Η μεθοδολογία υλοποίησης θα βασίζεται στις παρακάτω προσεγγίσεις:

1: Ανάπτυξη και βελτιστοποίηση νανοπρόσθετων υλικών: Μεταξύ των άλλων φωτοκαταλυτικών υλικών, θα δοθεί έμφαση σε απλά ή με προσμείξεις οξείδια μετάλλων (όπως TiO₂, ZnO, WO₃ κλπ), με στόχο την διάθεση νανοϋλικών που θα συνδυάζουν βέλτιστη και διαχρονική σταθερή φωτοκαταλυτική δράση, συμβατότητα με τα υπό χρήση πολυμερή, όπως HDPE, σταθερότητα ως νανοπρόσθετα σε πολυμερικές μήτρες καθώς και χαμηλή τοξικότητα για το θαλάσσιο περιβάλλον. Τα νανοϋλικά θα αναπτυχθούν με σύνθεση από διάλυμα, ακολουθούμενη από ανόπτηση για βελτίωση της κρυσταλλικότητας, αν αυτή απαιτηθεί. Παράλληλα, θα εξεταστούν, αν απαιτηθεί, διάφορες προσμείξεις με στόχο την βελτιστοποίηση της δραστικότητας τους. Τέλος, σε περιπτώσεις που τα νανοϋλικά δεν σχηματίζουν σταθερά εναιωρήματα ή έχουν κακή αναμειξιμότητα με το υπό χρήση πολυμερές, θα πραγματοποιείται κατάλληλη χημική τροποποίηση. Σε κάθε περίπτωση, θα πραγματοποιείται δομικός και μορφολογικός χαρακτηρισμός, ενώ η δραστικότητα θα διερευνάται μέσω φωτοκατάλυσης.

2: Ανάπτυξη εργαστηριακών πρότυπων νανοσύνθετων νημάτων: Θα πραγματοποιηθεί ενσωμάτωση των νανοϋλικών από οξείδια μετάλλων σε πολυμερικές μήτρες, με έμφαση σε HDPE, ώστε το τελικό νανοσύνθετο υλικό να έχει αντιρρυπαντικές ιδιότητες, αλλά και κατάλληλες μηχανικές ιδιότητες. Θα χρησιμοποιηθούν διάφορες εργαστηριακές τεχνικές, όπως πίεσης υπό θερμώ, εξώθησης υπό θερμώ και τριασδιάστατης εκτύπωσης (3D printing) ώστε να δημιουργηθούν πολυμερικά νανοσύνθετα υπό μορφή νημάτων σε πρώτη φάση και πλέγματος με ελεγχόμενη γεωμετρία σε δεύτερη. Θα πραγματοποιηθεί πλήρης χαρακτηρισμός των πολυμερικών νανοσύνθετων, με ιδιαίτερη έμφαση σε ρεολογικές, μηχανικές και θερμικές ιδιότητες, που είναι κρίσιμες για την παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Παράλληλα, θα διερευνηθεί η λειτουργικότητα των νανοσύνθετων υλικών σε σχέση με την αντιρρυπαντική τους δράση. Τα αποτελέσματα θα χρησιμοποιηθούν ως ανάδραση για την βελτιστοποίηση αφενός των νανοπρόσθετων και αφετέρου της δομής και της αρχιτεκτονικής του πολυμερικού νανοσύνθετου.

3. Επικάλυψη των διχτυών υδατοοκαλλιέργειας με βιοκτόνα συμπολυμερή. Θα διερευνηθεί η χρήση βιοστατικών ενώσεων ακινητοποιημένων υπό μορφή επίστρωσης σε δίκτυα  υδατοκαλλιέργειας, έτσι ώστε η βιοστατική δράση να περιορίζεται μόνο στην επιφάνεια χωρίς να ελευθερώνονται ουσίες στο θαλάσσιο περιβάλλον. Ειδικότερα, έχει δειχθεί ότι επιφάνειες με ισχυρά υδρόφοβο χαρακτήρα που δεν διαβρέχονται από το υδάτινο περιβάλλον, όπως φθοριωμένα πολυμερή καθώς και πολυσιλοξάνες, παρουσιάζουν αντιμικροβιακή δράση. Παράλληλα, επιφάνειες με πολύ υδρόφιλο χαρακτήρα αποτρέπουν την προσκόλληση, καθώς αυτή απαιτεί την απομάκρυνση του νερού από την επιφάνεια κάτι το οποίο δεν ευνοείται θερμοδυναμικά, με αποτέλεσμα επίσης αντιμικροβιακή δράση, η χρήση τους σε υποθαλάσσιες εφαρμογές και η μακρόχρονη αντοχή τους ειδικά παρουσία θαλασσινού νερού δεν έχει εξεταστεί επαρκώς. Στόχος του προτεινόμενου έργου θα είναι ανάπτυξη καινοτόμων αντιμικροβιακών πολυμερικών επιστρώσεων για εφαρμογές σε δίχτυα ιχθυοκαλλιέργειας και η μελέτη της αντιμικροβιακής τους δράσης σε εργαστηριακό επίπεδο και σε πραγματικές συνθήκες.

4. Μελέτη και μοντελοποίηση της ικανότητας για αντιρρυπαντική δράση και της τοξικότητας σε εργαστηριακό επίπεδο:

Δοκιμές αντιρρυπαντικής δράσης: Σε εργαστηριακό επίπεδο θα δοκιμαστεί η δράση των νέων υλικών χρησιμοποιώντας σαν δείχτες καλλιέργειες μικροφυκών (Chlorella sp., Nanochloropsis sp.) σε άγαρ. Οι δοκιμές θα γίνουν υπό ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας και φωτός για μια περίοδο 15 ημερών σε επανάληψη (τουλάχιστον τριπλή) στα διάφορα υλικά που θα αναπτυχθούν.

Δοκιμές οξείας τοξικότητας: Θα προσδιορισθεί η τοξικότητα (EC50) σε δείγμα του υπό εξέταση προϊόντος και σε δείγματα νερού αφού έχει γίνει διάλυση/έκκληση (leaching) του προϊόντος με δύο τρόπους, ι) με το θαλάσσιο βακτήριο Vibrio fischery (Microtox© test) και ιι) το καρκινοειδες Artemia sp. (Artemia test).

5: Αξιολόγηση στο πεδίο: Πλέγματα με διάφορες συστάσεις και γεωμετρίες αλλά και διάφορες επιστρώσεις θα τοποθετηθούν για ικανό χρονικό διάστημα σε μονάδα ιχθυοκαλλιέργειας με στόχο την διερεύνηση της αντιρρυπαντικής τους δράσης σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Με βάση τα αποτελέσματα, θα αξιολογηθεί η ικανότητας των νανοσύνθετων και των επιστρώσεων για την ανάπτυξη δικτυών υδατοκαλλιέργειας με αντιρρυπαντική δράση, αλλά και η δυνατότητα μεταφοράς των σχετικών υλικών και διαδικασιών σε μονάδες παραγωγής. Επιπλέον θα γίνουν δοκιμές χρόνιας τοξικότητας: Θα προσδιοριστούν χρόνιες επιδράσεις σε δείγματα ιστών (βράγχια, συκώτι, μυς) σε ψάρια (15 άτομα) τα οποία έχουν εκτεθεί στο υπό εξέταση προϊόν και σε ψάρια (15 άτομα) που δεν έχουν εκτεθεί. Ο προσδιορισμός των επιδράσεων  θα γίνει με τους βιοχημικούς και ενζυμικούς βιοδείκτες: 1) ενεργότητα της υπεροξειδάσης της γλουταθειόνης (SOD), 2) συγκέντρωση της μεταλλοθειονίνης, 3) ενεργότητα της Na-K-ATPάσης, 4) οξείδωση λιπιδίων (MDA).

Αναλυτική Περιγραφή ανά Πακέτο Εργασίας

ΠΕ 1 :  Διερεύνηση των λειτουργικών απαιτήσεων σε καινοτόμα δίκτυα για ιχθυοκαλλιέργεια

Συντονιστής: Ιχθυοκαλλιέργειες Αργοσαρωνικού Α.Ε., Μ1-M9.

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Αναλυτική μελέτη αναφορικά με τις ανάγκες της αγοράς, τις απαιτήσεις της και τα περιθώριά της.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες:

• Θα διερευνηθούν τα εμπορικά προϊόντα που παρέχονται στην εγχώρια και διεθνή αγορά ως δίκτυα υδατοκαλλιέργειας και τα χαρακτηριστικά τους 
• Θα παραδοθεί μία έκθεση σκοπιμότητας, χρηματοοικονομική ανάλυση, διάγραμμα πιθανών προϊόντων και αγορών και αναλύσεις νομοθετικών πλαισίων.

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π1.1:   Έκθεση για βιομηχανικές και εμπορικές απαιτήσεις Μ9.

ΠΕ 2 :  Κατασκευή νανοσύνθετων νημάτων

Συντονιστής: ΕΛΜΕΠΑ, Μ2-M24.

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Η ανάπτυξη κατάλληλων φωτοκαταλυτικών νανοπρόσθετων και ενσωμάτωση τους σε πολυμερικές μήτρες.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες:

• Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοπρόσθετων: Θα μελετηθούν διάφορες μορφές απλών ή με προσμείξεις οξειδίων μετάλλων (όπως TiO₂, ZnO, WO₃ κλπ), για την ανάπτυξη των οποίων θα χρησιμοποιηθούν χημικές τεχνικές χαμηλού κόστους και φιλικές προς το περιβάλλον, εύκολα εφαρμόσιμες σε μια μονάδα παραγωγής και η οποία θα επιτρέπει τον έλεγχο και την ελεγχόμενη τροποποίηση των βασικών  χαρακτηριστικών τους.
• Διερεύνηση της συμβατότητας και αναμειξιμότητάς των νανοπρόσθετων με τις υπό χρήση πολυμερικές μήτρες: Θα διερευνηθεί η συμβατότητα και η αναμειξιμότητα των νανοσύνθετων με τις υπό χρήση πολυμερικές μήτρες, με έμφαση σε HDPE.
• Ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών: Θα χρησιμοποιηθεί η τεχνική της εξώθησης υπό θερμώ και της τριασδιάστατης εκτύπωσης (3D printing) ώστε να αναπτυχθούν πολυμερικά νανοσύνθετα σε μορφή νημάτων

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π2.1:   Νανοσύνθετα νήματα Μ24.

Π2.2:   Έκθεση σε σχέση με τη δημοσιότητα Μ24.

ΠΕ 3 :  Κατασκευή πιλοτικών προϊόντων εργαστηριακής κλίμακας και έλεγχος της λειτουργικότητας τους σε φυσικό περιβάλλον.

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Έλεγχος της αντιρρυπαντικής δράσης σε πραγματικές συνθήκες.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες

• Έλεγχος της αντιρρυπαντικής δράσης σε πραγματικές συνθήκες: Πρότυπα θα τοποθετηθούν για διάρκεια ενός χρόνου σε μονάδα ιχθυοκαλλιέργειας με στόχο την διερεύνηση της αντιρρυπαντικής τους δράσης. Η τοποθέτηση θα αφορά κατάλληλο αριθμό δειγμάτων, έτσι ώστε να είναι εφικτή η διαχρονική μελέτη της συμπεριφοράς τους. Επιπλέον θα γίνουν δοκιμές χρόνιας τοξικότητας σε δείγματα ιστών (βράγχια, συκώτι, μυς) από ψάρια (15 άτομα) τα οποία έχουν εκτεθεί στο υπό εξέταση προϊόν. Ο προσδιορισμός των επιδράσεων θα γίνει με τους βιοχημικούς και ενζυμικούς βιοδείκτες: 1) ενεργότητα της υπεροξειδάσης της γλουταθειόνης (SOD), 2) συγκέντρωση της μεταλλοθειονίνης, 3) ενεργότητα της Na-K-ATPάσης, 4) οξείδωση λιπιδίων (MDA).

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π3.1 :   Έκθεση σχετική με την συμπεριφορά των πιλοτικών προϊόντων σε φυσικό περιβάλλον

ΠΕ 4 :  Έλεγχος χαρακτηριστικών, λειτουργικότητας και τοξικότητας των υπό ανάπτυξη υλικών

Συντονιστής: ΕΛΚΕΘΕ, Μ4-M24.

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Κατανόηση των συνθέσεων και διαδικασιών ανάπτυξης των νανοσύνθετων υλικών και των επιστρώσεων που οδηγούν σε βέλτιστη αντιρρυπαντική δράση.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες:

• Όλα τα νανοσύνθετα υλικά και οι πολυμερικές επιστρώσεις που θα αναπτυχθούν, θα χαρακτηριστούν ως προς τις δομικές, μορφολογικές, ρεολογικές και φωτοκαταλυτικές ιδιότητες τους.

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π4.1:   Έκθεση σχετικά με τα χαρακτηριστικά, την λειτουργικότητα και την βιοσυμβατότητα  των υπό ανάπτυξη υλικών. Μ24.

Π4.2:   Έκθεση σε σχέση με τη δημοσιότητα. Μ24.

ΠΕ 5 :  Κατασκευή πιλοτικών προϊόντων εργαστηριακής κλίμακας και έλεγχος της λειτουργικότητας τους σε φυσικό περιβάλλον

Συντονιστής: ΙΤΕ, Μ19-M36.

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Έλεγχος της αντιρρυπαντικής δράσης σε πραγματικές συνθήκες.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες:

• Βάσει των αποτελεσμάτων των ΠΕ2, ΠΕ3 και ΠΕ4, θα αναπτυχθούν πρότυπα αντιρρυπαντικά προϊόντα σε μορφή δικτυού μικρής κλίμακας. Θα χρησιμοποιηθούν οι βέλτιστες συνθέσεις με βάση τα αποτελέσματα των προηγούμενων ΠΕ καθώς τα πρότυπα θα έχουν την μορφή δικτυού μικρών διαστάσεων.
• Σε όλα τα πρότυπα που θα αναπτυχθούν θα πραγματοποιηθεί δομικός και μορφολογικός χαρακτηρισμός πριν την διερεύνηση της αντιρρυπαντικής τους δράσης.
• θα επανακαθοριστούν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά των πρότυπων με στόχο μια βέλτιστη αντιρρυπαντική δράση.
• Πρότυπα θα τοποθετηθούν για διάρκεια ενός χρόνου σε μονάδα ιχθυοκαλλιέργειας με στόχο την διερεύνηση της αντιρρυπαντικής τους δράσης.

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π5.1:   Πιλοτικά προϊόντα. Μ36.

Π5.2:   Έκθεση σχετική με την συμπεριφορά των πιλοτικών προϊόντων σε φυσικό περιβάλλον. Μ30.

Π5.3:   Έκθεση σε σχέση με τη δημοσιότητα. Μ36.

ΠΕ 6 :  Αξιολόγηση εφαρμοσιμότητας των πιλοτικών προϊόντων σε μονάδα παραγωγής και στην αγορά

Συντονιστής: ΕΛΚΕΘΕ, Μ25-M36

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Αξιολόγηση των αποτελεσμάτων ως προς τις δυνατότητες τους για άμεση χρήση σε επιχειρηματικό επίπεδο.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες:

• θα μοντελοποιηθεί η συμπεριφορά των πολυμερών νανοσύνθετων υλικών και των πολυμερικών επιστρώσεων σε σχέση με την αντιρρυπαντική τους δράση, ενώ παράλληλα, θα συσχετιστεί αυτή με τα βασικά χαρακτηριστικά των επιμέρους υλικών αλλά και των τελικών πρότυπων. Απώτερος στόχος να αξιολογηθεί όχι μόνο η ικανότητας τους για την ανάπτυξη δικτυών υδατοκαλλιέργειας με αντιρρυπαντική δράση, αλλά και η δυνατότητα μεταφοράς των σχετικών υλικών και διαδικασιών σε μονάδες παραγωγής 
• θα αναπτυχθούν αντίστοιχα πρότυπα τα οποία θα εξαχθούν από τα υλικά που έχουν εκτεθεί σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας τα οποία θα υποβληθούν σε πλήρεις δοκιμές στατικής και δυναμικής μηχανικής ανάλυσης για τον προσδιορισμό της βραχυχρόνιας και μακροχρόνιας μηχανικής τους συμπεριφοράς ενώ θα υπάρξει σύγκριση με τις αντίστοιχες ιδιότητες των αρχικών προτύπων προκειμένου να προσδιοριστεί η υποβάθμιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων.
• Θα πραγματοποιηθεί επίσης μακροσκοπική και μικροσκοπική ανάλυση με τη χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας καθώς και  στοιχειομετρικός προσδιορισμός των προτύπων με την τεχνική EDS για τον περαιτέρω προσδιορισμό της μεταβολής της σύστασης των προτύπων λόγω έκθεσης σε πραγματικό περιβάλλον και την ικανότητα εφαρμογής των πιλοτικών υλικών σε παραγωγική μονάδα

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π6.1:   Έκθεση σε σχέση με την εφαρμοσιμότητα των πιλοτικών προϊόντων σε μονάδα παραγωγής και στην αγορά Μ36.

Στα πλαίσια του εν λόγω ερευνητικού προγράμματος, σχεδιάσαμε, συνθέσαμε και χαρακτηρίσαμε καινοτόμα σύνθετα υλικά καθώς και πολυμερικές επιστρώσεις. Τα βασικά συμπεράσματα του έργου ήταν:

(α) από τα φωτοκαταλυτικά/αυτοκαθαριζόμενα νανοπρόσθετα υλικά που εξετάστηκαν, το πλεόν εύχρηστο (σε σχέση με την ανάπτυξη σύνθετων υλικών) καθώς και το πλέον αποδοτικό (σε σχέση με αντιρρυπαντική δράση) ήταν το TiO₂

(β) από τα βιοκτόνα υλικά που εξετάστηκαν, το πλεόν εύχρηστο (σε σχέση με την ανάπτυξη σύνθετων υλικών) καθώς και το πλέον αποδοτικό (σε σχέση με βιοκτόνα δράση) ήταν το αυτά με βάση το Cu

(γ) Λόγω της δυσκολίας στη χρήση του HPDE σε σύστημα εξώθησης (extruder), πρέπει να προηγηθεί η παρασκευή σύνθετου υλικού με βάση το HDPE και σωματίδια TiO₂ με άλλη τεχνική, όπως το hot roll mill.  Στη συνέχεια, οι παραγώμενες πλάκες κόβονται σε μικρά τεμάχια (τύπου master batches), τα οποία χρησιμοποιούνται σε σύστημα εξώθησης για την ανάπτυξη νήματος, το οποίο τελικά χρησιμοποιείται σε τρισδιάστατο εκτυπωτή.

(δ) ως βέλτιστο υλικό για αντιρρυπαντική δράση φαίνεται να είναι το σύνθετο HDPE-TiO₂ με 10% συγκέντρωση σε TiO₂ με επικάλυψη νανοσωματιδίων Cu

(ε) τα δείγματα με συνθέσεις που είχαν μόνο ΤiO₂ χαρακτηρίσθηκαν ως μη τοξικά ανεξάρτητα από το ποσοστό συγκέντρωσης TiO₂ και την Ομάδα.

(ζ) Τα δείγματα που περιείχαν στην σύνθεση τους Cu και παρουσίασαν υψηλές τιμές αναστολής βιο-φωταύγειας και θνησιμότητας στην μεγαλύτερη εξεταζόμενη συγκέντρωση αλλά χαμηλές τιμές EC50 και LC50, αντίστοιχα, χαρακτηρίσθηκαν επίσης μη τοξικά εκτός από ένα δείγμα της Ομάδας Α (10% TiO2 + Cu) όπου χαρακτηρίσθηκε ως μέτρια τοξικό.

(ζ) Η μικρότερη βιοεπίστρωση παρατηρήθηκε στα δίχτυα που περιέχουν και νανοσωματίδια Cu

(η) η χρήση επικαλύψεων σε εμπορικά δίκτυα από πολυμερικές επιστρώσεις μπορεί να προσφέρει αντιρρυπαντικές ιδιότητες, όμως, η σχετική δραστικότητα είναι σχετικά μικρή, όπως και οι διαφορές της μεταξύ των διαφόρων τύπων πολυμερών που δοκιμάστηκαν δεν είναι στατιστικά σημαντικές

Συμπερασματικά, τεκμηριώθηκε η μεγάλη προοπτική των υπο χρήση υλικών, ειδικά των πολυμερικών νανοσύνθετων με ενσωματωμένο TiO₂ και επικαλυμμένω με νανοσωματίδια Cu, συνδυασμός που επιτρέπει ταυτόχρονη ύπαρξη φωτοκαταλυτικής/ αυτοκαθαριζόμενης και βιοκτόνας δράσης, ενώ παράλληλα, η χρήση μικρής ποσότητας Cu, οδηγεί σε χαμηλή τοξικότητα. Στη φάση αυτή δεν ολοκληρώθησε η διαδικασία ανάπτυξης ενός τελικού νέου προϊόντος καθώς οι ιδιαιτερότητες του θαλάσσιου περιβάλλοντος και η κατ’ επέκταση επίδραση τους στη διαχρονική συμπεριφορά των υπό μελέτη υλικών απαιτούν περισσότερες δοκιμές. 

Σε κάθε περίπτωση, τα πρότυπα υλικά που αναπτύχθηκαν αλλά και η επιστημονική πληροφορία που καταγράφηκε σχετίζονται άμεσα με μία ιδιαίτερης σημασίας βιομηχανία σε Ελληνικό αλλά και διεθνές επίπεδο, με τους οικονομικούς δείκτες να καταγράφουν αξία διεθνώς πλέον των 210 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ το 2021. Στη βιομηχανία αυτή, η βιοσυσσώρευση αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα, καθώς προκαλεί σοβαρά προβλήματα λειτουργίας που απαιτούν χρονοβόρα και κοστοβόρα συντήρηση, με μια άμεση αρνητική οικονομική επίδραση στο σχετικό κλάδο της τάξης του 5% -10% του κόστους παραγωγής. Επομένως, η ανάπτυξη νέων υλικών με αποδοτική αντιρρυπαντική δράση και ελάχιστη επίδραση στο περιβάλλον αποτελούν θέμα ιδιαίτερης σπουδαιότητας.