علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهنوزدهم، شماره دو، تابستان 96

جذب بیولوژیکی فلز Cu(II) توسط قارچ غیـر زنده

  Penicillium Camemberti: مطالعات ناپیوسته و بستر ثابت

رعنا خلیل نژاد[1]^*

Rana_khalilnezhad@yahoo.com 

  موید حسینی صدر[2]

چکیده

زمینه و هدف :وجود فلزات سنگین در منابع آبی بیش ترین مشکلات را برای سلامتی انسانها و محیط زیست ایجاد می کند. استفاده از جذب سطحی توسط میکروارگانیسم ها از جمله روش هایی است که مزایای زیادی دارد و  برای این منظور میکروارگانیسم هایی نظیر قارچ ها، باکتریها و جلبکها مورد استفاده قرار میگیرند.

مواد و روش ها: در این مطالعه از توده سلولی قارچ غیر زنده پنی سیلیوم کاممبرتی ((Penicillium camemberti  به عنوان جاذب برای حذف مس (II) از محلول های آبی استفاده شده است. آزمایشات در سیستم ناپیوسته  و ستون با بستر ثابت مورد بررسی قرار گرفته است. برای جذب بیولوژیکی یون مس پارامترهای دما،pH،مقدار جاذب و زمان تماس بهینه گردید. در بررسی سینتیکی جذب یون فلز مس به وسیله قارچ  غیر زنده از مدل های  Lagergren, intraparticle diffusion استفاده شده است. 

یافته ها: با توجه به نتایج به دست آمده مشخص شد که جذب بیولوژیکی یون مس به وسیله قارچ از معادله درجه دوم پیروی میکند، زیرا در حالت درجه دوم مقادیر q_cal به مقادیر q_exp  نزدیک تر است و نیز مقادیر 97/0< R² میباشد. مطالعات سیستمپیوسته جاذب را  به صورت گرانول درآورده و اثر ارتفاع ستون پرشده و دبی محلول بررسی شـد. در ضمن گروه های عاملی مـوجـود در روی تـوده سلـولی پنی سیلیوم کاممبرتی با گرفتن طیف IR مشخص گردید.

بحث و نتیجه گیری: مکانیسم جذب یون فلز سنگین توسط قارچ غیر زنده از طریق جذب سطحی بر روی دیواره سلولی بوده، ماکزیمم درصد جذب بیولوژیکی در 5/5pH= حدود 52/86% می باشد.                                     

واژه های کلیدی : جذب بیولوژیکی، فلز سنگین ، ناپیوسته، زمان تماس، نفوذ مولکولی

Biosorption of Cu (II) by Dead Fungal biomass of Penicillium Camemberti: Batch and Fixed Bed studied

Rana Khalilnezhad[3]*

Rana_khalilnezhad@yahoo.com

 Moayed Hosseini Sadr[4]

Abstract

Background and Objectives: The presence of heavy metals in aqueous sources is one of the most important problems that effects on health and environment. Adsorption by microorganisms using methods has many advantages. For this purpose, used microorganisms such as fungi, bacteria, and algae for removing heavy metals.

Materials and methods: In this study the use of non-living fungal of Penicillium camemberti as biosorbent for removal of copper ions from aqueous solution was investigated in batch system and fixed bed column. In the batch system, for the biological absorption of copper, the parameters of temperature, pH, the dosage of biosorbent and contact time were optimized. In the kinetic study of the biosorption of copper metal by means of the non-living fungus, the Lagergren intraparticle diffusion models have been used.

Findings: Considering the obtained results, it is determined that the biological absorption of copper using fungus follows from the second order equation because in the second order state, the amounts of q_cal are close to the amounts of q_exp and also R²>0/97.The results also demonstrate that an intra-particle diffusion mechanism play a significant role in the sorption process. In continues system, the biosorbent was turned into granul and the effects of hight and flow rate studied. The structure of Penicillium camemberti was characterized by IR spectrometer.

Disscusion and Conclusion: The results also demonstrate that adsorption mechanism plays a significant role in the sorption process. The maximum biosorption obtained from the batch process was 86/52% for biomass in pH=5/5.

Keyword: Biosorption, Heavy Metal, Batch, Contact Time, Intraparticle Diffusion.

مقدمه

دنیای امروز ، دنیای صنعت و تکنولوژی های نو است و ما نیز برای همگام شدن با دنیا سالهاست که خیز برداشته ایم . کارخانه ها و صنایع بزرگ و کوچک فراوانی در شهرها و حاشیه های آن ها ایجاد شده اند . حال آن که محصولات تولیدی تنها خروجی آن ها نمی باشد. در حال حاضر پساب های صنایع را نیز می توان جزو فرآورده های آن ها به شمار آورد که بسیاری از آن ها سازگار با محیط نیز نمی باشند . فلزات سنگین یکی از آلاینده‌های پایدار غیر قابل تجزیه بیولوژیکی است که می‌تواند همراه پساب تصفیه شده یا فاضلاب صنایع مختلف به محیط زیست وارد شوند. این فلزات از طریق فعالیت های صنایعی مثل آبکاری، ذوب، تصفیه فلزات، معادن نیروگاه ،صنایع نساجی، باطری سازی، تولید کود شیمیایی و تولید کاغذ وارد محیط زیست می شوند. بنابر این توسعه روش هایی که بتواند فلزات سنگین را از محیط زیست حذف کنند بسیار مهم است(1). یکی از فلزات سنگینی که حضور بیش از حد مجاز آن ایجاد اختلالات زیادی در بدن می کند، مس است. قرار گرفتن در معرض مقادیر بالای مس می‌تواند منجر به بیماری‌هایی از قبیل تب بخارات فلزی،  زخم معده و بیماری های کلیوی، کم‌خونی، تغییراتی در استخوان، افزایش کلسترول، سبز شدن موها و حتی مرگ شود(2). روش های مختلفی مثل رسوب شیمیایی، تبخیر، جذب و تبادل یونی، برای تصفیه جریان های پساب حاوی فلز سنگین به کار می روند، اما اکثر این روش ها با هزینه های بالای سرمایه گذاری، بهره برداری و نگه داری همراه می باشند. به این علت مطالعات متعددی در دهه های اخیر برای ابداع روش های اقتصادی شکل گرفته است. حذف فلزات سنگین و سایر آلاینده های موجود در آب ها و پساب ها با استفاده از سیستم های بیولوژیک در دو دهه اخیر مورد توجه بسیاری قرار گرفته است که اغلب به این گونه فرایندها جذب بیولوژیکی^[5] اطلاق می شود. استفاده از میکروارگانیسم هایی مثل جلبک ها، قارچ ها، باکتری ها، مخمرها و اکتینومیست ها به عنوان جاذب فلزات سنگین مورد استفاده محققان قرار گرفته اند. روش های میکروبی در جذب فلزات از پساب های صنعتی نسبت به سایر روش ها بسیار کم هزینه تر و راحت تر هستند و راندمان عمل بالایی دارند(5، 4، 3).کوچک بودن سایز ذرات،  سرعت در رشد و تکثیر، دانسیته کم، قدرت جداسازی بالا و کم هزینه بودن استفاده از آن ها باعث شده تا محققان توجه بیشتری به جاذب های میکروبی داشته باشند(6). در بین میکروارگانیسم ها قارچ ها قدرت جذب بیشتری را نسبت به برخی گونه های دیگر میکروارگانیسم دارند. قارچ ها برحسب نـوع فلـز در pH هـای قلیــایـی جذب بهتری از خود نشان می دهند، زیرا دیواره سلولی آن ها دارای کربوکسیلات و فسفات است(7). جاذب های بیولوژیکی (بیومس ها^[6])می توانند به صورت های غیر زنده^[7] و زنده^[8] مورد استفاده قرار گیرند. اگر سیستم جذب یک بیوماس غیر زنده باشد، فرآیند حذف آلاینده سریع بوده و مستقل از چرخه متابولیک بیولوژیک انجام شده که به آن سیستم غیر فعال^[9] گفته می شود و اگر جاذب یک بیوماس زنده باشد فرآیند مورد نظر به کندی انجام شده و به آن سیستم فعال^[10] اطلاق می گردد(8). در فرآیند غیر فعال، آلاینـده ها به مکان موجود در دیواره سلولی جاذب ها متصل می شوند و حال آن که در فرآیند فعال با توجه به چرخه متابولیک سلولی، از دیـواره سلـول عبـور کـرده و وارد سلول می شوند (9).

روش حذف بیولوژیکی که توسط جاذب بیـولـوژیکـی صورت می گیرد، به دو روش انجام می شود. وقتی که فلزات سنگین روی جاذب زنده و غیر زنده باند می شوند. بدون این که ضرری برای جاذب داشته باشد، جذب بیولوژیکی نامیده می شود و زمانی که حذف فلزات سنگین در زمان تماس طولانی جاذب بیولوژیکی زنده با محلول فلزی از طریق داخل سلولی صورت گیرد، تجمع بیولوژیکی نامیده می شود(10).

برای حذف یون مس، جاذب هایی مانند لجن فعال خشک (1). بستر تثبیت شده از توده سلولی pycnoporus sanguineus (2)، بستر تثبیت شده از Triticum sativum (11) و غیره تا کنون مورد مطالعه قرار گرفته اند.

هدف این تحقیق بررسی جاذب مرده در جذب فلز مس در سیستم ناپیوسته و ستون  و تاثیر پارامترهای مختلف در مقدار جذب می باشد نهایتا مدل های جذبی و سنتیکی مورد بررسی قرار گرفت که می تواند مقیاس مناسبی برای فرآیند جذب باشد.

مواد و روش ها

1-آماده سازی توده قارچی

در این پژوهش قارچ پنی سیلیوم کاممبرتی^[11] که منبع آن از کپک می باشد، مورد استفاده قرار گرفته است. به منظور کشت پنی سیلیوم کاممبرتی از محیط سابروبراث استفاده می شود. برای تهیه محیط کشت مایع جهت رشد قارچ، در هریک از ارلن های 2000 میلی لیتری حدود 48 گرم سابروبراث ریخته و تا 1600 میلی لیتر آب مقطر اضافه کرده تا حل شود. محیط ها اتوکلاو و بعد سرد شده تا آماده برای تلقیح باشد. به منظور تلقیح به محیط مایع 3 میلی لیتر از سوسپانسیون قارچ اضافه می شود. .سپس ارلن های حاوی محیط کشت و سوسپانسیون قارچی در شیکر انکوباتور که در دور rpm150 و دمای 47درجه سانتی گراد تنظیم شده قرار داده می شود. نمونه ها پس از گذشت 5تا 6 روز به طور کامل رشد کرده ومورد استفاده قرار می گیرند . به منظور فعال سازی دیواره سلولی توده قارچی از  NaOH  3/0 نرمال استفاده شده است. پس از گذشت4 الی 5 روز،توده سلولی توسط کاغذ صافی واتمنmμ 125صاف شده وتوسط آب مقطر به دفعات شسته می شود . توده سلولی شسته شده به 500 میلی لیتر محلول NaOH  3/0 نرمال اضافه شده و به مدت 15 دقیقه حرارت داده می شود تا بجوشد. سپس توده سلولی صاف شده  با آب مقطر استریل دیونیزه شستشو داده تا 7= pH شود. توده حاصل را به مدت 24 ساعت در آون 60 درجه سانتی گراد قرار داده تا کاملا خشک شود. بیومس خشک شده را در آسیاب  برقی ریخته و پودر حاصله برای مصارف بعدی در دسیکاتور ذخیره می شود (13،12). در شکل(1)  SEM توده قارچی خشک بعد از پودر شدن نشان داده شده است .

شکل 1- تصویر SEM از توده قارچ مرده Penicillium camemberti

Figure1. SEM of fungus dead Penicillium camemberti

2- دستگاه ها

در این آزمایشات برای سنجش غلظت مس از دستگاه جذب اتمی مدل (VARIAN-AA240) و برای کنترل دستگاه از یک کامپیوتر IBM استفاده شد. طول موج به کار برده شده توسـط هالوکاتد دستگاه تنظیم و استـانـدارد سـازی گـردید و از دستـگاه هـای FT-IR  Spectrometer  برای گرفتن طیف ها استفاده شد..

3-روش کار در سیستم ناپیوسته

جذب و حذف مس توسط قارچ مرده پنی سیلیوم کاممبرتی در یک سیستم ناپیوسته (batch) صورت می گیرد. در این آزمایشات محلول اولیه از نیترات مس 3 آبه با غلظت ppm5 در حجم  100 میلی لیتر درست شده و برای تنظیم pH از HCL 1/0N و NaOH 1/0 نرمال استفاده می شود. اثر پارامترهای مختلف مانند (7-5/2) pH، مقدار جاذب gr (2/0، 4/0، 6/0، 8/0، 1، 5/1) و زمان تماس در دمای آزمایشگاه اندازه گیری شد و از لحاظ سنتیکی مورد بررسی قرار گرفت. در ضمـن طیـف IR از جـاذب قبـل و بعد جذب گرفته شد تا گروه های عاملی موجود در روی توده سلولی مشخص گردد.

میزان فلز جذب شده در حالت تعادل از معادله (1) زیر محاسبه می شود(14، 13):

: q جرم فلز جذب شده بر وزن قارچ مرده (جاذب) (mg/g)

 C_e:  غلظت فلز باقی مانده در محلول در حالت تعادل بعد از جذب (ppm)

 C_i:  غلظت اولیه فلز قبل از جذب (ppm)

 V:  حجم محلول (L)

 M:  جرم جاذب یا قارچ مرده (gr)

4-بحث و بررسی در سیستم ناپیوسته

در این مبحث تمامی عوامل موثر بر روی جذب بیولوژیکی یون فلز مس توسط جاذب (بیومس) بررسی می‌شود و شرایط بهینه جذب به دست می آید. مکانیسم جذب یون فلز سنگین توسط قارچ غیر زنده از طریق جذب سطحی بر روی دیــواره سلـولی می باشد.

4-1-طیف IR ازنمونه ذرات قارچ مرده   Penicillium camembertiقبل و بعد از جذب

از نمونه بیوماس در حالت معمولی قبل و بعد از جذب فلز مس طیف IR گرفته شده و در شکل های (2) و (3) نشان داده شده است. به منظور بررسی گروه های فعال موجود در دیواره سلولی قارچ Penicillium camemberti در حالت معمولی، از نمونه ها قبل و بعد از جذب طیف IR گرفته شد و با مقایسه حالت قبل و بعد از جذب و کاهش شدت پیک ها ،گروه هایی که باعث جذب فلز می شوند مشخص گردید.از نتایج طیف ها قبل از جذب فلز مس در حالت معمولی نشان می دهـد که گروه های عاملی کربوکسیل (COOH)، آمید (-NH₂)، فسفات ^-3)  (PO₄و گروه هیدروکسیل (-OH) نقش مهمی در جذب فلز های سنگین دارند .در دو حالت قبل از جذب پیک هایی در ناحیه cm^-1 3549-3410 که مربوط به گروه هیدروکسیل (OH) می باشد و OH گروه (COOH) در ناحیه cm^-1 1041ظاهر می گردد. حضور گروه C-H در ناحیه cm^-1 2924-2846و گروه P=O,(PO₄^-3) وP-OH به ترتیب در ناحیه 1160، 1100-1030 و 1040-894  می باشد. در ناحیه cm^-11620-1558  مربوط به گروه C=O و cm^-1 1396-1303 پیک گروه C-O می باشد، ولی بعد از جذب فلز مس توسط قارچ معمولی شدت پیک های گروه های عاملی  C-O وC-H کاهش می یابد که ناشی از انجام واکنش سایت های مربوط با یون فلزی مس می باشد(17، 16، 15).

شکل 2- طیف IR قارچ مرده قبل از جذب فلز مس

Figure2. IR spectrum of fungi dead before absorption of copper

شکل 3- طیف IR قارچ مرده بعد از جذب فلز مس

Figure3. IR spectrum of fungi dead after absorption of copper

4-2- اثر pH برجذب فلز    

 pH عامل بسیار مهمی درفرآیند جذب بیولوژیکی است. تغییرات pH  روی فعالیت شیمیایی یون های فلزی موجود در محلول و هم چنین فعالیت گروه های پایه در سطح دیواره سلولی قارچ و رقابت یون های فلزی با یک دیگر بسیار موثر است. در این آزمایش تغییرات pH برای فلز مس در محدوده 5/2 تا 7 متغیر است. تغییرات pH با استفاده از نیتریک اسید  ( N 5/0) و سدیم هیدروکسید (N 5/0) انجام شده است . آزمایش نشان می دهد بهترین pH که ماکزیمم جذب فلز Cu(II) توسط قارچ دیده می شود، 5/5= pH  می باشد که درصد حذف در این pH ، حدود 52/86% به دست آمده است طبق نتایج حاصل در شکل (4)، میزان جذب با افزایش pH  تا محدوده 6-5/5  افزایش یافته و در pH های بالاتر از 6  کاهش می یابد .

شکل 4- اثر تغییرات pH درجذب سطحی ( Cu(II به وسیله جاذب در شرایط (ml100 محلول ppm5  از مس ،دمای محلول، سرعتrpm150 ،   g 1/0 قارچ )

Figure4. Effects of pH on adsorption Cu (II), conditions absorbtion (5 ppm of copper, Solution temperature, speed 150rpm, 1g biosorbent)

افزایش جذب با افزایش pH  به دلیل در دستــرس بـودن گروه های باردار منفی (فسفات، نیترات ،نیتریت و کربنات) در سطح دیواره سلولی جاذب است. کاتیون Cu⁺² توسط گروه های عاملی فوق که دارای بار منفی هستند از محلول حاوی فلز جذب سطحی می شوند. در مقادیر pH پایین‌تر، ازدیاد یون های هیدرونیوم در محلول میزان جذب کاتیون  فوق را کاهش می دهد زیرا بین کاتیون فلزی مس و یون های هیدرونیوم در اتصال به گروه های عاملی منفی رقابت به وجود آمده و جذب را کاهش می دهد. در pH های بالاتر میزان یون های H⁺ کاهش یافته وجذب زیاد می شود. اما برای فلز مذکور نمی توان pH را بیشتر از 7  افزایش داد زیرا در pH های بالاتر از 7 فلز مس به صورت هیدروکسید در محلول ته نشین شده و از محلول خارج می گردد و جذب  به دلیل کاهش غلظت فلزی در محلول کاهش می یابد(19، 18، 12).

4-3-بررسی اثر غلظت

تغییرات غلظت فلز  از ppm 5 تا ppm 25 در نظر گرفته شده است. نتایج به دست آمده در شکل (5) حاکی از این است که درصد جذب با جاذب با افزایش غلظت اولیه فلز میزان جذب افزایش یافته تا جایی که تقریبا تغییرات بسیار کم شده و دیگر جذبی انجام نمی شود. در این حالت محلـول را اشبـاع شـده می گویند. با افزایش غلظت اولیه فلز، تعداد یون ها ی فلزی در محلول زیاد می شود و رقابت برای دسترسی به محل های اتصـال در سطـح تمـاس افـزایش یافتـه و تمـامی سطـوح قارچ (گروه های عاملی دیواره سلولی ) در اثر تماس با فلز فعال شده و میزان جذب فلز با افزایش غلظت اولیه هر فلز افزایش می یابد. این روند تا جایی ادامه دارد که تمامی گروه های عاملی با یون های فلزی درگیر شده و سطوح جذب برای اتصال به کاتیون های فلزی کاهش می یابد. تمام محل ها در معرض برخـورد با یـون هـا قرار گرفته و فعال شده اند. با پر شدن محل ها در غلظت های بالاتر سطح توده قارچی اشباع می شود و میزان جذب دیگر افزایش قابل ملاحظه ای ندارد(20).

شکل 5- اثر تغییرات غلظت اولیه فلز درجذب سطحی ( Cu(II به وسیله جاذب در شرایط (ml100 محلول ppm5 از مس ،5/5=pH، دمای محلول، سرعتrpm150 ،   g 1/0 قارچ)

Figure5. Effect of initial concentration on adsorption of metal Cu (II), conditions absorbtion (5ppm of copper, pH=5.5, solution temperature, speed 150rpm, 1g biosorbent)

4-5-بررسی اثر زمان تماس

کل زمان مورد نظر دراین قسمت 60 دقیقه در نظر گرفته شد که بررسی ها و نتایج به دست آمده در شکل (6) نشان می دهد فلز مس در حالت معمولی در 20 دقیقه واکنش، میزان بیش ترین در صد جذب را داشته و بعد از گذشت زمان ذکرشده میزان جذب با گذشت زمان تغییر قابل ملاحظه ای ندارد. همان طور که در شکل مربوطه مشخص است، درصد جذب  با جاذب در زمان ذکر شده 36/93%  محاسبه شد. این ممکن است به علت وجود تعداد زیاد سایت های خالی در زمان اولیه باشد (20،21).

شکل 6- اثر تغییرات اثر زمان تماس درجذب سطحی ( Cu(II به وسیله جاذب در شرایط (ml100 محلول ppm 5 از مس ،5/5 pH= ، دمای محلول، سرعت rpm 150 ، g 1/0  قارچ )

Figure6. Effect of contact time, conditions absorbtion (5ppm of copper, pH=5.5, solution temperature, speed 150rpm, 1g biosorbent)

4-6-بررسی اثر جاذب در جذب

یکی از مهم ترین عوامل موثر در مقدار جذب ، مقدار جاذب مورد استفاده می باشد. به این منظور فرآیند جذب در حضور مقادیر مختلف جاذب مورد مطالعه قرارگرفت. بر اساس نتایج مشاهده  شد که با افزایش میزان بیومس جذب افزایش یافته بعد از مقدار بهینه ثابت باقی می ماند (شکل 7) که در این آزمایشات از g2/0 تا  g 1 جذب افزایش یافته ولی در g1به بعد مقدار جذب کاهش می یابد. به این دلیل که با افزایش مقدار جاذب سطوح قابل دسترس جاذب و سایت های پیوندی افزایش می یابد (21، 20). در صدجذب در (2/0، 4/0، 6/0، 8/0، 1، 5/1) گرم به ترتیب 86/44، 28/44، 42/53، 26/51، 96/61و 4/62 %  می باشد.

شکل 7- اثر تغییرات اثر مقدار جاذب درجذب سطحی ( Cu(IIبه وسیله جاذب در شرایط (ml100  محلول ppm 5  از مس ،5/5 pH= ، زمان بهینه، دمای محلول ، سرعت rpm 150 ، g5/1-2/0قارچ )

Figure7. The effect of adsorbent dosage, conditions absorbtion (5ppm of copper, pH=5.5, solution temperature, speed 150rpm, 1-1.5g biosorbent)

4-7-بررسی مدل های سنتیکی

به منظور بررسی روند مکانیسم جذب بیولوژیکی از مدل های سنتیکی  درجه اول و درجه دوم استفاده شد(21).

 ثابت مدل ریاضی Lagergren (min^-1)

  مقدار فلز جذب شده در حالت تعادل (mg/gr)

q_t مقدار فلز جذب شده در زمان های مختلف (mg/gr)

: tزمان (min)

: ثابت سرعت واکنش(g min^-1/mg)

  :مقدار فلز جذب شده در زمان های تعادل (mg/gr)

 : مقدار فلز جذب شده در زمان های مختلف (mg/gr)

 :t زمان انجام واکنش

با توجه به نتایج به دست آمده در جدول (1) مشخص می شود که جذب بیولوژیکی مس به وسیله قارچ مرده از معادله درجه دوم پیروی می کند زیرا در حالت درجه دوم مقادیر q_cal به مقادیر q_exp  نزدیک است و نیز مقادیر 97/0 > R²می باشد(24، 23، 22).

جدول 1- مقادیر K₁ ،K₂ ،q_e و q_e,maxبرای جذب فلز مس بوسیله قارچ Penicillium camemberti

وبر^[12] و موریس^[13] مدل نفوذ درون ذره ای را به صورت معادله (5) بیان کردند(25):

که در آن q_t مقدار ماده جذب شده (mg.g^-1) در زمان t و K_p ثابت سرعت نفوذ درون ذره ای و C ثابت جذب است. نمودار q_t  برحسب یک رابطه چند خطی می باشد و بیان گر این است که دو یا چند مرحله در فرایند جــذب سطحــی اتفاق می افتد (جدول2).

جدول 2- مقادیر ثابت نفوذ درون ذره ای

Table2. intraparticle diffusion constants

5- انجام عملیات جذب در سیستم پیوسته^[14] 

5-1- روش تهیه تثبیت سلول های قارچی در آلیژینات

6 گرم آلژینات سدیم را در cc300 آب مقطرریخته،  برای حل کردن پودرآلیژینات سدیم مخلوط را بر روی هیتر در دمای 60 درجه سانتی گراد قرار داده تا پودر مذکور به  طور کامل حل شود. پس از سردشدن محلول آلژینات 6 گرم بیومس پودر شده به محلول  اضافه شد. بعد از اختلاط کامل، بیومس ومحلول آلیژینات در قیف دکانتور ریخته شد وبه صورت قطره قطره به محلول کلرید کلسیم 2/0مولار که بر روی همزن قرار دارد اضافه شد.هر قطره پس از تماس با CaCl₂   پلیمریزه شده و به صورت گلوله های کوچکی در آمد، قطر گویچه های حاصل در حدود mm4  به دست آمد.خارج کردن آهسته کلرید کلسیم 2/0 مولار قبلی و جایگزین کردن کلرید کلسیم2/0 مولار تازه روی دانه های حاصل جهت سفت و محکم شدن آن ها انجام می گیرد و سپس در دمای 4 درجه سانتی گراد به مدت 24 ساعت نگه داری می شود . شستشوی گویچه های حاصل با آب مقطر برای حذف یون های کلسیم اضافی به کار می رود (25 ،26).

شکل 8-گویچه های آلژینات بعد از تثبیت سلولی با جاذب

Figure8. t alginate beads after cell fixationof absorbent

5-2-  تهیه ستون و پر کردن آن برای عملیات جذب درسیستمهای پیوسته

ستون مورد استفاده در سیستم پیوسته، ستونی شیشه ای به قطر داخلی cm.5/1 و قطر خارجی cm2 طراحی شد و انتهای آن، شیری تعبیه گردید. ارتفاع cm 20 از ستـون توسـطگویچه های آلژیناتی حاوی پودرهای بیومس پر شد.. از بالای ستون محلول فلزی ppm5 با سرعت های مختلف ml/min2 و ml/min 4 و ml/min 6 وارد ستون شده و هر 15 دقیقه محلول های خروجی از ستون جمع آوری می گردید و غلظت باقی مانده و جــذب شده به وسیـله دستـگاه جـذب اتمی اندازه گیری شد. حداکثرمدت زمان برای عملیات جذب در ستون 2 ساعت مدنظر قرار گرفت. pH محلول فلزی روی pH بهینه فلز تنظیم شد.

برای بررسی اثر ارتفاع بعد از تثبیت بیومس در آلژینات و تبدیل آن به صورت گرانول، آن را در ستون در دو ارتفاع cm10 و cm30 پر می کنند و محلول ppm5 از یون مس با5/5 pH=  را با دبی ml min^-12 (شرایط بهینه) از داخل ستون عبور داده و هر 15 دقیقه نمونه برداری انجام می گیرد.

 6- بحث و بررسی عملیات جذب در سیستم پیوسته

6-1-اثر دبی (سرعت جریان ورودی)

در سیستم پیوسته با جاذب (بیومس)، گویچه ها از 50% جاذب و 50% سدیم آلژینات تشکیل شده اند. مطالعات درخصوص میزان  سرعت جریان ورودی به راکتور  انجام شد و آزمایشات  با سرعت جریان های مختلفml/min 6و4و2 انجام شد . نتایج نشان داد که درصد حذف محلول مس با غلظت ppm5 از پساب با سرعت جریانml/min2بیشتر است.این مساله به این دلیل است که در دبی های کمتر، فلزمدت زمان بیشتری در تماس با بستر قرار می گیرد و به همین دلیل میزان جذب فلز در دبی های پایین بیشتر خواهد بود. با افزایش  سرعت جریان میزان درصد حذف کاهش می یابد. با افزایش سرعت جریان ورودی به درون  راکتور، زمان داده شده برای جـذب کاهـش می یابد و سیستم سریع تر اشباع می شود ولی با سرعت جریان ورودی کمتر، میزان فلز جذب شده  افزایش می یابد. از سوی دیگر، سرعت جریان بالاتر  فقط از نظرصرفه جویی در زمان دارای اهمیت می باشد. بررسی اثر  غلظت های مختلف در سیستم پیوسته نشان داد که با افزایش غلظت فلز منگنز ستون سریع تر به نقطه شکست می رسد.

نقطه شکست (breakthrough) بالاترین حد منحنی است، نقطه ای که ستون اشباع شده ، دیگر قادر به جذب یون منگنز نیست، تغییرات غلظتی بسیار ناچیـز است و بـه صفـر میــل می کند و ستون توانایی جذبی اش را از دست می دهد . این نقطه بر روی شکل جایی است که فرآیند جذب و دیگر با گذشت زمان تغییری نمی کند. در جذب بیولوژیکی معمولا منحنی به شکل "S" می باشد. میزان غلظت فلز مس در محلول خروجی منحی بر اساس C_t/C₀ بر حسب t رسم شده است (شکل 9).

با توجه به منحنی ها مشاهده می شود که به طور کلی زمان شکست ستون با افزایش دبی کمتر شده و در عین حال شیب منحنی های شکست نیز افزایش می یابند. هم چنین زمان رسیدن به نقطه اشباع بستر افزایش می یابد.

شکل 9-منحنی شکست برای حذف مس در بستر جاذب تثبیت شده در سرعت جریان های مختلف(ppm5 =C₀

5/5pH= ،ارتفاع بستر=cm 20 )

Figure9. Failure curve for copper removal adsorbent bed stabilized at different flow rates (Co=5ppm, pH=5.5, hight bed= 20cm)

6-2-اثر ارتفاع بستر در سیستم پیوسته در میزان جذب

نتایج حاصل از بررسی ارتفاع بستر نشان می دهد که با افزایش ارتفاع  به علت زیاد شدن زمان تماس بین یون های محلول و سطح جاذب درصد حذف فلز افزایش می یابد، چون سایت های فعال و گروه های یونی بیشتری از سطح بیومس در دسترس می باشد.

جدول3- نتایج حاصل از اثر ارتفاع ستون در جذب فلز مس

Table3. Results of the effect of column height in the absorption of copper

مدل های ریاضی بسیاری به منظور بررسی داده های تجربی حاصل با داده های تئوری ارایه شده است .از جمله مهم ترین و پرکاربرد ترین معادلات  Thomasو Yun  می باشد . مدل توماس (Thomas) بر اساس بقای جرم ( توماس 1948) و با این فرض که تعادل جذب از مدل لانگمویر بدون پراکنش محوری پیروی می کند (بارال و همکارانش 2009)، توسعه یافته است . مدل ریاضی توماس به شکل معادله(6) است:

در این معادله  بیان گر ماکزیمم غلظت جذب شده در واحد جرم مواد ستون جاذب [ ] ، ضریب سینتیکی یا ثابت میزان جذب توماس[ ] ، M مقدار جاذب gr ، V حجم های خروجی از ستون (ml) ‌، Q دبی ورودی]  ،  غلظت ورودی به ستون [ ] و  غلظت خروجی از ستون [ ] است ]13[.

مدل یان (Yun):

در معادله Yun مقدار  که ضریب سینتیکی یا ثابت مقدار جذب Yun (min^-1)  بوده قابل محاسبه می باشد و نشان دهنده زمانی است که در آن غلظت خروجی بیان گر نصف غلظت ورودی می باشد.  نمودار تجربی  بر اساس زمان های نمونه برداری (t) رسم می شود(18). نتایج حاصل از این دو مدل در جدول زیر گردآوری شده است.

جدول 4- نتایح پارامترهای حاصل از مدل Thomas ، Yun

Table4. Results of parameters model of Thomas, Young

نتیجه گیری

تاکنون درباره جذب بیولوژیکی بر روی جاذب پنی سیلیوم کاممبرتی(Penicillium camemberti)کار تحقیقاتی صورت نگرفته است،ولی در این مطالعات جذب فلز مس توسط این جاذب (بیومس) مرده انجام شده و  اثر پارامترهای مختلف در سیستم پیوسته و ناپیوسته مورد بررسی قرار گرفته است. نوع غیر زنده این نوع قارچ بهتر از نوع زنده آن می باشد. راه های زیادی برای کشتن میکروارگانیسم (جاذب غیر زنده) وجود دارد که برحسب نوع فلز و نوع میکروارگانیسم متفاوت است. یکی از بهترین راه ها ی کشتن قارچ پنی سیلیوم کاممبرتی، جوشاندن آن در سود است که باعث افزایش جذب سطحی بیومس قارچی می شود.شرایط ساز و کار جذب از طریق جذب سطحی است. در سیستم ناپیوسته یکی از این عوامل مقدار pH بوده است که در این آزمایشات 5/5 pH= بهینه تشخیص داده شد. در مقادیر pH پایین‌تر، ازدیاد یون های هیدرونیوم در محلول میزان جذب کاتیون  فوق را کاهش می دهد زیرا بین کاتیون فلزی مس و یون های هیدرونیوم در اتصال به گروه های عاملی منفی رقابت به وجود آمده و جذب را کاهش می دهد. در pH های بالاتر میزان یون های H⁺کاهش یافته وجذب زیاد می شود. اما برای فلز مذکور نمی توان pH را بیشتر از 7  افزایش داد زیرا در pH های بالاتر از 7 فلز مس به صورت هیدروکسید در محلول ته نشین شـده و از محلــول خــارج می گردد و جذب  به دلیل کاهش غلظت فلزی در محلول کاهش می یابد. سرعت جذب در زمان های تماس مختلف نشان  می دهد که در 20 دقیقه اول بیش ترین جذب صورت می گیرد. نتایج حاصل از بررسی سنتیکی مشخص کرد که از درجه دوم پیروی می کند و آنالیز طیف FT-IR ازقارچ نشان داد که در ساختار قارچ گروه های فعالی چون کربنات، هیدروکسیل، کربوکسیل، فسفات و آمونیوم نیترات که عامل اصلی جذب یون مس به سطح جاذب می باشد در سیستم پیوسته پارامترهای دبی و ارتفاع ستون مورد بررسی قرار گرفتند و مشخص شد با کاهش دبی و افزایش ارتفاع، میزان جذب فلز در ستون توسط جاذب تثبیت شده(گرانول) افزایش می یابد.

منابع

1. H. Benaïssa, M.A. Elouchdi, 2011, Biosorption of copper (II) ions from synthetic aqueous solutions by drying bed activated sludge, Journal of Hazardous Materials., Vol. 194, PP. 69–78.
2. Yahaya, Y.A., Mat Don, M., Bhatia, S., 2009.  Biosorption of copper (II) onto immobilized cells of Pycnoporus sanguineus from aqueous solution: Equilibrium and kinetic studies, Journal of Hazardous Materials, Vol. 161, PP.189–195.
3. Mahmoud, M.E., Yakout, A.A., Abdel-Aal, H., Osman, M.M., 2011. Enhaced biosorptive removal of cadmium from aqueous solutions by silicon dioxide nano-powder, heat inactive and immobilized Aspergillus ustus. Desalination, Vol. 279,pp 291-297.
4. Ahluwalia, S.S., Goyal, D., 2007, Microbial and plant derived biomass for removal of heavy metals from wastewater, Bioresource Technology, Vol. 98, PP. 2243-2257.
5. Benaissa, H., Elouchdi, M.A., 2011, Biosorption of copper (II) ions from synthetic aqueous solutions by drying bed activated sludge, Journal of Hazardous Materials., Vol. 194, PP. 69-78
6. Witek-Krowiak, A., G. Szafran, R., Modelski, S., 2011, Biosorption of heavy metals from aqueous solutions onto peanut shell as a low-cost biosorbent, Desalination, Vol. 265, PP. 126–134
7. Yang, Y., Wang, G., Wang, B., Li, Z., Jia, X., Zhou, Q., Zhao, Y., 2011, Biosorption of Acid Black 172 and Congo Red from aqueous solution by nonviable Penicillium YW 01: Kinetic study, equilibrium isotherm and artificial neural network modeling, Bioresource Technology, Vol.102, PP. 828–834. 
8. Oves, M., Saghir Khan, M.,  Zaidi, A., 2013, Biosorption of heavy metals by Bacillus thuringiensis strain OSM29 originating from industrial effluent contaminated north Indian soil, Saudi Journal of Biological Sciences, Vol. 20, PP.121–129.
9. Axtell, N.R., Sternberg, P.K.S., Claussen, K., 2003, Lead and Nickel Reamoval Using microspora and Lemna minor, Bioresource Technology, Vol. 89, PP. 41-48.
10. Kratochvil, D., Volesky, B., Demopoulos, G., 1997.Optimizing Cu removal/recovery in a biosorption column. Water Res, Vol.31, pp.2327-2339.
11. Muhamad, H., Doan, H., Lohi, A., 2010, Batch and continuous fixed-bed column biosorption of Cd⁺² and Cu⁺², Chemical Engineering Journal Vol. 158, PP.369-377.
12. Kapoor, A., Viraraghavan, T., Cullimore, D.R., 1999. Removal of heavy metals the fungus Aspergillus Niger. Bioresource Technology, Vol.70, pp. 95-104
13. Marandi, R., 2011.  Biosorption of Hexavalent Chromium from Aqueous Solution by Dead Fungal Biomass of Phanerochaete crysosporium: Batch and Fixed Bed Studies.  Journal on Chemical Engineering & Technology, Vol. 2, pp. 8-22.
14. Yalcin, E., Cavusoglu, K., Kınalıoglu, K., 2010. Biosorption of Cu²⁺ and Zn²⁺ by raw and autoclaved Rocella phycopsis.  Journal of Environmental Sciences, Vol. 22, pp.367–373.