تبدیل پساب صنعتی به پلاستیک زیست تخریب پذیر

دسته: مقالات منتشر شده در 10 بهمن 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 630

تبدیل بیوتکنولوژیکی پساب های کشاورزی و صنعتی به پلاستیک زیست تخریب پذیر پلی ب  هیدروکسی بوتیریک

پسماند لجن فعال تولید شده از یک کارخانه تصفیه فاضلاب صنایع لبنی و غذایی از نظر پتانسیل برای تولید پلاستیک زیست تخریب پذیر پلی ب-هیدروکسی بوتیریک اسید (PHB) مورد ارزیابی قرار گرفت. شستشوی مصرفی تقطیر دانه ای چائیر پروتئین زدایی شده 42.3 درصد PHB تولید کرده و به دنبال آن، در صورت استفاده بعنوان بستر شستشوی مصرفی تقطیر دانه ای برنج فیلتر شده (40 درصد PHB) را تولید کرد. افزودن دی آمونیوم هیدروژن فسفات (DAHP) منجر به افزایش تولید PHB تا 67 درصد در هنگام استفاده از شستشوی مصرفی بر پایه دانۀ برنج خام شد. در مورد فاضلاب نیز، پس از حذف مواد جامد معلق با فیلتراسیون و مکمل DAHP منجر به تولید کمتر PHB (57.9 درصد) شد. با این حال، استفاده از دیگر ضایعات DAHP منجر به کاهش قابل ملاحظه ای در محتوای PHB شد؛ در مقایسه با آنچه در غیاب DAHP مشاهده شد.

 

امروزه، وابستگی جهان به سوخت های فسیلی برای تولید پلاستیک (270 میلیون تن سوخت فسیلی)، کمبود فضا برای دفع ضایعات و نگرانی های زیست محیطی فزاینده برای پلاستیک های مصنوعی زیست تخریب ناپذیر تحقیقات را در راستای توسعۀ مواد بیوپلیمری زیست سازگار گسترش داده است. بر توسعه پنج نوع مختلف از بیوپلیمرها تأکید شده است که شامل کامپوزیت های تقویت شده با الیاف، مواد با پایه نشاسته، پلیمرهای گیاهی، پلیمرهای میکروبی و رزین های بیولوژیکی، پوشش ها و چسب ها می شوند. از این میان، توسعۀ پلیمرهای میکروبی من جمله پلی هیدروکسی آلکانوت ها (PHA) بسیار مورد توجه قرار گرفته است که پلی استرهای آلیفاتیک خطی متشکل از مونومرهای اسید چرب 3-هیدروکسی و اسید پلی لاکتیک (PLA) هستند. پلی ب-هیدروکسی بوتیریک اسید (PHB) گسترده ترین PHA مورد مطالعه است که در طبیعت در حضور کربن مازاد توسط باکتری ها بعنوان دانه های ذخیره کنندۀ غذا، انرژی و قدرت کاهش دهنده تولید می شود. PHB از خواص مشابه پلاستیک های مشتق شده از نفت مانند پلی پروپیلن (PP) برخوردار بوده و در محیط زیست نیز کاملآ تجزیه پذیر است. با این حال، هزینه تولید PHB در مقایسه با پلاستیک های مصنوعی 9 برابر بیشتر است زیرا شامل تولید زیست توده با منابع کربن گران قیمت می شود. این امر استفاده از PHB را به حوزه های تخصصی مانند جراحی و پزشکی محدود کرده است. تلاش ها برای کاهش هزینه به سمت افزایش محتوای PHB با توسعه سویه های باکتریایی بهتر و سیستم های تخمیر و بازیابی بهتر هدایت شده است. رویکرد دیگر شامل استفاده از لجن فعال مازاد از یک تصفیه خانه فاضلاب بعنوان منبع PHB و منابع کربن تجدید پذیر حاصل از کشاورزی یا پسماندهای صنعتی بعنوان بستری برای تجمع PHB می شود. علاوه بر این رویکردها، محققان مخلوط هایی از نشاسته و PHB تهیه کرده اند که علاوه بر کاهش هزینه نهایی محصول، باعث ایجاد خواص مشابه PHB خالص در محصول می شود این رویکردها دارای مزیت دوگانۀ صرفه جویی در هزینه تولید زیست توده و کاهش حجم لجن فعال پسماند با استخراج PHB هستند. صرفه جویی در هزینه دفع لجن فعال پس از کاهش حجم می تواند هزینه تولید PHB را کاهش داده و در نتیجه، مزایای اقتصادی را به این فرایند نسبت دهد. هدف از این مقاله، ارزیابی کارآیی القای PHB پساب های کشاورزی و صنعتی کربن دار در لجن فعال در حضور/ عدم دی آمونیوم هیدروژن فسفات است.

 

لجن فعال توسط باکتری های مولد  PHBو همچنین سایر ارگانیسم های غیرمولد PHB مانند مژک داران، روتیفرها، نماتدها و الیگوشائت ها به وجود آمده است. فراوانی نسبی و وقوع ارگانیسم های مختلف با نسبت غذا (F) به میکروارگانیسم ها (M) متفاوت است و نسبت بالای آن (F:M) باعث افزایش زیست توده باکتری در مقایسه با سایر موجودات شد. این لجن انتخابی غنی شده می تواند بعنوان یک منبع کم هزینه برای تولید زیست توده PHB عمل کند. PHA استخراج شده از لجن فعال خام در تصفیه خانه دارای نوارهای کششی C-H مشابه و کربونیل بعنوان PHB استاندارد است که با تجزیه و تحلیل FTIR نشان داده شده است. نوارهای جذبی که در  2875-2983cm⁻¹رخ می دهند، نشان دهندۀ حضور گروه های آلیفاتیک CH2 و CH3 بوده و در 1724cm⁻¹ نیز نشان دهندۀ کربونیل استرها هستند. دو نوار مشخصه C-O از استرهای کربوکسیلیک در 1057 و 1228cm⁻¹ دیده شد. همچنین نوارهای جذبی در 1382 و  1455cm⁻¹نشان دهندۀ ارتعاشات خمشی متقارن و نامتقارن آلیفاتیک C-H هستند که مشخصۀ گروه های متیل است. وجود نوارهای جذبی در 1724 و 1280cm⁻¹ در نمونه استخراج شده مشخصۀ گروه های کششی C-O است. پلیمر استخراج شده (40 میلی گرم) در 1 میلی لیتر CDCI3 و سپس آنالیز 1H NMR حل شد. سه گروه از سیگنال های مشخصۀ پلیمر PHB در طیف مشاهده شد؛ یک سیگنال دوتاییِ 1.53 ppm نشان دهندۀ گروه متیل متصل به یک پروتون بود، در حالی که سیکنال چهارتایی در 2.75 ppm بوجود آمده از گروه متیلن در مجاورت یک اتم کربن نامتقارن حاوی یک پروتون منفرد حاصل شد. سیگنال سوم که چندگانه است در 5.52 ppm به گروه متین نسبت داده شد. از مشارکت گروه های مختلف در طیف های NMR به این نتیجه رسیدیم که لجن فعال استخراج شده از ضایعات صنایع فرآوری مواد غذایی می تواند مستقیمآ بعنوان منبع ارزان قیمت پلیمر زیست تخریب پذیر عمل می کند و زیست توده باکتریایی موجود در لجن، PHA را منحصرآ به شکل PHB تولید می کند. در جدول زیر خواص فیزیکوشیمیایی فاضلاب های مختلف و لجن فعال ارائه شده است.

 

جدول 1:

 Physico-chemical characterization of activated sludge and different industrial wastewaters

 

از سه فاضلاب، شستشوی مصرفی تقطیر دانۀ برنج دارای بالاترین محتوای کربن و نیتروژن است. خاردنویس و همکارانش نشان دادند که نسبت C:N50:1 برای حداکثر تجمع PHB در لجن فعال در 96 ساعت بهینه است. از این رو، مؤلفه های ذکر شده در بخش دوم از این مقاله بدون کربن (استات) برای تقویت به فاضلاب های مختلف اضافه شدند. افزودن DAHP بعنوان منبع نیتروژن خارجی تنها در مورد شستشوی تقطیر دانه برنج ضروری بود که در آن نسبت اولیه C:N، 101:1-113:1 بود.

 

دسترسی راحت به پسماندهای صنعتی بر پایه نشاسته و ماهیت تجدید پذیر آنها، مستلزم استفاده از آنها بعنوان بستر تولید PHB از لجن فعال است. این نه تنها از لجن اضافی تولید شده استفاده کرده و حجم دفن زباله را کاهش می دهد، بلکه با اجتناب از شرایط استریل و منابع کربن خالص برای نگهداری و رشد کشت های خالص به کاهش هزینه تولید PHB نیز کمک می کند. محتوای PHB به دلیل تأثیر آن بر بازده و راندمان بازیابی  PHBمؤثر بر هزینه تولید و به دنبال آن شرایط کشت و بسترهای کربنی مورد استفاده مهمترین عامل محسوب می شود. در اینجا، ما توانسته ایم به 67 درصد PHB با شستشوی مصرفی تقطیر دانۀ برنج و لجن فعال با بازدهی 0.212 در نسبت C:N نزدیک به مقادیر گزارش شدۀ قبلی برسیم.