ارزیابی فنی, اقتصادی و زیست محیطی كاربرد بیوپلیمر كیتوزان تولیدی از پوست میگو به عنوان كمك منعقد كننده

در این تحقیق ابتدا یك پایلوت نیمه مداوم جهت تولید بیوپلیمر كیتوزان از پوست میگو, طراحی و ساخته شد به منظور ارزیابی فنی كاربرد بیوپلیمر كیتوزان تولید شده به عنوان كمك منعقد كننده, ابتدا در مقیاس آزمایشگاهی با استفاده از دستگاه جارتست عملكرد كیتوزان تولیدی با كیتوزان تجاری و پلی الكترولیت مصنوعی مقایسه شد

در این تحقیق ابتدا یك پایلوت نیمه مداوم جهت تولید بیوپلیمر كیتوزان از پوست میگو، طراحی و ساخته شد. به منظور ارزیابی فنی كاربرد بیوپلیمر كیتوزان تولید شده به عنوان كمك منعقد كننده، ابتدا در مقیاس آزمایشگاهی با استفاده از دستگاه جارتست عملكرد كیتوزان تولیدی با كیتوزان تجاری و پلی‌الكترولیت مصنوعی مقایسه شد. پس ازاطمینان از مشابه بودن عملكرد این كیتوزان با كیتوزان تجاری و پلی‌الكترولیت مصنوعی، عملكرد كیتوزان تولیدی دركلاریفایر نیروگاه قم مورد ارزیابی قرار گرفت كه در این مورد نیز عملكرد مناسبی از خود نشان داد. محاسبات و بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد كه استفاده از كیتوزان تولید داخل به عنوان كمك‌ منعقد‌كننده، بسیار مقرون به صرفه است. همچنین تحقیقات انجام شده حاكی است كه استفاده از بیوپلیمر كیتوزان به عنوان كمك منعقد كننده نه تنها مشكل زیست‌محیطی نداشته بلكه از ایجاد بسیاری مشكلات زیست‌محیطی جلوگیری می‌كند.

سخت‌پوستان دریایی نظیر خرچنگ، میگو، لابستر و برخی بندپایان دیگر دارای مواد معدنی، آلی و كیتین هستند.كیتین ماده اولیه تولید بیوپلیمر كیتوزان است. كیتین و كیتوزان در برخی كشورها بصورت تجاری تهیه می‌شوند. خصوصیات شیمیایی و بیولوژیكی بیوپلیمر كیتوزان موجب استفاده گسترده آن در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، پزشكی،‌ داروسازی، كشاورزی و غذایی شده است. بیشترین میزان مصرف كیتوزان در سیستم‌های تصفیه آب و پساب به عنوان منعقد‌كننده و كمك منعقد‌كننده است. در سیستم‌های تصفیه آب، كیتوزان به عنوان كمك‌منعقد‌كننده به همراه منعقد‌كننده‌های متداول آلوم و كلرورفریك استفاده می‌شود. این بیوپلیمر توانایی بالاتری در لخته‌سازی ذرات كلوئیدی نسبت به پلی‌الكترولیت‌های مصنوعی دارد. كیتوزان برای تصفیه آب‌های آلوده به مواد نفتی، سمی، رادیواكتیو و تركیبات آلی نظیر پلی‌كلروبی‌فنیل بكار می‌رود. این بیوپلیمر همچنین در تصفیه پساب‌های حاوی حشره‌كش‌های د.د.ت، متیل استات جیوه، استالدئید، آرسنیك و تركیبات كلردار بنزین استفاده می‌شود.

●فرآیندهای تولید كیتوزان از پوست میگو

برای تولید كیتوزان از پوست میگو، ابتدا باید پوست میگو را شست‌وشو و خشك كرده، سپس آن را بوسیله آسیاب‌ به دانه‌های ۲ الی ۶ میلی‌متری ریز كرد. استخراج كیتین از دانه‌های فوق شامل دو مرحله است. در مرحله اول مواد معدنی نظیر كربنات و فسفات كلسیم با استفاده از محلول اسید كلریدریك و در مرحله دوم مواد آلی (پروتئین، چربی و رنگدانه‌ها) با استفاده از محلول هیدروكسید سدیم، از دانه‌ها جدا می‌شوند. سپس عملیات شست‌وشو و خشك كردن كیتین انجام شده و در انتها با دی‌استیله كردن كیتین حاصل،كیتوزان تولید می‌شود.

لازم به ذكر است در این تحقیق یك پایلوت نیمه مداوم جهت تولید بیوپلیمر كیتوزان، در بحش طرح‌ریزی فرآیندهای صنعتی شركت متن، طراحی و ساخته شد.

●ارزیابی فنی كاربرد كیتوزان تولیدی به عنوان كمك‌ منعقد‌كننده

۱- ارزیابی فنی كاربرد كیتوزان تولیدی در مقایسه با كیتوزان تجاری، با استفاده از دستگاه جارتست

ابتدا ۶ نمونه آب با كدورت NTU۳۰ و هر یك به حجم نیم‌لیتر را در ۶ بشر ریخته، سپس آنها را در زیر همزن‌های جارتست قرارداده و به مقدار مورد نظر آلوم به آنها اضافه شد. همزدن نمونه‌ها شامل دو مرحله اختلاط سریع، هدف توزیع همگن منعقد‌كننده است لذازمان این مرحله كوتاه و دور همزن بالا (rpm۱۴۰-۱۰۰) است اما در مرحله لخته‌سازی نیاز به اختلاط نمونه با سرعت كم (rpm ۴۰-۳۰) است تا امكان برخورد ذرات بدون بار با یكدیگر و ایجاد فلوك مهیا شود. اگر زمان لخته‌سازی بیش از حد باشد فلوك‌های تشكیل شده مجدداً شكسته شده و باعث بالا رفتن كدورت خواهند شد. زمان لخته‌سازی، ۱۰ الی ۴۰ دقیقه پیشنهاد شده است كه برحسب شرایط و نمونه تعیین می‌شود. بنابراین پس از تزریق آلوم، اختلاط نمونه‌ها با سرعت rpm۱۲۰ و به مدت یك دقیقه انجام شد، سپس سرعت همزن را به rpm۴۰ كاهش داده و عمل لخته‌سازی به مدت ۱۰ الی ۲۵ دقیقه صورت گرفت. بعد از این مرحله‌ نمونه‌ها از زیر همزن بیرون آورده شده و به صورت ساكن قرار داده شدند. پس از ته‌نشین فلوك‌ها، با نمونه‌گیری از آب كدر، كدورت باقی‌مانده به وسیله دستگاه كدورت‌سنج اندازه‌گیری شد.

لازم به ذكر است كه به منظور ارزیابی عملكرد كیتوزان تولیدی در مقایسه با كیتوزان تجاری، افزایش مقادیر مختلفی از آلوم قبل از اختلاط سریع و كیتوزان تولیدی و تجاری قبل از اختلاط كند به نمونه‌های فوق در نظر گرفته شد.نتایج به دست آمد از آزمایشات دستگاه جارتست در زمینه كاهش كدورت آب كدر نشان داد كه كیتوزان تولیدی عملكردی مشابه با كیتوزان تجاری داشته و می‌توان امیدوار بود كه با انجام اصلاحاتی در نحوه تولید كیتوزان، محصولی تولید كرد تا به راحتی به عنوان كمك منعقد‌كننده مورد استفاده قرار گرفته و بتدریج جایگزین پلی‌الكترولیت‌های مصنوعی شود.

۲- ارزیابی فنی كاربرد كیتوزان تولیدی در مقایسه با پلی‌الكترولیت‌ مصنوعی، با استفاده از دستگاه جارتست

جهت ارزیابی فنی كاربرد كیتوزان تولیدی در مقایسه با پلی‌الكترولیت مصنوعی، آزمایشاتی توسط دستگاه جارتست بر روی نمونه‌های آب خام نیروگاه قم انجام شد.

ابتدا پارامترهای شیمیایی مورد نیاز آب خام نیروگاه قم اندازه‌گیری شده، سپس ۴ نمونه آب قم هر یك به حجم یك لیتر، در ۴ بشر ریخته شدند. در ادامه به هر یك از بشرها مقدار ppm۳۰ كلرور فریك تزریق كرده و دستگاه با دور همزن rpm۲۰۰ تنظیم شد. سپس كربنات سدیم و آهك هر یك به ترتیب به میزان ۷۵۰ و ۳۲۰ میلی‌گرم به محلول اضافه شدند. بعد از گذشت ۲ الی ۳ دقیقه، به بشرهای ۱ الی ۴ به ترتیب ppm۱ بیوپلیمر كیتوزان، ppm۱ پلی الكترولیت مصنوعی، ppm۲ بیوپلیمر كیتوزان و ppm۲ پلی‌الكترولیت مصنوعی افزوده شده ودستگاه با دور همزن rppm۴۰-۳۰ تنظیم شد. عمل اختلاط به مدت ۲۰ دقیقه ادامه یافت تا عمل لخته‌سازی تكمیل و ته‌نشینی صورت گیرد.نتایج آزمایشات نشان می‌دهد كه هر دو پلی‌الكترولیت از نظر حذف سختی كل و سایر پارامترها دارای عملكرد تقریباً یكسانی هستند.

۳- ارزیابی فنی كاربرد كیتوزان تولیدی در مقایسه با پلی‌الكترولیت‌ مصنوعی، با استفاده از كلاریفایر نیروگاه قم

تصفیه خانه نیروگاه قم شامل قسمت‌های پیش تصفیه و تصفیه نهایی است. در قسمت پیش تصفیه، آب خام ورودی با سختی كل ppm۱۰۰۰ و هدایت الكتریكی ۹۵۶;S/cm ۵۵۰۰ وارد كلاریفایر به حجم ۲۵۰ متر مكعب می شود. سختی این آب بیشتر از نوع غیركربناتی است لذا در فرآیند تصفیه باید از چهار نوع مواد شیمیایی شامل كربناب سدیم، آهك، كلرورفریك و پلی‌الكترولیت استفاده شود. بدین منظور ابتدا كلرورفریك به مقدار ppm۳۰ در مسیر آب خام ورودی به كلاریفایر در جایی كه اختلاط به شدت سریع است، تزریق می‌شود. بعد از این مرحله، آب خام وارد منطقه واكنش كلاریفایر می‌شود. در ابتدای ورود به این منطقه، آهك به مقدار ppm۳۲۰ تزریق شده و با توجه به اینكه كلاریفایر از نوع لجن برگشتی است از زیر منطقه واكنش، محلول لجن نیز وارد شده و توسط بهمزن كلاریفایر، اختلاط سریع صورت می‌گیرد. در فاصله كمی در این منطقه محلول كربنات سدیم به مقدار ppm۷۵۰ وارد واكنش شده تا عمل سختی‌گیری كامل شود. PH مناسب برای محیط حدود ۵/۱۰-۵/۸ است. پس از اینكه واكنش‌ها تكمیل شدند، محلول پلی‌الكترولیت PPM۱، به آب اضافه شده و از منطقه واكنش خارج و وارد منطقه لخته‌سازی می‌شود. در این منطقه‌ لخته‌های بزرگ تشكیل و سپس ته‌‌نشین می‌شوند. آب تصفیه شده پس از خروج از این منطقه به سمت بالا حركت كرده و از بالا خارج وپس از عبور از فیلترهای ثقلی در دو مخزن مخصوص ذخیره می شود. این آب در دو قسمت سرویس و تولید آب مقطر مصرف می شود.

مهندس پریدخت صدیق‌ ابراهیم‌نیا- مهندس میرفرید عطارچی