Біосорбція органічних речовин

В загальному випадку біосорбція органіки здійснюється на активному пористому сорбенті з імобілізованою мікрофлорою на поверхні. На відміну від раніше розглянутих біофільтрів, процес біосорбції складається з двох процесів:

1. адсорбція розчиненої органіки пористим сорбентом;

2. біодеструкція адсорбованої речовини мікроорганізмами.

В історичному аспекті було запропоновано дві гіпотези механічної біосорбції.

1. Екзоензиматична теорія (автор – Родмен) – бактерії завеликі для проникнення в пори сорбенту і біодеструкція в порах відбувається за допомогою позаклітинних ферментів, де взаємодіє з адсорбованим субстратом. Екзоферменти зумовлюють гідролітичний розпад органічного субстрату. Продукти розпаду слабші адсорбованого і стають доступними для клітинної деструкції.

2. Ендрюс і Чі Тін розглядали процес біосорбції з точки зору можливої часткової регенерації сорбенту, внаслідок розвитку біологічних процесів на поверхні з поєднанням процесу адсорбції, десорбції і дифузії в порах. При досягненні практичної швидкості біоокиснення в рідині, що оточує зерна сорбенту виникає оборотний градієнт концентрації. Речовина десорбує біоплівку і стає доступною для мікробної деструкції.

З часом підходи до розглядання біосорбції на пористому сорбенті засновані на положені термодинаміки і кінетики процесів.

Роль сорбента не тільки як носія, але й кооперативного члена процесу біосорбції.

Послідовність комбінацій при біосорбції наступна:

1. Первинна фізична адсорбція молекул в пористій структурі адсорбенту.

2. Визначають частину адсорбованих молекул під час дифузії через біоплівку переживаючи модифікацію. Вони стають більш слабкими конкурентами, з меншою енергією адсорбції, порівняно з повноцінними молекулами.

3. Модифікований субстрат в більшій степені витискається із сорбенту через виникнення невеликого оборотного градієнту концентрацій

4. Десорбовані молекули субстрату дифундують через біоплівку в воду зазнають часткову або повну деструкцію

Далі нова порція молекул адсорбтиву маючи можливість зайняти звільнені місця, пройшовши через біоплівку. Частина з них зазнають модифікації. Таким чином, при протіканні біопроцесів всередині сорбенту частина молекул субстрату частково або повністю мінералізується і число адсорбованих молекул за одиницю часу більше, ніж де сорбованих. У відповідності з цим підходом рушійною силою процесу є:

- концентрація градієнту;

- різниця зміни вільної енергії Гіббса між повноцінними і модифікованими молекулами.

В загальному випадку величина вільної енергії адсорбції -G_адс є характеристикою ефективності процесу біосорбції органічних речовин. Чим більше значення має -G_адс, тим менша ефективність біосорбції. Це зумовлюється тим, що -G_адс характеризує сумарну енергію, яка необхідна для переведення адсорбованої молекули із її середнього вібраційного стану на поверхню сорбенту в рідку об’ємну фазу.

Як критерій вкладу біодеструктивних процесів в загальний ефект вилучення органічних речовин запропонований метод порівняння величин рівноважної і динамічної адсорбції. Динамічна ємність завжди менша рівноважної. в процесі біосорбції динамічна ємність перевищує рівноважну внаслідок протікання біодеструктивних процесів в масі сорбенту. (див. Додаток 3)

Роль завантаження

Доведено переваги застосування в якості завантаження – активного вугілля. Крім кооперативного ефекту в процесах біосорбції можливе виявлення каталітичної дії активного вугілля в процесах біоокиснення. Важливу роль відіграє вибірковість: пориста структура і поверхневі властивості активного вугілля. Ефективність біосорбції на активному вугіллі залежить від технологічних фізико-хімічних факторів, що впливають на вибірковість адсорбції.

Важливою перевагою активного вугілля є те, що переробляється не тільки першочергово адсорбовані речовини, але у всіх шарах засвоюється весь спектр утворених продуктів деструкції.

В загальному випадку вибір сорбенту носія повинен визначатися у відповідності з гідрофільно-гідрофобними властивостями і клітинними стінками бактерій.

Оптимальними адсорбуючими властивостями по відношенню до Bacillus володіють вуглемінеральні сорбенти, а також активне вугілля з розвиненою макро- і мезопористостю і наявністю механічної міцності.