. Bu yapı, hassas mühendislik ürünü üç ana bileşenden oluşur:

Isıyı sudan kapak yüzeyine aktaran, 84 mm uzunluğunda M4 dişli 15 adet alüminyum çubuk. Alüminyum, yüksek ısıl iletkenlik/fiyat oranı sayesinde hızlı ve düşük maliyetli deneyler için seçildi.
Alüminyum çubuklar için 15 dişli yuva ve üst yüzeyde frezelenmiş 6 adet “ray” içeren, özel CNC işlenmiş bir alüminyum kapak. Bu tasarım, çubuklar ile levhalar arasında etkin ısı transferi sağlar.
Raylara yerleştirilen, çubuklardan kapağa ve oradan çevre havasına ısı transferini kolaylaştıran altı adet 1 mm kalınlığında bakır ısı değişim plakası. Bakır, kristal yapısı sayesinde ortam havası ile iletilen ısının etkin şekilde aktarılmasını sağlar.

Çubuklar, kapak ve bakır plakalar arasındaki tüm temas yüzeyleri; ara yüzey ısıl direncini azaltmak ve iletim verimliliğini artırmak amacıyla termal macun ve yüksek sıcaklığa dayanıklı yapıştırıcı ile birleştirilmiştir.

Tasarım felsefesi ve Kısıtlar

Kapak, üretilebilirlik ve modülerlik göz önünde bulundurularak tasarlanmıştır. Ayrıca projenin sınırlı bütçesi nedeniyle, yerel yapı marketlerinden temin edilebilen seri üretim malzemelerin kullanılmasına öncelik verdik. Bu nedenle yalnızca kapak için özel CNC işleme gerekti; bu da düşük bütçeyle çoğaltılabilirlik ve ölçeklenebilirlik sağladı.

Temel tasarım kriterleri şunlardı:

Standart kalorimetri kabı ile uyumluluk ve iyi bir ısıl sızdırmazlık. Bu amaçla, dış çapı 100 mm, içe oturan tabanı 75 mm olan çift çaplı bir arayüz tasarlandı.
Akışkan ortamdan yukarı doğru tutarlı ısı transferi sağlamak için alt montajlı çubuk dizilimi
Paralel plaka sayısının değiştirilebilmesine olanak tanıyan, ayarlanabilir ve değiştirilebilir bakır plaka konfigürasyonu

Deneysel değerlendirmeler

Deney düzeneğinde bakır plakalar, kirlenme önleyici ve ısı taşıyıcı proteinlerimizin performansını değerlendirmek için test yüzeyi olarak kullanılır.

Deneye bağlı olarak plakalar:

Referans kontrol numunesi olarak işlem görmeden bırakılır,
Gerçek kullanım koşullarını simüle etmek için bilinçli olarak biyofilm ve tortu ile kirletilir,
Isıl performans ve kirlenme direncinin karşılaştırmalı değerlendirilmesini mümkün kılan mühendislik ürünü proteinlerle kaplanır.

Bu modüler ve termodinamik açıdan optimize edilmiş tasarım, biyolojik kaplamaların ısı transfer performansı üzerindeki etkisini nicel olarak değerlendirmemizi sağlar. Bu, ısı eşanjörleri için sürdürülebilir ve verimli, biyodan ilham alan malzemelere giden yolda ilk adımdır.

Hava akışı ve Çevresel kontrol

Tüm ısı eşanjörü montajı, beklenmeyen hataların riskini azaltmak için kapalı bir plastik hazne içine yerleştirilir. Bu sistem, nem değişimlerini engellemek ve hava girişinde sabit sıcaklık sağlamak amacıyla bir çeker ocak (fume hood) içinde konumlandırılır. Bakır plakalar üzerinden geçen hava akışını artırmak ve gerçek dünyadaki zorlanmış konveksiyonu simüle etmek için DC eksenel bir fan kullanılır.

Fanlar ile bakır plakalar arasına yerleştirilen iki izleme sensörü sayesinde, üç alt deney için de aynı koşulların sağlandığı doğrulanır. Bunlar; giriş havası sıcaklığını izleyen bir sıcaklık sensörü ve sabit hacimsel debiyi doğrulayan bir basınç sensörüdür.

Bu konfigürasyon, tekrarlar arasında kararlı sınır koşulları sağlarken, hava tarafındaki ısı alımının nicel olarak ölçülmesine olanak tanır.

Prototipten Uygulamaya

Bugüne kadar, tasarladığımız proteinleri başarıyla ifade ettik ve bakır yüzeylere bağlanmalarını sağladık. Çalışmamızın bir sonraki aşaması, nano yapının antimikrobiyal özelliklerini değerlendirmeye ve ölçeklenebilirliğini analiz etmeye odaklanacak.

Modüler prototip sistemimizi kullanarak, kaplanmış bakır plakaların ısıl iletkenliğini test edecek; kontrollü hava akışı, nem ve kirlenme ortamlarına maruz bırakarak gerçek işletme koşullarını simüle edeceğiz. Bu sayede, işlem görmemiş veya kirlenmiş bakır yüzeylerle karşılaştırıldığında ısı transfer verimliliği, biyolojik kirlenmeye direnç ve dayanıklılıkta sağlanan iyileştirmeleri nicel olarak ortaya koyacağız.

Nihai hedefimiz, protein kaplamamızı tam ölçekli ısı eşanjörlerine uygulayarak gerçek sistemlerde ısıl performansa etkisini değerlendirmek ve HVAC üniteleri ile veri merkezlerinde kullanılabilirliğini doğrulamaktır. Biyolojik çözümlerin bugüne kadar hiç düşünülmediği bir alana tamamen yeni bir teknoloji kazandırarak, CoreSpin verimlilikle çalışan bir geleceğe katkı sağlamayı amaçlıyor.

Şimdiye kadar üzerinde çalıştığınız veya gördüğünüz en heyecan verici mühendislik–biyoloji kesişimi hangisiydi? Deneyiminizi yorumlarda bizimle paylaşın!