مطالعات سینتیکی هضم بی‌هوازی
هضم بی‌هوازی یکی از روش‌های بیولوژیکی متداول برای تصفیه فاضلاب است. مطالعات سینتیکی، در طراحی بیوراکتور و افزایش مقیاس فرایندها اهمیت خاصی دارد. در این نوشتار، به مرور مطالعات سینتیکی بیوراکتورهای بی‌هوازی و بیوراکتور غشایی بی‌هوازی پرداخته می‌شود.
هضم بی‌هوازی در سال‌های اخیر توجه زیادی را در مدیریت پایدار فاضلاب جلب کرده است. این فرایند مزایای قابل‌توجهی دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به تولید لجن کم، نیاز ناچیز به مواد غذایی، مصرف پایین انرژی، بار آلودگی بالا و تولید بیوگاز اشاره کرد.
روش‌های متداول هضم بی‌هوازی برای تصفیه فاضلاب معایب خاصی نیز دارد. در مقایسه با روش‌های هوازی، پساب خروجی از هاضم بی‌هوازی کیفیت پایین‌تری دارد. علاوه بر این، سرعت رشد میکروارگانیسم‌ها در هضم بی‌هوازی بسیار پایین است. بنابراین تلاش‌های زیادی در راستای شناسایی و افزایش سرعت واکنش‌های بی‌هوازی انجام شده است که منجر به استفاده از بیوراکتورهای بی‌هوازی نوینی مانند بیوراکتورهای بی‌هوازی غشایی شده است. مقالات مروری که بین سال‌های 1990 تا 2000 در این زمینه منتشر شده‌اند، تنها به خلاصه‌سازی و مباحثه مدل‌های مختلف سینتیکی بسنده کرده‌اند و گزارشی از کاربرد این مدل‌های سینتیکی در 20 سال اخیر ارائه نشده است.
مدل‌های مختلف سینتیکی
یکی از پارامترهای مهم در طراحی بیوراکتورها، شناسایی سینتیک‌های مختلف آن است. از جمله سینتیک‌های مهم در هضم بی‌هوازی، سینتیک رشد باکتری‌ها است که در ادامه به آن پرداخته می‌شود.
سینتیک رشد باکتری‌ها
رشد میکروارگانیسم‌ها و استفاده از سوبسترا، سینتیک واکنش‌های میکروبی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. باکتری هنگام رشد فازهای مختلفی دارد که عبارت‌اند از فاز تأخیر، شتاب‌دهی، رشد لگاریتمی یا نمایی، ثابت و مرگ. در شرایط مناسب، فاز تأخیر و شتاب‌دهی قابل چشم‌پوشی هستند و رشد باکتری‌ها در فاز لگاریتمی رخ می‌دهد. در این فاز، سرعت رشد در مقدار بیشینه خود ثابت است.
به‌علت کمبود مواد غذایی، تجمع مواد سمی و تغییرات پی‌هاش، فاز مرگ آغاز می‌شود و سرعت رشد به صفر می‌رسد. در فاز ثابت، تعداد سلول‌ها ثابت باقی می‌ماند اما سلول‌ها به‌علت متابولیسم و فرایندهای بیوسنتزی، انرژی مصرف می‌کنند. اگر سرعت رشد و محیط کشت تغییر نکند، سلول‌ها پس از مدتی با ضریب مرگ مشخصی از بین می‌روند.
هر دو مرحله رشد و مرگ به‌صورت نمایی رخ می‌دهند اما سرعت رشد بیشتر از سرعت مرگ است. هنگامی که میکروارگانیسم‌ها از بین می‌روند، به قند و پروتئین تجزیه می‌شوند و توسط میکروارگانیسم‌های زنده مصرف می‌شوند.
یکی از مدل‌های پرکاربرد در سینتیک رشد باکتری‌ها مدل مونود است که سرعت رشد ویژه باکتری‌ها را به غلظت سوبسترا مربوط می‌سازد. در این رابطه ثابتی به نام ثابت اشباع مشهود است که از به‌دست آوردن غلظت در نصف سرعت بیشینه حساب می‌شود.
رشد باکتری هنگامی آغاز می‌شود که غلظت سوبسترا به مقدار خاصی برسد زیرا باکتری‌ها باید برای به‌دست آوردن انرژی فاز نگهداری، سوبسترا را تخریب کنند. سرعت رشد باکتری‌ها در غلظت پایین سوبسترا به‌شدت افزایش می‌یابد و در غلظت‌های بالای سوبسترا با شدت کمی زیاد می‌شود. در غلظت‌های پایین‌تر از ثابت اشباع، سرعت واکنش مرتبه اول و در غلظت‌های بیشتر از ثابت اشباع واکنش از مرتبه صفر است.
اگر غلظت سوبسترا به‌اندازه کافی زیاد باشد، می‌توان به بیشینه سرعت رشد ویژه رسید. البته از آنجا که ثابت اشباع عددی مثبت است، در عمل سرعت رشد همواره کمتر از بیشینه سرعت رشد ویژه است. بیشینه سرعت رشد ویژه برای هر باکتری مقداری ثابت است.
مدل مونود، سینتیک واکنش‌ها را در شرایطی بررسی می‌کند که محیط کشت خالص است و تنها از یک سوبسترا استفاده می‌شود؛ بنابراین این مدل برای تجزیه سوبستراهای پیچیده چندان دقیق نیست و علاوه بر این، این مدل از بین رفتن زیست‌توده فعال در اثر تنفس درون‌سلولی را در نظر نمی‌گیرد. تنفس درون سلولی (تخریب زیست‌توده توسط خودش، فاز ثابت، شکار سلولی، مرگ سلول و از بین رفتن بافت سلولی) در طی فرایند تجزیه اتفاق می‌افتد و غلظت زیست‌توده فعال را کاهش می‌دهد. بنابراین روابط دیگری تعریف شده است که موارد مذکور را در نظر می‌گیرد.
یکی از ضرایب جدید که در روابط اصلاح شده به چشم می‌خورد ضریب از بین رفتن سلولی است که مقدار آن حدود 5 درصد بیشینه سرعت رشد ویژه است. ضریب از بین رفتن سلولی برای فرایند متان‌زایی حدود یک درصد بیشینه سرعت رشد ویژه است، بنابراین می‌توان از این ضریب هنگام توسعه مدلی سینتیکی صرف‌نظر کرد. در اکثر موارد، سرعت رشد باکتری و سرعت مصرف سوبسترا توسط ضریبی به نام بازده رشد به یکدیگر مربوط می‌شوند.
پیشرفت‌های اخیر در مطالعات سینتیکی هضم بی‌هوازی
مقاله مروری که توسط پاولواستاتیس و بقیه در سال 1991 منتشر شد، مطالعات سینتیکی هضم بی‌هوازی را تا سال 1991 خلاصه کرده است و تا 6 آوریل 2018، بیش از 563 ارجاع خورده است. گربر و بقیه در سال 2008 مقاله مروری مربوط به هضم بی‌هوازی منتشر کردند که در آن به مدل‌سازی ریاضی این فرایند پرداخته‌اند و هیچ‌گونه اطلاعات آزمایشگاهی در این مقاله آورده نشده است.
مطالعات سینتیکی بیوراکتور ناپیوسته
در فرایندهای ناپیوسته که تنها یک بار خوراک‌دهی انجام می‌شود، ملزومات رشد میکروارگانیسم، تخریب سوبسترا و تولید بیوگاز وابسته به زمان ماند تغییر می‌کنند. در مطالعات انجام شده، از مدل مرتبه اول برای حذف سوبسترا و تولید بیوگاز استفاده شد. مدل‌های سینتیکی مختلفی برای تولید متان درنظر گرفته شد اما همان رابطه مرتبه اول و مدل گمپرتز به‌علت سادگی، کارایی دارند.
نتایج مطالعات نشان می‌دهد که ثابت سینتیکی مرتبه اول بین 0.7 تا 2.51 برروز و بازده تولید بیوگاز 319 تا 350 میلی‌لیتر متان به ازای هر گرم سیاودی حذف شده در شرایط استاندارد دما و فشار است. تغییرات قابل توجهی در تولید متان وجود دارد که به‌علت سوبسترای متفاوت و محیط‌کشت مختلف می‌باشد. نوع آکنه در بیوفیلم تأثیر چندانی بر متان تولیدی ندارد. بار آلودگی از 1 تا 2.2 کیلوگرم سیاودی بر مترمکعب در روز متغیر است و اثرات این پارامترها در کنار شرایط دمایی مختلف (31 تا 35 درجه سانتی‌گراد) و زمان ماند هیدرولیکی متفاوت (1 تا 72 روز) لحاظ می‌شود.
مطالعات سینتیکی بیوراکتور پیوسته
در فرایندهای پیوسته سوبسترا به‌طور یکنواخت و پیوسته به سیستم وارد و از آن خارج می‌شود. بنابراین ملزومات رشد میکروارگانیسم طی زمان ثابت است. در فرایند پیوسته سیستم برمبنای خروجی‌ها در حالت پایا به سر می‌برد. در واقعیت تنها سیستم‌های پیوسته برای مطالعات سینتیکی می‌توانند مورد ارزیابی قرار گیرند زیرا سیستم‌های ناپیوسته نتایجی را تولید می‌کنند که به‌ندرت دوباره اتفاق می‌افتد چرا که در حالت ناپیوسته، شرایط واکنش در مطالعات مختلف تفاوت دارد.
شکل‌بندی‌های مختلفی از بیوراکتورهای پیوسته را می‌توان برای مطالعات سینتیکی در نظر گرفت. سپس به کمک موازنه جرم، پارامترهای سینتیکی تعیین می‌شوند. برای بیوراکتورهای پیوسته مقادیر بیشینه سرعت رشد ویژه 0.21 تا 1.541 برروز، ثابت اشباع 60 تا 4300 میلی‌گرم برلیتر، ضریب مرگ 0.0065 تا 0.802 برروز، بازده تولید لجن 0.074 تا 0.125 میلی‌گرم لجن به گرم سیاودی، بازده تولید بیوگاز 200 تا 349 میلی‌لیتر متان به گرم سیاودی حذف شده و بیشینه سرعت 0.47 تا 109.7 گرم سیاودی بر لیتر به روز به دست آمد.
علت تغییرات زیاد برخی اعداد شرایط رشد متفاوت، شرایط عملیاتی و مدل‌های سینتیکی مورد استفاده می‌باشد. انواع مختلفی از بیوراکتورها در مطالعات مذکور استفاده شد که از جمله آن‌ها می‌توان به فیلتر بستر ثابت بی‌هوازی، فیلتر جریان رو به‌پایین بی‌هوازی، فیلتر بستر متحرک بی‌هوازی و فیلتر جریان رو به بالای بی‌هوازی اشاره کرد. علاوه براین فاضلاب ورودی نیز صنایع مختلفی را شامل می‌شود که عبارت‌اند از کشتارگاه، آبزی‌پروری، نساجی، روغن، کاغذسازی و لبنی.
مطالعات سینتیکی بیوراکتورغشایی بی‌هوازی
بیوراکتور غشایی بی‌هوازی نوع جدیدی از بیوراکتورها است که مزایای منحصر به‌فردی دارد. ویژگی‌های مناسب این سیستم شامل فشرده بودن، تفکیک قائل شدن میان زمان ماند هیدرولیکی از سلولی، کیفیت بالای پساب خروجی و حذف کامل مشکلات جداسازی لجن در فرایندهای معمولی است.
آندرسون و بقیه اثر زمان ماند سلولی را بر پارامترهای سینتیکی یک بیوراکتور متقاطع بی‌هوازی غشایی با غشاء اولترافیلتر بررسی کردند. این مطالعه برای فاضلاب کارخانه آب‌جوسازی به مدت 15 ماه انجام شد. ضرایب بیوسینتیکی در بارهای آلی و زمان ماند سلولی متفاوت اندازه‌گیری شد. مدل مونود سازگاری بسیارخوبی با داده‌های تجربی داشت.
لیو عبدالله و همکاران، از بیوراکتور مشابهی برای بررسی پارامترهای سینتیکی تصفیه فاضلاب روغن پالم استفاده کردند. آن‌ها پیشنهاد کردند که مدل کنتوس با داده‌های تجربی تطابق دارد و هم‌چنین اشاره کردند که مقدار کم بیشینه سرعت رشد ویژه نشانگر مقادیر زیاد غلظت میکروارگانیسم در بیوراکتور غشایی است.
با افزایش سیاودی ورودی و کاهش غلظت MLSS (که همان غلظت میکروارگانیسم‌ها است)، بازده حذف سوبسترا کاهش می‌یابد. مقادیر پایین ضریب مرگ مربوط به سرعت پایین مرگ میکروارگانیسم‌ها است و سرعت رشد ویژه پایین و ثابت اشباع بالا متناسب با سرعت پایین مرگ باکتری‌ها است. نتایج کلی نشان می‌دهد که عملکرد بیوراکتورغشایی بی‌هوازی به‌طور مستقیم به ثابت مرگ و ثابت اشباع و به‌طور معکوس به بیشینه سرعت رشد ویژه بستگی دارد.
اثر دما بر سینتیک واکنش‌های بی‌هوازی
میکروارگانیسم‌ها نمی‌توانند مانند پستانداران دمای بدن خود را تنظیم کنند بنابراین دمای محیط باید با دمای هسته سلول یکسان باشد. دما بر فرایندهای میکروبی توسط تأثیر بر طبیعت متابولیسم سلولی، نیاز به مواد غذایی، ترکیب زیست‌توده و سرعت واکنش‌ها اثر می‌گذارد. میکروارگانیسم‌ها در 4 بازه دمایی فعال هستند که عبارتند ازسایکروفیلیک که دماهای کمتر از 15 درجه سانتی‌گراد، مزوفیلیک که دماهای بین 15 تا 40 درجه سانتی‌گراد، ترموفیلیک بین 40 تا 70 درجه سانتی‌گراد و هایپرترموفیلیک که دماهای بین 70 تا 110 درجه سانتی‌گراد است.
با افزایش دما، سرعت رشد سلولی با افزایش تدریجی و کاهش ناگهانی به‌علت از بین رفتن پروتئین‌ها تغییر می‌کند. در بیشتر موارد اثر دما همانند واکنش‌های شیمیایی با مدل آرنیوس بیان می‌شود. این مدل بیان می‌کند که تغییر لگاریتم طبیعی ثابت واکنش بر حسب دما، با انرژی فعال‌سازی واکنش رابطه مستقیم دارد.
بازه دمایی بهینه در شرایط مزوفیلیک بین 30 تا 40 درجه سانتی‌گراد است. بازه 40 تا 50 درجه سانتی‌گراد برای مزوفیلیک بسیار زیاد و برای ترموفیلیک بسیارکم است. باکتری‌های مزوفیلیک در دمای بالاتر از 40 درجه سانتی‌گراد از بین می‌روند و باکتری‌های ترموفیلیک در دمای بالاتر از 50 درجه سانتی‌گراد شروع به فعالیت می‌کنند.
در هر دو بازه ترموفیلیک و مزوفیلیک، در دماهای بالاتر از دمای بهینه، پروتئین‌ها از بین می‌روند و سرعت رشد میکروارگانیسم را کند می‌کنند و باعث افزایش سرعت مرگ نسبت به سرعت رشد می‌شوند.
مدل آرنیوس مطلب مذکور را به خوبی نشان نمی‌دهد و بنابراین محققانی این مدل را اصلاح کردند تا حاکی از تخریب باکتری در دماهای بالاتر از دمای بهینه باشد. در این مدل‌ها نشان داده می‌شود که در دماهای پایین‌تر از دمای بهینه، افزایش دما باعث افزایش سرعت رشد می‌شود و سرعت تخریب تأثیر چندانی ندارد. در مقابل، سرعت تخریب دربرابر سرعت رشد در دماهای بالاتر از دمای بهینه غالب می‌شود زیرا فعالیت و عدم فعالیت آنزیمی با تغییر دما عوض می‌شود.
تأثیر پی‌هاش بر سینتیک هضم بی‌هوازی
مقدار پی‌هاش نقش مهمی در هضم بی‌هوازی ایفا می‌کند چرا که رشد باکتری و سینتیک هیدرولیز را تحت تأثیر قرار می‌دهد. مقدار بهینه پی‌هاش بسته به نوع سوبسترا و چگونگی هضم بی‌هوازی تغییر می‌کند. بنابراین اثر پی‌هاش باید با توجه به بیشترین درصد حذف سوبسترا تعیین شود. طی فرایند هضم، افزایش پی‌هاش ناشی از تجمع نیتروژن آمونیاکی می‌تواند فعالیت میکروبی را مختل کند. باکتری‌های استوتروفیک متان‌زا در پی‌هاش کمتر از 6.2 به شدت فعالیتشان کاهش می‌یابد درحالی‌که آمونیاک آزاد باکتری‌های استوکلاستیک متان‌زا را در پی‌هاش بالاتر از 7.4 محدود می‌کند که باعث توقف عملکرد سیستم می‌شود.
اثر پی‌هاش بر سینتیک تولید متان به‌طور گسترده مطالعه شده است، اما اثر آن بر تمام ثوابت سینتیکی برای فرایند هیدرولیز و جذب سوبسترا مطالعه چندانی نشده است. در پی‌هاش و دمای ثابت، سینتیک واکنش هیدرولیز می‌تواند به‌صورت رابطه مرتبه اول در نظرگرفته شود. مدل مونود و هاشیموتو نیز گاهی اوقات برای تجزیه زیستی سوبسترا کاربرد دارد.
در برخی مطالعات، پی‌هاش به صورت مستقیم در مدل‌های ریاضی تعادل یونی وارد شده است. در مطالعات دیگری، اثر زمان ماند، پی‌هاش و غلظت سوبسترا بر سرعت و شدت تولید کربن آلی بررسی شده است. لیو و همکاران در آزمایش‌هایی، اثر پی‌هاش بر تولید متان را برای هضم بی‌هوازی پسماند خانگی بررسی کردند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که با مدل‌سازی ریاضی می‌توان پی‌هاش بهینه و مقدار متان تولیدی را پیش‌بینی کرد.
مدل پی‌هاش کاردینال که در سال 1995 توسط روسو توسعه یافت، از جمله مواردی است که می‌توان با اتکا بر آن اثر پی‌هاش را بر سینتیک ارزیابی کرد. در مطالعات مذکور، اثر پی‌هاش بر فرایندهای تخریب سوبسترا، بیشینه سرعت رشد ویژه و بازدارندگی بررسی شد. مدلی که برای بررسی اثر پی‌هاش به‌دست آمد، بسیار شبیه مدلی است که برای بررسی اثر دما به دست آمده بود. لازم به ذکر است که در ارزیابی اثر پی‌هاش، از بافرهای دی‌اکسید کربن و بی‌کربنیک اسید، آمونیوم و آمونیاک، استیک اسید و استات استفاده می‌شود.
اثر تعادل گاز-مایع بر سینتیک هضم بی‌هوازی
تعادل گاز- مایع بر ترکیب درصد بیوگاز، تعادل یونی، غلظت مواد مغذی و بازدارنده تأثیر به‌سزایی دارد. بنابراین برای ارزیابی سیستم و توسعه مدل ریاضی، این اثر برای سینتیک فرایند هضم بی‌هوازی حائز اهمیت است.
هضم بی‌هوازی یک سیستم سه‌فازی است و در مدل‌های ریاضی فرض می‌شود که فاز گاز و مایع با هم در تعادل هستند. تعادل گاز- مایع در برخی مدل‌های ریاضی لحاظ شده است و تئوری انتقال جرم فاز گاز-مایع بر مبنای قانون گاز ایده‌آل است. به‌طور کلی، گازهای مختلفی در فرایند هضم بی‌هوازی تولید و مصرف می‌شود که عبارت‌اند از متان، نیتروژن، هیدروژن، دی‌اکسید کربن و هیدروژن سولفید. البته اثر انتقال جرم گاز-مایع به‌خوبی مستند نشده است. در گزارش‌های منتشرشده، متان در آب نامحلول معرفی شده است اما دی‌اکسید کربن به‌صورت جزئی محلول است.
بحث و نتیجه‌گیری
نوع سوبسترا، نوع بیوراکتور، شرایط محیطی و عملیاتی در تعیین ثوابت سینتیکی مدل‌های مختلف بسیار حائز اهمیت می‌باشند. برخی از سوبستراها به آسانی و برخی دیگر به سختی تجزیه می‌شوند. انواع مختلف فاضلاب‌ها مانند نساجی، لبنی، دباغی، صنایع نوشیدنی، تولید قند، خمیر و کاغذسازی، روغن و غیره به‌عنوان فاضلاب ورودی استفاده شدند. تغییر نوع فاضلاب منجر به تغییر مقدار ثوابت سینتیکی شد. به‌طور کلی مقادیر کم ثوابت بیوسینتیکی، مربوط به فاضلاب‌هایی است که از لحاظ بیولوژیک سخت‌تر تجزیه می‌شوند.
دما یکی از شرایط عملیاتی است که بر ثوابت سینتیکی اثر می‌گذارد. اگرچه بیشتر مطالعات سینتیکی هضم بی‌هوازی در گستره 35 تا 37 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود، برخی از موارد نیز در محدوده سایکروفیل و ترموفیل انجام شدند. نتایج این مطالعات نشان می‌دهد که ثوابت سینتیکی برای گستره ترموفیلیک از بازه سایکروفیلیک و مزوفیلیک بزرگ‌تر بودند که این مطلب با قانون آرنیوس مطابقت دارد.
نوع بیوراکتور (پیوسته و ناپیوسته) و رشد معلق یا ثابت میکروارگانیسم‌ها، تأثیر به‌سزایی بر ثوابت سینتیکی واکنش‌ها دارد. بیوراکتورهای ناپیوسته در عملیات ساده هستند اما شرایط آن‌ها به‌شدت تغییر می‌کند. این شرایط تغییرات زیادی نسبت به یک واحد بزرگ مقیاس در شرایط پیوسته دارند.
برای بیوراکتورهای بستر ثابت، دانسیته بیشتر بیوفیلم منجر به بیوسنتیک بیشتری در واحد حجم بیوراکتور می‌شود. بنابراین بیوراکتورهای بستر ثابت مزیت ویژه‌ای دارند که همان تولید بیشتر و سرعت بالاتر است.
محققین مدل‌های سینتیکی مختلفی را برای هضم بی‌هوازی پیشنهاد داده‌اند. برخی مدل‌ها مانند مونود و میکائیلیس منتن بسیار ساده‌اند و در عین حال پیش‌بینی قابل‌قبولی را درباره هضم بی‌هوازی ارائه می‌کنند. برخی مدل‌های دیگر مانند کنتوس، هاشیموتو، پیچیده‌تر هستند و ملاحظات بیشتری را درنظر می‌گیرند.
انتخاب مدل سینتیکی هضم بی‌هوازی به عوامل متعددی بستگی دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به نوع سوبسترا، نوع بیوراکتور، پی‌هاش و دما اشاره کرد. برای بیوراکتور ناپیوسته معمولاً از سینتیک مرتبه اول استفاده می‌شود و برای بیوراکتور پیوسته، از مدل‌های مونود، میکائیلیس منتن، استور کینکانون و مدل‌گرا و درجه دو استفاده می‌شود.
این مطلب در 4 اکتبر 2018 درمجله Environmental Science and Biotechnology منتشر شده است.
☑ نویسنده: عصمت ملکی
☑ ترجمه و بازنویسی: علی دبستانی
☑ منبع
