بخشی از مقاله
چکیده
حذف آنزیمی اکسیژن محلول در آب توسط سیستم گلوکز-گلوکز اکسیداز تثبیت بر نانو ذرات مغناطیسی Fe3O4 مورد بررسی قرار گرفت. نانو ذرات مغناطیسی اکسید آهن مطابق با روش شیمیایی پیشرفته همراه با ترسیب تهیه گردید و آنالیزهاي FT-IR و XRD تشکیل این ماده را تایید کرد. با استفاده از آنالیز پراش اشعه ایکس و معادله شرر اندازه ذرات مغناطیسی اکسید آهن 17 نانومتر محاسبه شد.
درصد تثبیت گلوکز اکسیداز %84 و با فعالیت ویژه 750 U/g حاصل شد. بنابراین روش پژوهشی حاضر یک راهکار مناسب براي حذف اکسیژن محلول از آب است به طوري که حذف اکسیژن محلول از آب به حجم 150 میلی لیتر در دماي 35 درجه سانتی گراد و با سرعت شیکر 200 r/min در حضور گلوکز به غلظت دو برابر مقدار استوکیومتري و 0/15 گرم گلوکز اکسیداز تثبیت شده در مدت زمان تقریبا 4 دقیقه به طور کامل انجام شد.
مقدمه
خوردگی یک فرایند خودبخودي است که به صورت از بین رفتن فلز یا ناکار آمد شدن آن به علت واکنش با محیط تعریف میشود 1]و.[2 از آنجا که خوردگی پدیدهاي تخریبی است، هزینه هایی در پی دارد. در آمریکا هزینه سالانه خوردگی پیرامون 277 میلیارد دلار در سال 1998 برآورد شده بود. با توجه به محدودیت منابع فلزي و عدم برگشتپذیري پدیده خوردگی جلوگیري از خورگی یک اصل ضروري میباشد. عوامل متعددي در خوردگی موثر است یکی از این عوامل اکسیژن محلول در آب است. اکسیژن موجود در آب مصرفی دیگهاي بخار در حد فاصل فاز مایع و فاز بخار باعث ایجاد حفرههاي موضعی می گردد که انفجار حفرهها یکی از عوامل آسیبدیدگی لولههاي جوشاور میباشد .[3] همچنین سبب انتقال ضعیف حرارت شده و بازده جوشاور را کاهش میدهد
براي کاهش اکسیژن محلول در آب از روشهاي مختلفی استفاده میشود که به دو دسته عمده فیزیکی و شیمیایی تقسیم می شوند.[5-7] حذف با روشهاي فیزیکی هیچگاه کامل نیست و یک روش شیمیایی مکمل نیاز می باشد 5]و.[6 در فرایندهاي شیمیایی، اکسیژن محلول را از طریق واکنش با یک مادهي شیمیایی از سیستم خارج میکنند. یکی از مهمترین مواد شیمیایی مورد استفاده در این زمینه هیدرازین است که در فرایند حذف اکسیژن بازدهی مناسبی دارد اما سمی، سرطانزا و تا حدي قابل انفجار و از این لحاظ کار با آن دشوار است .
همچنین باقیمانده هیدرازین در فشارهاي بالا تجزیه شده، آمونیاك و نیتروژن تولید میکند که آمونیاك تولید شده در حضور اکسیژن باعث خوردگی اتصالات مسی میشود 6]و.[7 سدیم سولفیت مادهاي است که براي اکسیژنزدایی از آب تغذیه جوشاورها با فشار کمتر از 70 اتمسفر مناسب میباشد .[8] در فشارهاي بالاتر از آن نمیتوان از سدیم سولفیت استفاده کرد چون باعث افزایش کل مواد محلول میشود که براي دیگهاي بخار پدیدهي مضري است و همچنین در فشارهاي بالا سدیم سولفیت به گازهاي خورنده مانند SO2 و H2S تجزیه میشود
هدف از پژوهش حاضر ارائه روش براي حذف اکسیژن محلول از آب است که علاوه بر ایمنی کامل، بازده آن نیز با روشهاي موجود قابل رقابت باشد. براي این منظور از روش زیستی کمک گرفته شده است که در آن یک ماده زیستی بیخطر در اثر اکسایش در آب اکسیژن محلول را مصرف و حذف مینماید. براي افزایش سرعت واکنش از آنزیم استفاده شده است. در این پژوهش سیستم گلوکز-گلوکز اکسیداز براي اکسیژنزدایی انتخاب شدند. تثبیت آنزیم گلوکز اکسیداز براي ایجاد قابلیت استفاده مکرر و پیوسته انجام گرفت. نانو ذرات مغناطیسی Fe3O4 به عنوان پایه تثبیت مورد استفاده قرار گرفت. این پایه نسبت به کارهاي قبلی [9]، داراي این حسن میباشد که به راحتی قابل جداسازي از سیستم اکسیژنزدایی میباشد.
بخش تجربی
مواد
آنزیم گلوکزاکسیداز - EC1.1.3.4 - ، گلوکز، استات سدیم، استیک اسید، FeCl2.4H2O، FeCl3.6H2O، NH3.H2O، تهیه شده از شرکت مرك و کپسول نیتروژن خالص.
روشها سنجش فعالیت آنزیم گلوکز اکسیداز
اندازهگیري فعالیت آنزیم گلوکزاکسیداز بر اساس اکسیداسیون گلوکز در حضور اکسیژن و تبدیل آن به گلوکونیک اسید و آب اکسیژنه است. آب اکسیژنه براي اکسایش یک مادهي رنگزا - ABTS - در واکنش ثانویه با آنزیم کاتالاز مورد استفاده قرار می گیرد. ABTS یک اکسید آبی متمایل به سبز تشکیل میدهد که توسط اسپکتروفتومتر در طول موج 240 nm قابل اندازه گیري است .[10] طبق تعریف، یک واحد فعالیت - 1U - مقدار آنزیمی است که در مدت یک دقیقه یک میکرومول سوبسترا را در دماي 25 درجه سانتیگراد تبدیل میکند.
سنتز نانو ذرات مغناطیسی Fe3O4
نانو ذرات Fe3O4 به روش شیمیایی پیشرفته همرا با ترسیب سنتز شد. 3/1736 گرم FeCl2.4H2O و 7/5684 گرم FeCl3.6H2O در آب بدون یون وارد شد به طوري که نسبت آهن دو به آهن سه 1/75 بود. سپس مخاوط حاصل به مدت یک ساعت تحت گاز نیتروژن در دماي 80 درجه سانتی گراد به مدت یک ساعت همزده شد. سپس 40 میلی لیتر NH3.H2O خیلی سریع به مخلوط تزریق شد و دوباره به مدت یک ساعت تحت گاز نیتروژن در همان دما همزده شد و در مرحله بعد تا دماي محیط سرد گردید ذرات حاصل 5 مرتبه با آب داغ شسته شد و به وسیله یک آهن ربا از مخلوط جدا گردید و درنهایت در دماي 70 درجه سانتی گراد تحت خلا خشک شد .[11]
تثبیت گلوکز اکسیداز
1 گرم اکسید آهن سنتز شده در 15 میلیلیتر محلول گلوکز اکسیداز - 800 U/ml - به مدت یک ساعت در دماي 20 درجه سانتی گراد در شیکر انکوباتور همزده شد تا جذب سطحی گلوکزاکسیداز در نانو ذرات Fe3O4 صورت گیرد. ذرات حاصل با کمک أهن ربا و دکانته کردن از محلول جدا شد و با آب مقطر شستشو داده شد تا آنزیمهاي آزاد از پایه خارج شوند .
حذف اکسیژن محلول در آب
آزمایشهاي اکسیژنزدایی از آب در یک ظرف شیشهاي به حجم 150 میلیلیتر در حضور گلوکز به غلظت دو برابر استوکیومتري و گلوکز اکسیداز تثبیت شده U/L - - 700 انجام گرفت. اکسیژنزدایی در بیوراکتوري که کاملا چفت شده و در داخل شیکر انکوباتور در دماي 35 درجه سانتی گراد و با سرعت 200 r/min قرار داشت انجام گرفت. براي اندازهگیري غلظت اکسیژن محلول از سنسور اکسیژن DO - متر - Win Lab. استفاده شد.
شکل ١- حذف اکسیژن محلول توسط - گلوکز
نتایج و بحث اکسیداز تثبیت شده بر Fe3O4
بازده تثبیت آنزیم گلوکز اکسیداز بر نانو ذرات Fe3O4
با توجه به این که به ازاي 1 گرم پایه 1200 U آنزیم گلوکزاکسیداز براي تثبیت مورد استفاده قرار گرفت و فعالیت آنزیم در محلول رویی بعد از تثبیت برابر 300U به دست آمد راندمان تثبیت را میتوان از طریق معادله - 1 - محاسبه کرد.
R راندمان تثبیت، W و Ui و Uf به ترتیب فعالیت کل محلول اولیهي آنزیمی مورد استفاده و مقدار کاهش فعالیت در محلول رویی - مقدار تثبیت شده - بعد از عمل تثبیت میباشد. طبق محاسبات انجام شده راندمان تثبیت %75 بود. با توجه به دادههاي فوق مقدار کاهش فعالیت آنزیم در اثر تثبیت تنها %12/5 ملاحظه گردید. عدم تخریب آنزیم به هنگام اتصال به پایه و امکان نگهداري بالاي فعالیت آنزیم تثبیت شده به دلیل عدم وجود هرگونه پیوند کوالانسی قوي که تحرك آنزیم تثبیت شده را محدود میسازد، در کنار سادگی روش از مزایاي اصلی تثبیت آنزیم بر اساس جذب سطحی است.
اکسیژنزدایی
حذف اکسیژن محلول در آب طبق واکنشهاي زیر انجام میشود.
چون نانو ذرات سنتز شده ترکیبی از FeO و Fe2O3 میباشد مطابق واکنش زیر هیدروژن پراکسید تولید شده در واکنش اکسایش گلوکز را حذف میکند . [12] اکسیژن تولید شده در این مرحله سریعأ به واکنش - 2 - برگشته و حذف میشود.
گرچه در حضور مقادیر بالاي گلوکز حذف اکسیژن سریعتر انجام میشود اما جهت بهینهسازي اقتصادي حذف اکسیژن در مقدار دو برابر غلظت استوکیومتري گلوکز 151/56 - گرم بر متر مکعبو 700 U/L گلوکز اکسیداز تثبیت شده انجام گرفت
