biotechnologia


 
 

Biosorpcja

Autor: Magdalena Michalak


Rozwój cywilizacji i urbanizacji sprawia, że każdego roku do gleby i wody uwalniana jest olbrzymia ilość metali ciężkich. W związku z dużą toksycznością stanowią one zagrożenie nie tylko dla zdrowia ludzi i zwierząt, ale również całego środowiska przyrodniczego. Jedną z metod usuwania metali ciężkich ze środowiska jest biosorpcja – proces polegający na eliminacji zanieczyszczeń z wykorzystaniem materiałów biologicznych. Nie wymaga on dużych nakładów finansowych, cechuje się wysoką efektywnością oraz minimalizacją odpadów pochodzenia chemicznego lub biologicznego. Ponadto, w odróżnieniu od metod konwencjonalnych, takich jak filtracja czy adsorpcja na węglu aktywnym, umożliwia regenerację biomasy, a także odzysk metalu.

Rodzaje biosorbentów


Wstępnym etapem w procesie biosorpcji jest pozyskanie spośród tanich i powszechnie dostępnych biomateriałów odpowiednich bisorbentów o dużej zdolności wiązania metali, dodatkowo cechujących się rozwiniętą, reaktywną powierzchnią właściwą. Rolę biosorbentów może pełnić biomasa pochodzenia mikrobiologicznego, roślinnego, zwierzęcego i ich produkty pochodne. Spośród materiałów organicznych najczęściej wykorzystywane są odpady przemysłu drzewnego, rolniczego oraz pozostałości z przemysłu spożywczego. Przykłady wymienionych materiałów sorpcyjnych przedstawiono w Tabeli 1.

Tabela 1. Przykłady materiałów biologicznych stosowanych jako biosorbenty.





W procesie biosorpcji jako złoże sorpcyjne stosuje się zazwyczaj martwą biomasę. Jest to rozwiązanie szczególnie korzystne z uwagi na fakt, że martwe komórki nie potrzebują do wzrostu substancji odżywczych oraz mogą być dłużej wykorzystywane i przechowywane w porównaniu z biomasą żywą. Ponadto, nie są narażone na toksyczne działanie metali ciężkich oraz mogą z łatwością podlegać procesowi desorpcji i być kilkakrotnie stosowane. Co więcej, martwa biomasa może podlegać modyfikacjom fizycznym i chemicznym, które zapewniają większą efektywność usuwania metali. Wady zastosowania materii martwej, takie jak np. słaba wytrzymałość mechaniczna oraz trudności związane z oddzieleniem biomasy od systemu reakcyjnego można wyeliminować poprzez stosowanie odpowiednich systemów immobilizacji.

Mechanizm procesu biosorpcji


Mechanizmy sorpcyjne klasyfikuje się według dwóch kryteriów. Pierwszy z nich uwzględnia miejsce, w którym przebiega biosorpcja i pozwala wyróżnić powierzchniowe, wewnątrzkomórkowe oraz zewnątrzkomórkowe usuwanie metali z roztworu. Rozpatrując natomiast metabolizm komórkowy, proces można podzielić na zależny i niezależny od metabolizmu. Wiązanie jonów metali odbywa się zazwyczaj za pośrednictwem oddziaływań, takich jak precypitacja, kompleksowanie, adsorpcja fizyczna, chelatowanie, a przede wszystkim wymiana jonowa.

Biosorpcja jonów metali przebiega zazwyczaj w sposób pasywny. Proces ten można podzielić na cztery etapy. W pierwszym z nich obserwuje się transport sorbatu z objętości roztworu do warstwy cieczy otaczającej powierzchnię biomasy. Następnie na skutek dyfuzji zewnętrznej następuje przechodzenie jonów metalu z warstwy granicznej do powierzchni biomasy, a w kolejnym etapie do wewnętrznych miejsc wiążących. Prowadzi to do reakcji sorbatu z miejscem aktywnym. W przypadku zastosowania w biosorpcji żywej biomasy, proces przebiega w dwóch fazach i określany jest mianem bioakumulacji. Początkowo jest to zjawisko dynamiczne oraz niezależne od metabolizmu komórkowego. W kolejnym etapie, w wyniku aktywnej biosorpcji, jony metalu przechodzą przez membranę komórkową i wnikają do wnętrza komórki.

Przebieg usuwania jonów metali w znacznym stopniu zależy od budowy ściany komórkowej stosowanych biosorbentów. Do jej głównych elementów zalicza się polisacharydy, białka oraz lipidy. W związku z tym, na jej powierzchni może znajdować się szereg grup funkcyjnych (karboksylowa, hydroksylowa, aminowa, estrowa, sulfonowa, karbonylowa, itd.), które wchodzą w interakcje z jonami metali. Podczas procesu biosoprcji protony i/lub kationy metali lekkich jak potas, sód, wapń czy magnez, będące w naturalny sposób związane z grupami funkcyjnymi występującymi na powierzchni biomasy, są wypierane przez jony metali obecne w roztworze wodnym. Przykładowo, wymianę dwuwartościowych kationów metalu z jonem sodowym połączonym z resztą fosforanową przestawia Rys. 1.




Rys.1. Schemat reakcji wymiany jonowej.

Czynniki wpływające na przebieg procesu biosorpcji


Zdolność usuwania jonów metali przez biomasę jest uzależniona od wielu czynników. Najważniejszymi parametrami mającymi wpływ na przebieg tego procesu są: pH, temperatura, siła jonowa, stężenie sorbentu i sorbatu oraz występowanie związków powierzchniowo czynnych. Sterowanie tymi czynnikami zapewnia pracę w najkorzystniejszych warunkach, jednocześnie czyniąc proces biosorpcji najbardziej wydajnym.

Na podstawie badań potwierdzających dominację wymiany jonowej nad innymi oddziaływaniami uczestniczącymi w procesie biosorpcji, można wnioskować, że kluczowe znaczenie w efektywnym usuwaniu zanieczyszczeń ma pH. Udział wartości pH tłumaczy się w oparciu o ładunek powierzchniowy danego biosorbenu, który warunkuje obecność odmiennego punku izoelektrycznego na powierzchni komórki. W sytuacji gdy pH jest niższe od punktu izoelektrycznego, powierzchnia biomasy jest naładowana dodatnio, zaś powyżej tej wartości ujemnie, co prowadzi do przyciągania kationów sorbatu. Występowanie dodatniego ładunku można tłumaczyć m.in. nadmiernym protonowaniem powierzchni komórki oraz obecnością zasadowych grup funkcyjnych. Efektem jest powstanie bariery złożonej z dodatniego ładunku, która utrudnia kationom dostęp do powierzchni sorbentu. Przy wyższym pH powierzchnia biomasy na skutek spadku protonowania grup funkcyjnych zyskuje zwiększony ładunek ujemny. Powoduje to nasilenie sił elektrostatycznych uczestniczących w procesie usuwania jonów metali. Uważa się także, że zwiększony odczyn prowadzi do występowania większej liczby grup funkcyjnych, które zdolne są do biosorpcji. Obserwuje się również zmniejszenie konkurencji pomiędzy protonami, a jonami metali, co jest konsekwencją spadku liczby jonów wodorowych występujących w roztworze. Zatem gdy pH jest niskie, w związku z konkurencją o miejsca wiążące kationów oraz produktów kwaśnej hydrolizy, znacznemu obniżeniu ulegają zdolności sorpcyjne biomasy. Proponuje się dwie reakcje wyjaśniające omówione zjawisko:

Me2+ + nH2O = Me(OH)n2-n +nH+

nH+ + nH2O = nH3O+

Prócz ładunku powierzchniowego, odczyn roztworu wpływa na stężenie i jakość form jonowych w roztworze. Środowisko silnie kwaśne warunkuje występowanie metali zazwyczaj w postaci kationowej, zaś podczas wzrostu pH obserwuje się tworzenie jonów kompleksowych oraz strącanie się jonów metali w formie wodorotlenków, prowadząc do spadku biosorpcji.

Duży wpływ na wydajność procesu usuwania metali z roztworów ma dawka biosorbentu. Wzrost stężenia biomasy wiąże się zazwyczaj ze zwiększoną ilością zaadsorbowanego metalu, co wynika ze zwiększonej powierzchni sorpcyjnej zapewniającej większą liczbę miejsc wiążących. Niekiedy zdarza się jednak, że ilość związanego metalu na jednostkę masy biosorbentu ulega obniżeniu wraz ze wzrostem jego dawki. Uważa się, że jest to spowodowane dostępnością roztworu metalu, która może okazać się niewystarczająca do całkowitego pokrycia miejsc wiążących występujących na powierzchni biomasy, w efekcie powodując niewielki wychwyt jonów sorbatu.

Temperatura w zakresie od 20 do 35°C wydaje się mieć niewielkie znaczenie na efektywność biosorpcji. Ze względu na endotermiczną naturę większości procesów adsorpcji, zwiększenie temperatury powyżej 35°C prowadzi do wzrostu pojemności sorpcyjnej biomasy. Tłumaczy się to wzrostem aktywności powierzchniowej oraz energii kinetycznej substancji rozpuszczonej. Zdarza się jednak, że zbyt wysoka temperatura może prowadzić do uszkodzenia ściany komórkowej stosowanej biomasy. Mając to na uwadze przyjmuje się, że najbardziej korzystna do prowadzenia procesu usuwania jonów metali jest temperatura pokojowa.

Innym istotnym czynnikiem wpływającym na efektywność biosorpcji jest stężenie sorbatu. Początkowe stężenie metalu w roztworze stanowi ważną siłę napędową pozwalającą przezwyciężyć opór występujący pomiędzy fazą wodną a stałą. Zatem ilość związanego sorbatu na jednostkę masy biosorbentu ulegnie zwiększeniu w sytuacji, gdy nastąpi wzrost początkowego stężenia metalu.

Zwiększenie skuteczności biosorpcji obserwuje się również w wyniku zmiany powinowactwa metalu do bisorbentu, które można modulować stosując wstępną obróbkę fizyczną lub chemiczną biomasy. Wpływa to na jej ładunek powierzchniowy i przepuszczalność, ułatwiając w ten sposób wiązanie metali przez grupy funkcyjne.

Kinetyka i izoterma procesu biosorpcji


Aby określić przydatność materiału biologicznego jako biosorbentu przeprowadza się eksperymenty, które mają za zadanie wyznaczenie jego pojemności sorpcyjnej. Polegają one na kontakcie biosorbentu z roztworem jonów (metoda batch) o znanym stężeniu początkowym. Kinetykę procesu śledzi się do momentu, w którym nie obserwuje się zmiany stężenia kationów w roztworze, co odpowiada uzyskaniu stanu równowagi w układzie sorpcyjny (Rys. 2).




Rys. 2. Schematyczny opis równowagi procesu biosorpcji w statycznych warunkach kontaktu: faza stała – roztwór (metoda batch).

Pojemność sorpcyjną (qe) określającą masę jonów metalu, które uległy zaadsorbowaniu w suchej masie biosorbentu wobec aktualnego stężenia w roztworze wodnym, przedstawia wzór (1), w którym Ci i C to stężenia początkowe i równowagowe metalu w roztworze; V to objętość roztworu, która ulega kontaktowi z sorbentem; S oznacza ilość biosorbentu, wyrażaną jako sucha masa.

(1)


W celu opisania szybkości procesu biosorpcji i parametrów, które ją limitują wykorzystuje się zazwyczaj dwa modele kinetyczne bazujące na pojemności sorpcyjnej biomasy. Ich równania zestawiono w Tabeli 2.

Tabela 2. Wybrane modele kinetyczne opisujące proces biosorpcji.





W momencie ustalenia się stanu równowagi dynamicznej następuje rozdział jonów metalu pomiędzy biosorbentem i roztworem. Najczęściej opisuje się go za pomocą izoterm adsorpcji przedstawiających zależność między ilością substancji zaadsorbowanej w postaci jonów przez jednostkę masy sorbentu, a stężeniem równowagowym w stałej temperaturze. Literatura przedmiotowa opisuje zazwyczaj dane eksperymentalne uwzględniające dwie izotermy adsorpcji: Freundlicha i Langmuira.

Powszechnie stosownym modelem opisu równowagi sorpcyjnej jest opracowana przez Langmuira teoria adsorpcji jednowarstwowej. Zakłada ona, że w zależności od wielkości powierzchni biomasy, na powierzchni sorbentu występuje określona liczba miejsc aktywnych zdolnych do wiązania adsorbatu. Ponadto, nie obserwuje się wzajemnych oddziaływań pomiędzy zaadsorbowanymi cząsteczkami, zaś powstała warstwa adsorpcyjna prowadzi do zmniejszenia sił adsorpcyjnych i tworzy się warstwa jednocząsteczkowa. W efekcie, maksymalne stężenie warstwy powierzchniowej jest równe ilości miejsc aktywnych występujących na powierzchni adsorbentu.

Z uwagi na to, że duża ilość ścieków przemysłowych cechuje się występowaniem wielu zanieczyszczeń, które wiążą się na powierzchni biosorbentu, pomocne w planowaniu procesu biosorpcji jest wykorzystanie modeli wieloskładnikowych. Najpowszechniej stosowana jest izoterma BET (Brunauer–Emmett–Teller), która wykorzystuje prosty model jednoskładnikowy przy założeniu, że równanie Langmuira dotyczy każdej z warstw.


Literatura:
1. Abbas S.H., Ismail I.M., Mostafa T.M., Sulaymon A.H.: Biosorption of Heavy Metals: a review. J. Chem. Science Technol. 3, 74-102 (2014)
2. Ahemad M., Kibret M.: Recent trends in microbial biosorption of heavy metals: a review. Biochem. Molecul. Biol. 1, 19-26 (2013)
3. Ansari M.I., Masood F., Malik A.: Bacterial biosorption: a technique for remediation of heavy metals (w) Microbes and Microbial Technology: Agricultural and Environmental Applications, red. Ahmad I., Ahmad F., Pichtel J. Springer Science+Business Media, LLC, New York, 2010, s. 283-319
4. Chojnacka K.: Biosorption and bioaccumulation--the prospects for practical applications. Environ. Int. 36, 299-307 (2010)
5. Fomina M., Gadd G.M.: Biosorption: current perspectives on concept, definition and application. Bioresour. Technol. 160, 3-14 (2014)
6. Green-Ruiz, C., Rodriguez-Tirado V., Gomez-Gil B.: Cadmium and zinc removal from aqueous solutions by Bacillus jeotgali: pH, salinity and temperature effects. Bioresour. Technol. 99, 3864–3870 (2008)
7. Liu Y., Liu Y.J.: Biosorption isotherms, kinetics and thermodynamics. Sep. Purif. Technol. 61, 229–242 (2008)
8. Michalak I., Chojnacka K., Witek-Krowiak A.: State of the art for the biosorption process—a review. Appl. Biochem. Biotechnol.170, 1389-1416 (2013)
9. Vijayaraghavan K., Yun Y.S.: Bacterial biosorbents and biosorption. Biotechnol. Adv. 26, 266–291 (2008)
10. Wang J., Chen C.: Biosorbents for heavy metals removal and their future. Biotechnol. Adv. 27, 195-226 (2009)

Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

80 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u