close

آخرین اخبار از تحریم های آمریکا علیه ایران


اجاره ساعتی انواع خودروهای لوکس بدون ضامن


اجاره ویلای ارزان فقط با 50 تومن


اجاره ویلا

WordPress theme App Templates

روش های تصفیه هوا - بيوفيلتر، بيوفيلتراسيون، بيوفيلم، متانول، مدلسازي

جمعه 9 شهريور 1397

روش های تصفیه هوا - بيوفيلتر، بيوفيلتراسيون، بيوفيلم، متانول، مدلسازي

چكيده

بيوفيلتراسيون به عنوان روشي براي تبديل مواد آلاينده به تركيبات بي خطر بدون جذب انرژي زياد و در شرايط دما و فشار محيط مورد توجه واقع شده است. مطابق تعريف، بيوفيلتراسيون عبارت است از روشي براي كنترل آلودگي كه در آن يك بستر جامد و فعال بيولوژيكي با جذب يا جذب سطحي آلاينده ها، بستر مناسب جهت بيواكسيداسيون آنها را فراهم مي آورد.

امروزه بيوفيلترها بصورت موفقيت آميزي در مقياس صنعتي بكار گرفته مي شود. در تحقيق حاضر پس از مرور يافته هاي علمي پيرامون فرايند بيوفيلتراسيون به بررسي عوامل مؤثر و پارامترهاي يك بيوفيلتر پرداخته شده و انواع سيستمهاي موجود مورد مقايسه قرار گرفته است و در ادامه يك مدل رياضي با لحاظ كردن شرايط فيزيكي دقيق حاكم بر بيوفيلتر و خصوصيات دقيق فيزيكي و شيميايي سيستم و با كمترين فرضيات ساده كننده موجود بدست آمده است و در نهايت توسط روشهاي عددي حل شده است. نتايج بدست آمده حاكي از همخواني مناسب دادههاي تجربي با مدل بدست آمده دارد و نشانگر امكان استفاده از مدل حاصل براي بهينه سازي بيوفيلتر در شرايط عملياتي مي باشد.

واژه هاي كليدي: بيوفيلتر، بيوفيلتراسيون، بيوفيلم، متانول، مدلسازي.


فصل اول


روشهاي تصفيه هواي آلوده

1-1-مقدمه

در سالهاي اخير با مشخص شدن اثرات زيانبار تركيبات مختلف موجود در هوا تلاشهاي زيادي براي يافتن روشهاي ارزان و مؤثر حذف مواد آلاينده از هوا شروع شده است. بيوفيلتراسيون به عنوان روشي كه مي تواند بدون نياز به مصرف انرژي زياد و در شرايط دما و فشار محيط، مادة آلاينده را به تركيبات بي خطر تبديل كند، بسيار مورد توجه قرار گرفته است.

هواي آلوده پديده اي است كه از تركيب يا اختلاط هوا و مواد يا ذرات خاصي، در مدت زمان معيني توليد مي شود و در صورت تداوم، بيماري ها يا اختلالاتي براي انسان، حيوانات و گياهان ايجاد مي كند و به ميزان قابل ملاحظه اي، زندگي بشر را به مخاطره مي اندازد.

آلاينده هاي موجود در هوا دو نوعند: اوليه (Primary) و ثانويه (Secondary). آلاينده هاي اوليه موادي هستند كه در اثر منابع آلوده كننده به هواي محيط وارد مي گردند مانند: اكسيدهاي سولفور، اكسيدهاي نيتروژن، سولفيد هيدروژن، مونوكسيد كربن، دي اكسيد كربن، سرب، ذرات آلوده يا مواد معلق، هيدروكربورها و تركيبات آلي فرار (VOCS).

آلاينده هاي ثانويه به مواد آلوده اي اطلاق مي شود كه در اثر فعل و انفعالات موجود در هواي اطراف زمين تشكيل مي گردند.

در اين پروژه چون به مدل سازي بيوفيلتر مورد استفاده جهت حذف تركيبات آلي فرار (VOCS) پرداخته شده لذا به شرح مختصري در باره اين گروه از آلاينده ها مي پردازيم.


1-2-تركيبات آلي فرار (VOCS)

تركيبات آلي مايعات يا جامداتي شامل كربن آلي (كربن متصل به كربن، هيدروژن، نيتروژن يا سولفور و غير از كربن موجود در كربنات (CaCO3) يا كربيد (CaC2) يا CO يا CO2) هستند كه شدت هاي تبخير بالايي دارند.

به علت فراريت بالا، به ميزان زياد در محيط پخش مي شوند و علاوه به توليد بو، خطراتي براي اكوسيستم و سلامتي انسان دارند. اين تركيبات در ساختمان خود كمتر از 12 اتم كربن دارند و فشار بخار آنها در دماي اتاق بيشتر از Psia01/0 (atm0007/0) و نقطه جوش اتمسفريك آنها حدود F 500 (C 260) است.

مواد داراي نقطة جوش بالاتر از اين مقدار خيلي آرام در اتمسفر تبخير مي شوند مگر آنكه به آنها حرارات داده شود. البته اگر هم تبخير شدند در اتمسفر كندانس شده و قسمتي از مسئله ذرات ريز را تشكيل مي دهند.

احتمالاً VOC ها به لحاظ گستردگي و تنوع (از نظر انتشار) بعد از ذرات ريز (مواد معلق) قرار مي گيرند.

VOCها گروه بزرگي از تركيبات هستند. بعضي از آنها نظير بنزن سمي و سرطانزا مي باشند. بنابراين به عنوان آلاينده هاي خطرناك با ويژگيهاي خود طبقه بندي مي شوند.

VOCها به دليل شركت در واكنش مه دود فتوشيميايي است كه تشكيل آلايندههاي ثانويه را مي دهند.

به عبارتي VOCها در مقابل نور خورشيد با اكسيد ازت تركيب شده و توليد ازن يا اكسيدهاي قوي ديگري را مي كنند و اين آلودگي هاي فتواكسيدان (كه باعث ايجاد مه هاي خرمايي رنگ معروف كاليفرنيا مشهور به Smog است) سه اثر مخرب دارد: براي سلامتي انسان (اختلالات تنفسي، سردرد، تحريك چشمها)، بروي گياهان (به ويژه جنگل ها) و برروي مواد.

بعضي از VOCها جاذب هاي قوي اشعه مادون قرمز (IR) هستند و مانند CO2 اثر گلخانه اي دارند، لذا در مسئله هشدار جهاني نقش دارند.

بيش از %80 انتشار VOCها ناشي از مصرف حلال ها (نظير تينر رنگ و ديگر حلالهاي مشابه)، حمل و نقل، ذخيره سازي VOCها و وسايل نقليه موتوري (شامل اتومبيل ها، هواپيماها، قايق ها و موتورهاي راه آهن) مي باشد.

نتيجه آنكه مصرف اصلي VOC در سوختهاي موتوري و حلال هاست منابع ديگري كه VOCها را انتشار مي دهند گاهي خيلي بزرگند مانند احتراق ناقص در شومينه ها و آتش سوزي جنگل ها و گاهي خيلي كوچكند مانند پاك كننده لاك ناخن و قوطي هاي اسپري رنگ.

علاوه بر اين بسياري از VOCها نقش ماده واسطه را در توليد پلاستيك و ديگر مواد شيميايي نظير كلريد وينيل (ماده اولية اصلي براي پلاستيك هاي PVC) كه به عنوان يك آلاينده خطرناك هوا طبقه بندي مي شوند دارند. حلال ها و سوختهاي موتوري عمدتاً از نفت به دست مي آيند بنابراين بيشتر انتشارات بر اساس نفت قرار دارند و مقدار كمي بر اساس چوب (نظير ترپنتين و دود چوب) و زغال سنگ (مقدار كمتري از احتراق زغال سنگ ناشي مي شود) قرار دارند. اما بيشتر انتشار VOCها ناشي از محصولات نفتي پالايش شده مي باشد كه به عنوان سوخت ها و حلال ها به كار مي روند. [22,17,16,13]


1-3-روشهاي فيزيكي تصفيه هواي آلوده

در اين روشها مواد آلاينده موجود در هوا بدون تغيير در ساختار مولكولي به فاز ديگر منتقل مي شوند. چگالش، جذب سطحي، جذب و جداسازي توسط غشاء از جمله روشهاي فيزيكي حذف مواد آلاينده هوا هستند. [16,10,7]


1-3-1-چگالش

اين روش براي جريانهايي استفاده مي شود كه غلظت آلاينده در آنها بالا بوده و ماده آلاينده ارزش بازيابي داشته باشد.

در اين روش هواي آلوده به طور همزمان سرد و فشرده مي شود. بنابراين بخش عمده اي از آلاينده موجود در هوا به صورت مايع جدا مي شود. معمولاً هواي خروجي از اين سيستم كاملاً عاري از مواد آلاينده نيست و نياز به روشهاي ديگري براي كاهش غلظت آلاينده به سطح قابل قبول است.


1-3-2-جذب سطحي

در روش جذب سطحي از مواد جاذبي نظير كربن فعال و زئوليت براي جداسازي مواد آلاينده از هوا استفاده مي شود. اين روش براي تصفيه هوا با غلظت هاي پايين مواد آلاينده مؤثر است و اغلب براي جذب مواد آلي فرار استفاده مي شود. مؤثر بودن اين روش وابسته به عواملي نظير شدت ورود هواي آلوده به برج جذب، غلظت آلاينده در هوا و مشخصه هاي مولكولي ماده آلاينده است. وقتي ماده جاذب از آلاينده اشباع گرديد ماده جاذب بايد بازيابي شده يا به عنوان يك ماده آلاينده به نحو مناسبي دفع گردد. استفاده از جاذب تازه و يا بازيابي جاذب به هنگام اشباع ، روش جذب سطحي را به روشي نسبتاً پرهزينه تبديل مي كند.


1-3-3-جذب:

در روش جذب از يك مايع براي جذب ماده آلاينده موجود در هوا استفاده مي شود. براي تماس مؤثر فاز گاز و مايع از ستونهاي پر شده يا حبابدار استفاده ميشود. موفقيت اين روش بستگي به حلاليت مادة آلاينده در فاز مايع دارد. براي جذب مواد آلاينده آب دوست معمولاً از آب استفاده مي شود.

با تغيير PH آب مي توان حلاليت تركيبات اسيدي يا بازي را افزايش داد. براي تركيبات آب گريز حلالهاي آلي مانند روغن سليكون استفاده مي شود پس از انتقال مادة آلاينده به فاز مايع، اگر فاز مايع آب باشد معمولاً مستقيماً به يك سيستم تصفيه فاضلاب منتقل مي شود. دفع مادة آلاينده از جاذب و سوزاندن جريان هواي حاصل نيز براي بازيابي جاذب امكان پذير است.


1-3-4-جداسازي توسط غشاء

از سيستمهاي غشايي نيز براي جداسازي مواد آلاينده از هوا استفاده مي شود. در اين روش هواي آلوده تحت فشار و به طور مماسي از سطح يك غشاء عبور مي كند. مواد آلاينده از غشاء عبور كرده و جذب محلول در پشت غشاء مي شوند.

همانطور كه ملاحظه مي شود در روشهاي فيزيكي ماده آلاينده بدون تغيير از هوا به يك فاز ديگر منتقل مي شود و تخريب نهايي ماده آلاينده نيازمند روشهاي ديگر است. اين يكي از معايب مهم روشهاي فيزيكي است.

1-4-روشهاي شيميايي تصفيه هواي آلوده

سوزاندن حرارتي و يا كاتاليستي به طور گسترده اي براي حذف مواد آلاينده آلي از هوا استفاده مي شود. در روش سوزاندن حرارتي، مواد آلاينده در دماي بين 700 تا 1400 درجه سانتيگراد سوزانده مي شود. در روش سوزاندن كاتاليستي، مواد آلاينده در دماي بين 300 تا 700 درجه سانتيگراد سوزانده مي شود. اگر غلظت آلاينده در هوا پايين باشد افزودن سوخت كمكي به سيستم ضروري است. بنابراين روش سوزاندن براي جريانهايي با غلظت پايين ماده آلاينده پرهزينه است. روش سوزاندن به طور ويژه براي جريان هواي نسبتاً غليظ از ماده آلاينده مناسب است. يكي از عيبهاي مهم اين روش امكان توليد تركسيبات NOX و بعضي از ديوكسين ها در ضمن فرايند سوختن است. [5]


1-5-روشهاي بيولوژيكي تصفيه هواي آلوده

در روشهاي بيولوژيكي تصفيه هوا از واكنشهاي ميكروبي براي حذف ماده آلاينده استفاده مي شود. در اين روشها ماده آلاينده جذب فاز مايعي مي شود كه حاوي ميكروارگانيسم هاي فعال است. ميكروارگانيسمها ماده آلاينده را مصرف كرده و آن را اكسيد و يا در موارد خاصي احيا نموده و از انرژي حاصل براي فعاليتهاي حياتي استفاده مي كند. محصول واكنش ميكروبي عمدتاً دي اكسيد كربن و آب و بيومس است. ماده آلاينده مي تواند آلي يا غيرآلي باشد.

ميكروارگانيسمهاي مورد استفاده براي تصفيه هوا معمولاً از ميكروارگانيسم هايي هستند كه به طور طبيعي در محيط وجود دارند. در يك سيستم بيولوژيكي تصفيه هوا معمولاً يك جمعيت مخلوط ميكروبي – كه يك يا چند گونه در آن غالب هستند – وجود دارد. براي اينكه يك ماده آلاينده با روشهاي ميكروبي قابل حذف باشد بايد قابل تجزيه بيولوژيكي بوده و براي ميكروارگانيسمها غيرسمي باشد. [3] معمولاً مولكولهاي سبك با پيوندهاي ساده به راحتي توسط ميكروبها مصرف مي شوند. تركيباتي نظير الكل ها، آلدئيدها و تركيبات آروماتيك ساده قابليت تجزيه بيولوژيكي خوبي دارند.

تركيباتي نظير فنل ها، تركيبات آروماتيك چند حلقه اي و مولكولهاي آلي با تعداد اتمهاي هالوژن بالا به كندي توسط ميكروبها تخريب شده و يا دست نخورده باقي مي مانند.

روشهاي بيولوژيكي تصفيه هواي آلوده را معمولاً به روشهاي بيواسكرابينگ، بيوتريكلينگ فيلتراسيون و بيوفيلتراسيون دسته بندي مي كنند. (شكل 1-1)

روش بيوفيلتراسيون در فصل جداگانه اي مورد بررسي قرار مي گيرد.


1-5-1-روش بيواسكرابينگ

در اين روش ماده آلاينده موجود در هواي ورودي به سيستم، در يك برج، جذب محلول مي شود.

محلول خروجي از برج جذب، به يك بيوراكتور وارد مي شود. ماده آلاينده در بيوراكتور كه داراي شرايط بهينه رشد ميكروارگانيسم هاست به مصرف مي رسد. به اين ترتيب در روش بيواسكرابينگ بر خلاف بيوفيلتراسيون، از ميكروارگانيسم هاي غوطه ور در مايع براي حذف ماده آلاينده استفاده مي شود.

براي فعال نگه داشتن ميكروبها افزودن محيط كشت تازه به بيوراكتور ضروري است محلول خروجي از بيوراكتور مجدداً به برج جذب منتقل مي شود. فرايند جذب ماده آلاينده ممكن است در برجهاي پر شده، برجهاي پاششي و يا ستونهاي حباب دار انجام شود.


1-5-2-روش بيوتريكلينگ فيلتراسيون

اين سيستمها عمدتاً شامل يك برج پر شده هستند كه برروي سطح ذرات بستر، ميكروارگانيسم ها تثبيت شده اند. محلولي از محيط كشت به طور مداوم از ميان ذرات بستر عبور مي كند. با عبور هواي آلوده از ميان بستر، مواد آلاينده جذب محلول شده، بخشي از آن توسط ميكروارگانيسم هاي غوطه ور در محلول مصرف شده و بخشي ديگر به سمت بيوفيلم موجود برروي سطح ذرات نفوذ كرده و توسط ميكروارگانيسم هاي موجود در آن مصرف مي شود. تنها تفاوت بيوتريكلينگ فيلتراسيون با بيوفيلتراسيون عدم وجود جريان مايع آزاد در بيوفيلتراسيون است.

وجود مايع آزاد در سيستمهاي بيواسكرابينگ و بيوتريكلينگ امكان كنترل عوامل مختلف نظير PH و غلظت مواد مغذي مورد نياز ميكروارگانيسمها را در مقايسه با روش بيوفيلتراسيون راحت تر مي سازد.

شكل 1-1:

A- نمايي از بيوتريكلينگ فيلتر. مواد پركننده (آكنه ها) راكتور با لايه بيوفيلم پوشيده شده است، بنابراين جذب و تجزيه بيولوژيكي در همان راكتور انجام مي گيرد و واكنشهاي مورد نظر در فاز گازي روي ميدهد.

B- نمايي از بيواسكرابر. مراحل جذب و تجزيه بيولوژيكي جداگانه انجام مي شود. از ته نشين شدن و گردش توده ميكروبي در دياگرام فوق صرفنظر شده است.

اما در هر صورت نياز به تخليه محلول و اضافه كردن محلول تازه به اين سيستمها باعث به وجود آمدن جرياني از فاضلاب مي شود كه خود نياز به تصفيه شدن دارد.

عيب اصلي بيوفيلتراسيون در مقايسه با دو سيستم ديگر نياز به حجم زياد بستر است در سيستمهاي بيواسكرابينگ و بيوتريكلينگ به دليل دانسيته بالا ميكروبي، شدت واكنش ميكروبي به ازاي واحد حجم در مقايسه با سيستمهاي بيوفيلتراسيون بيشتر و در نتيجه به حجم كمتري نياز است. [3]


فصل دوم


تثبيت سلولي

2-1-ميكروبيولوژي فيلتر

ارگانيسم هاي مسئول اكسيداسيون و تجزيه تركيبات آلي فرار به دي اكسيد كربن و ساير تركيبات همان باكتري هاي هتروتروفيك و قارچ هايي هستند كه زباله هاي آلي را در طبيعت، در اماكن دفن يا در تصفيه خانه هاي فاضلاب تجزيه مي كنند، باكتري سودو مناس و قارچ نوكاردي گونه هاي فعال در چنين شكستها و تجزيه مواد آلي هستند. گونه هايي همانند فلاووباكتري ميتوانند جهت اكسيده كردن تركيباتي همانند پنتاكلرو فنل، به كار روند.

در يك بستر خاك يا كمپوست حدود يك بيليون باكتري در هر گرم وجود دارد و جمعيت قارچي نيز 10000 در هر گرم خاك يا كمپوست ميباشد. قارچ ها به تجزيه مولكول هاي پيچيده تر تمايل دارند و آنزيم هاي برون سلولي كه پليمرها را ميشكنند، از خود دفع ميكنند. پراكنش گونه ها با نوع سوبستراي مصرفي نوسان دارد. تحقيقات صورت گرفته برروي ميكروبيولوژي بيوفيلتر بيشتر بر شناسايي رده هاي ويژه منحصر به فرد ميكروارگانيسم ها در زمان خاص متمركز شده است. بطور مثال، شمارش كل ارگانيسم هايي كه قادر به متابوليزه كردن اسيدهاي آلي فرار باشند و ...

آزمايشات نشان داده اند كه در حذف تركيباتي چون دي متيل سولفيد، دي متيل دي سولفيد و اسيدهاي چرب فرار، اكتونوميست ها بسيار موثر ميباشند. اكتونوميست ها در دسته باكتري هاي هتروتروفيك هستند و ميتوانند تنوعي از سوبستراهاي آلي را مورد استفاده قرار دهند و حتي قادر به تجزيه تركيباتي پايدار همانند فنل ها و پليمرهايي با زنجيره بلند نيز ميباشند.

گونه ميكروكوكوس در حذف غلظت بالاي مواد گوناگوني همانند سولفيد هيدروژن بسيار موثر است.


2-2-تلقيح ميكروارگانيسم ها به داخل بستر

روش هاي تلقيح در چند آزمايشگاه در مقياس پايلوت به كار گرفته شده اند ميكروارگانيسم هاي درون بستر بيوفيلتر از طريق تغذيه و وارد كردن باكتريهايي همانند نيتريفيرز و باكتريهاي سولفاته فعال مي شوند. چو و همكارانش در 1991 متوجه شدند كه بسترهاي متشكل از مواد گياهي پيت به تنهايي قادر به حذف دي متيل دي سولفيد نيستند اما پس از افزودن لجن هضم شده فضولات انساني كه منبع غني از ميكروارگانيسم ها ميباشند، درصد زيادتري از اين تركيب آلاينده حذف خواهد شد. در واقع برخي از ميكروارگانيسم هاي شيموليتوتروفيك و باكتريهاي غير اسيد و اكسيدكننده گوگرد موجود در لجن فضولات انساني عمل تجزيه تركيبات آلي گوگردي را در درون پيت انجام ميدهند. به منظور دستيابي به يك حد ثابتي از حذف آمونياك در داخل بسترهاي نوع پيت تلقيح باكتريهاي موثر در عمل نيتريفيكاسيون ميتواند موثر شود.

امروزه باكتريهاي زيادي به منظور حذف تركيبات آلاينده پرورش يافته اند. باكتري اتوتروف تيوباسيلوس نمونه اي از اين باكتريهاست كه جهت تصفيه گازهاي زائد خروجي از قبيل سولفيد هيدروژن، متان اتيول، ديمتيل سولفيد به درون يك بيوفيلتر نوع پيت در مقياس پايلوت تزريق و تلقيح شد و نهايتاً نتيجه خوبي بدست آمد. و در اين آزمايش پس از تلقيح باكتري، ميانگين بازده حذف، 8/99 درصد براي سولفيد هيدرژن، 99 درصد براي متان اتيول، 5/89 درصد براي ديمتيل سولفيد بود.

باكتري هيفوميكروبيوم مثال ديگري از باكتريهاي تلقيحي و از دسته باكتريهاي متيلوتروفيك ميباشد كه قادر به حذف تركيباتي همانند دي متيل سولفيد، دي متيل دي سولفيد، دي متيل سولفاكسيد و سولفيد هيدروژن است. بذرافشان بيوفيلترها با جمعيت هاي ميكروبي ويژه مزاياي زيادي دارد و مانيتورينگ چنين جمعيت هاي معرفي شده اي، ميتواند يك ابزار مديريتي باارزش تلقي شود.

عده اي از محققين استفاده از لجن فعال حاصل از واحدهاي تصفيه ثانويه فاضلاب را به عنوان بذر تلقيحي براي بهبود بخشيدن به سرعت حذف آلاينده هاي گازي در بيوفيلترها پيشنهاد ميكنند. البته هنوز امكان كشت بسياري از ميكروارگانيسم هاي داخل اكوسيستم هاي طبيعي در درون بسترها و محيط كشت هاي مصنوعي وجود ندارد. از اين رو رشدهاي تلقيح ميكروبي ممكن است به عنوان يك ضرورت كه اهميت خود را در سالهاي آينده مييابد، باقي بماند. مطابق نظر ويليامز و ميلر (1992) تلقيح ميكروبي سبب افزايش سرعت تجزيه بيولوژيكي و كوتاه نمودن دوره سازش ميكروبي در مرحله شروع فرآيند تصفيه ميگردد.


2-3- تثبيت سلولي

هرگاه مجموعه ميكروبي به شكل سلولهاي منفرد در محيط كشت مايع ظاهر ميشود، رفتار فيزيكيشان تحت تأثير خصوصيات حجم مايع قرار ميگيرد. به عبارت ديگر سلولهاي منفرد به صورت يكي از ذرات سيال ظاهر ميشوند كه در داخل آن معلق هستند. در طي مرحله واكنش، قسمتي از اجتماعات سلولي خارج ميگردند. بنابراين در هنگام استفاده از آنها تعدادشان كاهش مييابد. اين مسئله محدوديت زيادي براي عمليات چنين سيستمهايي ايجاد مينمايد چرا كه بهتر است تا سلولها براي استفاده بهتر محفوظ نگهداشته شوند. جهت حفظ سلولهاي منفرد بايد آنها را از مايعات جدا كرد. اگر سلولها بتوانند طوري منظم شوند كه خصوصيات فيزيكي و شيميايي خود را كه با خصوصيات مايعات متفاوت است نشان دهند به راحتي از محيط مايع جدا ميشوند.

تثبيت سلولي عملي است كه بوسيله آن سلولها در يك ناحيه معين از فضا محدود ميشوند به طوري كه خصوصيات هيدروديناميكي خود را كه با محيط پيرامونش متفاوت است، بروز ميدهند.

اين كار بدين صورت انجام ميشود كه اندازه موثر و يا دانسيته آنها به وسيله به هم پيوستن و يا اتصال به يك سطح مستحكم بيشتر ميشود. بنابراين سلولهاي متراكم شده به صورت توده عظيمي كه سلولها در آن به يكديگر متصل شده اند، ثابت ميشود به طوري كه توده بيولوژيكي به راحتي از مايع توسط الك درشت يا ته نشيني سريع قابل جداشدن ميباشد. نمونه ديگري از تثبيت سلولي به اين صورت است كه سلولها به ذرات جامد متصل گرديده اند و ميتوانند خود را به راحتي از محيط مايع جدا سازند.

توليد سلولهاي ثابت ميتواند يك فرايند طبيعي باشد و يا ممكن است به وسيله عوامل شيميايي و فيزيكي انجام گيرد كه استفاده از موارد فوق داراي مشكلاتي است.

كارايي خوب ابزارهاي مصنوعي كه جهت تشكيل اجتماعات سلولي تثبيت شده بدست مي آيد، باعث بهره برداري گسترده از آنها ميگردد و براي تشكيل اين اجتماعات از راكتورهاي بيولوژيكي استفاده ميشود. در حال حاضر امكاناتي وجود دارد كه هر يك از انواع ميكروارگانيسمها و يا در حقيقت هر بافت سلولي را تثبيت نمائيم. با توجه به اشكال گوناگون سلولهاي ثابت، راكتورهاي متعددي با سيستمهاي مختلف مورد استفاده قرار ميگيرد كه البته داراي خصوصيات كلي و مشابهي هستند.


2-3-1-ويژگي سلولهاي تثبيت شده

به طور كلي ثبات اجتماع سلولي به ذرات بيولوژيكي تشكيل دهنده اجازه ميدهد كه به هر اندازه، شكل و دانسيته كه باشند به صورت پروكاريوت و يوكاريوت عمل نمايند. يكي از خصوصيات فرايند تثبيت اين است كه سلولها به شكل متراكم و غليظ درآيند، درنتيجه اين نوع اجتماعات سلولي به خوبي از شكل سيال آن متمايز شده و به آنها اين امكان را ميدهد تا اصلاحات ساختار هندسي كه عمدتاً به شرح زير است، صورت گيرد:

الف) در عمليات مداوم راكتور كه همواره مقداري از مايعات شسته و از راكتور خارج ميشوند، سلولهاي ثابت ميتوانند در راكتور باقي بمانند، درحاليكه سلولهاي متحرك به طور مداوم از بين ميروند. بنابراين عملي تر اين است كه سلولهاي ثابت به طور مداوم در واكنش شركت داشته باشند، درحالي كه با سلولهاي پراكنده متحرك و در حال رشد نميتواند چنين كاري انجام پذيرد.

ب)باروري رو به افزايش و همه جانبه كه نتيجه مستقيم باقي ماندن غلظت بالايي از سلولها در راكتور است.

ج)جدايي ساده سلول از مايع، اين عمل با عبور از الك درشت يا ته نشيني با سرعت زياد انجام ميشود كه باعث خروج مايع از درون راكتور شده بدون اينكه منجر به خارج شدن سلولها گردد.

د) كاربرد سلولهاي مشابه در عمليات غيرپيوسته، بدين صورت كه محلولها در خاتمه عمليات از راكتور خارج شده و مواد تازه مجدداً به محيط وارد ميشود.

ه) افزايش انتقال جرم گاز – مايع. مشكل گرانروي كه اغلب از غلظت زياد سلولهاي پراكنده حاصل ميشود به وسيله تثبيت سلولها از بين ميرود و منجر به انتقال در جهت گاز مايع ميگردد و به همين ترتيب ميتوان انتقال حرارت از محلول را بهبود بخشيد.

و) عمل نهرگونه. اين امر از طريق ثبات سلو.لها مثلاً در يك محيط بسته و عبور آنها از ميان راكتورها به روش نهرگونه، امكان پذير است.

علاوه بر روش هاي فوق، گونه هاي ديگر از فعاليت هاي سلولي وجود دارد كه منجر به راههاي ديگري ميگردد. به عنوان مثال تغييراتي كه درون مايعات صورت ميگيرد بدون اينكه تغييرات قابل ملاحظه اي در غلظت سلول بوجود آيد. اين وضعيت امكان آلودگي را از طريق شستشو با روشهاي متفاوت امكان پذير ميسازد. همچنين ممكن است در چنين وضعي بيش از يك نوع سلول را ثابت نمود و آنها را در همان راكتور نگهداري كرد. از آنجا كه سلولهاي تثبيت شده ميتوانند به سادگي از سيالات جدا گردند، پس امكان ذخيره و جمع آوري تعداد بيشتري از سلولها وجود دارد، سلولهايي كه به محض نياز ميتوانند به كار گرفته شوند.

از محدوديتهاي موجود در تثبيت سلولي اين است كه به لحاظ وجود تراكم سلولي، اين سيستم قابليت انتشار كمتري دارد و همين موضوع ممكن است در متابوليسم و فيزيولوژي سلولي تغييراتي را ايجاد نمايد.


2-3-2-روش هاي تثبيت سلولي

براي تثبيت سلولي، روش هاي فراواني ايجاد شده است. بسياري از آنها مستقيماً از تكنولوژي آنزيم هاي بي حركت استفاده ميكنند. انتخاب روش مناسب بستگي به وضعيت فيزيولوژيكي سلول و اهدافي دارد كه براي آن به كار برده ميشود. شكل (2-1) دامنه وضعيت فيزيولوژيكي تثبيت سلولي را در اين خصوص نشان ميدهد.

بديهي است كه برخي از روش ها براي تمامي وضعيت ها مناسب نمي باشد، درحالي كه تكنيك هايي مشاهده مي شود كه بطور يكسان در هر موقعيتي مورد استفاده قرار ميگيرد. روش هاي مختلفي براي ايجاد ثبات سلولي بر اساس موقعيت فيزيولوژيكي سلول مورد استفاده قرار ميگيرد. تكنيك هاي فعال عموماً پذيرفتهشدهاند و ميتوانند در هر موقعيت فيزيولوژيكي مورد استفاده قرار گيرند.


شكل 2-1

شرايط فيزيولوژيكي سلولهاي تثبيت شده

2-3-2-1-روش چسباندن

تمامي روش هاي تثبيت كه باعث اتصال سلول ها به سطوح جامدات ميشوند در اين زمره به شمار ميروند. اين روش ممكن است به نيروهاي چسبندگي طبيعي متكي باشد و يا توسط مواد شيميايي القا شود. چسبندگي طبيعي سلول به سطوح، پديده اي گسترده است و تا به امروز موضوع بسياري از مطالعات نيز بوده است اگرچه ساختار پيچيده اي دارد. اين روش يكي از آسان ترين تكنيك ها براي تثبيت سلولي است و در قديم نيز از آن استفاده شده است. در اين سيستم تا حد زيادي سطح تماس را در واحد حجم راكتور افزايش ميدهند. ذرات نگهدارنده كه ابعاد آن كمتر از يك ميلي متر ميباشد به آساني در راكتور جاي ميگيرند. سلولها طبيعتاً به سطوح جامد ميچسبند و همچنان كه رشد ميكنند، لايه هاي فعال را تشكيل مي دهند.

ضخامت اين لايه ممكن است به كوچكي يك لايه سلول باشد. سلول هايي كه داراي چسبندگي طبيعي نيستند ممكن است از طريق شيميايي مانند پيوستگي تبادل، به ماده گلوتارآلدئيد كه يك نوع روغن است و يا توسط سيليكون ها به مواد نگهدارنده سيليكاتي متصل ميشوند. سلول هاي چسبيده، به طور مستقيم با محيط احاطه كننده خود برخورد و تماس حاصل ميكنند بنابراين در معرض نيروي فرسايشي كه از حركت نسبي ذرات و سيال حاصل ميشود، قرار دارند. پس احتمال دارد كه تعدادي از سلولها جدا گردند و وارد فاز سيال شوند. بدين ترتيب اين تكنيك در شرايطي كه مايع با سلول هاي آزاد مورد نياز است، نامناسب به نظر ميرسد. همچنين كنترل و يا حتي ايجاد لايه بيولوژيكي كه در آنها شكل ميگيرد ممكن است مشكلات زيادي را ايجاد نمايد.


2-3-2-2-روش تله گذاري

در اين روش ميتوان سلول ها را با انواع مواد خلل و فرج دار در محل به دام انداخت. ايجاد تله گذاري از پيش تعيين شده معمولاً نتيجه رشد طبيعي سلول است بنابراين همچون چسبندگي طبيعي، تاثير تثبيت سلولي متناسب با نوع و نحوه مواد نگهدارنده، متفاوت است. فضاهاي متخلخلي كه در محل ايجاد ميشوند ميتوانند براي تثبيت انواع سلول ها مورد استفاده قرار گيرند و اين عمل به صورتي است كه در بعضي وضعيت ها، ذرات كمكي تشكيل شده ممكن است به سلول ها آسيب رسانند. تكنيك هايي كه به صورت طبيعي باعث به تله افتادن سلولها ميشوند از بسياري جهات مشابه روشهاي به كار رفته در چسبندگي طبيعي است. در اين روش به سلول ها اجازه داده ميشود تا وارد منافذ شوند و هنگامي كه رشد كردند، خروج آنها از منافذ بسيار مشكل خواهد بود. بنابراين بطور بسيار موثري به دام ميافتند.

اين امر ميتواند روي اجسامي با سطوح ميكروسكوپي مانند پوكه ذغال سنگ، سراميك، شيشه و بالاخره هر جايي كه اندازه منافذ از نظر ابعاد شبيه سلول هاست، انجام شود و يا روي سطوح ماكروسكوپي كه داراي منافذ بزرگ هستند انجام پذيرد. يك نمونه از چنين منافذ بزرگ، ذرات نگهدارنده توده بيولوژيكي

BSP است. اين ذرات داراي ساختمانهاي گسترده بزرگي از مفتول فولادي ضد زنگ هستند كه بصورت كره درمي آيند و يا از اسفنج هاي مشبكي از جنس پلي اورتان هستند كه بصو.رت مكعب ميباشد. تثبيت كردن اين ذرات به اندازه توانايي سلولها براي انعقاد يا چسبيدن به لبه هاي مواد كمكي به داخل ساختمان بستگي دارد و بايد در نظر داشت كه تله قفسه اي نسبت به تله منفذي ارجحيت دارد. طبيعي است كه سلول هاي به دام افتاده از نيروي فرسايش موجود در خارج ذرات در امان هستند اما توسط هر مانعي محدود نميشوند. پس اين احتمال وجود ندارد كه واكنش هاي سيال به صورت آزاد – سلولي باشند ولي يك مزيت اين نوع تثبيت رشد سلولي اين است كه بتواند هرگونه سلول در حال رشد را كنترل نمايد. متداول ترين شكل ثبات سلولي كه در آزمايشگاه ها استفاده ميشود، شامل تله هاي سلولي در داخل خلل و فرجي است كه در اطراف سلول ها تشكيل ميشود. سلول ها به شكل دوغ آب يا مواد چسبي عموماً با تركيبي مخلوط ميشوند كه بعداً به صورت ژله اي درميآيند و تشكيل يك ماتريس متخلخل را ميدهند. اين عمل بايد تحت وضعيت مناسبي صورت پذيرد تا بر زندگي سلول ها اثر منفي نگذارد. اولين كاربرد تله هاي ژله اي استفاده از پليمريزاسيون مونوآكريل آميد بوده است. امروزه از ژله هاي پلي ساكاريدي استفاده شده است كه شامل آگار، آلژينات كلسيم ميباشد. به دام اندازي سلولها به وسيله آلژينات كلسيم نميتواند ساده باشد. سلولها در محل آلژينات سديم ريخته ميشوند و سپس با محلولي از نمك كلسيم مخلوط ميگردد. ايجاد ژل سطحي لحظه اي است اما حداقل 20 دقيقه زمان جهت تشكيل كامل ژل آلژينات صرف ميشود تا بطور كامل تشكيل گردد. براي محافظت مواد به دست آمده از تركيباتي مانند سوبسترا استفاده ميكنند كه اين مواد را داخل محلول مي ريزند.

جهت اين عمليات هيچ گرمايي مورد نياز نيست و سلول هاي ثابت شده، فعاليت هاي خيلي زيادي را در خود ذخيره مينمايند. نقش آلژينات كلسيم به عنوان يك وسيله ثابت كننده متوسط، بدين علت است كه ژل ها ميتوانند در هنگام برخورد با فرايندهايي كه محتوي تركيبات كلسيم هستند از بين بروند، مانند فسفات ها و اين بدان معني است كه توليد دانه هاي آلژينات كلسيم با ابعاد كمتر از 5 ميلي متر مشكل به نظر ميرسد.

تله هاي ژله اي روشي كنترل شده براي رسيدن به آن چيزي است كه در طبيعت در مورد ارگانيسم هاي خاصي مثل جلبكي شدن باكتريها مورد استفاده قرار ميگيرد. خواص فيزيكي ژله ها بي شباهت به ماده جلبكي مذكور نيست. اما در هر صورت گونه هاي كمي موجودند كه تشكيل ژل ميدهند. تقريباً هر ارگانيسمي را ميتوان به وسيله تله ژله اي، ثابت كرد. اين ژل بصورت قطره (با قطر 5 ميلي متر) يا بصورت صفحه اي و ديگر اشكال (به ابعاد 5/0 ميلي متر به شكل استوانه ريز) ظاهر ميشوند يا اينكه در صفحاتي قرار ميگيرند و سپس به اندازه و شكل دلخواه بريده ميشوند. ذرات ژل در راكتورها اعم از راكتورهايي با بستر آكنه يا در مخازن همزني مورد استفاده قرار مي گيرند و رشد سلولي در داخل ذرات ژل صورت ميپذيرد. چنانچه غلظت به 30/0 واحد حجمي برسد ژل خاصيت خود را از دست ميدهد و گازهاي ايجاد شده در ژل ميتواند باعث مشكلاتي در ذرات شود.


2-3-2-3-روش محدود كردن سلولها

اين نوع ثبات مستلزم محدود كردن سلولها در پشت يك مانع يا سد است كه ممكن است از پيش ساخته شده باشد و يا در محل تشكيل گردد. اين مانع ممكن است به راحتي توسط مرز بين دو مايع مخلوط نشدني ايجاد گردد. اين در حالي است كه سلولهاي سوسپانسيون با يك محلول آلي به شكل امولسيون و به صورت قطره هايي در يك فاز آبي سوسپانسيون بروز مينمايد. موانع از پيش تشكيل شده شامل غشاهاي نيمه تراوايي است كه براي فيلتراسيون مواد مورد استفاده قرار ميگيرد. مواد غذايي ميتوانند به سلول هايي كه در پشت غشاء قرار دارند، نفوذ نمايند.

استفاده عمده از سلول هاي محدود شده، ناشي از توانايي اين سيستم ها براي نگهداري سلول هاي آزاد مايع است و فقط در منطقه كشت سلول هاي بافت پستانداران وجود دارند.


2-3-2-4-روش اجتماعي سلولي

با روش انعقاد ميتوان به ثبات سلول ها دست يافت. بدين معني كه انها ممكن است ثابت شوند و پيوسته در راكتورهاي بيولوژيكي در حال كار باقي بمانند. براي مثال در راكتورهاي با بستر ثابت و با بسترهاي سيال، انعقاد طبيعي سلولها در انتهاي واكنش تخمير صورت ميگيرد. همچنين ميسل هاي قارچي كه به شكل قرص هاي كروي هستند ميتوانند اجتماع سلولي را به وجود آورند. انعقاد يك مرحله كليدي از مراحل لجن فعال است كه براي تصفيه فاضلاب مورد استفاده قرار ميگيرد. انعقاد مصنوعي ممكن است جهت اجتماع سلولي كه از طريق مكانيسم هايي كه هنوز شناخته نشده اند، صورت پذيرد.


2-3-3-كنترل توده بيولوژيكي موجود

براي سيستم هايي كه در آن رشد سلولي وجود دارد مقدار واقعي توده بيولوژيكي در ارتباط با ذرات انفرادي نهايتاً به ارگانيسم هاي ثابت و شرايط و فرايند تخمير بستگي دارد. تحت شرايط معيني، محدوديت نفوذ درون لايه زيستي تثبيت شده يا انعقاد يافته منجر به ريختن يا خالي شدن قسمت وسط ميگردد.

در واكنشهاي لايه متصل، يك محدوديت ضخامتي وجود دارد كه به صورت يك لايه توده بيولوژيكي ميتواند درآيد. اين امر ممكن است توسط غلظت محدود مواد و يا توسط فرسايش كه از تصادم بين ذرات يا از برخورد با ديواره ذرات به وجود مي آيد، كنترل شود. ميزان فرسايش به دو عامل بستگي دارد، يكي به تعادل نيروي مشترك كه بر ذره تحميل ميشود و ديگري به نيروي گرانروي كه بين ذرات وجود دارد.

گاهي استفاده از ذرات متخلخل ضروري است تا ميكروارگانيسم ها به اين ذرات بچسبند. در اين صورت اگر سلول ها در داخل خلل و فرج نگهداري شوند، هرگونه توده بيولوژيكي اضافي موجود در نتيجه رشد سلول روي قسمت خارجي ذرات توسط نيروي فرسايش ناشي از برخورد ذرات به يكديگر و يا برخورد ذره و ديوار از بين ميرود. با ارگانيسم هايي مانند قارچ هاي رشته اي نيروي مورد نياز جهت از بين بردن توده بيولوژيكي اضافي، قابل توجه است. در اين صورت اگر رشد سلولي زيادتر نشود توده بيولوژيكي اوليه ثابت باقي ميماند و در حالتي كه سلول ها رشد را ادامه دهند، توده بيولوژيكي از طريق ژل افزايش مييابد. وجود توده بيولوژيكي ممكن است در نتيجه تجمع گاز منجر به تورم شود كه احتمالاً كنترل ميكروبي در اين حالت امكان پذير نميشود.

توسعه و كاربرد روش هاي سلول هاي تثبيت شده به تازگي مطرح شده است و مسائل مربوط به فهم و كنترل فيزريولوژي سلول نيز مشكل به نظر ميرسد. خصوصيات بهينه كاتاليست هاي بيولوژيكي خصوصاً ثبات و فعاليت هاي تجزيه اي فقط در مواردي رخ ميدهد كه توجه لازم به موقعيت بيولوژيكي سلول قبل و بعد از تثبيت معطوف گردد. يكي از مهمترين مشكلات در رابطه با تركيبات پيچيده، عدم درك شرايط محيط زيست ميكروارگانيسم هاست، خصوصاً گراديان فيزيكي و شيميايي كه براي سلول هاي داخل مواد نگهدارنده مطرح ميشوند. به مشكلات ذخيره اكسيژن و دفع دي اكسيد كربن