–272

حجم توده m Vagg
حجم مولار اکسیژن در نقطه جوش نرمال m/mol 25.6
کسر مولی اجزاء X
مختصه مکانی در دستگاه مختصات m Z
علائم یونانی نسبت شار مولی 
ضریب انتقال بار آند و کاتد c,a
ضخامت m 
تخلخل 
مدول تایلی 
افت ولتاژ v 
محتویات آب غشاء 
ویسکوزیته آب cP 
زاویه فاز هر جزء 
چگالی kg/m 
قابلیت هدایت الکترونی S/m 
پارامتر وابستگی 
ضریب استکیومتری 
زیرنویس‌ها و بالانویس‌ها مؤثر eff
تبادلی 0
بی‌بعد *
میانگین ¯
فعال‌سازی act
توده agg
کربن C
لایه کاتالیست CL
آیونومر i
آیونومر درون توده i,agg
محدود کننده L
جریان داخلی n
اکسیژن در سطح خارجی توده Ol
اکسیژن نفوذی در غشاء Oاکسیژن در سطح داخلی توده Osاکسیژن نفوذی در آب Ow
ذرات پلاتین – کربن Pt/C
واکنش‌دهنده R
مرجع ref
جامد s
اشباع sat
آب آند w,a
آب کاتد w,c
فصل اولمقدمه
23837903448685020000
مقدمهامروزه به دلیل بحران آلودگی‌هایزیستمحیطیناشی از مصرف سوخت‌هایفسیلیروش‌های پاک تولیدانرژی از اهمیتویژه‌ای برخوردار است. بشر به سبب افزایشآلودگی و کاهش منابع سوخت طبیعی مجبور به یافتن راه حلی شد که در اینفرآیند،تولیدانرژی از طریقهیدروژن کشف شد. در طی مطالعات و آزمایشاتی که برایتولیدانرژی از طریقهیدروژن انجام می‌گردیدوسیله‌ای که هیدروژن را به عنوان سوخت استفاده می‌کردپیلسوختینامیدند. سیستم‌هایپیل‌هایسوختی به عنوان یکی از گزینه‌هایتولیدانرژی پاک محسوب می‌شوند. توان تولید شده اینسیستم‌هایک گستره وسیعبین چند وات تا چند هزار کیلو وات را شامل می‌شود، به طوریکهاینسیستم‌هااز یک سوتامین کننده توان مورد نیازبراییکبیمارستان و یایک واحد ساختمانی به عنوان کاربرد ساکن، و از سویدیگرتامین کننده بخشی از توان مورد نیازیک فضا پیما، وسیلهنقلیه، لپ تاپ و یاحتی قلب مصنوعی به عنوان کاربردهای متحرک می‌باشند [REF _Ref333997665 h * MERGEFORMAT1]. دانشمندان معتقد بودند که هیدروژنمی‌تواند راه حلیکارآمدبرایتأمین بخشی ازنیازهایانرژیدنیا در آینده باشد. پیلسوختییکوسیله‌ای است که هیدروژن و اکسیژن را ترکیب کرده و آب و الکتریسیتهتولیدمی‌کند. انرژیتولید شده توسط پیلسوختیمی‌تواند در مصارف روزمره استفاده گردد.پیلسوختیمزایایبسیاری نسبت به وسایل مرسوم تولیدانرژی دارد از جمله این مزایا راندمان بالا،عدم ایجاد سر و صدا و آلودگیاست.
ساخت لایه‌های مختلف پیلسوختینظیرلایه‌های نفوذ گاز، صفحات دو قطبی، غشاء و لایهکاتالیستدشوار بوده و نیازمندفناوریپیشرفته‌ایمی‌باشد. چون در ساخت این لایهها از موادی نظیر فیبر بسیار نازک کربن، آیونومر، نفیون و ... استفاده میشود که فرآوری آنها نیازمند یک پروسه پیشرفته و دشوار میباشد و در انحصار کشورهای خاصی قرار دارد، همچنین مراحل ساخت برخی از این لایهها نظیر لایه کاتالیست که شامل فاز جامد، فاز غشاء و فضای خالی است بسیار پیچیده میباشد. بنابراین بدون انجام یکمدل‌سازی کامل از کل لایه‌هایپیلسوختی، ساخت یک تودهپیلسوختیکار دشواری خواهد بود.همچنین ممکن است پیل ساخته شده از نظر هزینه‌های تمام شده مقرون به صرفه نباشد. به منظور بررسیکارایی و عملکرد پیل‌هایسوختی،بایدلایههای مختلف یکپیلسوختی را مورد مطالعه قرار داده و شبیه‌سازی نمود. در اینپایان‌نامهمدل‌سازییکبعدی عملکرد یکپیلسوختی غشا پلیمری انجام می‌پذیرد، و تمامیلایه‌هایاینپیلسوختی تک سلولیشبیه‌سازیمی‌شوند. مدل ارائه شده برایلایهکاتالیست، مدل توده‌ایمی‌باشد. این مدل افت غلظت موجود در منحنیقطبیتپیل را که در چگالیجریان بالا اتفاق می‌افتد بدون اضافه کردن روابط نیمهتجربی مربوط به افت غلظت درستپیش‌بینیمی‌کندهمچنین در حالتی که اندازه تودهها به سمت صفر میرود(تودههای بسیار کوچک) این مدل به مدل همگن ساده میشود. لایه‌های نفوذ گاز نیزکه در دو طرف آند و کاتد پیل قرار دارند با استفاده از معادلات مربوط به نفوذ گازهای چند جزئی مدل شده‌اند. غشاء نیز با مدل کردن انواع مکانیزم‌های انتقال آب که در آن وجود دارد شبیه‌سازی شده است. عملکرد یکپیلسوختی توسط منحنی ولتاژ بر حسب چگالیجریانبیانمی‌شود. این عملکرد با کسر نمودن افت‌های مربوط به ولتاژ فعال‌سازی، اهمیک و غلظت از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل در یکچگالیجریان بدست می‌آید. سپس با تغییرچگالیجریان، منحنیجریان–ولتاژپیل بدست می‌آید. در اینپایان‌نامه معادلات حاکم بر عملکرد لایه‌های مختلف پیل (که ترکیبی از معادلات دیفرانسیل و معادلات جبریمی‌باشند) بدست آمده سپس این معادلات حل می‌گردد تا افت‌هایقید شده بدست آید. در انتها یکسری مطالعات پارامتری به منظور بررسیمیزانحساسیت تابع عملکرد به یکسریپارامترها انجام می‌پذیرد.
تاریخچهاگرچهپیلسوختیبهتازگیبهعنوانیکیازراهکارهایتولیدانرژیالکتریکیمطرحشدهاستولیتاریخچهآنبهقرننوزدهمو کاردانشمندانگلیسیویلیامگروبرمی‌گردد.اواولینپیلسوختیرادرسال۱۸۳۹باسرمشقگرفتنازواکنشالکترولیزآب،طیواکنشمعکوسودرحضورکاتالیستپلاتینساخت.
واژهپیلسوختیدرسال۱۸۸۹توسطلودویکمندوچارلزلنجربهکارگرفتهشد.آن‌هانوعیپیلسوختیکههواوسوختذغالسنگرامصرفمی‌کرد،ساختند.تلاش‌هایمتعددیدراوایلقرنبیستمدرجهتتوسعهپیلسوختیانجامشدکهبهدلیلعدمدرکعلمیمسئلههیچیکموفقیتآمیزنبود.علاقهبهاستفادهازپیلسوختیباکشفسوخت‌هایفسیلیارزانورواجموتورهایبخارکمرنگگردید.
فصلیدیگرازتاریخچهتحقیقاتپیلسوختیتوسطفرانسیسبیکنازدانشگاهکمبریجانجامشد.اودرسال۱۹۳۲بررویماشینساختهشدهتوسطمندولنجراصلاحاتبسیاریانجامداد.ایناصلاحاتشاملجایگزینیکاتالیستگرانقیمتپلاتینبانیکلوهمچنیناستفادهازهیدروکسیدپتاسیمقلیاییبهجایاسیدسولفوریکبهدلیلمزیتعدمخورندگیآنمی‌باشد.ایناختراعکهاولینپیلسوختیقلیاییبود، پیلبیکننامیدهشد.او۲۷سالتحقیقاتخودراادامهدادتاتوانستیکپیلسوختیکاملوکارا، ارائهنماید.بیکندرسال۱۹۵۹پیلسوختیباتوان۵کیلوواتراتولیدنمودکهمی‌توانستنیرویمحرکهیکدستگاهجوشکاریراتأمیننماید.
تحقیقاتجدیددراینعرصهازاوایلدهه۶۰میلادیبااوجگیریفعالیت‌هایمربوطبهتسخیرفضاتوسطانسانآغازشد.مرکزتحقیقاتناسادرپیتأمیننیروجهتپروازهایفضاییباسرنشینبود.ناساپسازردگزینههایموجودنظیرباتری(بهعلتسنگینی)،انرژیخورشیدی (بهعلتگرانبودن)وانرژیهسته ای (بهعلتریسکبالا)پیلسوختیراانتخابنمود.تحقیقاتدراینزمینهبهساختپیلسوختیپلیمریتوسطشرکتجنرالالکتریکمنجرشد.ایالاتمتحدهآمریکافناوریپیلسوختیرا در برنامه فضاییجمینیاستفادهنمودکهاولینکاربردتجاریپیلسوختیبود.پرتوویتنیدوسازندهموتورهواپیما،پیلسوختیقلیاییبیکنرابهمنظورکاهشوزنوافزایشطولعمراصلاحنمودهوآنرادربرنامهفضاییآپولوبهکاربردند.درهردوپروژهپیلسوختیبه عنوانمنبع برای تأمینانرژیالکتریکیبرایفضاپیمااستفادهشد[REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2]. امادرپروژهآپولوپیلهایسوختیبرایفضانوردانآبآشامیدنینیزتولیدمی‌کرد. پسازکاربردپیلهایسوختیدراینپروژه‌ها،دولت‌هاوشرکت‌هابهاینفنآوریجدیدبهعنوانمنبعمناسبیبرایتولیدانرژیپاکدرآیندهتوجهروزافزونینشاندادند.
ازسال۱۹۷۰فنآوریپیلسوختیبرایسیستم‌هایزمینیتوسعهیافت. تحریمنفتیازسال1973-1979 موجبتشدیدتلاشدولتمردانآمریکاومحققیندرتوسعهاینفنآوریبهجهتقطعوابستگیبهوارداتنفتیگشت.
درطولدهه۸۰تلاشمحققین، در جهتتهیهموادموردنیاز، انتخابسوختمناسبوکاهشهزینهاستواربود.همچنیناولینمحصولتجاریجهتتأمیننیرویمحرکهخودرودرسال۱۹۹۳توسطشرکتبلاردارائهشد [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
تاریخچهپیلسوختیPEMفنآوریپیلسوختیپلیمریدرسال۱۹۶۰درشرکتجنرالالکتریکتوسط گروب و نیدرچابداعشد. اولینموفقیتجنرال الکتریکدرتولیدپیلسوختیپلیمریدراواسطدهه۱۹۶۰درپیهمکاریاینشرکتباکمیتهنیرویدریاییآمریکا و رسته مخابرات ارتش آمریکابهمنظورساختمولدهایکوچکبرقبود. اینمولدهاباسوختهیدروژنتولیدیازترکیبآبوهیدریدلیتیمتغذیهمی‌شدند. پیلسوختیتهیهشدهکوچکوقابلحملبودودرآنازکاتالیستگرانقیمتپلاتیناستفادهشدهبود[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
دربرنامههایفضاییمرکوریازباتریبهعنوانمنابعتأمینانرژیاستفادهشدولیبرایپروژهآپولونیازبهوسیلهایباطولعمربیشتربود. لذابرایاینمنظورپیلهایسوختیپلیمریساختشرکتجنرالالکتریکموردتستوآزمایشقرارگرفت.ناسادرپروازهایفضاییبعدیخودازپیلسوختیقلیاییاستفادهنمود.
شرکتجنرالالکتریکفعالیتخودرادردهه۱۹۷۰باتوسعهفناوریالکترولیزجهتتجهیزاتزیردریاییباحمایتواحدتولیداکسیژننیرویدریاییآمریکاآغازنمود. ناوگان سلطنتیانگلیسیدراوایلدهه۱۹۸۰اینفناوریرابرایناوگانزیردریاییخودپذیرفت. دراوایلدهه۱۹۹۰سایرگروه‌هانیزتحقیقاتدراینزمینهراآغازنمودند.آزمایشگاهملیلوسآلاموسودانشگاهتگزاسروش‌هاییراجهتکاهشمیزانکاتالیستموردنیازآزمایشنمودند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
مزایا و معایبپیلسوختیعمدهترینمزایایپیل‌هایسوختی به شرح زیر هستند:
پیلسوختیآلودگیناشیازسوزاندنسوخت‌هایفسیلیراحذفنمودهوتنهامحصولجانبیآنآب و گرمامی‌باشد.
درصورتیکههیدروژنمصرفیحاصلازالکترولیزآبباشدنشرگازهایگلخانه‌ایبهصفرمی‌رسد.
به دلیلوابستهنبودنبهسوخت‌هایفسیلیمتداولنظیربنزینونفت،وابستگیاقتصادی،کشورهایجهان سومراحذفمی‌کند[REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
بانصبپیلهایسوختینیروگاهیکوچک،شبکهغیرمتمرکزنیروگستردهمی‌گردد.
پیل‌هایسوختیراندمانبالاترینسبتبهدستگاه‌هایاحتراقی استفاده کننده از سوخت‌هایفسیلیمتداولدارند.
هیدروژندرهرمکانی که حیات باشد (آب باشد) طی پروسه الکترولیزازآبوبرقتولیدمی‌گردد. لذاپتانسیلتولیدسوخت،غیرمتمرکزخواهدشد [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
اکثرپیل‌هایسوختیدرمقایسهباموتورهایمتداولبسیاربیصداهستند.
انتقالگرماازپیل‌هایدماپایینبسیارکممی‌باشد،لذاآن‌هابرایکاربردهاینظامیمناسبخواهندبود.
زمانعملکردآن‌هاازباتری‌هایمتداولبسیارطولانی‌تراست، مثلاًفقطبادوبرابرنمودنسوختمصرفیمی‌توانزمانعملکردرادو برابرنمودونیازیبهدوبرابرکردن اندازهخودپیلنمی‌باشد.
به علتعدموجوداجزایمتحرکهزینهتعمیر و نگهداریازآن‌هابسیارکماست.
نصبوبهرهبرداریازپیل‌هایسوختیبسیارسادهومقرونبهصرفهمی‌باشد.
اینمولدهاقابلیتتولیدهمزمانبرقوحرارترادارند.
عمدهترینمعایبپیل‌هایسوختی:
تبدیلهیدروکربنبههیدروژنازطریقمبدلهنوزباچالش‌هاییروبروستوهنوزفنآوری کاملاًپاکنمی‌باشد.
پیل‌هایسوختیازباتری‌هایمتداولسنگین‌ترهستندومحققیندرپیکاهشوزنآن‌هامی‌باشند.
تولیدپیلسوختیبدلیلنداشتنخطتولیدهنوزگراناست.
برخیپیل‌هایسوختیازموادگرانقیمتاستفادهمی‌کنند.
اینفنآوریهنوزکاملاًتوسعهنیافتهومحصولاتکمیازآنموجوداست.
شناخت کلیپیلسوختیپیلسوختینوعیوسیلهالکتروشیمیاییاستکهانرژیشیمیاییحاصلازواکنشرامستقیماًبهانرژیالکتریکیتبدیلمی‌کند.سازهوبدنهاصلیپیلسوختیازالکترولیت،الکترودآندوالکترودکاتدتشکیلشدهاست. نمایکلییکپیلسوختیبههمراهگازهایواکنشدهندهوتولیدشدهومسیرحرکتیون‌ها و الکترون‌هادر REF _Ref331172597 h * MERGEFORMAT شکل‏11ارائهشدهاست.
پیلسوختییکدستگاهتبدیلانرژیاستکهبهلحاظنظریتازمانیکهمادهاکسیدکنندهوسوختدرالکترودهایآنتأمینشوندقابلیتتولیدانرژیالکتریکیرادارد.البتهدرعملاستهلاک،خوردگیوبدعملکردناجزایتشکیلدهنده،طولعمرپیلسوختیرا کاهشمی‌دهد.
دریکپیلسوختی،سوختبهطورپیوستهبهالکترودآندواکسیژنبهالکترودکاتدتزریقمی‌شودوواکنش‌هایالکتروشیمیاییدرالکترودهاانجامشدهوباایجادپتانسیلالکتریکیجریانالکتریکیبرقرارمی‌گردد. اگرچهپیلسوختیاجزاءوویژگی‌هایمشابهیکباتریرادارداماازبسیاریجهاتباآنمتفاوتاست. باترییکوسیلهذخیرهانرژیاستوبیشترینانرژیقابلاستحصالازآنبهوسیلهمیزانمادهشیمیاییواکنشدهندهکهدرخودباتریذخیرهشدهاست (عموماًدرالکترودها)تعیینمی‌شود. چنانچهمادهواکنشدهندهدرباتریکاملاًمصرفشود،تولیدانرژیالکتریکیمتوقفخواهدشد (باتریتخلیهمی‌شود).درباتری‌هاینسلدوممادهواکنشدهندهباشارژمجدد،دوبارهاحیامی‌شودکهاینعملمستلزمتأمینانرژیازیکمنبعخارجیاست. دراینحالتنیزانرژیالکتریکیذخیرهشدهدرباتری،محدودووابستهبهمیزانمادهواکنشدهندهدرآنخواهدبود.
گازاکسیدکنندهنظیرهوایااکسیژنخالصدرالکترودکاتدکهباصفحهالکترولیتدرتماساستجریانپیدامی‌کند.بااکسیداسیونالکتروشیمیاییسوختکهمعمولاًهیدروژناستوبااحیاءاکسیدکننده، انرژیشیمیاییگازهایواکنشگربهانرژیالکتریکیتبدیلمی‌شود.
ازنظرتئوری،هرمادهایکهبهصورتشیمیاییقابلاکسیدشدنباشدوبتوانآنرابهصورتپیوسته (بهصورتسیال) بهپیلسوختیتزریقکرد،می‌تواندبهعنوانسوختدرالکترودآندپیلسوختیمورداستفادهقرارگیرد.بهطورمشابهمادهاکسید کنندهسیالیاستکهبتواندبانرخمناسبیاحیاء شود.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 1:شماتیکطریقه عملکرد پیلسوختیPEM [REF _Ref334005828 h * MERGEFORMAT3].در پیل سوختی پلیمری گازهیدروژنبهعنوانسوختایدهآلمورداستفادهقرارمی‌گیرد.هیدروژنرا می‌توانازتبدیلهیدروکربن‌هاازطریقواکنشکاتالیستی،تولیدوبهصورت‌هایگوناگونذخیرهسازیکرد. اکسیژنموردنیازدرپیلسوختی را میتوانبهطورمستقیمازهواتهیهنمود.بررویسطحالکترودهایآندوکاتدپیلسوختیواکنشاکسیداسیونواحیاءدرناحیهسهفازی (ودرصورتجامدبودنالکترولیتدوفازی) نزدیکسطحمشترکواکنشدهنده‌ها (فاز گاز)،کاتالیست (فاز جامد)والکترولیت(در برخی از پیلها فاز مایع و در برخی دیگر نظیر PEM فاز جامد) صورتمی‌گیرد. اینناحیه دویا سهفازینقشمهمیدرعملکردالکتروشیمیاییپیلسوختیبهویژهپیل‌هایسوختیباالکترولیتجامددارد. دراینگونهپیل‌هایسوختی،گازهایواکنشدهندهازمیانیکلایهنازکازالکترولیتکهسطحالکترودهایمتخلخلراپوشاندهاستعبورکردهوواکنشالکتروشیمیاییمناسبرویسطحالکترودمربوطهانجاممی‌شود.
چنانچهالکترودمتخلخلحاویمقادیربیشازحدالکترولیتباشدالکتروددر اصطلاحغرقشدهوبه اینترتیبانتقالالکترونهابهمکان‌هایواکنشمحدودمی‌شود.درنتیجهعملکردالکتروشیمیاییالکترودمتخلخلتضعیفمی‌شودلذاضروریاستکهدرساختارالکترودهایمتخلخلیکتعادلمناسببینالکترود،الکترولیتوفازگازیایجادشود.
تلاش‌هایاخیربر بهبودعملکردواکنشالکتروشیمیایی،کاهشهزینه‌هایتولید،کاهشضخامتاجزایپیلسوختیودرعینحالاصلاحوبهبودساختارالکترودهاوالکترولیتمتمرکزشدهاست. الکترولیتباهدایتیون‌هابینالکترودهاسببتکمیلمدارالکتریکیپیلسوختیمی‌شود. الکترولیتیکمانعفیزیکیبینسوختوگازاکسیژنایجادمی‌کندومانعاختلاطمستقیمآن‌هامی‌شود. از جمله وظایف مهمصفحاتالکترودمتخلخلدرپیلسوختیعبارتاند از:
1- ایجادیکسطحفعال کافیومناسبکهواکنش‌هایالکتروشیمیاییرویاینسطوحانجاممی‌شود.
2- هدایتیون‌هایحاصلازواکنشبهداخلیاخارجازناحیهتبادلسهفازیوانتقالالکترون‌هایتولیدیبهمدارخارجی(الکترودهابایدهدایتالکتریکیخوبیداشتهباشند).
3- انتقال واکنش دهندهها به سطوح انجام واکنش.
4- انتقال گرمای تولید شده در لایه کاتالیست کاتد به سیستم خنککاری پیل، بویژه برای پیلهای دما بالا.
برایافزایشسطحتماسواکنشدهنده‌هاباکاتالیستلازماستکهساختارالکترود،متخلخلبودهومیزانسطحدردسترس، وپوششدادهشدهتوسطکاتالیستنسبتبهحجمالکترود (مساحت در واحد حجم سطح مؤثر پلاتین)(m/m)زیادباشد. ساختارمتخلخل،دسترسیراحتاجزاءواکنشدهندهبهمراکزفعالراتسهیلمینماید.
نرخواکنش‌هایالکتروشیمیباافزایشدماافزایشپیدامی‌کند،لذاخاصیتکاتالیزوریالکترودهادرپیلهایسوختیدماپایینازاهمیتبیشتریدرمقایسهباپیلسوختیدمابالابرخورداراست. الکترودهایمتخلخلبایددرهردوطرفتماسباالکترولیتوگازهایواکنشدهنده،نفوذپذیرباشندتاحدیکهتوسطالکترولیتاشباعنشدهوبوسیلهگازهایواکنشدهندهخشکنشوند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].

پیلسوختیPEMپیل‌هایسوختی غشاءمبادله‌گر پروتون (پلیمری) اولین بار در دهه 1960 برای برنامهجمینی ناسا استفاده شد. ایننوع پیل سوختی از نقطه نظر طراحی و کارکردیکی از جذاب‌ترین انواع پیلسوختی است. پیلسوختیپلیمریدارایالکترولیتپلیمری به شکلیک ورقه نازک منعطف است کههادییونهیدروژن(پروتون)می‌باشد و بین دو الکترود متخلخل قرار می‌گیرد. جهت کارایی مطلوب لازم است الکترولیت، از آب اشباع باشد. نفیونیکی از بهترینالکترولیت‌های مورد استفاده در این نوع پیل سوختی است. این غشاء کوچک و سبک است و در دمایپایین 80 درجه سانتی‌گراد(تقریباً 175 درجه فارنهایت) کارمی‌کند. در پیل سوختیپلیمریواکنشاحیاءاکسیژنواکنشکندتر است (اینواکنشپنج مرتبه کندتر از واکنشاکسید شدن هیدروژن است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]). کاتالیست مورد استفاده در اینپیل سوختی اغلب از جنس پلاتین بوده و میزانکاتالیستمصرفی در الکترودهایاین نوع پیل سوختیبیشتر از سایر انواع پیل سوختی است.
بازدهالکتریکیاین نوع پیل سوختی بر اساس ارزش حرارتی پایین در حدود 40% تا 50% است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. سوخت مصرفی در پیل سوختیپلیمرینیازمندهیدروژنتقریباً خالص است لذا مبدل در خارج پیل سوختی جهت تبدیلسوخت‌های متانول و یابنزین به هیدروژننیاز است.گسترهتوان تولیدیاین نوع پیل سوختیبیشتر از انواع دیگرپیل سوختی است. محدوده توان در این نوع پیل سوختیبین(1W الی 100kW) است[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. طول عمر پیش‌بینی شده برایپیل سوختیپلیمریبیش از 20000 ساعت است [REF _Ref334011700 h * MERGEFORMAT5].
در پیل سوختیپلیمری سوخت مورد استفاده هیدروژنمی‌باشد. مولکولهایهیدروژن در آند به یون‌های پروتون و الکترونیونیزه شده، و الکترون‌هااز پروتونها جدا می‌شوند. یون‌هایهیدروژنکه شامل بار مثبت هستند (پروتون) به یک سطح غشاء متخلخل نفوذ می‌کنند و به سمت کاتدمی‌روند. الکترون‌هاینمی‌توانند از این غشاء عبور کنندبلکه از یک مدار خارجی عبور کرده و موجب تولید برق می‌شوند. در کاتدالکترون‌ها، پروتون‌های و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیبمی‌شوند و مطابق REF _Ref331172597 h * MERGEFORMATشکل‏11 آب را تشکیلمی‌دهند.واکنش‌ها در الکترودها به شرح ذیلمی‌باشند:
(1- SEQ 1- * ARABIC1) واکنش سمت آند:
(1- SEQ 1- * ARABIC2) واکنش سمتکاتد:
(1- SEQ 1- * ARABIC3) واکنشکلیپیل:
واکنش سمت آند به مقدار خیلی کمی گرماگیر است و واکنش سمت کاتداین نوع پیل سوختی به دلیلدمایپایین به زمان کمیبرایراه‌اندازینیاز دارد و همینخصوصیتآن را بهترینگزینه در کاربردهایوسایلنقلیهبه عنوانجایگزینبرای موتور احتراق داخلیدیزلی و بنزینیمعرفیمی‌نماید. همچنیناینسیستم‌هاکاربریمناسبی در زمینهمولدهایخانگی، نیروگاهیکوچک، صنعت حمل‌ونقل و نظامی دارند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
لایههایتشکیل دهنده پیلسوختی غشاء پلیمریهر یک از سلول‌هاییکپیلسوختی غشاء پلیمری از یکسریلایهتشکیل شده است، که در هر یک از اینلایه‌هافرآیندهایخاصی انجام می‌شود. در این قسمت به اختصار هر یک از لایههایپیل را معرفیمی‌کنیم، سپس در فصول بعد به تفصیلبه معرفیاینلایه‌ها و مدل‌سازیآن‌هامی‌پردازیم.
لایه نفوذ گازلایه‌هاینفوذگازیبهطورعمومیساختارمتخلخلبرمبنایکربندولایهدارند،شماییازلایهنفوذگازیبین کانال جریانولایهکاتالیستیدر REF _Ref331328151 h * MERGEFORMAT شکل ‏12نشاندادهشدهاست.لایهاوللایهنفوذگازی،یکساختارکربنیماکرومتخلخلباپارچه‌هایکربنیویاورقه‌هایکربنیاست.ساختارماکرومتخلخلبهعنوانجمعکنندهجریانعملمی‌کند.دومینلایه،لایهمیکرومتخلخلنازکیاستکهشاملپودرکربنوبرخیعواملآبگریزاست. اینلایهدرتماسبالایهکاتالیستاست.اینمیکرولایهمتخلخلازبروزطغیاندرلایهنفوذگازیجلوگیریکردهوتماسالکتریکیبینسطحولایهکاتالیستراافزایشمی‌دهد [REF _Ref332025360 h * MERGEFORMAT6].

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 2: شمایی از یک لایه نفوذ گازی دو لایه.لایهکاتالیستبرایافزایشنرخواکنش‌هایشیمیاییبهیکلایهکاتالیستاحتیاجاست. لایهکاتالیستتنهاجاییاستکهدرآنواکنش‌هایالکتروشیمیاییداخلپیلسوختیاتفاقمی‌افتدودربقیهنواحیپیلمانندکانال‌ها،لایه‌هایپخشگازوغشاءهیچواکنشالکتروشیمیاییاتفاقنمی‌افتد. درپیلسوختیهیدروژنیهردولایهکاتالیستکاتدوآندعموماًیکسانهستندوشاملیکفازهدایت‌کنندهیونبراینمونهنفیون، یکفازهدایت‌کنندهالکترونمعمولاًذراتکربن،حفره‌ها (تخلخل‌ها)کهازآن‌هاگازهایواکنشگرانتقالپیدامی‌کندویکفلزنجیب(فلزی که واکنش شیمیایی را تسهیل میکند) کاتالیستعموماًپلاتینهستند،تاواکنش‌هایالکتروشیمیاییراتسهیلکنند. دلیلدیگراستفادهازکربنایناستکهمساحتسطحتماسکاتالیستزیادشود.گازهایواکنشگرازلایهپخشگازواردلایهکاتالیستمی‌شوندوازمیانحفره‌هایموجوددرلایهکاتالیستپخشمی‌شوند.برایرسیدنبهپلاتینیعنیمحلانجامواکنش،واکنشگرهابایدمحلولشوندواینباردرمیانپلیمری (آیونومر)کهدانه‌هایکربنرااحاطهکرده‌اندپخشمی‌شوند.ایندانه‌هایکربنباپلاتینپوششدادهشده‌اندوبارسیدنگازهایواکنشگربهاینکربن‌ها،واکنشالکتروشیمیاییشروعمی‌شود. درواقعداخللایهکاتالیستدومسیرپخش وجود دارد، یکی نفوذ درمیانحفره‌هاودیگری نفوذدرونپلیمرمی‌باشد. افزایشمقاومتدرمقابلنفوذدرطولهرکدامازایندومسیر،عملکردلایهکاتالیستراکاهشمی‌دهد. REF _Ref331417729 h * MERGEFORMAT شکل ‏13نماییازلایهکاتالیسترانشانمی‌دهد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 3: نماییازلایهکاتالیست.لایه کاتالیست یکی از پیچیده‌ترین اجزاء در پیل سوختیمی‌باشد، به همین دلیل در مدل‌سازی لایه کاتالیست، مدل‌های مختلفی در دهه‌های اخیر با درجات مختلفی از دقّت و جزئیات ارائه شده است. که از آن جمله می‌توان به روش‌های لایه نازک، همگن و توده‌ای اشاره کرد. در سال‌های اخیر دو روش همگن و توده‌ای بیشتر مورد توجّه بوده است.
در روش لایه نازک، لایه کاتالیست به صورت یک سطح مشترک بین لایه نفوذ گاز و غشاء مدل می‌شود. این روش در حقیقت ساختار درونی لایه کاتالیست را بررسی نمی‌کند، و تنها رابطه‌ای بین افت فعال‌سازیو چگالی جریان پیل (رابطه تافل) ارائه می‌دهد.در فصل سوم مفصل‌تر این رابطه ارائه می‌شود. به طور کلی این مدل هنگامی استفاده می‌شود که هدف مطالعه، بررسی رفتار لایه کاتالیست نمی‌باشد، بلکه بررسی رفتار لایه های دیگر پیل مدّ نظر است.
روش همگن یکی از روش‌های متداول بررسی لایه کاتالیست می‌باشد. در این روش فرض می‌شود که تمامی اجزاء تشکیل‌دهنده لایه کاتالیست به صورت کاملاً یکنواخت و همگن در سرتاسر لایه کاتالیست توزیع شده‌اند، این بر خلاف مدل توده‌ای است. در مدل توده ای ذرات پلاتین بر روی ذرات کربن پایه ریزی می‌شوند، سپس با تجمع تعدادی از این ذرات کربن کنار یکدیگر، یک توده کروی شکل ایجاد می‌شود که درون آن پر از آیونومر می‌باشد. تفاوت این دو مدل، در نحوه پیش‌بینی منحنی قطبیّت پیل است. دلیل این تفاوت در منحنی قطبیت،خصوصاً در چگالی جریان‌های بالا در فصل دوم شرح داده می‌شود.
غشاءغشاءها بایستی دارای قابلیت زیادی برای عبور یون پروتون از خود باشند. آن‌ها شرایطی فراهم می‌آورند که گازهای ورودی به پیل سوختی از دو طرف با هم مخلوط نشوند. از لحاظ شیمیایی (خوردگی) و مکانیکی (استحکام) بایستی سازگار با شرایط عملکرد پیل سوختی باشند [REF _Ref332024936 h * MERGEFORMAT7]. غشاءیکه در پیل سوختی پروتونی بکار می‌رود، از پلیمری بنام پرفلئورو کربن-سولفونیک اسید ساخته می‌شود. بهترین ماده‌ی غشاء موسوم به نفیونمی‌باشد که دارای شاخه‌ی پروفلئورو-سولفیلفلئوراید-اتیل-پروپیل-وینیلمی‌باشد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 4: شاخه پلیمری پرفلئوروسولفونیک اسید (Perfluorosulfonate). REF _Ref331339393 h * MERGEFORMAT شکل ‏14 زیر شاخه‌ی پلیمری پرفلئورو سولفونیت را برای نفیون نشان می‌دهد. انتهای شاخه، گروه اسید سولفونیک مشاهده می‌شود که شامل یون‌های پروتون H+ و می‌باشد. این ساختار شدیداً آب دوست است. این خاصیت در انتهای شاخه یعنی جاییکه اسید سولفونیک وجود دارد رخ می‌دهد. این خاصیت به غشاء اجازه می‌دهد که مقدار بسیار زیادی آب جذب نماید. یون پروتون از این ناحیه مرطوب عبور می‌کند و این کمیت را بهصورت قابلیت هدایت تعریف می‌کنند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
انواع مختلف نفیون را با حرف N و با سه یا چهار رقم به فرمN---- نشان می‌دهند، دو رقم اوّل وزن معادل را تقسیم بر صد نشان می‌دهد و دو رقم بعدی ضخامت غشاء را بر حسب میل نشان می‌دهد [REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8]. قابل ذکر است که: . نفیونهای موجود در بازار دارای ضخامتهای 2، 3.5، 5، 7 و 10 میل میباشند. به عنوان مثال N117 دارای وزن معادل 1100 g/eqو ضخامت 7 میل (0.178 mm) میباشد.وزن معادل هر ماده برابر است با جرمی از آن مادهکه یک مول پروتون (H+) را تامین میکند، یا با یک مول پروتون در یک واکنش پایه اسیدی واکنش میدهد.
عملکرد پیلسوختیعملکرد یکپیلسوختی را می‌توان از طریق نمودار ولتاژ–چگالی جریان آن بررسی و تحلیل کرد. این نمودار که منحنی ولتاژ-چگالیجریاننامیدهمی‌شود، خروجی ولتاژ یکپیلسوختی را در یک چگالیجریانورودی نشان می‌دهد.این نمودار، منحنیقطبیتنیز نامیدهمی‌شود که در REF _Ref331172664 h * MERGEFORMAT شکل ‏15آن را مشاهده می‌کنید. محور افقیچگالیجریان، یعنیجریان بر واحد سطح پیل را نشان می‌دهد. به کار بردن چگالیجریان به ایندلیل است که یکپیل با ابعاد بزرگ‌تر مقدار الکتریسیتهبیشتری از یکپیلکوچک‌ترتولیدمی‌کند در نتیجهمنحنی‌هایقطبیت با سطح پیلسوختی نرمال سازیمی‌شوند تا قابل مقایسه با یکدیگر باشند.
REF _Ref331172664 h * MERGEFORMAT شکل ‏15منحنیقطبیت را که دارای چهار ناحیهافتجریانداخلی، افتفعال‌سازی، افتاهمیک و افت انتقال جرم که توسط افت‌های موجود در پیلسوختی مورد تأثیر قرار گرفته‌اند را نشان می‌دهد. افتفعال‌سازی در ناحیه افتفعال‌سازیمنحنیقطبیت، غالب است. سینتیک الکترود،ناحیه مربوط به افتفعال‌سازی را کنترل می‌کند. افتناحیهاهمیک در منحنیقطبیت به سبب مقاومت‌هایپروتونیک و الکترونیک موجود در پیلسوختیمی‌باشد. افت غلظت بیشترین مقدار خود را در انتهایمنحنیقطبیت (یعنیناحیه‌ای که انتقال جرم واکنشگرها با مشکل مواجه است) دارد. در چگالیجریان‌های بالا، میزانواکنشگرهای مورد نیاز به مراتب افزایشمی‌یابد، این در حالی است که میزان آب تولیدینیززیادمی‌شود. اینمیزان آب مایعمی‌تواند سبب مسدود شدن مسیرهای عبور واکنشگرها شود (خصوصاً در پیلهای دما پایین)،این امر سبب افت غلظت واکنش‌دهنده‌هاشده و در پی آن افت ولتاژ را بوجود می‌آورد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 5:منحنیقطبیتیکپیلسوختی [REF _Ref334022735 h * MERGEFORMAT9].خروجیولتاژواقعییکپیلسوختی کمتر از ولتاژ ایده آل یا ولتاژ ترمودینامیکی است. ولتاژ خروجی از یکپیلسوختی بر روی توان کلیتولید شده تأثیرمی‌گذارد. چگالی توان تولید شده از پیلسوختی توسط حاصل ضرب ولتاژ در چگالی جریان (P=V.i) حاصل می‌شود. منحنیچگالی توان، چگالی توان خروجی را به صورت تابعی از چگالیجریانپیلسوختی نشان می‌دهد این منحنی در نتایج مدلسازی نظیر REF _Ref331174635 h * MERGEFORMATشکل ‏211 رسم شده است. چهار نوع اصلی افت در پیلسوختی (در نمودار قطبیتنیز نشان داده شده است) وجود دارند، که این چهار افت به این شرح هستند:
الف) افت فعال‌سازی
ب) افتجریانداخلی
ج) افتاهمیک
د) افت غلظت
افتفعال‌سازیعامل ایجاد افت فعال سازیکندیواکنش‌هایی است که روی سطوح الکترودها رخ می‌دهد. در نتیجهقسمتی از ولتاژ تولیدی صرف غلبه بر انرژیفعال‌سازی واکنش شیمیایی و به راه انداختن واکنش می‌شود. افت فعال‌سازی را با η نشان می‌دهند. در سال 1905 تافل مشاهده کرد که افت فعال‌سازی موجود در هر یک از الکترودها با لگاریتمچگالیجریانتقریباً رابطه خطی دارد، به طوریکه مقدار این افت تا یکچگالیجریان خاص که چگالیجریانتبادلیپیلنامیده شد صفر است، چگالیجریانتبادلی، i0، را می‌توانچگالیجریانی در نظر گرفت که افت ولتاژ فعال‌سازی از صفر شروع به تغییرمی‌کند. روند تغییراتاین افت بر حسب لگاریتمچگالیجریان عمدتاً به صورت خطی است که در REF _Ref331172831 h * MERGEFORMAT شکل ‏16برای دو نمونه نشان داده شده است.

شکل STYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 6: نمودار تافل برایواکنش‌هایالکتروشیمیاییسریع و کند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].تافل این نمودار را با معادله زیرتقریب زد:
(1- SEQ 1- * ARABIC4)
در معادله REF _Ref330209497 h * MERGEFORMAT (1- 4)، i0، چگالیجریانتبادلی و aشیب خط تافل هستند که به الکتروشیمی واکنش بستگی دارند [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11].همین‌طور که در REF _Ref331172831 h * MERGEFORMAT شکل ‏16مشاهدهمی‌شود هر چه واکنش سریع‌تر انجام شود شیبمنحنی تافل به مراتب کمتر می‌شود و با توجه به رابطه REF _Ref330209497 h * MERGEFORMAT (1- 4)میزان افت فعال‌سازی برای یک چگالی جریان ثابت کاهش می‌یابد.چگالیجریانتبادلی، i، نیز در واکنش‌هایی که سریع‌تر اتفاق می‌افتد، بزرگ‌تر است، بنابراینمیزان افت فعال‌سازی در محدوده وسیع‌تری صفر خواهد بود[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. درپیلسوختیغشاء پلیمری، افت فعال‌سازی به طور عمده در سمت کاتد رخ می‌دهدزیراiدر واکنش آند چندین مرتبه (چهار - پنج مرتبه) نسبت به واکنش کاتد بزرگتر است، به عبارت دیگر واکنش اکسایش هیدروژن در لایه کاتالیست آند بسیار سریع‌تر از واکنش کاهش اکسیژن در لایه کاتالیست کاتد است [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11]. به همین علت اغلب در بررسی افت فعال‌سازی از افت فعال‌سازی آند در مقابل کاتد صرف نظر می‌شود.
افتجریانداخلیغشاء پلیمری نسبت به گازهایواکنش‌دهنده (سوخت) نفوذ ناپذیر است اما همواره از یکسو مقدار کمی از سوخت و از سویدیگر تعداد اندکی الکترون به غشاء پلیمری نفوذ می‌کند. نفوذ سوخت در غشاء معادل از دست رفتن سوخت بدون تولیدجریان در مدار خارجی است. به عبارت دیگر به ازای عبور هر مولکول هیدروژن از درون غشاء قابلیت عبور دو الکترون از مدار خارجی از بینمی‌رود و در حقیقتیک مدار اتصال کوتاه در پیلایجادمی‌شود که جریانداخلینامیدهمی‌شود. این نوع افت ولتاژ در حالتی که پیلسوختی تحت بار نیست (حالت مدار باز، i=0) وجود دارد، چون حتی در این حالت نیز سوخت می‌تواند درون غشاء نشت کند. به همیندلیل ولتاژ مدار باز به طور محسوسی از ولتاژ تئوریبازگشت‌پذیر کمتر است، میزان این افت ولتاژ از ولتاژ تئوریبازگشت‌پذیر از همان ابتدای منحنی قطبیت(i=0) در REF _Ref331172664 hشکل‏15 نشان داده شده است. مقدار نشت هیدروژن از غشاء تابعی از نفوذ پذیری، ضخامت غشاء، شرایطعملکردیپیل و گرادیان فشار جزئیهیدروژناست [REF _Ref332025559 h * MERGEFORMAT10]. مقدار جریانداخلیتولید شده ناشی از عبور همزمان هیدروژن و الکترون از درون غشاء را با inنشان می‌دهند. برای محاسبه افت ناشی از جریان داخلی کافی است که مقدار in به مقدار چگالی جریان پیل اضافه کنیم:
(1- SEQ 1- * ARABIC5)
افتاهمیکافت‌هایاهمیکبه دلیلمقاومت‌هایی که در برابر جریانالکترون‌ها در الکترودها و اتصالات داخلی مختلف و همچنینمقاومت‌هایی که بر سر راه جریانیون‌های مثبت در الکترولیت وجود دارند، می‌باشند. این افت ولتاژ متناسب با چگالیجریان و خطی است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4] و با ηOhmic نشان می‌دهند. از قانون اهم داریم:
(1- SEQ 1- * ARABIC6)
که iچگالی جریان پیل، RElectronic و RIonicمقاومت‌های ویژهالکترونیک و یونیک بر حسب m2 در پیلسوختی هستند. قسمت عمده افت اهمی، مقاومت یونی غشاء می‌باشدبطوریکهتقریباً کل افت اهمیک موجود در پیل را می‌توانبا مقاومت یونیک موجود در الکترولیت با دقت خوبیتخمین زد [REF _Ref332025559 h * MERGEFORMAT10]. افت اهمی وابسته به جنس قطعات به کار رفته در پیل است.

افت غلظتدر چگالیجریان‌های بالا بر اثر مصرف زیاد واکنش دهنده‌ها، غلظت واکنش دهنده‌هاروی سطح الکترودها کاهش می‌یابد و سبب افت ولتاژ می‌شود و با ηconcentration نشان می‌دهند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. البته این رابطه، یک رابطه نیمه تجربی میباشد، که در برخی از روشهای شبیهسازی نظیر مدل همگن لایه کاتالیست از آن استفاده میشود:
(1- SEQ 1- * ARABIC7)
iLچگالیجریان محدود کننده است و زمانیایجادمی‌شود که غلظت واکنش دهنده روی سطح در محل واکنش به صفر برسد.
اگر CR غلظت واکنش دهندهها در ورودی لایه نفوذ گاز و CRS غلظت واکنش دهندهها در سطوح انجام واکنش باشد، آنگاه شار عبوری واکنش دهندهها برابر است با:
(1- SEQ 1- * ARABIC8)
که در آن Dضریب نفوذ پذیری واکنش دهنده‌ها[cm/s]،A سطح فعال الکترودو δ ضخامت لایه نفوذ گاز هستند.
از طرفی طبق قانون فارادی (پیوست 1)، نرخ مصرف واکنش دهندهها با نرخ جریان تولیدی به صورت زیر متناسب است:
(1- SEQ 1- * ARABIC9)
n تعداد الکترون‌های انتقال یافته به ازای یک مول سوختمیباشد. اکنون با ترکیب کردن معادلات (1-4) و (1-5) داریم:
(1- SEQ 1- * ARABIC10)
همانطور که میدانیم در چگالیجریان محدود کننده که غلظت واکنش دهنده روی سطح در محل واکنش به صفر میرسدCRS=0.بنابراین چگالی جریان محدود کننده برابر است با [REF _Ref332025777 h * MERGEFORMAT12]:
(1- SEQ 1- * ARABIC11)
Bدر معادله REF _Ref331420287 h * MERGEFORMAT (1- 7)عدد ثابت است و کاملاً وابسته به شرایطعملکردیپیلمی‌باشد.این عدد معمولاً به صورت تجربیبرایپیلهای مختلف گزارش می‌شود به طوریکه ابتدا منحنیتجربیقطبیتپیل با انجام تست در چگالیجریان‌های مختلف بدست می‌آید سپس اینمنحنی را با رابطه REF _Ref330220987 h * MERGEFORMAT (1- 12)که در حقیقت ولتاژ واقعیپیل در چگالیجریان‌های مختلف می‌باشد، و از کم کردن تمامیافت‌ها از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل بدست می‌آید، برازش می‌کنند تا ثوابتینظیرa،B بدست آیند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
(1- SEQ 1- * ARABIC12)


افت غلظت با بهینهسازی انتقال جرم در الکترودها و ساختار جریانپیلسوختی قابل کم شدن است.
مروری بر پروژه - ریسرچ‌هافیزیک حاکم بر یکپیلسوختیبسیارپیچیده است. تعداد زیادیفرآیند که به طور هم زمان در پیلسوختی رخ می‌دهند، وجود دارند و مطالعه هر فرآیندی که در پیلسوختی انجام می‌گردد دشوار می‌باشد. تاکنون محققان مختلفی بر رویجنبه‌های متفاوت پیلسوختی تمرکز کرده‌اند. تحقیقاتتجربیپیلسوختیبسیار زمان بر و گران قیمتاست. محققان اولیه تنها بر رویجنبه‌هایخاصی از پیلسوختی مثل صفحات دو قطبی، لایهکاتالیست، لایه نفوذ گاز و غشاء تمرکز کرده‌اند. در این بخش ابتدا مروری بر رویانواع مدل‌سازی‌های انجام شده بر رویلایهکاتالیست انجام می‌دهیم و سپس برخی از مدل‌سازی‌های مربوط به غشاء و لایه نفوذ گاز ارائه می‌گردد:
لایهکاتالیستبه طور کلی سه روش مختلف به منظور مدل‌سازیلایهکاتالیست وجود دارد:
مدل لایه نازک
مدل همگن
مدل تودهای
در سال‌هایاولیه توان محاسباتی محدود بوده و در نتیجه تنها یک مدل عددییکبعدیپیلسوختی غشاء پلیمری توسط برناردی و همکارانش [REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] توسعه یافته بود و نتایج آن با مدل تجربیمقایسه شده بود.برناردی و همکارانش اولینمحققینی بودند که لایهکاتالیست کاتد را به روش همگن مدل‌سازی کردند. آن‌هارفتار لایهکاتالیست مسئله مدیریت آب در پیلسوختی و همچنین عملکرد پیل را مورد بررسی قرار دادند. نتایج کار آن‌هابیانگراینواقعیت بود که واکنش کاهش اکسیژندر یکلایهبسیارباریکی از لایهکاتالیست که نزدیک به لایه نفوذ گاز می‌باشد انجام می‌شود. بعدها خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]نشان دادند که در یک ولتاژ عملکردیپیل (A m-5000) تنها 5% از لایهکاتالیست که در مجاورت سطح مشترک لایهکاتالیست با لایه نفوذ گازمی‌باشد در واکنش کاهش اکسیژنشرکت می‌کنند، اینیعنیاینکهاکسیژنمصرفی به محض ورود به قلمرو لایهکاتالیست مصرف می‌شود. بنابراینبراییکطراحیبهینه و مقرون به صرفه،تجمع بارگذاریپلاتین در مجاورت سطح مشترک لایهکاتالیست با لایه نفوذ گاز می‌تواند به عنوان یکگزینه مورد توجه باشد.
برناردی و وربروگ[REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] همچنینمعادلات استفان- بولتزمن را برای مدل کردن انتقال جرم در لایه نفوذ گاز، معادله باتلر- ولمر را برای سینتیک واکنش و معادله نرنست – پلانک را برای انتقال جرم در غشاء به کار بردند. یک سال بعد آن‌ها مدل خود را از بخش کاتد به دو بخش آند و کاتد پیل سوختی بسط دادند. اینبار افت اهمیک در اثر انتقال الکترون در لایه نفوذ گاز، افت فعال‌سازی و افت اهمیک در اثر عبور پروتون در غشاء را در مدل‌سازی خود مورد مطالعه قرار دادند.
برناردی و وربروگ در سال 1992 پیل سوختی غشاء پلیمری جامد را با استفاده از روش همگن مدل کردند [REF _Ref332025887 h * MERGEFORMAT15]. آن‌ها مکانیزم انتقال اجزاء در شبکه پیچیده پیل در فازهای مختلف گاز و مایع و فاکتورهای مؤثر بر کارایی پیل را در تحقیق خود مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. در این بررسی رفتار قطبیت پیل با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه شده است. استفاده از ضخامت‌های متفاوت الکترود در کار آن‌ها نشان می‌دهد که برای دوری جستن از اینکه چگالی جریان محدود کننده پیل، در جریانهای پایینتر اتفاق افتد، نسبت حجمی الکترود کاتد (تخلخل لایه نفوذ گاز سمت کاتد) برای انتقال گازها باید بیش از 20 درصد باشد. به عبارت دیگر آنها ثابت کردند که به ازای مقادیر بسیار اندک تخلخل الکترد کاتد(به عنوان مثال 11%) چگالی جریان محدود کنندهپیل به دلیل محدود شدن انتقال جرم به سرعت اتفاق میافتد. نتایج مدل آن‌ها همچنین نشان می‌دهد که در گستره وسیعی از چگالی‌های جریان، هیچ نیازی به آب خارجی وجود ندارد زیرا آب تولیدی در کاتد به منظور تأمین نیازمندی‌های آبی غشاء کافی است.
در سال 2002 جنویو همکارانش [REF _Ref332025901 h * MERGEFORMAT16]مدلسازی لایه کاتالیست را بر اساس روش همگن ارائه کردند. اثر انتقال جرم و حرارت در پیل سوختی غشاء پلیمری بر طبق الکتروشیمی لایه کاتالیست در مدل آن‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین با استفاده از مدل خود نشان دادند، هنگامیکه غلظت اکسیژن در مرز لایه کاتالیست و غشاء به صفر می‌رسد، چگالی جریان محدود کننده حاصل می‌شود. آن‌ها با استفاده از فرض کاملاً توسعه یافته بودن سیال در کانال‌های انتقال گاز، یک بعدی و همگن بودن لایه کاتالیست، به مقدار بهینه استفاده از کاتالیست پلاتین در لایه کاتالیست رسیدند. همچنین از مدل‌سازی خود به این نتیجه رسیدند که افزایش دما بیش از حد معقول، باعث کم آب شدن آیونومر لایه کاتالیست شده و کارائی پیل را کاهش می‌دهد و نشان دادند که تخلخل و میزان بارگذاری پلاتین در لایه کاتالیست نقش بسیار مهمی را در کارائی پیل ایفا می‌کنند.
در سال 1999 سینگ و همکارانش [REF _Ref332025916 h * MERGEFORMAT17]لایهکاتالیستپیلسوختی غشاء پلیمری را به صورت دو بعدیمدل‌سازی کردند، آن‌هاهمچنینجریان‌های واکنش دهنده‌ها در آند و کاتد را به صورت همسو و غیر همسو مدل کرده و نتایج آن را با هم مقایسه کردند.آن‌هانتیجه گرفتند که مدل‌سازی دو بعدی نقش مهمی بر رویپیش‌بینیصحیح عملکرد پیلسوختیایفامی‌کند، این امر در چگالیجریان‌هایپایینشدیدتر است. مار و لی [REF _Ref332025950 h * MERGEFORMAT18] اثراتساختاریاجزایتشکیلدهنده‌ییکلایهکاتالیست همگن را بر روی عملکرد پیلسوختی غشاء پلیمری مورد بررسی قرار دادند. آن‌هانتیجه گرفتند که به منظور دستیابی به بالاترینمیزانکاراییپیلاز نقطه نظر ساختاریباید همواره 40% از لایهکاتالیست از ذرات پلاتین–کربن(Pt/C)ساخته شده باشد. در سال 2010 خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]یک مطالعه جامع پارامتری را بر رویلایهکاتالیستی که به روش همگن مدل کرده بودند انجام دادند. در این مطالعه، اثر شش پارامتر ساختاری بر روی عملکرد پیلسوختی غشا پلیمری مورد بررسی قرار گرفت. آن‌ها نشان دادند که برخی از پارامتر هایساختارینظیر کسر حجمی فاز غشاء موجود در لایهکاتالیست، ضخامت لایهکاتالیست و بارگذاری کربن ازتأثیرگذارترینپارامترها بر رویمنحنیقطبیتپیل هستند.
علیرغمموفقیت‌های ذکر شده در مورد مدل همگن لایهکاتالیست،پیش‌بینی عملکرد سلول سوختی با استفاده از مدل همگن در چگالیجریان‌های بالا بسیارضعیف است و با نتایجتجربی اختلاف قابل ملاحظه‌ای دارد. این اختلاف به دلیل این است که افت غلظت در مدل همگن به خوبی و بدون استفاده از روابط تجربی قابل پیش‌بینینیست. اکنون مدل توده‌ای که کمی از مدل همگن نوین‌تر است می‌توانداین مشکل را مرتفع سازد.
گراف‌های میکرو الکترونی، بروکا و اکدونج[REF _Ref332026000 h * MERGEFORMAT19] نشان داد که ذرات Pt/Cموجود در لایه کاتالیست، نزدیک به یکدیگر و به شکل یک توده کروی انباشته شده‌اند، همچنیناین توده کروینیز با لایهنازکی از آیونومر احاطه شده است. آن‌هاهمچنینلایهکاتالیست کاتد را با استفاده از مدل همگن و توده‌ایشبیه‌سازی کرده و نتایجآن‌ها را با یکدیگرمقایسهکرده‌اند. سان و همکارانش [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]در سال 2005 مدل تودهای را برایبررسیاثر بارگذاریآیونومرنفیون و پلاتین بر روی عملکرد پیل مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها 36% را یک کسر وزنیبهینهبرایبارگذارینفیونبدست آوردند. در سال 2007 سیکنل و همکارانش [REF _Ref332026057 h * MERGEFORMAT21] الکترود کاتد یکپیلسوختی غشاء پلیمری را که بهروشتوده‌ای مدل شده بود با استفاده از روش بهینه‌سازی چند متغیرهبهینه کردند. آن‌هانتیجه گرفتند کههرچه شعاع ذرات توده ای موجود در لایهکاتالیست و همچنین ضخامتلایهآیونومر اطراف آن‌هاکوچک‌تر باشد، عملکرد پیلبهینه‌تر است. در واقع تا آنجایی که فرآیندهای ساخت اجازه می‌دهندباید شعاعذرات توده‌ای و ضخامت آیونومر دور آن‌ها کوچک باشد. آن‌ها کسر حجمیبهینه را برای فاز جامد و غشاء موجود در لایهکاتالیست به ترتیب 22.05% و 53.95% گزارش کردند. البته اینمقادیر در چگالیجریان‌های متوسط گزارش شده‌اند.
در سال 2012، کاماراجوگادا و مازومدر [REF _Ref332026073 h * MERGEFORMAT22]لایه کاتالیست را به روش توده‌ایمدل‌سازی کردند، البته یک فرق اساسی که مدلآن‌ها با سایر روش‌هایتوده‌ای داشت، این است که آن‌ها فرض کردند ذرات توده‌ای با شعاع‌های متفاوت با یکدیگر تداخل داشته باشند. نتایج کار آن‌ها نشان می‌دهد که تا هنگامی که اندازه ذرات توده‌ای کوچک (کوچکتر از nm 200) باشد، اثر آن‌ها بر روی منحنی قطبیت پیل اندک است. اما برای ذرات بزرگتر اثر آن‌هابر روی منحنی قطبیت قابل ملاحظه است. به ویژه در چگالی جریان بالا جایی که افت غلظت شدید بوده و مقاومت در برابر انتقال جرم به درون توده به شکل توده وابسته است، این اثر بحرانی‌تر خواهد بود. آن‌ها همچنین نتیجه گرفتند که کارایی پیل در این حالت نسبت به حالتی که توده‌ها به صورت کروی و جدا از هم هستند به ازای یک حجم یکسان به مراتب بیشتر است و به نتایج تجربی نیز نزدیکتر می‌باشد.
لایه نفوذ گاز و غشاءلایههای نفوذ گاز به دلیلیکنواخت کردن جریانگازهای واکنش دهنده بکار می‌روند. البته استفاده از اینلایه‌ها باعث کاهش فشار واکنش دهنده‌ها نیزمی‌گردد. غشاء نیزیکلایه مرطوب می‌باشد که پروتون‌ها از طریق آن از آند به سمت کاتد مهاجرت می‌کنند. در پیل‌هایسوختی غشاء پلیمری از انواع نفیون‌ها به عنوان غشاء استفادهمی‌شود. میزان آب موجود در غشاء ازاهمیتویژه‌ای برخوردار است. تمامی خواص غشاء اعم از میزاننفوذ آب، قابلیت هدایتپروتونی و مقاومت پروتونی به میزان آب موجود در غشاء بستگی دارد. اگر دمایپیل بالا باشد (oC100) ممکن است که رطوبت غشاء از دست برود و مقاومت پروتونیکافزایشیابد. از سویدیگرزیادی آب درون غشاء باعث ایجادپدیدهغرقابی شده و منافذ نفوذ گاز را مسدود می‌کند.
اثر دما و ضخامت غشاء بر بازده پیل سوختی و اثر انتقال آب در داخل لایه غشاء، مواردی هستند که اشپرینگر و همکارانش [REF _Ref332026117 h * MERGEFORMAT23]در مدل‌سازی پیل سوختی با استفاده از روش لایه نازک به بررسی آن‌ها پرداخته‌اند.اشپرینگر و همکارانش در سال 1991یکپیلسوختیپلیمری با نفیونN117 به عنوان غشاء مدل‌سازی کردند. آن‌ها هوا و هیدروژنورودی به کاتد و آند را کاملاً اشباع در نظر گرفتند. آن‌ها اثر برخی از پارامترهایساختاری و عملکردیپیل را بر رویکاراییپیل مورد بررسی قرار دادند، و به طور خاص اثر جزء آب موجود در غشاء و دما را بر روی مقاومت پروتونیک غشاء و در نتیجهکاراییپیل مورد بررسی قرار دادند. آن‌هانتیجه گرفتند که هر چه دمایپیلسوختی بالاتر باشد و همچنین هر چه ضخامت غشاء بیشتر باشد جزء آب موجود در غشاء کاهش و در پی آنمقاومت پروتونیک غشاء افزایشمی‌یابد.آن‌ها به این نتیجه رسیدند که با افزایش چگالی جریان پیل، مقاومت غشاء نیز افزایش مییابد، که برای کاهش این مقاومت میتوان از غشاء با ضخامت کمتر استفاده نمود، همچنین دریافتند که نسبت شارخالص آب عبوری به شار پروتون در داخل غشاء، از میزان پیش‌بینی شده توسط پدیده کشش الکترواسمزی بسیار کمتر است.
موتوپالی و همکارانش [REF _Ref332026155 h * MERGEFORMAT24] نفوذ آب درون نفیونN115 را مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها شار نفوذ آب را در درون غشاء با استفاده از قانون فیک مدل کردند. نتایج کار آن‌ها نشان داد که گرادیانضریبفعالیت آب در داخل غشاء به فشار عملکرد پیلسوختیبستگی دارد. شان-های و بائو-لیان [REF _Ref332026180 h * MERGEFORMAT25]اثر نوع جریانواکنشگرها در کانال‌هایورودی (همسو و غیر همسو) را بر رویفرآیندهای انتقال درون غشاء (مهاجرت پروتون و انتقال آب)، مقاومت اهمیک و توزیع آب درون غشاء بررسی کردند. آن‌ها اثبات کردند که جریانغیر همسو می‌تواند باعث بهبود عملکرد پیلسوختی شود. جنگ و همکارانش [REF _Ref332026198 h * MERGEFORMAT26] نفوذ اکسیژن را در الکترود کاتد پیل سوختی با استفاده از یکضریبنفوذ معادل به صورت دو بعدی مدل کردند. آن‌ها اثر ضخامت لایه نفوذ گاز را بررسی کردند و اثبات کردند که هر چه ضخامت لایه نفوذ گاز کمتر باشد عملکرد پیلبهینه‌تر خواهد بود، البته این امر در مورد لایه‌های نفوذ گاز با تخلخل اندک می‌باشد.
اهداف پروژه و خلاصهای از کارهای صورت گرفتهبا توجه به مطالب ذکر شده در بخشهای قبلی میتوان نتیجه گرفت که به منظور طراحی صحیح و بهینه یک سیستم پیل سوختی نیازمند یک مدلسازی از عملکرد لایههای مختلف پیل سوختی نظیر مدلسازی لایه کاتالیست، لایه نفوذ گاز و غشاء هستیم. هدف اصلی از انجام این پایاننامه ارائه یک مدل کارآمد جهت پیشبینی عملکرد لایههای مختلف پیل و بررسی تاثیر پارامترهای مختلف (عملکردی و ساختاری) بر روی کارایی پیل میباشد. این مدل میتواند آغاز راه برای سازندههای پیل سوختی غشاء پلیمری باشد.
از اینرو در اینپایان‌نامهمدل‌سازییکبعدی عملکرد یکپیلسوختی غشا پلیمری انجام می‌پذیرد، و تمامیلایه‌هایاینپیلسوختی تک سلولیشبیه‌سازیمی‌شوند. مدل ارائه شده برایلایهکاتالیست، مدل توده‌ایمی‌باشد. این مدل افت غلظت موجود در منحنیقطبیتپیل را که در چگالیجریان بالا اتفاق می‌افتد بدون اضافه کردن روابط نیمهتجربی مربوط به افت غلظت درستپیش‌بینیمی‌کندهمچنین در حالتی که اندازه تودهها به سمت صفر میرود(تودههای بسیار کوچک) این مدل به مدل همگن ساده میشود. لایه‌های نفوذ گاز نیز که در دو طرف آند و کاتد پیل قرار دارند با استفاده از معادلات مربوط به نفوذ گازهای چند جزئی مدل شده‌اند. غشاء نیز با مدل کردن انواع مکانیزم‌های انتقال آب که در آن وجود دارد شبیه‌سازی شده است. عملکرد یکپیلسوختی توسط منحنی ولتاژ بر حسب چگالیجریانبیانمی‌شود. این عملکرد با کسر نمودن افت‌های مربوط به ولتاژ فعال‌سازی، اهمیک و غلظت از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل در یکچگالیجریان بدست می‌آید. سپس با تغییرچگالیجریان، منحنیجریان–ولتاژ پیل بدست می‌آید. در اینپایان‌نامه معادلات حاکم بر عملکرد لایه‌های مختلف پیل (که ترکیبی از معادلات دیفرانسیل و معادلات جبریمی‌باشند) بدست آمده سپس این معادلات حل می‌گردد تا افت‌هایقید شده بدست آید. در انتها یکسری مطالعات پارامتری به منظور بررسیمیزانحساسیت تابع عملکرد به یکسریپارامترها انجام می‌پذیرد.

فصل دوممدل‌سازی لایه کاتالیست به روش توده‌ای و نتایج آن25050754247515020000
معرفی لایه کاتالیستلایه کاتالیست لایه بسیار نازکی است که بین غشاء و الکترود (ناحیه‌ی متخلخل) فشرده شده است. در این ناحیه واکنش الکتروشیمیایی رخ می‌دهد و بهطوردقیق‌تر واکنش الکتروشیمیایی در سطح کاتالیست رخ می‌دهد. سهمؤلفه که شامل الکترون‌ها و پروتون‌ها و گازها هستند در واکنش شرکت می‌کنند بنابراین واکنش در ناحیه‌ای رخ می‌دهد که این سه ماده وجود داشته باشند. الکترون‌ها از جامدی که رسانای الکتریسیته است عبور می‌کند و خود را به سطح کاتالیست می‌رساند. پروتون‌ها نیز از فاز غشاء عبور می‌کنند و خود را به سطح کاتالیست می‌رساند و در نهایت گازهای واکنش‌دهنده از منافذ خالی عبور می‌کنند. بنابراین الکترود باید متخلخل باشد تا به گازها اجازه دهد به محل انجام واکنش برسند. آب تولید شده بایستی بهصورت موثر و بهینه خارج شود، در ضمن ممکن است که پدیده غرقابی رخ دهد، در این حالت آب مایع منافذ خالی الکترود را می‌پوشاند و مانع رسیدن گازها (اکسیژن) به لایه کاتالیست(کاتد) می‌شود.
همان‌طور که در REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (الف) مشاهده می‌شود واکنش در مرز سه فازی رخ می‌دهد که شامل فاز غشاء، فاز جامد و فضای خالی می‌باشد. البته اگر فاز غشاء جامد باشد این مرز دو فازی خواهد بود. این ناحیه گاهی تنها بهصورت یک سطح تداخلی در نظر گرفته می‌شود. در عمل چون ممکن است نفوذ گاز از غشاء صورت گیرد، ناحیه‌ی واکنش بزرگ‌تر از یک خط مرزی سه فازی است. محیط واکنش ممکن است با وجود نفوذ غشاء به قسمتی از کاتالیست بهصورت یک ناحیه در نظرگرفتهشود( REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (ب)). اما در اغلب موارد، تمام سطح کاتالیست با فاز غشاء پوشیده می‌شود( REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (پ)). مسلماًیک حالت بهینه برای کسر حجمیهریک از این‌ فازهای غشاء، جامد و فضای خالی به منظور بهترین کارکرد لایه‌ی کاتالیست قابل حصول است.
متداول‌ترین کاتالیستی که در پیل‌های سوختی پروتونی برای واکنش کاهش اکسیژن و اکسایش هیدروژن کاربرد دارد، پلاتین است. در پیل‌های قدیمی مقادیر زیادی پلاتین استفاده می‌شد(mg/cm2 28). در اواخر سال 1990 این مقدار به mg/cm20.3-0.4رسید. مسئله مهم در ساختمان کاتالیست‌ها سطح آن‌هاست نه وزنشان، زیرا هر چه که سطح کاتالیست بیشتر باشد، سطوح انجام واکنش افزایش مییابد، بنابراین ذرات پلاتین بایستی ریز باشند (کمتر از nm4) زیرا به ازای یک مقدار بارگذاری معین هر چه ذرات کاتالیست ریزتر باشند سطوح انجام واکنش افزایش مییابد.
(الف) (ب) (پ)

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 1: نمایش گرافیکی سطحی که در آن واکنش رخ می‌دهد[REF _Ref332025524 h8].برای به حداقل رساندن افت پتانسیل که ناشی از کاهش نرخ انتقال پروتون و نفوذ گازهای واکنش‌دهنده به عمق لایه‌ی کاتالیست می‌باشد، این ناحیه بایستی به اندازه‌ی کافی نازک باشد. همزمان بایستی مساحت سطح موثر پلاتین نیز ماکزیمم باشد و برای این منظور ذرات پلاتین نیز بایستی تا حدامکان کوچک باشد. بهخاطر دلیل اول بایستی ذرات پلاتین– کربن(Pt/C) هرچه زیادتر باشد (از لحاظ وزنی این کسر بالاتر از 40٪ باشد)، از طرفی ذرات پلاتین باید کوچک‌تر باشند، تا سطح موثر واکنش، با وجود درصد بارگذاری کمتر، افزایش یابد ( REF _Ref331265979 h * MERGEFORMAT جدول ‏21).
باربیر [REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8] گزارش کرده است که عملکرد پیل وقتی که درصد ذرات پلاتین –کربن(Pt/C) بین 10٪ تا 40٪ با بارگذاری mg/cm20.4 می‌باشد، تغییری نمی‌کند. اما عملکرد پیل وقتی که درصد ذرات پلاتین – کربن(Pt/C) از 40٪ بیشتر می‌شود، کاهش می‌یابد. این مسئله بیانگر این واقعیت است که هنگامی که درصد ذرات پلاتین–کربن(Pt/C) در گستره‌ی 10 تا 40٪ باشدتغییر قابل چشم‌پوشی برای مساحت سطح موثر کاتالیست و در گستره بالاتر از 40٪کاهش قابل ملاحظه‌ای در سطح موثر لایه‌ی کاتالیست اتفاق میافتد.
REF _Ref331265979 h * MERGEFORMAT جدول ‏21[REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8] مساحت موثر کاتالیست را برای درصدهای مختلف پلاتین – کربن (Pt/C) نشان می‌دهد.
در عمل بارگذاری بیشتر پلاتین، پتانسیل بیشتر و عملکرد بهتر را برای پیل به ارمغان می‌آورد (با فرض قابل استفاده بودن و ضخامت معقول برای لایه‌ی کاتالیست). نکته‌ی کلیدی برای بهبود عملکرد پیل‌های سوختی افزایش بارگذاری پلاتین نیست بلکه افزایش استفاده از کاتالیست (افزایش سطح موثر) است.
جدول STYLEREF 1 s‏2SEQ جدول_ * ARABIC s 1 1: مساحت موثر کاتالیست برای درصدهای مختلف پلاتین – کربن.Active Area, m2/gPt XRD Pt Crystallite Size, nm Wt. % Pt on Carbone
(Pt/C)
120 2.2 40
105 2.5 50
88 3.2 60
62 4.5 70
20-25 5.5-6 Pt Black
شرح پدیده‌هایی که در لایه کاتالیست رخ می‌دهدهمان‌طور که در بخش REF _Ref330375638 n h * MERGEFORMAT ‏1-8-1-اشاره شد، لایه کاتالیست را عموماً به سه روش زیر مدل‌سازیمی‌کنند:
مدل لایه نازک
مدل همگن
مدل توده ای
اختلاف اصلی بین این سه روش را می‌توان در مکانیزم انتقال اکسیژن جستجو کرد در حالی که مدل‌های نام برده در نحوه انتقال الکترون و پروتون به یکدیگر شباهت زیادی دارند.
از آنجایی که در دهه اخیر از مدل سوم یعنی توده‌ای بیشتر از دو مدل دیگر استفاده شده است، لذا فقط به معرفی ابتدایی دو مدل اوّل بسنده کرده‌ایم، و برای مدل‌سازی لایه کاتالیست از مدل توده‌ای که جامع‌تر از دو مدل قبلی است و نواقص آن دو مدل را پوشش می‌دهد استفاده شده است.
مدل لایه نازکدر مدل لایه نازک[REF _Ref332026335 h * MERGEFORMAT27] فرض بر این است که در لایه کاتالیست، ذرات پلاتین روی سطح کربن قرار داده شده و همان‌گونه که در REF _Ref331173016 h * MERGEFORMAT شکل ‏22نشان داده شده است این ذرات بوسیله الکترولیتی احاطه می‌شوند که با حفره گاز در تماس است. در اینمدل تقارن محوری وجود دارد که در REF _Ref331173016 h * MERGEFORMAT شکل ‏22با خط چین نشان داده شده است، بنابراین در فاصله‌یحفره‌ی گاز و الکترولیت، هیچ شاری از صفحات متقارن عبور نمی‌کند (شرط تقارن). در این مدل ضخامت الکترولیت و فاصله بین ذره‌ای، ثابت در نظر گرفته می‌شود، همچنین تخلخل لایه کاتالیست در این مدل صفر است. فرآیندهای انتشار، همدما بوده و سیستم نیز در شرایط حالت پایا فرض می‌شوند.
مدل لایه نازک معمولاً هنگامی استفاده می‌شود که هدف ما مطالعه اثرات ترکیب لایه کاتالیست نباشد [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11]. در این مدل لایه کاتالیست به صورت لایه بسیار نازکی فرض می‌شود و با فرض اینکه همه خواص در این لایه یکنواخت باشند، ترکیب و ساختار آن در نظر گرفته نمی‌شود. سپس این لایه به صورت فاصله‌ای مابین غشاء و لایه نفوذ گاز ملاحظه می‌شود.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 2: شماتیک مدل لایه نازک با تقارن محوری نشان داده شده بوسیله خط چین [REF _Ref332026373 h * MERGEFORMAT28].به منظور مدل کردن اثر لایه کاتالیست بر کارایی پیل در این مدل، تنها یک معادله مورد استفاده قرار می‌گیرد (معادله تافل) که در هنگام مدل سازی به صورت یک شرط مرزی بین لایه نفوذ گاز و غشاء مطرح می‌شود. همان‌گونه که اشاره شد، به نظر می‌رسد که این مدل زمانی کافی باشد که اثرات دیگر، نسبت به اثرات لایه کاتالیست دارای اهمیت بیشتری باشند.
مدل همگنمدل همگن را می‌توان شکل اصلاح شده مدل لایه نازک نامید. در این مدل، لایه کاتالیست به صورت یک ساختار متخلخل متشکل از: یک ماده هادی جامد (معمولاً کربن)، کاتالیست (معمولاً پلاتین) و یک الکترولیت (معمولاً نفیون) ساخته می‌شود، REF _Ref331173107 h * MERGEFORMAT شکل ‏23.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 3: تصویر شماتیک لایه کاتالیست سمت کاتد بر اساس مدل همگن[REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14].مدل همگن فرض می‌کند که فضای حفره، ماده هادی جامد و الکترولیت بهطور یکنواخت در لایه کاتالیست توزیع شده‌اند، این واقعیت در REF _Ref331173169 h * MERGEFORMAT شکل ‏24به خوبی به تصویر کشیده شده است.
واکنش روی سطح ذرات کاتالیست نهاده شده روی ماده هادی جامد اتفاق می‌افتد. بنابراین پروتون‌ها، الکترون‌ها و اکسیژن باید از میان لایه کاتالیست عبور کنند تا به محل انجام واکنش برسند. در لایه کاتالیست کاتد، الکترون‌ها از طریق ماده هادی جامد، پروتون‌ها از طریق الکترولیت و اکسیژن از طریق فضای حفره انتقال داده می‌شوند. مسیر انتقال اکسیژن به دو صورت فرض می‌شود. برخی از محققین فرض می‌کنند که اکسیژن از طریق آب مایعی که فضاهای حفره را پر می‌کند انتقال داده می‌شود [REF _Ref332025887 h * MERGEFORMAT15]. برخی دیگر از محققین فرض می‌کنند که اکسیژن از طریق انتشار در فاز گاز در میان حفره‌های گازی انتقال داده می‌شود [REF _Ref332026434 h * MERGEFORMAT29-REF _Ref332026924 h * MERGEFORMAT33]. هر دو فرض مدلی را نتیجه می‌دهند که برخی از اثرات بسیار مهم که در لایه کاتالیست اتفاق می‌افتد را شرح می‌دهند. هر دو فرض، همچنین ترکیب لایه کاتالیست را از طریق ربط دادن خواص لایه کاتالیست به نسبت حجمی هر فاز نشان می‌دهند.

شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 4: نمایی از لایه کاتالیست همگن و تودهای و اجزاء تشکیل دهنده آنها.مدل توده‌ایدر سال 1980 ایزکوفسکی و کاتلیپ جزء اولین کسانی بودند که مدل توده‌ای را برای شبیه‌سازی لایه کاتالیست به کار بردند. آن‌ها از توده‌های استوانه‌ای برای شبیه‌سازی خود استفاده کردند و نشان دادند که لایه کاتالیست از توده‌های کربن تقویت شده توسط پلاتین ساخته شده است که بوسیله لایه‌ای نازک از نفیون احاطه شده و بوسیله حفره‌ها از هم جدا می‌شوند. این توده‌ها اگلومریتنامیده می‌شوند. توده‌ها، کره‌هایی از الکترولیت معمولاً نفیون، هستند که با کربن و ذرات پلاتین پر شده‌اند و دارای شعاع حدوداً یک میکرونهستند [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20].این مدل، از جدیدترین مدل‌هایی است که برای لایه کاتالیست پیل سوختی ارائه شده است، REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) یک نمای میکروسکوپیک از لایه کاتالیست که حاوی ذرات اگلومریت (توده) است را نشان می‌دهد.REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) نشان می‌دهد که ذرات تودهای از یک طرف با فیبرهای (رشته‌های) کربن موجود در لایه نفوذ گاز که در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز قرار دارد در تماس بوده، و از طرف دیگر نیز در تماس با آیونومر الکترولیت موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با غشاءمی‌باشند. در این بین، ذرات تودهای به صورت نامنظم در آیونومر موجود در لایه کاتالیست مستغرق می‌باشند. همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) دیده می‌شود یک سری فضای خالی ما بین این ذرات وجود دارد، معمولاً فرض می‌شود که این فضاهای خالی با آب مایع بوجود آمده ناشی از انجام واکنش کاملاً پر می‌شود. این فرض مخصوصاً در مورد پیل‌های دما پایین که در آن‌ها تمامی آب تولیدی به صورت آب مایع می‌باشدصحیح بهنظرمی‌رسد. به این حالت، حالت غرقابی کاملمی‌گویند. REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25 (ب) نمای بزرگ شده یکی از هزاران توده‌یموجود در لایه کاتالیست را نشان می‌دهد. این ذرات با یک فیلم بسیار نازک از آیونومر احاطه شده‌اند. همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) دیده می‌شود ذرات پلاتین که بروی ذرات کربن بار گذاری شده‌اند و بوسیله آن‌ها تقویت شده‌اند به صورت کاتوره‌ایدرون آیونومر موجود در توده پخش شده‌اند.
به صورت کلی نفوذ اکسیژن از مرز مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست تا درون هر توده‌ی موجود در لایه کاتالیست را می‌توان به ترتیبدر فرآیندهای زیر خلاصه نمود:
نفوذ اکسیژن به درون لایه کاتالیست با حل شدن در آب مایع موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز،
حل شدن اکسیژن در فاز آیونومر و همچنین فضاهای خالی پر شده از آب مایع، به منظور رسیدن به سطح توده‌ها،
نفوذ اکسیژن به درون فیلم آیونومر اطراف هر اگلومریت،
حل شدن اکسیژن درون توده و واکنش کاهش اکسیژن درون سایت‌های انجام واکنش (پلاتین‌ها).
REF _Ref331173381 h * MERGEFORMAT شکل ‏26تصویر میکروالکترونی (SEM)از توده‌ها را نشان می‌دهد. در شکل ناحیه خاکستری روشن آیونومر است. انتقال گاز در کاتالیست توسط حفره‌های ماکرو در ابعاد m10-1آسان‌تر می‌شود. قطر ذراتکاتالیست پلاتین حدود3 nm است.همان‌طور که در REF _Ref331173381 h * MERGEFORMAT شکل ‏26مشاهدهمی‌شود مدل تودهای به تصاویر میکروالکترونیلایه کاتالیست بسیار شبیه تر ازمدل همگن است.
با توجه به مطالب گفته شده می‌توان گفت که روش همگن نسبت به روش توده‌ای از دقت کمتری برخوردار است. مطالعات بسیاری نشان داده‌اند که مدل انباشته پیشگویی‌های بهتری نسبت به نتایج آزمایشگاهی در اختیار قرار می‌دهد [REF _Ref332026000 h * MERGEFORMAT19]. مدل‌های انباشته نیازمند پارامترهایی هستند که به صورت تجربی تعیین شده‌اند و این امر می‌تواند دلیلی برای نزدیک‌تر بودن نتایج مدل نسبت به نتایج آزمایشگاهی باشد.
(الف)
(ب)
شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 5: (الف) نمای لایه کاتالیست به روش توده‌ای که بین لایه نفوذ گاز و غشاء فشرده شده است (ب) نمای بزرگ شده از یک عدد توده موجود در لایه کاتالیست.
شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 6: تصویر SEM لایه کاتالیست [REF _Ref332026000 h19].استخراج روابط حاکم بر مدل تودهایشبیهسازی انجام شده بر اساس مدل توده‌ای بوده و بر فرضیات زیر استوار می‌باشد:
الف) پیل سوختی غشاء پلیمری در حالت پایا کار می‌کند.
ب) تمامی واکنش‌ها در دما و فشار ثابت انجام می‌شوند.
پ) گازها ایده آل فرض می‌شوند.
ت) کاتد و آند پیل سوختی به ترتیببا اکسیژن و هیدروژن خالص تغذیه می‌شوند.
ث)حفرههای موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز و همچنین فضای خالی بین ذرات توده‌ای پر از آب مایع در نظر گرفته شده است (شرایط کاملاً غرقابی).
ج) ذرات توده‌ای به صورت کروی و با شعاع یکسان در نظر گرفته می‌شوند.
چ) تمامی واکنش‌هایی که در لایه کاتالیست رخ می‌دهند مرتبه اوّل می‌باشند، این بدین معنی است که نرخ مصرف اکسیژن در لایه کاتالیست کاتد با غلظت آن متناسب است.
دراین بخش معادلات دیفرانسیل معمولی حاکم بر لایه کاتالیست کاتد شرح داده می‌شود:
نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل توده‌ایاستخراج معادله نرخ واکنش الکتروشیمیایی مستلزم شبیه‌سازی کامل فرآیندها نفوذ اکسیژن در لایه کاتالیست می‌باشد (فرآیندهای بخش REF _Ref331683273 r h * MERGEFORMAT ‏2-2-3-). بنابراین این بخش به چهار زیر بخش تقسیم شده است و در هر زیر بخش قسمتی از نفوذ اکسیژن مدلسازی شده است.
واکنش کاهش اکسیژن درون تودهدر ابتدا مکانیزم نفوذ اکسیژن درون هر توده، یعنی فرآیند 4 بخش REF _Ref331683273 r h * MERGEFORMAT ‏2-2-3- مدل می‌شود.
قانون بقای مولی برای اکسیژن درون یک توده در حالت پایا به صورت زیر بیان می‌گردد:
(2- SEQ 2- * ARABIC1)که در آن(ترم چشمه) بیان کننده نرخ اکسیژن مصرفی ناشی از واکنش الکتروشیمیایی درون توده است. انتقال جرم اکسیژن درون تودهبا استفاده از قانون فیک به صورت زیر مدل می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC2)که در آن ضریب نفوذ مؤثر اکسیژن درون یک توده است. از آنجا که اکسیژن برای نفوذ در هر توده باید در آیونومر موجود در آن توده حل شود لذا این ضریب نفوذ مؤثر را می‌توان با استفاده از تصحیح برگمان در محیط متخلخل به صورت زیر گزارش کرد:
(2- SEQ 2- * ARABIC3)
که در آن Li,agg کسر حجمی فاز غشاء موجود در هر توده می‌باشد. نیز ضریب نفوذ اکسیژن درون آیونومر است که خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] از داده های تجربی فرمول زیر را با برازش منحنی پیشنهاد می‌کنند:
(2- SEQ 2- * ARABIC4)
اکنون با توجه به فرض آخر در بخش REF _Ref331435271 r h‏2-3-(فرض (چ))، نرخ حجمی مصرف اکسیژن به صورت زیر بیان می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC5)که در آن kCثابت نیمواکنش سمت کاتد می‌باشد. و علامت منفی در معادله REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) بیانگر مصرف اکسیژن می‌باشد.
با جایگذاری معادلات REF _Ref330398315 h * MERGEFORMAT (2- 2) و REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) در معادله REF _Ref330398327 h * MERGEFORMAT (2- 1)می‌توان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC6)اکنون اگر معادله REF _Ref330580384 h * MERGEFORMAT (2- 6) برای یک ذره توده‌ای کروی شکل در دستگاه مختصات کروی بسط داده شود، میتوان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC7)معادله REF _Ref330398567 h * MERGEFORMAT (2- 7) یک معادله دیفرانسیل معمولی مرتبه دوم می‌باشد، بنابراین دو شرط مرزی برای حل آن نیاز است این دو شرط در ادامه توضیح داده شده‌اند(برای جزئیات بیشتر به REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) رجوع شود):
شرط مرزی در سطح داخلی توده،r = ragg: غلظت اکسیژن در سطح داخلی توده برابر با در نظر گرفته شده است( REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب)):
(2- SEQ 2- * ARABIC8)شرط مرزی در مرکز توده،r =: در مرکز توده شرط تقارن وجود دارد:
(2- SEQ 2- * ARABIC9)اگر معادله دیفرانسیل REF _Ref330398567 h * MERGEFORMAT (2- 7) با شرایط مرزی معادلات REF _Ref330399466 h * MERGEFORMAT (2- 8) و REF _Ref330399471 h * MERGEFORMAT (2- 9) حل شود آنگاه جواب زیر حاصل می‌گردد:
where and (2- SEQ 2- * ARABIC10)گروه بی بعد  که در معادله REF _Ref330399611 h * MERGEFORMAT (2- 10) ظاهر شده است را عدد تایلی یا مدول تایلی می‌نامند که برابر است با [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]:
(2- SEQ 2- * ARABIC11) REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27نحوه تغییرات شعاعی غلظت بی بعد اکسیژن را درون یک توده به ازای مقادیر مختلف عدد تایلی نشان می‌دهد.
بر اساس معادله REF _Ref330399927 h * MERGEFORMAT (2- 11) حالت  حداقل با یکی از دو شرایط زیر متناظر است:
الف)ragg: ذرات تودهای بسیار ریز باشند،
ب)kC : ترم چشمه، به سمت صفر میل کند.
حالت (الف) متناظر است با حالتی که ذرات تودهای بسیار ریز باشند، در این حالت مدل توده‌ای به مدل همگن ساده می‌شود، به زبان دیگر این حالت بسیار به مدل همگن و مفروضات همگن پخش شدن اجزاءدر لایه کاتالیست نزدیک است. از طرف دیگر حالت (ب) متناظر با حالتی است که مصرف اکسیژن درون لایه کاتالیست به صفر رسیده است. در هر صورت همان‌طور که در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27 مشاهده می‌شود حالت حدی  ناشی از هر دو حالت (الف) یا (ب) که باشد، منجربه توزیع تقریباً یکنواخت غلظت اکسیژن درون کل توده است.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 7: تغییرات شعاعی غلظت بی بعد اکسیژن درون یک توده برای مدول تایلی مختلف.از طرف دیگر حالت حدی (مثل = 10در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27) متناظر با مصرف بسیار زیاد اکسیژن درون لایه کاتالیست است، به نحوی که نرخ نفوذ اکسیژن درون توده بسیار کمتر از نرخ مصرف اکسیژن است. این امر سبب می‌شود که اکسیژن توانایی نفوذ به اعماق توده را نداشته باشد و پس از کمی نفوذ درون توده به سرعت مصرف گردد در این حالت غلظت اکسیژن در r* = 1 به سرعت افت می‌کند که در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27مشخص است.
نرخ حجمی واکنش کاهش اکسیژن[mol m-3 s-1]، که همان میانگین نرخ حجمی مصرف اکسیژن درون توده می‌باشد با انتگرال گیری بر روی حجم کل توده به صورت زیر قابل محاسبه است:
(2- SEQ 2- * ARABIC12)در معادله REF _Ref330580866 h * MERGEFORMAT (2- 12)، Vagg حجم یک توده می‌باشد، که برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC13)
اکنون معادله REF _Ref330399611 h * MERGEFORMAT (2- 10) در معادله REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) جایگذاری شده، و سپس حاصل آن در معادله REF _Ref330580866 h * MERGEFORMAT (2- 12) جایگذاری می‌شود و انتگرال روی حجم توده محاسبه می‌شود، نرخ میانگین حجمی مصرف اکسیژن به صورت بی‌بعد و بر حسب عدد تایلی بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC14)در فرمول REF _Ref330581539 h * MERGEFORMAT (2- 14)، مقدار نرمال شده (بی‌بعد) نرخ مصرف حجمی اکسیژن می‌باشد که برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC15)
طبق فرض (چ) در بخش REF _Ref331435271 r h‏2-3-، نرخ حجمی مصرف اکسیژن با غلظت آن متناسب است، بنابراین ماکزیمم نرخ حجمی مصرف اکسیژن درون توده که در r = ragg رخ می‌دهد برابر است با ( REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب)):
(2- SEQ 2- * ARABIC16)ضریب موثرEr، که نسبت میانگین نرخ حجمی مصرفی اکسیژن به ماکزیمم نرخ مصرف اکسیژن می‌باشد، به صورت زیر تعریف می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC17) در حالت حدی، معادله REF _Ref330583898 h * MERGEFORMAT (2- 17) مقدارErرا برابر با 1 پیش‌بینیمی‌کند. از این نکته در بخش بعد برای تطبیق دادن مدل همگن و توده‌ای در شرایط حدی فوق استفاده می‌شود. اکنون معادلات REF _Ref330584219 h * MERGEFORMAT (2- 16) و REF _Ref330583898 h * MERGEFORMAT (2- 17) برای بدست آوردن با هم ادغام می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC18)نفوذ اکسیژن درون فیلم آیونومر اطراف تودهاکسیژن از طریق نفوذ در لایه نازک اطراف توده به درون آن نفوذ می‌کند.وبهترتیب غلظت اکسیژن در سطحبیرونی و داخلی فیلم آیونومر میباشد، این موضوع در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) نشان داده شده است. اکنون شار مولی نفوذی اکسیژن به درون فیلم آیونومر اطراف هر توده را می‌توان با استفاده از مقاومت پخشی اکسیژن در مختصات کروی به صورت زیر بدست آورد:
(2- SEQ 2- * ARABIC19)agg، ضخامت مفروض لایه آیونومر اطراف توده است.
اگر aagg، سطح مؤثر (مساحت سطح مفید جهت نفوذ اکسیژن به درون تودهها نسبت به حجم لایه کاتالیست m/m) کل توده‌های موجود درون لایه کاتالیست باشد، اکنون نرخ کل اکسیژن مصرفی درون لایه کاتالیست برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC20)از سوی دیگر غلظت اکسیژن بر روی سطح بیرونی لایه آیونومر، ، با استفاده از قانون هانری قابل محاسبه است (قانون هانری در پیوست 2 توضیح داده شده است)، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC21)، ثابت هانری مربوط به انحلال اکسیژن درون آیونومر است. سان و همکارانش [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]مقدار آن را 0.3125 [atm m3 mol-1] گزارش کرده‌اند.
اکنون مقدار غلظت اکسیژن در سطح داخلی فیلم آیونومر، ، با ادغام معادلات REF _Ref330627395 h * MERGEFORMAT (2- 18)، REF _Ref330627402 h * MERGEFORMAT (2- 19)، REF _Ref330627421 h * MERGEFORMAT (2- 21)و REF _Ref330627456 h * MERGEFORMAT (2- 20) بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC22)نرخ واکنش الکتروشیمیایینرخ واکنش الکتروشیمیایی از ادغام قانون فارادی و معادله REF _Ref330398327 h * MERGEFORMAT (2- 1) به صورت زیر قابل محاسبه است(شرحی بر قانون فارادی در پیوست 1 آمده است):
(2- SEQ 2- * ARABIC23)CL تخلخل لایه کاتالیست است.
نهایتاً نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل توده‌ای با جایگزین کردن معادله REF _Ref330628360 h * MERGEFORMAT (2- 22) در معادله REF _Ref330627395 h * MERGEFORMAT (2- 18) و جایگذاری معادله حاصله درون رابطه REF _Ref330628414 h * MERGEFORMAT (2- 23) بدست می‌آید:
مدل توده ای:(2- SEQ 2- * ARABIC24)معادله REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24) از دو بخش تشکیل شده است:
and (2- SEQ 2- * ARABIC25)بعداً اثبات می‌شود که Term I در معادله REF _Ref330628753 h * MERGEFORMAT (2- 25) تنها بخشی از مدل توده‌ای است که در مدل همگن نیز وجود دارد، Term II یک بخش اضافی است که در مدل توده‌ای ظاهر شده است و مدل همگن فاقد آن است.Term II، ترمی است که شامل پارامترهای ساختاری و هندسی ذرات توده‌ای بوده و به صورت مستقیم به شرایط عملکردی و چگالی جریان پیل وابسته نیست، از طرف دیگر Term I ترمی است که کاملاً وابسته به شرایط عملکردی و چگالی جریان پیل می‌باشد. در بخش نتایج این دو ترم از نظر مرتبه بزرگی با یکدیگر مقایسه شده‌اند. به نظر می‌رسد که دلیل ایجاد افت غلظت در چگالی جریان بالا در منحنی قطبیت پیل در مدل توده‌ای، همین اختلاف بین دو مدل همگن و توده ای یعنی، Term IIباشد. در نبود این ترم، مدل توده‌ای به مدل همگن کاهش می‌یابد، که در این حالت مدل همگن قادر به پیش بینی افت غلظت در چگالی جریان‌های بالا نیست و این یکی از اصلی‌ترین معایب مدل همگن بشمار می‌رود.
در معادله REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24) تنها ترم مجهول kCمی‌باشد. این پارامتر با استفاده از بررسی یک حالت حدی که در آن مدل توده‌ای به مدل همگن کاهش می‌یابد بدست می‌آید. مدل همگن تحت شرایط زیر از مدل توده‌ای قابل بازیافت است:
Er 1  Term II  (ragg, agg)مدل همگن:
(2- SEQ 2- * ARABIC26)از طرف دیگر نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل همگن با استفاده از رابطه باتلر- ولمر به صورت زیر بدست می‌آید [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]:
مدل همگن:
(2- SEQ 2- * ARABIC27)نهایتاً kC از تساوی دو رابطه REF _Ref330630372 h * MERGEFORMAT (2- 26) و REF _Ref330630376 h * MERGEFORMAT (2- 27) بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC28)
aeff سطح موثر پلاتین بر واحد حجم لایه کاتالیست است ([m2 m-3]). aوcبه ترتیب ضرایب انتقال بار سمت آند و کاتد میباشد.چگالی جریان مرجع می‌باشد که پرتاساراتی و همکارانش [REF _Ref332026674 h * MERGEFORMAT34] فرمول زیر را از برازش داده های تجربی پیشنهاد داده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC29)
غلظت مرجع اکسیژن می‌باشد که خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] مقدار آن را 1.2mol m-3گزارش کرده‌اند.
انتقال جرم اکسیژنخواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] توزیع غلظت اکسیژن را بر حسب چگالی جریان محلی پیل (i) به صورت زیر بدست آورده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC30)که در آن Itotوبه ترتیب چگالی جریان پیل سوختی و ضریب نفوذ مؤثر کلی اکسیژن در کل لایه کاتالیست می‌باشد.
همان‌طور که قبلاً اشاره شد فرض بر این است که فضای خالی بین توده‌ها از آب مایع پر شده است، بنابراین همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(الف) دیده می‌شود دو مسیر موازی برای رسیدن اکسیژن به محل‌های انجام واکنش وجود دارد:
مسیر اول:انتقال اکسیژن به وسیله حل شدن در فاز آیونومر موجود در لایه کاتالیست.
مسیردوم: انتقال اکسیژن از طریق حل شدن در آب مایع موجود در فضای خالی بین ذرات توده‌ای.
اکنون برای محاسبه ، هر یک از دو مسیر بالا با یک مقاومت نفوذ بر اساس کسر حجمی متناظر با هر بخشی که اکسیژن به درون آن نفوذ کرده مدلسازی میشود.بر این اساس با در نظر گرفتن یک حجم کنترل به صورت کروی به شعاع r حول یک توده به شعاع raggمی‌توانمقاومت نفوذ به درون تودهاز طریق هر یک از مسیرها را به صورت زیر محاسبه کرد:
(2- SEQ 2- * ARABIC31)مقاومت نفوذ مسیر اول:
مقاومت نفوذ مسیر دوم:
در اینجا NوWبه ترتیب نشان دهنده زاویه‌ای از فاز آیونومر و بخش حفره در حجم کنترل انتخاب شده می‌باشد، که با توجه به کسر حجمی فازهای غشاء (Li)، فاز جامد (LS) و فضای خالی (CL) برابرند با:
(2- SEQ 2- * ARABIC32)ونیز به ترتیب ضریب انتشار مؤثر اکسیژن در آیونومر و آب مایع می‌باشد که با استفاده از تصحیح برگمان به صورت زیر به دست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC33)
(2- SEQ 2- * ARABIC34)
ضریب نفوذ اکسیژن در آب مایع می‌باشد که با استفاده از رابطه وایلک- چنگ بدست می‌آید [REF _Ref332027179 h * MERGEFORMAT35]:
(2- SEQ 2- * ARABIC35)
که در آن، وزن مولکولی آب بوده و برابر باg/mol 18 است.، حجم مولار اکسیژن در نقطه جوش نرمال است که برابر باcm3/mol 25.6است. پارامتر وابستگی است که برای آب مقدار آن 2.26می‌باشد.ویسکوزیته آب بر حسب سانتی پوآز [cP]می‌باشد، وایت[REF _Ref332027206 h * MERGEFORMAT36] مقدار آن را برای آب مایع به صورت زیر پیشنهاد کرده است:
(2- SEQ 2- * ARABIC36)
اکنون مقاومت معادل دو مقاومت موازی مسیرهای اول و دوم به صورت زیر قابل محاسبه می‌باشد:
(2- SEQ 2- * ARABIC37)
با جانشین کردن معادله REF _Ref330634607 h * MERGEFORMAT (2- 32) درمعادله REF _Ref330634616 h * MERGEFORMAT (2- 31) و استفاده از معادلههای حاصله در رابطه REF _Ref330634659 h * MERGEFORMAT (2- 37)مقدار بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC38)
محاسبه افت فعال‌سازیمقاومت در برابر عبور جریان پروتونی و الکترونی در فازهای غشاء و جامد موجود در لایه کاتالیست مربوط به افت فعال‌سازیمی‌باشد و با استفاده از قانون اهم بدست می‌آید. مار و لی [REF _Ref332025950 h * MERGEFORMAT18] رابطه زیر را بدست آورده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC39)که در آن، keffوeffبه ترتیب قابلیت هدایت مؤثر پروتونی و الکترونی فازهای غشاء و جامد در لایه کاتالیست می‌باشد، با استفاده از تصحیح برگمان و کسر حجمی متناظر با هر فاز میتوان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC40)
مقادیر kو در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 آمده است.
شرایط مرزیمعادلات حاکم بر انتقال اجزاء یک دستگاه معادلات دیفرانسیل معمولی بوده که شامل معادلات REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24)، REF _Ref330636162 h * MERGEFORMAT (2- 30) و REF _Ref330636169 h * MERGEFORMAT (2- 39)می‌باشد. این دستگاه معادلات مرتبه اول غیر خطی و کوپل است. برای حل این دستگاه سه شرط مرزی مستقل لازم است که در ادامه توضیح داده می‌شود:
شرایط مرزی در سطح مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست (z=0):حفره‌های موجود در سطح مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست پر از آب فرض شده‌اند(فرض (ث) در بخش REF _Ref331435271 r h ‏2-3-). بنابراین اکسیژن برای نفوذ به درون لایه کاتالیست باید در آب حل شود. از این‌رو غلظت اکسیژن در این مرز با استفاده از قانون هانری بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC41)که در آن ، ثابت هانری برای انحلال اکسیژن در آب می‌باشد. برناردی و همکارانش [REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] این پارامتر را به صورت تابعی از دمای پیل بر حسب atm m3 mol-1 گزارش کرده‌اند، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC42)
فرض بر این است که تمامی پروتون‌هایی که از لایه کاتالیست آند به سمت کاتد از درون غشاء مهاجرت می‌کنندقبل از رسیدن به مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز کاملاً مصرف می‌شوند، بنابراین در این مرز میزان چگالی جریان پروتونی محلی صفر خواهد بود.
(2- SEQ 2- * ARABIC43)این دومین شرط در این مرز می‌باشد.
شرط مرزی در سطح مشترک غشاء با لایه کاتالیست (z=LCL):چگالی جریان محلی در این مرز به بیشینه مقدار خود، یعنی چگالی جریان کلی پیل،Itot، می‌رسد:
(2- SEQ 2- * ARABIC44)جایگذاری معادله REF _Ref330637704 h * MERGEFORMAT (2- 44)در معادله REF _Ref330636162 h * MERGEFORMAT (2- 30) نتیجه می‌دهد که شار غلظت اکسیژن در این مرز برابر با صفر است، این یعنی اینکه اکسیژن موجود در لایه کاتالیست نمی‌تواند از طریق این مرز به داخل غشاء عبور کند (شار نفوذ اکسیژن در این مرز صفر است).
تمامی شروط مرزی را که در بخش‌های REF _Ref331452886 r h * MERGEFORMAT ‏2-7-1- و REF _Ref331452893 r h * MERGEFORMAT ‏2-7-2- توضیح داده شده است، به صورت شماتیکی در REF _Ref331453206 h * MERGEFORMAT شکل ‏28 نشان داده شده است.

شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 8: شماتیک شروط مرزی در دو طرف لایه کاتالیست.شرحی بر پارامترهای استفاده شده در مدل‌سازیمقدار برخی از پارامترهای ساختاری و عملکردی برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 گزارش شده است. باقیمانده پارامترها در ادامه توضیح داده می‌شوند.
مساحت سطح مؤثر پلاتیندر لایه‌های کاتالیست مدرن مساحت سطوح انجام واکنش بسیار بیشتر از مساحت اسمی لایه کاتالیست می‌باشد. این به دلیل زبری لایه کاتالیست است که مساحت واقعی واکنش را تا چندین هزار برابر افزایش می‌دهد[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. مساحت سطح مؤثر پلاتین،aeff، در حقیقت نسبت مساحت سطح واقعی انجام واکنش به حجم لایه کاتالیست است، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC45)در معادله REF _Ref330642170 h * MERGEFORMAT (2- 45)، l، نسبت سطح مؤثر پلاتین می‌باشد. As مساحت سطح واقعی واکنش بر واحد جرم پلاتین است. ایتک[REF _Ref332027291 h * MERGEFORMAT37] مقدار آن را به صورت تجربی بر حسب کسر جرمی پلاتین به فرم زیر بیان می‌کند:
(2- SEQ 2- * ARABIC46)
f نسبت بارگذاری جرمی پلاتین به بارگذاری جرمی کل فاز جامد (پلاتین + کربن) می‌باشد، یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC47)
mPtوmCبه ترتیب بارگذاری جرمی پلاتین و کربن است که مقدار آن‌ها برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 گزارش شده است.
تخلخل لایه کاتالیستمساحت سطح مؤثر توده‌ها برابر با سطح تمامی توده‌ها (سطح در دسترس برای نفوذ اکسیژن به درون توده‌ها) بر واحد حجم لایه کاتالیست است، و به صورت زیر بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC48)در رابطه REF _Ref330643201 h * MERGEFORMAT (2- 48)،CLبه منظور محاسبه سطح در دسترس برای نفوذ اکسیژن به درون توده‌ها بکار برده شده است. پارامتر n درمعادله REF _Ref330643201 h * MERGEFORMAT (2- 48)، تعداد توده‌ها بر واحد حجم لایه کاتالیست می‌باشد و به صورت زیر تعریف می‌گردد:
(2- SEQ 2- * ARABIC49)تعداد توده‌ها (#) از تقسیم زیر بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC50)
بنابراین:
(2- SEQ 2- * ARABIC51)که در آن Ls نسبت حجم کل Pt/C های موجود در لایه کاتالیست به حجم کل لایه کاتالیست است، یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC52)
و Li,agg کسر حجمی غشاء درون هر توده می‌باشد،یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC53)
که مقدار آن برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 آمده است.
از آنجایی که درون توده‌ها فقط ذرات Pt/Cو فاز آیونومر است لذا می‌توان نوشت که:
(2- SEQ 2- * ARABIC54)
شایان ذکر است که حجم هر یک از توده‌ها برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC55)
کسر حجمی فاز جامد در لایه کاتالیست،Ls، به بارگذاری پلاتین و کربن وابسته است، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC56)PtوCبه ترتیب چگالی پلاتین و کربن می‌باشد.
فاز آیونومر درون لایه کاتالیست از دو قسمت تشکیل شده است: (الف) آیونومر درون ذرات توده‌ای (ب) فیلم نازک آیونومر اطراف ذرات. بنابراین کسر حجمی فاز غشاء در کل لایه کاتالیست برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC57)
نهایتاً تخلخل لایه کاتالیست از کم کردن کسر حجمی فازهای غشاء و جامد از عدد یک بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC58)جدول STYLEREF 1 s‏2SEQ جدول_ * ARABIC s 1 2: پارامترهای عملکردی، فیزیکی و سینیتکی مدل (حالت پایه).پارامترها کمیت مقدار/مرجع
T دما، 50oC
P فشار گازهای ورودی، 5 atm
کسر مولی اکسیژن سمت کاتد، 100 %
کسر مولی هیدروژن سمت آند، 100 %
LCLضخامت لایه کاتالیست، 50 m [ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
Rohmic مقاومت اهمیک پیل، 0.47×10-4m2[ REF _Ref332027389 h * MERGEFORMAT 38]
mPtبارگذاری جرمی پلاتین بر واحد سطح کاتد،0.0035 kg m-2[ REF _Ref332027389 h 38]
mC بارگذاری جرمی کربن بر واحد سطح کاتد، 0.045 kg m-2[ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
Pt چگالی پلاتین،21400 kg m-3C چگالی کربن، 1800 kg m-3
غلظت مرجع اکسیژن، 1.2 mol m-3[ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
Cضریب انتقال بار کاتدی، 1.0
a ضریب انتقال بار آندی، 0.5
k قابلیت هدایت حجمی پروتونی، 17 m-1[ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
 قابلیت هدایت حجمی الکترونی، 72700 m-1[ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
raggشعاع توده، 0.75 m

—196

مدل به نوعی ساده کردن واقعیت است و می‌تواند چیزهای واقعی یا ذهنی از یک حوزه خاص را ارائه می‌کند. یک مدل خوب شامل عناصر مؤثر و حذف عناصر غیر مؤثر که ربط مستقیم در فرآیند نداشته و یا اینکه پیچیدگی مدل را افزایش می‌دهد، است. هر سیستم ممکن است از جنبه‌های مختلف توسط مدل‌های مختلف مورد بررسی قرار بگیرد.
بطور کلی مدلسازی باعث می‌شود که درک بهتری از رفتار سامانه حاصل شود، مدل امکان مشخص کردن ساختار و رفتار سیستم را حتی قبل از ساخت را خواهد داد. در نتیجه امکان برطرف کردن معایب سیستم حتی قبل از تولید را به ما خواهد داد؛ که بالطبع خود موجب صرفه‌جویی زیاد در هزینه و زمان خواهد شد. با درک رفتار سیستم امکان کنترل سیستم و روند آن را داشته و با درک بهتر سیستم، مدیریت ریسک سیستم و استناد به روش‌ها و تغییرات اعمال شده بر سیستم مستند خواهد شد. در واقع می‌توان گفت مدل خلاصه‌ای از واقعیت را نشان می‌دهد. به بیان دیگر نمایش کلیات و یا فیزیک یک شیء یا سیستم و سامانه را از یک نقطه نظر و نگاه خاص را مدل می‌نامند.
مدلسازی؛ فرایند ایجاد و انتخاب مدل‌ ها را مدل‌سازی نامیده اند. مدل‌ها ، انواع گوناگون داشته (مثل فیزیکی، ریاضی، عددی، نرم‌افزاری، و ...) و کاربردهای حیاتی متنوّع و فراوانی در همه زمینه‌های علوم و فن‌آوری دارند. تبدیل یک مفهوم فیزیکی، به زبان ریاضی، نوعی از مدل‌سازی است.که هرچه مفاهیم زبان ریاضی استفاده شده در آن ساده‌تر باشند، مدل‌سازی ارزش بیشتری دارد.
در مدل‌سازی ابتدا اجزای محیط واقعی انتخاب شده و متناسب با هدف مورد نظر از مدل‌سازی خصوصیاتی از هریک از اجزای واقعی انتزاع می‌شود، یعنی به ازای هزیک از اجزای محیط واقعی یک موجودیت مصنوعی ساخته می‌شود و با برقراری ارتباطی مشابه با ارتباط اجزای واقعی، در میان موجودیت‌های مصنوعی، محیط واقعی مدل می‌شود. پس می‌توان گفت که هدف از مدل‌سازی دو چیز می‌باشد:
شناخت
تنها یک جنبه از مدل‌سازی را بیان می‌کند و آن جنبه شناخت می‌باشد. یعنی در مدلسازی‌های مشابه مدل‌سازی فوق‌الذکر، هدف از مدل‌سازی تنها شناخت محیط مورد مدل می‌باشد.
تبیین
یک جنبه دیگر از مدل‌سازی، تبیین می‌باشد. یعنی گاه برای معرفی و ارائه خصوصیات یک موجودیت واقعی یک مدل از آن ارائه می‌شود. نقشه جغرافیایی مثال خوبی است که این جنبه از مدل‌سازی را مورد نظر دارد.
بر اساس تعریف مسئله، مدل‌سازی یکی یا هردو هدف را در نظر می‌گیرد.
حال به این سوال بر می‌خوریم که تفاوت مدلسازی با شبیه‌سازی چیست؟
پاسخ این است که مدل سازی گام اول شبیه سازی است. در شبیه سازی رفتار یک سیستم را بر اساس یک سناریو میخواهیم به دست بیاوریم که این رفتار را بر اساس روابط ریاضی یا نمیتوان بدست آورد یا بسیار پیچیده است.
بر اساس سناریوی تعریف شده رفتار مدل سازی شده و بعد مدل اعتبارسنجی شده و سپس رفتار سیستم بر اساس سناریو پیش‌بینی و شبیه‌سازی می گردد.
آنچه در این اثر به آن پرداخته شده؛ بترتیب فصول؛ عبارتند از: کامپوزیت‌های تأخیردهنده اشتعال، خواص اشتعال نانوکاپوزیت‌های پلیمری، پلی‌یورتان، مدلسازی پاسخ حرارتی کامپوزیت در شعله، و نهایتاً بخش اصلی که در آن ابتدا به تهیه و بررسی نانوکامپوزیت پلی‌یورتان/نانورس/اوره کندانس پرداخته و سپس به بحث مدلسازی پاسخ حرارتی نمونه و برررسی رفتار انتقال حرارت تک-بعدی و ارتباط تغییرات دما و جرم در کامپوزیت پلیمری ساخته شده از پلی‌یورتان/نانورس/اوره کندانس خواهیم پرداخت.
فصل دوم
مروری بر تحقیق‌های انجام شدهکامپوزیت های تأخیردهنده اشتعالمقدمهدر این بخش یک نگاه کلی به روش‌های افزودن و بهینه کردن خواص تأخیر اشتعال در کامپوزیت های تقویت شده با الیاف خواهیم داشت. روش های مورد استفاده فوق العاده متنوع و متفاوت می باشند. افزودنی های ساده آلیاژ شونده با ماتریس پلیمری یا پوشش های مقاوم در حرارت، روش‌های شیمیایی اصلاح ماتریس کامپوزیت‌هایی که سطح آنها با گرما به instumescence تبدیل می‌شود. همچنین روش هایی برای بهبود پایداری حرارتی و مقاومت در برابر آتش الیاف آلی مورد استفاده در کامپوزیت نیز مشخص شده است. روش معمول برای کاهش اشتعال پذیری کامپوزیت، افزودن پرکننده داخلی (مثل تالک، سیلیکا) یا پرکننده فعال حرارتی (مثل اکسیدهای هیدراته) به ماتریس پلیمری است. انواع پرکننده ها مکانیسم تأخیر اشتعال آنها و راندمان آنها زمانی که در مواد کامپوزیتی استفاده می شود شرح داده می شود بعد از آن به اصلاح ساختار شیمیایی پلیمیرهای آلی جهت بهبود مقاومت اشتعال پذیری با تکیه بر مکانیسم های تأخیر اشتعال و خواص برهمکنش شعله در پلیمرهای فسفره، کلره و برمه توضیح داده خواهد شد. برخی روش های گفته شده جهت تأخیر اشتعال صدها سال جهت کاهش اشتعال در پارچه لباس و چوب و اخیراً در پلیمرها و کامپوزیت‌های پلیمری کاربرد دارد. دیگر روش‌ها در 10 الی 50 سال گذشته ارائه شده است. چندین روش جدید نیز برای کاهش اشتعال‌پذیری در حال تکمیل و بهبود است و چشم انداز بزرگی جهت تأخیر اشتعال کامپوزیت ها را پیشنهاد می کنند. دیگر روش های موجود عبارتند از پلیمریزاسیون پیوندی اجزای تأخیردهنده اشتعال به پلیمر آلی و پلیمرهای با ساختار غیر معدنی غیر قابل اشتعال نیز از این روش‌ها است. چرخه اساسی اشتعال کامپوزیت‌های پلیمری به صورت شماتیک در REF _Ref384714541 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 نشان داده شده است.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: چرخه اشتعال کامپوزیت‌های پلیمری در آتش.علامت ضربدر مشخص کننده مراحلی از چرخه است که تاخیر دهنده اشتعال چرخه را بر هم میزند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Gibson</Author><Year>2007</Year><RecNum>345</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>345</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">345</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Gibson, AG</author></authors></contributors><titles><title>Fire properties of polymer composite materials</title></titles><volume>143</volume><dates><year>2007</year></dates><publisher>Springer</publisher><isbn>1402053568</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
دمای حاصل از تجزیه وابسته به طبیعت شیمیایی پلیمر و اتمسفر آتش است اما به صورت عمده این دما در محدوده 500-300 درجه سانتی گراد برای بیشتر پلیمرها و الیاف آلی مورد استفاده در کامپوزیت ها می باشد. همانطور که گفته شده گازهای حاصل از تجزیه از درون کامپوزیت به شعله جریان می یابد. در اینجا مواد ناپایدار قابل اشتعال با اکسیژن واکنش می دهد و به مقدار زیاد رادیکال فعال OH و H را تولید می کند. این رادیکال ها نقش مهمی در واکنش های زنجیره ای منجر به تجزیه و سوختن زنجیره ای پلیمرها و دیگر سوخت های آلی بازی می کند. واکنش های پیرولیز در شعله به صورت ساده به وسیله نهاد O2-H2 توصیف می شود:
( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 1)
( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 2)
واکنش گرمازای اصلی که بیشترین انرژی گرمایی در شعله را تولید می کند عبارتست از:
( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 3)
رادیکال های H تولید شده در واکنش REF _Ref384714697 h * MERGEFORMAT (‏22) و REF _Ref384714699 h * MERGEFORMAT (‏23) به واکنش REF _Ref384714752 h * MERGEFORMAT (‏21) برگردانده می شود بنابراین واکنش اشتعال باعث یک فرآیند خود انتشار متوالی یا واکنش زنجیره ای شده که تا زمانی که اکسیژن مورد نیاز لازم موجود باشد ادامه خواهد یافت. گرمای تولید شده دمای ناحیه اشتعال را بالا می برد و این عامل باعث افزایش شتاب نرخ تجزیه کامپوزیت خواهد شد. بسیاری از پلیمرها مثل پلی استرها، ونیل استرها و اپوکس ها با مقدار زیادی گازهای قابل اشتعال را آن می کنند که خود عاملی افزایش مقدار سوخت شعله خواهد شد. در این مواد تا زمان تخریب کامل ماتریس پلیمر اشتعال ادامه می یابد. اشتعال پذیری مواد کامپوزیتی به وسیله توقف یا کاهش واکنش های شاخه ای شدن زنجیردر مراحل REF _Ref384714752 h * MERGEFORMAT (‏21) و REF _Ref384714697 h * MERGEFORMAT (‏22) در چرخه احتراق کاهش می یابد. تأخیر دهنده های اشتعال پلیمرها به سه روش چرخه احتراق را قطع می کنند:
1- اصلاح فرآیند تخریب حرارتی برای کاهش میزان و یا انواع گازهای قابل اشتعال
2- تولید گازهای تجزیه که شعله و آتش را سریعاً سرد می کند . این عمل به وسیله حذف رادیکال های H و OH انجام می گیرد.
3- کاهش دمای مواد به وسیله اصلاح خصوصیات هدایت حرارتی و یا گرمای ویژه (این روش می تواند به تنهایی یا با دیگر روش ها به کار برده شود.)
به صورت کلی اغلب پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال به دو دسته فاز متراکم شونده و فاز گازی فعال تقسیم می شوند. این تقسیم بندی بستگی به این دارد که آیا در آنها مکانیسم تجزیه پلیمر مختل می شود یا احتراق در شعله. زمانی پلیمر در دسته فاز متراکم قرار می گیرد که در حالت جامد یا مذاب باشند. دسته فاز متراکم خود شامل چندین مکانیسم برای تأخیر اشتعال است که عبارتند از:
1- رقیق کردن مقدار ماده آلی قابل اشتعال به وسیله افزودن ذرات پرکننده داخلی.
2- کاهش دمای کامپوزیت به وسیله افزودن پر کننده هایی که به عنوان جاذب حرارتی عمل می کنند.
3- کاهش دما به وسیله افزودن پر کننده هایی که به صورت گرماگیر تجزیه شده و محصولاتی مانند آب یا دیگر محصولات غیر قابل اشتعال با ظرفیت حرارتی ویژه بالا تولید می کنند.
4- کاهش میزان نرخ رهایش حرارت به وسیله بکارگیری پلیمرهایی که توسط واکنش‌های گرماگیر تجزیه می‌شوند.
5- افزایش آروماتیسیته ماتریس پلیمری به منظور اینکه به یک سطح و لایه عایق فضای کربنی تجزیه شود که هدایت حرارتی درون کامپوزیت را کاهش می دهد و انتشار گازهای قابل اشتعال را کاهش دهد.
کامپوزیت های پلیمری که جزء تأخیر دهنده های اشتعال از نوع فاز گاز می باشند، به وسیله ممانعت از واکنش اشتعال عمل می‌کنند. در نتیجه هم کاهش انتشار شعله و هم بازگشت مقدار حرارت از سوی شعله به ماده را در این نوع مشاهده می‌شود. مکانیسم‌های موجود در نوع فاز گاز که به صورت گسترده جهت تأخیر اشتعال به کار گرفته شده است معمولاً رهایش رادیکال های بر پایه برومین، کلرین و فسفره را خواهند داشت که باعث اختتام واکنش های اشتعال گرمازا از طریق حذف رادیکال های H و OH از شعله خواهند شد. یکی دیگر از مکانیزم های معمول این دسته رهایش بخارات غیر قابل اشتعال برای رقیق کردن غلظت گازهای H و OH در شعله است. همچنین باعث کاهش دما نیز خواهد شد. در حالی که بسیاری از تأخیر دهنده های اشتعال تنها با یکی از مکانیسم های فاز متراکم و یا فاز گاز عمل می کنند، تأخیر دهنده هایی بیشترین تأثیر را دارند که از هر دو مکانیسم فازها در یک زمان واحد استفاده می کنند.
تأخیر دهنده‌های اشتعال برای کامپوزیت‌هامواد تأخیر دهنده اشتعال متنوعی برای پلیمرها و کامپوزیت های پلیمری ارائه شده است. در حدود 200-150 آمیزه و ماده مختلف برای استفاده وجود دارد. PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Sb3NlPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk4NzwvWWVhcj48UmVj
TnVtPjI3MDwvUmVjTnVtPjxEaXNwbGF5VGV4dD5bMi03XTwvRGlzcGxheVRleHQ+PHJlY29yZD48
cmVjLW51bWJlcj4yNzA8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48a2V5IGFwcD0iRU4iIGRi
LWlkPSJ6NXJ3eDVhZGRkdnJzM2VhZXg5cHphOXd6ejJlMjA1MHB0d3IiPjI3MDwva2V5PjwvZm9y
ZWlnbi1rZXlzPjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJKb3VybmFsIEFydGljbGUiPjE3PC9yZWYtdHlwZT48
Y29udHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+Um9zZSwgUEo8L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPk1h
cmssIEhGPC9hdXRob3I+PGF1dGhvcj5CaWthbGVzLCBOTTwvYXV0aG9yPjxhdXRob3I+T3ZlcmJl
cmdlciwgQ0c8L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPk1lbmdlcywgRzwvYXV0aG9yPjxhdXRob3I+S3Jvc2No
d2l0eiwgSkk8L2F1dGhvcj48L2F1dGhvcnM+PC9jb250cmlidXRvcnM+PHRpdGxlcz48dGl0bGU+
RW5jeWNsb3BlZGlhIG9mIHBvbHltZXIgc2NpZW5jZSBhbmQgZW5naW5lZXJpbmc8L3RpdGxlPjxz
ZWNvbmRhcnktdGl0bGU+TWFyaywgSEYsIEJpa2FsZXMsIE5NLCBPdmVyYmVyZ2VyLCBDRywgTWVu
Z2VzLCBHLiwgS3Jvc2Nod2l0eiwgSkksIEVkczwvc2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxw
ZXJpb2RpY2FsPjxmdWxsLXRpdGxlPk1hcmssIEhGLCBCaWthbGVzLCBOTSwgT3ZlcmJlcmdlciwg
Q0csIE1lbmdlcywgRy4sIEtyb3NjaHdpdHosIEpJLCBFZHM8L2Z1bGwtdGl0bGU+PC9wZXJpb2Rp
Y2FsPjxwYWdlcz40ODgtNTEzPC9wYWdlcz48ZGF0ZXM+PHllYXI+MTk4NzwveWVhcj48L2RhdGVz
Pjx1cmxzPjwvdXJscz48L3JlY29yZD48L0NpdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5NYWRvcnNreTwvQXV0
aG9yPjxZZWFyPjE5NzU8L1llYXI+PFJlY051bT4yODA8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVt
YmVyPjI4MDwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9yZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1
cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6MmUyMDUwcHR3ciI+MjgwPC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtl
eXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkJvb2siPjY8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhv
cnM+PGF1dGhvcj5NYWRvcnNreSwgU2FtdWVsIExlbzwvYXV0aG9yPjwvYXV0aG9ycz48L2NvbnRy
aWJ1dG9ycz48dGl0bGVzPjx0aXRsZT5UaGVybWFsIGRlZ3JhZGF0aW9uIG9mIG9yZ2FuaWMgcG9s
eW1lcnM8L3RpdGxlPjwvdGl0bGVzPjx2b2x1bWU+NTA8L3ZvbHVtZT48ZGF0ZXM+PHllYXI+MTk3
NTwveWVhcj48L2RhdGVzPjxwdWJsaXNoZXI+UkUgS3JpZWdlciBQdWJsaXNoaW5nIENvbXBhbnk8
L3B1Ymxpc2hlcj48dXJscz48L3VybHM+PC9yZWNvcmQ+PC9DaXRlPjxDaXRlPjxBdXRob3I+Q3Vs
bGlzPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk4MTwvWWVhcj48UmVjTnVtPjI3MTwvUmVjTnVtPjxyZWNvcmQ+
PHJlYy1udW1iZXI+MjcxPC9yZWMtbnVtYmVyPjxmb3JlaWduLWtleXM+PGtleSBhcHA9IkVOIiBk
Yi1pZD0iejVyd3g1YWRkZHZyczNlYWV4OXB6YTl3enoyZTIwNTBwdHdyIj4yNzE8L2tleT48L2Zv
cmVpZ24ta2V5cz48cmVmLXR5cGUgbmFtZT0iQm9vayI+NjwvcmVmLXR5cGU+PGNvbnRyaWJ1dG9y
cz48YXV0aG9ycz48YXV0aG9yPkN1bGxpcywgQ2hhcmxlcyBGb3dsZXI8L2F1dGhvcj48YXV0aG9y
PkhpcnNjaGxlciwgTU08L2F1dGhvcj48L2F1dGhvcnM+PC9jb250cmlidXRvcnM+PHRpdGxlcz48
dGl0bGU+VGhlIGNvbWJ1c3Rpb24gb2Ygb3JnYW5pYyBwb2x5bWVyczwvdGl0bGU+PC90aXRsZXM+
PGRhdGVzPjx5ZWFyPjE5ODE8L3llYXI+PC9kYXRlcz48cHVibGlzaGVyPkNsYXJlbmRvbiBQcmVz
cyBPeGZvcmQ8L3B1Ymxpc2hlcj48aXNibj4wMTk4NTEzNTE4PC9pc2JuPjx1cmxzPjwvdXJscz48
L3JlY29yZD48L0NpdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5FYmRvbjwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjE5OTY8L1ll
YXI+PFJlY051bT4yODE8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjI4MTwvcmVjLW51bWJl
cj48Zm9yZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlw
emE5d3p6MmUyMDUwcHR3ciI+MjgxPC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtleXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9
IkpvdXJuYWwgQXJ0aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1
dGhvcj5FYmRvbiwgSlI8L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPkpvbmVzLCBNUzwvYXV0aG9yPjwvYXV0aG9y
cz48L2NvbnRyaWJ1dG9ycz48dGl0bGVzPjx0aXRsZT5GbGFtZSByZXRhcmRhbnRzIChvdmVydmll
dyk8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0bGU+UG9seW1lcmljIE1hdGVyaWFscyBFbmN5Y2xvcGFl
ZGlhPC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+PC90aXRsZXM+PHBlcmlvZGljYWw+PGZ1bGwtdGl0bGU+UG9s
eW1lcmljIE1hdGVyaWFscyBFbmN5Y2xvcGFlZGlhPC9mdWxsLXRpdGxlPjwvcGVyaW9kaWNhbD48
cGFnZXM+MjM5Ny0yNDExPC9wYWdlcz48ZGF0ZXM+PHllYXI+MTk5NjwveWVhcj48L2RhdGVzPjx1
cmxzPjwvdXJscz48L3JlY29yZD48L0NpdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Ib3Jyb2NrczwvQXV0aG9y
PjxZZWFyPjIwMDE8L1llYXI+PFJlY051bT4xMjY8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVy
PjEyNjwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9yZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1cnd4
NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6MmUyMDUwcHR3ciI+MTI2PC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtleXM+
PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkJvb2siPjY8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+
PGF1dGhvcj5Ib3Jyb2NrcywgQSBSaWNoYXJkPC9hdXRob3I+PGF1dGhvcj5QcmljZSwgRGVubmlz
PC9hdXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+PHRpdGxlPkZpcmUgcmV0
YXJkYW50IG1hdGVyaWFsczwvdGl0bGU+PC90aXRsZXM+PGRhdGVzPjx5ZWFyPjIwMDE8L3llYXI+
PC9kYXRlcz48cHVibGlzaGVyPndvb2RoZWFkIFB1Ymxpc2hpbmc8L3B1Ymxpc2hlcj48aXNibj4x
ODU1NzM0MTkyPC9pc2JuPjx1cmxzPjwvdXJscz48L3JlY29yZD48L0NpdGU+PENpdGU+PEF1dGhv
cj5OZWxzb248L0F1dGhvcj48WWVhcj4yMDAxPC9ZZWFyPjxSZWNOdW0+MjczPC9SZWNOdW0+PHJl
Y29yZD48cmVjLW51bWJlcj4yNzM8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48a2V5IGFwcD0i
RU4iIGRiLWlkPSJ6NXJ3eDVhZGRkdnJzM2VhZXg5cHphOXd6ejJlMjA1MHB0d3IiPjI3Mzwva2V5
PjwvZm9yZWlnbi1rZXlzPjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJKb3VybmFsIEFydGljbGUiPjE3PC9yZWYt
dHlwZT48Y29udHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+TmVsc29uLCBHTjwvYXV0aG9yPjxh
dXRob3I+V2lsa2UsIENBPC9hdXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+
PHRpdGxlPkZpcmUgYW5kIFBvbHltZXJzIElJSS4gTWF0ZXJpYWxzIGFuZCBTb2x1dGlvbnMgZm9y
IEhhemFyZCBQcmV2ZW50aW9uPC90aXRsZT48L3RpdGxlcz48ZGF0ZXM+PHllYXI+MjAwMTwveWVh
cj48L2RhdGVzPjx1cmxzPjwvdXJscz48L3JlY29yZD48L0NpdGU+PC9FbmROb3RlPn==
ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Sb3NlPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk4NzwvWWVhcj48UmVj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==
ADDIN EN.CITE.DATA [2-7]
تأخیر دهنده‌های اشتعال یکی از بزرگترین گروه از افزودنی‌هاست که در پلیمرها استفاده می شود. این مواد در حدود 27% از بازار افزودنی پلاستیک را به خود اختصاص داده است. رتبه بعدی متعلق به پایدار کننده حرارتی (6/15%) آنتی اکسیان ها (6/7%) روان کننده ها (6%) و پایدار کننده اشعه ماوراء بنفش (5%) می باشد. مواد تأخیر دهنده اشتعال با پلیمر طی فرآیند آلیاژ می شوند اما به صورت شیمیایی با پلیمر واکنش نمی دهند. ترکیب شیمیایی بسیاری از آنها بر اساس عناصر آنتیموان، آلومینیوم، بروم، فسفر، برومین، کلرین است که این مواد تأخیر اشتعال درصد زیادی را تأمین می کنند. به صورت تخمینی در حدود 90% از مواد افزودنی بر اساس این عناصر هستند و به شکل اکسیدهای آنیتموان، آلومینیوم سه آبه و اکسیدهای برون کاربرد دارند. به مقدار کمتری نیز افزودنی هایی شامل باریوم، روی، تین، آهن، مولیبدنیوم یا گوگرد وجود دارند. بسیاری از افزودنی ها شامل نمک های فلزی هیدراته هستند که به صورت گرماگیر در شعله تجزیه می شوند و در نتیجه میزان و نرخ رهایش حرارت کلی پلیمر را کاهش می دهند. برخی دیگر از عناصر افزودنی نیز در هنگام تجزیه بخار آب آزاد می کنند طی فرآیند تجزیه و این بخار آب باعث رقیق شدن و کاهش غلظت گازهای قابل اشتعال رهایش شده خواهند شد. کامپوندهای واکنشی نیز با زرین در هنگام فرآیند پلیمریزه می شوند و دارای ساختار شبکه ای مولکولی یکپارچه شوند. تأخیر دهنده های واکنشی اشتعال به صورت اساسی بر پایه هالوژن بروم و کلر، فسفره و عناصر معدنی و ملامین هستند. در حال حاضر بروم و کلر، تأخیر دهنده های معمولی هستند زیرا قدرت زیادی در یکباره سرد کردن شعله دارند. کامپوندهای هالوژن به وسیله رهاسازی اتم های برومین و کلرین فعال به درون شعله در برابر اشتعال پذیری مقاومت می کنند. این اتم ها واکنش اکسیداسیون احتراق گازهای اشتعال پذیر را متوقف می کنند. اگرچه در حال حاضر از سوی مقامات دولتی و طرفداران طبیعت تصمیماتی جهت استفاده از تأخیر دهنده های اشتعال غیر هالوژن گرفته شده است (این ترکیبات به طبیعت لطمه وارد می کنند). ترکیبات فسفره یکی دیگر از ترکیبات مؤثر در ارتباط با اشتعال است این ترکیبات میزان گازهای قابل احتراق حاصل از تجزیه را به وسیله افزایش تشکیل ذغال کاهش می دهند. انتخاب تأخیر دهنده اشتعال برای کامپوزیت پلیمری چندین عامل و فاکتور بستگی دارد که شامل هزینه، سازگاری شیمیایی میان تأخیر دهنده اشتعال و پلیمر میزبان دمای تجزیه ماده و وزن. بسیاری از پرکننده های تأخیر دهنده اشتعال خواص مکانیکی پلیمرها را کاهش می دهند. البته می توان به وسیله اصلاح سطح پرکننده این تأثیرات منفی را کاهش داد و بر همکنش میان ذرات و ماتریس پلیمری را بهبود بخشید. برخی مواد پر کننده با وجودی که اشتعال پذیری را کاهش می دهند مقدار دود و دودهای سمی را با تجزیه ماده افزایش می دهند. به خاطر همین دلایل سعی بر این است که ترکیبی از تأخیر دهنده های اشتعال در کامپوزیت های پلیمری استفاده شود تا میزان مقاومت در برابر اشتعال پذیری افزایش یابد و در عین حال تأثیرات مضرب و منفی و مضر روی ویژگی ها و خواص مکانیکی، دود و سمیت به کمترین مقدار ممکن برسد. پرکننده ها عناصر غیر فعال معدنی هستند که به پلیمر طی مراحل پایانی فرآیند افزوده می شود تا اشتعال پذیری محصول نهایی کاهش یابد. قطر ذرات پرکننده زیر 10 میکرومتر است و اغلب در محدوده میکرون است. ذرات به زرین مایع آلیاژ می شود و به صورت یکنواخت در آن پراکنده می شود. بیشتر پلیمرها نیاز به مقدار زیادی پرکننده جهت نشان دادن بهبود محسوس در مقاومت اشتعال پذیری شان دارند. مقدار حجمی کمینه معمولاً در حدود 20% و مقدار متوسط در حدود 50% تا 60% است. پرکننده باید با پلیمر سازگار باشد. در غیر این صورت خواص مکانیکی و دوام و بقای محیطی ماده از بین رفته و کاهش یابد. پرکننده ها می توانند اثرات مخرب بر روی خواص بگذارند این اثرات شامل افزایش و سیکوزیتید، کاهش زمان ژل شدگی مذاب پلیمری که باعث مشکل شدن فرآیند گردد، می شود. بیشتر پرکننده ها به صورت تدریجی با تحت مجاورت قرار گرفتن رطوبت دچار هیدرولیز شده و از بین می روند و این عامل جهت کاهش خاصیت تأخیر اشتعال آنها خواهد شد. با وجود این مشکلات پرکننده ها اغلب به دلیل هزینه پایین آنها افزودن آسان آنها به پلیمر و قابلیت مقاومت اشتعال پلیمر استفاده می شوند. این نکته قابل اهمیت است که پرکننده ها به ندرت به تنهایی استفاده می شود اما در مقابل به صورت ترکیبی با تأخیر دهنده های اشتعال دیگر (مثل ارگانوهالوژن ها یا ارگانوفسفره ها) برای رسیدن به مقدار زیاد مقاومت در برابر اشتعال استفاده می شود. ما دو نوع پرکننده تأخیر دهنده اشتعال داریم: خنثی و فعال که بر اساس نوع فعالیت مشخص می شود:
الف) پر کننده های تأخیر دهنده اشتعال خنثی
این نوع پر کننده توسط چندین مکانیسم، اشتعال پذیری و تولید دود کامپوزیت پلیمری را کاهش می دهند. مکانیسم برتر و مهم بر این اساس است که میزان سوخت به وسیله رقیق کردن درصد جرمی ماده آلی در کاپوزیت به وسیله افزودن پر کننده غیر قابل اشتعال، کاهش می دهد. در این حالت مقدار پلیمر به شدن باید کاهش یابد و به همین دلیل مقدار پر کننده در حدود 50 تا 60 درصد خواهد بود (مورد نیاز است). مکانیسم دیگر جذب گرما به وسیله پلیمر است و میزان و نرخ سوخت ماتریس پلیمری کاهش خواهد یافت. برای اینکه پرکننده جاذب حرارت باشد باید ظرفیت حرارتی آن از پلیمر میزبان بیشتر باشد. برخی دیگر از پلیمرها اشتعال پذیری پلیمر را به وسیله تشکیل لایه سطحی عایق زمانی که پلیمر تجزیه می شود و تبخیر می شود کاهش می دهند. این لایه عایق میزان و نرخ تجزیه ماتریس پلیمری را کاهش می‌دهد. این لایه سطحی مانع جریان مواد ناپایدار قابل اشتعالی به درون شعله خواهد شد و باعث کاهش بیشتر میزان تجزیه خواهد شد. همه پرکننده ها به وسیله کاهش میزان جرم پلیمر و بیشتر پر کننده ها به عنوان جاذب حرارت عمل می کنند. فقط تعداد کمی از پرکننده ها هستند که باعث به وجود آمدن لایه سطحی عایق می‌شوند. پرکننده‌هایی خنثی که به طور معمول به پلیمرها و کامپوزیت های پلیمری افزوده می شوند شامل سیلیکا، کربنات کلسیم، دوده هستند. این پرکننده ها اشتعال پذیری و تولید دود را از طریق مکانیسم رقیق کردن و یا جذب گرما کاهش می‌دهند. در موارد جزئی نیز از سیلیکات های رس هیدراته ساده مانند پومیس، تالک، gypsum و سولفات کلسیم دوآبه استفاده می‌شود.
ب) پرکننده‌های تأخیردهنده اشتعال فعال
این پرکننده تأثیرات بیشتری بر روی پلیمر از لحاظ تأخیر اشتعال و تولید دود نسبت به پرکننده خنثی خواهد گذاشت. پرکننده فعال نیز مانند پرکننده خنثی به عنوان جاذب حرارت و دقیق کننده ماتریس در کامپوزیت عمل می کند. همچنین این نوع پرکننده در فاز متراکم فعالیت می کند. در زمان تجزیه در دماهای بالا و واکنش های گرماگیر مقدار زیادی گرما را جذب می کند و این تأخیر خنک کنندگی باعث کاهش میزان و نرخ تجزیه ماتریس پلیمری خواهد شد. واکنش تجزیه پرکننده باعث رهایش گازهای بی اثر به مقدار زیاد خواهد شد گازهایی مثل بخار آب و دی اکسید کربن که این گازها نیز می توانند به درون شعله نفوذ کرده و غلظت مواد ناپایدار اشتعال پذیر، رادیکال های H و OH را کاهش و رقیق می کند. این رقیق کردن باعث کاهش دمای شعله شده که خود باعث نرخ تجزیه ماده کامپوزیتی می شود. دمای تجزیه پرکننده یک عامل بحرانی و مؤثر در تأخیر دهندگی اشتعال آنهاست. دمای تجزیه بایست بیشتر از دمای فرآیند آنهاست تا دیگر پرکننده در طول ساخت ماده کامپوزیتی تجزیه نشود. کامپوزیت های شامل رزین‌های ترموپلاستیک دما بالا، مانند پلی فنیلن سولفید یا پلی اتر اتر کتون بایت در دمای حدود 400-300 درجه سانتی گراد فرآیند شوند. بنابراین پرکننده های مورد استفاده برای این مواد باید در دماهای این محدوده تجزیه نشود. همچنین دمای تجزیه پرکننده بایست پایین تر از دمای پیرولیز ماتریس پلیمری باشد که بسیاری زرین ها مورد استفاده در کامپوزیت این دما بین 450-300 درجه سانتی گراد است. بسیاری از اکسیدهای فلزی و هیدروکسیدهای فلزی به عنوان تأخیر دهنده های اشتعال فعال مورد استفاده قرار می گیرد. در این بین معمول ترین و پر مصرف ترین آلومینیوم تری هیدراته Al(OH)3 است. همچنین انواع دیگر از اکسیدهای آلومینیوم نیز مورد استفاده است. همچنین ترکیبات اکسیده دیگر مثل ترکیبات آنتیموان (sb2o3,sh2o5)، آهن (مثل فروسن ferocene، FeOOH، FeOCl)، ترکیبات مولیبدنیوم (MoO3)، منزیم (Mg(OH)2) روی و تین tin قابل کاربرد است. به وسیله فعالیت این عناصر و پرکننده اشتعال و همچنین تشکیل دوده به مقدار قابل توجهی متوقف خواهد شد. اگرچه میزان تأثیر آنها به صورت کلی با افزایش غلظت آنها در ماتریس پلیمری افزایش خواهد یافت. مانند پرکننده های خنثی میزان بارگزاری بالایی از پرکننده (60-20%) جهت یک کاهش اساسی در اشتعال‌پذیری مورد نیاز است.عنصرهای پایه نیتروژن یکی از مؤثرترین تأخیر دهنده های اشتعال است این عنصر به همواره ترکیبات گوانیدین و ملاحین سال ها برای بهبود مقاومت اشتعال در پوشاک های پشمی، لباس های کتونی و کاغذ مورد استفاده بوده است. اما افزودنی های پایه نیتروژن به ندرت به عنوان تأخیردهنده اشتعال در کامپوزیت های پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
پرکننده تأخیر دهنده اشتعال متورم شوندهاین نوع پر کننده جزء پرکننده های فعال هستند. این روش یکی از نوین ترین روش های بهبود مقاومت اشتعال مواد کامپوزیتی است. نمونه ای از این پرکننده ها پلی فسفات/ ؟؟؟ ترتیول است که در دماهای بالا متورم می شود. مکانیسم عملکرد این نوع پرکننده در کامپوزیت به صورت شماتیک در شکل 10-8 نشان داده شده است. زمانی که کامپوزیت تحت مجاورت شعله قرار می گیرد ذرات متورم شونده واکنش داده و مقدار زیادی گازهای غیر قابل اشتعال و غیر سمی که در ماتریس پلیمری گیر می افتد ایجاد می شود. تجمع این گازها باعث می شود که پلیمر نرم شده به فوم و پلیمر متورم شده تبدیل شود. در صورتی که ماتریس پلیمری قابلیت تبدیل به ذغال (char) را داشته باشد با افزایش دما ماتریس تجزیه شده و باعث تولید لایه ذغالی متخلخل عایق خواهد شد. این لایه ماده کامپوزیتی اصلی را حفظ و حمایت می کند. Kovar و همکاران ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Kovar</Author><Year>1993</Year><RecNum>274</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>274</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">274</key></foreign-keys><ref-type name="Conference Proceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>Kovar, RF</author><author>Bullock, DE</author></authors></contributors><titles><title>Multifunctional intumescent composite firebarriers</title><secondary-title>Proceedings of the 4th Annual Conference on Recent Advances in Flame Retardancy of Polymeric Materials</secondary-title></titles><pages>87-98</pages><dates><year>1993</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8]به این نتیجه رسیدند که فرآیند تولید فوم زمانی اتفاق خواهد افتاد که پلیمر در حالت ویسکوز نرم باشد. اگر ذرات پرکننده در دماهایی پایین‌تر از دمای انتقال شیشه پلیمر تجزیه شوند در این حالت ماتریس سخت خواهد بود و قابلیت تولید فوم و تورم را نخواهد داشت. در مقابل در صورتی که میزان فشار حاصل از تولید سریع گازها می تواند منجر به تولید شیار و لایه لایه شدن در کامپوزیت‌های سخت خواهد شد. در صورتی که تجزیه در دماهای بالا اتفاق افتد گازها می تواند از درون کامپوزیت خارج خواهد شد و لایه متورم شده ای تشکیل نخواهد شد. در صورتی که درجه بالایی از حمایت در برابر آتش را بخواهیم دمای واکنش تجزیه ذرات متورم شونده ها باید بالاتر از دمای انتقال شیشه و کمتر از دمای تجزیه ماتریس پلیمری باشد.
پلیمرهای تاخیر دهنده اشتعال قابل استفاده در کامپوزیت‌هاتعداد زیادی از پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال در حدود 26 سالی است که ارائه شده است و بسیاری از این موارد مناسب برای استفاده در کامپوزیت های لیفی است. اتصال مولکول های بروم، کلر یا فسفر به ساختار مولکولی پلیمر معمول ترین و رایج ترین روش بهبود مقاومت اشتعال رزین‌های ترموست و ترموپلاست است. یکی دیگر از روش‌های استفاده از پرکننده‌های در مقیاس نانو است که خیلی سریع تبدیل به یک گروه مهم از مواد تأخیر دهنده اشتعال شده است. یکی دیگر از روش ها نیز اصلاح شیمیایی ساختار شبکه‌ای مولکولی به وسیله کوپلیمریزاسیون پیوندی است.
افزایش مقاومت اشتعال به وسیله پلیمریزاسیوناصلاح ساختاری زنجیره های پلیمری یک تکنیک مؤثر برای بهبود مقاومت اشتعال‌پذیری است. ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Horrocks</Author><Year>2001</Year><RecNum>126</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>126</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">126</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Horrocks, A Richard</author><author>Price, Dennis</author></authors></contributors><titles><title>Fire retardant materials</title></titles><dates><year>2001</year></dates><publisher>woodhead Publishing</publisher><isbn>1855734192</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6]همانطور که قبلاً گفته شد پایداری حرارتی پلیمر به وسیله انرژی پیوندی میان اتم های روی زنجیره اصلی تعیین می شود. پلیمرهای شامل مقادیر زیاد هیدروژن، نیتروژن یا اکسیژن؛ اشتعال پذیری زیادی از خود نشان می دهند زیرا آنتالپی پیوندی پایینی با کربن دارند. پایداری حرارتی پلیمر می تواند به وسیله افزایش استحکام پیوندهای زنجیره افزایش داد. پایداری حرارتی می تواند به وسیله اتصال ساختارهای حلقه ای هتروسیکل و آروماتیک با انرژی های پایدارسازی رزنانسی بالا به درون زنجیره اصلی و کاهش حضور هیدروژن (H)، نیتروژن (N) و اکسیژن (O) افزایش داد. نه تنها دمای تجزیه پلیمر به وسیله این اصلاح ساختار افزایش می یابد بلکه درصد جرمی مواد ناپایدار قابل اشتعال کاهش می یابد که نرخ رهایش حرارت نیز پایین تر می آید.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: رابطه میان مقادیر اروماتیک و میزان بقایای ذغال و گازهای ناپایدار. توسط Parker & Kourtide ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Gibson</Author><Year>2007</Year><RecNum>345</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>345</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">345</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Gibson, AG</author></authors></contributors><titles><title>Fire properties of polymer composite materials</title></titles><volume>143</volume><dates><year>2007</year></dates><publisher>Springer</publisher><isbn>1402053568</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
REF _Ref384714911 h * MERGEFORMAT شکل ‏22 رابطه میان دانسیته گروه آروماتیک در زنجیره اصلی پلیمر در برابر میزان درصد گاز ناپایدار و ذغال ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Parker</Author><Year>1983</Year><RecNum>115</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>115</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">115</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Parker, JA</author><author>Kourtides, DA</author></authors></contributors><titles><title>New fireworthy composites for use in transportation vehicles</title><secondary-title>Journal of fire sciences</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of fire sciences</full-title></periodical><pages>432-458</pages><volume>1</volume><number>6</number><dates><year>1983</year></dates><isbn>0734-9041</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9] نشان می‌دهد. یک رابطه خطی میان دانسیته گروه های آروماتیک و میزان و کاهش خطی مواد ناپایدار وجود دارد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 3: رابطه میان بقایای ذغال و شاخص اکسیژن پلیمر و بقایای ذغال بعنوان جرم باقیمانده حاصل از آزمون TGA در دمای 800 درجه سانتیگراد در اتمسفر خنثی است. توسط Krevelan ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Van Krevelen</Author><Year>1975</Year><RecNum>194</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>194</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">194</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Van Krevelen, DW</author></authors></contributors><titles><title>Some basic aspects of flame resistance of polymeric materials</title><secondary-title>Polymer</secondary-title></titles><periodical><full-title>Polymer</full-title></periodical><pages>615-620</pages><volume>16</volume><number>8</number><dates><year>1975</year></dates><isbn>0032-3861</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]
REF _Ref384714953 h * MERGEFORMAT شکل ‏23 یک رابطه خطی میان میزان ذغال پلیمرها و پارامتر محدودیت اکسیژن که باعث کاهش میزان مواد ناپایدار اشتعال پذیر که عاملی برای استمرار احتراق است وجود دارد. ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Van Krevelen</Author><Year>1975</Year><RecNum>275</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>275</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">275</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Van Krevelen, DW</author></authors></contributors><titles><title>Entzündlichkeit und Flammhemmung bei organischen Hochpolymeren und ihre Beziehungen zur chemischen Struktur</title><secondary-title>Chemie Ingenieur Technik</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chemie Ingenieur Technik</full-title></periodical><pages>793-803</pages><volume>47</volume><number>19</number><dates><year>1975</year></dates><isbn>1522-2640</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]استحکام میان زنجیره ها نیز عامل مهم دیگری برای کنترل پایداری حرارتی پلیمرهای ترموست است. پلیمرهایی که می توانند یک ساختار شبکه ای 3 بعدی اتصال عرضی زیاد تشکیل دهند معمولاً پایداری حرارتی زیادی نشان می دهند زیرا شکست و تشکیل دوباره اتصالات عرضی باعث تشکیل ذغال خواهد شد. پلی فنیلن‌ها، پلی فنیلن اکسایدها نمونه و مثال هایی از پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال با قابلیت آروماتیک بالا و اتصال عرضی بالا می باشند. مشکل این پلیمرها دمای فرآیندپذیری بالا (نرم شدگی) می باشد.
کامپوزیت‌های پلیمری هالوژنه
اصلاح شیمیایی پلیمرها به وسیله عناصر ارگانوهالوژن یکی از معمولترین و مؤثرترین روش های کاهش اشتعال پذیری مواد کامپوزیتی است. PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Sb3NlPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk4NzwvWWVhcj48UmVj
TnVtPjI3MDwvUmVjTnVtPjxEaXNwbGF5VGV4dD5bMiwgMywgNSwgNiwgMTIsIDEzXTwvRGlzcGxh
eVRleHQ+PHJlY29yZD48cmVjLW51bWJlcj4yNzA8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48
a2V5IGFwcD0iRU4iIGRiLWlkPSJ6NXJ3eDVhZGRkdnJzM2VhZXg5cHphOXd6ejJlMjA1MHB0d3Ii
PjI3MDwva2V5PjwvZm9yZWlnbi1rZXlzPjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJKb3VybmFsIEFydGljbGUi
PjE3PC9yZWYtdHlwZT48Y29udHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+Um9zZSwgUEo8L2F1
dGhvcj48YXV0aG9yPk1hcmssIEhGPC9hdXRob3I+PGF1dGhvcj5CaWthbGVzLCBOTTwvYXV0aG9y
PjxhdXRob3I+T3ZlcmJlcmdlciwgQ0c8L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPk1lbmdlcywgRzwvYXV0aG9y
PjxhdXRob3I+S3Jvc2Nod2l0eiwgSkk8L2F1dGhvcj48L2F1dGhvcnM+PC9jb250cmlidXRvcnM+
PHRpdGxlcz48dGl0bGU+RW5jeWNsb3BlZGlhIG9mIHBvbHltZXIgc2NpZW5jZSBhbmQgZW5naW5l
ZXJpbmc8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0bGU+TWFyaywgSEYsIEJpa2FsZXMsIE5NLCBPdmVy
YmVyZ2VyLCBDRywgTWVuZ2VzLCBHLiwgS3Jvc2Nod2l0eiwgSkksIEVkczwvc2Vjb25kYXJ5LXRp
dGxlPjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2FsPjxmdWxsLXRpdGxlPk1hcmssIEhGLCBCaWthbGVzLCBO
TSwgT3ZlcmJlcmdlciwgQ0csIE1lbmdlcywgRy4sIEtyb3NjaHdpdHosIEpJLCBFZHM8L2Z1bGwt
dGl0bGU+PC9wZXJpb2RpY2FsPjxwYWdlcz40ODgtNTEzPC9wYWdlcz48ZGF0ZXM+PHllYXI+MTk4
NzwveWVhcj48L2RhdGVzPjx1cmxzPjwvdXJscz48L3JlY29yZD48L0NpdGU+PENpdGU+PEF1dGhv
cj5NYWRvcnNreTwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjE5NzU8L1llYXI+PFJlY051bT4yODA8L1JlY051bT48
cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjI4MDwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9yZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBw
PSJFTiIgZGItaWQ9Ino1cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6MmUyMDUwcHR3ciI+MjgwPC9r
ZXk+PC9mb3JlaWduLWtleXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkJvb2siPjY8L3JlZi10eXBlPjxjb250
cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5NYWRvcnNreSwgU2FtdWVsIExlbzwvYXV0aG9yPjwv
YXV0aG9ycz48L2NvbnRyaWJ1dG9ycz48dGl0bGVzPjx0aXRsZT5UaGVybWFsIGRlZ3JhZGF0aW9u
IG9mIG9yZ2FuaWMgcG9seW1lcnM8L3RpdGxlPjwvdGl0bGVzPjx2b2x1bWU+NTA8L3ZvbHVtZT48
ZGF0ZXM+PHllYXI+MTk3NTwveWVhcj48L2RhdGVzPjxwdWJsaXNoZXI+UkUgS3JpZWdlciBQdWJs
aXNoaW5nIENvbXBhbnk8L3B1Ymxpc2hlcj48dXJscz48L3VybHM+PC9yZWNvcmQ+PC9DaXRlPjxD
aXRlPjxBdXRob3I+RWJkb248L0F1dGhvcj48WWVhcj4xOTk2PC9ZZWFyPjxSZWNOdW0+MjgxPC9S
ZWNOdW0+PHJlY29yZD48cmVjLW51bWJlcj4yODE8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48
a2V5IGFwcD0iRU4iIGRiLWlkPSJ6NXJ3eDVhZGRkdnJzM2VhZXg5cHphOXd6ejJlMjA1MHB0d3Ii
PjI4MTwva2V5PjwvZm9yZWlnbi1rZXlzPjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJKb3VybmFsIEFydGljbGUi
PjE3PC9yZWYtdHlwZT48Y29udHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+RWJkb24sIEpSPC9h
dXRob3I+PGF1dGhvcj5Kb25lcywgTVM8L2F1dGhvcj48L2F1dGhvcnM+PC9jb250cmlidXRvcnM+
PHRpdGxlcz48dGl0bGU+RmxhbWUgcmV0YXJkYW50cyAob3ZlcnZpZXcpPC90aXRsZT48c2Vjb25k
YXJ5LXRpdGxlPlBvbHltZXJpYyBNYXRlcmlhbHMgRW5jeWNsb3BhZWRpYTwvc2Vjb25kYXJ5LXRp
dGxlPjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2FsPjxmdWxsLXRpdGxlPlBvbHltZXJpYyBNYXRlcmlhbHMg
RW5jeWNsb3BhZWRpYTwvZnVsbC10aXRsZT48L3BlcmlvZGljYWw+PHBhZ2VzPjIzOTctMjQxMTwv
cGFnZXM+PGRhdGVzPjx5ZWFyPjE5OTY8L3llYXI+PC9kYXRlcz48dXJscz48L3VybHM+PC9yZWNv
cmQ+PC9DaXRlPjxDaXRlPjxBdXRob3I+SG9ycm9ja3M8L0F1dGhvcj48WWVhcj4yMDAxPC9ZZWFy
PjxSZWNOdW0+MTI2PC9SZWNOdW0+PHJlY29yZD48cmVjLW51bWJlcj4xMjY8L3JlYy1udW1iZXI+
PGZvcmVpZ24ta2V5cz48a2V5IGFwcD0iRU4iIGRiLWlkPSJ6NXJ3eDVhZGRkdnJzM2VhZXg5cHph
OXd6ejJlMjA1MHB0d3IiPjEyNjwva2V5PjwvZm9yZWlnbi1rZXlzPjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJC
b29rIj42PC9yZWYtdHlwZT48Y29udHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+SG9ycm9ja3Ms
IEEgUmljaGFyZDwvYXV0aG9yPjxhdXRob3I+UHJpY2UsIERlbm5pczwvYXV0aG9yPjwvYXV0aG9y
cz48L2NvbnRyaWJ1dG9ycz48dGl0bGVzPjx0aXRsZT5GaXJlIHJldGFyZGFudCBtYXRlcmlhbHM8
L3RpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxkYXRlcz48eWVhcj4yMDAxPC95ZWFyPjwvZGF0ZXM+PHB1Ymxpc2hl
cj53b29kaGVhZCBQdWJsaXNoaW5nPC9wdWJsaXNoZXI+PGlzYm4+MTg1NTczNDE5MjwvaXNibj48
dXJscz48L3VybHM+PC9yZWNvcmQ+PC9DaXRlPjxDaXRlPjxBdXRob3I+R3JhbnpvdzwvQXV0aG9y
PjxZZWFyPjE5Nzg8L1llYXI+PFJlY051bT4yNzY8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVy
PjI3NjwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9yZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1cnd4
NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6MmUyMDUwcHR3ciI+Mjc2PC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtleXM+
PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJuYWwgQXJ0aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmlidXRv
cnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5HcmFuem93LCBBbGJyZWNodDwvYXV0aG9yPjwvYXV0aG9ycz48
L2NvbnRyaWJ1dG9ycz48dGl0bGVzPjx0aXRsZT5GbGFtZSByZXRhcmRhdGlvbiBieSBwaG9zcGhv
cnVzIGNvbXBvdW5kczwvdGl0bGU+PHNlY29uZGFyeS10aXRsZT5BY2NvdW50cyBvZiBDaGVtaWNh
bCBSZXNlYXJjaDwvc2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2FsPjxmdWxsLXRp
dGxlPkFjY291bnRzIG9mIENoZW1pY2FsIFJlc2VhcmNoPC9mdWxsLXRpdGxlPjwvcGVyaW9kaWNh
bD48cGFnZXM+MTc3LTE4MzwvcGFnZXM+PHZvbHVtZT4xMTwvdm9sdW1lPjxudW1iZXI+NTwvbnVt
YmVyPjxkYXRlcz48eWVhcj4xOTc4PC95ZWFyPjwvZGF0ZXM+PGlzYm4+MDAwMS00ODQyPC9pc2Ju
Pjx1cmxzPjwvdXJscz48L3JlY29yZD48L0NpdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5MZSBCcmFzPC9BdXRo
b3I+PFllYXI+MTk5ODwvWWVhcj48UmVjTnVtPjI4MjwvUmVjTnVtPjxyZWNvcmQ+PHJlYy1udW1i
ZXI+MjgyPC9yZWMtbnVtYmVyPjxmb3JlaWduLWtleXM+PGtleSBhcHA9IkVOIiBkYi1pZD0iejVy
d3g1YWRkZHZyczNlYWV4OXB6YTl3enoyZTIwNTBwdHdyIj4yODI8L2tleT48L2ZvcmVpZ24ta2V5
cz48cmVmLXR5cGUgbmFtZT0iQm9vayI+NjwvcmVmLXR5cGU+PGNvbnRyaWJ1dG9ycz48YXV0aG9y
cz48YXV0aG9yPkxlIEJyYXMsIE1pY2hlbDwvYXV0aG9yPjwvYXV0aG9ycz48L2NvbnRyaWJ1dG9y
cz48dGl0bGVzPjx0aXRsZT5GaXJlIHJldGFyZGFuY3kgb2YgcG9seW1lcnM6IHRoZSB1c2Ugb2Yg
aW50dW1lc2NlbmNlPC90aXRsZT48L3RpdGxlcz48ZGF0ZXM+PHllYXI+MTk5ODwveWVhcj48L2Rh
dGVzPjxwdWJsaXNoZXI+Um95YWwgc29jaWV0eSBvZiBjaGVtaXN0cnk8L3B1Ymxpc2hlcj48aXNi
bj4wODU0MDQ3Mzg3PC9pc2JuPjx1cmxzPjwvdXJscz48L3JlY29yZD48L0NpdGU+PC9FbmROb3Rl
Pn==
ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Sb3NlPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk4NzwvWWVhcj48UmVj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ADDIN EN.CITE.DATA [2, 3, 5, 6, 12, 13]
عناصر پایه هالوژن شامل بروم و کلر تأخیردهنده‌های اشتعال فوق العاده‌ای هستند که به صورت فرآیند فاز گاز از اشتعال جلوگیری می کنند. (اختتام واکنش های اشتعال به وسیله حذف رادیکال H و OH واکنش با هالوژن) پلیمرهای هالوژنه به وسیله اتصال مولکول هالوژن به ساختار شبکه ای زرین از طریق کوپلیمریزاسیون تشکیل می شوند. مقدار برومیت بایست بیشتر از 20% وزنی باشد تا بتواند تأثیر مشخصی بر روی مقاومت اشتعال بگذارد. میزان کلرین برای بیشتر پلیمرها بایست بیشتر از مقدار 25 درصد وزنی باشد اگرچه افزایش کلرین بیشتر از این مقدار بر روی نتایج و بهبود آن تأثیر چندانی نخواهد گذاشت. پلیمرهای کلرین و برومینه را نیز می توان به همراه پرکننده های تأخیر دهنده اشتعال استفاده کرد که ترکیب پرکننده با هالوژن ها می تواند خاصیت های جمع پذیری، غیر هم افزایی و هم افزایی بر روی خواص تأخیر دهنده اشتعال سیستم پلیمری بگذارد. اثر جمع پذیری زمانی اتفاق می افتد که بازده تأخیر دهنده اشتعال کل سیستم پلیمری برابر با ترکیبی از بازده های پرکننده و هالوژن است و برهمکش خاصی میان این دو جهت افزایش و کاهش اثرات تأخیر اشتعال وجود ندارد. نمونه این نوع اثر شامل پلیمرهای هالوژنه به همراه پر کننده های خنثی است. هالوژن مقاومت اشتعال پذیری را در فاز گاز افزایش می دهد در صورتی که پرکننده در فاز متراکم به عنوان کاهنده میزان سوخت پلیمری و جاذب حرارت عمل می کند. هر دو به صورت مستقل بر روی افزایش قابلیت اشتعال سیستم پلیمری عمل می کند. تأثیر غیر هم افزایی زمانی است که بازده سیستم پلیمری کمتر از بازده سیستم های افزودنی به طور مستقل است. هالوژن و پرکننده مزاحم واکنش های تأخیر اشتعال یکدیگر شده در نتیجه مقاومت اشتعال پذیری کلی پلیمر کاهش خواهد یافت. بهترین حالت زمانی اتفاق می افتد که پرکننده و تأخیر دهنده اشتعال و واکنش تأخیر اشتعال اثر هم افزایی می گذارند. زمانی این اتفاق می افتد که بازده کل سیستم پلیمری بیشتر از اثرات افزودنی هالوژن و یا پرکننده به تنهایی باشد. میزان گسترده ای از عناصر فعال می توانند به عنوان پرکننده‌های افزایی پلیمرهای هالوژنه استفاده شوند. این عناصر شامل اکسید بیسموت ، اکسید مولیبدنیوم ، اکسید تین هستند. اگرچه معمولاً از اکسید آنتیموان (sb2o3) استفاده می‌شود. این عنصر خاصیت ضد اشتعال پذیری کمی در زمان هایی که به تنهایی مصرف می شود (پلیمرهای غیرهالوژنه) دارد اما زمانی که از زرین های برومینه استفاده شود بازده تأخیر اشتعال به شدت افزایش می یابد. این افزایش به دلیل بر همکنش های هم افزایی میان مکانیزم های تأخیر دهنده اشتعال هالوژن و اکسید آنتیموان است. (واکنش مواد ناپایدار هالوژنه با مواد ناپایدار آنتیموان در فاز گاز و تولید هالوژن یا آمیزه اکسی هالید) پرکننده ها شاخص گسترش شعله را را کاهش می دهند و به استثنای آلومینیوم سه آبه (ATH) باعث افزایش پارامتر محدودیت اکسیژن می شوند. REF _Ref384715043 h شکل ‏24 تأثیر پرکننده های تأخیر دهنده اشتعال را بر روی پارامتر انتشار شعله، پارامتر محدودیت اکسیژن و دانسیته نوری ویژه وینیل استر برومینه شده شده را نشان می‌دهد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 4: تأثیر تأخیردهنده اشتعال بر روی (الف) شاخص گسترش اشتعال (ب)شاخص محدودیت اکسیژن (ج) دانسیته نوری ویژه یک است وینیل استری برومینه شده.توسط Mochat & Hiltz( ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Morchat</Author><Year>1992</Year><RecNum>278</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>278</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">278</key></foreign-keys><ref-type name="Generic">13</ref-type><contributors><authors><author>Morchat, RM</author><author>Hiltz, JA</author></authors></contributors><titles><title>Fire-Safe Composites for Marine Applications</title></titles><dates><year>1992</year></dates><publisher>DEFENCE RESEARCH ESTABLISHMENT ATLANTIC DARTMOUTH (NOVA SCOTIA)</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]
بیشترین دغدغه استفاده از پلیمرهای هالوژنه و کامپوزیت های پلیمری رهایش دودهای خورنده اسیدی و گازهای سمی است که به طور جدی بر روی سلامت و خطرات زیست محیطی تأثیرگذار است. ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ebdon</Author><Year>1996</Year><RecNum>281</RecNum><DisplayText>[5, 6, 14]</DisplayText><record><rec-number>281</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">281</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Ebdon, JR</author><author>Jones, MS</author></authors></contributors><titles><title>Flame retardants (overview)</title><secondary-title>Polymeric Materials Encyclopaedia</secondary-title></titles><periodical><full-title>Polymeric Materials Encyclopaedia</full-title></periodical><pages>2397-2411</pages><dates><year>1996</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Horrocks</Author><Year>2001</Year><RecNum>126</RecNum><record><rec-number>126</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">126</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Horrocks, A Richard</author><author>Price, Dennis</author></authors></contributors><titles><title>Fire retardant materials</title></titles><dates><year>2001</year></dates><publisher>woodhead Publishing</publisher><isbn>1855734192</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Morchat</Author><Year>1992</Year><RecNum>278</RecNum><record><rec-number>278</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">278</key></foreign-keys><ref-type name="Generic">13</ref-type><contributors><authors><author>Morchat, RM</author><author>Hiltz, JA</author></authors></contributors><titles><title>Fire-Safe Composites for Marine Applications</title></titles><dates><year>1992</year></dates><publisher>DEFENCE RESEARCH ESTABLISHMENT ATLANTIC DARTMOUTH (NOVA SCOTIA)</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5, 6, 14] پلیمرهای کلرینه مقدار زیادی گاز HCL رهایش می کنند که می توانند بر روی سیستم تنفسی و چشم تأثیر گذاشته و توانایی گریز از آتش را از انسان بگیرد. همچنین پلیمرهای کلرینه می توانند ؟؟؟ و عناصر وابسته دی اکسین که به شدت سمی هستند را تولید کند. تماس با دی اکسین ها با غلظت زیاد می تواند منجر به مشکلات زیادی از لحاظ سلامتی شود، مشکلاتی از قبیل سرطان، تغییر رنگ پوست، خارش پوست و تاول ایجاد کند. همچنین دی اکسین ها با ورود به اکوسیستم می توانند برای سال ها درون بدن جانداران و گیاهان باقی بمانند. به همین دلایل استفاده از این پلیمرها در بسیاری از کشورها منسوخ شده است و به جای آن از پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال دوستدار محیط زیست شامل brominaded index، tris(tribromophenyl)cyanurate,tris(tribromoneophentyl)cyanurate استفاده می کنند.
کامپوزیت های پلیمری فسفره تأخیر دهنده اشتعال
مقاومت اشتعال پذیری پلیمرها و کامپوزیت های پلیمری می تواند به وسیله افزودن فسفر افزایش یابد.PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5NYWRvcnNreTwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjE5NzU8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5NYWRvcnNreTwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjE5NzU8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE.DATA [3, 6, 13, 15, 16]
یکی از روش‌های بسیار معمول و رایج برای افزودن فسفر، آلیاژسازی یک آمیزه پرکننده فسفره پایه معدنی یا پایه آلی به پلیمر طی فرآیند است. اکثر آمیزه های فسفری دارای قابلیت مقاومت اشتعال است اما انواع معمول و رایج و پر کاربرد آنها فسفر خالص، فسفات آمونیوم و trialylphosphates هستند. فسفره ها همچنین می توانند به وسیله کوپلیمریزاسیون زرین با منومرهای آلی فسفره فعال (استرهای فسفاته، پلی ال‌ها و فسفات ها) یا فسفات های هالوژنه(phosphate (tris(1-cloro-2-propyl)phosphate , tris(2,3-dibromo propyl) به ساختار مولکولی زرین متصل شوند. روش پلیمیریزاسیون برای تولید تعداد بسیار زیادی از پلیمرهای مناسب تأخیر دهنده اشتعال برای کاربرد در کامپوزیت ها استفاده می شود. فسفره به عنوان تأخیر دهنده اشتعال هم در فاز گاز و هم در فاز متراکم عمل می کنند (بسته به ساختار و طبیعت شیمیایی و پایداری حرارتی پلیمر میزبان). مکانیزم فاز گاز در بیشتر ترموپلاستیک ها و پلیمرهای ترموست غیر اکسیژنه حاکم است. در این نوع مکانیسم رادیکال های فسفره رهایش شده از طرف پلیمر در دماهای بالا اگرچه زمانی مؤثرتر است که تولید مواد ناپایدار در دماهای پایین تر از 400-300 درجه سانتی گراد اتفاق بیفتد و یا ماتریس پلیمری تجزیه شود می باشد. رادیکال های فسفره زیادی می توانند به درون شعله رهایش شده البته این رهایش بستگی به دما و ترکیب درصد تأخیر دهنده اشتعال فسفره دارد. این رادیکال ها با رادیکال های H و OH واکنش داده و موجب کاهش اشتعال و یا توقف آن شوند. مکانیسم دوم تأخیر دهنده اشتعال فاز گاز است مین مکانیسم یک تأثیر پوششی بر روی سطح داغ پلیمر می گذارد. بسیاری از مواد حاوی فسفر رهایش شده از پلیمر تجزیه شده به صورت متناسب سنگین هستند و این عامل باعث می شود که یک فاز غنی از بخار در سطح پلیمر ایجاد شود که از دسترسی اکسیژن جلوگیری کند. زمانی که آمیزه و عنصر فسفره در پلیمرهای آلی هیدروکسیل و اکسیژنه استفاده می شود به صورت یک تأخیر دهنده اشتعال در فاز متراکم عمل می کند. فسفر در این سیستم های پلیمری باعث تشکیل ذغال می شود که خود باعث کاهش مقدار مواد ناپایدار قابل اشتعال رهایش شده به سمت آتش خواهد شد. فسفر می تواند افت حرارت را در برخی ترموپلاستیک ها به وسیله ذوب شدن و چکه کردن شتاب دهد. اطلاعات بیشتر در مورد انواع واکنش های تأخیر دهنده اشتعال فسفره را می توان در پروژه - ریسرچجامع ارائه شده توسط Granzow ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Granzow</Author><Year>1978</Year><RecNum>276</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>276</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">276</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Granzow, Albrecht</author></authors></contributors><titles><title>Flame retardation by phosphorus compounds</title><secondary-title>Accounts of Chemical Research</secondary-title></titles><periodical><full-title>Accounts of Chemical Research</full-title></periodical><pages>177-183</pages><volume>11</volume><number>5</number><dates><year>1978</year></dates><isbn>0001-4842</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]یافت.
کوپلیمریزاسیون پیوندی برای مقاومت اشتعال
یکی دیگر از تکنیک های تولید پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال، کوپلیمریزاسیون پیوندی است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Horrocks</Author><Year>2001</Year><RecNum>126</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>126</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">126</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Horrocks, A Richard</author><author>Price, Dennis</author></authors></contributors><titles><title>Fire retardant materials</title></titles><dates><year>2001</year></dates><publisher>woodhead Publishing</publisher><isbn>1855734192</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6]. این تکنیک بر مبنای افزودن یک منومر که به شدن خاصیت تشکیل ذغال دارد به زنجیره پلیمری استوار است. فرآیند کوپلیمریزاسیون می تواند از طریق دو روش که شامل پیوند زدن از طریق و یا پیوند زدن به ایجاد شود. فرآیند سازنده و تشکیل دهنده شامل واکنش پلیمر با اغازگر و ایجاد مراکز فعال در طول زنجیره پلیمر است. سپس منومرها از طریق رادیکال با زنجیره پیوند می زنند.
فرآیند پیوند زدن به (Grafting onto) زمانی اتفاق می افتد که منومر با آغازگر واکنش می دهد و رادیکال تولید می شود و این رادیکال به زنجیره پیوند می خورد. صرف نظر از فرآیند، ضروری است که منومر به صورت حرارتی در دماهای پایین تر از پلیمر تجزیه شود و مقدار زیادی ذغال که باعث حفاظت از پلیمر می شود را به جا بگذارد. کوپلیمریزاسیون پیوندی یک تکنیک مطلوب برای تولید پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال است. هرچند ترموپلاستیک های تأخیر دهنده اشتعال زیادی به وسیله این تکنیک تولید می شوند. کوپولیمریزاسیون پلیمرهای ترموست مهندسی که به صورت معمول در سازه های کامپوزیت کاربرد دارد نیاز به پژوهش های بیشتر و تحقیقات بیشتر است.
الیاف تأخیر دهنده اشتعال برای کامپوزیت‌هاالیاف شیشه یک تقویت کننده فوق العاده معمول و رایج است. این الیاف قابل اشتعال نیستند اما آمارهای آلی و افزودنی های چسبنده مورد استفاده در این الیاف موجب تولید دود و مواد ناپایدار رهایش شده به وسیله کامپوزیت در حال تجزیه خواهد شد.
پوشش های سطحی محافظ اشتعالییکی دیگر از روش های حفاظت از کامپوزیت استفاده از پوشش های عایق است. یک پوشش ایده آل باید خصوصیات زیر را دارا باشد:
غیر اشتعال پذیری، هدایت حرارتی پایین، چسبندگی قوی (مثل ضریب انبساط) به لایه های زیرین کامپوزیت تداوم و بقا در محیط، مقاومت در برابر سایش، وزن پایین، نازک و ارزان بودن. صدها مواد پوشش وجود دارند که به صورت تجاری برای کاربرد در کامپوزیت ها مورد استفاده قرار می گیرند. اگرچه ممکن است یکی از خواص مورد نیاز برای پوشش های ایده آل را نداشته باشند. سه گروه بزرگ از پوشش های عایق وجود دارد:
1) پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال
2) محافظ و پوشش حرارتی
3) پوشش های متورم شونده
4) مواد فرسایشی
مثال برای پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال عبارت است از زرین آلی مثل پلیمرهای برومینه و مواد معدنی مثل geopolymers که به عنوان فیلمی نازک (معمولاً کمتر از 5 میلی متر) بر روی سطح کامپوزیت قرار می گیرد. این پلیمرها به دلیل پایداری حرارتی بالا زمان رسیدن به احتراق و اشتعال لایه های زیرین با تأخیر مواجه می شود. در مورد پوشش های پلیمری معدنی هدایت حرارتی پایین باعث تأخیر خواهد شد. پوشش های غشایی حرارتی معمولاً موادی پایه سرامیک هستند که غیر قابل اشتعال بوده و خواص هدایت حرارتی پایینی دارند. نمونه این پوشش ها شامل سرامیک (مثل ceramic و rockwool)های با الیاف بافته شده و سرامیک زیرکونیوی هایی با لایه اسپری شده توسط پلاسما. مواد متورم شونده از طریق واکنش شیمیایی در دماهای بالا که منجر به تورم و تولید فوم لایه پوشش مورد استفاده قرار می گیرد. این واکنش باعث تولید یک لایه به شدت متخلخل و یک لایه ذغال ضخیم با هدایت حرارتی پایین خواهد شد. یکی دیگر از گروه از پوشش ها مواد فرسایشی هستند که باعث حفاظت حرارتی از طریق حذف حرارت از سطح داغ به وسیله پوسته شدن و ذوب شدن خواهند شد. مواد فرسایشی به ندرت به عنوان پوشش محافظ شعله در کامپوزیت مورد استفاده قرار می گیرند و بیشتر به عنوان محافظ پلیمر در کاربردهای دما بالا مثل نازل های موشک و سپرهای حرارتی فضاپیماهایی که به زمین بر می گردند، مورد استفاده قرار می گیرند
.
خواص اشتعال نانو کامپوزیت های پلیمریمقدمهاصطلاح نانو کامپوزیت پلیمری، کامپوزیت هایی را توصیف می کند که یکی از مواد تشکیل دهنده کامپوزیت از ماده با مقیاس نانو باشد. سایز نانو حداقل بایست در یکی از ابعاد رعایت شده باشد و کاملاً در فاز پلیمری پراکنده شده باشد. یک نمونه بارز از مواد نانو، خاک رس است. اما گرافیت، نانولوله های تک جداره و چند جداره ، نانو ذرات کروی مانند polyhedral oligomeric silsequioxane،POSS ، Silica، Tatania همچنین مورد استفاده قرار می گیرد. تحلیل تشکیل نانو کامپوزیت، بررسی تأخیر اشتعال: انواع مختلف اصلاح خاک رس و اثرات آنها مکانیسم و نحوه تأثیر ماده نانو بر روی تأخیر اشتعال جزء موارد مورد بحث در این بخش است. پر کننده های تأخیر دهنده اشتعال سال هاست که مورد استفاده قرار می گیرد. در سیستم های پر شده و پر کننده سنتی میکروکامپوزیت‌ها مقدار زیادی پر کننده برای ایجاد تأثیری خاص مثل کاهش خواص مکانیکی لازم است. وقتی که ذرات حاوی فاز نانو مورد استفاده قرار گرفت شرایط کاملاً تغییر کرد. کاهش اندازه از سایز میکرو به سایز نانو میزان سطح تماس ذرات را بالا می برد. افزایش سطح تماس منجر به کاهش مقدار ماده مورد نیاز می شود. حضور مواد با سطح تماس زیاد می تواند باعث تعبیر در مسیر تخریب شده و در نتیجه بر روی میزان رهایش حرارت پلیمر اثر بگذارد. در پایان، استفاده از مواد با سایز نانو می تواند باعث تشکیل یک لایه شود که باعث جلوگیری از جابجایی مواد ناپایدار در هنگام تخریب شده و موجب افزایش ذغال تولیدی شود. در مورد نانو کامپوزیت های پلیمر / خاک رس حضور مواد سیلیکاته لایه ای مانند مونت موریلونیت، هکتوریت، بنتونیت حتی با بارگزاری مقدار پایین (مخصوصاً 3 و 5%) خواص مکانیکی به صورت فوق العاده افزایش می یابد. همچنین خواص لایه محافظ و تأخیر اشتعال پلیمر افزایش خواهد یافت PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Ib3Jyb2NrczwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDE8L1llYXI+
PFJlY051bT4xMjY8L1JlY051bT48RGlzcGxheVRleHQ+WzYsIDE3LTIxXTwvRGlzcGxheVRleHQ+
PHJlY29yZD48cmVjLW51bWJlcj4xMjY8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48a2V5IGFw
cD0iRU4iIGRiLWlkPSJ6NXJ3eDVhZGRkdnJzM2VhZXg5cHphOXd6ejJlMjA1MHB0d3IiPjEyNjwv
a2V5PjwvZm9yZWlnbi1rZXlzPjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJCb29rIj42PC9yZWYtdHlwZT48Y29u
dHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+SG9ycm9ja3MsIEEgUmljaGFyZDwvYXV0aG9yPjxh
dXRob3I+UHJpY2UsIERlbm5pczwvYXV0aG9yPjwvYXV0aG9ycz48L2NvbnRyaWJ1dG9ycz48dGl0
bGVzPjx0aXRsZT5GaXJlIHJldGFyZGFudCBtYXRlcmlhbHM8L3RpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxkYXRl
cz48eWVhcj4yMDAxPC95ZWFyPjwvZGF0ZXM+PHB1Ymxpc2hlcj53b29kaGVhZCBQdWJsaXNoaW5n
PC9wdWJsaXNoZXI+PGlzYm4+MTg1NTczNDE5MjwvaXNibj48dXJscz48L3VybHM+PC9yZWNvcmQ+
PC9DaXRlPjxDaXRlPjxBdXRob3I+R2lhbm5lbGlzPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk5OTwvWWVhcj48
UmVjTnVtPjI5OTwvUmVjTnVtPjxyZWNvcmQ+PHJlYy1udW1iZXI+Mjk5PC9yZWMtbnVtYmVyPjxm
b3JlaWduLWtleXM+PGtleSBhcHA9IkVOIiBkYi1pZD0iejVyd3g1YWRkZHZyczNlYWV4OXB6YTl3
enoyZTIwNTBwdHdyIj4yOTk8L2tleT48L2ZvcmVpZ24ta2V5cz48cmVmLXR5cGUgbmFtZT0iQm9v
ayBTZWN0aW9uIj41PC9yZWYtdHlwZT48Y29udHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+R2lh
bm5lbGlzLCBFUDwvYXV0aG9yPjxhdXRob3I+S3Jpc2huYW1vb3J0aSwgUjwvYXV0aG9yPjxhdXRo
b3I+TWFuaWFzLCBFPC9hdXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+PHRp
dGxlPlBvbHltZXItc2lsaWNhdGUgbmFub2NvbXBvc2l0ZXM6IG1vZGVsIHN5c3RlbXMgZm9yIGNv
bmZpbmVkIHBvbHltZXJzIGFuZCBwb2x5bWVyIGJydXNoZXM8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0
bGU+UG9seW1lcnMgaW4gY29uZmluZWQgZW52aXJvbm1lbnRzPC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+PC90
aXRsZXM+PHBhZ2VzPjEwNy0xNDc8L3BhZ2VzPjxkYXRlcz48eWVhcj4xOTk5PC95ZWFyPjwvZGF0
ZXM+PHB1Ymxpc2hlcj5TcHJpbmdlcjwvcHVibGlzaGVyPjxpc2JuPjM1NDA2NDI2Njg8L2lzYm4+
PHVybHM+PC91cmxzPjwvcmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48Q2l0ZT48QXV0aG9yPkdpYW5uZWxpczwvQXV0
aG9yPjxZZWFyPjE5OTY8L1llYXI+PFJlY051bT4zMDA8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVt
YmVyPjMwMDwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9yZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1
cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6MmUyMDUwcHR3ciI+MzAwPC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtl
eXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJuYWwgQXJ0aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmli
dXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5HaWFubmVsaXMsIEVtbWFudWVsIFA8L2F1dGhvcj48L2F1
dGhvcnM+PC9jb250cmlidXRvcnM+PHRpdGxlcz48dGl0bGU+UG9seW1lciBsYXllcmVkIHNpbGlj
YXRlIG5hbm9jb21wb3NpdGVzPC90aXRsZT48c2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPkFkdmFuY2VkIG1hdGVy
aWFsczwvc2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2FsPjxmdWxsLXRpdGxlPkFk
dmFuY2VkIG1hdGVyaWFsczwvZnVsbC10aXRsZT48L3BlcmlvZGljYWw+PHBhZ2VzPjI5LTM1PC9w
YWdlcz48dm9sdW1lPjg8L3ZvbHVtZT48bnVtYmVyPjE8L251bWJlcj48ZGF0ZXM+PHllYXI+MTk5
NjwveWVhcj48L2RhdGVzPjxpc2JuPjE1MjEtNDA5NTwvaXNibj48dXJscz48L3VybHM+PC9yZWNv
cmQ+PC9DaXRlPjxDaXRlPjxBdXRob3I+VmFpYTwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjE5OTY8L1llYXI+PFJl
Y051bT4zMDE8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjMwMTwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9y
ZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6
MmUyMDUwcHR3ciI+MzAxPC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtleXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJu
YWwgQXJ0aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5W
YWlhLCBSaWNoYXJkIEE8L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPkphbmR0LCBLbGF1cyBEPC9hdXRob3I+PGF1
dGhvcj5LcmFtZXIsIEVkd2FyZCBKPC9hdXRob3I+PGF1dGhvcj5HaWFubmVsaXMsIEVtbWFudWVs
IFA8L2F1dGhvcj48L2F1dGhvcnM+PC9jb250cmlidXRvcnM+PHRpdGxlcz48dGl0bGU+TWljcm9z
dHJ1Y3R1cmFsIGV2b2x1dGlvbiBvZiBtZWx0IGludGVyY2FsYXRlZCBwb2x5bWVyLW9yZ2FuaWNh
bGx5IG1vZGlmaWVkIGxheWVyZWQgc2lsaWNhdGVzIG5hbm9jb21wb3NpdGVzPC90aXRsZT48c2Vj
b25kYXJ5LXRpdGxlPkNoZW1pc3RyeSBvZiBNYXRlcmlhbHM8L3NlY29uZGFyeS10aXRsZT48L3Rp
dGxlcz48cGVyaW9kaWNhbD48ZnVsbC10aXRsZT5DaGVtaXN0cnkgb2YgTWF0ZXJpYWxzPC9mdWxs
LXRpdGxlPjwvcGVyaW9kaWNhbD48cGFnZXM+MjYyOC0yNjM1PC9wYWdlcz48dm9sdW1lPjg8L3Zv
bHVtZT48bnVtYmVyPjExPC9udW1iZXI+PGRhdGVzPjx5ZWFyPjE5OTY8L3llYXI+PC9kYXRlcz48
aXNibj4wODk3LTQ3NTY8L2lzYm4+PHVybHM+PC91cmxzPjwvcmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48Q2l0ZT48
QXV0aG9yPkJydW5lPC9BdXRob3I+PFllYXI+MjAwMjwvWWVhcj48UmVjTnVtPjMwMjwvUmVjTnVt
PjxyZWNvcmQ+PHJlYy1udW1iZXI+MzAyPC9yZWMtbnVtYmVyPjxmb3JlaWduLWtleXM+PGtleSBh
cHA9IkVOIiBkYi1pZD0iejVyd3g1YWRkZHZyczNlYWV4OXB6YTl3enoyZTIwNTBwdHdyIj4zMDI8
L2tleT48L2ZvcmVpZ24ta2V5cz48cmVmLXR5cGUgbmFtZT0iSm91cm5hbCBBcnRpY2xlIj4xNzwv
cmVmLXR5cGU+PGNvbnRyaWJ1dG9ycz48YXV0aG9ycz48YXV0aG9yPkJydW5lLCBEb3VnbGFzIEE8
L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPkJpY2VyYW5vLCBKb3plZjwvYXV0aG9yPjwvYXV0aG9ycz48L2NvbnRy
aWJ1dG9ycz48dGl0bGVzPjx0aXRsZT5NaWNyb21lY2hhbmljcyBvZiBuYW5vY29tcG9zaXRlczog
Y29tcGFyaXNvbiBvZiB0ZW5zaWxlIGFuZCBjb21wcmVzc2l2ZSBlbGFzdGljIG1vZHVsaSwgYW5k
IHByZWRpY3Rpb24gb2YgZWZmZWN0cyBvZiBpbmNvbXBsZXRlIGV4Zm9saWF0aW9uIGFuZCBpbXBl
cmZlY3QgYWxpZ25tZW50IG9uIG1vZHVsdXM8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0bGU+UG9seW1l
cjwvc2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2FsPjxmdWxsLXRpdGxlPlBvbHlt
ZXI8L2Z1bGwtdGl0bGU+PC9wZXJpb2RpY2FsPjxwYWdlcz4zNjktMzg3PC9wYWdlcz48dm9sdW1l
PjQzPC92b2x1bWU+PG51bWJlcj4yPC9udW1iZXI+PGRhdGVzPjx5ZWFyPjIwMDI8L3llYXI+PC9k
YXRlcz48aXNibj4wMDMyLTM4NjE8L2lzYm4+PHVybHM+PC91cmxzPjwvcmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48
Q2l0ZT48QXV0aG9yPkJoYXJhZHdhajwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDE8L1llYXI+PFJlY051bT4z
MDM8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjMwMzwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9yZWlnbi1r
ZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6MmUyMDUw
cHR3ciI+MzAzPC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtleXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJuYWwgQXJ0
aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5CaGFyYWR3
YWosIFJpc2hpa2VzaCBLPC9hdXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+
PHRpdGxlPk1vZGVsaW5nIHRoZSBiYXJyaWVyIHByb3BlcnRpZXMgb2YgcG9seW1lci1sYXllcmVk
IHNpbGljYXRlIG5hbm9jb21wb3NpdGVzPC90aXRsZT48c2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPk1hY3JvbW9s
ZWN1bGVzPC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+PC90aXRsZXM+PHBlcmlvZGljYWw+PGZ1bGwtdGl0bGU+
TWFjcm9tb2xlY3VsZXM8L2Z1bGwtdGl0bGU+PC9wZXJpb2RpY2FsPjxwYWdlcz45MTg5LTkxOTI8
L3BhZ2VzPjx2b2x1bWU+MzQ8L3ZvbHVtZT48bnVtYmVyPjI2PC9udW1iZXI+PGRhdGVzPjx5ZWFy
PjIwMDE8L3llYXI+PC9kYXRlcz48aXNibj4wMDI0LTkyOTc8L2lzYm4+PHVybHM+PC91cmxzPjwv
cmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48L0VuZE5vdGU+AG==
ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Ib3Jyb2NrczwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDE8L1llYXI+
PFJlY051bT4xMjY8L1JlY051bT48RGlzcGxheVRleHQ+WzYsIDE3LTIxXTwvRGlzcGxheVRleHQ+
PHJlY29yZD48cmVjLW51bWJlcj4xMjY8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48a2V5IGFw
cD0iRU4iIGRiLWlkPSJ6NXJ3eDVhZGRkdnJzM2VhZXg5cHphOXd6ejJlMjA1MHB0d3IiPjEyNjwv
a2V5PjwvZm9yZWlnbi1rZXlzPjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJCb29rIj42PC9yZWYtdHlwZT48Y29u
dHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+SG9ycm9ja3MsIEEgUmljaGFyZDwvYXV0aG9yPjxh
dXRob3I+UHJpY2UsIERlbm5pczwvYXV0aG9yPjwvYXV0aG9ycz48L2NvbnRyaWJ1dG9ycz48dGl0
bGVzPjx0aXRsZT5GaXJlIHJldGFyZGFudCBtYXRlcmlhbHM8L3RpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxkYXRl
cz48eWVhcj4yMDAxPC95ZWFyPjwvZGF0ZXM+PHB1Ymxpc2hlcj53b29kaGVhZCBQdWJsaXNoaW5n
PC9wdWJsaXNoZXI+PGlzYm4+MTg1NTczNDE5MjwvaXNibj48dXJscz48L3VybHM+PC9yZWNvcmQ+
PC9DaXRlPjxDaXRlPjxBdXRob3I+R2lhbm5lbGlzPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk5OTwvWWVhcj48
UmVjTnVtPjI5OTwvUmVjTnVtPjxyZWNvcmQ+PHJlYy1udW1iZXI+Mjk5PC9yZWMtbnVtYmVyPjxm
b3JlaWduLWtleXM+PGtleSBhcHA9IkVOIiBkYi1pZD0iejVyd3g1YWRkZHZyczNlYWV4OXB6YTl3
enoyZTIwNTBwdHdyIj4yOTk8L2tleT48L2ZvcmVpZ24ta2V5cz48cmVmLXR5cGUgbmFtZT0iQm9v
ayBTZWN0aW9uIj41PC9yZWYtdHlwZT48Y29udHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+R2lh
bm5lbGlzLCBFUDwvYXV0aG9yPjxhdXRob3I+S3Jpc2huYW1vb3J0aSwgUjwvYXV0aG9yPjxhdXRo
b3I+TWFuaWFzLCBFPC9hdXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+PHRp
dGxlPlBvbHltZXItc2lsaWNhdGUgbmFub2NvbXBvc2l0ZXM6IG1vZGVsIHN5c3RlbXMgZm9yIGNv
bmZpbmVkIHBvbHltZXJzIGFuZCBwb2x5bWVyIGJydXNoZXM8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0
bGU+UG9seW1lcnMgaW4gY29uZmluZWQgZW52aXJvbm1lbnRzPC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+PC90
aXRsZXM+PHBhZ2VzPjEwNy0xNDc8L3BhZ2VzPjxkYXRlcz48eWVhcj4xOTk5PC95ZWFyPjwvZGF0
ZXM+PHB1Ymxpc2hlcj5TcHJpbmdlcjwvcHVibGlzaGVyPjxpc2JuPjM1NDA2NDI2Njg8L2lzYm4+
PHVybHM+PC91cmxzPjwvcmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48Q2l0ZT48QXV0aG9yPkdpYW5uZWxpczwvQXV0
aG9yPjxZZWFyPjE5OTY8L1llYXI+PFJlY051bT4zMDA8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVt
YmVyPjMwMDwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9yZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1
cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6MmUyMDUwcHR3ciI+MzAwPC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtl
eXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJuYWwgQXJ0aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmli
dXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5HaWFubmVsaXMsIEVtbWFudWVsIFA8L2F1dGhvcj48L2F1
dGhvcnM+PC9jb250cmlidXRvcnM+PHRpdGxlcz48dGl0bGU+UG9seW1lciBsYXllcmVkIHNpbGlj
YXRlIG5hbm9jb21wb3NpdGVzPC90aXRsZT48c2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPkFkdmFuY2VkIG1hdGVy
aWFsczwvc2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2FsPjxmdWxsLXRpdGxlPkFk
dmFuY2VkIG1hdGVyaWFsczwvZnVsbC10aXRsZT48L3BlcmlvZGljYWw+PHBhZ2VzPjI5LTM1PC9w
YWdlcz48dm9sdW1lPjg8L3ZvbHVtZT48bnVtYmVyPjE8L251bWJlcj48ZGF0ZXM+PHllYXI+MTk5
NjwveWVhcj48L2RhdGVzPjxpc2JuPjE1MjEtNDA5NTwvaXNibj48dXJscz48L3VybHM+PC9yZWNv
cmQ+PC9DaXRlPjxDaXRlPjxBdXRob3I+VmFpYTwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjE5OTY8L1llYXI+PFJl
Y051bT4zMDE8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjMwMTwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9y
ZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6
MmUyMDUwcHR3ciI+MzAxPC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtleXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJu
YWwgQXJ0aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5W
YWlhLCBSaWNoYXJkIEE8L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPkphbmR0LCBLbGF1cyBEPC9hdXRob3I+PGF1
dGhvcj5LcmFtZXIsIEVkd2FyZCBKPC9hdXRob3I+PGF1dGhvcj5HaWFubmVsaXMsIEVtbWFudWVs
IFA8L2F1dGhvcj48L2F1dGhvcnM+PC9jb250cmlidXRvcnM+PHRpdGxlcz48dGl0bGU+TWljcm9z
dHJ1Y3R1cmFsIGV2b2x1dGlvbiBvZiBtZWx0IGludGVyY2FsYXRlZCBwb2x5bWVyLW9yZ2FuaWNh
bGx5IG1vZGlmaWVkIGxheWVyZWQgc2lsaWNhdGVzIG5hbm9jb21wb3NpdGVzPC90aXRsZT48c2Vj
b25kYXJ5LXRpdGxlPkNoZW1pc3RyeSBvZiBNYXRlcmlhbHM8L3NlY29uZGFyeS10aXRsZT48L3Rp
dGxlcz48cGVyaW9kaWNhbD48ZnVsbC10aXRsZT5DaGVtaXN0cnkgb2YgTWF0ZXJpYWxzPC9mdWxs
LXRpdGxlPjwvcGVyaW9kaWNhbD48cGFnZXM+MjYyOC0yNjM1PC9wYWdlcz48dm9sdW1lPjg8L3Zv
bHVtZT48bnVtYmVyPjExPC9udW1iZXI+PGRhdGVzPjx5ZWFyPjE5OTY8L3llYXI+PC9kYXRlcz48
aXNibj4wODk3LTQ3NTY8L2lzYm4+PHVybHM+PC91cmxzPjwvcmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48Q2l0ZT48
QXV0aG9yPkJydW5lPC9BdXRob3I+PFllYXI+MjAwMjwvWWVhcj48UmVjTnVtPjMwMjwvUmVjTnVt
PjxyZWNvcmQ+PHJlYy1udW1iZXI+MzAyPC9yZWMtbnVtYmVyPjxmb3JlaWduLWtleXM+PGtleSBh
cHA9IkVOIiBkYi1pZD0iejVyd3g1YWRkZHZyczNlYWV4OXB6YTl3enoyZTIwNTBwdHdyIj4zMDI8
L2tleT48L2ZvcmVpZ24ta2V5cz48cmVmLXR5cGUgbmFtZT0iSm91cm5hbCBBcnRpY2xlIj4xNzwv
cmVmLXR5cGU+PGNvbnRyaWJ1dG9ycz48YXV0aG9ycz48YXV0aG9yPkJydW5lLCBEb3VnbGFzIEE8
L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPkJpY2VyYW5vLCBKb3plZjwvYXV0aG9yPjwvYXV0aG9ycz48L2NvbnRy
aWJ1dG9ycz48dGl0bGVzPjx0aXRsZT5NaWNyb21lY2hhbmljcyBvZiBuYW5vY29tcG9zaXRlczog
Y29tcGFyaXNvbiBvZiB0ZW5zaWxlIGFuZCBjb21wcmVzc2l2ZSBlbGFzdGljIG1vZHVsaSwgYW5k
IHByZWRpY3Rpb24gb2YgZWZmZWN0cyBvZiBpbmNvbXBsZXRlIGV4Zm9saWF0aW9uIGFuZCBpbXBl
cmZlY3QgYWxpZ25tZW50IG9uIG1vZHVsdXM8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0bGU+UG9seW1l
cjwvc2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2FsPjxmdWxsLXRpdGxlPlBvbHlt
ZXI8L2Z1bGwtdGl0bGU+PC9wZXJpb2RpY2FsPjxwYWdlcz4zNjktMzg3PC9wYWdlcz48dm9sdW1l
PjQzPC92b2x1bWU+PG51bWJlcj4yPC9udW1iZXI+PGRhdGVzPjx5ZWFyPjIwMDI8L3llYXI+PC9k
YXRlcz48aXNibj4wMDMyLTM4NjE8L2lzYm4+PHVybHM+PC91cmxzPjwvcmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48
Q2l0ZT48QXV0aG9yPkJoYXJhZHdhajwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDE8L1llYXI+PFJlY051bT4z
MDM8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjMwMzwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9yZWlnbi1r
ZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6MmUyMDUw
cHR3ciI+MzAzPC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtleXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJuYWwgQXJ0
aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5CaGFyYWR3
YWosIFJpc2hpa2VzaCBLPC9hdXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+
PHRpdGxlPk1vZGVsaW5nIHRoZSBiYXJyaWVyIHByb3BlcnRpZXMgb2YgcG9seW1lci1sYXllcmVk
IHNpbGljYXRlIG5hbm9jb21wb3NpdGVzPC90aXRsZT48c2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPk1hY3JvbW9s
ZWN1bGVzPC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+PC90aXRsZXM+PHBlcmlvZGljYWw+PGZ1bGwtdGl0bGU+
TWFjcm9tb2xlY3VsZXM8L2Z1bGwtdGl0bGU+PC9wZXJpb2RpY2FsPjxwYWdlcz45MTg5LTkxOTI8
L3BhZ2VzPjx2b2x1bWU+MzQ8L3ZvbHVtZT48bnVtYmVyPjI2PC9udW1iZXI+PGRhdGVzPjx5ZWFy
PjIwMDE8L3llYXI+PC9kYXRlcz48aXNibj4wMDI0LTkyOTc8L2lzYm4+PHVybHM+PC91cmxzPjwv
cmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48L0VuZE5vdGU+AG==
ADDIN EN.CITE.DATA [6, 17-21]. در سال 1960 مطالعاتی بر روی پایداری حرارتی پلی استایرن و پلی متیل متاکریلات ساخته شده در حضور خاک رس انجام شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Friedlander</Author><Year>1964</Year><RecNum>304</RecNum><DisplayText>[22, 23]</DisplayText><record><rec-number>304</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">304</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Friedlander, Henry Z</author><author>Frink, Charles R</author></authors></contributors><titles><title>Organized polymerization III. Monomers intercalated in montmorillonite</title><secondary-title>Journal of Polymer Science Part B: Polymer Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Polymer Science Part B: Polymer Letters</full-title></periodical><pages>475-479</pages><volume>2</volume><number>4</number><dates><year>1964</year></dates><isbn>1542-6254</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blumstein</Author><Year>1965</Year><RecNum>305</RecNum><record><rec-number>305</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">305</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blumstein, Alexandre</author></authors></contributors><titles><title>Polymerization of adsorbed monolayers. I. Preparation of the clay–polymer complex</title><secondary-title>Journal of Polymer Science Part A: General Papers</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Polymer Science Part A: General Papers</full-title></periodical><pages>2653-2664</pages><volume>3</volume><number>7</number><dates><year>1965</year></dates><isbn>1542-6246</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[22, 23]. آنها دریافتند که مولکول های استایرن و متیل متاکریلات بر روی سطح و سطح مشترک مونت موریلونیت جذب شده و یک کمپلکس بین لایه ای پلیمر-مونت موریلونیت تشکیل می دهند. این کمپلکس ها پایداری حرارتی بالا و مقاومت در برابر حلالیت بالایی را از خود نشان می دهند زیرا تخریب مولکول ها در محیط محدود، جابجایی زنجیره پلیمر را با تأخیر مواجه کرده و تخریب با تأخیر انجام خواهد شد. قبل از این پژوهشگران شرکت تویوتا ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Usuki</Author><Year>1993</Year><RecNum>306</RecNum><DisplayText>[24, 25]</DisplayText><record><rec-number>306</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">306</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Usuki, Arimitsu</author><author>Kojima, Yoshitsugu</author><author>Kawasumi, Masaya</author><author>Okada, Akane</author><author>Fukushima, Yoshiaki</author><author>Kurauchi, Toshio</author><author>Kamigaito, Osami</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of nylon 6-clay hybrid</title><secondary-title>Journal of Materials Research(USA)</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Materials Research(USA)</full-title></periodical><pages>1179-1184</pages><volume>8</volume><number>5</number><dates><year>1993</year></dates><isbn>0884-2914</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Kojima</Author><Year>1993</Year><RecNum>307</RecNum><record><rec-number>307</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">307</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Kojima, Yoshitsugu</author><author>Usuki, Arimitsu</author><author>Kawasumi, Masaya</author><author>Okada, Akane</author><author>Fukushima, Yoshiaki</author><author>Kurauchi, Toshio</author><author>Kamigaito, Osami</author></authors></contributors><titles><title>Mechanical properties of nylon 6-clay hybrid</title><secondary-title>Journal of Materials Research(USA)</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Materials Research(USA)</full-title></periodical><pages>1185-1189</pages><volume>8</volume><number>5</number><dates><year>1993</year></dates><isbn>0884-2914</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[24, 25]دریافتند که افزودن خاک‌رس به پلی‌آمید-6 به میزان 7/4% عنصر به خواص مکانیکی فوق العاده خواهد شد که دمای واپیچش و تغییر شکل حرارتی به دمای 152 درجه سانتی گراد افزایش خواهد یافت که این مقدار 87 درجه سانتی گراد بیشتر از پلی آمید-6 اصلی و اولیه است. خاک رس ها خانواده ای از مواد سیلیکاته لایه ای هستند (شناخته شده از نوع 2:1 فیلوسیلیکات) این مواد شامل مونت موریلونیت، هکتوریت، ساپونیت، فلورومیکا، فلوروهکتوریت، ورمیکومیت، کائولینیت، ماگادیت و غیره می باشد. مونت موریلونت یکی از انواع خاک رس است که استفاده بیشتری از آن می شود. این ماده از زمانی که در ابتدا در شهر مونت موریلون فرانسه در سال 1874 کشف شد به این نام مشهور شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Grimshaw</Author><Year>1971</Year><RecNum>308</RecNum><DisplayText>[26]</DisplayText><record><rec-number>308</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">308</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Grimshaw, Rex W</author><author>Searle, Alfred Broadhead</author></authors></contributors><titles><title>The chemistry and physics of clays and allied ceramic materials</title></titles><dates><year>1971</year></dates><publisher>Wiley-Interscience</publisher><isbn>0471327808</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[26]. ساختار خاک رس مونت موریلونیت از دو دیدگاه مختلف می تواند بررسی شود میکروساختار و ساختار بلورین. بر اساس مطالعات انجام شده بر روی ذرات میکرو ساختار مونت موریلونیت تقسیم به سه نوع دسته بندی مختلف می شود: ساختار لایه ای ، ذرات اولیه ، حالت خوشه ای شدن. ساختار لایه ای شامل یک لایه ساده است اما با ضخامت 1 نانومتر و طول 200-100 نانومتر. ساختار بلوری و کریستال مونت موریلونیت به ساختار لایه ای بر می گردد. چندین لایه با هم متحد و پیوند زده می شوند و ذره اولیه شکل می گیرد (با محدوده چندین نانومتر تا ده ها نانومتر). صدها هزار ذرات اولیه به هم چسبیده و تشکیل خوشه می دهند و محدوده اندازه خوشه میان 1/0 تا ده ها میکرومتر است. از نقطه نظر ساختار کریستالی، این مواد معدنی یک ساختار لایه ای دو بعدی دارند. اگر کسی بخواهد یک پلیمر آلی را با خاک رس مونت موریلونیت مخلوط کند بایست به وسیله تبادل یونی، یون های هیدروفیل سدیم را حذف کرده به جای آن یون های آلی دوست جایگزین کند. نانو کامپوزیت های پلیمر خاک رس به وسیله پلیمریزاسیون هم زمان و فرآیند آلیاژسازی تولید می شوند. آلی دوست ها برای هر دو مورد از روش ها کمی متفاوت عمل می کنند. در فرآیند آلیاژسازی به زنجیره های آلکیل بیشتری نسبت به پلیمریزاسیون هم زمان نیاز داریم. هنگام ساخت نانو کامپوزیت، سه نوع مختلف ممکن است به وجود بیاید:
1) غیر قابل امتزاج
معمولاً به عنوان میکرو کامپوزیت شناخته می شود. در این حالت خاک رس به صورت نانو پراکنده نمی شود و در این حالت مانند یک پرکننده با اندازه میکرو عمل می کند.
2) نانو کامپوزیت های intercalated
نانو کامپوزیت کاملاً در اندازه نانو در ماتریس پراکنده می شود و لایه های خاک رس ثابت باقی می‌مانند.
3) نانو کامپوزیت Exfoliated
در این حالت لایه های خاک رس از هم باز می شوند و پراکنش خوبی را بوجود می‌آید و فاصله ثابت میان لایه ها از بین خواهد رفت و این خاک رس به درون لایه ها نفوذ می کند.
این تعاریف بر اساس ابزارها و تست های X-Ray diffraction (XRD) به دست آمده است. REF _Ref384715186 h * MERGEFORMAT شکل ‏25 این سه نوع مختلف مواد را نشان می دهد. پایداری حرارتی خاک های رس به وسیله آنالیزهای وزن‌سنجی حرارتی (TGA) مطالعه و بررسی می شود.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 5: انواع نانوکاپوزیت‌هاتوصیف و تحلیل تشکیل نانوکامپوزیتنانو کامپوزیت های پلیمر خاک رس علاوه بر کاهش اشتعال پذیری، بهبود خواص مکانیکی را نیز از خود نشان می دهد. این امر یک نکته مثبت است زیرا بسیاری از تأخیر دهنده های اشتعال بایست با مقدار زیاد استفاده شوند تا بتوانند به خواص ضد آتش مطلوب برسند، در این حالت ممکن است خواص مکانیکی پلیمر کاهش یابد. تحلیل و آنالیز معمولاً نشان دهنده پراکنش خوب خاک رس در پلیمر مثل پراکنش نانو ذرات و همچنین نفوذ Intercalated، Exfoliated و یا اختلاط ماده به وسیله تفرق اشعه X (XRD) و TEM قابل حصول است. ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Morgan</Author><Year>2003</Year><RecNum>310</RecNum><DisplayText>[27]</DisplayText><record><rec-number>310</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">310</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Morgan, Alexander B</author><author>Gilman, Jeffrey W</author></authors></contributors><titles><title>Characterization of polymer‐layered silicate (clay) nanocomposites by transmission electron microscopy and X‐ray diffraction: A comparative study</title><secondary-title>Journal of Applied Polymer Science</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Applied Polymer Science</full-title></periodical><pages>1329-1338</pages><volume>87</volume><number>8</number><dates><year>2003</year></dates><isbn>1097-4628</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[27] XRD فاصله میان فضای گالری، فاصله d ماده درون سیستم Intercalated را می‌دهد. زمانی سیستم Exfoliate بوجود می‌آید که فاصله ثابت میان لایه های خاک رس تغییر کند و در آزمون XRD هیچ گونه پیک (Peak) مشاهده نمی شود. متأسفانه در برخی موارد در فرآیند اختلاط خاک رس با پلیمر اخلال و بی نظمی به وجود می آید که این امر باعث عدم مشاهده پیک در آزمون خواهد شد. در این حالت عدم مشاهده پیک در آزمون XRD مبهم است. TEM یک تصویر واقعی از خاک رس در پلیمر را به ما می دهد. در اینجا حداقل 2 برابر بزرگنمایی لازم است. بزرگنمایی پایین می تواند نشان دهد که پراکنش خاک رس خوب انجام شده در صورتی که تصویر با بزرگنمایی بالاتر می تواند لایه های واقعی خاک رس را نشان دهد و دیگر آنکه فاصله ثابت میان لایه ها را نیز نشان دهد. مشکلی که تصاویر TEM دارند این است که سطح واقعی که از آنها عکسبرداری می شود در مقایسه با کل ماده بسیار بسیار کوچک است و در بیشتر اوقات، پژوهشگرها با استفاده از نتایج این تصاویر کوچک، نتایج را به کل نمونه بسط می دهند. به صورت واقع گرایانه و صحیح بایست یک تحلیل آماری و تصادفی از کل نمونه انجام شود و تصاویر کافی گرفته شود و بر روی موقعیت های مختلف تمرکز کرد تا بتوان به صورت اطمینان بخشی در مورد نانو کامپوزیت بحث نمود. تکنیک و روش دیگری نیز وجود دارد که به صورت کمتری استفاده می شود ولی باید بیشتر استفاده شود. AFM میکروسکوب نیروی اتمی، زمان استراحت رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) و گرماسنج مخروطی است. AFC یک روش سریع تر و آسان تر ولی کمتر و کوچک تر از روش TEM است. نمونه هایی از تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی حالت های Intercalated، مخلوطی از Intercalated – Exfoliated و ساختار Exfoliated در REF _Ref384715260 h * MERGEFORMAT شکل ‏26 نشان داده شده است.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 6:نتایج AFM نانوکاپوزیت های پلی استایرن.شکل بالا سمت چپ ساختارexfloliated.بالا سمت راست مخلوطی از Intercalated/exfoliated و نهایتا شکل پایین ساختار Intercalated ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Gibson</Author><Year>2007</Year><RecNum>345</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>345</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">345</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Gibson, AG</author></authors></contributors><titles><title>Fire properties of polymer composite materials</title></titles><volume>143</volume><dates><year>2007</year></dates><publisher>Springer</publisher><isbn>1402053568</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
در ریزساختار Intercalated سطح کاملاً صاف است در صورتی که برای ساختار Exfoliated، نواحی و قطعات کوچکی در ماتریس پلیمری پراکنده شده است. لغات Intercalated و Exfoliated به عنوان ترم هایی که نشان دهنده فاصله ثابت میان لایه هاست و تکنیک NMR یک روش متفاوت برای بررسی این پدیده پیشنهاد می کند و این امر نیاز به جمع آوری و استفاده از اصطلاحات و ترم های جدید است. در برخی کارهای زودتر انجام شده در مورد تأخیر اشتعال نانو کامپوزیت های پلیمر خاک رس توسط Gilman و همکاران ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Al-Malaika</Author><Year>1999</Year><RecNum>311</RecNum><DisplayText>[13, 28]</DisplayText><record><rec-number>311</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">311</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Al-Malaika, Sahar</author><author>Golovoy, A</author><author>Wilkie, Charles A</author></authors></contributors><titles><title>Chemistry and technology of polymer additives</title></titles><dates><year>1999</year></dates><publisher>Blackwell Science</publisher><isbn>0632053380</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Le Bras</Author><Year>1998</Year><RecNum>282</RecNum><record><rec-number>282</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">282</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Le Bras, Michel</author></authors></contributors><titles><title>Fire retardancy of polymers: the use of intumescence</title></titles><dates><year>1998</year></dates><publisher>Royal society of chemistry</publisher><isbn>0854047387</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 28] نشان داده شده که گرماسنج مخروطی اطلاعاتی در زمینه تشکیل نانو کامپوزیت می دهند. در میکرو کامپوزیت ها کاهشی در پیک نرخ رهایش حرارت (PHRR) ضرورتاً نخواهد داشت در صورتی که در نانو کامپوزیت ها، صرف نظر از Intercalated یا Exfoliated بودن، کاهش نسبتاً قابل توجهی را نشان داد. در کارهای آزمایشگاهی انجام شده در این موارد، تفاوت مشخصی در کاهش پیک نرخ رهایش حرارت نانو کامپوزیت ها در برابر میکروکامپوزیت‌ها مشاهده می‌شود.
بررسی تأخیر اشتعالخواص آتش مواد به وسیله روش های مختلفی بررسی می شود: کالریمتر مخروطی(ASTM E1354)، تبخیر به وسیله اشعه ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Zanetti</Author><Year>2002</Year><RecNum>312</RecNum><DisplayText>[29]</DisplayText><record><rec-number>312</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">312</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Zanetti, M</author><author>Kashiwagi, Takashi</author><author>Falqui, L</author><author>Camino, G</author></authors></contributors><titles><title>Cone calorimeter combustion and gasification studies of polymer layered silicate nanocomposites</title><secondary-title>Chemistry of Materials</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chemistry of Materials</full-title></periodical><pages>881-887</pages><volume>14</volume><number>2</number><dates><year>2002</year></dates><isbn>0897-4756</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[29]و پارامتر محدودیت اکسیژن (ASTM D2863,ISO 4589)روش های محبوبی هستند که برای بررسی تأخیر اشتعال مواد پلیمری به کار می روند. برای محصولات تجاری از آزمون UL-94(ISO 9772,ISO 9773,ASTM D635) می توان برای تعیین کیفیت مواد تأخیر دهنده اشتعال استفاده کرد. کالریمتر مخروطی به صورت گسترده ای به عنوان یک روش آزمایشگاهی برای بررسی ترکیب تأخیر اشتعال ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Grand</Author><Year>2000</Year><RecNum>144</RecNum><DisplayText>[30]</DisplayText><record><rec-number>144</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">144</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Grand, Arthur F</author><author>Wilkie, Charles A</author></authors></contributors><titles><title>Fire retardancy of polymeric materials</title></titles><volume>803</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>CRC Press</publisher><isbn>0824788796</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[30]مورد استفاده قرار می گیرد. اطلاعاتی که می توان از این طریق به دست آورد افزایش حرارت عبارت است از: زمان رسیدن به احتراق، میزان و نرخ رهایش حرارت به عنوان تابعی از زمان، گرمای اشتعال، نرم جرم از دست رفته و دوده تولید شده. میزان نمودار کل نرخ رهایش حرارت نیز قابل دسترسی است اما معمولاً بر روی مقادیر تمرکز می شود (مقدار پیک رهایش حرارت PHRR) تبخیر بر اثر اشعه تکنیک وابسته و متناسب با آزمون کالریمتر مخروطی است البته اگر در اتمسفر نیتروژن انجام شود.) این امر باعث می شود که دود حذف شود و زمانی که ماده گرم می شود می توان از آن عکس گرفت و شواهد تصویری از واکنش را می توان داشت. پارامتر محدودیت اکسیژن نیز مقدار کمینه اکسیژن مورد نیاز برای ادامه سوختن و اشتعال نمونه را معرفی می کند. افزایش میزان پارامتر محدودیت اکسیژن به مقدار بیشتر از 20، نزدیک به درصد اکسیژن در هوا، ترکیب تأخیر دهنده اشتعال ممکن است بتوان تعیین کرد.
مکانیسم های تأخیر اشتعال در نانو کامپوزیت هامکانیسم هایی که باعث افزایش پایداری حرارتی و پایداری اشتعال پلیمرها در هنگام تولید و تشکیل نانو کامپوزیت ها می شود در برخی مواقع جالب و مورد اقبال است. اولین پیشنهاد مکانیزم توسط Gilman و Kashiwagi معرفی شد. آنها گفتند که ساختار نانو کامپوزیت هنگام اشتعال منقبض می شود و این اتفاق باعث تشکیل ساختار سیلیکاتی کربنی در سطح می شود که به عنوان یک لایه محافظ در برابر انتقال جرم و همچنین به عنوان لایه ای عایق سطح زیرین پلیمری در برابر منبع حرارتی عمل می کند. دومین مکانیسم زمانی مؤثر است که مقدار و درصد خاک رس کاملاً پایین باشد. در این حالت رادیکال ها به وسیله آهن جایگزین شده در خاک رس به دام می افتد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Zhu</Author><Year>2001</Year><RecNum>315</RecNum><DisplayText>[31]</DisplayText><record><rec-number>315</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">315</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Zhu, Jin</author><author>Uhl, Fawn M</author><author>Morgan, Alexander B</author><author>Wilkie, Charles A</author></authors></contributors><titles><title>Studies on the mechanism by which the formation of nanocomposites enhances thermal stability</title><secondary-title>Chemistry of Materials</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chemistry of Materials</full-title></periodical><pages>4649-4654</pages><volume>13</volume><number>12</number><dates><year>2001</year></dates><isbn>0897-4756</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[31]. زمانی که خاک رس حاوی آهن باشد در مقایسه با زمانی که آهن وجود نداشته باشد یک تفاوت و اختلاف مشخص در کاهش پیک رهایش حرارت در مقادیر کمتر از 3 درصد خاک رس مشاهده می شود. به طور کلی کارهای زیادی در مورد تشکیل نانو کامپوزیت ها انجام شده و در بیشتر کارها میزان پیک رهایش حرارت و همچنین افت جرم کاهش می یابد اما بر روی رهایش حرارت کلی تأثیری نمی گذارد و زمان رسیدن به احتراق در بیشتر موارد کوتاه تر خواهد شد. تمام این تأثیرات مهم در کالریمتری مخروطی وجود دارد و از طریق سوختن نانو کامپوزیت به دست می آید. پیشنهاد می شود که اثر هم افزایی میان تشکیل نانوکامپوزیت و کاربرد تأخیر دهنده اشتعال استفاده شود (در صورتی که رسیدن به تأخیر اشتعال از طریق تکنولوژی نانو انجام می گیرد.) همچنین بایست در آینده تحقیقات بر روی مواد نانو به جز خاک رس انجام شود
.
پلی‌یورتانمقدمهامروزه مبحث انرژی و صرفه‌جویی در مصرف انرژی در تمامی زمینه‌ها حتی در خانه‌ها یکی از مهمترین دغدغه‌های بشر است. مقدار زیادی انرژی از طریق مصارف خانگی در روزهای سرد زمستان هدر می‌رود. عایق‌های از جنس پلی یورتان قابلیت حفظ انرژی در طول زمستان و تابستان و در مقابل گرما و سرما را دارا می‌باشند. در اکثر یخچال‌ها و فریزرها که در سرتاسر جهان تولید می‌شوند، پلی‌یورتان بعنوان یک ماده عایق حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد و باعث می‌شود که هوای خنک درون یخچال محفوظ باقی بماند. همچنین از این ماده جهت خنک‌سازی مواد غذایی حین حمل و نقل از مرحله تولید تا مصرف سالم و تازه باقی بماند. همچنین برخی دیگر از خواص موجود در پلی یورتان باعث شود این ماده یک گزینه مناسب جهت استفاده در برخی محیط‌های حساس و پرتنش مورد توجه قرار بگیرد؛ بعنوان مثال لباس‌های فضانوردی دارای لایه‌هایی از جنس پلی‌یورتان هستند که از یخ زدن فضانوردان در محیط‌های سرد خارج جلوگیری می‌کند و همچنین باعث کاربرد در لباس‌های مخصوص آب‌های سرد شده است.
همچنین این ماده در مبلمان‌های راحت و همچنین تشک‌های خواب مورد استفاده قرار می‌گیرد. دلیل کاربرد این ماده جهت استفاده در مبلمان‌ها و لوازم خواب به دلیل ویژگی و خواص مناسب است که می‌تواند به فرم بدن شکل بگیرد و موجب آسایش و راحتی بیشتر فرد شود. از دیگر مزایای این ماده این است که به راحتی و انرژی کمی قابل ازبین رفتن است و همچنین میتوان آن را با محصول جدید دیگری مخلوط و بازیابی کرد.
یکی از نکات جالب در مورد پلی‌یورتان‌ها این است که با نسبت استوکیومتری‌های مختلف از مواد اولیه آن؛ یعنی ایزوسیانات و پلی‌ال؛ می‌تواند بصورت اشکال مختلف و ویژگی‌های کاملاً متفاوت، شکل‌دهی و فرآیند شود. بعنوان مثال: تخته موج سواری با وجود اینکه سبک‌وزن است اما استحکام و سختی لازم را دارا می‌باشد و یا چرخ‌های اسکیت بسیار مقاوم است.
از پلی‌یورتان‌ها به شکل بسیار گسترده‌ای در صنایع خودروسازی استفاده می‌شود. در سپرهای اتومبیل به عنوان جاذب ضربه، در لاستیک‌ها به جهت انعطاف و آسایش بیشتر در رانندگی، سپر صوتی موتور اتومبیل در کاپوت خودرو و بعنوان فوم‌ در صندلی اتومبیل و کنسول اتومبیل کاربرد دارد اما این تمام قضیه نیست، پلی یورتان باعث سبک شدن وزن اتومبیل و کاهش مقدار مصرف سوخت خواهد شد.
پلی یورتانها را اولین بار اتوبایر در سال1937 در آلمان کشف کرد و بعد از آن این مواد با داشتن خواص ویژه پیشرفت بسیار زیادی را در انواع صنایع جهان داشتند.
پلی یورتان‌ها دسته‌ای از پلیمرهای پر مصارف با خواص عالی هستند. به همین خاطر، طراحان و متخصصان صنایع پوشش دهی بخوبی توان بهره بردای از این ترکیبات را در کاربردهای گوناگون دارند مثالهای متعددی برای کاربردهای فراوان این ترکیبات وجود دارد، از جمله پوششهای شفاف برای پوشش دهنده های تک لایه مخصوص بامها و رنگهای مشخص کردن محل گذر عابرین پیاده و غیره.
مقاومت پلی یورتانها در برابر سایش ضربه و ترک خوردگی بسیار خوب است، از جمله ویژگی های آنها پخت سریع و کامل در دمای محیط است. خواص مکانیکی فوم‌ها وابسته به ماده دیواره سلول و هندسه سلول است. ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Lee</Author><Year>2005</Year><RecNum>342</RecNum><DisplayText>[32]</DisplayText><record><rec-number>342</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">342</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Lee, L James</author><author>Zeng, Changchun</author><author>Cao, Xia</author><author>Han, Xiangming</author><author>Shen, Jiong</author><author>Xu, Guojun</author></authors></contributors><titles><title>Polymer nanocomposite foams</title><secondary-title>Composites science and technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Composites science and Technology</full-title></periodical><pages>2344-2363</pages><volume>65</volume><number>15</number><dates><year>2005</year></dates><isbn>0266-3538</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[32] پلی یورتان‌ها آلیفاتیک از انواع آروماتیک گرانتر هستند. به همین خاطر انواع آروماتیک و نمونه های اپوکسی دار در استری ها، رنگهای پایه و پوششهای رابط بکار می روند. در حالی که آلیفاتیک ها ویژه پوشش نهایی هستند. همچنین ایزوسیانات‌های آلیفاتیک پایداری بیشتری نسبت به انواع آروماتیک دارند. استفاده از پوشش های محافظ برای جلوگیری از پدیده خوردگی در ساختارهای فولادی که آستر و پوشش پایه آنها از نوع سامانه های اپوکسی دار است، نمونه ای از کاربردهای مهم پلی یورتانها محسوب می شوند. مورد دیگر، سامانه های پوشش دهنده کف است که در آنها نیز انواع پوششهای پایه را می توان بکار برد، گاهی پوشش نهائی از نوع یورتان برای لایه نهایی کف نیز کفایت می کند.
پلی یورتان چیست؟ پلی یورتان‌ها (PU) نام عمومی ترکیبات و پلیمرهایی است که در ساختار آنها پیوند یورتانی می باشند. پیوند یورتانی از طریق واکنش افزایشی بین یک گروه ایزوسیانات و یک ترکیب دارای هیدروژن فعال مثل گروه هیدروکسیل تشکیل شده است. گروه های ایزوسیانات به شدت واکنش پذیر بوده و به همین علت پیشرفت واکنش آنها نیاز به افزایش دما ندارد.(واکنش در دمای محیط صورت می گیرد) مهمترین ویژگی این گروه از پلیمرها این است که پس از واکنش ساختاری پایدار بوجود می آید
ایزوسیانات‌ها اغلب از واکنش آمین و فسژن در حلال‌های بی اثر و شرایط دمایی زیر صفر تا 100 درجه سانتیگراد تولید می‌شوند. دی ایزوسیانات‌ها دارای دو گروه سیاناتی می‌باشند. گروه‌های ایزوسیانات به شدت واکنش پذیر بوده و به همین علت پیشرفت واکنش آنها نیاز به افزایش دما ندارد.(واکنش در دمای محیط صورت می گیرد) مهمترین ویژگی این گروه از پلیمرها این است که پس از واکنش ساختاری پایدار بوجود می آید.
ترکیباتی که دارای گروه ایزوسیانات هستند عبارتند از:
2و4 یا 2و6 تولوئن دی ایزوسیانات
4و4 یا 2و4 دی فنیل متان دی ایزوسیانات
1و6 هگزا متیلن دی ایزوسیانات
از جمله معروفترین دی ایزوسیانات‌های تجاری می‌توان به MDI، (6,2)TDI، (4,2)TDI، NDI، IPDI، TODI، TMDI، CHDI، PPDI، XDI، HDI اشاره کرد.
علاوه بر موارد ذکر شده، ترکیبات ایزوسیاناتی دیگری نیز وجود دارند.
ترکیباتی که دارای دو گروه هیدروکسیل(OH) یا بیشتر باشند را پلی اُل می نامند. بطور معمول در تولید پلی یورتان‌ها از دو نوع پلی ال پلی استری و پلی ال پلی اتری استفاده می‌شود. نوع پلی ال بکار رفته در پلی یورتان‌ها تعیین کننده خواص نهایی آنها می‌باشد. معمولا پلی ال‌های بکار رفته در تولید پلی یورتان‌ها دارای وزن مولکولی مابین 200 تا 2000 می‌باشند که بسته به خواص نهایی مورد انتظار ازز پلی یورتان، انتخاب می‌شوند. بطور معمول از گونه های زیر استفاده می‌شود:
پلی ال‌های پلی استری
پلی استرها زنجیرهای ملکولی با وزن مولکولی بالا هستند که در زنجیر آنها گروه استری تکرار می‌شود و از واکنش یک اسید کربوکسیلیک دو عاملی با یک الکل دو عاملی حاصل می‌شوند.
پلی استرهای مورد استفاده در صنایع پلی یورتان به روش‌های مختلفی تهیه می‌شوند که مهمترین آنها عبارتند از روش پلی استریفیکاسیونی و پلی کاپرولاکتونی.
پلی ال‌های پلی اتری(Polyether Polyols)
این نوع پلی ال‌ها معمولا از واکنش پلیمریزاسیونی گروه اپوکسیدالکین اسید در مجاورت کاتالیست‌های بازی مانند هیدروکسید سدیم و هیدروکسید پتاسیم تولید می‌شوند. پلی اتر پلی ال‌ها بسته به روش تهیه آنها دو عاملی یا سه عاملی می‌باشند.
پلی کربنات پلی ال
پلی کاپرولاکتون پلی ال
به علاوه، به جای گروههای هیدروکسیل، ترکیباتی مثل اسیدهای کربوکسیلیک و آمینها، که دارای هیدروژن فعال هستند نیز می توانند در ترکیب با ایزوسیاناتها مورد استفاده قرار گیرند. به همین دلیل، زمانیکه صحبت از پلی یورتانها می شود، می توان گفت که گونه های بیشماری از آنها وجود دارد.
با توجه به آنچه گفته شد می توان نتیجه گرفت، پلی یورتانها در موارد گوناگونی مانند: فومهای نرم، فومهای سخت، الاستومرها، چسبها، روکش ها و پایه های رنگی بکارگرفته می شوند.
پلی یورتان خالص ضعف هایی نیز دارد:
هیدروفوب نیست و در حضور رطوبت و شرایط جوی مرطوب و شرجی، با رطوبت وارد واکنش منفی می شود.در نتیجه روی سطوح سرد قابل اعمال نمی باشد.
مقاومت شیمیایی بالایی ندارد.
مقاومت مکانیکی فوق العاده ای ندارد.
خواص فیزیکی ضعیف تری از خود بروز می دهد.


چسبندگی ضعیفی به سطوح داشته و دایماً نیاز به مصرف پرایمر جهت بهبود چسبندگی دارد.

—d1730

2-12- ویژگیها و موارد مصرف کمپوست 21
2-12-1- کاهش آلودگی محیط زیست ( آب و هوا ) 22
2-12-2- جلوگیری از فرسایش خاک 22
2-12-3- قابلیت نگاهداری آب در زمین 23
2-12-4- متخلخل نمودن خاک 23
2-12-5- سایر موارد کاربرد کمپوست 23
2-13- پژوهش های انجام شده 24
2-14- روشهای تولید کمپوست 25
2-15- فرآیند ویندرو 28
2-15-1- تاریخچه کاربرد فرآیند ویندرو 29
2-15-2- راهبری سیستم 30
2-15-3- اثرات زیست محیطی و بهداشتی 33
2-16- فرآیند توده های ثابت 34
2-16-1- تاریخچه کاربرد توده های ثابت هوادهی شده 35
2-16-2- تشریح فرآیند 36
2-16-3- وضعیت موجود 43
2-16-4- چشم اندازهای اخیر 43
2-17- سیستمهای کمپوست راکتوری 45
2-17-1- راکتورهای جریان عمودی جامدات 45
2-17-2- راکتور بیوسل 48
2-17-3- راکتور BAV 48
2-18- راکتورهای جریان افقی و شیب دار جامدات 49
2-18-1- استوانه های چرخان 49
2-18-2- راکتور دانو 52
2-18-3- محفظه های با بستر همزده شده 52
2-18-4- راکتور فیرفیلد 54
2-19- محفظه های با بستر ثابت 55
2-19-1- راکتور پایگرو 55
2-19-2- راکتور تونلی BVA 56
2-20- میکروبیولوژی فرایند 56
2-20-1- الگوی دما – زمان 58
2-21- عوامل موثر بر تخمیر 59
2-21-1- هوادهی 60
2-21-2- میزان هوادهی مورد نیاز و مکانیزم های آن 61
2-21-3- میزان رطوبت 62
2-21-4- کنترل رطوبت 64
2-21-5- نسبت C/N 65
فصل سوم: روشها و لوازم مورد استفاده
فصل سوم: روشها و لوازم مورد استفاده
68
3-1- وسایل مورد نیاز 68
3-1-1- طراحی و ساخت واحد نمونه آزمایشگاهی 68
3-1-2- عملیات انتقال، شناسایی مواد 69
3-1-3- تهیه مخلوط اولیه کمپوست 69
3-2- مطالعات آزمایشگاهی 71
3-3- انتقال لجن تصفیه خانه به آزمایشگاه 71
3-4- بررسی کیفی لجن های تولیدی و زباله 71
3-5- اندازه گیری دما 72
3-6- تعیین ماده آلی و کربن 72
3-6- تعیین نیتروژن 73
3-6- تعیین رطوبت 73
3-9- تعیین pH 74
3-10- تغلیظ لجن 74
3-12- اقدامات پایش و کنترل فرآیند 74
3-12-1- پایش فرآیند 75
3-12-2- کنترل فرآیند 76
فصل چهارم: نتایج و تحلیل داده ها
فصل چهارم: نتایج و تحلیل داده ها 78
4-1- آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 78
4-1-1- پایش و کنترل فرآیند در آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 81
4-1-2- نتایج آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 82
4-2- آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 85
4-2-1- شرح آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 85
4-2-2- تحلیل آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 89
4-2-3- نتایج آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 90
4-3- معیارهای ارزیابی عملکرد سیستم در تثبیت لجن 90
4-3-1- کنترل فلزات سنگین 90
4-3-2- کنترل پاتوژنها 91
4-3-3- کنترل بو 92
4-3-5- اندازه گیری مواد آلی باقیمانده 93
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها 95
5-1- نتیجه گیری 95
5-2- پیشنهادات 97
منابع و ماخذ 99
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (2-1)- سیکل کربن و نیتروژن در فرایندهای هوازی 17
شکل ( 2-2)- شمایی از فرایند ویندرو 27
شکل (2-3)- ابعاد و اندازه های متداول توده های کمپوست ویندرو 31
شکل (2-4)- نمودار ارتباط کاهش پاتوژنها با زمان و درجه حرارت در روش ویندرو 33
شکل (2-5) -مراحل اصلی فرآیند کمپوست به توده های ثابت هوادهی شده 37
شکل (2-6)- سطح مقطع یک نمونه ثابت هوادهی شده 39
شکل (2-7) -نماهایی از توده های ثابت هوادهی شده 40
شکل (2-8)-درجه حرارت در توده های ثابت هوادهی شده با مواد مختلف 42
شکل (2-9)- راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده 46
شکل (2-10)- راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده 47
شکل (2-11)- انواع راکتورهای کمپوست با استوانه های چرخان 51
شکل (2-12)- راکتورهای افقی کمپوست با بستر همزده شده 53
شکل (3-1)- نمایی از پایلوت ساخته شده 67
شکل (4-1)- نمودار تغییرات ph نسبت به زمان 79
شکل (4-2)- نمودار تغییرات دما نسبت به زمان 79
شکل (4-3)- نمودار تغییرات رطوبت نسبت به زمان 80
شکل (4-4)- نمودار تغییرات نرخ هوادهی نسبت به زمان 80
شکل (4-5)- نمودار تغییراتph نسبت به زمان 84
شکل (4-6)- نمودار تغییرات دما نسبت به زمان 85
شکل (4-7)- نمودار تغییرات رطوبت نسبت به زمان 85
شکل (4-8)- نمودار تغییرات نرخ هوادهی نسبت به زمان 86
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول (1-1)- مقایسه آنالیز زباله در چندین منطقه جهان 8
جدول (1-2)- تعداد و انواع میکروارگانیسم های معمولی گرم کمپوست مرطوب 56
جدول (2-3)- حداکثر رطوبت مورد نیاز جهت کمپوست شدن مواد مختلف 64
جدول (2-4)- نسبت C/N در مواد مختلف 66
جدول (3-1)- آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست 70
جدول (3-2)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست 73
جدول(4-1)- آنالیز لجن (مرحله اول) 75
جدول(4-2)- آنالیز زباله (مرحله اول) 75
جدول(4-3)- آنالیز مخلوط اولیه کمپوست (مرحله اول) 76
جدول(4-4)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست (مرحله اول) 76
جدول(4-5)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست (مرحله دوم) 82
جدول (4-6)- .مقایسه فلزات سنگین کمپوست مرحله اول و دوم و لجن فاضلاب با استانداردهای کشورهای آلمان، ایتالیا و یونان 87
فصل اول
مـقـدمـــه
1-1- کلیـات
امروزه در اقصی نقاط دنیا شاهد پیشرفت روز افزون ملل مختلف در کلیه زمینه ها، بالاخص اقتصادی می‌باشیم. در هیچ دوره ای جهان چنین دگرگونی سریعی را بر خود ندیده است. از مشخصه های این نظام نوین، تولید بیش از پیش که نتیجه آن مصرف گسترده است، می باشد. این مصرف نتیجه ای جز تولید انبوه مواد ناخواسته یا به عبارت ساده تر، زباله در پی نخواهد داشت. زباله در جوامع شهر نشین، علی الخصوص شهرهای بزرگ که بافت جمعیتی آنها به صورت متمرکز می باشد، به عنوان یک محصول ناخواسته و منفور که در اسرع وقت می بایست آن را از محیط زندگی شخصی دور کرد، تعریف می شود.
امروزه پس از تجارب و آزمایش های طولانی مشخص شده است که ارزشمندترین و مؤثرترین کودها و تقویت کننده ها از انسان بدست می آید. چینی ها قبل از ما این اصل را رعایت می کردند و مدفوعات انسانی را به زمین هایشان بازگشت می دادند[33]. واقعیت اینست که بحرانهای زیست محیطی با وارد کردن خسارات جانی و مالی جبران ناپذیر به انسانها هشدار می دهند که دیگر توان خود پالایی از تن خسته طبیعت بدر آمده است. با این باور مدتهاست که کشورهای پیشرفته به منظور حفاظت از محیط زیست، عملیات تصفیه مواد زائد نظیر فاضلابها را قبل از دفع اجباری نموده اند[32].
تصفیه فاضلابها همواره با تولید دو بخش مجزای پساب و لجن همراه می باشد، از این میان پسابها غالباً کیفیتی مطلوب جهت دفع به محیط دارند در حالیکه لجنها بدلیل آلودگی بسیار زیاد نیاز به تصفیه و تثبیت بیشتر دارند. در یک تصفیه خانه فاضلاب شهری، تأسیسات تصفیه و تثبیت لجن به مراتب حساستر، تخصصی تر و پر هزینه تر از سایر واحدها می باشند، چنانچه به عنوان مثال حدود 30 درصد از کل هزینه احداث تصفیه خانه گرگان به واحد تثبیت لجن اختصاص یافت. بر این اساس بایستی توجهات خاصی بر بهینه سازی فنی و اقتصادی روشهای تصفیه و تثبیت لجن معطوف گردد[32].
در کشورهای پیشرفته چندین سال است که تحقیقات جهت انتخاب الگوی بهینه تصفیه و تثبیت لجن شروع شده است. اینکار بایستی در کشور ما نیز همگام با گسترش صنعت فاضلاب، مورد عنایت مسئولین و متخصصین قرار گیرد. با توجه به اهمیت دو موضوع مطرح شده یعنی زباله شهری و لجن می توان با ترکیب کردن این دو طی فرایند، کود ترکیبی (co-composting) بدست آورد که مشکل زباله شهری و تصفیه خانه را حل کند .
1-2- ضرورت انجام تحقیق
یکی از روشهای مؤثر در خنثی نمودن اثرات نامطلوب زباله ها و لجن، تبدیل آنها به کود کمپوست و استفاده مجدد از آنها به عنوان کودآلی (گیاهی) در کشاورزی است. در بیشتر کشورهای جهان، اقتصادی بودن این روش نسبت به سایر روش ها به اثبات رسیده است، بخصوص در مناطق کشاورزی و اطراف شهرهای کوچک (به طرق غیر صنعتی)، که حتی پایین بودن هزینه حمل و نقل، فراوانی مواد آلی و نیروی انسانی ارزان، می تواند بسیار اقتصادی باشد[10].
البته ذکر این مطلب ضروری است که کمپوست ترکیبی باید کاملاً در شرایط مناسب و بهداشتی تهیه و مصرف شود، زیرا زباله یک ترکیب نامتجانس است و کلیه اجزاء تشکیل دهنده آن قابلیت کمپوست شدن را ندارند و از طرفی بعضی از مواد متشکله زباله چنانچه با خاک مخلوط شوند، موجب نزول کیفیت آن می گردد و تعدادی از آنها موجب آلودگی خاک شده، از طریق جذب در گیاهان به انسانها و حیوانات انتقال می یابد که این خود موجب زیان های جبران ناپذیری می گردد و همچنین لجن دارای مقدار زیادی فلزات سنگین است که خود موجب نزول کیفیت لجن می گردد[10].
1-3- اهداف تحقیق
کمپوست ترکیبی فرآیندی است که خواه ناخواه با توجه به مشکلات عدیده ناشی از دفع نامناسب زباله‌های شهری ومشکلات لجن در تصفیه خانه ها در آینده ای نزدیک رشد و توسعه خواهد یافت. کمپوست فرآیندی سهل و ممتنع است. ساده به آن جهت که نیاز به دستگاهها و تجهیزات پیچیده الکترونیکی و مکانیکی ندارد و با کمترین امکانات در تمامی مناطق با اقلیم های متفاوت و با هر ظرفیتی قابل اجرا است و ممتنع به آن خاطر که فرآیند یک فرآیند بیولوژیکی است. یعنی با موجودات زنده می بایست سروکار داشت و شرایط مناسب را برای تغذیه و رشد آنها می باید تأمین نمود. از این رو شناخت فاکتورها و عوامل موثر بر حیات، تغذیه ورشد این موجودات بسیار اساسی و مهم می باشد و کوچکترین بی اطلاعی از این امر موجب تولید محصولات ناخواسته در فرآیند کمپوست ترکیبی خواهد شد که موضوع اصلی ما در این رساله می باشد.

1-4- فرضیات تحقیق
1) تأثیر میزان هوادهی بر عملکرد کمپوست ترکیبی
2) تأثیر اندازه ذرات بر عملکرد کمپوست ترکیبی
3) تأثیر عمل زیر و رو کردن بر عملکرد کمپوست ترکیبی
4) تأثیر فصول تابستان و زمستان بر عملکرد کمپوست ترکیبی
فصل دوم
ادبیات موضوع
2-1- شناخت کمپوست ترکیبی
یکی از روشهای مؤثر در خنثی نمودن اثرات نامطلوب زباله ها و لجن، تبدیل آنها به کود کمپوست و استفاده مجدّد از آنها به عنوان کودآلی (گیاهی) در کشاورزی است. در بیشتر کشورهای جهان، اقتصادی بودن این روش نسبت به سایر روش ها به اثبات رسیده است، بخصوص در مناطق کشاورزی و اطراف شهرهای کوچک (به طرق غیر صنعتی)، که حتی پایین بودن هزینه حمل و نقل، فراوانی مواد آلی و نیروی انسانی ارزان، می تواند بسیار اقتصادی باشد]10[.
البته ذکر این مطلب ضروری است که کمپوست ترکیبی باید کاملاً در شرایط مناسب و بهداشتی تهیه و مصرف شود، زیرا زباله یک ترکیب نامتجانس است و کلیه اجزاء تشکیل دهنده آن قابلیت کمپوست شدن را ندارند و از طرفی بعضی از مواد متشکله زباله چنانچه با خاک مخلوط شوند، موجب نزول کیفیت آن می گردد و تعدادی از آنها موجب آلودگی خاک شده، از طریق جذب در گیاهان به انسانها و حیوانات انتقال می یابد که این خود موجب زیان های جبران ناپذیری می گردد و همچنین لجن دارای مقدار زیادی فلزات سنگین است که خود موجب نزول کیفیت لجن می گردد]10.[
از این رو قبل از وارد شدن به بحث اصلی یعنی تبدیل زباله و لجن به کودآلی، شناخت منابع گوناگون تولید کننده زباله و ترکیبات آن ضرورت پیدا می کند.
2-2- اجزا موجود در زباله
به طور اعم ، مواد زائد جامد را می توان به صورت زیر تقسیم نمود :
زباله منازل ( باقیمانده مواد غذایی، کاغذ و کارتن و... )
زباله حجیم خانگی ( کمد، میز و ... )
زباله های معمولی زباله های غیر آلوده بیمارستانی
زباله باغات و گل خانه ها ( برگ، شاخه و ... )
زباله کسبه و ادارات ( مشابه زباله منازل )
مواد زائد جامد
زباله های صنعتی
زباله های ویژه نخاله های ساختمانی
لاستیک های فرسوده
مواد رادیواکتیو
زباله های آلوده بیمارستانی

صرفاً از بخش آلی زباله های معمولی می توان به عنوان مواد اولیه کمپوست، استفاده نمود.
آنالیز زباله یکی از مقدم ترین کارها در انتخاب و ارزیابی روش دفع زباله و حتّی روش جمع آوری، انتقال، جابجایی، بازیافت و دفن بهداشتی می باشد. لذا در هر شهری می بایست آنالیز زباله نخست از لحاظ فیزیکی و سپس از نقطه نظر شیمیایی مشخص گردد .
در مقام مقایسه با سایر کشورهای جهان آنالیز زباله در چند کشور و منطقه دیگر به صورت جدول 1-1 آورده می شود. همچنانکه مشاهده می شود میزان مواد آلی در زباله های خانگی ایران (تهران)، نسبت به سایر مناطق از مقدار بالایی برخوردار است.
جدول (1-1) مقایسه آنالیز زباله در چندین منطقه جهان]37 [.
ترکیبات تهران شمال آفریقا خلیج فارس آلمان هلند انگلستان دمشق
مواد آلی 45/76 70-60 40-35 4/42 5/50 6/30 50
کاغذ، مقوا، کارتن 98/7 20-10 30-25 9/19 8/22 2/31 11
انواع پلاستیک 58/4 2-1 15-10 1/6 8/6 2/5 5
شیشه 95/1 3-2 6-5 6/11 2/7 8/3 3
فلزات 93/0 3-2 5-2 9/3 4/4 3/5 3
استخوان 82/0 منسوجات 37/2 3-2 6-5 5/1 1/2 1/4 4
چوب 42/0 2-1 4-3 3/2 - - -
نخاله های ساختمانی 9/0 - - - - - -
سایر مواد 75/0 10-5 3-2 3/12 2/6 8/19 21
جمع کل 15/97 100 100 100 100 100 100
یکی از عوامل اساسی جهت توجیه پذیر بودن احداث کارخانجات کمپوست، این است که مواد اولیه (زباله) حداقل باید به میزان 50 درصد دارای مواد آلی باشد. خوشبختانه این نسبت در زباله های ایران بسیار بالاتر از این حداقل می باشد]35.[
با بررسی آمار و آنالیز زباله بسیاری از شهرهای ایران مشاهده می شود که مقدار و درصد مواد آلی قابل تجزیه موجود در زباله، در حد بسیار مطلوبی است. لذا طرح ایجاد کارخانجات کمپوست، نسبت به سایر روش ها از ارزش و اهمیت اقتصادی، بهداشتی بالاتری برخوردار است]36.[
2-3- لجنهای فاضلاب شهری
منشأ و مقادیر
منابع اصلی تولید لجن در تصفیه خانه های فاضلاب حوضهای ته نشینی هستند اما واحدهای تغلیظ، تثبیت، آماده سازی و آبگیری لجن نیز در شمار منابع تولید لجن قرار می گیرند]5.[
خصوصیات و ویژگیها
لجنهای تولیدی در تصفیه خانه های فاضلاب شهری در حالتهای مایع و یا نیمه جامد بوده، درصد جامدات موجود در آنها از 25/0 تا 12 درصد بسته به فرآیندهای تصفیه و عملکرد آنها متغیر می باشد.]5[
از میان اجزا جدا شده از فاضلاب در یک تصفیه خانه، لجن بیشترین حجم را به خود اختصاص می دهد که با توجه به تغلیظ آلاینده ها، پاتوژنها و مواد آلی قابل تعفن در آن، فرآیندهای تصفیه پیچیده ای را طلب می نماید.
کمیت لجن تولیدی در یک تصفیه خانه فاضلاب شهری رابطه ای مستقیم با درصد تصفیه مورد نیاز دارد. هرچه تصفیه فاضلاب از مرحله اولیه به سمت مراحل ثانویه و پیشرفته، تکامل پیدا می کند میزان لجن تولیدی نیز رو به تزاید می گذارد.
طی دهه های اخیر کیفیت لجن های تولیدی در تصفیه خانه فاضلاب شهری به دلیل تولید و مصرف حدود 10000 نوع ترکیب شیمیایی آلی جدید در سال، دچار دگرگونیهای فراوانی گردیده است]6 و7[.
لجنهای فاضلاب شهری با توجه به نوع فرآیند جداسازی آنها به سه دسته لجنهای اولیه (لجنهای نوع اول)، لجنهای بیولوژیکی (لجنهای نوع دوم) و لجنهای شیمیایی (لجنهای نوع سوم) تقسیم می گردند که خصوصیات و ویژگیهای متفاوتی از هم دارند]5.[
2-3-1- لجن اولیه
به موادی که در حوض ته نشینی اولیه رسوب می کنند، لجن اولیه اطلاق می گردد. لجن اولیه خاکستری رنگ و نسبتاً بدبو می باشد. حوض ته نشینی اولیه قادر است به سادگی حدود 50 درصد وزنی مواد جامد قابل ته نشینی را از فاضلاب جدا نماید، به همین دلیل در اکثر تصفیه خانه های فاضلاب از آن استفاده می گردد.
از ویژگیهای برتر لجن اولیه نسبت به لجنهای بیولوژیکی و شیمیایی می توان، تغلیظ ثقلی آسان و نیاز به آماده سازی جزیی جهت آبگیری مکانیکی را مورد اشاره قرار داد.
کمیت و کیفیت لجن اولیه به ماهیت واحدهای مقدماتی، خصوصیات شبکه جمع آوری و ورود فاضلابهای صنعتی به شبکه فاضلاب بستگی دارد]5[.
2-3-2- لجنهای بیولوژیکی
لجنهای بیولوژیکی در طی فرآیندهای تصفیه فاضلاب نظیر لجن فعّال، صافی چکنده و دیسکهای بیولوژیکی چرخان تولید می شوند. کمیت و کیفیت لجن بیولوژیکی تولیدی بسته به سرعت متابولیسم و رشد، نوع میکروارگانیسم های موجود در سیستم، وجود تأسیسات پیشین نظیر حوض ته نشینی اولیه و نیز شیوه راهبردی واحدهای زلال ساز بسیار متفاوت می باشد.
لجنهای بیولوژیکی بسیار مشکلتر از لجنهای اولیه و برخی از لجنهای شیمیایی تغلیظ و آبگیری می‌گردند]5[.
2-3-3- لجنهای شیمیایی
لجنهای شیمیایی، عموماً در جریان استفاده از مواد شیمیایی برای حذف فسفر و یا افزایش درصد حذف جامدات معلّق از پساب خروجی، در تصفیه خانه های فاضلاب تولید می گردند.
افزایش مواد شیمیایی به پساب خروجی از تصفیه ثانویه و عملیات رسوب گیری شیمیایی به صورت مجزا در حوض ته نشینی سوم، در شمار اندکی از تصفیه خانه ها انجام می گیرد. در عوض، افزایش مواد شیمیایی به فاضلاب خام و یا فاضلاب در مرحله تصفیه بیولوژیکی و جداسازی لجنهای شیمیایی همراه با لجنهای اولیه و یا لجنهای بیولوژیکی در بسیاری از تصفیه خانه ها، متداول می باشد.
خصوصیات لجنهای شیمیایی عمدتاً به نوع رسوب دهنده های مورد استفاده و ترکیب جامدات موجود در فاضلاب بستگی دارد]5[.
2-4- ضرورت کنترل و تصفیه لجن فاضلاب شهری
فاضلاب های شهری پس از عبور از واحدهای عملیایی و فرآیندهای متعارف عمدتاً به دو بخش پساب و لجن تفکیک می گردند که هر یک برای راهیابی مجدد به طبیعت بایستی کیفیتی مطابق با استانداردهای زیست محیطی را دارا باشند.
برخلاف پساب های خروجی از تصفیه خانه ها که معمولاً کیفیتی مناسب و مطلوب جهت تخلیه به طبیعت دارند، لجنها که حاصل تغلیظ آلاینده های موجود در فاضلاب هستند به هیچ وجه به صورت خام و تصفیه نشده مجوز ورود به محیط زیست را ندارند]36.[
متخصصین و مهندسین محیط زیست به منظور رهایی از مشکل لجن تولید شده در تصفیه خانه های فاضلاب دو ایده کلی استفاده مجدد و دفع نهایی را پیش رو دارند. دو روش استفاده مجدّد از حجم آب زیاد و خصوصیات کودی لجن پس از تصفیه و بی خطر سازی برای آبیاری، کوددهی و اصلاح بافت خاک استفاده می گردد. در روش دفع نهایی با انجام پیش تصفیه های لازم لجن به عنوان یک ماده دور ریز تلقی گردیده که جهت دفع بایستی کیفیتی مطابق با استانداردهای قابل قبول را داشته باشد.
بر این اساس در صورتی که هر یک از مقاصد استفاده مجدد و یا دفع نهایی لجن مورد توجه قرار گیرد عملیات کنترل و تصفیه لجن همواره بایستی به عنوان یکی از ارکان اساسی تصفیه خانه در نظر گرفته شود]36 [.
2-5- اهداف و مقررات مربوط به استفاده مجدد و دفع لجن
به طور کلی متخصصین محیط زیست امروزه تصفیه لجن را یکی از ارکان اصلی عملیات تصفیه فاضلاب ‌  می دانند. هدف از عملیات تصفیه لجن دستیابی به اهداف کلی تصفیه فاضلاب یعنی، زیباسازی محیط زیست، حذف مواد آلی قابل تجزیه بیولوژیکی و حذف ارگانیزمهای بیماری زا می باشد. براین اساس قوانین زیست محیطی حاکم بر تصفیه و دفع فاضلابها به طور اعم، تصفیه و دفع لجنها را نیز در بر خواهند گرفت.
در سال 1989 به دنبال تصویب قانون منع تخلیه هرگونه لجن فاضلاب به اقیانوسها، سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) استانداردهای جدیدی برای دفع لجن تصفیه خانه های فاضلاب پیشنهاد کرد]5.[
مقررات پیشنهادی حدود عددی آلاینده ها و روش های کنترل آنها را به منظورهای استفاده از لجن در زمینهای کشاورزی و غیر کشاورزی، توزیع و بازاریابی، دفع سطحی و سوزاندن تعیین نمود.
این استانداردها بیشتر محدودیتهایی را برای برخی از فلزات سنگین و ترکیبات آلی سمّی مورد تأکید قرار دارند.
مقررات و استانداردهای کنترل آلاینده های موجود در فاضلاب و لجن دائماً در معرض تکمیل و تصحیح هستند، از این رو مهندسین فاضلاب بایستی همواره در جریان آخرین استانداردها قرار داشته و آنها را در طراحی تصفیه خانه های جدید و یا بهینه سازی تصفیه خانه های قدیمی به کار بندند]5.[
جهت گیریهای آینده در مورد وضع قوانین کنترل و تصفیه لجن با موضوع کنترل آلاینده های خاص نظیر فلزات سنگین و ترکیبات آلی سمّی از قبیل پی سی بی ها و آفت کشها در مبدأ تأکید خواهد شد. این آلاینده ها تحت تأثیر فرآیندهای بیولوژیکی متداول تجزیه نمی گردند.
2-6- تعریف کمپوست
کمپوست از کلمه لاتین (composites) به معنای مخلوط و یا مرکب اقتباس شده است و به صورت عبارت زیر قابل تعریف می باشد:
- تجزیه مواد آلی نامتجانس که بوسیله میکروارگانیزم های مختلف در حضور رطوبت و گرما، در محیط هوازی صورت گیرد.
- یک فاز بیولوژیکی و تغییر فرم است که توسط میکروارگانیزم های هوازی در داخل توده انجام گرفته و حرارتی حدود 75- 65 درجه سانتیگراد تولید می نماید.
- تجزیه مواد آلی توسط دسته ای از میکروارگانیزم ها در محیط گرم، مرطوب و هوازی است.
- سیستم مهندسی تصفیه ضایعات جامد به روش تجزیه بیولوژیک در شرایط کنترل شده است.
- یک تجزیه بیولوژیکی و پایداری مواد آلی تحت شرایطی که بر اثر افزایش دمای ترموفیلیک که آن نیز خود ناشی از تولید حرارت بیولوژیکی است، به وجود می آید. محصول نهایی به اندازه کافی پایدار بوده و بدون آنکه عوارض زیست محیطی در پی داشته باشد قابل انبار شدن و یا مصرف کردن می باشد]6و7و8.[
2-7- مباحث اساسی تهیه کمپوست
فرآیند تهیه کمپوست در واقع، تجزیه مواد آلی توسط دسته ای از میکروارگانیزم ها در محیط گرم مرطوب و هوازی است.
مقدار قابل توجهی از مواد آلی که روزانه در طبیعت تولید می شود، توسط عملیات میکروبیولوژیکی تجزیه می شود. این عملیات به آرامی بر روی سطح زمین و دمای طبیعی و مخصوصاً در شرایط هوازی امکان پذیر است. فرآیند طبیعی تجزیه مواد با جمع آوری مواد به شکل پُشته که مانع از هدر رفتن حرارت تخمیر می‌شود، انجام می گیرد. بالطبع افزایش دمای مواد باعث بالا رفتن سرعت واکنش می شود. این فرآیند تسریع شده همان فرآیند ساخت کمپوست است]6.[
موادی که جهت کمپوست جمع آوری می شوند، بسیار متنوع بوده و شامل مخلوطی از مواد معدنی و آلی موجود در زباله های شهری، کودهای هموژن گیاهی، باقیمانده محصولات کشاورزی و لجن فاضلاب است. در فرآیند تولید کمپوست، بیشترین مقدار اکسیژن مصرف شده، جهت تبدیل مواد آلی به محصولات پایدارتر مانند هیومیک اسید، دی اکسیدکربن و آب به مصرف می‌رسد. نکته قابل توجه در افزایش محصولات کشاورزی، بالا بردن مقدار مواد مغذی خاک است. یکی از روش های گسترش و بهبود ساختمان خاک و تهیه مواد غذایی استفاده از هوموس است که هوموس نیز محصول نهایی فرآیند ساخت کمپوست است. در کشورهای درحال توسعه، میزان سرعت اکسیداسیون هوموس خاک، بسیار بیشتر از سرعت تشکیل آن است]37 [.
کمپوست، محصول فرآیندی است که در آن واکنشهایی بین مواد آلی، میکروارگانیزم ها، رطوبت و اکسیژن در می گیرد. مواد آلی با انبوهی از میکروارگانیزم های موجود در خاک، آب و هوا مخلوط هستند. زمانی که مقدار رطوبت مواد به حد مطلوب برسد و همچنین مواد به میزان لازم هوادهی شوند، فرآیند میکروبیولوژیکی تسریع می شود. علاوه بر اکسیژن و رطوبت، میکروارگانیزم ها جهت رشد و تکثیر نیازمند منبع کربن (زباله های آلی)، مواد غذایی مانند نیتروژن، فسفر، پتاسیم و مقادیر ناچیزی از بعضی عناصر دیگر نیز هستند. در حمله میکروارگانیزم ها به مواد آلی، علاوه بر اینکه خود آنها تکثیر یافته و رشد می‌کنند، دی اکسید کربن، آب، بعضی از محصولات آلی و انرژی نیز آزاد می شود. مقداری از این انرژی در فرآیند متابولیسم مصرف شده و باقیمانده آن به صورت گرما، آزاد می شود. محصول نهایی یا همان کمپوست از مواد آلی باقیمانده مقاوم، محصولات شکسته شده و میکروارگانیزم های زنده و مرده تشکیل شده است]6و7و38و8.[
2-8- روشهای تئوریک تولید کمپوست
بطور کلی در تهیه کمپوست از زباله و لجن، می توان از دو روش علمی و اصلی زیر بهره جست:
تجزیه هوازی
تجزیه غیر هوازی
در ذیل در حد اختصار اصول علمی روش های فوق آورده می شود.
2-8-1- تجزیه هوازی
فرآیندی که در آن یک ماده آلی در حضور اکسیژن تجزیه شود، فرآیند هوازی نامیده می شود. در تجزیه هوازی، ارگانیسم های زنده ای که اکسیژن را مصرف می کنند، جهت تغذیه خود از مواد آلی استفاده می‌نمایند. بدین ترتیب مقدار زیادی از کربن موجود، به عنوان منبع انرژی برای ارگانیسم ها بکار رفته و در اثر تنفس و سوخته شدن، به دی اکسیدکربن تبدیل می شود. از آنجائی که کربن هم به عنوان منبع انرژی و هم به عنوان یک عنصر در پروتوپلاسم سلول مصرف می شوند، لذا به مقدار خیلی بیشتر از نیتروژن مورد نیاز می باشد]12و6[.
بطور کلی تقریباً QUOTE 23 کربن در اثر تنفس به QUOTE CO2 تبدیل می شود و QUOTE 13 باقیمانده در سلولهای زنده با نیتروژن ترکیب می گردد[12]. اگر مقدار اضافی کربن نسبت به نیتروژن در مواد آلی تجزیه شده از حد مشخصی بیشتر باشد، فعالیت بیولوژیکی کم شده و ممکن است چند سیکل از ارگانیزم ها جهت سوزاندن مقدار بیشتری از کربن لازم باشد. هنگامی که تعدادی از ارگانیزم ها کُشته می شوند، نیتروژن و کربن ذخیره شده در آنها برای سایر ارگانیزم ها قابل دسترس و استفاده خواهد بود. استفاده از نیتروژن موجود در سلولهای مرده توسط ارگانیزم ها، برای تشکیل سلول جدید نیاز به اکسید کردن کربن اضافی به شکل QUOTE CO2 خواهد داشت. به این ترتیب مقدار کربن کاهش یافته و مقدار محدودی از نیتروژن نیز برگشت داده می شود. نهایتاً هنگامی که نسبت کربن به نیتروژن موجود بیش از اندازه پایین باشد، نیتروژن اضافی باعث تولید آمونیاک خواهد شد. تحت شرایط مناسب، ممکن است مقداری از آمونیاک به نیترات اکسیده شود]12.[
فسفر، پتاسیم و انواع مختلف مواد میکرونی خنثی نیز جهت رُشد بیولوژیکی اساسی هستند. این مواد در حالت عادی، بیشتر از مقدار مورد نیاز در موارد قابل کمپوست وجود دارند و از این نظر مشکلی ایجاد نمی‌شود]13[.
شکل (2-12) سیکل کربن و نیتروژن را در فرایند های هوازی مشخص می کند. این فرآیند که در طبیعت بسیار رایج می باشد بیشتر در سطح زمین مثل کف جنگلها اتفاق می افتد. برگ درختان و فضولات حیوانات بر روی کف جنگلها ریخته شده و به تدریج به خاک برگ و کود خاکی نسبتاً پایداری تبدیل می شود]12[.

شکل (2-1)- سیکل کربن و نیتروژن در فرایندهای هوازی]12[.
مقدار زیادی انرژی در اثر تبدیل C به QUOTE CO2 به صورت گرما آزاد خواهد شد. مثلاً اگر یک مولکول گرم از گلوکز تحت شرایط هوازی تبدیل شود، حدود 674-484 کیلوکالری حرارت تولید خواهد شد. اگر ماده آلی مورد تحول به صورت یک توده یا به صورتی باشد که بتوان آنرا عایق بندی کرد، درجه حرارت آن از تجاوز خواهد کرد. با وجود این اگر درجه حرارت از تجاوز کند، فعالیت باکتریها کاهش خواهد یافت و عمل تجزیه آهسته خواهد شد]14و12.[
به علت اینکه، در اثر درجه حرارت بالا، در حین فرآیند تخمیر باکتریهای فتوژن (فعال در برابر نور)، فتوزوا، تخم کرمها و میکروبهای علفهای هرزه که برای کشاورزی و سلامتی انسان مُضر هستند نابود شده اند، لذا استفاده از کود حاصله در مزارع کاملاً بی خطر است]14و12[.
اکسیداسیون هوازی مواد آلی بوی قابل ملاحظه ای ایجاد نمی کند. اگر در محل، بو ایجاد شود نتیجه گرفته می شود که یا فرآیند هوازی نیست و یا موادی در محیط وجود دارند که اکسیداسیون آنها تولید بو می کند. عمل تجزیه شدن یا کمپوست شدن هوازی، اگر اکسیژن به مقدار کافی وجود داشته باشد، می تواند در سیلوهای هاضم، گودالها، و سطح زمین به صورت پشته ای و یا کومه ای صورت گیرد]37 [.
2-8-2- تجزیه غیر هوازی
فاسد شدن مواد آلی، نتیجه تجزیه آنها در شرایط غیر هوازی است. ارگانیسم های زنده غیر هوازی در سوخت و ساز مواد مغذی، ترکیبات آلی را بوسیله یک فرایند احیاء تجزیه می کنند]37 [.
همانند فرآیند هوازی، ارگانیسم ها از نیتروژن ، فسفر و سایر مواد مغذی در رشد و تولید پروتوپلاسم سلول، استفاده و مواد آلی حاوی نیتروژن را به اسیدهای آلی و آمونیاک تبدیل می کنند. اتمهای کربن موجود در ترکیبات آلی که در پروتئین سلولی مورد استفاده قرار نمی گیرند، به صورت متان آزاد شده و بخش کوچکی از کربن ممکن است در اثر تنفس به QUOTE CO2 تبدیل شود]37و12.[
این فرآیند در طبیعت به صورت تجزیه لجن مواد آلی در ته مرداب ها و مواد آلی مدفون شده که به اکسیژن دسترسی ندارند، اتفاق می افتد. گازی که در مرداب ها متصاعد می شود عمدتاً QUOTE CH4 می‌باشد]37و26[.
احیاء شدید (فاسد شدن) مواد آلی معمولاً توأم با ایجاد بوهای نامطبوعی از سولفید هیدروژن و ترکیبات آلی احیاء شده گوگرددار (از قبیل مرکاپتانها) می باشد.
از آنجائی که تجزیه غیر هوازی مواد آلی فرایند احیاء می باشد، بخشی از محصول نهایی (کود کمپوست) هنگامی که در مزارع مورد استفاده قرار می گیرد، در معرض اکسیداسیون هوازی قرار خواهد گرفت. این اکسیداسیون جزئی است و به سرعت صورت می گیرد و در کاربرد مواد مشکل ساز نمی باشد]37 [.
این انهدام، به صورت آهسته انجام می شود و در دوره های 6 ماهه تا یکساله، کاملاً از بین می روند. هنگامی که مواد بطور غیر هوازی به صورت توده های سطحی یا در واحدهای حوضچه ای کمپوست شوند، تصاعد بوها کاملاً شدید می باشد. در شکل فوق سیکل نیتروژن و کربن در عمل تجزیه غیر هوازی نشان داده شده است]37 [.
با توجه به خصوصیات روش های مذکور، طرق صنعتی تهیه کمپوست بر اصل تجزیه هوازی استوار می‌باشند و به این جهت این روش بیشتر از روش تجزیه غیر هوازی بکار گرفته می شود.
2-9- کمپوست ترکیبی
کمپوست در زمانی رخ می دهد که آب ، اکسیژن ، کربن آلی به اندازه کافی برای تحریک رشد میکروبی وجود دارد. هوادهی مناسب ، آبیاری ، قند کافی و سایر اشکال کربن ساده آلی برای تحریک این فرایند مورد نیاز است. بنابراین، در عمل همه مواد بلافاصله مناسب نیستند و باید سایر مواد به این فرایند اضافه شوند که با نام کمپوست ترکیبی نامیده می شوند.
2-10- انواع کمپوست ترکیبی
کمپوست ترکیبی حاصل از فرآیند تخمیر را با توجه به مدت، شرایط آب و هوائی، پیشرفت تجزیه و... می‌توان به شرح ذیل تقسیم بندی نمود:
- کمپوست ترکیبی خام:
منظور زباله های خُردشده و لجنی است که هیچگونه عملیات تخمیر و پاستوریزاسیون بر روی آن صورت نگرفته باشد.
- کمپوست ترکیبی تازه:
منظور کمپوست ترکیبی است که عمل تخمیر در آن شروع شده ولی تجزیه و واکنش های مربوطه کامل نگردیده است.
- کمپوست ترکیبی کامل:
منظور کمپوست ترکیبی است که شرایط مناسب عمل تخمیر در آن ادامه یافته و در نتیجه مقدار بیشتری از مواد آلی تجزیه و نسبت به کمتر از 25 درصد و میزان مواد آلی به حدود 20 درصد و مقدار ناخالصیها به کمتر از 10 الی 15 درصد تقلیل یافته است]14.[
- کمپوست ترکیبی ویژه:
منظور کمپوست ترکیبی است که جهت جبران کمبود تعدادی از عناصر مغذی و مورد نیاز گیاهان، با توجه به استاندارد تعیین شده، با همان عناصر تکمیل گردیده است]5و3و7.[
2-11- خصوصیات کمپوست
اکثر تولید کنندگان، یک کمپوست مرغوب را از روی ظاهر مواد تجزیه شده می شناسند و بطور کلی می توان زمان عمل آمدن (رسیدن) کمپوست را از نظر کمیت و کیفیت توسط یک کنترل کننده تجربی به خوبی تخمین زد.
در تعیین خصوصیات فیزیکی کمپوست باید اندازه ذرات، پیشرفت عمل تخمیر، مقدار درصد مواد غیر مفید از قبیل پلاستیک، شیشه، کاغذ و... متناسب با نوع مصرف بررسی شوند.
کمپوست را بر حسب اندازه ذرات و با توجه به کاربرد مربوطه به صورت ذیل تقسیم بندی می کنند :
کمپوست نرم با قطر ذرات کمتر از 8 میلیمتر
کمپوست متوسط با قطر ذرات بین 20-8 میلیمتر
کمپوست درشت با قطر ذرات بین 45-20 میلیمتر]11[


تأثیر کلی کمپوست، بیشتر مربوط به تغییر فرم آن در خاک است. این تأثیر هنگامی می تواند به حداکثر مقدار خود برسد که میزان مواد آلی موجود در کمپوست حداقل بالغ بر 15 الی 20 درصد از کل مواد باشد. به این ترتیب تجزیه مواد نه فقط بایستی در زمان تهیه کمپوست انجام گیرد، بلکه بیشتر باید در محل مصرف یعنی خاک انجام پذیرد]7 .[
مطالعات محققین نشان داده است که مصرف کمپوست نسبتاً درشت در باغات میوه و تاکستان ها مناسب تر است، ولی در سبزیکاری و صیفی کاری باید کمپوست در زمان تهیه، حداکثر میزان تخمیر و تغییر فرم را یافته باشد، زیرا در غیر اینصورت فعالیت میکروارگانیزم ها موجب افزایش QUOTE Co2 و کمبود اکسیژن خاک گشته، در نتیجه فعالیت ریشه ها محدود می گردد]8[.
وجود موادی از قبیل شیشه، پلاستیک و ... که وجود هر کدام از آنها در کود کمپوست مضراتی به همراه دارد ( خصوصاً پلاستیک که پس از مدتی موجب نفوذ پذیری خاک و تبدیل آن به باتلاق می شود) باید به حداقل ممکن رسانیده شود. در کمپوست نرم این مواد نباید بیش از 6 درصد و در کمپوست متوسط بیش از 12 درصد باشد.]8[
2-12- ویژگیها و موارد مصرف کمپوست
احداث کارخانجات کمپوست و استفاده از محصول آن می تواند تبعات مفیدی را در پی داشته باشد که به عنوان نمونه به موارد ذیل اشاره می شود:
2-12-1- کاهش آلودگی محیط زیست ( آب و هوا )
قبل از این، به این مطلب اشاره شد که در اکثر قریب به اتفاق شهرهای ایران، عملیات دفن زباله و لجن به صورت غیر بهداشتی و با در نظر گرفتن اصول حفاظتی اولیه صورت می گیرد، که اثرات نامطلوب دراز مدت و کوتاه مدتی در پی دارند. حادثه نشت شیرابه های زباله دفن شده در منطقه دفن آبعلی، علاوه بر مرگ و میر تعداد بسیار زیادی از آبزیان رودخانه، منجر به آلوده شدن آبهای زیر زمین منطقه که مصارف آشامیدنی نیز دارند، گردید.
در مورد سایر شهرهای کشور، خصوصاً شهرهای ساحلی، به علت بالا بودن سطح آبهای زیر زمینی، این مشکلات چند برابر می گردد که باید با دید عمیق تری به موضوع نگریسته شود.
مشکل دیگر دفن های غیر بهداشتی و غیر اصولی، از حیث انتفاع خارج کردن زمین به مدت زمان طولانی است. زیرا بسیاری از مواد دفن شده، فسادپذیر نبوده و به همان صورت اولیه خود در زمین باقی می مانند (از جمله مواد پلیمری و...)، از این رو در مناطقی که زمین از ارزش اقتصادی بالائی برخوردار است و یا کمبود زمین وجود دارد، کمپوست می تواند به عنوان یک راه حل مناسب مورد توجه قرار گیرد.
مسئله تغذیه دامها و طیور از زباله های تخلیه شده در محل دفن نیز، یکی دیگر از مشکلات اساسی است که موجب بروز و شیوع بیماریهای عفونی می گردد و سالانه مقادیر زیادی ارز جهت تهیه داروهای مربوطه از کشور خارج می شود]37.[
از جمله مزایای کود کمپوست می توان به موارد زیر اشاره کرد :
2-12-2- جلوگیری از فرسایش خاک
یکی از مشخصات خاک در اکثر نقاط کشور ایران (خصوصاً مناطق مرکزی) عدم پایداری آن است، در این نوع زمینها، قشر رویی خاک، یعنی قشر غنی از مواد آلی، براثر اکسیداسیون تجزیه شده و از بین می رود.
خاک با از دست دادن مواد آلی خود (هوموس)، خاصیت چسبندگی اش را از دست داده و تحت اثر وزش باد، شروع به فرسایش می کند. ذرات ریز خاک توسط باد پراکنده شده و پس از بارندگی به حرکت در می‌آیند و به این ترتیب تمام مواد مغذی محلول در آب شسته شده، از بین می رود. به این پدیده فرسایش گفته می شود]37.[
برای مثال در آفریقا سالانه در هر هکتار، تحت پدیده فرسایش 250 تن مواد از بین می رود. یعنی تا حدود mm15 از لایه رویی خود را از دست می دهند]37.[ یعنی لایه ای که از لحاظ کشاورزی بسیار ارزشمند است. کمپوست ترکیبی است که هوموس خاک را احیاء نموده و از فرسایش بی رویه خاک جلوگیری می‌کند.
2-12-3- قابلیت نگاهداری آب در زمین
یکی دیگر از مشخصه های زمین مزروعی قدرت نگاهداری آب مورد نیاز گیاه در خاک می باشد، خصوصاً خاک های رُسی که در معرض شرایط جوی فصول خشک قرار گیرند. امروزه از ترکیبات مختلفی جهت بهبود این مشخصه استفاده می شود، مثلاً ورمیکولیت، پرلیت و... .
اما از لحاظ اقتصادی مناسب ترین و بهترین ماده در این مورد، کود کمپوست است که علاوه بر توانائی مذکور، ارزش غذائی مناسبی نیز برای خاک دارد.
2-12-4- متخلخل نمودن خاک
کمپوست حجم خلل و فرج خاک ها را افزایش داده و ساختمان آنها را اصلاح می کند. از عوارض ناخواسته کاربرد انواع کودهای شیمیایی، سخت و محکم شدن خاک های کشاورزی است. با کاربرد کود کمپوست این مشکل نیز برطرف می شود. زیرا قسمتی از فعل و انفعالات تخمیر کمپوست در خاک انجام گرفته و با این عمل گاز QUOTE Co2 تولیدی موجب متخلخل شدن خاک می گردد]37.[
2-12-5- سایر موارد کاربرد کمپوست
کمپوست موارد مصرف متنوع و گسترده ای دارد از قبیل :
به عنوان سوبسترا در کشت قارچ
به عنوان عایق اکوستیک
به عنوان ماده بوگیر (بیوفیلتر)
به عنوان بستر حیوانات در دامداریها
به عنوان یکی از مواد اولیه تهیه آجرهای متخلخل و ...]37 [.
2-13- پژوهش های انجام شده
- استلمچوسکی در سال 2003 روی کوکمپوست تحقیقاتی انجام داد که هدف اصلی او نسبت تهیه لجن به زباله بود. البته ایشان از زباله سبز به عنوان زباله استفاده کرده بود]9.[
- زورپس در سال 2000 از مخلوط زباله خانگی و لجن و همچنین زئولیت طبیعی استفاده کرد. آقای زورپس به این نتیجه رسید که اضافه کردن زئولیت ها می تواند مقدار فلزات سنگین را تا حدود زیاد کاهش دهد]6.[
- گیند در هند در سال 2003 مطالعه ای روی کمپوست خاکستر با کاه گندم انجام داد . آقای گیند دریافت که اضافه کردن خاکستر می تواند تا 20% مقدار را کاهش دهد و همچنین فسفر را در حد بالایی نگه می دارد]1[.
- در چین تولید کوکمپوست با پیشرفت اقتصادی همراه بود. یکی از اهداف اصلی دولت چین در حذف زباله استفاده از کوکمپوست بود که حدود 20 % از زباله چین بدین روش تثبیت می شود که البته در این راه از لجن تصفیه خانه هم استفاده می شود که این تحقیق توسط آقای وی در سال 2000 انجام شد]8[.
2-13- روشهای تولید کمپوست
روشهای تولید کمپوست را می توان بر اساس به کارگیری راکتور، مکانیسم جریان، حرکت جامدات، شرایط بستر و روش هوادهی طبقه بندی نمود. یکی از متداولترین شیوه های طبقه بندی فرآیند کمپوست به قرار ذیل است:
1- سیستمهای غیر راکتوری (باز)
بستر جامد همزده شده (ویندرو)
- تهویه طبیعی
- هوادهی تحت فشار
بستر جامدات ثابت
- هوادهی تحت فشار (توده ثابت هوادهی شده)
- تهویه طبیعی (توده بدون هوادهی)
2- سیستمهای راکتوری (بسته)
الف – جریان عمودی جامدات
بستر جامدات همزده شده
- کوره های متعدد یا چند کوره ای
- کوره های چند طبقه
بسترهای پرشده (سیلوراکتورها)
- با جریانهای متقابل هوا و جامدات
- با جریانهای متقاطع هوا و جامدات
ب – جریان افقی و شیب دار جامدات
بستر لغزان جامدات (استوانه های چرخان)
- جریان پراکنده
- سلولهای سری
- اختلاط کامل
بستر جامدات همزده شده ( محفظه های همزده شده یا کانالهای باز )
- دایره ای شکل
- مستطیلی شکل
بستر جامدات ثابت ( تونلی شکل )
- نوع فشاری
- نوع نقاله ای
ج – بدون جریان ( جعبه های کمپوست )]2[.

شکل ( 2-2)-شمایی از فرایند ویندرو]15و38و9[.
2-15- فرآیند ویندرو
فرآیند ویندرو یا فرآیند توده های طویل سطحی در واقع شیوه ای است که در آن مخلوط آماده شده جهت ورود به سیستم در ردیفهای موازی که از قبل برای آنها تهیه شده است قرار گرفته و هرچند وقت یکبار با وسایل مکانیکی مخصوص زیر و رو می گردد. شکل توده کمپوست، ارتفاع و عرض آن کاملاً بستگی به نوع مواد ورودی و نوع دستگاه های مخلوط کننده دارد.
عملیات اکسیژن رسانی به مخلوط عمدتاً از طریق تهویه طبیعی در اثر نیروی شناوری گازهای گرم خروجی از توده صورت می گیرد، در شرایطی که این میزان کم باشد می توان با زیر ورو کردن توده کمپوست نیز آنرا هوادهی نمود. همچنین در برخی موارد برای عملیات اکسیژن رسانی به توده های کمپوست از هواده های تحت فشار مثبت " دمنده " و یا تحت فشار منفی " مکنده " استفاده می گردد. در هوادهی تحت فشار مثبت، دمنده، هوای محیط را با فشار به داخل توده می راند و در هوادهی تحت فشار منفی، مکنده، گازهای موجود در توده کمپوست را با نیروی مکش از توده خارج می نماید.
درصورتی که مواد خام ورودی به سیستم از ویژگیهایی از قبیل درصد جامدات، میزان رطوبت و نسبت مناسبی برخوردار باشد غالباً این فرآیند بیولوژیکی به صورت خودکار عمل می کند. با این وجود به منظور آگاهی از زمان و تعداد مراحل زیر و رو کردن توده ها بایستی پارامترهای درجه حرارت و درصد رطوبت به طور مستمر مورد پایش قرار گیرند.
مراحل زیر و رو کردن، در فرآیند ویندرو از اهمیت خاصی برخوردار است زیرا موجب تنظیم، درجه حرارت، رطوبت، تخلخل، هوادهی و کنترل بو و مگس در توده های کمپوست می گردد.
فرآیند ویندرو به طور موفقیت آمیزی در تولید کمپوست از مواد آلی نظیر فضولات باغی، زباله و لجن فاضلاب به کارگرفته شده و یک فرآیند متداول در امر کمپوست سازی از فضولات باغی و گیاهی به شمار می آید.
تجربه کاربرد فرآیند ویندرو در کمپوست لجنهای هضم شده نشان می دهد که در اغلب موارد ترکیب این لجنها با کمپوست برگشتی شرایط مطلوبی را به دنبال داشته است اما در صورت نیاز می توان از مواد حجیم کننده و اصلاح کننده نیز جهت متناسب سازی بیشتر مخلوط بهره گرفت]15و2.[
2-15-1- تاریخچه کاربرد فرآیند ویندرو
قدیمی ترین فرآیند تولید کمپوست از لجن فاضلاب فرآیند ویندرو می باشد که قدمت بهره گیری آن به سال 1930 در آلمان بر می گردد. در آن زمان لجن آبگیری شده بدون اضافه نمودن عوامل حجیم کننده برای تولید کمپوست به روش ویندرو مورد استفاده قرار گرفت، که با توجه به تخلخل کم لجن و عدم امکان هوادهی مناسب، بوی نامطبوع زیادی در تأسیسات پخش شد و کاربرد فرآیند متوقف گردید]16[.
در سال 1950 آلریچ و اسمیت نتایج تجارب خود را از کمپوست مخلوط لجن فاضلاب هضم شده با ذرات چوب در آستینِ تگزاس با زمان بندی حدود 11 هفته گزارش نمودند، اما اولین کاربرد روش ویندرو به منظور کمپوست لجن هضم شده در مقیاس اجرایی در شهر آستین بسیار دیرتر یعنی درسال 1987 انجام پذیرفت]15و38.[
تجربه بعدی از کمپوست لجن به فردی به نام ریوز در سال 1959 برمی گردد. او از لجن هضم شده شهر الپاسوِ تگزاس که به مدت 4 تا 6 ماه در معرض هوا قرار گرفته و خشک شده بود مخلوطی با خُرده چوب درست کرد و 2 تا 3 ماده آنرا تحت فرآیند ویندرو قرار داد و سپس محصول را 2 تا 3 ماده جهت عمل آوری در توده های ثابت نگهداری نمود.
اولین واحد بزرگ تولید کمپوست لجن، در سال 1972 در لس آنجلس تأسیس شد و کارخود را با روزانه 100 تن کیک لجن هضم و آبگیری شده شروع کرد. در این واحد از کمپوست برگشتی جهت تنظیم رطوبت (تا حد 60 درصد) و پایداری ساختمانی توده ها استفاده گردید. جهت ایجاد تخلخل مناسب در این سیستم از عملیات زیر و رو کردن و اضافه کردن مواد حجیم کننده نظیر خُرده چوب و پوشال برنج بهره گرفته شد و برای بهبود انرژی تولیدی در فرآیند مواد اصلاحی با درصد مواد آلی بیشتر مورد استفاده قرار گرفت. این واحد کار خود را با کیفیت مطلوبی تا سال 1991 ادامه داد و در این سال به دلیل ملاحظات محلی و تولید بو، نقل مکان کرد]15و38.[
درسال 1980 یک واحد کمپوست لجن به روش ویندرو در واحد احیاء فاضلاب متروپلیتن دنور تأسیس گردید. این واحد برای 100 تن مواد ورودی روزانه در 16 ایکر فضای مُسقف با امکانات هوادهی به ظرفیت 165000 فوت مکعب استاندارد در دقیقه، به کار گرفته شد، اما پس از مدت کوتاهی از آغاز بهره برداری با مشکل تولید بو مواجه گردید]38.[
در سال 1991، شرکت کمپوست سازی سن جوکین در لس آنجلس بهره برداری از تأسیسات کمپوست به روش ویندرو را در منطقه ای دور دست در دره سن جوکین شروع کرد. این واحد با ورودی روزانه معادل 100 تن لجن هضم و آبگیری شده (با 20 درصد مواد جامد) و مواد اصلاح کننده ای نظیر کمپوست برگشتی و یا مواد زائد کشاورزی نظیر پوشال برنج به طور موفقیت آمیز بدون ایجاد بوهای مزاحم به کار گرفته شد]38 [.
بررسیها نشان می دهد که در حال حاضر تعداد زیادی از واحدهای تولید کمپوست به روش ویندرو در کشورهای اروپایی و آمریکایی به طور مطلوبی در حال فعالیت می باشند.
2-15-2- راهبری سیستم
شکل توده ویندرو تا حد زیادی به مشخصات مواد ورودی و نوع ماشین آلات مخلوط کُن بستگی دارد اما سطح مقطع ذوزنقه ای متداولترین شکل توده های ویندرو می باشد. شکل(2-2) نمونه هایی از این توده ها را با ابعاد و اندازه های معمول نمایش می دهد. طول توده های ویندرو در تأسیسات دنور 100 متر و در تأسیسات لس آنجلس به حدود 140 متر می رسید. هنگامی که از موادی با تخلخل زیاد استفاده می گردد می توان ارتفاع توده را بیشتر و سطح مقطع آنرا مستطیلی شکل در نظر گرفت]38.[

شکل (2-3)- ابعاد و اندازه های متداول توده های کمپوست ویندرو]38 [.
طبق اظهارات "های" به کارگیری مخلوط کنهای بزرگتر امکان ساخت توده های بزرگتر را فراهم خواهد آورد. افزایش سرعت استوانه های چرخان و کاربرد خُردکن ها در مجموعه، شرایط تولید کمپوستی یکنواخت با ذرات ریز و مناسب را ایجاد می نماید. همچنین کاربرد مواد اصلاح کننده نظیر خُرده چوب و پوشال برنج در توده های بزرگ کمپوست، موجب افزایش درجه حرارت و کاهش تولید بوهای متعفن در سیستم می‌گردد.
در واحد لس آنجلس به منظور تأمین شرایط بهینه درجه حرارت در طی فرآیند تولید کمپوست، با توجه به ماه های گرم و سرد سال از دو ترکیب متفاوت مواد خام ورودی به سیستم استفاده شده است. در این سیستم در طی ماه های گرم سال از مخلوط کیک لجن، کمپوست برگشتی و خرده چوب با نسبتهای حجمی 1 به 8/0 به 4/0 استفاده شده و برای ماه های سرد سال از مخلوط کیک لجن با خرده چوب با نسبتهای حجمی 1 به 2/1 استفاده می گردد]38.[
فرآیند ویندرو با کمپوست برگشتی نمی تواند در مواقع سرد و بارانی درجه حرارت را به مدت 15 روز در حد 55 درجه سانتی گراد نگهداری نماید. بر این اساس "های" طی آخرین تحولاتی که در واحد لس آنجلس به وجود آورد این فرآیند را به دو مرحله توسعه داد. در مرحله اول با ایجاد ویندروهای کوچک به مدت 2 تا 3 هفته شرایط خشک سازی، هوادهی و پاستوریزاسیون اولیه فراهم می شود. در این مرحله، ویندروها 3 تا 4 مرتبه در هفته زیر و رو شده که بدین ترتیب درجه حرارت طی ماه های گرم به 55 درجه سانتی گراد افزایش یافته ولی طی ماه های سرد این افزایش ایجاد نمی گردد]38.[
پس از تکمیل مرحله اول هر دو یا سه ویندرو مجاور هم توسط یک لودر مجتمع شده و یک ویندرو بزرگ را تشکیل می دهند. بسته به درجه حرارت موجود در مرحله اول ممکن است در این مرحله از مواد اصلاحی اضافی نیز استفاده گردد.
در مرحله دوم درجه حرارت توده اغلب تا 65 درجه سانتیگراد افزایش می یابد که این امر موجب نابودی پاتوژنها و کاهش بیشتر رطوبت در توده می شود.
ویندروهای بزرگ در مرحله دوم تولید کمپوست به مدت 3 هفته یا بیشتر نگهداری شده و سه بار در هفته زیر و رو می گردند تا بدین ترتیب شرایط مناسبی از زمان ماند، درجه حرارت و اختلاط به وجود آید]38.[
جهت صرفه جویی در خرید مواد حجیم کننده مورد نیاز نظیر خرده چوب می توان بخشی از آن را به وسیله سَرند کردن کمپوست نهایی جداسازی نمود، اما بهرحال حدود 25 تا 30 درصد از این مواد طی مراحل تولید کمپوست مورد اکسیداسیون بیولوژیکی قرار گرفته و یا به علت عدم جداسازی از مدار خارج می‌گردند]38و15[.
از معایب عمده روش ویندرو در تولید کمپوست لجن فاضلاب شهری می توان زمین مورد نیاز زیاد و عدم امکان بکارگیری لجنهای خام در این فرآیند را برشمرد. طبق اظهار نظر "کولاسیکو" زمین مورد نیاز برای فرآیند ویندرو حداقل 25 درصد بیشتر از روش توده های هوادهی شده می باشد]38و15[.
2-15-3- اثرات زیست محیطی و بهداشتی
در مناطقی که بیماریهای آندمیک شیوع دارند در فاضلاب آن مناطق میکروارگانیزمهای خاص آن بیماریها به وفور یافت می شوند. پاتوژنهای حمل شده توسط فاضلاب در طی فرآیندهای معمول هضم لجن و روشهای خشک کردن غیر فعال نمی شوند و در محیط به مدت طولانی باقی می مانند. نمودار (2-1) رابطه انهدام پاتوژنها با زمان و درجه حرارت برای روش ویندرو را نشان می دهد. مطالعات جامع در مرکز بهسازی لس آنجلس نشان می دهد که کلیفرمهای کل و سالمونلا در 10 روز اول فرآیند کمپوست به روش ویندرو گرفته شده است، کمتر از یک عدد در هر گرم بوده است. اما در نمونه های قسمتهای خارجی توده تعداد آنها بیشتر بوده است. در اکثر نمونه های کمپوست نهایی مقادیر خیلی کمی از ویروسها، تخم پارازیتها و سالمونلاها جمع آوری شده است]21[.

شکل (2-4)- نمودار ارتباط کاهش پاتوژنها با زمان و درجه حرارت در روش ویندرو]37 [.
بازگشت کمپوست تکمیل شده به عنوان عامل حجیم کننده سبب کنترل مؤثر برای لجنهای هضم شده می‌گردد. توقف در زیر و رو کردن مواد می تواند سبب انتشار بوهای ناخوشایند گردد، زیرا توده ویندرو به سرعت تحت شرایط بی هوازی قرار می گیرد. همچنین در طی فواصل بارندگیهای شدید ممکن است مسایل ناشی از بو بروز نماید. در نواحی خشک با وزش باد شدید، می بایست توده ها را نمدار کرده تا از تولید گرد و غبار جلوگیری شود.
سیستم جمع آوری و زهکشی آب در محوطه لازم بوده چون سیلابها آلودگی شدید پیدا کرده و نیاز به تصفیه دارند. کارگرانی که در این مکانها کار می کنند بایستی از مخاطرات ذرات و گرد و غبار حفاظت شوند. سیستم حفاظتی شامل استفاده از ماسکهای تنفسی و آب پاشی کردن توده ها در فواصل خشک و پرباد می‌باشد. مطالعات نشان می دهند که قارچ "آسپروژیلوس فومیگاتوس" به عنوان یک پاتوژن ثانویه در هوای نواحی کمپوست لجن فاضلاب به وفور وجود دارد. بر این اساس افرادی که سابقه ناراحتی ریوی دارند، نباید در مناطق کمپوست سازی به کار گرفته شوند]21[.
2-16- فرآیند توده های ثابت
توده های ثابت هوادهی شده یکی از متداولترین انواع سیستمهای بدون راکتور با توده های ثابت به شمار می آیند. این سیستم کاربرد گسترده ای در تولید کمپوست از لجن خام آبگیری شده در کشورهای اروپایی و آمریکا دارد.
فرآیند توده های ثابت هوادهی شده در واقع برای بر طرف کردن مشکلات فرآیند ویندرو یعنی به منظور کاهش زمین مورد استفاده و نیز قابلیت در کمپوست لجنهای خام، گسترش یافته است.
در این روش مواد خام با عوامل حجیم کننده نظیر قطعات چوب مخلوط شده و در قالب توده های بزرگ شکل گیری می گردند. عوامل حجیم کننده ضمن تأمین ساختاری پایدار برای توده ها، به هوادهی آنها بدون عملیات زیر و رو کردن نیز کمک می نمایند.
سیستم هوادهی در این فرآیند با نیروی دمنده یا مکنده انجام می پذیرد. توده ها به صورت ناپیوسته بارگذاری شده و در طی فرآیند کمپوست زیر و رو نمی شوند.
در برخی از طراحیهای جدید، به منظور جلوگیری از سخت و کُلوخه شدن مواد در توده ها تمهیدات خاصی اتخاذ گردیده است، این سیستم ها که اصطلاحاً سیستم های "نیمه بهم خورده" نام گرفته اند از عملیات بهم خوردگی بسیار خوبی نسبت به سیستم های ویندرو برخوردار می باشند]2.[
فرآیند توده های ثابت هوادهی شده در ایالت متحده آمریکا کاربرد گسترده ای برای کمپوست لجن های خام دارد. هم اکنون تعداد زیادی از این تأسیسات در بخشهایی نظیر "مونتگومری- مریلند، فیلادلفیا- پنسیلوانیا، اسکارتن- پنسیلوانیا، نشویل- تنسی، اوکلند- کالیفرنیا، کلمبوس-اوهایو" مشغول به کار می‌باشند]9.[
2-16-1- تاریخچه کاربرد توده های ثابت هوادهی شده
در سالهای 1972 تا 1973 مرکز تحقیقات کشاورزی دپارتمان کشاورزی بلتسویل واقع در مریلند آمریکا به طور موفقیت آمیزی کاربرد فرآیند ویندرو برای تولید کمپوست از مخلوط لجن هضم شده و خرده چوب را تجربه کرد]1[.
این روش در تولید کمپوست لجن خام از کارایی مطلوبی برخوردار نبوده و با مشکلاتی نظیر تولید بوهای متعفن مواجه گردید. به منظور حل این مسأله در سالهای 1975 تا 1976 مطالعاتی در این واحد انجام گرفت که منجر به ابداع روش جدیدی به نام روش توده ای ثابت هوادهی شده و یا روش "بلتسویل" گردید]1[.
در این تکنیک از مواد حجیم کننده برای ایجاد تخلخل مناسب و از هوادهی تحت فشار استفاده شده است از اینرو این سیستم قابلیت ویژه ای در کمپوست لجن خام دارد. در صورت بهره برداری مناسب، امکان تولید بو در این روش بسیار کم است و آماده سازی لجنهای خام با مواد شیمیایی نظیر آهک در مرحله آبگیری مشکل انتشار بو را به ‌حداقل ممکن می رساند]1.[
کاربرد این روش در تولید کمپوست از لجنهای خام و هضم شده مورد استقبال زیادی قرار گرفته به گونه‌ای که تنها تا سال 1990، درآمریکا 76 واحد از این تأسیسات مورد بهره برداری قرار گرفته است]9[.
2-16-2- تشریح فرآیند
از ویژگیهای فرآیند توده های ثابت می توان به عدم زیر و رو کردن توده‌ها، استفاده از سیستم هوادهی تحت فشار و کاربرد موادی نظیر خُرده چوب به عنوان عوامل حجیم کننده و تنظیم رطوبت اشاره کرد که این موارد در واقع وجوه افتراق اصلی با فرآیند ویندرو به شمار می آیند.
مطابق برآوردهای انجام شده نسبت حجمی مناسب خُرده چوب مورد نیاز به لجن در این فرآیند حدود 2 به 1 تا 3 به 1 به دست آمده است. استفاده از خرده چوب به عنوان حجیم کننده در بسیاری از واحدها رضایتبخش بوده با این وجود از موادی نظیر پوست درخت، پوست بادام زمینی و خرده های لاستیک نیز در صورت تخلخل کافی می توان بهره گیری نمود]9[.
شکل (2-4) مراحل اصلی فرآیند توده های ثابت هوادهی شده را نمایش می دهد. این مراحل را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود :
1- آماده سازی و اختلاط نسبت حجمی مناسب از لجن آبگیری شده با درصد جامدات 20 تا 25 درصد با عوامل حجیم کننده نظیر خرده چوب و رساندن درصد جامدات مخلوط به حدود 40 درصد.
2- استقرار یک لایه 30 سانتیمتری از عوامل حجیم کننده بر روی لوله های دائمی هوادهی و یا لوله های موقت سوراخ دار هوادهی به عنوان لایه زیرین توده کمپوست.
3- استقرار مخلوط لجن و خرده چوب با ارتفاع و شکل مناسب بر روی لایه زیرین یا لایه اساس.
4- پوشش دادن لایه بیرونی توده به وسیله کمپوست نهایی سَرند شده و یا سَرند نشده.
5- اتصال پمپ هوا به شبکه لوله های هوادهی.

شکل (2-5) -مراحل اصلی فرآیند کمپوست به توده های ثابت هوادهی شده]9[.
پس از انجام این عملیات مرحله تند یا پربار یا روشن کردن پمپ هوا شروع می شود. دستگاه پمپ هوا می‌تواند حالت دمنده داشته و هوا را تحت فشار وارد توده ها نماید و یا اینکه به صورت مکنده عمل کرده و گازهای موجود در توده ها را مکش کرده و سبب جایگزینی هوای تازه در داخل توده ها گردد. عملیات هوادهی در این سیستم در قالب سیکلهای هوادهی با خاموش و روشن کردن های متناوب پمپهای هوا انجام می گیرد. فاصله زمانی هر خاموش و روشن کردن پمپ با توجه به شرایط هوازی و درجه حرارت داخل توده تنظیم می گردد.
در سیستمهای مکشی، هوای خروجی از توده های کمپوست قبل از تخلیه به محیط بایستی از بوهای موجود پاکسازی گردد. روش های زیادی جهت حذف بوی هوای خروجی ابداع شده اما متداولترین آنها عبور هوای خروجی از توده های فیلتر می باشد. توده های فیلتر به طور متوسط حاوی 76/0 متر مکعب کمپوست نهایی الک شده به ازای هر 6/3 تن مخلوط لجن و خُرده چوب می باشند.
زمان ماند توده ها جهت تکمیل فرآیند کمپوست در مرحله تند در صورت تأمین شرایط مناسب حدود 21 روز پس از شکل گیری توده ها برآورد شده است.
پس از انجام این مرحله، توده های کمپوست مطابق شکل (2-4) تا تشکیل محصول نهایی یکی از مسیرهای زیر را طی می نمایند:
خشکسازی، غربالگری، عمل آوری، ذخیره سازی و فروش محصول نهایی.
عمل آوری، خشکسازی، غربالگری، ذخیره سازی و فروش محصول نهایی.
درصورتی که درصد جامدات موجود در مخلوط حداقل بین 50 تا 55 درصد باشد امکان بهره گیری مطلوب از سَرندهای ارتعاشی یا چرخشی جهت غربالگری فراهم می باشد. در غیر اینصورت بایستی خشکسازی بیشتر با هوادهی و یا نگهداری توده ها قبل از غربالگری انجام گیرد.
جداسازی و استفاده مجدد مواد حجیم کننده نظیر خُرده چوب به دلیل کاربرد زیاد آنها طی فرآیند کمپوست سازی، موجب کاهش قابل ملاحظه هزینه ها و بهبود خواص کمپوست تولیدی می گردد. در هر صورت همواره مقداری از مواد حجیم کننده در اثر تجزیه بیولوژیکی و یا عبور از سَرندها از دست رفته و بایستی جایگزین گردند.
درصورت استفاده از مکنده با مکش هوا، همواره مقداری شیرابه به لوله های هوادهی وارد شده که بایستی آنها را قبل از ورود به پمپ مکنده از طریق یک سیفون جمع آوری کرده و تصفیه نمود[38].
شکل (2-5) سطح مقطع یک نمونه توده ثابت هوادهی شده را نمایش می دهد[15].

شکل (2-6)- سطح مقطع یک نمونه ثابت هوادهی شده]15[
به منظور کاهش زمین مورد نیاز در فرآیند توده های هوادهی ثابت تغییراتی در روشهای اجرایی این فرآیند داده شده و اشکال جدیدتری از آن به کار گرفته شده است[38]. یکی از این اشکال جدید "توده های هوادهی گسترده" است که در آن توده ها چسبیده بهم ساخته می شوند به طوری که ساخت توده جدید بر قسمت انتهایی توده قبلی صورت می گیرد. یکی دیگر از روشهای جدید "توده های هوادهی مرتفع" نام دارد که در آن توده ها به وسیله جرثقیل تا ارتفاع حدود 6 متری ساخته می شوند. با کاربرد روش توده های گسترده و یا توده های مرتفع ضمن حفظ اساس فرآیند میزان زمین و مواد حجیم کننده مورد نیاز تا حدود 50% کاهش خواهد یافت]15و38 [. شکل (2-6) نماهایی از توده های منفرد و گسترده را نمایش می دهد.

شکل (2-7) -نماهایی از توده های ثابت هوادهی شده]15[.
روش توده های گسترده با اغلب تأسیسات موجود سازگاری دارد اما روش توده های مرتفع در بیشتر اوقات قابل استفاده نمی باشد.
درجه حرارتهایی که در طی فرآیند کمپوست لجن خام و خُرده چوب اندازه گیری شده در شکل (2-7) دیده می شود. مطابق این شکل درجه حرارت در 3 تا 5 روز اول به سرعت افزایش یافته سپس ثابت می‌گردد و پس از گذشت سه هفته شروع به کاهش می نماید. پروفیل درجه حرارت در توده های هوادهی شده ثابت با مواد اولیه ای که از ترکیب مخلوط لجن هضم شده با مواد مختلف درست شده اند در شکل (2-7) مشاهده می گردد.
همانطور که در شکل فوق دیده می شود افزایش درجه حرارت برای هر سه ترکیب به خوبی صورت می‌گیرد، اما در مخلوط لجن و کمپوست، فقدان عوامل حجیم کننده موجب کاهش منافذ عبور هوا شده از این رو اُفت درجه حرارت در این مخلوط نسبت به سایر ترکیبات بسیار مشهودتر است. مطالعات نشان داد که در صورت کاربرد کمپوست رسیده به عنوان عامل حجیم کننده، فرآیند با درجه حرارت کمتر، زمان ماند بیشتر، درصد کاهش رطوبت و مواد آلی کمتر مواجه خواهد شد. پس از طی دوره سه هفته ای مرحله عمل آوری با هدف بهبود کیفیت محصول نهایی انجام می گیرد. معمولاً برای کاهش زمین مورد نیاز، قبل از مرحله عمل آوری کمپوست اولیه را غربالگری می نمایند.
دوره عمل آوری برای مواد غربال شده حدود 30 تا 60 روز به طول می انجامد. عملیات هوادهی در مرحله عمل آوری توده های ثابت نیز مورد اهمیت قرار دارد. خصوصاً هنگامی که از توده های گسترده برای تهیه کمپوست استفاده شده باشد]15.[

شکل (2-8)-درجه حرارت در توده های ثابت هوادهی شده با مواد مختلف]15و37 [.
2-16-3- وضعیت موجود
سیستم توده های هوادهی شده در مقیاس اجرایی در "بلتسویل، بنگور، دورهام، دیترویت، میشیگان، ویندرو و اونتاریو" به طور بسیار مؤثری مورد استفاده واقع شده است. پس از شروع فرآیند، متوسط درجه حرارت در توده های هوادهی به 70 درجه سانتیگراد رسیده و بعد از ایجاد شرایط پایدار، معمولاً حداقل درجه حرارت حدود 55 درجه است.
کاربردی بودن این سیستم برای کمپوست سازی لجن هضم شده امتیازی است که این روش را نسبت به روش ویندرو شاخصتر می نماید. از سایر مزایای این روش نسبت به روش ویندرو می توان به کنترل مؤثر بو، غیر فعال سازی پاتوژنها به میزان بیشتر و استفاده از زمین کمتر اشاره نمود. از مزایای توده های هوادهی شده نسبت به سیستمهای راکتوری می توان به هزینه های سرمایه گذاری و راهبری بسیار ساده تر آن اشاره نمود[38].
امتیازات فوق موجب شده تا توجه بیشتری به توده های هوادهی شده برای کمپوست لجن معطوف گردد. مطالعاتی که در سال 1988 در آمریکا صورت گرفت مؤید این است که از میان سیستمهای کمپوست لجن موجود، توده های هوادهی شده 54 درصد، روش ویندرو 25 درصد، روش ویندرو هوادهی شده 4 درصد و سیستمهای راکتوری 17 درصد را تشکیل می دهند.
طبق مطالعات "کلاسیکو" هزینه عملیاتی گزینه ای که در آن از خُرده چوب به عنوان عامل حجیم کننده استفاده می شود تقریباً مشابه روش ویندرو است]38 [.
2-16-4- چشم اندازهای اخیر
تجریباتی که در دهه 80 به دست آمد تحولات زیادی در اساس فرآیند توده های ثابت "بلتسویل" به وجود آورد. عمده ترین پیشرفتها مربوط به سیستم هوادهی فرآیند بود. در فرآیند اصلی "بلتسویل" از هواده های کم قدرت با سیستم کنترل قطع و وصل تایمری استفاده شده که منجر به بروز فرآیندی بسیار پرحرارت می‌گردید. این صنعت به تدریج به سمت سیستم هوادهی زیاد و تولید فرآیندهای با درجه حرارت کمتر متمایل شد. در سیستم جدید درجه حرارت فرآیند تا حدود بهینه آن کاهش داده شد که مزایایی نظیر سرعت تجزیه بیشتر توده ها و آزادسازی حرارت بیشتر در اثر واکنشهای کمپوست سازی را در پی داشت. در این روش از سیستم کنترل حلقه های حساس حرارتی استفاده می شود بدین ترتیب که با افزایش یا کاهش حرارت موجود در توده، گیرنده های حرارتی فرمان شروع و یا توقف کار هواده ها را داده و موجب تنظیم درجه حرارت در حدود مورد نظر می گردند.
سیستم حلقه های حرارتی مدتهاست که در روش کمپوست راکتوری مورد استفاده قرار می گیرد اما کاربرد آن به تازگی در روشهای ویندرو و توده های ثابت متداول شده است.
حداکثر میزان هوای مورد نیاز مربوط به هفته اول کمپوست سازی بوده و پس از آن به تدریج میزان هوای مورد نیاز در طول فرآیند کاهش می یابد. این نوسانات با سیستم کنترل حلقه های حرارتی به خوبی قابل تنظیم هستند. در صورتیکه در روش "بلتسویل" میزان هوادهی در طول فرآیند ثابت باقی می ماند. بر این اساس کاربرد هواده های بزرگتر با تنظیم درجه حرارت در محدوده بهینه شروع شد]15.[
هنوز بخشهای زیادی بر روی سیستم کمپوست سازی تحت درجه حرارت بهینه وجود دارد. حفظ درجه حرارت بهینه حدود 45 درجه سانتیگراد از یک طرف موجب سلامت و فعالیت مطلوب جمعیت میکروبی موجود در توده کمپوست می گردد و از طرف دیگر شرایط پاستوریزاسیون مطلوب در توده کمپوست را فراهم نمی آورد]15.[
متخصصین در این امور اذعان دارند که فرآیند کمپوست سازی تحت درجه حرارت بالا محدودیتهایی را در سرعت انجام واکنش به وجود می آورد اما بسیاری از مشکلات بهداشتی را بر طرف می نماید. اگر طراحان در طراحی سیستم هوادهی تجهیزات کنترل لازم را تعبیه کنند، بهره برداران می توانند به صلاحدید خود درجه حرارت بهینه را برای اخذ بهترین نتایج تنظیم نمایند.
در مورد لجن فاضلاب شهری بسیاری از بهره برداران درجه حرارتهای بین 55 تا 65 درجه سانتیگراد را به عنوان درجه حرارت اولیه برای اطمینان از پاستوریزاسیون مناسب می دانند و سیستم را برای روزهای اول روی آن تنظیم می نمایند]9و38و15.[ پس از حصول اطمینان از کنترل پاتوژنها، بهره بردار درجه حرارت سیستم را بر روی اعداد پایین ترین تنظیم می نماید.
تجربیات به دست آمده بر روی فرآیندهای با درجه حرارت بهینه موجب شد تا این فرآیند در دهه 80 مورد توجه و قبول مجامع علمی قرار گیرد]38.[
2-17- سیستمهای کمپوست راکتوری
فرآیندهای راکتوری کمپوست سازی بر اساس نوع جریان ورودی جامدات به سیستم به دو دسته راکتورهای با جریان عمودی و راکتورهای با جریان افقی تقسیم می گردند. راکتورهای افقی از یکسری راکتورهایی با شیب ملایم نسبت به افق تشکیل شده اند که بدین ترتیب جریان یافتن جامدات در آنها امکان پذیر خواهد بود]2.[
2-17-1- راکتورهای جریان عمودی جامدات
نحوه جریان جامدات در این راکتورها بصورت عمودی می باشد. در برخی از این راکتورها جامدات هنگام جریان عمودی به سمت پایین بهم زده می شوند که به این راکتورها اصطلاحاً "راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده" اطلاق می شود. این راکتورها می توانند با تغذیه مداوم و یا متناوب بکار گرفته شوند. نمونه ای از این راکتورها در شکل (2-8) نشان داده شده است.

شکل (2-9)- راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده]2[.
در گونه های دیگر راکتورهای عمودی، که به آنها اصطلاحاً "راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده" اطلاق می گردد جامدات ورودی بهم زده نمی شوند این راکتورها نیز می توانند بصورت پیوسته یا ناپیوسته تغذیه و بکار گرفته شوند[2].

شکل (2-10)- راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده]2[.
در راکتورهای جریان عمودی با بستر های پر شده اغلب بصورت زمان بندی جریانی از جامدات از کف به طرف بالا برگشت داده شده و یک بهم زدگی در این حجم ایجاد می گردد. پس از رسیدن این جریان به بستر، بهم خوردگی تا جریان برگشتی بعدی متوقف می گردد. عمق مواد موجود در این راکتورها به 6 تا 9 متر می‌رسد]2و9[.
نمونه های مختلفی از این راکتورها با اشکالی دایره ای و یا مستطیلی و با الگوهای هوادهی متفاوت مورد استفاده قرار گرفته اند.
راکتورهای جریان عمودی با بستر های پرشده کاربرد گسترده‌ای در کمپوست لجن و مواد اصلاح کننده نظیر خاک اره دارد که دلیل عمده آن هزینه نسبتاً پایین در تولید کمپوست به ازای واحد حجم راکتور می‌باشد]9[.
نمونه‌هایی از راکتورهای جریان عمودی متداول در تولید کمپوست از لجن فاضلاب ذیلاً مورد اشاره قرار گرفته است.
2-17-2- راکتور بیوسل
این سیستم از راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدت همزده شده است که اولین بار در کشور آلمان بکار گرفته شد. راکتور موجود در این فرآیند بصورت یک برج عمودی می باشد که از 8 تا 10 طبقه بر روی هم تشکیل شده است. کف هر طبقه از جنس آلومینیوم ساخته شده که با چرخش خود مواد موجود را به طبقه بعدی تخلیه می نماید. اکسیژن مورد نیاز بوسیله سیستم هوادهی تحت فشار تأمین می گردد. مواد ورودی به این سیستم را لجنهای آبگیری شده، کمپوست برگشتی و فضولاب باغی یا خاک اره بترتیب با نسبتهای حجمی 2:2:1 تشکیل می دهند.
مخلوط کمپوست در هر طبقه حدود یک متر ارتفاع و 3 روز توقف دارد و زمان ماند کل در راکتور حدود 30 روز می باشد. در شهرهای "رستت" و "ساربرکن" آلمان راکتورهایی از این نوع از سال 1977 مشغول بکار می باشند]9[.
2-17-3- راکتور BAV

user7-304

2-16-3- وضعیت موجود 43
2-16-4- چشم اندازهای اخیر 43
2-17- سیستمهای کمپوست راکتوری 45
2-17-1- راکتورهای جریان عمودی جامدات 45
2-17-2- راکتور بیوسل 48
2-17-3- راکتور BAV 48
2-18- راکتورهای جریان افقی و شیب دار جامدات 49
2-18-1- استوانه های چرخان 49
2-18-2- راکتور دانو 52
2-18-3- محفظه های با بستر همزده شده 52
2-18-4- راکتور فیرفیلد 54
2-19- محفظه های با بستر ثابت 55
2-19-1- راکتور پایگرو 55
2-19-2- راکتور تونلی BVA 56
2-20- میکروبیولوژی فرایند 56
2-20-1- الگوی دما – زمان 58
2-21- عوامل موثر بر تخمیر 59
2-21-1- هوادهی 60
2-21-2- میزان هوادهی مورد نیاز و مکانیزم های آن 61
2-21-3- میزان رطوبت 62
2-21-4- کنترل رطوبت 64
2-21-5- نسبت C/N 65
فصل سوم: روشها و لوازم مورد استفاده
فصل سوم: روشها و لوازم مورد استفاده
68
3-1- وسایل مورد نیاز 68
3-1-1- طراحی و ساخت واحد نمونه آزمایشگاهی 68
3-1-2- عملیات انتقال، شناسایی مواد 69
3-1-3- تهیه مخلوط اولیه کمپوست 69
3-2- مطالعات آزمایشگاهی 71
3-3- انتقال لجن تصفیه خانه به آزمایشگاه 71
3-4- بررسی کیفی لجن های تولیدی و زباله 71
3-5- اندازه گیری دما 72
3-6- تعیین ماده آلی و کربن 72
3-6- تعیین نیتروژن 73
3-6- تعیین رطوبت 73
3-9- تعیین pH 74
3-10- تغلیظ لجن 74
3-12- اقدامات پایش و کنترل فرآیند 74
3-12-1- پایش فرآیند 75
3-12-2- کنترل فرآیند 76
فصل چهارم: نتایج و تحلیل داده ها
فصل چهارم: نتایج و تحلیل داده ها 78
4-1- آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 78
4-1-1- پایش و کنترل فرآیند در آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 81
4-1-2- نتایج آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 82
4-2- آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 85
4-2-1- شرح آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 85
4-2-2- تحلیل آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 89
4-2-3- نتایج آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 90
4-3- معیارهای ارزیابی عملکرد سیستم در تثبیت لجن 90
4-3-1- کنترل فلزات سنگین 90
4-3-2- کنترل پاتوژنها 91
4-3-3- کنترل بو 92
4-3-5- اندازه گیری مواد آلی باقیمانده 93
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها 95
5-1- نتیجه گیری 95
5-2- پیشنهادات 97
منابع و ماخذ 99
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (2-1)- سیکل کربن و نیتروژن در فرایندهای هوازی 17
شکل ( 2-2)- شمایی از فرایند ویندرو 27
شکل (2-3)- ابعاد و اندازه های متداول توده های کمپوست ویندرو 31
شکل (2-4)- نمودار ارتباط کاهش پاتوژنها با زمان و درجه حرارت در روش ویندرو 33
شکل (2-5) -مراحل اصلی فرآیند کمپوست به توده های ثابت هوادهی شده 37
شکل (2-6)- سطح مقطع یک نمونه ثابت هوادهی شده 39
شکل (2-7) -نماهایی از توده های ثابت هوادهی شده 40
شکل (2-8)-درجه حرارت در توده های ثابت هوادهی شده با مواد مختلف 42
شکل (2-9)- راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده 46
شکل (2-10)- راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده 47
شکل (2-11)- انواع راکتورهای کمپوست با استوانه های چرخان 51
شکل (2-12)- راکتورهای افقی کمپوست با بستر همزده شده 53
شکل (3-1)- نمایی از پایلوت ساخته شده 67
شکل (4-1)- نمودار تغییرات ph نسبت به زمان 79
شکل (4-2)- نمودار تغییرات دما نسبت به زمان 79
شکل (4-3)- نمودار تغییرات رطوبت نسبت به زمان 80
شکل (4-4)- نمودار تغییرات نرخ هوادهی نسبت به زمان 80
شکل (4-5)- نمودار تغییراتph نسبت به زمان 84
شکل (4-6)- نمودار تغییرات دما نسبت به زمان 85
شکل (4-7)- نمودار تغییرات رطوبت نسبت به زمان 85
شکل (4-8)- نمودار تغییرات نرخ هوادهی نسبت به زمان 86
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول (1-1)- مقایسه آنالیز زباله در چندین منطقه جهان 8
جدول (1-2)- تعداد و انواع میکروارگانیسم های معمولی گرم کمپوست مرطوب 56
جدول (2-3)- حداکثر رطوبت مورد نیاز جهت کمپوست شدن مواد مختلف 64
جدول (2-4)- نسبت C/N در مواد مختلف 66
جدول (3-1)- آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست 70
جدول (3-2)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست 73
جدول(4-1)- آنالیز لجن (مرحله اول) 75
جدول(4-2)- آنالیز زباله (مرحله اول) 75
جدول(4-3)- آنالیز مخلوط اولیه کمپوست (مرحله اول) 76
جدول(4-4)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست (مرحله اول) 76
جدول(4-5)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست (مرحله دوم) 82
جدول (4-6)- .مقایسه فلزات سنگین کمپوست مرحله اول و دوم و لجن فاضلاب با استانداردهای کشورهای آلمان، ایتالیا و یونان 87
فصل اول
مـقـدمـــه
1-1- کلیـات
امروزه در اقصی نقاط دنیا شاهد پیشرفت روز افزون ملل مختلف در کلیه زمینه ها، بالاخص اقتصادی می‌باشیم. در هیچ دوره ای جهان چنین دگرگونی سریعی را بر خود ندیده است. از مشخصه های این نظام نوین، تولید بیش از پیش که نتیجه آن مصرف گسترده است، می باشد. این مصرف نتیجه ای جز تولید انبوه مواد ناخواسته یا به عبارت ساده تر، زباله در پی نخواهد داشت. زباله در جوامع شهر نشین، علی الخصوص شهرهای بزرگ که بافت جمعیتی آنها به صورت متمرکز می باشد، به عنوان یک محصول ناخواسته و منفور که در اسرع وقت می بایست آن را از محیط زندگی شخصی دور کرد، تعریف می شود.
امروزه پس از تجارب و آزمایش های طولانی مشخص شده است که ارزشمندترین و مؤثرترین کودها و تقویت کننده ها از انسان بدست می آید. چینی ها قبل از ما این اصل را رعایت می کردند و مدفوعات انسانی را به زمین هایشان بازگشت می دادند[33]. واقعیت اینست که بحرانهای زیست محیطی با وارد کردن خسارات جانی و مالی جبران ناپذیر به انسانها هشدار می دهند که دیگر توان خود پالایی از تن خسته طبیعت بدر آمده است. با این باور مدتهاست که کشورهای پیشرفته به منظور حفاظت از محیط زیست، عملیات تصفیه مواد زائد نظیر فاضلابها را قبل از دفع اجباری نموده اند[32].
تصفیه فاضلابها همواره با تولید دو بخش مجزای پساب و لجن همراه می باشد، از این میان پسابها غالباً کیفیتی مطلوب جهت دفع به محیط دارند در حالیکه لجنها بدلیل آلودگی بسیار زیاد نیاز به تصفیه و تثبیت بیشتر دارند. در یک تصفیه خانه فاضلاب شهری، تأسیسات تصفیه و تثبیت لجن به مراتب حساستر، تخصصی تر و پر هزینه تر از سایر واحدها می باشند، چنانچه به عنوان مثال حدود 30 درصد از کل هزینه احداث تصفیه خانه گرگان به واحد تثبیت لجن اختصاص یافت. بر این اساس بایستی توجهات خاصی بر بهینه سازی فنی و اقتصادی روشهای تصفیه و تثبیت لجن معطوف گردد[32].
در کشورهای پیشرفته چندین سال است که تحقیقات جهت انتخاب الگوی بهینه تصفیه و تثبیت لجن شروع شده است. اینکار بایستی در کشور ما نیز همگام با گسترش صنعت فاضلاب، مورد عنایت مسئولین و متخصصین قرار گیرد. با توجه به اهمیت دو موضوع مطرح شده یعنی زباله شهری و لجن می توان با ترکیب کردن این دو طی فرایند، کود ترکیبی (co-composting) بدست آورد که مشکل زباله شهری و تصفیه خانه را حل کند .
1-2- ضرورت انجام تحقیق
یکی از روشهای مؤثر در خنثی نمودن اثرات نامطلوب زباله ها و لجن، تبدیل آنها به کود کمپوست و استفاده مجدد از آنها به عنوان کودآلی (گیاهی) در کشاورزی است. در بیشتر کشورهای جهان، اقتصادی بودن این روش نسبت به سایر روش ها به اثبات رسیده است، بخصوص در مناطق کشاورزی و اطراف شهرهای کوچک (به طرق غیر صنعتی)، که حتی پایین بودن هزینه حمل و نقل، فراوانی مواد آلی و نیروی انسانی ارزان، می تواند بسیار اقتصادی باشد[10].
البته ذکر این مطلب ضروری است که کمپوست ترکیبی باید کاملاً در شرایط مناسب و بهداشتی تهیه و مصرف شود، زیرا زباله یک ترکیب نامتجانس است و کلیه اجزاء تشکیل دهنده آن قابلیت کمپوست شدن را ندارند و از طرفی بعضی از مواد متشکله زباله چنانچه با خاک مخلوط شوند، موجب نزول کیفیت آن می گردد و تعدادی از آنها موجب آلودگی خاک شده، از طریق جذب در گیاهان به انسانها و حیوانات انتقال می یابد که این خود موجب زیان های جبران ناپذیری می گردد و همچنین لجن دارای مقدار زیادی فلزات سنگین است که خود موجب نزول کیفیت لجن می گردد[10].
1-3- اهداف تحقیق
کمپوست ترکیبی فرآیندی است که خواه ناخواه با توجه به مشکلات عدیده ناشی از دفع نامناسب زباله‌های شهری ومشکلات لجن در تصفیه خانه ها در آینده ای نزدیک رشد و توسعه خواهد یافت. کمپوست فرآیندی سهل و ممتنع است. ساده به آن جهت که نیاز به دستگاهها و تجهیزات پیچیده الکترونیکی و مکانیکی ندارد و با کمترین امکانات در تمامی مناطق با اقلیم های متفاوت و با هر ظرفیتی قابل اجرا است و ممتنع به آن خاطر که فرآیند یک فرآیند بیولوژیکی است. یعنی با موجودات زنده می بایست سروکار داشت و شرایط مناسب را برای تغذیه و رشد آنها می باید تأمین نمود. از این رو شناخت فاکتورها و عوامل موثر بر حیات، تغذیه ورشد این موجودات بسیار اساسی و مهم می باشد و کوچکترین بی اطلاعی از این امر موجب تولید محصولات ناخواسته در فرآیند کمپوست ترکیبی خواهد شد که موضوع اصلی ما در این رساله می باشد.

1-4- فرضیات تحقیق
1) تأثیر میزان هوادهی بر عملکرد کمپوست ترکیبی
2) تأثیر اندازه ذرات بر عملکرد کمپوست ترکیبی
3) تأثیر عمل زیر و رو کردن بر عملکرد کمپوست ترکیبی
4) تأثیر فصول تابستان و زمستان بر عملکرد کمپوست ترکیبی
فصل دوم
ادبیات موضوع
2-1- شناخت کمپوست ترکیبی
یکی از روشهای مؤثر در خنثی نمودن اثرات نامطلوب زباله ها و لجن، تبدیل آنها به کود کمپوست و استفاده مجدّد از آنها به عنوان کودآلی (گیاهی) در کشاورزی است. در بیشتر کشورهای جهان، اقتصادی بودن این روش نسبت به سایر روش ها به اثبات رسیده است، بخصوص در مناطق کشاورزی و اطراف شهرهای کوچک (به طرق غیر صنعتی)، که حتی پایین بودن هزینه حمل و نقل، فراوانی مواد آلی و نیروی انسانی ارزان، می تواند بسیار اقتصادی باشد]10[.
البته ذکر این مطلب ضروری است که کمپوست ترکیبی باید کاملاً در شرایط مناسب و بهداشتی تهیه و مصرف شود، زیرا زباله یک ترکیب نامتجانس است و کلیه اجزاء تشکیل دهنده آن قابلیت کمپوست شدن را ندارند و از طرفی بعضی از مواد متشکله زباله چنانچه با خاک مخلوط شوند، موجب نزول کیفیت آن می گردد و تعدادی از آنها موجب آلودگی خاک شده، از طریق جذب در گیاهان به انسانها و حیوانات انتقال می یابد که این خود موجب زیان های جبران ناپذیری می گردد و همچنین لجن دارای مقدار زیادی فلزات سنگین است که خود موجب نزول کیفیت لجن می گردد]10.[
از این رو قبل از وارد شدن به بحث اصلی یعنی تبدیل زباله و لجن به کودآلی، شناخت منابع گوناگون تولید کننده زباله و ترکیبات آن ضرورت پیدا می کند.
2-2- اجزا موجود در زباله
به طور اعم ، مواد زائد جامد را می توان به صورت زیر تقسیم نمود :
زباله منازل ( باقیمانده مواد غذایی، کاغذ و کارتن و... )
زباله حجیم خانگی ( کمد، میز و ... )
زباله های معمولی زباله های غیر آلوده بیمارستانی
زباله باغات و گل خانه ها ( برگ، شاخه و ... )
زباله کسبه و ادارات ( مشابه زباله منازل )
مواد زائد جامد
زباله های صنعتی
زباله های ویژه نخاله های ساختمانی
لاستیک های فرسوده
مواد رادیواکتیو
زباله های آلوده بیمارستانی

صرفاً از بخش آلی زباله های معمولی می توان به عنوان مواد اولیه کمپوست، استفاده نمود.
آنالیز زباله یکی از مقدم ترین کارها در انتخاب و ارزیابی روش دفع زباله و حتّی روش جمع آوری، انتقال، جابجایی، بازیافت و دفن بهداشتی می باشد. لذا در هر شهری می بایست آنالیز زباله نخست از لحاظ فیزیکی و سپس از نقطه نظر شیمیایی مشخص گردد .
در مقام مقایسه با سایر کشورهای جهان آنالیز زباله در چند کشور و منطقه دیگر به صورت جدول 1-1 آورده می شود. همچنانکه مشاهده می شود میزان مواد آلی در زباله های خانگی ایران (تهران)، نسبت به سایر مناطق از مقدار بالایی برخوردار است.
جدول (1-1) مقایسه آنالیز زباله در چندین منطقه جهان]37 [.
ترکیبات تهران شمال آفریقا خلیج فارس آلمان هلند انگلستان دمشق
مواد آلی 45/76 70-60 40-35 4/42 5/50 6/30 50
کاغذ، مقوا، کارتن 98/7 20-10 30-25 9/19 8/22 2/31 11
انواع پلاستیک 58/4 2-1 15-10 1/6 8/6 2/5 5
شیشه 95/1 3-2 6-5 6/11 2/7 8/3 3
فلزات 93/0 3-2 5-2 9/3 4/4 3/5 3
استخوان 82/0 منسوجات 37/2 3-2 6-5 5/1 1/2 1/4 4
چوب 42/0 2-1 4-3 3/2 - - -
نخاله های ساختمانی 9/0 - - - - - -
سایر مواد 75/0 10-5 3-2 3/12 2/6 8/19 21
جمع کل 15/97 100 100 100 100 100 100
یکی از عوامل اساسی جهت توجیه پذیر بودن احداث کارخانجات کمپوست، این است که مواد اولیه (زباله) حداقل باید به میزان 50 درصد دارای مواد آلی باشد. خوشبختانه این نسبت در زباله های ایران بسیار بالاتر از این حداقل می باشد]35.[
با بررسی آمار و آنالیز زباله بسیاری از شهرهای ایران مشاهده می شود که مقدار و درصد مواد آلی قابل تجزیه موجود در زباله، در حد بسیار مطلوبی است. لذا طرح ایجاد کارخانجات کمپوست، نسبت به سایر روش ها از ارزش و اهمیت اقتصادی، بهداشتی بالاتری برخوردار است]36.[
2-3- لجنهای فاضلاب شهری
منشأ و مقادیر
منابع اصلی تولید لجن در تصفیه خانه های فاضلاب حوضهای ته نشینی هستند اما واحدهای تغلیظ، تثبیت، آماده سازی و آبگیری لجن نیز در شمار منابع تولید لجن قرار می گیرند]5.[
خصوصیات و ویژگیها
لجنهای تولیدی در تصفیه خانه های فاضلاب شهری در حالتهای مایع و یا نیمه جامد بوده، درصد جامدات موجود در آنها از 25/0 تا 12 درصد بسته به فرآیندهای تصفیه و عملکرد آنها متغیر می باشد.]5[
از میان اجزا جدا شده از فاضلاب در یک تصفیه خانه، لجن بیشترین حجم را به خود اختصاص می دهد که با توجه به تغلیظ آلاینده ها، پاتوژنها و مواد آلی قابل تعفن در آن، فرآیندهای تصفیه پیچیده ای را طلب می نماید.
کمیت لجن تولیدی در یک تصفیه خانه فاضلاب شهری رابطه ای مستقیم با درصد تصفیه مورد نیاز دارد. هرچه تصفیه فاضلاب از مرحله اولیه به سمت مراحل ثانویه و پیشرفته، تکامل پیدا می کند میزان لجن تولیدی نیز رو به تزاید می گذارد.
طی دهه های اخیر کیفیت لجن های تولیدی در تصفیه خانه فاضلاب شهری به دلیل تولید و مصرف حدود 10000 نوع ترکیب شیمیایی آلی جدید در سال، دچار دگرگونیهای فراوانی گردیده است]6 و7[.
لجنهای فاضلاب شهری با توجه به نوع فرآیند جداسازی آنها به سه دسته لجنهای اولیه (لجنهای نوع اول)، لجنهای بیولوژیکی (لجنهای نوع دوم) و لجنهای شیمیایی (لجنهای نوع سوم) تقسیم می گردند که خصوصیات و ویژگیهای متفاوتی از هم دارند]5.[
2-3-1- لجن اولیه
به موادی که در حوض ته نشینی اولیه رسوب می کنند، لجن اولیه اطلاق می گردد. لجن اولیه خاکستری رنگ و نسبتاً بدبو می باشد. حوض ته نشینی اولیه قادر است به سادگی حدود 50 درصد وزنی مواد جامد قابل ته نشینی را از فاضلاب جدا نماید، به همین دلیل در اکثر تصفیه خانه های فاضلاب از آن استفاده می گردد.
از ویژگیهای برتر لجن اولیه نسبت به لجنهای بیولوژیکی و شیمیایی می توان، تغلیظ ثقلی آسان و نیاز به آماده سازی جزیی جهت آبگیری مکانیکی را مورد اشاره قرار داد.
کمیت و کیفیت لجن اولیه به ماهیت واحدهای مقدماتی، خصوصیات شبکه جمع آوری و ورود فاضلابهای صنعتی به شبکه فاضلاب بستگی دارد]5[.
2-3-2- لجنهای بیولوژیکی
لجنهای بیولوژیکی در طی فرآیندهای تصفیه فاضلاب نظیر لجن فعّال، صافی چکنده و دیسکهای بیولوژیکی چرخان تولید می شوند. کمیت و کیفیت لجن بیولوژیکی تولیدی بسته به سرعت متابولیسم و رشد، نوع میکروارگانیسم های موجود در سیستم، وجود تأسیسات پیشین نظیر حوض ته نشینی اولیه و نیز شیوه راهبردی واحدهای زلال ساز بسیار متفاوت می باشد.
لجنهای بیولوژیکی بسیار مشکلتر از لجنهای اولیه و برخی از لجنهای شیمیایی تغلیظ و آبگیری می‌گردند]5[.
2-3-3- لجنهای شیمیایی
لجنهای شیمیایی، عموماً در جریان استفاده از مواد شیمیایی برای حذف فسفر و یا افزایش درصد حذف جامدات معلّق از پساب خروجی، در تصفیه خانه های فاضلاب تولید می گردند.
افزایش مواد شیمیایی به پساب خروجی از تصفیه ثانویه و عملیات رسوب گیری شیمیایی به صورت مجزا در حوض ته نشینی سوم، در شمار اندکی از تصفیه خانه ها انجام می گیرد. در عوض، افزایش مواد شیمیایی به فاضلاب خام و یا فاضلاب در مرحله تصفیه بیولوژیکی و جداسازی لجنهای شیمیایی همراه با لجنهای اولیه و یا لجنهای بیولوژیکی در بسیاری از تصفیه خانه ها، متداول می باشد.
خصوصیات لجنهای شیمیایی عمدتاً به نوع رسوب دهنده های مورد استفاده و ترکیب جامدات موجود در فاضلاب بستگی دارد]5[.
2-4- ضرورت کنترل و تصفیه لجن فاضلاب شهری
فاضلاب های شهری پس از عبور از واحدهای عملیایی و فرآیندهای متعارف عمدتاً به دو بخش پساب و لجن تفکیک می گردند که هر یک برای راهیابی مجدد به طبیعت بایستی کیفیتی مطابق با استانداردهای زیست محیطی را دارا باشند.
برخلاف پساب های خروجی از تصفیه خانه ها که معمولاً کیفیتی مناسب و مطلوب جهت تخلیه به طبیعت دارند، لجنها که حاصل تغلیظ آلاینده های موجود در فاضلاب هستند به هیچ وجه به صورت خام و تصفیه نشده مجوز ورود به محیط زیست را ندارند]36.[
متخصصین و مهندسین محیط زیست به منظور رهایی از مشکل لجن تولید شده در تصفیه خانه های فاضلاب دو ایده کلی استفاده مجدد و دفع نهایی را پیش رو دارند. دو روش استفاده مجدّد از حجم آب زیاد و خصوصیات کودی لجن پس از تصفیه و بی خطر سازی برای آبیاری، کوددهی و اصلاح بافت خاک استفاده می گردد. در روش دفع نهایی با انجام پیش تصفیه های لازم لجن به عنوان یک ماده دور ریز تلقی گردیده که جهت دفع بایستی کیفیتی مطابق با استانداردهای قابل قبول را داشته باشد.
بر این اساس در صورتی که هر یک از مقاصد استفاده مجدد و یا دفع نهایی لجن مورد توجه قرار گیرد عملیات کنترل و تصفیه لجن همواره بایستی به عنوان یکی از ارکان اساسی تصفیه خانه در نظر گرفته شود]36 [.
2-5- اهداف و مقررات مربوط به استفاده مجدد و دفع لجن
به طور کلی متخصصین محیط زیست امروزه تصفیه لجن را یکی از ارکان اصلی عملیات تصفیه فاضلاب ‌  می دانند. هدف از عملیات تصفیه لجن دستیابی به اهداف کلی تصفیه فاضلاب یعنی، زیباسازی محیط زیست، حذف مواد آلی قابل تجزیه بیولوژیکی و حذف ارگانیزمهای بیماری زا می باشد. براین اساس قوانین زیست محیطی حاکم بر تصفیه و دفع فاضلابها به طور اعم، تصفیه و دفع لجنها را نیز در بر خواهند گرفت.
در سال 1989 به دنبال تصویب قانون منع تخلیه هرگونه لجن فاضلاب به اقیانوسها، سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) استانداردهای جدیدی برای دفع لجن تصفیه خانه های فاضلاب پیشنهاد کرد]5.[
مقررات پیشنهادی حدود عددی آلاینده ها و روش های کنترل آنها را به منظورهای استفاده از لجن در زمینهای کشاورزی و غیر کشاورزی، توزیع و بازاریابی، دفع سطحی و سوزاندن تعیین نمود.
این استانداردها بیشتر محدودیتهایی را برای برخی از فلزات سنگین و ترکیبات آلی سمّی مورد تأکید قرار دارند.
مقررات و استانداردهای کنترل آلاینده های موجود در فاضلاب و لجن دائماً در معرض تکمیل و تصحیح هستند، از این رو مهندسین فاضلاب بایستی همواره در جریان آخرین استانداردها قرار داشته و آنها را در طراحی تصفیه خانه های جدید و یا بهینه سازی تصفیه خانه های قدیمی به کار بندند]5.[
جهت گیریهای آینده در مورد وضع قوانین کنترل و تصفیه لجن با موضوع کنترل آلاینده های خاص نظیر فلزات سنگین و ترکیبات آلی سمّی از قبیل پی سی بی ها و آفت کشها در مبدأ تأکید خواهد شد. این آلاینده ها تحت تأثیر فرآیندهای بیولوژیکی متداول تجزیه نمی گردند.
2-6- تعریف کمپوست
کمپوست از کلمه لاتین (composites) به معنای مخلوط و یا مرکب اقتباس شده است و به صورت عبارت زیر قابل تعریف می باشد:
- تجزیه مواد آلی نامتجانس که بوسیله میکروارگانیزم های مختلف در حضور رطوبت و گرما، در محیط هوازی صورت گیرد.
- یک فاز بیولوژیکی و تغییر فرم است که توسط میکروارگانیزم های هوازی در داخل توده انجام گرفته و حرارتی حدود 75- 65 درجه سانتیگراد تولید می نماید.
- تجزیه مواد آلی توسط دسته ای از میکروارگانیزم ها در محیط گرم، مرطوب و هوازی است.
- سیستم مهندسی تصفیه ضایعات جامد به روش تجزیه بیولوژیک در شرایط کنترل شده است.
- یک تجزیه بیولوژیکی و پایداری مواد آلی تحت شرایطی که بر اثر افزایش دمای ترموفیلیک که آن نیز خود ناشی از تولید حرارت بیولوژیکی است، به وجود می آید. محصول نهایی به اندازه کافی پایدار بوده و بدون آنکه عوارض زیست محیطی در پی داشته باشد قابل انبار شدن و یا مصرف کردن می باشد]6و7و8.[
2-7- مباحث اساسی تهیه کمپوست
فرآیند تهیه کمپوست در واقع، تجزیه مواد آلی توسط دسته ای از میکروارگانیزم ها در محیط گرم مرطوب و هوازی است.
مقدار قابل توجهی از مواد آلی که روزانه در طبیعت تولید می شود، توسط عملیات میکروبیولوژیکی تجزیه می شود. این عملیات به آرامی بر روی سطح زمین و دمای طبیعی و مخصوصاً در شرایط هوازی امکان پذیر است. فرآیند طبیعی تجزیه مواد با جمع آوری مواد به شکل پُشته که مانع از هدر رفتن حرارت تخمیر می‌شود، انجام می گیرد. بالطبع افزایش دمای مواد باعث بالا رفتن سرعت واکنش می شود. این فرآیند تسریع شده همان فرآیند ساخت کمپوست است]6.[
موادی که جهت کمپوست جمع آوری می شوند، بسیار متنوع بوده و شامل مخلوطی از مواد معدنی و آلی موجود در زباله های شهری، کودهای هموژن گیاهی، باقیمانده محصولات کشاورزی و لجن فاضلاب است. در فرآیند تولید کمپوست، بیشترین مقدار اکسیژن مصرف شده، جهت تبدیل مواد آلی به محصولات پایدارتر مانند هیومیک اسید، دی اکسیدکربن و آب به مصرف می‌رسد. نکته قابل توجه در افزایش محصولات کشاورزی، بالا بردن مقدار مواد مغذی خاک است. یکی از روش های گسترش و بهبود ساختمان خاک و تهیه مواد غذایی استفاده از هوموس است که هوموس نیز محصول نهایی فرآیند ساخت کمپوست است. در کشورهای درحال توسعه، میزان سرعت اکسیداسیون هوموس خاک، بسیار بیشتر از سرعت تشکیل آن است]37 [.
کمپوست، محصول فرآیندی است که در آن واکنشهایی بین مواد آلی، میکروارگانیزم ها، رطوبت و اکسیژن در می گیرد. مواد آلی با انبوهی از میکروارگانیزم های موجود در خاک، آب و هوا مخلوط هستند. زمانی که مقدار رطوبت مواد به حد مطلوب برسد و همچنین مواد به میزان لازم هوادهی شوند، فرآیند میکروبیولوژیکی تسریع می شود. علاوه بر اکسیژن و رطوبت، میکروارگانیزم ها جهت رشد و تکثیر نیازمند منبع کربن (زباله های آلی)، مواد غذایی مانند نیتروژن، فسفر، پتاسیم و مقادیر ناچیزی از بعضی عناصر دیگر نیز هستند. در حمله میکروارگانیزم ها به مواد آلی، علاوه بر اینکه خود آنها تکثیر یافته و رشد می‌کنند، دی اکسید کربن، آب، بعضی از محصولات آلی و انرژی نیز آزاد می شود. مقداری از این انرژی در فرآیند متابولیسم مصرف شده و باقیمانده آن به صورت گرما، آزاد می شود. محصول نهایی یا همان کمپوست از مواد آلی باقیمانده مقاوم، محصولات شکسته شده و میکروارگانیزم های زنده و مرده تشکیل شده است]6و7و38و8.[
2-8- روشهای تئوریک تولید کمپوست
بطور کلی در تهیه کمپوست از زباله و لجن، می توان از دو روش علمی و اصلی زیر بهره جست:
تجزیه هوازی
تجزیه غیر هوازی
در ذیل در حد اختصار اصول علمی روش های فوق آورده می شود.
2-8-1- تجزیه هوازی
فرآیندی که در آن یک ماده آلی در حضور اکسیژن تجزیه شود، فرآیند هوازی نامیده می شود. در تجزیه هوازی، ارگانیسم های زنده ای که اکسیژن را مصرف می کنند، جهت تغذیه خود از مواد آلی استفاده می‌نمایند. بدین ترتیب مقدار زیادی از کربن موجود، به عنوان منبع انرژی برای ارگانیسم ها بکار رفته و در اثر تنفس و سوخته شدن، به دی اکسیدکربن تبدیل می شود. از آنجائی که کربن هم به عنوان منبع انرژی و هم به عنوان یک عنصر در پروتوپلاسم سلول مصرف می شوند، لذا به مقدار خیلی بیشتر از نیتروژن مورد نیاز می باشد]12و6[.
بطور کلی تقریباً QUOTE 23 کربن در اثر تنفس به QUOTE CO2 تبدیل می شود و QUOTE 13 باقیمانده در سلولهای زنده با نیتروژن ترکیب می گردد[12]. اگر مقدار اضافی کربن نسبت به نیتروژن در مواد آلی تجزیه شده از حد مشخصی بیشتر باشد، فعالیت بیولوژیکی کم شده و ممکن است چند سیکل از ارگانیزم ها جهت سوزاندن مقدار بیشتری از کربن لازم باشد. هنگامی که تعدادی از ارگانیزم ها کُشته می شوند، نیتروژن و کربن ذخیره شده در آنها برای سایر ارگانیزم ها قابل دسترس و استفاده خواهد بود. استفاده از نیتروژن موجود در سلولهای مرده توسط ارگانیزم ها، برای تشکیل سلول جدید نیاز به اکسید کردن کربن اضافی به شکل QUOTE CO2 خواهد داشت. به این ترتیب مقدار کربن کاهش یافته و مقدار محدودی از نیتروژن نیز برگشت داده می شود. نهایتاً هنگامی که نسبت کربن به نیتروژن موجود بیش از اندازه پایین باشد، نیتروژن اضافی باعث تولید آمونیاک خواهد شد. تحت شرایط مناسب، ممکن است مقداری از آمونیاک به نیترات اکسیده شود]12.[
فسفر، پتاسیم و انواع مختلف مواد میکرونی خنثی نیز جهت رُشد بیولوژیکی اساسی هستند. این مواد در حالت عادی، بیشتر از مقدار مورد نیاز در موارد قابل کمپوست وجود دارند و از این نظر مشکلی ایجاد نمی‌شود]13[.
شکل (2-12) سیکل کربن و نیتروژن را در فرایند های هوازی مشخص می کند. این فرآیند که در طبیعت بسیار رایج می باشد بیشتر در سطح زمین مثل کف جنگلها اتفاق می افتد. برگ درختان و فضولات حیوانات بر روی کف جنگلها ریخته شده و به تدریج به خاک برگ و کود خاکی نسبتاً پایداری تبدیل می شود]12[.

شکل (2-1)- سیکل کربن و نیتروژن در فرایندهای هوازی]12[.
مقدار زیادی انرژی در اثر تبدیل C به QUOTE CO2 به صورت گرما آزاد خواهد شد. مثلاً اگر یک مولکول گرم از گلوکز تحت شرایط هوازی تبدیل شود، حدود 674-484 کیلوکالری حرارت تولید خواهد شد. اگر ماده آلی مورد تحول به صورت یک توده یا به صورتی باشد که بتوان آنرا عایق بندی کرد، درجه حرارت آن از تجاوز خواهد کرد. با وجود این اگر درجه حرارت از تجاوز کند، فعالیت باکتریها کاهش خواهد یافت و عمل تجزیه آهسته خواهد شد]14و12.[
به علت اینکه، در اثر درجه حرارت بالا، در حین فرآیند تخمیر باکتریهای فتوژن (فعال در برابر نور)، فتوزوا، تخم کرمها و میکروبهای علفهای هرزه که برای کشاورزی و سلامتی انسان مُضر هستند نابود شده اند، لذا استفاده از کود حاصله در مزارع کاملاً بی خطر است]14و12[.
اکسیداسیون هوازی مواد آلی بوی قابل ملاحظه ای ایجاد نمی کند. اگر در محل، بو ایجاد شود نتیجه گرفته می شود که یا فرآیند هوازی نیست و یا موادی در محیط وجود دارند که اکسیداسیون آنها تولید بو می کند. عمل تجزیه شدن یا کمپوست شدن هوازی، اگر اکسیژن به مقدار کافی وجود داشته باشد، می تواند در سیلوهای هاضم، گودالها، و سطح زمین به صورت پشته ای و یا کومه ای صورت گیرد]37 [.
2-8-2- تجزیه غیر هوازی
فاسد شدن مواد آلی، نتیجه تجزیه آنها در شرایط غیر هوازی است. ارگانیسم های زنده غیر هوازی در سوخت و ساز مواد مغذی، ترکیبات آلی را بوسیله یک فرایند احیاء تجزیه می کنند]37 [.
همانند فرآیند هوازی، ارگانیسم ها از نیتروژن ، فسفر و سایر مواد مغذی در رشد و تولید پروتوپلاسم سلول، استفاده و مواد آلی حاوی نیتروژن را به اسیدهای آلی و آمونیاک تبدیل می کنند. اتمهای کربن موجود در ترکیبات آلی که در پروتئین سلولی مورد استفاده قرار نمی گیرند، به صورت متان آزاد شده و بخش کوچکی از کربن ممکن است در اثر تنفس به QUOTE CO2 تبدیل شود]37و12.[
این فرآیند در طبیعت به صورت تجزیه لجن مواد آلی در ته مرداب ها و مواد آلی مدفون شده که به اکسیژن دسترسی ندارند، اتفاق می افتد. گازی که در مرداب ها متصاعد می شود عمدتاً QUOTE CH4 می‌باشد]37و26[.
احیاء شدید (فاسد شدن) مواد آلی معمولاً توأم با ایجاد بوهای نامطبوعی از سولفید هیدروژن و ترکیبات آلی احیاء شده گوگرددار (از قبیل مرکاپتانها) می باشد.
از آنجائی که تجزیه غیر هوازی مواد آلی فرایند احیاء می باشد، بخشی از محصول نهایی (کود کمپوست) هنگامی که در مزارع مورد استفاده قرار می گیرد، در معرض اکسیداسیون هوازی قرار خواهد گرفت. این اکسیداسیون جزئی است و به سرعت صورت می گیرد و در کاربرد مواد مشکل ساز نمی باشد]37 [.
این انهدام، به صورت آهسته انجام می شود و در دوره های 6 ماهه تا یکساله، کاملاً از بین می روند. هنگامی که مواد بطور غیر هوازی به صورت توده های سطحی یا در واحدهای حوضچه ای کمپوست شوند، تصاعد بوها کاملاً شدید می باشد. در شکل فوق سیکل نیتروژن و کربن در عمل تجزیه غیر هوازی نشان داده شده است]37 [.
با توجه به خصوصیات روش های مذکور، طرق صنعتی تهیه کمپوست بر اصل تجزیه هوازی استوار می‌باشند و به این جهت این روش بیشتر از روش تجزیه غیر هوازی بکار گرفته می شود.
2-9- کمپوست ترکیبی
کمپوست در زمانی رخ می دهد که آب ، اکسیژن ، کربن آلی به اندازه کافی برای تحریک رشد میکروبی وجود دارد. هوادهی مناسب ، آبیاری ، قند کافی و سایر اشکال کربن ساده آلی برای تحریک این فرایند مورد نیاز است. بنابراین، در عمل همه مواد بلافاصله مناسب نیستند و باید سایر مواد به این فرایند اضافه شوند که با نام کمپوست ترکیبی نامیده می شوند.
2-10- انواع کمپوست ترکیبی
کمپوست ترکیبی حاصل از فرآیند تخمیر را با توجه به مدت، شرایط آب و هوائی، پیشرفت تجزیه و... می‌توان به شرح ذیل تقسیم بندی نمود:
- کمپوست ترکیبی خام:
منظور زباله های خُردشده و لجنی است که هیچگونه عملیات تخمیر و پاستوریزاسیون بر روی آن صورت نگرفته باشد.
- کمپوست ترکیبی تازه:
منظور کمپوست ترکیبی است که عمل تخمیر در آن شروع شده ولی تجزیه و واکنش های مربوطه کامل نگردیده است.
- کمپوست ترکیبی کامل:
منظور کمپوست ترکیبی است که شرایط مناسب عمل تخمیر در آن ادامه یافته و در نتیجه مقدار بیشتری از مواد آلی تجزیه و نسبت به کمتر از 25 درصد و میزان مواد آلی به حدود 20 درصد و مقدار ناخالصیها به کمتر از 10 الی 15 درصد تقلیل یافته است]14.[
- کمپوست ترکیبی ویژه:
منظور کمپوست ترکیبی است که جهت جبران کمبود تعدادی از عناصر مغذی و مورد نیاز گیاهان، با توجه به استاندارد تعیین شده، با همان عناصر تکمیل گردیده است]5و3و7.[
2-11- خصوصیات کمپوست
اکثر تولید کنندگان، یک کمپوست مرغوب را از روی ظاهر مواد تجزیه شده می شناسند و بطور کلی می توان زمان عمل آمدن (رسیدن) کمپوست را از نظر کمیت و کیفیت توسط یک کنترل کننده تجربی به خوبی تخمین زد.
در تعیین خصوصیات فیزیکی کمپوست باید اندازه ذرات، پیشرفت عمل تخمیر، مقدار درصد مواد غیر مفید از قبیل پلاستیک، شیشه، کاغذ و... متناسب با نوع مصرف بررسی شوند.
کمپوست را بر حسب اندازه ذرات و با توجه به کاربرد مربوطه به صورت ذیل تقسیم بندی می کنند :
کمپوست نرم با قطر ذرات کمتر از 8 میلیمتر
کمپوست متوسط با قطر ذرات بین 20-8 میلیمتر
کمپوست درشت با قطر ذرات بین 45-20 میلیمتر]11[
تأثیر کلی کمپوست، بیشتر مربوط به تغییر فرم آن در خاک است. این تأثیر هنگامی می تواند به حداکثر مقدار خود برسد که میزان مواد آلی موجود در کمپوست حداقل بالغ بر 15 الی 20 درصد از کل مواد باشد. به این ترتیب تجزیه مواد نه فقط بایستی در زمان تهیه کمپوست انجام گیرد، بلکه بیشتر باید در محل مصرف یعنی خاک انجام پذیرد]7 .[
مطالعات محققین نشان داده است که مصرف کمپوست نسبتاً درشت در باغات میوه و تاکستان ها مناسب تر است، ولی در سبزیکاری و صیفی کاری باید کمپوست در زمان تهیه، حداکثر میزان تخمیر و تغییر فرم را یافته باشد، زیرا در غیر اینصورت فعالیت میکروارگانیزم ها موجب افزایش QUOTE Co2 و کمبود اکسیژن خاک گشته، در نتیجه فعالیت ریشه ها محدود می گردد]8[.
وجود موادی از قبیل شیشه، پلاستیک و ... که وجود هر کدام از آنها در کود کمپوست مضراتی به همراه دارد ( خصوصاً پلاستیک که پس از مدتی موجب نفوذ پذیری خاک و تبدیل آن به باتلاق می شود) باید به حداقل ممکن رسانیده شود. در کمپوست نرم این مواد نباید بیش از 6 درصد و در کمپوست متوسط بیش از 12 درصد باشد.]8[
2-12- ویژگیها و موارد مصرف کمپوست
احداث کارخانجات کمپوست و استفاده از محصول آن می تواند تبعات مفیدی را در پی داشته باشد که به عنوان نمونه به موارد ذیل اشاره می شود:
2-12-1- کاهش آلودگی محیط زیست ( آب و هوا )
قبل از این، به این مطلب اشاره شد که در اکثر قریب به اتفاق شهرهای ایران، عملیات دفن زباله و لجن به صورت غیر بهداشتی و با در نظر گرفتن اصول حفاظتی اولیه صورت می گیرد، که اثرات نامطلوب دراز مدت و کوتاه مدتی در پی دارند. حادثه نشت شیرابه های زباله دفن شده در منطقه دفن آبعلی، علاوه بر مرگ و میر تعداد بسیار زیادی از آبزیان رودخانه، منجر به آلوده شدن آبهای زیر زمین منطقه که مصارف آشامیدنی نیز دارند، گردید.
در مورد سایر شهرهای کشور، خصوصاً شهرهای ساحلی، به علت بالا بودن سطح آبهای زیر زمینی، این مشکلات چند برابر می گردد که باید با دید عمیق تری به موضوع نگریسته شود.
مشکل دیگر دفن های غیر بهداشتی و غیر اصولی، از حیث انتفاع خارج کردن زمین به مدت زمان طولانی است. زیرا بسیاری از مواد دفن شده، فسادپذیر نبوده و به همان صورت اولیه خود در زمین باقی می مانند (از جمله مواد پلیمری و...)، از این رو در مناطقی که زمین از ارزش اقتصادی بالائی برخوردار است و یا کمبود زمین وجود دارد، کمپوست می تواند به عنوان یک راه حل مناسب مورد توجه قرار گیرد.
مسئله تغذیه دامها و طیور از زباله های تخلیه شده در محل دفن نیز، یکی دیگر از مشکلات اساسی است که موجب بروز و شیوع بیماریهای عفونی می گردد و سالانه مقادیر زیادی ارز جهت تهیه داروهای مربوطه از کشور خارج می شود]37.[
از جمله مزایای کود کمپوست می توان به موارد زیر اشاره کرد :
2-12-2- جلوگیری از فرسایش خاک
یکی از مشخصات خاک در اکثر نقاط کشور ایران (خصوصاً مناطق مرکزی) عدم پایداری آن است، در این نوع زمینها، قشر رویی خاک، یعنی قشر غنی از مواد آلی، براثر اکسیداسیون تجزیه شده و از بین می رود.
خاک با از دست دادن مواد آلی خود (هوموس)، خاصیت چسبندگی اش را از دست داده و تحت اثر وزش باد، شروع به فرسایش می کند. ذرات ریز خاک توسط باد پراکنده شده و پس از بارندگی به حرکت در می‌آیند و به این ترتیب تمام مواد مغذی محلول در آب شسته شده، از بین می رود. به این پدیده فرسایش گفته می شود]37.[
برای مثال در آفریقا سالانه در هر هکتار، تحت پدیده فرسایش 250 تن مواد از بین می رود. یعنی تا حدود mm15 از لایه رویی خود را از دست می دهند]37.[ یعنی لایه ای که از لحاظ کشاورزی بسیار ارزشمند است. کمپوست ترکیبی است که هوموس خاک را احیاء نموده و از فرسایش بی رویه خاک جلوگیری می‌کند.
2-12-3- قابلیت نگاهداری آب در زمین
یکی دیگر از مشخصه های زمین مزروعی قدرت نگاهداری آب مورد نیاز گیاه در خاک می باشد، خصوصاً خاک های رُسی که در معرض شرایط جوی فصول خشک قرار گیرند. امروزه از ترکیبات مختلفی جهت بهبود این مشخصه استفاده می شود، مثلاً ورمیکولیت، پرلیت و... .
اما از لحاظ اقتصادی مناسب ترین و بهترین ماده در این مورد، کود کمپوست است که علاوه بر توانائی مذکور، ارزش غذائی مناسبی نیز برای خاک دارد.
2-12-4- متخلخل نمودن خاک
کمپوست حجم خلل و فرج خاک ها را افزایش داده و ساختمان آنها را اصلاح می کند. از عوارض ناخواسته کاربرد انواع کودهای شیمیایی، سخت و محکم شدن خاک های کشاورزی است. با کاربرد کود کمپوست این مشکل نیز برطرف می شود. زیرا قسمتی از فعل و انفعالات تخمیر کمپوست در خاک انجام گرفته و با این عمل گاز QUOTE Co2 تولیدی موجب متخلخل شدن خاک می گردد]37.[
2-12-5- سایر موارد کاربرد کمپوست
کمپوست موارد مصرف متنوع و گسترده ای دارد از قبیل :
به عنوان سوبسترا در کشت قارچ
به عنوان عایق اکوستیک
به عنوان ماده بوگیر (بیوفیلتر)
به عنوان بستر حیوانات در دامداریها
به عنوان یکی از مواد اولیه تهیه آجرهای متخلخل و ...]37 [.
2-13- پژوهش های انجام شده
- استلمچوسکی در سال 2003 روی کوکمپوست تحقیقاتی انجام داد که هدف اصلی او نسبت تهیه لجن به زباله بود. البته ایشان از زباله سبز به عنوان زباله استفاده کرده بود]9.[
- زورپس در سال 2000 از مخلوط زباله خانگی و لجن و همچنین زئولیت طبیعی استفاده کرد. آقای زورپس به این نتیجه رسید که اضافه کردن زئولیت ها می تواند مقدار فلزات سنگین را تا حدود زیاد کاهش دهد]6.[
- گیند در هند در سال 2003 مطالعه ای روی کمپوست خاکستر با کاه گندم انجام داد . آقای گیند دریافت که اضافه کردن خاکستر می تواند تا 20% مقدار را کاهش دهد و همچنین فسفر را در حد بالایی نگه می دارد]1[.
- در چین تولید کوکمپوست با پیشرفت اقتصادی همراه بود. یکی از اهداف اصلی دولت چین در حذف زباله استفاده از کوکمپوست بود که حدود 20 % از زباله چین بدین روش تثبیت می شود که البته در این راه از لجن تصفیه خانه هم استفاده می شود که این تحقیق توسط آقای وی در سال 2000 انجام شد]8[.
2-13- روشهای تولید کمپوست
روشهای تولید کمپوست را می توان بر اساس به کارگیری راکتور، مکانیسم جریان، حرکت جامدات، شرایط بستر و روش هوادهی طبقه بندی نمود. یکی از متداولترین شیوه های طبقه بندی فرآیند کمپوست به قرار ذیل است:
1- سیستمهای غیر راکتوری (باز)
بستر جامد همزده شده (ویندرو)
- تهویه طبیعی
- هوادهی تحت فشار
بستر جامدات ثابت
- هوادهی تحت فشار (توده ثابت هوادهی شده)
- تهویه طبیعی (توده بدون هوادهی)
2- سیستمهای راکتوری (بسته)
الف – جریان عمودی جامدات
بستر جامدات همزده شده
- کوره های متعدد یا چند کوره ای
- کوره های چند طبقه
بسترهای پرشده (سیلوراکتورها)
- با جریانهای متقابل هوا و جامدات
- با جریانهای متقاطع هوا و جامدات
ب – جریان افقی و شیب دار جامدات
بستر لغزان جامدات (استوانه های چرخان)
- جریان پراکنده
- سلولهای سری
- اختلاط کامل
بستر جامدات همزده شده ( محفظه های همزده شده یا کانالهای باز )
- دایره ای شکل
- مستطیلی شکل
بستر جامدات ثابت ( تونلی شکل )
- نوع فشاری
- نوع نقاله ای
ج – بدون جریان ( جعبه های کمپوست )]2[.

شکل ( 2-2)-شمایی از فرایند ویندرو]15و38و9[.
2-15- فرآیند ویندرو
فرآیند ویندرو یا فرآیند توده های طویل سطحی در واقع شیوه ای است که در آن مخلوط آماده شده جهت ورود به سیستم در ردیفهای موازی که از قبل برای آنها تهیه شده است قرار گرفته و هرچند وقت یکبار با وسایل مکانیکی مخصوص زیر و رو می گردد. شکل توده کمپوست، ارتفاع و عرض آن کاملاً بستگی به نوع مواد ورودی و نوع دستگاه های مخلوط کننده دارد.
عملیات اکسیژن رسانی به مخلوط عمدتاً از طریق تهویه طبیعی در اثر نیروی شناوری گازهای گرم خروجی از توده صورت می گیرد، در شرایطی که این میزان کم باشد می توان با زیر ورو کردن توده کمپوست نیز آنرا هوادهی نمود. همچنین در برخی موارد برای عملیات اکسیژن رسانی به توده های کمپوست از هواده های تحت فشار مثبت " دمنده " و یا تحت فشار منفی " مکنده " استفاده می گردد. در هوادهی تحت فشار مثبت، دمنده، هوای محیط را با فشار به داخل توده می راند و در هوادهی تحت فشار منفی، مکنده، گازهای موجود در توده کمپوست را با نیروی مکش از توده خارج می نماید.
درصورتی که مواد خام ورودی به سیستم از ویژگیهایی از قبیل درصد جامدات، میزان رطوبت و نسبت مناسبی برخوردار باشد غالباً این فرآیند بیولوژیکی به صورت خودکار عمل می کند. با این وجود به منظور آگاهی از زمان و تعداد مراحل زیر و رو کردن توده ها بایستی پارامترهای درجه حرارت و درصد رطوبت به طور مستمر مورد پایش قرار گیرند.
مراحل زیر و رو کردن، در فرآیند ویندرو از اهمیت خاصی برخوردار است زیرا موجب تنظیم، درجه حرارت، رطوبت، تخلخل، هوادهی و کنترل بو و مگس در توده های کمپوست می گردد.
فرآیند ویندرو به طور موفقیت آمیزی در تولید کمپوست از مواد آلی نظیر فضولات باغی، زباله و لجن فاضلاب به کارگرفته شده و یک فرآیند متداول در امر کمپوست سازی از فضولات باغی و گیاهی به شمار می آید.
تجربه کاربرد فرآیند ویندرو در کمپوست لجنهای هضم شده نشان می دهد که در اغلب موارد ترکیب این لجنها با کمپوست برگشتی شرایط مطلوبی را به دنبال داشته است اما در صورت نیاز می توان از مواد حجیم کننده و اصلاح کننده نیز جهت متناسب سازی بیشتر مخلوط بهره گرفت]15و2.[
2-15-1- تاریخچه کاربرد فرآیند ویندرو
قدیمی ترین فرآیند تولید کمپوست از لجن فاضلاب فرآیند ویندرو می باشد که قدمت بهره گیری آن به سال 1930 در آلمان بر می گردد. در آن زمان لجن آبگیری شده بدون اضافه نمودن عوامل حجیم کننده برای تولید کمپوست به روش ویندرو مورد استفاده قرار گرفت، که با توجه به تخلخل کم لجن و عدم امکان هوادهی مناسب، بوی نامطبوع زیادی در تأسیسات پخش شد و کاربرد فرآیند متوقف گردید]16[.
در سال 1950 آلریچ و اسمیت نتایج تجارب خود را از کمپوست مخلوط لجن فاضلاب هضم شده با ذرات چوب در آستینِ تگزاس با زمان بندی حدود 11 هفته گزارش نمودند، اما اولین کاربرد روش ویندرو به منظور کمپوست لجن هضم شده در مقیاس اجرایی در شهر آستین بسیار دیرتر یعنی درسال 1987 انجام پذیرفت]15و38.[
تجربه بعدی از کمپوست لجن به فردی به نام ریوز در سال 1959 برمی گردد. او از لجن هضم شده شهر الپاسوِ تگزاس که به مدت 4 تا 6 ماه در معرض هوا قرار گرفته و خشک شده بود مخلوطی با خُرده چوب درست کرد و 2 تا 3 ماده آنرا تحت فرآیند ویندرو قرار داد و سپس محصول را 2 تا 3 ماده جهت عمل آوری در توده های ثابت نگهداری نمود.
اولین واحد بزرگ تولید کمپوست لجن، در سال 1972 در لس آنجلس تأسیس شد و کارخود را با روزانه 100 تن کیک لجن هضم و آبگیری شده شروع کرد. در این واحد از کمپوست برگشتی جهت تنظیم رطوبت (تا حد 60 درصد) و پایداری ساختمانی توده ها استفاده گردید. جهت ایجاد تخلخل مناسب در این سیستم از عملیات زیر و رو کردن و اضافه کردن مواد حجیم کننده نظیر خُرده چوب و پوشال برنج بهره گرفته شد و برای بهبود انرژی تولیدی در فرآیند مواد اصلاحی با درصد مواد آلی بیشتر مورد استفاده قرار گرفت. این واحد کار خود را با کیفیت مطلوبی تا سال 1991 ادامه داد و در این سال به دلیل ملاحظات محلی و تولید بو، نقل مکان کرد]15و38.[
درسال 1980 یک واحد کمپوست لجن به روش ویندرو در واحد احیاء فاضلاب متروپلیتن دنور تأسیس گردید. این واحد برای 100 تن مواد ورودی روزانه در 16 ایکر فضای مُسقف با امکانات هوادهی به ظرفیت 165000 فوت مکعب استاندارد در دقیقه، به کار گرفته شد، اما پس از مدت کوتاهی از آغاز بهره برداری با مشکل تولید بو مواجه گردید]38.[
در سال 1991، شرکت کمپوست سازی سن جوکین در لس آنجلس بهره برداری از تأسیسات کمپوست به روش ویندرو را در منطقه ای دور دست در دره سن جوکین شروع کرد. این واحد با ورودی روزانه معادل 100 تن لجن هضم و آبگیری شده (با 20 درصد مواد جامد) و مواد اصلاح کننده ای نظیر کمپوست برگشتی و یا مواد زائد کشاورزی نظیر پوشال برنج به طور موفقیت آمیز بدون ایجاد بوهای مزاحم به کار گرفته شد]38 [.
بررسیها نشان می دهد که در حال حاضر تعداد زیادی از واحدهای تولید کمپوست به روش ویندرو در کشورهای اروپایی و آمریکایی به طور مطلوبی در حال فعالیت می باشند.
2-15-2- راهبری سیستم
شکل توده ویندرو تا حد زیادی به مشخصات مواد ورودی و نوع ماشین آلات مخلوط کُن بستگی دارد اما سطح مقطع ذوزنقه ای متداولترین شکل توده های ویندرو می باشد. شکل(2-2) نمونه هایی از این توده ها را با ابعاد و اندازه های معمول نمایش می دهد. طول توده های ویندرو در تأسیسات دنور 100 متر و در تأسیسات لس آنجلس به حدود 140 متر می رسید. هنگامی که از موادی با تخلخل زیاد استفاده می گردد می توان ارتفاع توده را بیشتر و سطح مقطع آنرا مستطیلی شکل در نظر گرفت]38.[

شکل (2-3)- ابعاد و اندازه های متداول توده های کمپوست ویندرو]38 [.
طبق اظهارات "های" به کارگیری مخلوط کنهای بزرگتر امکان ساخت توده های بزرگتر را فراهم خواهد آورد. افزایش سرعت استوانه های چرخان و کاربرد خُردکن ها در مجموعه، شرایط تولید کمپوستی یکنواخت با ذرات ریز و مناسب را ایجاد می نماید. همچنین کاربرد مواد اصلاح کننده نظیر خُرده چوب و پوشال برنج در توده های بزرگ کمپوست، موجب افزایش درجه حرارت و کاهش تولید بوهای متعفن در سیستم می‌گردد.
در واحد لس آنجلس به منظور تأمین شرایط بهینه درجه حرارت در طی فرآیند تولید کمپوست، با توجه به ماه های گرم و سرد سال از دو ترکیب متفاوت مواد خام ورودی به سیستم استفاده شده است. در این سیستم در طی ماه های گرم سال از مخلوط کیک لجن، کمپوست برگشتی و خرده چوب با نسبتهای حجمی 1 به 8/0 به 4/0 استفاده شده و برای ماه های سرد سال از مخلوط کیک لجن با خرده چوب با نسبتهای حجمی 1 به 2/1 استفاده می گردد]38.[
فرآیند ویندرو با کمپوست برگشتی نمی تواند در مواقع سرد و بارانی درجه حرارت را به مدت 15 روز در حد 55 درجه سانتی گراد نگهداری نماید. بر این اساس "های" طی آخرین تحولاتی که در واحد لس آنجلس به وجود آورد این فرآیند را به دو مرحله توسعه داد. در مرحله اول با ایجاد ویندروهای کوچک به مدت 2 تا 3 هفته شرایط خشک سازی، هوادهی و پاستوریزاسیون اولیه فراهم می شود. در این مرحله، ویندروها 3 تا 4 مرتبه در هفته زیر و رو شده که بدین ترتیب درجه حرارت طی ماه های گرم به 55 درجه سانتی گراد افزایش یافته ولی طی ماه های سرد این افزایش ایجاد نمی گردد]38.[
پس از تکمیل مرحله اول هر دو یا سه ویندرو مجاور هم توسط یک لودر مجتمع شده و یک ویندرو بزرگ را تشکیل می دهند. بسته به درجه حرارت موجود در مرحله اول ممکن است در این مرحله از مواد اصلاحی اضافی نیز استفاده گردد.
در مرحله دوم درجه حرارت توده اغلب تا 65 درجه سانتیگراد افزایش می یابد که این امر موجب نابودی پاتوژنها و کاهش بیشتر رطوبت در توده می شود.
ویندروهای بزرگ در مرحله دوم تولید کمپوست به مدت 3 هفته یا بیشتر نگهداری شده و سه بار در هفته زیر و رو می گردند تا بدین ترتیب شرایط مناسبی از زمان ماند، درجه حرارت و اختلاط به وجود آید]38.[
جهت صرفه جویی در خرید مواد حجیم کننده مورد نیاز نظیر خرده چوب می توان بخشی از آن را به وسیله سَرند کردن کمپوست نهایی جداسازی نمود، اما بهرحال حدود 25 تا 30 درصد از این مواد طی مراحل تولید کمپوست مورد اکسیداسیون بیولوژیکی قرار گرفته و یا به علت عدم جداسازی از مدار خارج می‌گردند]38و15[.
از معایب عمده روش ویندرو در تولید کمپوست لجن فاضلاب شهری می توان زمین مورد نیاز زیاد و عدم امکان بکارگیری لجنهای خام در این فرآیند را برشمرد. طبق اظهار نظر "کولاسیکو" زمین مورد نیاز برای فرآیند ویندرو حداقل 25 درصد بیشتر از روش توده های هوادهی شده می باشد]38و15[.
2-15-3- اثرات زیست محیطی و بهداشتی
در مناطقی که بیماریهای آندمیک شیوع دارند در فاضلاب آن مناطق میکروارگانیزمهای خاص آن بیماریها به وفور یافت می شوند. پاتوژنهای حمل شده توسط فاضلاب در طی فرآیندهای معمول هضم لجن و روشهای خشک کردن غیر فعال نمی شوند و در محیط به مدت طولانی باقی می مانند. نمودار (2-1) رابطه انهدام پاتوژنها با زمان و درجه حرارت برای روش ویندرو را نشان می دهد. مطالعات جامع در مرکز بهسازی لس آنجلس نشان می دهد که کلیفرمهای کل و سالمونلا در 10 روز اول فرآیند کمپوست به روش ویندرو گرفته شده است، کمتر از یک عدد در هر گرم بوده است. اما در نمونه های قسمتهای خارجی توده تعداد آنها بیشتر بوده است. در اکثر نمونه های کمپوست نهایی مقادیر خیلی کمی از ویروسها، تخم پارازیتها و سالمونلاها جمع آوری شده است]21[.

شکل (2-4)- نمودار ارتباط کاهش پاتوژنها با زمان و درجه حرارت در روش ویندرو]37 [.
بازگشت کمپوست تکمیل شده به عنوان عامل حجیم کننده سبب کنترل مؤثر برای لجنهای هضم شده می‌گردد. توقف در زیر و رو کردن مواد می تواند سبب انتشار بوهای ناخوشایند گردد، زیرا توده ویندرو به سرعت تحت شرایط بی هوازی قرار می گیرد. همچنین در طی فواصل بارندگیهای شدید ممکن است مسایل ناشی از بو بروز نماید. در نواحی خشک با وزش باد شدید، می بایست توده ها را نمدار کرده تا از تولید گرد و غبار جلوگیری شود.
سیستم جمع آوری و زهکشی آب در محوطه لازم بوده چون سیلابها آلودگی شدید پیدا کرده و نیاز به تصفیه دارند. کارگرانی که در این مکانها کار می کنند بایستی از مخاطرات ذرات و گرد و غبار حفاظت شوند. سیستم حفاظتی شامل استفاده از ماسکهای تنفسی و آب پاشی کردن توده ها در فواصل خشک و پرباد می‌باشد. مطالعات نشان می دهند که قارچ "آسپروژیلوس فومیگاتوس" به عنوان یک پاتوژن ثانویه در هوای نواحی کمپوست لجن فاضلاب به وفور وجود دارد. بر این اساس افرادی که سابقه ناراحتی ریوی دارند، نباید در مناطق کمپوست سازی به کار گرفته شوند]21[.
2-16- فرآیند توده های ثابت
توده های ثابت هوادهی شده یکی از متداولترین انواع سیستمهای بدون راکتور با توده های ثابت به شمار می آیند. این سیستم کاربرد گسترده ای در تولید کمپوست از لجن خام آبگیری شده در کشورهای اروپایی و آمریکا دارد.
فرآیند توده های ثابت هوادهی شده در واقع برای بر طرف کردن مشکلات فرآیند ویندرو یعنی به منظور کاهش زمین مورد استفاده و نیز قابلیت در کمپوست لجنهای خام، گسترش یافته است.
در این روش مواد خام با عوامل حجیم کننده نظیر قطعات چوب مخلوط شده و در قالب توده های بزرگ شکل گیری می گردند. عوامل حجیم کننده ضمن تأمین ساختاری پایدار برای توده ها، به هوادهی آنها بدون عملیات زیر و رو کردن نیز کمک می نمایند.
سیستم هوادهی در این فرآیند با نیروی دمنده یا مکنده انجام می پذیرد. توده ها به صورت ناپیوسته بارگذاری شده و در طی فرآیند کمپوست زیر و رو نمی شوند.
در برخی از طراحیهای جدید، به منظور جلوگیری از سخت و کُلوخه شدن مواد در توده ها تمهیدات خاصی اتخاذ گردیده است، این سیستم ها که اصطلاحاً سیستم های "نیمه بهم خورده" نام گرفته اند از عملیات بهم خوردگی بسیار خوبی نسبت به سیستم های ویندرو برخوردار می باشند]2.[
فرآیند توده های ثابت هوادهی شده در ایالت متحده آمریکا کاربرد گسترده ای برای کمپوست لجن های خام دارد. هم اکنون تعداد زیادی از این تأسیسات در بخشهایی نظیر "مونتگومری- مریلند، فیلادلفیا- پنسیلوانیا، اسکارتن- پنسیلوانیا، نشویل- تنسی، اوکلند- کالیفرنیا، کلمبوس-اوهایو" مشغول به کار می‌باشند]9.[
2-16-1- تاریخچه کاربرد توده های ثابت هوادهی شده
در سالهای 1972 تا 1973 مرکز تحقیقات کشاورزی دپارتمان کشاورزی بلتسویل واقع در مریلند آمریکا به طور موفقیت آمیزی کاربرد فرآیند ویندرو برای تولید کمپوست از مخلوط لجن هضم شده و خرده چوب را تجربه کرد]1[.
این روش در تولید کمپوست لجن خام از کارایی مطلوبی برخوردار نبوده و با مشکلاتی نظیر تولید بوهای متعفن مواجه گردید. به منظور حل این مسأله در سالهای 1975 تا 1976 مطالعاتی در این واحد انجام گرفت که منجر به ابداع روش جدیدی به نام روش توده ای ثابت هوادهی شده و یا روش "بلتسویل" گردید]1[.
در این تکنیک از مواد حجیم کننده برای ایجاد تخلخل مناسب و از هوادهی تحت فشار استفاده شده است از اینرو این سیستم قابلیت ویژه ای در کمپوست لجن خام دارد. در صورت بهره برداری مناسب، امکان تولید بو در این روش بسیار کم است و آماده سازی لجنهای خام با مواد شیمیایی نظیر آهک در مرحله آبگیری مشکل انتشار بو را به ‌حداقل ممکن می رساند]1.[
کاربرد این روش در تولید کمپوست از لجنهای خام و هضم شده مورد استقبال زیادی قرار گرفته به گونه‌ای که تنها تا سال 1990، درآمریکا 76 واحد از این تأسیسات مورد بهره برداری قرار گرفته است]9[.
2-16-2- تشریح فرآیند
از ویژگیهای فرآیند توده های ثابت می توان به عدم زیر و رو کردن توده‌ها، استفاده از سیستم هوادهی تحت فشار و کاربرد موادی نظیر خُرده چوب به عنوان عوامل حجیم کننده و تنظیم رطوبت اشاره کرد که این موارد در واقع وجوه افتراق اصلی با فرآیند ویندرو به شمار می آیند.
مطابق برآوردهای انجام شده نسبت حجمی مناسب خُرده چوب مورد نیاز به لجن در این فرآیند حدود 2 به 1 تا 3 به 1 به دست آمده است. استفاده از خرده چوب به عنوان حجیم کننده در بسیاری از واحدها رضایتبخش بوده با این وجود از موادی نظیر پوست درخت، پوست بادام زمینی و خرده های لاستیک نیز در صورت تخلخل کافی می توان بهره گیری نمود]9[.
شکل (2-4) مراحل اصلی فرآیند توده های ثابت هوادهی شده را نمایش می دهد. این مراحل را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود :
1- آماده سازی و اختلاط نسبت حجمی مناسب از لجن آبگیری شده با درصد جامدات 20 تا 25 درصد با عوامل حجیم کننده نظیر خرده چوب و رساندن درصد جامدات مخلوط به حدود 40 درصد.
2- استقرار یک لایه 30 سانتیمتری از عوامل حجیم کننده بر روی لوله های دائمی هوادهی و یا لوله های موقت سوراخ دار هوادهی به عنوان لایه زیرین توده کمپوست.
3- استقرار مخلوط لجن و خرده چوب با ارتفاع و شکل مناسب بر روی لایه زیرین یا لایه اساس.
4- پوشش دادن لایه بیرونی توده به وسیله کمپوست نهایی سَرند شده و یا سَرند نشده.
5- اتصال پمپ هوا به شبکه لوله های هوادهی.

شکل (2-5) -مراحل اصلی فرآیند کمپوست به توده های ثابت هوادهی شده]9[.
پس از انجام این عملیات مرحله تند یا پربار یا روشن کردن پمپ هوا شروع می شود. دستگاه پمپ هوا می‌تواند حالت دمنده داشته و هوا را تحت فشار وارد توده ها نماید و یا اینکه به صورت مکنده عمل کرده و گازهای موجود در توده ها را مکش کرده و سبب جایگزینی هوای تازه در داخل توده ها گردد. عملیات هوادهی در این سیستم در قالب سیکلهای هوادهی با خاموش و روشن کردن های متناوب پمپهای هوا انجام می گیرد. فاصله زمانی هر خاموش و روشن کردن پمپ با توجه به شرایط هوازی و درجه حرارت داخل توده تنظیم می گردد.
در سیستمهای مکشی، هوای خروجی از توده های کمپوست قبل از تخلیه به محیط بایستی از بوهای موجود پاکسازی گردد. روش های زیادی جهت حذف بوی هوای خروجی ابداع شده اما متداولترین آنها عبور هوای خروجی از توده های فیلتر می باشد. توده های فیلتر به طور متوسط حاوی 76/0 متر مکعب کمپوست نهایی الک شده به ازای هر 6/3 تن مخلوط لجن و خُرده چوب می باشند.
زمان ماند توده ها جهت تکمیل فرآیند کمپوست در مرحله تند در صورت تأمین شرایط مناسب حدود 21 روز پس از شکل گیری توده ها برآورد شده است.
پس از انجام این مرحله، توده های کمپوست مطابق شکل (2-4) تا تشکیل محصول نهایی یکی از مسیرهای زیر را طی می نمایند:
خشکسازی، غربالگری، عمل آوری، ذخیره سازی و فروش محصول نهایی.
عمل آوری، خشکسازی، غربالگری، ذخیره سازی و فروش محصول نهایی.
درصورتی که درصد جامدات موجود در مخلوط حداقل بین 50 تا 55 درصد باشد امکان بهره گیری مطلوب از سَرندهای ارتعاشی یا چرخشی جهت غربالگری فراهم می باشد. در غیر اینصورت بایستی خشکسازی بیشتر با هوادهی و یا نگهداری توده ها قبل از غربالگری انجام گیرد.
جداسازی و استفاده مجدد مواد حجیم کننده نظیر خُرده چوب به دلیل کاربرد زیاد آنها طی فرآیند کمپوست سازی، موجب کاهش قابل ملاحظه هزینه ها و بهبود خواص کمپوست تولیدی می گردد. در هر صورت همواره مقداری از مواد حجیم کننده در اثر تجزیه بیولوژیکی و یا عبور از سَرندها از دست رفته و بایستی جایگزین گردند.
درصورت استفاده از مکنده با مکش هوا، همواره مقداری شیرابه به لوله های هوادهی وارد شده که بایستی آنها را قبل از ورود به پمپ مکنده از طریق یک سیفون جمع آوری کرده و تصفیه نمود[38].
شکل (2-5) سطح مقطع یک نمونه توده ثابت هوادهی شده را نمایش می دهد[15].

شکل (2-6)- سطح مقطع یک نمونه ثابت هوادهی شده]15[
به منظور کاهش زمین مورد نیاز در فرآیند توده های هوادهی ثابت تغییراتی در روشهای اجرایی این فرآیند داده شده و اشکال جدیدتری از آن به کار گرفته شده است[38]. یکی از این اشکال جدید "توده های هوادهی گسترده" است که در آن توده ها چسبیده بهم ساخته می شوند به طوری که ساخت توده جدید بر قسمت انتهایی توده قبلی صورت می گیرد. یکی دیگر از روشهای جدید "توده های هوادهی مرتفع" نام دارد که در آن توده ها به وسیله جرثقیل تا ارتفاع حدود 6 متری ساخته می شوند. با کاربرد روش توده های گسترده و یا توده های مرتفع ضمن حفظ اساس فرآیند میزان زمین و مواد حجیم کننده مورد نیاز تا حدود 50% کاهش خواهد یافت]15و38 [. شکل (2-6) نماهایی از توده های منفرد و گسترده را نمایش می دهد.

شکل (2-7) -نماهایی از توده های ثابت هوادهی شده]15[.


روش توده های گسترده با اغلب تأسیسات موجود سازگاری دارد اما روش توده های مرتفع در بیشتر اوقات قابل استفاده نمی باشد.
درجه حرارتهایی که در طی فرآیند کمپوست لجن خام و خُرده چوب اندازه گیری شده در شکل (2-7) دیده می شود. مطابق این شکل درجه حرارت در 3 تا 5 روز اول به سرعت افزایش یافته سپس ثابت می‌گردد و پس از گذشت سه هفته شروع به کاهش می نماید. پروفیل درجه حرارت در توده های هوادهی شده ثابت با مواد اولیه ای که از ترکیب مخلوط لجن هضم شده با مواد مختلف درست شده اند در شکل (2-7) مشاهده می گردد.
همانطور که در شکل فوق دیده می شود افزایش درجه حرارت برای هر سه ترکیب به خوبی صورت می‌گیرد، اما در مخلوط لجن و کمپوست، فقدان عوامل حجیم کننده موجب کاهش منافذ عبور هوا شده از این رو اُفت درجه حرارت در این مخلوط نسبت به سایر ترکیبات بسیار مشهودتر است. مطالعات نشان داد که در صورت کاربرد کمپوست رسیده به عنوان عامل حجیم کننده، فرآیند با درجه حرارت کمتر، زمان ماند بیشتر، درصد کاهش رطوبت و مواد آلی کمتر مواجه خواهد شد. پس از طی دوره سه هفته ای مرحله عمل آوری با هدف بهبود کیفیت محصول نهایی انجام می گیرد. معمولاً برای کاهش زمین مورد نیاز، قبل از مرحله عمل آوری کمپوست اولیه را غربالگری می نمایند.
دوره عمل آوری برای مواد غربال شده حدود 30 تا 60 روز به طول می انجامد. عملیات هوادهی در مرحله عمل آوری توده های ثابت نیز مورد اهمیت قرار دارد. خصوصاً هنگامی که از توده های گسترده برای تهیه کمپوست استفاده شده باشد]15.[

شکل (2-8)-درجه حرارت در توده های ثابت هوادهی شده با مواد مختلف]15و37 [.
2-16-3- وضعیت موجود
سیستم توده های هوادهی شده در مقیاس اجرایی در "بلتسویل، بنگور، دورهام، دیترویت، میشیگان، ویندرو و اونتاریو" به طور بسیار مؤثری مورد استفاده واقع شده است. پس از شروع فرآیند، متوسط درجه حرارت در توده های هوادهی به 70 درجه سانتیگراد رسیده و بعد از ایجاد شرایط پایدار، معمولاً حداقل درجه حرارت حدود 55 درجه است.
کاربردی بودن این سیستم برای کمپوست سازی لجن هضم شده امتیازی است که این روش را نسبت به روش ویندرو شاخصتر می نماید. از سایر مزایای این روش نسبت به روش ویندرو می توان به کنترل مؤثر بو، غیر فعال سازی پاتوژنها به میزان بیشتر و استفاده از زمین کمتر اشاره نمود. از مزایای توده های هوادهی شده نسبت به سیستمهای راکتوری می توان به هزینه های سرمایه گذاری و راهبری بسیار ساده تر آن اشاره نمود[38].
امتیازات فوق موجب شده تا توجه بیشتری به توده های هوادهی شده برای کمپوست لجن معطوف گردد. مطالعاتی که در سال 1988 در آمریکا صورت گرفت مؤید این است که از میان سیستمهای کمپوست لجن موجود، توده های هوادهی شده 54 درصد، روش ویندرو 25 درصد، روش ویندرو هوادهی شده 4 درصد و سیستمهای راکتوری 17 درصد را تشکیل می دهند.
طبق مطالعات "کلاسیکو" هزینه عملیاتی گزینه ای که در آن از خُرده چوب به عنوان عامل حجیم کننده استفاده می شود تقریباً مشابه روش ویندرو است]38 [.
2-16-4- چشم اندازهای اخیر
تجریباتی که در دهه 80 به دست آمد تحولات زیادی در اساس فرآیند توده های ثابت "بلتسویل" به وجود آورد. عمده ترین پیشرفتها مربوط به سیستم هوادهی فرآیند بود. در فرآیند اصلی "بلتسویل" از هواده های کم قدرت با سیستم کنترل قطع و وصل تایمری استفاده شده که منجر به بروز فرآیندی بسیار پرحرارت می‌گردید. این صنعت به تدریج به سمت سیستم هوادهی زیاد و تولید فرآیندهای با درجه حرارت کمتر متمایل شد. در سیستم جدید درجه حرارت فرآیند تا حدود بهینه آن کاهش داده شد که مزایایی نظیر سرعت تجزیه بیشتر توده ها و آزادسازی حرارت بیشتر در اثر واکنشهای کمپوست سازی را در پی داشت. در این روش از سیستم کنترل حلقه های حساس حرارتی استفاده می شود بدین ترتیب که با افزایش یا کاهش حرارت موجود در توده، گیرنده های حرارتی فرمان شروع و یا توقف کار هواده ها را داده و موجب تنظیم درجه حرارت در حدود مورد نظر می گردند.
سیستم حلقه های حرارتی مدتهاست که در روش کمپوست راکتوری مورد استفاده قرار می گیرد اما کاربرد آن به تازگی در روشهای ویندرو و توده های ثابت متداول شده است.
حداکثر میزان هوای مورد نیاز مربوط به هفته اول کمپوست سازی بوده و پس از آن به تدریج میزان هوای مورد نیاز در طول فرآیند کاهش می یابد. این نوسانات با سیستم کنترل حلقه های حرارتی به خوبی قابل تنظیم هستند. در صورتیکه در روش "بلتسویل" میزان هوادهی در طول فرآیند ثابت باقی می ماند. بر این اساس کاربرد هواده های بزرگتر با تنظیم درجه حرارت در محدوده بهینه شروع شد]15.[
هنوز بخشهای زیادی بر روی سیستم کمپوست سازی تحت درجه حرارت بهینه وجود دارد. حفظ درجه حرارت بهینه حدود 45 درجه سانتیگراد از یک طرف موجب سلامت و فعالیت مطلوب جمعیت میکروبی موجود در توده کمپوست می گردد و از طرف دیگر شرایط پاستوریزاسیون مطلوب در توده کمپوست را فراهم نمی آورد]15.[
متخصصین در این امور اذعان دارند که فرآیند کمپوست سازی تحت درجه حرارت بالا محدودیتهایی را در سرعت انجام واکنش به وجود می آورد اما بسیاری از مشکلات بهداشتی را بر طرف می نماید. اگر طراحان در طراحی سیستم هوادهی تجهیزات کنترل لازم را تعبیه کنند، بهره برداران می توانند به صلاحدید خود درجه حرارت بهینه را برای اخذ بهترین نتایج تنظیم نمایند.
در مورد لجن فاضلاب شهری بسیاری از بهره برداران درجه حرارتهای بین 55 تا 65 درجه سانتیگراد را به عنوان درجه حرارت اولیه برای اطمینان از پاستوریزاسیون مناسب می دانند و سیستم را برای روزهای اول روی آن تنظیم می نمایند]9و38و15.[ پس از حصول اطمینان از کنترل پاتوژنها، بهره بردار درجه حرارت سیستم را بر روی اعداد پایین ترین تنظیم می نماید.
تجربیات به دست آمده بر روی فرآیندهای با درجه حرارت بهینه موجب شد تا این فرآیند در دهه 80 مورد توجه و قبول مجامع علمی قرار گیرد]38.[
2-17- سیستمهای کمپوست راکتوری
فرآیندهای راکتوری کمپوست سازی بر اساس نوع جریان ورودی جامدات به سیستم به دو دسته راکتورهای با جریان عمودی و راکتورهای با جریان افقی تقسیم می گردند. راکتورهای افقی از یکسری راکتورهایی با شیب ملایم نسبت به افق تشکیل شده اند که بدین ترتیب جریان یافتن جامدات در آنها امکان پذیر خواهد بود]2.[
2-17-1- راکتورهای جریان عمودی جامدات
نحوه جریان جامدات در این راکتورها بصورت عمودی می باشد. در برخی از این راکتورها جامدات هنگام جریان عمودی به سمت پایین بهم زده می شوند که به این راکتورها اصطلاحاً "راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده" اطلاق می شود. این راکتورها می توانند با تغذیه مداوم و یا متناوب بکار گرفته شوند. نمونه ای از این راکتورها در شکل (2-8) نشان داده شده است.

شکل (2-9)- راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده]2[.
در گونه های دیگر راکتورهای عمودی، که به آنها اصطلاحاً "راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده" اطلاق می گردد جامدات ورودی بهم زده نمی شوند این راکتورها نیز می توانند بصورت پیوسته یا ناپیوسته تغذیه و بکار گرفته شوند[2].

شکل (2-10)- راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده]2[.
در راکتورهای جریان عمودی با بستر های پر شده اغلب بصورت زمان بندی جریانی از جامدات از کف به طرف بالا برگشت داده شده و یک بهم زدگی در این حجم ایجاد می گردد. پس از رسیدن این جریان به بستر، بهم خوردگی تا جریان برگشتی بعدی متوقف می گردد. عمق مواد موجود در این راکتورها به 6 تا 9 متر می‌رسد]2و9[.
نمونه های مختلفی از این راکتورها با اشکالی دایره ای و یا مستطیلی و با الگوهای هوادهی متفاوت مورد استفاده قرار گرفته اند.
راکتورهای جریان عمودی با بستر های پرشده کاربرد گسترده‌ای در کمپوست لجن و مواد اصلاح کننده نظیر خاک اره دارد که دلیل عمده آن هزینه نسبتاً پایین در تولید کمپوست به ازای واحد حجم راکتور می‌باشد]9[.
نمونه‌هایی از راکتورهای جریان عمودی متداول در تولید کمپوست از لجن فاضلاب ذیلاً مورد اشاره قرار گرفته است.
2-17-2- راکتور بیوسل
این سیستم از راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدت همزده شده است که اولین بار در کشور آلمان بکار گرفته شد. راکتور موجود در این فرآیند بصورت یک برج عمودی می باشد که از 8 تا 10 طبقه بر روی هم تشکیل شده است. کف هر طبقه از جنس آلومینیوم ساخته شده که با چرخش خود مواد موجود را به طبقه بعدی تخلیه می نماید. اکسیژن مورد نیاز بوسیله سیستم هوادهی تحت فشار تأمین می گردد. مواد ورودی به این سیستم را لجنهای آبگیری شده، کمپوست برگشتی و فضولاب باغی یا خاک اره بترتیب با نسبتهای حجمی 2:2:1 تشکیل می دهند.
مخلوط کمپوست در هر طبقه حدود یک متر ارتفاع و 3 روز توقف دارد و زمان ماند کل در راکتور حدود 30 روز می باشد. در شهرهای "رستت" و "ساربرکن" آلمان راکتورهایی از این نوع از سال 1977 مشغول بکار می باشند]9[.
2-17-3- راکتور BAV
سیستم BAV یک راکتور جریان عمودی استوانه ای با بستر پوشیده می باشد. این راکتور قابلیت تولید کمپوست از لجن فاضلاب با کمپوست نهایی و یا سایر مواد حجیم کننده نظیر خاک اره را دارد. در این راکتور همزمان با ورود مواد جدید از قسمت فوقانی، مخلوط کمپوست از قسمت تحتانی خارج می گردد. زمان ماند در این نوع راکتور بین 10 تا 14 روز بوده و در صورت لزوم در این مدت هوای تحت فشار از قسمتهای جانبی راکتور وارد می گردد]2[.
عملیات عمل آوری توده های کمپوست که مرحله اول را طی کرده اند حداقل نیاز به 6 هفته زمان دارد. در حال حاضر بیش از 25 کارخانه از این نوع با ظرفیتی معادل 375 متر مکعب در آلمان مشغول بکار می‌باشند]9[.
2-18- راکتورهای جریان افقی و شیب دار جامدات
راکتورهای جریان افقی جامدات به سه گروه کلی، راکتورهای با بستر لغزان (استوانه های چرخان)، راکتورهای با بستر هم زده شده و راکتورهای با بستر ثابت جامدات تقسیم بندی می گردند. سیستم های مختلفی از این راکتورها برای تولید کمپوست از زباله های شهری، فضولات باغی و لجنهای فاضلاب بکار گرفته شده است]2و9.[

user8249

جذب بر روی جامد
نفوذ درون یک غشا
تبدیل شیمیایی به ترکیبات دیگر
مایع سازی
تبدیل زیستی به ترکیبات دیگر
جذبانتقال یک ترکیب از فاز گاز به فاز مایع که در آن محلول است می‌باشد را جذب گویند. انتقال یک ترکیب از فاز مایع به فاز گاز که در آن محلول است دفع است. بدون شک جذب مهم‌ترین عملیات در فرآیندهای خالص‌سازی جریان‌های گازی می‌باشد.
جذب سطحیتغلیظ انتخابی یک یا چند ترکیب از یک گاز بر روی سطح جامد ریز متخلخل جذب سطحی می‌باشد. مخلوط ترکیبات جذب‌شده را ماده‌ی جذب شونده و جامد ریز متخلخل را جاذب می‌نامند. نیروهای جاذب بین ماده‌ی جذب شونده و ماده‌ی جاذب شامل پیوندهای شیمیایی ضعیف‌ می‌باشند. ماده‌ی جذب‌شده می‌تواند با افزایش دما یا کاهش فشار جزئی ترکیبات درون فاز گاز آزاد شود. زمانی که ترکیبات جذب‌شده به‌صورت شیمیایی با جامد واکنش می‌دهند، عملیات شیمیاجذب نامیده می‌شود و عملیات دفع به‌صورت کلی غیرممکن می‌شود.
نفوذ غشایینفوذ غشایی یک فن‌آوری تقریباً جدید درزمینه‌ی خالص‌سازی گاز می‌باشد. در این فرآیند، غشاهای پلیمری، گازها را به‌وسیله‌ی نفوذ انتخابی یک یا چند ترکیب از یک سمت غشا به سمت دیگر جدا می‌کنند. ترکیبات در یک‌طرف سطح پلیمر حل می‌شوند و از میان پلیمر عبور می‌کنند و باعث ایجاد گرادیان غلظت می‌شوند. گرادیان غلظت به‌وسیله‌ی فشار جزئی بالای ترکیبات کلیدی درون گاز روی یک‌طرف مانع غشایی و فشار پایین در طرف دیگر حفظ می‌شود.
تبدیل شیمیایییک عملیات بنیادین در گستره‌ی وسیعی از فرآیندها، شامل واکنش‌های فاز گازی کاتالیستی و نانوکاتالیستی و واکنش ترکیبات فاز گاز با جامدها می‌باشد. واکنش گونه‌های گازی با مایعات و ذرات معلق درون مایع، حالت ویژه‌ای از جذب در نظر گرفته می‌شود.
مایع سازیبه‌عنوان ابزار خالص‌سازی گاز عمدتاً برای حذف ترکیبات آلی فرار از گازهای خروجی موردنظر می‌باشد. فرآیند شامل دو مرحله میباشد، ابتدا سردسازی ساده جریان گاز به دمایی که در آن ترکیبات آلی دارای فشار بخار پایین مناسب هستند و سپس جمع‌آوری میعانات.
تبدیل زیستیفن‌آوری زیستی، اقتصادی‌ترین روش می‌باشد و روش‌های خوش‌خیم زیستی را برای کنترل آلودگی گاز زمانی که با حذف آلاینده‌های سمی و بدبو از جریان‌های گازی صنایع و شهری سرکار باشد پیشنهاد می‌دهد. روش‌های زیستی برای حذف ترکیبات زیست تخریب پذیر بودار و آلاینده‌های کربن آلی فرار ، مؤثر و اقتصادی است. در این روش چندین گروه از میکروارگانیزم‌ها، به‌صورت عمده گونه‌های باکتریایی، مسئول تجزیه‌ی زیستی آلاینده‌های گاز در زیست رآکتورها می‌باشند[6]. ناخالصی‌های بنیادین گاز در جدول 1-1 آورده شده است.
جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ جدول * ARABIC s 1 1: ناخالصی‌های بنیادین فاز بخارسولفید هیدروژن
دی‌اکسید کربن
بخارآب
اکسیدهای گوگرد
اکسیدهای نیتروژن
ترکیبات آلی فرار
ترکیبات کلردار فرار ترکیبات فلوئور دار فرار
ترکیبات نیتروژنی مبنا
منواکسید کربن
سولفید کربونیل
دی سولفید کربن
ترکیبات گوگردی آلی
سیانید هیدروژن
فنآوریهای حذف سولفید هیدروژنانتخاب فرآیند بهینه برای حذف هر یک یا ترکیبی از ناخالصی‌های ذکرشده آسان نیست. در بیشتر موارد، خالص‌سازی مطلوب گاز می‌تواند با چندین فرآیند متفاوت کامل شود. تعیین اینکه کدام‌یک برای دسته‌ی خاصی از شرایط بهترین است نیازمند تحلیل با جزئیات از عملکرد و هزینه می‌باشد. اگرچه یک گزینش اولیه می‌تواند برای بیشتر ناخالصی‌های معمول به‌وسیله‌ی راهنمای عمومی ذکرشده‌ی زیر صورت گیرد.
سولفید هیدروژنگاز ترش گاز طبیعی شامل سولفید هیدروژن می‌باشد. ترکیبی که شامل یک اتم گوگرد و دو اتم هیدروژن است. سولفید هیدروژن قابل اشتعال می‌باشد. دارای بوی تخم‌مرغ گندیده است که در غلظت‌های بالا برای انسان‌ها و حیوانات سمی است.
در دمای اتاق و فشار جوی، سولفید هیدروژن به صورت گاز می‌باشد. سولفید هیدروژن اسید ضعیفی است که به بیسولفید (HS-) و سولفید(S2-) تفکیک می‌شود. مقدار ثابت تفکیک برای آن‌ها به ترتیب در دمای اتاق (oC 25) 9/6 و 92/12 می‌باشد[7]. اصطلاح سولفید برای هر دو گونه بکار می‌رود. گاز سولفید حتی در غلظت‌های کم سمی می‌باشد. سمیت سولفید هیدروژن برای انسان در جدول 2-1 به‌صورت کامل ذکر ‌شده است.
جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ جدول * ARABIC s 1 2: اثرات سلامتی مربوط به رهاسازی گاز سولفید هیدروژنسولفیدهیدروژن (ppm) اثرات سلامتی
1 بوی تخم‌مرغ گندیده، مظالم‌های بویی.
10 حد در معرض تماس شغلی برای 8 ساعت (USA).
20 نیازمند دستگاه ذخیره‌ی کامل اکسیژن.
100 ممکن است باعث سردرد/ حالت تهوع، از دست دادن حس بویایی در مدت‌زمان 2 الی 15 دقیقه شود.
200 از دست دادن سریع حس بویایی، سوزش چشم و گلو درد.
500 از دست دادن هوشیاری و تعادل، ایست تنفسی در مدت‌زمان 200 دقیقه.
700 بیهوشی سریع، حملات ناگهانی (غش کردن).
مقدار بیشینه غلظت مجاز در شرایط کار برای سولفید هیدروژن ppm 6/1 در هلند و ppm 10 (متوسط گیری شده بر اساس زمان) برای ایالات‌متحده می‌باشد[8]. سولفید هیدروژن در سطح‌های بالاتر از ppm 70 به‌شدت خطرناک‌تر است و در ppm 600 کشنده می‌باشد. سولفید هیدروژن همچنین گازی خورنده است. با ترکیبی از خوردگی و تنش، استیل‌های خط لوله در پی تماس با سولفید ممکن است بشکنند[9]. بنابراین معیارهای خط لوله برای انتقال گاز طبیعی، غلظت‌های سولفید هیدروژن را به سطوح پایین، معمولاً ppmv 4 محدود می‌کنند. به دلیل اثرات خوردگی و تشکیل دی‌اکسید سولفید، استفاده از زیست‌گاز در موتورهای توانی به غلظت‌های سولفید هیدروژن حوالی 100 تا ppmv 200 محدودشده است. فرآیندهای حذف سولفید هیدروژن را می‌تواند در هفت نوع در جدول 1-3 نشان داد[5و6].
جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ جدول * ARABIC s 1 3: راهبردهای انتخاب فرآیند برای حذف سولفید هیدروژن[6].نوع فرآیند اندازه‌ی تأسیسات ظرفیت گوگرد
جذب درون محلول قلیایی زیاد زیاد
جذب فیزیکی زیاد زیاد
جذب/ اکسایش زیاد کم
نفوذ غشایی کم کم
جذب سطحی کم کم
حذف زیستی کم کم
آمینهای قلیایی برای حذف سولفید هیدروژنآمین‌هایی که ازنظر تجاری برای حذف گازترش از گاز طبیعی مدنظر می‌باشند، منو اتانول آمین، دی اتانول آمین و متیل دی اتانول آمین می‌باشند. تری اتانول آمین به علت ظرفیت پایینش (ناشی از وزن اکی والانی بالا)، واکنش‌پذیری پایینش (به‌عنوان آمین نوع سوم) و پایداری پایین آن، جایگذین شده است.
فرمول ساختاری برای آمین‌های قلیایی در شکل 1-1 نشان داده‌شده است. هرکدام حداقل دارای یک گروه هیدروکسیل و یک گروه آمینی می‌باشد. به‌صورت کلی، این نکته که گروه هیدروکسیل به‌عنوان کاهنده‌ی فشار بخار و افزاینده‌ی حلالیت در آب عمل می‌کند می‌تواند در نظر گرفته شود. درحالی‌که گروه آمینی قلیاییت لازم در محلول‌های آبی را ایجاد می‌کند تا گازهای اسیدی جذب شوند. آمین‌هایی که داری دو اتم هیدروژن می‌باشند که مستقیماً به اتم نیتروژن متصل شده‌اند، مانند منو اتانول آمین و 2- (2-آمینو اتوکسی) اتانول، آمین‌های نوع اول نامیده می‌شوند و عموماً قلیایی‌ترین می‌باشند. دی اتانول آمین و دی ایزوپروپانول آمین دارای یک اتم هیدروژن می‌باشند که مستقیماً به اتم نیتروژن متصل می‌باشند و آمین نوع دوم نامیده می‌شوند.
تری اتانول آمین و متیل دی اتانول آمین نشان می‌دهند که مولکول آمونیاک به‌صورت کامل بدون اتم‌های هیدروژن متصل به نیتروژن جایگزین شده و آمین نوع سوم نامیده می‌شوند. واکنش‌های بنیادینی که هنگام استفاده‌ی آمین‌های نوع اول، مانند منو اتانول آمین، برای جذب سولفید هیدروژن صورت می‌گیرد در زیر نشان داده‌شده است:
واکنش تجزیه‌ی یونی آب:
(1-1) 2H2O ↔ OH- + H3O+
واکنش تجزیه‌ی یونی سولفید هیدروژن:
(1-2) H2S + H2O ↔ HS- + H3O+
(پ)
(ب)
(ت)
(ج)
(ث)
(الف)

شکل STYLEREF 1 s ‏1 SEQ شکل * ARABIC s 1 1 فرمول ساختاری آمینهای استفاده شده در تصفیهی گاز. (الف) منواتانول آمین، (ب) دی اتانول آمین، (پ) تری اتانول آمین، (ت) متیل دی اتانول آمین، (ث) دی ایزوپروپانول آمین، (ج) 2-(2-آمینواتوکسی) اتانول.واکنش آبکافت و تجزیه‌یونی دی‌اکسید کربن محلول:
(1-3) CO2 + 2H2O ↔ HCO3- + H3O+
واکنش پروتون دهی به آمین قلیایی:
(1-4) RNH2 + H3O+ ↔ RNH3+ + H2O
واکنش تشکیل کاربامات:
(1-5) CO2 + RNH2 + H2O ↔ RNHCOO- + H3O+
واکنش‌های 1-1 تا 1-5 برای گونه‌های بنیادین موجود در محلول قلیایی آبی تصفیه آمین در نظر گرفته میشوند. این‌گونه‌ها مولکول‌های تفکیک یونی نشده آب، سولفید هیدروژن، دی‌اکسید کربن و آمین نوع اول و همچنین یون‌های هیدرونیوم، هیدروکسید، سولفید، بیکربنات، یون آمین نوع اول و استات آمین نوع اول می‌باشد.
غلظت‌های تعادلی سولفید هیدروژن و دی‌اکسید کربن در محلول متناسب با فشارهای بخار جزئی آن‌ها در فاز گاز می‌باشد. بنابراین واکنش‌های 1-2 ، 1-3 و 1-5 با افزایش فشار جزئی گاز اسیدی به راست رانده می‌شوند. تعادل واکنش همچنین به دما حساس می‌باشد. با افزایش دما فشار بخار گازهای اسیدی جذب‌شده به‌سرعت افزایش میابد. بنابراین با به‌کارگیری حرارت می‌تواند گازهای جذب‌شده را از محلول‌های آمین به‌سرعت دفع کرد.
مهم‌ترین فرآیند گوگردزدایی گاز، فرایند کلوس می‌باشد، که گوگرد عنصری از سولفید هیدروژن جذب‌شده باز فرآوری می‌شود.
فنآوری کلوسفن‌آوری کلوس به دو مرحله فرآیندی، حرارتی و کاتالیستی تقسیم می‌شود.
مرحلهی حرارتی
در مرحله‌ی حرارتی، گاز غنی از سولفید هیدروژن در یک احتراق کمتر از موازنهی استوکیومتری، در دمایی بالاتر از oC 850 آن‌چنان‌که ذرات گوگرد عنصری در سردکننده گاز فرآیند جریان پایین‌دستی ته‌نشین می‌شوند واکنش می‌دهد.
غلظت‌های سولفید هیدروژن و ترکیبات قابل‌احتراق دیگر (هیدروکربن‌ها و آمونیاک)، اینکه گاز خوراک در کدامین نقطه سوزانده شوند را تعیین می‌کند. گاز کلوس (گازترش) بدون محتویات قابل اشتعال صرف‌نظر از سولفید هیدروژن در لنسهای اطراف صدا خفه کن‌های مرکزی به‌وسیله‌ی واکنش زیر سوزانده می‌شود:
(1-6) 2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O
این واکنش به‌شدت گرمازا، بدون شعله و اکسایش کامل سولفید هیدروژن، تولیدکننده‌ی دی‌اکسید گوگرد که در واکنش‌های بعدی خارج می‌شود است. مهم‌ترین این واکنش‌ها واکنش کلوس می‌باشد:
(1-7) 2H2S + SO2 → 3S + 2H2O
واکنش کلی به‌صورت زیر می‌باشد:
(1-8) 10H2S + 5O2 → 2H2S + SO2 + 7/2 S2 + 8H2O
واکنش فوق نشان می‌دهد در مرحله‌ی حرارتی تنها دوسوم سولفید هیدروژن به گوگرد تبدیل می‌شود.
جداسازی فرآیندهای احتراق مقدار معینی از حجم هوای موردنیاز به‌عنوان تابعی از ترکیب گاز خوراک را تأیید می‌کند. به‌منظور کاهش حجم گاز فرآیند یا مشاهده‌ی دماهای احتراق بالاتر، هوای موردنیاز می‌تواند همچنین با تزریق اکسیژن خالص تأمین گردد. چندین فرآیند تغلیظ سازی اکسیژن با سطوح کم و سطوح بالا در صنعت در دسترس می‌باشد، که نیازمند استفاده‌ی سوزاننده‌های مخصوص در کوره‌ی واکنش برای گزینش این فرآیند می‌باشد.
معمولاً 60 تا 70 درصد مقدار کل گوگرد عنصری تولیدشده در این فرآیند در مرحله‌ی حرارتی فرآیند دیده می‌شود.
قسمت اصلی گاز داغ از اتاقک احتراق از میان لوله سردکننده‌ی گاز فرآیند جریان میابد و طوری سرد می‌شود که گوگرد تشکیل‌شده در مرحله‌ی فرآیند متراکم (مایع) می‌شود. حرارتی که به‌وسیله‌ی گاز فرآیند خارج می‌شود و حرارت میعان سازی آزادشده برای تولید محیط یا جریان کم‌فشار بکار گرفته می‌شود. گوگرد مایع‌شده در بخش خروجی گاز سردکننده‌ی گاز فرآیند خارج می‌شود.
بخش کوچکی از گاز فرآیند می‌تواند از میان یک مسیر فرعی درون سردکننده‌ی گاز فرآیند خارج شود. این جریان فرعی داغ به گاز فرآیند سرد از طریق یک شیر سه‌طرفه برای تنظیم دمای ورودی موردنیاز برای رآکتور اول اضافه می‌شود.
گوگرد تشکیل‌شده در مرحلهی حرارتی به‌عنوان دیرادیکال فعال S2 به‌صورت گسترده ترکیب می‌شود و دگرشکل S8 را می‌دهد:
(1-9) 4S2 → S8
مرحلهی کاتالیستی
واکنش کلوس در مرحله‌ی کاتالیستی با اکسید آلومینیوم (III) یا تیتانیوم (IV) فعال‌شده، ادامه میابد و به‌منظور افزایش بازده گوگرد صورت می‌گیرد. سولفید هیدروژن بیشتر با دی‌اکسید گوگرد تشکیل‌شده در طول احتراق درون کوره‌ی احتراق از طریق واکنش کلوس واکنش می‌دهد و منجر به گوگرد عنصری در حالت گازی می‌شود.
(1-10) 2H2S + SO2 → 3S + 2H2O
این گوگرد می‌تواند S6، S7، S8 یا S9 باشد.
مرحله‌ی باز فرآوری کاتالیستی گوگرد شامل سه زیر مرحله می‌باشد: حرارتی، واکنش کاتالیستی و سردسازی به همراه مایع سازی می‌باشد. این سه مرحله حداکثر سه دفعه تکرار می‌شوند. جایی که یک واحد سوزاننده یا تصفیه گاز باقیمانده در انتهای واحد کلوس اضافه‌شده است، تنها دو مرحله‌ی کاتالیستی معمولاً نصب می‌شوند. اولین مرحله‌ی فرآیند در مرحله‌ی کاتالیستی فرآیند حرارتی گاز می‌باشد. جلوگیری از مایع سازی گوگرد در بستر کاتالیست ضرورت دارد، که منجر به گرفتگی کاتالیست می‌شود. دمای عملیاتی موردنیاز بستر در مراحل کاتالیستی منفرد به‌وسیله‌ی گرمایش گاز فرآیند در یک باز گرمایی تا رسیدن به دمای بستر دلخواه صورت می‌گیرد.
دمای عملیاتی معمول پیشنهادشده اولین مرحله‌ی کاتالیستی oC 315 تا oC 330 (دمای بستر پایینی) می‌باشد. دمای بالا در مرحله‌ی اول همچنین به هیدرولیز COS و دی سولفید کربن، که در کوره تشکیل می‌شوند و غیرازاین در فرآیند کلوس بهینه‌شده تبدیل نمی‌شوند کمک می‌کند.
تبدیل کاتالیستی در دماهای پایین‌تر بیشینه شده، اما برای اطمینان از اینکه هر بستر بالای نقطه‌ی شبنم گوگرد کار کند مراقبت باید به عمل آید. دماهای عملیاتی مراحل کاتالیستی بعدی معمولاً oC 240 برای مرحله‌ی دوم و oC 200 برای مرحله‌ی سوم (دماهای بستر پایین) می‌باشد.
در میعان کننده‌ی گوگرد، گاز فرآیند آمده از رآکتور کاتالیستی بین دمای oC 150 تا oC 130 سرد می‌شود. حرارت میعان سازی برای تولید بخار در طرف پوسته‌ی چگالنده استفاده می‌شود.
قبل از ذخیره‌سازی، جریان گوگرد مایع از سردکننده‌ی گاز فرآیند، چگالنده‌های گوگرد و از جداکننده‌ی گوگرد نهایی به واحد گاز زدایی رانده می‌شوند، جایی که گاز (عمدتاً سولفید هیدروژن) حل‌شده در گوگرد حذف می‌شود.
گاز باقیمانده از فرآیند کلوس هنوز شامل ترکیبات قابل اشتعال و ترکیبات گوگردی (سولفید هیدروژن، هیدروژن و منواکسید کربن) می‌باشد که در یک واحد سوزاننده یا در یک واحد تصفیه گاز باقیمانده پایین‌دستی برای گوگردزدایی بیشتر سوزانده می‌شود.
جذب فیزیکیروند گرایش به حلال‌های فیزیکی در سال 1960 با معرفی فرآیند حلال فلور شدت یافت، که با چندین فرآیند حلال فیزیکی دیگر دنبال شد. اخیراً بیشتر، رده جدیدی از فرآیند بر مبنای استفاده از جاذب‌های ترکیبی، شامل هر دو حلال فیزیکی و شیمیایی، تجاری شده است. لیستی از حلال فیزیکی عمده فرآیندهای خالص‌سازی گاز که پیشنهادشده یا اخیراً می‌شود برای استفاده‌ی تجاری و حلال‌های استفاده‌شده به‌وسیله‌ی هرکدام در جدول 1-4 نشان داده‌شده است. یک مطالعه‌ی گزینشی به‌منظور بهینه‌سازی فرآیندهای حلال فیزیکی برای خالص‌سازی گازها در فشارهای بالا به‌وسیله‌ی زاواکی ارائه‌شده است[10]. در این کار شمار زیادی از حلال‌های فیزیکی گزینش شد و بعداز انتخاب دو حلال (دی متیل اتر تترا اتیلن گلیکل و ان-فرملی مرفولین)، شماتیک فرآیند برای کاربردهای متنوع ارائه شد. یک پارامتر کلیدی در گزینش حلال‌های ممکن، حلالیت ناخالصی‌های گازی که جذب‌شده‌ می‌باشد. روشهای ارزیابی حلالیت‌ گازها در حلال‌های قطبی استفاده‌شده به‌عنوان حلال‌های فیزیکی به‌وسیله‌ی اگلون [11] و سوینی [12] توصیف شد. مؤلف‌های بعدی فنی ارائه دادند که به‌صورت ویژه برای ارزیابی یک سری از حلال‌هایی که به‌صورت عملکردی مرتبط می‌باشند ارائه دادند. نیاز به آزمایش حذف نشده است، اما به‌شدت کاهش یافت.
به ساده‌ترین شکل، فرآیندهای حلال فیزیکی نیازمند کمی بیشتر از یک جاذب، مخزن تبخیرآنی در فشار جوی و یک پمپ برگشتی می‌باشند. بخار یا منبع حرارتی دیگری موردنیاز نیست. بعدازاینکه گازهای جذب‌شده از محلول به‌وسیله‌ی تبخیرآنی در فشار جوی دفع شدند، محلول فقیر شامل مقداری گاز اسیدی در تعادل در فشار یک اتمسفر فشار جزئی گاز می‌باشد. این، کمترین فشار جزئی تئوری گاز اسیدی در جریان گاز تصفیه‌شده را نشان می‌دهد. برای مشاهده‌ی درجه‌ی بیشتری از خالص‌سازی، خلأ، دفع گاز بی‌اثر یا حرارت دادن به حلال باید بکار گرفته شود. این امر منجر به دمای نسبتاً پایین از عملیات و علاوه براین بهبود اقتصادی فرآیند می‌شود.
جذب-اکسایشفرآیندهای جذب و اکسایش سولفید هیدروژن و تبدیل آن به گوگرد عنصری در یک سیستم مایع نسبت به چرخه‌های جذب-دفع گزینشپذیری بیشتری برای سولفید هیدروژن در حظور دی‌اکسید کربن دارند.
نسبت بالای دی‌اکسید کربن به سولفید هیدروژن در گاز خوراک به نوع فرآیند جذب-دفع معمول (برای مثال اتانول آمین) می‌تواند منجر به گاز اسیدی شود که در تأسیسات کلوس فرآیندش مشکل می‌باشد. گروه‌های عمده و فرآیندهای خاص در هر گروه در جدول 1-5 ارائه‌شده است. اولین نوع از این فرآیندها بر مبنای بازگردش محلول آمونیوم پلی تیونات که ازنظر تجاری موفق نبود، بوده است.
جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ جدول * ARABIC s 1 4: فرآیندهای حلال فیزیکینام فرآیند حلال اعطاکننده‌ی پروانه
Fluor Solvent Propylene carbonate (PC) Fluor Daniel
SELEXOL Propylene carbonate (PC)
Dimethyl ether of polyethylene glycol (DMPEG) Union Carbide
Sepasolv MPE Methyl isopropyl ether of polyethylene glycol (MPE) Badische (BASF)
Purisol N-Methyl-2-p yrrolidone (WP) Lurgi
Rectisol Methanol Lurgi and Linde AG
Ifpexol Methanol Institut Franqais du Pitrole (IFP)
Estasolvan Tributyl phosphate IFP/Uhde
Methylcyanoacetate Methylcyanoacetate Unocal

گام منطقی دیگر در توسعه‌ی فرآیندهای حذف سولفید هیدروژن به‌کارگیری اکسید آهن به شکل مایع می‌باشد. شیمی این نوع از فرآیندها بر اساس واکنش سولفید هیدروژن با یک ترکیب قلیایی، سدیم کربنات یا آمونیوم، به دنبال واکنش هیدروسولفید با اکسید آهن برای تشکل سولفید آهن می‌باشد.
بازیابی به‌وسیله‌ی تبدیل سولفید آهن به گوگرد عنصری و اکسید آهن به‌وسیله‌ی هوادهی صورت می‌گیرد. این بخش از چرخه شامل واکنش‌های مشابه همچون آن‌هایی که در خالص کننده‌های جعبه-خشک رخ می‌دهد می‌باشد. واکنش‌های زیر مکانیزم واکنش را نشان می‌دهند:
جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ جدول * ARABIC s 1 5: دسته‌بندی و حالت فرآیندهای جذب/ اکسایشنوع فرآیند نام فرآیند توسعه‌دهنده
Polythionate Koppers C.A.S. Koppers
Iron Oxide Ferrox
Gluud
Burkheiser
Manchester Sperr – Koppers
Gluud
Burkheiser
Manchester Gas
Iron-cyanide Fischer FischerMueller
Thioarsenate Thylox
Giammarco- Vetrocoke Gollmar- Koppers
Giammarco- Vetrocoke
Naphtho-quinones and/or vanadium Perox
Takaha
stretford
Hiperion
Sulfolin
Unisulf h P P Koppers
Tokyo Gas Co., LTD
NicklidBritish Gas
HasebeRJltrasy s--s
WeberRhde AG
Unocal
Iron-chelate Cataban
LO-CAT
Sulfmt
SulFerox Rhodia Inc.
U.S. Filter Engineered Sys--s
Integral Eng.
Shell/Dow Chemical
Sulfur dioxide Townsend
IFP Clauspol1500
Wiewiorowski
UCBSRP Steams-Roge
IFP
Freeport Sulfur
UCB
(1-11) H2S + Na2CO3 ↔ NaHS + NaHCO3
(1-12) Fe2O3.3H2O + 3NaHS + 3NaHCO3 ↔ Fe2S3.3H2O + 3 Na2CO3 + 3H2O
(1-13) Fe2O3.3H2O + 3O2 ↔ 2Fe2S3.3H2O + 6S
نفوذ غشاییفن‌آوری غشا، نظر به اینکه برای گاز بکار گرفته می‌شود، شامل جداسازی ترکیبات منفرد بر مبنای تفاوت در نرخ‌های نفوذ آن‌ها از میان مانع غشایی نازک می‌باشد. نرخ نفوذ برای هر جز به‌وسیله‌ی خصوصیات جز، خصوصیات غشا و تفاوت فشار جزئی ترکیبات گازی در میان غشا می‌باشد. چون جداسازی بر مبنای تفاوت در نرخ‌های نفوذ بجای مانعی مطلق برای یک جز می‌باشد، ترکیب بازیاب شده که از میان غشا نفوذ می‌کند 100 درصد خالص نمی‌باشد. همچنین، یک تفاوت فشار جزئی به‌عنوان نیروی محرک موردنیاز می‌باشد. بخشی از جز نفوذی در گاز باقی می‌ماند، و بازیابی 100 درصد صورت نمیگیرد.
این فرآیند به‌صورت خاص برای عملیات حذف توده‌ای بجای حذف ناخالصی‌ها به‌صورت ناچیز از جریان‌های گازی می‌باشد. این نکته باید تذکر داده شود که، بازیابی بالا با سیستم‌های غشایی (همراه با افزایش هزینه) به‌وسیله‌ی استفاده از سیستم‌های چندمرحله‌ای و بازگشتی یا زمانی که به‌صورت ترکیبی با دیگر فن‌آوری‌ها استفاده می‌شود، همراه می‌باشد.
به‌صورت کلی توافق شده که مکانیزم محلول – نفوذ حاکم بر انتقال گازها از میان غشاهای منفذدار مهم تجاری می‌باشد. مکانیزم شامل موارد زیر می‌باشد:
(الف) جذب گاز در یک‌طرف غشا (ب) انحلال گاز درون غشا (ت) نفوذ گاز از میان غشا (ث) آزادسازی گاز از محلول در طرف مخالف (ج) و دفع گاز از سطح می‌باشد. چون این مراحل ضرورتاً مستقل نمی‌باشند، اصطلاح نفوذ برای انتقال کلی گازها از میان یک غشا استفاده می‌شود.
یکی از بهترین غشاها برای حذف سولفید از گاز طبیعی استات سلولز می‌باشد. ضریب جداسازی برای سولفید هیدروژن و متان (نسبت نفوذپذیری سولفید هیدروژن به متان) بین 40 تا 60 می‌باشد.
جذب سطحیترکیبات قطبی، مانند آب، دی‌اکسید کربن، سولفید هیدروژن، دی‌اکسید گوگرد، آمونیاک، سولفید کربونیل و مرکاپتان‌ها به‌شدت جذب سطحی می‌شوند و می‌توانند به‌سرعت از سیستم‌های غیر قطبی همچون گاز یا هیدروژن جدا شوند.
حذف سولفید هیدروژن از گازها به‌وسیله‌ی ترکیبات اکسید آهن در ایالات‌متحده به‌صورت کامل در صنایع گاز تولیدی شناخته‌شده می‌باشد. در این فرآیند سولفید هیدروژن با اکسید آهن برای تشکیل سولفید آهن و آب واکنش می‌دهد.
حذف زیستیدر تصفیه زیستی چندین گونه‌ی باکتری برای تبدیل ترکیبات گوگردی به شکل غیر سمی آن مانند سولفات و یا ذرات گوگرد استفاده می‌شود.
مهندسی فرآیند خالص‌سازی زیستی گاز در انتخاب و عملیات با هدف نهایی اطمینان یابی از انتقال جرم و زیست‌تخریب‌پذیری یک یا چند آلاینده در جریان گاز می‌باشد. در بعضی موارد خاص، میکروارگانیزم‌ها یک ماده خوراکی خاص مانند گلوکز، اتانول و... را مورداستفاده قرار می‌دهند، همچنین می‌توانند دیگر آلاینده‌ها را اکسید کنند. مقدار خالص‌سازی زیستی گاز که می‌تواند صورت گیرد عمدتاً با شاخصه‌های فیزیک شیمیایی آلاینده‌ها، توانایی فیزیولوژی و بوم‌شناسی ذاتی میکروارگانیزم‌ها و شرایط عملیاتی و محیط‌زیستی تعیین می‌شود[13].
زمانی که فن‌آوری رآکتور زیستی انتخاب می‌شود، تمرکز بر روی عملیات و تجهیزات موردنیاز برای کنترل کردن، به‌منظور حصول اطمینان از محیط فیزیکی و شیمیایی بهینه برای انتقال جرم و تجزیه زیستی، برای رسیدن به بیشینه بازده‌ی حذف آلاینده‌ها است.
فنآوری های خالصسازی زیستی گاز
فن‌آوری خالص‌سازی زیستی گاز شامل رآکتورهای زیستی شناخته‌شده همچون زیست فیلترها، زیست فیلترهای چکه‌ای، زیست شوینده‌ها و زیست رآکتورهای غشایی است. حالت تمام این رآکتورها یکسان است. هوای شامل ترکیبات آلاینده از میان زیست رآکتور عبور داده می‌شود، به‌طوری‌که ترکیب آلاینده از فاز گاز به فاز مایع انتقال میابد. میکروارگانیزم‌ها ازجمله باکتری‌ها و قارچ‌ها که در فاز مایع رشد می‌کنند در حذف ترکیبات آلایندهی گاز شرکت می‌کنند.
میکروارگانیزم‌های مربوط به حذف زیستی معمولاً به‌صورت مخلوطی از ارگانیزم‌ها رشد می‌کنند. این مخلوط شامل باکتری، قارچ و تکیاختهها است و اغلب جامعه‌ی میکروبی نامیده می‌شود. میکروارگانیزم‌هایی که در لایه‌ای نازک سازماندهی‌شده‌اند زیست لایه نامیده می‌شوند. آلاینده‌ی آلی معمولاً به‌عنوان منبع کربنی برای میکروارگانیزم عمل می‌کنند. میکروارگانیزم‌ها همچنین به مواد مغذی ضروری و عامل‌های رشد برای عملکرد و تولید سلول‌های جدید نیاز دارند. این مواد شامل نیتروژن، فسفر، گوگرد، ویتامین‌ها و فلزات با مقدار ناچیز می‌باشند. اغلب این مواد مغذی و عامل‌های رشد در گاز وجود ندارند و به‌صورت خارجی باید تأمین گردد.
چندین میکروارگانیزم قادر به اکسید سولفید هیدروژن در دماها و فشارهای محیط می‌باشند، و هردوی ارگانیزم‌های شیمی دوست و نور دوست برای کاربرد در سیستم زیست فن‌آوری حذف سولفید هیدروژن موردمطالعه قرارگرفته است[14]. باکتری‌های نور دوست عیب نیاز به نور و نیاز به سطح شفاف رآکتور، محلول‌های رآکتور شفاف و زمان ماند بالا را دارند. بنابراین باکتری‌های شیمی دوست (به‌صورت ویژه تیوباسیلوسهای شیمی مستقیم دوست) نوعی از باکتری‌هایی هستند که مورد مطالعه قرارگرفته‌اند و به‌صورت گسترده در فرآیندهای حذف سولفید هیدروژن استفاده می‌شوند.
جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ جدول * ARABIC s 1 6: ویژگیهای باکتری‌های اکسیدکننده‌ی گوگرد.Organism Energy Carbon
Sulfur
globules Optimum pH of growth
Chlorobiaceae phototrophic autotrophic extracellular -
Thiobacillus thioparus chemotrophic autotrophic extracellular 6−8
Thiobacillus denitrificans chemotrophic autotrophic extracellular 6−8
Thiobacillus denitrificans chemotrophic autotrophic extracellular 6−8
Thiobacillus sp. W5 chemotrophic autotrophic extracellular 7−9
Allochromatium vinosum phototrophic mixotrophic intracellular 7.5
Halorhodospira abdelmalekii phototrophic mixotrophic extracellular 8.4
Beggiatoa alba chemotrophic mixotrophic intracellular Acidithiobacillus thiooxidans chemotrophic autotrophic extracellular 2−4
Acidithiobacillus ferrooxidans chemotrophic mixotrophic extracellular 2−4
Thioalkalivibrio denitrificans chemotrophic autotrophic extracellular 7.5−10.5
Xanthomonas chemotrophic heterotrophic 7
Oscillatoria limnetica phototrophic autotrophic extracellular 6.8
در جدول 1-6 شماری از باکتری‌های اکسیدکننده‌ی ترکیبات گوگردی با بعضی از ویژگی‌های متمایزشان گردآوری‌شده‌اند. باکتری‌های متفاوت از خانواده‌ی باکتری یکسان می‌توانند ویژگی‌های متفاوتی داشته باشند. هر خانواده شامل گستره وسیعی از اجداد و سویه‌ها می‌باشد که می‌توانند اساساً در ظرفیت‌های اکسید – گوگرد یا دیگر ویژگی‌ها متفاوت باشند. مهم‌ترین ویژگی در تقسیم سازی باکتری‌های گوگردی تفاوت بین نور دوست بودن و شیمی دوست بودن باکتری‌های گوگردی می‌باشد[15].
باکتریهای نور دوست
باکتری‌های نور دوست (بنفش یا سبز)، نور را به‌عنوان منبع انرژی برای کاهش دی‌اکسید کربن به کربوهیدرات‌ها استفاده می‌کنند. ترکیبات گوگردی کاهش‌یافته به‌عنوان یک الکترون دهنده برای این کاهش، که تحت شرایط بی‌هوازی صورت میگیرد استفاده می‌شنود. واکنش‌های اکسایش سولفید به گوگرد و سولفات به‌وسیله‌ی باکتری‌های نور دوست واکنش‌های ون نیل نامیده می‌شوند[16].
(1-14) 2H2S + CO2 نور CH2O + H2O + 2S0
(1-15) H2S + 2CO2 + 2H2O نور 2CH2O + 2H2SO4
اولین واکنش ون نیل، یک واکنش موازی با فتوسنتز در گیاهان میباشد به‌طوری‌که در واکنش 1-16 نشان داده‌شده است[16].
(1-16) H2O + CO2 نور CH2O + O2
در حقیقت، سیانوباکترها قادر به پیش بردن هر دو مسیر فتوسنتز می‌باشند، که قرار دادن آن‌ها در گروه گیاهان یا باکتری‌ها را مشکل می‌سازد[17].
باکتری های گوگردی شیمی دوست
باکتری‌های گوگردی شیمی دوست (بی‌رنگ) انرژی موردنیاز را از اکسایش هوازی شیمیایی ترکیبات گوگردی کاهش‌یافته میابند. در خصوص اکسایش سولفید، واکنش‌های کلی صورت گرفته واکنش‌های تشکیل گوگرد (در غلظت‌های کم گوگرد) و واکنش‌های تشکیل سولفات (در غلظت‌های اضافی اکسیژن) بر اساس واکنش‌های زیر می‌باشند:
(1-17) H2S + O2 → 2S0 + 2H2O
(1-18) H2S + 2O2 → H2SO4
باکتری‌های شیمی مستقیم دوست نوعی از باکتری‌های اکسیدکننده‌ی گوگرد می‌باشند که موردمطالعه قرارگرفته و بیشتر در فرآیندهای حذف سولفید هیدروژن استفاده‌شده‌اند. استفاده از گونه‌های تیوباسیلوس به‌صورت فزآینده‌ای موردمطالعه قرار گرفت زیرا تولید گوگرد از سولفید مزایایی متفاوت بر تولید سولفات دارد. اولاً، دیده‌شده که گوگرد عنصری ضرر کمتری نسبت به سولفات دارد. دوماً، جداسازی گوگرد نامحلول از جریان‌های آبی از جداسازی سولفات راحت‌تر می‌باشد و سوم اکسیژن کمتری برای اکسایش موردنیاز می‌باشد، که در هزینه‌ی انرژی برای هوادهی صرفه‌جویی می‌شود. علاوه بر این موارد، یون‌های هیدروکسید که در طول جذب سولفید هیدروژن مصرف‌شده‌اند زمانی که گوگرد تولید می‌شود بازیابی می‌شوند. این ویژگی هزینه‌ی افزودن یون هیدروکسید به سیستم را کاهش می‌دهد. تشکیل سولفات انرژی بیشتری نسبت به تشکیل گوگرد تولید می‌کند. برای افزایش تشکیل گوگرد، غلظت اکسیژن باید محدود شود[18].
انواع زیست رآکتورهای حذف سولفید هیدروژن از گاز
حذف سولفید هیدروژن از جریان‌های گازی به‌وسیله‌ی میکروارگانیزم‌ها در رآکتورهای گوناگونی صورت می‌گیرد که در جدول 1-7 ذکرشده‌اند.
جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ جدول * ARABIC s 1 7: دسته‌بندی رآکتورهای زیستیBiomass Liquid Phase Bioreactor
Fixed on a support Stationary Biofilter
Fixed on a support Flowing Biotrickling filter
Suspended Flowing Bioscrubber
تفاوت‌های بنیادینی میان چهار نوع رآکتور بیان‌شده وجود دارد. رآکتورها از جهت آن که میکروارگانیزم‌ها میان فاز مایع رآکتور (ثابت یا متحرک) ثابت یا پخش‌شده باشند تغییر می‌کنند. فاز مایع به‌صورت قابل‌توجه بر روی ویژگی‌های انتقال جرم سیستم تأثیر می‌گذارد. توصیف کوتاهی از چهار نوع زیست رآکتوری که برای خالص‌سازی زیستی گاز در حال حاضر استفاده می‌شوند در ادامه آمده است.
زیست فیلترها
در یک زیست فیلتر، گاز حاوی آلاینده از میان بستری از پرکن‌ها شامل مواد آلی عبور می‌کند. ترکیبات درون گاز به درون لایه‌ی زیستی که بر روی مواد فیلتری رشد می‌کند انتقال میابد. مواد مغذی ضروری برای رشد میکروارگانیزم‌ها به‌وسیله ترکیبات آلی تأمین می‌شود. بر روی زیست لایه، لایه‌ی نازکی از مایع قرار دارد. یک پارامتر کنترلی مهم، محتوای رطوبت کل جریان گاز می‌باشد که باید بین 40 تا 60 درصد باشد. برای جلوگیری از آب‌زدایی، گاز به‌صورت کلی قبل از ورود به زیست فیلتر رطوبت دهی می‌شود. اگر گاز شامل محتویات زیادی از ذرات جامد باشد (گاز یک هواویز باشد) یک فیلتر حذف هواویز می‌تواند قبل از مرحله رطوبت دهی نصب شود. این مرحله از مسدود شدن زیست فیلترها به‌وسیله‌ی ذرات جلوگیری می‌کند. در یک زیست فیلتر فعالیت میکروبی زیست لایه به‌وسیله‌ی غلظت میکروبی و شرایط محیط، مانند دما، در دسترس بودن مواد مغذی، pH و رطوبت تعیین می‌شود. رطوبت زیستغشا مادامی‌که فعالیت زیستی به‌شدت وابسته به فعالیت آبی است یکی از گام‌های بحرانی در حفظ عملکرد مناسب رآکتور می‌باشد. گرمای تولیدشده به‌وسیله‌ی واکنش زیستی و رطوبت گاز ورودی تعیین‌کننده‌ی آب مصرفی و نیاز به تجدید آب می‌باشد. برای حفظ عملکرد، گاز به‌صورت کلی پیش مرطوب‌سازی می‌شود و برای این کار زیست فیلتر یک پخش‌کننده‌ی آب متناوب دارد[6]. شکل 1-2 نمایی از این نوع زیست رآکتور را نشان میدهد.

شکل STYLEREF 1 s ‏1 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: شمایی از یک زیست فیلتر و تجهیزات مربوط به آن[19].زیست فیلتر چکهای
یک زیست فیلتر چکه‌ای مشابه یک زیست فیلتر می‌باشد. در اینجا نیز آلاینده‌ها از فاز گاز به یک زیست لایه که بر روی مواد پرکن رشد کرده‌اند انتقال میابند. اگرچه، مواد پرکن ممکن است از مواد شیمیایی بی‌اثر مانند حلقه‌های پلاستیکی ساخته شوند. چون مواد مغذی در این مواد حضور ندارند، مواد مغذی باید به‌وسیله‌ی بازچرخش کردن فاز مایع از میان رآکتور در یک جریان موازی یا ناموازی اعمال شوند(شکل 1-3).
زیست شویندهها
یک زیست شوینده شامل دو رآکتور می‌باشد. قسمت اول یک برج جذب، جایی که آلاینده‌ها به‌وسیله‌ی فاز مایع جذب می‌شوند است. این فاز مایع به رآکتور دوم می‌رود، که یک واحد لجن فعال می‌باشد، جایی که میکروارگانیزم‌ها در لخته‌های معلق درون آب رشد می‌کنند و آلاینده‌ها را تجزیه می‌کنند. خروجی این واحد بر روی برج جذب به‌صورت جریان موازی و یا غیر موازی با جریان گاز بازچرخش می‌شود.
در یک زیست شوینده، حذف آلاینده‌ها از جریان گاز، به‌صورت ویژه ترکیبات آلی فرار و غیر فرار، به دو راه مجزا یا همراه، ممکن می‌شود:
الف) انتقال و یا تغلیظ آلاینده‌ها از فاز گاز به درون فاز مایع (مرحله‌ی جذب)؛ این عملیات با فن‌آوری‌های متفاوت صورت می‌گیرد؛ یک برج خالی افشانه‌ای، یک ستون پرکن، و یا یک شوینده‌ی ونچوری. یک محلول آبی با pH اسیدی یا بازی عموماً برای مولکول‌های آب‌دوست استفاده می‌شود. از روغن سیلیکون در رآکتورهای چند فازی برای گرفتن مواد آب‌گریز استفاده می‌شود.
ب) تجزیه مولکول‌ها به‌وسیله میکروارگانیزم‌ها در یک رآکتور لجن فعال (مرحله‌ی زیست دگرسازی)؛ آلاینده‌هایی که از قبل به درون فاز مایع انتقال‌یافته‌اند، درون یک رآکتور زیستی تجزیه می‌شوند. هوا به درون سوسپانسیون لجن فعال برای ثابت نگه‌داشتن میزان مناسب غلظت اکسیژن تزریق می‌شود. سوسپانسیون باکتریایی معمولاً در یک حوضچه‌ی ته‌نشینی، ته‌نشین می‌شوند. آب در بالای برج گاز – مایع بازیاب می‌شود.

شکل STYLEREF 1 s ‏1 SEQ شکل * ARABIC s 1 3: شماتیکی از یک زیست فیلتر چکه‌ای و تجهیزات مربوط به آن[19].

شکل STYLEREF 1 s ‏1 SEQ شکل * ARABIC s 1 4 شماتیکی از یک زیست شوینده[19].درون یک زیست شوینده مطابق شکل 1-4 گاز آلاینده از میان یک جذب‌کننده جایی که سولفید هیدروژن از جریان گاز به‌وسیله‌ی یک محلول قلیایی مانند سود شسته می‌شود عبور می‌کند (واکنش‌های 1-19 و 1-20). سپس محلول قلیایی غنی از سولفید به درون یک زیست رآکتور جایی که سولفید محلول به گوگرد عنصری یا سولفات اکسید می‌شود فرستاده می‌شود (واکنش‌های 1-21 و 1-22). بخشی از گوگرد عنصری تشکیل‌شده از مایع به‌وسیله‌ی ته‌نشینی درون یک ته‌نشین کننده جداشده، درحالی‌که بخش دیگر به درون برج جذب همراه با مایع برگشتی برمی‌گردد[20]. برای جلوگیری از اکسایش سولفید به سولفات (واکنش 1-22)، که انرژی بیشتری برای باکتری‌ها نسبت به تشکیل گوگرد تولید می‌کند، شرایط اکسیژن محدود درون زیست راکتور بکار گرفته می‌شود.
(1-19) H2S(g) → H2S(aq)
(1-20) H2S(aq) + OH- → HS- + H2O
(1-21) HS- + 1/2O2 → S0 + OH-
(1-22) HS- + 2O2 → SO42- + H+
رآکتورهای زیست چکه‌ای و زیست فیلترها برای سولفید با ظرفیت پایین مناسب می‌باشند. در این فرآیندها، سولفات و نه گوگرد تولید می‌شود. در مورد حذف سولفید هیدروژن از گاز طبیعی، مقدار بیشتری از سولفید هیدروژن باید حذف شود. بنابراین، فرآیند زیست شوینده از دو فرآیند دیگر مناسب‌تر می‌باشد.
رآکتورهای خوراک-ناپیوسته
یک سلول زنده میکروبی، گیاهی و یا حیوانی، ضرورتاً یک رآکتور زیست‌شیمیایی در حال گسترش و در حال تقسیم است. به‌طوری‌که در آن شمار زیادی از واکنش‌های زیست‌شیمیایی آنزیم-کتالیستی اتفاق می‌افتد. کشت‌های میکروبی شامل سلول‌های زنده‌ی میکروبی است درحالی‌که کشت‌های بافتی شامل گیاهان زنده و یا سلول‌های حیوانی است. این کشت‌ها می‌توانند همچون رآکتورهای شیمیایی و زیست‌شیمیایی، در سه حالت عملیاتی سنتی؛ ناپیوسته، پیوسته و یا شبه – ناپیوسته (شبه-پیوسته) عمل کنند. در طول دهه‌های گذشته، رشد عظیمی در استفاده از رآکتورهای شبه – ناپیوسته در صنایع تخمیر، زیست فن‌آوری، شیمیایی و تصفیه – پسماند به دلیل رشد تقاضا برای تولیدات و مواد شیمیایی خاص و برخی از مزایای رآکتورهای نیمه‌پیوسته صورت گرفته است. فرآیندهای ناپیوسته و شبه – ناپیوسته معمولاً به‌منظور به‌کارگیری در حجم پایین؛ مقدار بالای محصول مانند محصولات تخمیر، شامل اسیدهای آمینه و آنتی‌بیوتیک‌ها؛ بازترکیبی DNA محصولات و مواد شیمیایی خاص استفاده می‌شوند. به دلیل ارزش بالای این محصولات، سودآوری می‌تواند حتی با اصلاحات حداکثری در بازده و بهره‌وری شدیداً افزایش یابد. بنابراین انگیزه‌هایی برای بهینه کردن عملیات رآکتورهای ناپیوسته و شبه – ناپیوسته وجود دارد. در فرآیند یک رآکتور ناپیوسته یا شبه – ناپیوسته، هدف بیشینه کردن کمیتی می‌باشد که می‌توان در انتهای فرآیند به آن دست‌یافت، زمانی که مانند فرایند جداسازی و خالص‌سازی محتویات رآکتور برای فرآیند بیشتر برداشت می‌شوند. بنابراین، مسئله بهینه‌سازی نقطه‌ی پایانی تنها در انتها نه میانه نامیده می‌شود. در زیر انواع کشت به اختصار توضیح داده شده است.
کشت‌های ناپیوسته
در عملیات ناپیوسته تمام اجزای ضروری محیط و تلقیح در شروع و نه در طول دوره‌ی تخمیر افزوده می‌شوند. بنابراین، غلظت‌های آن‌ها کنترل نمی‌شوند اما اجازه داده می‌شود تا غلظتشان همزمان با جذبشان توسط سلول‌های زنده تغییر کنند.
کنترل‌های مبنایی برای pH، دما، اکسیژن محلول و کف در طول مسیر کشت ناپیوسته بکار گرفته می‌شود.
pH، میزان اکسیژن محلول و دما معمولاً در طول عملیات رآکتور ناپیوسته ثابت نگه‌داشته می‌شود. تنها پارامترهای بهینه‌سازی، ترکیبات محیط کشت می‌باشند. اگرچه، نمودارهای بهینه‌سازی دما و pH ممکن است منجر بهبود عملکرد کل عملیات صورت گرفته در دما و pH ثابت شوند.
کشت‌های پیوسته
در عملیات پیوسته، یک جریان یا بیشتر شامل مواد مغذی ضروری به‌صورت پیوسته خوراک داده می‌شوند، درحالی‌که جریان خروجی شامل سلول‌ها، محصولات و مواد باقی‌مانده به‌صورت پیوسته خارج می‌شود. یک حالت‌پایا با حفظ نرخ جریان حجمی یکسان برای خوراک و جریان‌های خروجی حاصل می‌شود. همچنین، حجم کشت ثابت نگه‌داشته می‌شود و تمام غلظت‌های مواد مغذی در سطحی از مقادیر حالت‌پایا ثابت می‌ماند. عملیات رآکتورهای پیوسته در صنایع شیمیایی متداول می‌باشند. به‌جز تولید پروتئین منفرد-سلول، تولید آبجو خاص و فرآیندهای تصفیه پسماندهای شهری، کشت‌های پیوسته به‌صورت گسترده در صنعت سازگار نشده است. کشت پیوسته حالت غالب در عملیات صنعتی به علت مشکل در حفظ استریل ماندن (آلودگی به‌وسیله ارگانیزم‌های دیگر) و محافظت کردن از حملات باکتری‌خوارها یا تغییر ژنتیکی نمی‌باشد. چون اغلب دیده‌شده عملیات حالت‌پایا نتایجی با بازده معدودتری از عملیات پویا به علت‌هایی که هنوز به‌طور کامل شناخته نشده‌اند دارند.
کشت‌های خوراک – ناپیوسته
یک کشت خوراک – ناپیوسته یک عملیات شبه – ناپیوسته می‌باشد که در آن مواد مغذی ضروری برای رشد سلول و تشکیل محصول به‌صورت متناوب یا پیوسته در مقابل یک یا بیشتر از جریان خوراک در طول عملیات ناپیوسته دیگر خوراک داده می‌شود. مایع کشت معمولاً تنها در پایان دوره عملیات، یا به‌صورت کامل و یا به‌صورت پاره‌ای (باقیمانده به‌عنوان مایع تلقیح عملیات بعدی) برداشت می‌شود.
این فرآیند اگر سلول‌ها کاملاً ارزشمند و مولد باشند ممکن است چندین بار تکرار شود. بنابراین، ممکن است یک یا چند جریان خوراک اما بدون جریان خروجی در طول عملیات وجود داشته باشد. منابع کربن، نیتروژن، فسفات، مواد مغذی، پیش مادها و یا محرک‌ها به‌صورت متناوب یا پیوسته به درون کشت به‌وسیله‌ی تنظیم نرخ‌های خوراک در طول اجرا داده می‌شوند. محصولات تنها در پایان فرآیند برداشت می‌شوند بنابراین، حجم کشت در طول عملیات افزایش میابد تا اینکه حجم کامل شود. از این رو حالت ناپیوسته عملیات برای رسیدن به نتایج نهایی استفاده می‌شود. بنابراین کشت خوراک – شبه ناپیوسته یک عملیات پویا می‌باشد. با تنظیم نرخ‌های جریان، غلظت‌های مواد مغذی محدودکننده در کشت می‌تواند برای حفظ در سطح ثابت و یا به دنباله‌ی یک پروفیل بهینه از پیش تعیین‌شود تا اینکه حجم کشت به یک بیشینه برسد، و سپس یک حالت ناپیوسته برای مهیاکردن تماس نهایی استفاده می‌شود. علاوه بر این کار، غلظت محصول دلخواه یا بازده تولید در پایان فرآیند بیشینه میشود. این نوع از عملیات برای اولین بار کشت خوراک – ناپیوسته یا تخمیر خوراک – ناپیوسته نامیده شد. همچنین به‌عنوان زولافورفارن در آلمان یا ریوکاو (حالت افزودن جریان) در ژاپن نامیده می‌شود. در مهندسی محیط‌زیست مربوط به پسماندهای سمی، این نوع از عملیات به‌عنوان عملیات پر و خالی یا رآکتورهای ناپیوسته متوالی شناخته‌شده است. در مهندسی زیست پزشکی، فرآیند تنفس درون و خارج شش به‌عنوان سوراخ و بالون نامیده می‌شود، زمانی که حجم شش افزایش میابد با نفس کشیدن و کاهش میابد هنگامی‌که عمل بازدم انجام می‌دهیم، یک‌شکل فرآیند خوراک – ناپیوسته می‌باشد.
دلایلی بر کشت‌های خوراک – ناپیوسته
از طریق تنظیم یک یا چند نرخ خوراک، عملیات خوراک – ناپیوسته می‌تواند ابزاری یکتا از تنظیم غلظت ترکیبات که نرخ واکنش‌های کلیدی را کنترل می‌کنند باشد، بنابراین، می‌توان یک مزیت مشخص عملیات ناپیوسته یا پیوسته را مهیا کرد.
عملیات خوراک – ناپیوسته که پیش‌ازاین توصیف شد می‌تواند همچنین نشان‌دهنده‌ی بازده‌ای از عملیات ممتاز (بازده بالاتر یا ضریب تولید بالاتر) برای واکنش‌های شیمیایی یا زیست‌شیمیایی که یک بیشینه در نرخ واکنش کلی را ارائه می‌دهند یا بیشینه کردن گزینشپذیری یک محصول خاص در سیستم‌های چند واکنشی مانند واکنش‌های زیستی و واکنش‌های پلیمر سازی ‌باشد. مثال‌ها شامل واکنش‌های آنزیمی ممانعتی و واکنش‌های مستقیم کاتالیستی، واکنش‌هایی که یکی از محصولات به‌عنوان یک کاتالیست عمل می‌کند، برخی از واکنش‌های بیدرو و واکنش‌های موازی سری است[21].
گوگردگوگرد یکی از مهم‌ترین عناصر برای زندگی می‌باشد. در سلول به‌ویژه برای تثبیت ساختار پروتئین و در انتقال هیدروژن به‌وسیله‌ی آنزیم‌ها در سوخت‌وساز اکسایش و کاهش اهمیت دارد. برای بعضی پروکریوتها، حالت کاهیده‌ی گوگرد می‌تواند به‌عنوان منبع انرژی و کاهنده‌ی توان بکار رود. برای دیگر پروکاریوتها، حالت‌های اکسیده، مخصوصاً سولفات همچنین گوگرد عنصری، می‌تواند به‌عنوان پایانه‌ی پذیرش الکترون در تنفس بی‌هوازی بکار می‌رود. ازنظر زمین میکروب‌شناسی، واکنش‌های اکسایش و کاهش شامل گوگرد و ترکیبات گوگردی به‌صورت ویژه اهمیت دارند. در طبیعت عنصر گوگرد به دو نوع تقسیم می‌شود، گوگرد یا گوگرد معدنی و زیست گوگرد یا گوگرد آلی. این دو نوع ویژگی‌های متفاوتی دارند که در زیر به‌صورت خلاصه به آن پرداخته‌شده است[22].
گوگرد یا گوگرد معدنیگوگرد معدنی در حالت‌های اکسایش 2- ، 0 ، 2 ، 4 ، 6 ، به‌صورت عمده واقع می‌شود. جدول 1-8 شکل‌های مهم از نظر زمین‌شیمیایی و حالت‌های اکسایش آن‌ها را نشان می‌دهد. در طبیعت حالت‌های اکسایش، 2- ، 0 و 6 معمول‌ترین می‌باشند، که با سولفید، گوگرد عنصری، و سولفات به ترتیب نشان داده می‌شوند. اگرچه، در بعضی محیط‌ها (برای مثال، لایه‌ی شیمیایی محیط‌های آبی، و در بعضی خاک‌ها و ته‌نشینی‌ها)، دیگر حالت‌های اکسایش ترکیبی (مانند، تیوسولفات، و تتراتیونیت) ممکن است به مقادیر کمتر، یافت شوند.
جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ جدول * ARABIC s 1 8: شکل های مهم زمین میکروبی گوگرد و حالت های اکسایش آن.Compound Formula Oxidation State (s) of Sulfur
Sulfide S2- -2
Polysulfide Sn2- -2, 0
Sulfur a S8 0
Hyposulfite (dithionite) S2O42- +3
Sulfite SO32- +4
Thiosulfate b S2O32- -1, +5
Dithionate S2O62- +4
Trithionate S3O62- -2, +6
Tetrathionate S4O62- -2, +6
Pentathionate S5O62- -2, +6
Sulfate SO42- +6
a Occurs in an octagonal ring in crystalline form.
b Outer sulfur has an oxidation state of −1; the inner sulfur has an oxidation state of +5.
زیست گوگردنوعی از گوگرد که به‌وسیله‌ی میکروارگانیزم تولید می‌شود را زیست گوگرد یا گوگرد آلی می‌نامند و با S0 نشان می‌دهند. حالت اکسایش آن صفر می‌باشد. گوگرد زیستی تولیدشده به‌وسیله‌ی میکروارگانیزم‌ها یک ماده‌ی واسط از اکسایش سولفید یا تیوسولفات به سولفات می‌باشد و این باکتری‌ها باکتری‌های اکسیدکننده‌ی گوگرد (SOB) یا به‌صورت مختصر باکتری‌های گوگردی نامیده می‌شوند.
چرخهی زیستگوگردچرخه‌ی زیستگوگرد شامل اکسایش و کاهش پیوسته ترکیبات گوگردی به‌وسیله‌ی میکروارگانیزم‌ها یا گیاهان می‌باشد. در سمت چپ این چرخه در شکل 1-5 [15] معمول‌ترین شکل کاهیده و در سمت راست معمول‌ترین شکل اکسیده از ترکیبات نشان داده‌شده است.
کاهش سولفات به سولفید به دو روش صورت می‌پذیرد. در روش اول، باکتری‌های کاهنده‌ی گوگرد، سولفات را از طریق واکنش ناهمگون کردن (واکنش ترکیبات معدنی به دیگر ترکیبات آلی) می‌کاهند. مرحله‌ی دوم، شرکت کردن ترکیبات گوگردی معدنی به ماده‌ی مغذی آلی، مانند پروتئین، به‌وسیله‌ی گیاهان و میکرو ارگانیزم (واکنشهمگون کننده) می‌باشد.
چرخه‌ی گوگرد، در بوم‌سازگان زیستی، باید در تعادل باشد. بدان معنی که مقدار سولفیدی که اکسید می‌شود باید مربوط به مقدار سولفاتی که کاهش میابد باشد. این موقعیت اغلب در طبیعت رخ می‌دهد و گوگرد پاییز نامیده می‌شود. یک مثال معمول برکهای در پاییز می‌باشد، جایی که برگ‌های ریزان منبع ماده‌ی آلی می‌باشد[23]. شکل 1-6 [24] واکنش‌هایی را که در یک گوگرد پاییزی در لایه‌های متفاوت رخ می‌دهد نشان می‌دهد. باکتری‌های شیمی دوست نزدیک سطح آب غالب می‌باشند، جایی که می‌توانند انرژی را از اکسایش هوازی سولفید و گوگرد به سولفات به دست آورند.

شکل STYLEREF 1 s ‏1 SEQ شکل * ARABIC s 1 5 چرخهی گوگرد در طبیعت.در عمق ناحیه‌ی بی‌هوازی جایی که غلظت اکسیژن کم است، با تجزیه‌ی بی‌هوازی ماده آلی هیدروژن سولفید تولید می‌شود. در بالای ناحیه‌ی بی‌هوازی جایی که نور خورشید هنوز می‌تواند نفوذ کند و هیدروژن سولفید حضور دارد، رشد باکتری‌های نور دوست صورت می‌گیرد. این باکتری‌ها شرایط مناسب برای رشد را تنها در ناحیه‌ای کم‌عمق از همپوشانی میابند چون سولفید و نور خورشید در جهت مخالف واقع می‌شوند. در این لایه‌های کم‌عمق، آن‌ها الکترون‌های کاهنده را از سولفید یا گوگرد به دست میآورند[25].

شکل STYLEREF 1 s ‏1 SEQ شکل * ARABIC s 1 6 نمایی از چرخه گوگرد در یک برکه.نقش میکروبی در چرخهی گوگردمیکروب‌ها نقش مهمی در دگرسازی معدنی و آلی گوگرد ایفا می‌کنند. این دگرسازی زیستی گوگرد در خاک، رسوب و محیط‌زیست‌های آبی صورت می‌گیرد. برخی از دگرسازی‌ها ممکن است با شکلهای متفاوت پیش رود، برای مثال اکسایش هوازی هیدروژن سولفید یا گوگرد ممکن است بخشی به‌وسیله‌ی یک مسیر بی‌هوازی، پیش برود اگرچه اغلب به‌صورت ویژه خیلی آرام‌تر از مسیر هوازی ، صورت می‌گیرد. دو دگرسازی اکسایش بی‌هوازی هیدروژن سولفید و گوگرد به سولفوریک اسید و کاهش سولفات به هیدروژن سولفید، در فشار اتمسفری در محدوده‌ی دمای غالب سطح زمین نمی‌تواند به‌صورت بی‌هوازی پیش رود. کاهش سولفات در حال حاظر شناخته‌شده است و یک مکانیزم مهم معدنی سازی بی‌هوازی کربن آلی در دهان گاه بی‌هوازی و دیگر محیط‌های ساحلی جایی که سولفات زیاد از آب دریا در دسترس می‌باشد. ازنظر زمین‌شیمی شناسی، باکتری‌های اکسیدکننده‌ی گوگرد و کاهنده‌ی گوگرد کاتالیزورهای مهم در چرخه‌ی گوگرد در زیست فضا می‌باشند[22].
باکتریهای کاهندهی گوگرد
سولفات به‌صورت زیستی می‌تواند از دو مسیر تولید شود. در مسیر اول، تولید سولفات به‌عنوان نتیجه‌ی شکست پروتئینی آمینواسید و تجزیه‌ی بیشتر آمینواسید به سولفید صورت میگیرد. در مسیر دوم سولفات می‌تواند به‌وسیله‌ی SRB به‌صورت مستقیم تولید شود. کاهش سولفات ممکن است هم از طریق همگونسازی و یا هم از طریق ناهمگونسازی رخ دهد. مسیر همگونسازی ترکیبات گوگردی کاهیده شده برای سنتز زیستی، اسیدهای آمینه و پروتئین‌ها را تولید می‌کند و منجر به دفع مستقیم سولفید نمی‌شود. در کاهش ناهمگونسازی، سولفات (یا گوگرد) به سولفید غیر آلی به‌وسیله‌ی باکتری‌های شدیداً بی‌هوازی کاهنده‌ی گوگرد یا سولفات کاهیده می‌شود. کاهش همگونسازی یا غیر همگونسازی سولفات، هردو با فعالیت سولفات به‌وسیله‌ی ATP آغاز می‌شود. ضمیمه شدن سولفات به ATP، منجر به تشکیل APS می‌شود که سرانجام به‌وسیله‌ی آنزیم ATP سولفوریلاز کاتالیست می‌شود. در واکنش ناهمگونسازی، نصفه‌ی سولفاتی APS به‌صورت مستقیم به سولفیت به‌وسیله‌ی آنزیم کاهنده‌ی APS کاهش میابد. در واکنش همگونسازی، اتم دیگر فسفر به APS افزوده می‌شود تا فسفوادنوسین فسفوسولفات تشکیل شود.
PAPS سپس به سولفیت کاهیده می‌شود. یک‌بار که سولفیت تشکیل شد، به‌وسیله‌ی آنزیم کاهنده‌ی سولفیت به سولفید تبدیل می‌شود. در واکنش ناهمگون سازی، سولفید دفع می‌شود، درحالی‌که در واکنش همگون سازی، سولفید در ترکیبات گوگردی معدنی شرکت می‌کند. بعضی از باکتری‌های کاهنده‌ی گوگرد در جدول 1-9 [22] خلاصه‌شده‌اند.
جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ جدول * ARABIC s 1 9: برخی از باکتری‌های کاهنده‌ی سولفات در گستره‌ی باکتریaHeterotrophs Autotrophsb
Desulfovibrio desulfuricans c,d Desulfovibrio baarsii
Desulfovibrio vulgaris Desulfobacter hydrogenophilus
Desulfovibrio gigas Desulfosarcina variabilis
Desulfovibrio fructosovorans Desulfonema limicola
Desulfovibrio sulfodismutans Desulfomonas pigra Desulfotomaculum nigrificans Desulfotomaculum acetoxidans Desulfotomaculum orientisd Desulfobacter postgatei Desulfolobus propionicus Desulfobacterium phenolicume Desulfobacterium indolicumf Desulfobacterium catecholicumg a For a more detailed description of sulfate-reducers, see Pfennig et al. (1981) Postgate (1984), and Dworkin (2001).
b Autotrophic growth on H2 and CO2.
c Some strains can grow mixotrophically on H2 and CO2 and acetate.
d At least one strain can grow autotrophically on H2 and CO2.
e Bak and Widdel (1986b).
f Bak and Widdel (1986a).
g Szewzyk and Pfennig (1987).
باکتریهای اکسندهی گوگرد
باکتری‌های اکسنده‌ی گوگرد اغلب باکتری‌های گوگرد نامیده می‌شوند، که SOB برای نشان دادن باکتریهای مستقیم معدنی دوست استفاده می‌شود. این نوع از باکتری‌ها شامل نور دوست‌ها (بنفش و سبز) و شیمی دوست‌ها (بی‌رنگ‌ها) می‌باشند. چون شماری از باکتری‌های گوگرد می‌توانند به‌صورت آلی دگر دوستی و دیگر باکتری‌ها غیر از باکتری‌های گوگرد می‌توانند به‌صورت مستقیم دوستی رشد کنند، نام مناسب برای باکتری‌های گوگرد، باکتری‌های اکسنده‌ی گوگرد است.

جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ جدول * ARABIC s 1 10 برخی از باکتریهای هوازی اکسندهی گوگردa,bHeterotrophic Mixotrophic Autotrophic
Beggiatoa spp. Pseudomonas spp. Acidithiobacillus
albertensisc


Thiobacillus
perometabolis Thiobacillus intermedius Acidithiobacillus caldusc
Thiobacillus organoparus Acidithiobacillus ferrooxidansc
Thiobacillus versutusd Acidithiobacillus thiooxidansc
Acidianus brierleyie
Alicyclobacillus
disulfidooxidansf,g
Alicyclobacillus toleransf,g
Beggiatoa alba MS-81-6
Sulfolobus acidocaldariuse
Thermothrix thioparaf
Thiobacillus denitrificansh
Thiobacillus neapolitanus
Thiobacillus novellusf
Thiobacillus tepidarius
Thiobacillus thioparus
a A more complete survey of aerobic sulfur-oxidizing bacteria can be found in Balows et al. (1992) and Dworkin (2001).
b All members of the domain Bacteria in this table are gram-negative except for Alicyclobacillus disulfidooxidans and A. tolerans.
c Formerly assigned to the genus Thiobacillus (see Kelly and Wood, 2000).
d Can also grow autotrophically and heterotrophically.
e Archeon.
f Alicyclobacillus disulfi dooxidans formerly known as Sulfobacillus disulfi dooxidans and Alicyclobacillus
tolerans formerly known as Sulfobacillus thermosulfi dooxidans subsp. Thermotolerans (see Karavaiko et al., 2005).
g Facultative autotroph.
h Facultative anaerobe.
گستره‌ی وسیعی از باکتری‌های اکسنده‌ی گوگرد که ویژگی‌های مخصوص خود در منبع انرژی، منبع کربنی، مسیرهای اکسایش ترکیبات گوگردی، اندازه و شکل وجود دارد. جدول 1-10 و جدول 1-11 شماری از باکتری‌های هوازی اکسنده‌ی گوگرد و بیهوازی اکسنده گوگرد را به ترتیب نشان می‌دهند.
جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ جدول * ARABIC s 1 11 برخی از باکتریهای بیهوازی اکسندهی گوگردaChemolithotrophs Photolithotrophs
Thermothrix thioparab,c Chromatinum spp.
Thiobacillus denitrificansc Chlorobium spp.
Ectothiorhodospira spp.
Rhodopseudomonas spp.b
Chlorofl exus aurantiacusb
Oscillatoria sp.c
Lyngbya spp.c
Aphanothece spp.c
Microcoleus spp.c
Phormidium spp.c
a For a more complete description of anaerobic sulfur-oxidizing bacteria, see Starr et al. (1981), Holt (1984), and Dworkin (2001).
b Facultatively autotrophic.
c Facultatively anaerobic.
تیوباسیلوس تیوپاروساعضای نژاد تیوباسیلوس ارگانیزم‌های کوچک و میله‌ای شکل می‌باشند که قادر به استخراج کردن انرژی از اکسایش سولفیدها، تیوسولفیدها یا گوگرد آزاد، در تشکیل گوگرد، پرسولفات و سولفات تحت شرایط اسیدی یا بازی می‌باشند. آن‌ها کربن خود را از دی‌اکسید کربن یا از کربنات و بی‌کربنات محلول مشاهده می‌کنند. به‌جز یکی، تمام گونه‌ها هوازی می‌باشند. بعضی از گونه‌های شدیداً هوازی و بعضی مستقیم دوست اختیاری می‌باشند. هشت گونه شناخته‌شده‌اند. دو عضو مهم، تیوباسیلوس تیوپاروس و تی. تیوآکسیدانس می‌باشند.
در یک محیط معدنی شامل سدیم تیوسولفات ارگانیزم‌ها قادر به اکسایش این ترکیب با تشکیل سولفات و گوگرد آزاد می‌باشند. گوگرد آزاد در ادامه به سولفوریک اسید اکسید می‌شود.
(1-23) 5S2O32- + 4O2 + H2O → 4S0 + 6SO42- + 2H+
(1-24) 2S0 + 3O2 + 2H2O → 2SO42- + 4H+
یک غشای نازک، شامل مخلوطی از باکتری‌ها و دانه‌های گوگرد، بر روی سطح محیط کشت در ظرف 24 تا 48 ساعت تشکیل می‌شود.
در حضور هوای شامل دی‌اکسید کربن، اما بدون کربنات و بی‌کربنات محلول، سرعت رشد خیلی کاهش میابد. در غیاب دی‌اکسید کربن و بی‌کربنات حتی در حضور ترکیبات آلی گوناگون هیچ رشدی رخ نمی‌دهد. این ارگانیزم‌ها قادر به تجمع گوگرد درون سلول خود نیستند، اگرچه تولید وسیعی در خارج سلول رخ می‌دهد. تولید گوگرد و سولفات از تیوسولفات یک واکنش گرمازا می‌باشد که منجر به آزاد شدن مقدار قابل‌توجهی از انرژی می‌شود. از این انرژی برای کاهش سدیم بی‌کربنات و برای سنتز ترکیبات ساختاری استفاده می‌شود. سدیم تیوسولفات ممکن است با سولفید فلزی، تتراتیونید و هیدروژن سولفید جایگزین شود. دی‌اکسید کربن نمی‌تواند با کربن ترکیبات آلی به‌عنوان منبع کربنی جایگزین شود. کلونی‌های آگار از میکروارگانیزم خیلی به شرایط ساختگی کشت وابسته می‌باشند و بعد از یک دوره هفتگی می‌میرند[26].
پتانسیل اکسایش-کاهش
پتانسیل اکسایش-کاهش (ORP) سنجشی در واحد میلی ولت از میزان سطح اکسایش آب می‌باشد. این مقدار فعالیت آب را بجای غلظت در مقیاس ppm نشان می‌دهد. مواد شیمیایی مانند کلر، برم، پرکسید هیدروژن، پروکسی استیک اسید و ازون همه اکسیدکنندههایی با پتانسیل اکسایش متفاوت می‌باشند. زمانی که سنجش ORP در سیستمهای تصفیه پساب استفاده می‌شود، در حقیقت توانایی یا پتانسیل اجازه دادن پساب به انجام گرفتن واکنش‌های (اکسایش – کاهش) زیستی خاص سنجش میشود.
واکنش‌های اکسایش – کاهش مهم در سیستمهای تصفیه پساب شامل نیتروژندهی، نیتروژنگیری، حذف فسفر زیستی، حذف بوی بد زیستی و حذف cBOD (ترکیبات شامل کربن و هیدروژن) می‌باشد. این واکنش‌ها شامل کربن، فسفر، گوگرد و نیتروژن و تغییر در حالت‌های اکسایش آن‌ها (شامل اکسیژن) مانند نیترات و سولفات و حالت‌های کاهیده ی آن‌ها (شامل هیدروژن) مانند آمونیاک و سولفید می‌باشد. همچنین از تعریف ORP برمی‌آید که حظور عامل‌های اکسنده مانند اکسیژن باعث افزایش میزان ORP میشود. درحالی‌که حضور عامل‌های کاهنده مانند ماده‌ی مغذی یا cBOD مقدار ORP را کاهش می‌دهد.
در زیر برای هر یک از فرآیندهای فوق توضیحی بین سطح ORP و فعالیت میکروبی به‌صورت خلاصه آورده ‌شده است[27].
نیتروژنگیری
نیتروژندهی برای جبران حدهای تخلیه‌ی نیتروژن کل یا تخریب رشد ارگانیزم‌های رشته‌ای غیر دلخواه صورت می‌گیرد. نیتروژندهی کاهش نیترات به مولکول نیتروژن می‌باشد و به‌وسیله‌ی باکتری‌های نیتروژنده با ORP پساب در محدودهی mV 50- تا mV 50 صورت می‌گیرد[27].
حذف فسفر زیستیتأسیسات تصفیه پساب، حذف فسفر زیستی را به منظور رساندن مقدار فسفر خروجی کل به حد استاندارد انجام می‌دهند. فرآیند شامل دو مرحله‌ی تصفیه؛ اول، فسفر زیستی آزاد می‌شود و دوم، حذف فسفر زیستی، می‌باشد. در رهاسازی فسفر زیستی، باکتری‌های تخمیری، اسیدهای چرب در یک تانک بی‌هوازی دارای محدوده‌ی ORP، mV 225- تا mV 100- تولید می‌کنند. زمانی که اسیدها به‌وسیله‌ی باکتری‌های تجمع‌کننده‌ی – فسفر جذب سطحی می‌شوند، باکتری‌ها فسفر به درون محلول تانک رها می‌کنند. در مرحله‌ی دوم حذف فسفر زیستی، باکتری‌های تجمع‌کننده‌ی فسفر اسیدهای جذب‌شده در تانک هوازی را تجزیه و انرژی مشاهده‌شده از اسیدهای تجزیه‌شده را در دانه‌های فسفر ذخیره می‌کنند. این ذخیره‌سازی انرژی نیازمند حذف مقدار زیادی از فسفر از محلول تانک می‌باشد. ذخیره‌سازی دانه‌های فسفری یا حذف فسفر زیستی زمانی که ORP تانک هوازی mV 25 تا mV 250 است صورت می‌گیرد[27].
تشکیل و تخمیر سولفید (تولید بوی بد زیستی)تولید بوی بد زیستی از طریق دو واکنش زیست‌شیمیایی عمده صورت می‌گیرد، تشکیل سولفید و تشکیل اسید (تخمیر). زمانی که باکتری‌های کاهنده‌ی سولفات، سولفات را مصرف میکنند، سولفید هیدروژن به مقدار زیادی تولید می‌شود. سولفات در آب‌های زیرزمینی و اوره یافت می‌شود و زمانی که به‌وسیله‌ی فعالیت میکروبی کاهش میابد، سولفید هیدروژن تشکیل می‌شود. زمانی که ORP بین mV 250- تا mV 50- است، وقتی که سولفید به‌عنوان ماده‌ی مغذی برای باکتری‌های بی‌هوازی و بی‌هوازی اختیاری شامل باکتری‌های تولیدکننده‌ی متان میباشد، تشکیل سولفید یک رخداد بحرانی در هضم‌کننده‌های بی‌هوازی خواهد بود[27].
متان تیولمتان تیول (یا متیل مرکاپتان) یک ترکیب شیمیایی آلی با فرمول ساختاری CH3SH می‌باشد. متیل مرکاپتان گازی بی‌رنگ با بوی کلم فاسد شده می‌باشد، همچنین یک ماده‌ی طبیعی می‌باشد که در خون و مغز انسان‌ها و دیگر حیوانات و نیز در بافت‌های گیاهان دیده می‌شود. متیل مرکاپتان به‌صورت طبیعی در برخی از مواد غذایی، مانند برخی از پنیرها و آجیل‌ها وجود. متیل مرکاپتان یکی از ترکیبات شیمیایی می‌باشد که منجر به اختلال در تنفس کشیدن و بوی بد گاز شکم میشود. متیل مرکاپتان در دسته‌ی تیولها طبقه‌بندی می‌شود و گاهیاوقات به‌صورت MeSH نوشته می‌شود. گاز متیل مرکاپتان به‌شدت اشتعال‌پذیر است. آستانه‌ی استشمام برای این ترکیب ppm 024/0 گزارش‌شده است[28].
ساختار و خواص شیمیاییمولکول متیل مرکاپتان دارای ساختاری چهاروجهی با کربن در مرکز آن می‌باشد. متیل مرکاپتان اسیدی ضعیف با pKa تقریباً برابر با 4/10 است[29]. این ترکیب به‌سرعت به دی متیل دی سولفید اکسید می‌شود و اکسایش بیشتر دی سولفید را به متان سولفونیک اسید با فرمول مولکولی CH3SO3H تبدیل می‌کند که ترکیبی بدون بو است.
وقوعگاز متیل مرکاپتان به‌عنوان محصول جانبی خمیرکاغذ کرفت در آسیاب‌های خمیرسازی آزاد می‌شود. در خمیرکاغذ کرفت، لیگنین با حمله‌ی هسته‌دوستی با یون هسته‌دوست بسیار قوی سولفید هیدروژن در محیط قلیایی بالا به دو مونومر شکسته می‌شود. در واکنش جانبی، سولفید هیدروژن به گروه متوکسیل (ArOMe) در لیگنین حمله می‌کند، آن‌ها را متیل زا می‌کند تا گروه فنولیت (ArO-) و گاز متیل مرکاپتان آزاد شود. به علت قلیاییت، متیل مرکاپتان پروتون خود را ازدست‌داده (MeSH) و یون متیل مرکاپتید (MeS-)، یک هسته‌دوست قوی تشکیل می‌شود. این ترکیبات در مایع مادر سیاه‌رنگ می‌مانند و در جوشانندهی بازیاب، سوزانده می‌شود، جایی که سولفید به سدیم سولفید باز فرآوری می‌شود[30].
متیل مرکاپتان از تجزیه‌ی ترکیبات آلی در قارچ‌ها نیز آزاد می‌شود و در گاز طبیعی برخی نواحی، در قطران ذغال سنگ و در برخی از نفت‌های خام حظور دارد. این ترکیب در برخی از گیاهان و سبزی‌ها مانند تربچه نیز وجود دارد.
در آب‌های سطحی، متان تیول اولین محصول تجزیه از سوخت‌وساز جلبکی دی متیل سالفونیوپروپینات می‌باشد(DMSP). باکتری‌های دریایی بیشتر پروتئین گوگردی خود را به‌وسیله‌ی تجزیه‌ی ترکیب DMSP و مشارکت متان تیول، علی‌رغم حضور متان تیول در آب دریا که کمتر از غلظت‌ سولفید (nM 3/0 مقابل mM 28) به دست می‌آورند. باکتری‌ها در محیط‌های هوازی و غیر هوازی همچنین می‌توانند متان تیول را به دی متیل سولفید تبدیل کنند، همچنین بیشتر DMS در آب‌های سطحی به‌وسیله‌ی یک مسیر جدا تولید می‌شود. هر دو ترکیب متیل مرکاپتان و دی متیل سولفید می‌توانند به‌عنوان منبع غذایی برای فرآیند تولید متان در بعضی از خاک‌های بی‌هوازی مورداستفاده قرار گیرند.
متان تیول محصول جانبی از متابولیزم گیاه آسپاراجوس می‌باشد[31]. توانایی تولید متان تیول در ادرار بعد از خوردن این گیاه قبلاً به‌عنوان یک ویژگی ژنتیکی گمان می‌شد. بیشتر تحقیقات اخیر نشان میدهد که در حقیقت این بوی عجیب به‌وسیله‌ی تمام انسان‌ها بعد از مصرف این گیاه تولید می‌شود درحالی‌که تنها توانایی تشخیص آن ژنتیکی می‌باشد[32].
روش تهیهمتان تیول به‌صورت تجاری به‌وسیله‌ی واکنش متانول با گاز هیدروژن سولفید بر روی یک کاتالیست جامد اسیدی، مانند آلومینا تهیه می‌شود[33].
(1-25) CH3OH + H2S → CH3SH + H2O
همچنین این ترکیب می‌تواند به‌وسیله‌ی واکنش متیل یودید با تیواوره تهیه شود[34].
کاربردهامتان تیول به‌صورت عمده به‌منظور تولید متیونین، که به‌عنوان ترکیب غذایی در خوراک حیوانات و مرغ و خروس استفاده می‌شود به کار می‌رود[33]. متان تیول همچنین در صنایع پلاستیک و به‌عنوان پیش ماده در تولید حشره‌کش‌ها استفاده می‌شود.
متان تیول همچنین به‌عنوان رابط در عملیات معدن بکار می‌رود. آزادسازی این ماده درون سیستم تهویه به‌منظور هشدار دادن به کارگرهای اورژانس صورت می‌گیرد. چون گاز طبیعی و پروپان گازهای بدون رنگ و بدون بو می‌باشند، اضافه کردن مقدار کمی از متیل مرکاپتان یا اتیل مرکاپتان به‌منظور شناسایی نشتی گاز صورت می‌گیرد.
روش حذف شیمیاییفن‌آوری‌های حذف متیل مرکاپتان از جریان‌های گازی شامل اکسایش(کاتالیستی و شیمیایی)، جذب سطحی به‌وسیله‌ی جاذب‌هایی همچون کربن فعال و زئولیت و جذب درون مایع می‌باشد. یکی از فرآیندهای معروف برای حذف متیل مرکاپتان از گاز فرآیند مرآکس می‌باشد. مرآکس مخففی برای اکسایش مرکاپتان می‌باشد. مرآکس فرآیند شیمیایی کاتالیستی اختصاصی به‌وسیله‌ی UOP در صنایع واحدهای فرآیند گاز طبیعی و پالایشگاه‌های نفتی برای حذف مرکاپتان از LPG ، پروپان، بوتان‌ها، نفتاهای سبک، کروزن و سوخت جت به‌وسیله‌ی تبدیل آن‌ها به دیسولفیدهای کربنی مایع است.
فرآیند مرآکس نیازمند یک محیطی قلیایی است که در بعضی فرآیندها به‌وسیله‌ی محلول آبی هیدروکسید سدیم، یک باز قوی، مهیا می‌شود. در دیگر فرآیندها، قلیاییت به‌وسیله‌ی آمونیاک که بازی ضعیف است ایجاد می‌شود.
کاتالیست در بعضی از فرآیندها مایع محلول آبی می‌باشد. در دیگر فرآیندها کاتالیست لقاح شده بر روی دانه‌های ذغال چوب می‌باشد. دی سولفید هیدروکربن مایع ممکن است در محصولات شیرین شده باقی بماند و ممکن است به‌عنوان بخشی از سوخت تجهیزات فرآیند گاز طبیعی یا پالایشگاه استفاده شود.

–313

آیا نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم بر خواص ممانعتی فیلمهای نشاسته تاپیوکا تاثیر دارند؟
آیا نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم بر خواص فیزیکوشیمیایی فیلمهای نشاسته تاپیوکا تاثیر دارند؟
آیا استفاده از نانو دی اکسید تیتانیوم بر پارامترهای رشد میکروبی اشرشیا کلی فیلمهای خوراکی نشاسته تاپیوکا را تاثیر دارند؟
1-7- محدودیتهای تحقیقدر این پژوهش حداکثر غلظت ترکیب نانو به عنوان یک محدود کننده مطرح میگردد. بیشتر از 5% ترکیب نانو باعث هتروژن نمودن فیلم میشد.
1-8- نمودار تحقیقشکل 1-1 نمودار تحقیق را برای این پژوهش نشان می دهد.

شکل 1- SEQ شکل_1- * ARABIC 1: نمودار فرآیند تحقیقفصل دوممروری بر پژوهشهای پیشین2-1- معرفی نشاسته و نشاسته تاپیوکا2-1-1- ترکیب و ساختار نشاستهنشاسته یک جزء غذایی عمده است و یک کربوهیدرات تجزیه پذیر که از هزاران واحد گلوکز ساخته شده است. نشاسته دربرگیرنده زنجیرههای خطی و شاخهدار مولکولهای گلوکز است که آمیلوز و آمیلو پکتین نامیده میشوند. آمیلوز که یک حالت خطی نشاسته است مسئول شکل گیری فیلمهای قوی است. پیوندهای فیزیکی در شبکه ماکرو مولکولی نشاسته بیشتر براساس آمیلوز هستند و بر خصوصیات مکانیکی فیلمها تاثیر میگذارند از سوی دیگر، ساختار شاخهدار آمیلو پکتین عموماً باعث ایجاد فیلمهایی میشود که شکننده هستند ] 36[.
نشاسته ترکیبی از دو پلیمر است آمیلوز، یک اتصال خطی (4→ 1 ) از glucan – D – α و آمیلوپکتین، یک مولکول پرشاخه که از شاخه های کوچک (4 → 1 ) glucan – D – α و پیوند α (6 → 1) در اتصالات تشکیل شده است. طول زنجیره آمیلوز حدود 6000 واحد D - گلوکو پیرانوز، با وزن مولکولی بین 600000 – 150000 دالتون است. آمیلو پکتین، بر عکس بسیار پر شاخه است به طور میانگین 26- 17 شاخه، با واحدهای D- گلوکوزیل جداشده از پیوندهای (6 → 1 ) α است. اندازهی مولکولی آمیلو پکتین بزرگتر از آن است که به طور دقیق مشخص شود ولی مطالعات پراکنش نور حدود 106 D – گلوکوزیل در هر مولکول را نشان داد که آمیلو پکتین را یکی از بزرگترین ماکرو مولکولهای موجود در طبیعت میکنند. همهی نشاستهها از این دو ترکیب ساخته شدهاند. نسبت آنها در نمونههای نشاسته معمولا 20 به 80 آمیلوز به آمیلو پکتین است ]6 و 8[.

شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 1: ساختمان شیمیایی نشاسته نشاسته که به وفور در طبیعت یافت میشود، به دلیل قیمت پائین، قابلیت تجدید شوندگی و بازیافت زیستی، یکی از مواد خام جذاب و مورد علاقه برای استفاده در بسته بندیهای خوراکی محسوب میگردد. علاوه بر این حساسیت زا نبوده و به دلیل دارا بودن ویژگیهای مکانیکی و مقاومت در برابر نفوذ گازها، امکان به کارگیری و استفاده از آن در صنایع غذایی وجود دارد ]1 و 3[.
نشاسته به دلیل ماهیت پلیمری قابلیت فیلم سازی دارد به علاوه، به دلیل قیمت مناسب و در دسترس بودن توجه زیادی به آن میشود یکی از معایب فیلمهای نشاسته، مقاومت پایین آنها به رطوبت است برای حل این مشکل میتوان از چربیها یا پلیمرهای زیست تخریب پذیر مقاوم به رطوبت استفاده کرد، برای بهبود ویژگیهای فیلمهای نشاسته به ویژه خصوصیات کششی آنها میتوان از هیدروکلوئیدها در ترکیب آنها استفاده کرد ]4[.
2-1-2- نشاسته تاپیوکاکاساوا مانیهوت اسکولنتا Manihot esculenta، یوکا یا مانیوت هم نامیده میشود گیاهی است چوبی از تیره فرفیون (خانواده فرفیون) بومی آمریکای جنوبی است که به طور گسترده به عنوان یک محصول هر ساله در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری برای  ریشه غده ای نشاسته ای آن کشت شده است که عمده ترین منبع کربوهیدرات هستند. آرد تولید شده از ریشه تاپیوکا نامیده میشود. کاساوا سومین منبع بزرگ کربوهیدرتها برای غذای انسان در جهان است. و محصولی کم هزینه برای جمعیت ساکن در مناطق مرطوب استوایی میباشد. شواهد مستقیم نشان می دهد که 1400 سال پیش کشت  کاساوا در السالوادور صورت گرفته است. نشاسته تاپیوکا نشات گرفته از منبع متفاوتی نسبت به نشاستههای رایج مانند غلات (برنج، ذرت)، غده ای (سیب زمینی )، ریشهای (تاپیوکا ) و (نخود و لوبیا) است نام مگذاری این گیاه تا حدی زیادی بستگی به منطقه ای که در آن رشد میکند دارد مانند ( آمریکای مرکزی (yucca anioca M یاMadioca در برزیل و Tapioca در هند و مالزی و در آفریقا و آسیای جنوبی Cassada یا Cassava) ]68 و 71[.
1120140204470
شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 2: ریشه کاساواجدول 2- SEQ جدول_2- * ARABIC 1: گیاه شناسی گیاه کاساواطبقه بندی علمی
رده دولپه ایها
راسته مالپیگیالس
خانواده تیره فرفیون
زیرخانواده کروتنوییده
نژاد مانیهوته
گونه اسکولنتا
نام علمی مانیهوت اسکولنتاکرانتز
2-1-2-1- مرفولوژی گیاه کاساوابوته کاساوا چوبی و چند ساله است که تا ارتفاع 2 تا 4 متر رشد می کند برگ ها به صورت توده ای در تاج درخت شبیه به برگ نخل گسترده و روی دمبرگ بلند و باریکی شامل 5 تا 9 پهنه به وجود می آیند آن ها فقط به سوی انتهای شاخه رشد می کنند. وقتی گیاه درحال رشد است.ساقه اصلی به سه شاخه تقسیم شده وبعد به همین ترتیب شاخه ها ی دیگری بر روی آن ها تشکیل می شود ریشه یا غده ها نیز در زیرسطح زمین توسعه می یابند. گل نر و ماده به صورت مجزا مرتب شده و به روی همان بوته تشکیل می شوند. شکل میوه سه گوش و حاوی سه دانه است که قابل دوام بوده و برای انتشار گیاه مورد استفاده قرار می گیرد. تعداد ریشه ها ی غده ای و ابعاد آن ها و تا حد زیاد ی در میان گونه های مختلف متفاوت است. ریشه ی کاساوا مخروطی وطویل است و با گوشت سفت همگن در پوسته ای قابل تفکیک که حدود یک میلی متر ضخامت دارد و با رنگ قهوه ای و درقسمت خارجی زبر می باشد گوشت غده می تواند سفید گچی یا زرد باشد. ممکن است اندازه ی طول ریشه از 30 تا 120 سانتی متر و قطر آن 4 تا 15 سانتی متر و وزن 1 تا 8 کیلوگرم یا بیشتر برسد. ترکیب شیمیایی ریشه های کاساوا متفاوت است مطالعهی 30گونه در مکزیک نتایجی به شرح ذیل در بر داشته است ریشه های آن بسیار غنی از نشاسته است و حاوی مقادیر قابل توجهی از کلسیم،فسفر و ویتامین ‏c‏ می باشد.ولی فقیر از پروتئین است. دربرگ این نوع گیاهان،منبع خوبی از پروتئین لیزین،اما کمبود اسید امینه احتمالا متیونین و تریپتوفان است ]22[.
جدول 2- SEQ جدول_2- * ARABIC 2: آنالیز ریشه کاساوا و سیب زمینی ] 68[.
درصد کاساوا سیب زمینی
رطوبت 7/25 75/80
مواد نشاستهای 21/45 19/90
قندها 5/13 0/40
پروتئین 1/12 2/80
چربیها 0/41 0/20
فیبر 1/11 1/10
خاکستر 0/54 0/92
2-1-2-2- فرآوری و تبدیل کاساواعمر مفید کاساوا چند روز است و خواص ویژه خود را از دست می دهد اگر برگ های کاساوا دو هفته قبل از برداشت حذف شوند عمر مفید آن دو هفته طولانی تر می شود.قرار دادن ریشه در پارافین یا موم یا ذخیره کردن آن در کیسه پلاستیکی خطرات آن را کاهش داده و عمر مفید آن را به 3 تا 4 هفته افزایش می دهد ریشه پوست گیری شده را می توان منجمد کرد.روش سنتی عبارتست از بسته بتدی ریشه در مالچ مرطوب برای تمدید عمر مفید آن می باشد .ریشه های خشک را می توان کوبید و به آرد تبدیل کرد در خلال فرآیند کوبیدن ریشه،ذرت را می توان اضافه کرد تا پروتئین آرد افزوده شود. آرد کاساوا دارای ظرفیت نگهداری آب زیادی میباشد و از آن در تهیه پخت نان،کیک،کراکر و پودینگ استفاده میشود. بعضا آرد کاساوا با مشتقات جزیی ممکن است به عنوان جانشین آرد گندم در تهیه نان استفاده شود. نانی که بطور کامل از آرد کاساوا تهیه شده در امریکا به بازار عرضه شده و نیاز افراد دارای آلرژی به آرد گندم را برآورده کرده است. ریشه های تازه را میتوان به صورت قطعه های نازک کاملا سرخ کرده و محصولی مشابه چیپس سیب زمینی تهیه کرد.ریشه ها را میتوان پوست گیری رنده کرده و با آب شستشو داده و نشاسته را استخراج نمود و همچنین پروتئین برگ را میتوان به خوراک دام اضافه کرد. در افریقا فرآوری ریشه به چند روش مختلف صورت میگیرد. آن ها ممکن است برای اولین بار در آب تخمیر شده سپس آن ها را بوسیله آفتاب خشک کرده برای ذخیره سازی یا رنده نمودن آن سپس خمیر تهیه می نمایند و می پزند. نوشیدنی های الکلی را نیز میتوان از ریشه کاساوا تهیه نمود. برگهای جوان حساس می تواند به عنوان سبزیهای معطر خوراکی مورد استفاده قرار گیرد که حاوی سطوح بالایی از پروتئین می باشد. استفاده های صنعتی از کاساوا و فرآیند تبدیل آن در کارخانجات و تولید محصولاتی شامل کاغذسازی، پارچه،چسب، شربت فروکتوز، سوخت زیستی، خوراک دام وکیسه های زیست تخریب پذیر میباشد ]22 و 68[.

2-2- نانو تکنولوژی
علم نانو و علوم مرتبط با آن جدید نیستند چرا که صدها سال است شیمیدانان از تکنیک‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های علم نانو در کار خود استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. از پنجره های رنگارنگ کلیساهای قرون وسطی گرفته تا شمشیرهای یافت شده در حفاری های سرزمین های مسلمان همگی گویای این مطلب هستند که بشر مدت هاست که از برخی شگردهای این فناوری در بهینه کردن فرایندها و ساخت باکیفیت تر اشیاء بهره می برده است اما تنها به دلیل پیشرفت کم فناوری و نبود امکانات امروزی نتوانسته حوزه مشخصی برای این فناوری تعیین کند. اولین بار ریچارد فیمن در سال 1959 طی سخنرانی خود با بیان امکان به راه اندازی فرآیندی برای دستکاری اتمها و مولکولها با استفاده از ابزارهای دقیق سبب شده تا افکار به سمت توسعه چنین امکانی متمایل شوند. در سال 1974، پروفسور نوریو تانیگوشی، مدرس دانشگاه علوم توکیو، نخستین بار واژه "فناوری نانو" را بکار گرفت. او در پروژه - ریسرچای با نام "مفهوم اساسی فناوری نانو" اشاره می کند که فناوری نانو اساسا مجموعه ای از فرایندهای تفکیک، ادغام و تشکیل مواد در حد یک اتم یا یک مولکول است. در دهه 1980 این تعریف به طور وسیع تر توسط دکتر درکسلر (نویسنده کتاب های موتور خلقت) مورد بررسی قرار گرفت. فناوری نانو و نانوعلوم در اوایل دهه 1980 با تولد علم کلاستر آغاز به کار کرد. این توسعه سبب کشف فلورین در سال 1986 و نانولوله های کربنی در مدت چند سال بعد شد. مقیاس نانو، ابعادی کمتر ازnm 100 (معمولا nm 1/0 تا nm 100) را شامل می شود، که شامل موادی یا سطوح خارجی بسیار زیاد و ناهمگونی کم که پدیدههای کوانتومی بروز میدهند میباشد. علم نانو، مطالعه پدیدهها و خواص نوین مواد، در این مقیاس (در حد اتم ها و مولکولها ) میباشد. فناوری نانو، کاربرد دانش ، مهندسی و فناوری در مقیاس نانو در جهت تولید مواد و سیستمهایی است که وظایف خاص الکتریکی، مکانیکی، بیولوژیکی، شیمیایی یا محاسباتی را انجام میدهند. نانو تکنولوژی بر اساس ارائه خواص و عملکردهای نوینی از نانو ساختارها، دستگاه ها و سیستم ها به علت ساختار بسیار کوچک آنهاست. این دستگاه ها عموما کاربردهای بیولوژیکی و پزشکی دارند به طور کلی نانوتکنولوژی، فن آوری تغییر در خواص مولکولهای تشکیل دهنده مواد است. و به همین دلیل مقیاس نانو بهترین تعریف برای تکنولوژی میباشد ]88[.
2-3- بایو نانو تکنولوژی
نانو بایو تکنولوژی حوزه نوظهور علمی و فنی است که گرایش چند رشته ای از علوم (شیمی ، زیست شناسی، فیزیک، علم مواد) است. این حوزه از یک سو، به فعالیتهای همگام علم مواد و بیولوژی اشاره دارد و از سوی دیگر حد فاصل علم فیزیک و بیولوژی است. نانو بایوتکنولوژی با سیستمهایی در مقیاس نانو که با راهکار بالا به پائین ساخته شدهاند(خرد کردن واحدهای بزرگتر به اجزای کوچکتر ) یا از روش پائین به بالا برای سامان دادن اجزا بهره میبرند، سر کار دارند. نانو بایو تکنولوژی بیش از آنکه شاخه ای از بایوتکنولوژی باشد شاخه ای از نانو تکنولوژی است. بایوتکنولوژی از سازوارههای زنده در کاربردهای صنعتی مختلف است، ولی نانو بایوتکنولوژی استفاده از قابلیتهای نانوتکنولوژی در کاربردهای زیستی است. بنابراین واژه نانو بایوتکنولوژی نیز مانند واژههایی چون بیومکانیک و بیومتریال به استفاده از تکنولوژیهای مختلف، در کاربردهای زیستی اشاره دارد و نه به استفاده از قابلیتهای ارگانیزمهای حیاتی در کاربردهای مختلف صنعتی. نانو کامپوزیتها جایگزین خوبی برای بطریهای پلاستیکی نوشیدنیها هستند استفاده از پلاستیک برای ساخت بطری باعث فساد و تغییر طعم نوشیدنی میشوند، نانوکامپوزیتها میتوانند به عنوان مواد بسته بندی جدید استفاده شوند، یک مثال نانوکامپوزیتهای تشکیل شده از نشاسته سیب زمینی و کلسیم کربنات است، این فوم مقاومت خوبی به حرارت دارد، سبک و زیست تخریب پذیر است و میتواند برای بسته بندی مواد غذایی به کار رود. افزودن 5-3% از نانو خاک رس به ماده پلاستیک آن را سبک تر، قویتر و مقاومتر به حرارت می کند و خواص ممانعت کنندگی بهتر در برابر اکسیژن، دی اکسید کربن، رطوبت و مواد فرار دارد ]81[.
2-4- کامپوزیترشد فزاینده تکنولوژی در سال‌های اخیر باعث شد تا موادی که در دسترس بشر بود برای جامه حقیقت پوشاندن بر رویاهای مدرن کافی نباشد و از این رو تلاش برای رسیدن به مواد جدید آغاز شد. امروزه در بیشتر کاربردهای مهندسی، اغلب به تلفیق خواص مواد نیاز داریم. موادی که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک باشند، مقاومت سایشی وجذب UV1خوبی داشته باشند که از جمله آن انواع کامپوزیت ها را می توان نام برد.
کامپوزیتها، ترکیبات ساخته شده از پلیمر و پر کننده آلی یا غیر آلی هستند. استفاده از پر کنندهای غیرآلی در ماتریکس پلیمر، استحکام و سفتی پلیمر را افزایش میدهد و تولید آنها به صورت بالقوه میتواند باعث بهبود ویژگیهای مکانیکی مواد بسته بندی و ظروف نشاستهای گردد.
کامپوزیت‌ها از دیدگاه زیستی به دو دسته کامپوزیت‌های طبیعی. مانند استخوان، ماهیچه، چوب و ...و کامپوزیت‌های مصنوعی(مهندسی) تقسیم میشود.کامپوزیت‌های سبز(کامپوزیت‌های زیست‌تجزیه‌پذیر)در اینگونه کامپوزیت‌ها، فاز زمینه و تقویت کننده، از موادی که در طبیعت تجزیه می‌شوند، ساخته می‌شوند. در کامپوزیت‌های سبز، معمولاً فاز زمینه از پلیمرهای سنتزی قابل جذب بیولوژیکی و تقویت کننده‌ها از فیبرهای گیاهی ساخته می‌شوند ] 88[.
2-5- تعریف نانو کامپوزیتفناوری نانو به دلیل تعامل نزدیکی که با سایر رشتههای علوم دارد به سرعت در حال گسترش است و در این علم پلیمر را نیز از مزایای خود بی بهره نگذاشته است. استفاده از فناوری نانو در زمینهی علم پلیمر به تولید پلیمرهای نانوکامپوزیت منجر شده است. نانوکامپوزیتها پلیمرهایی هستند که در آنها از ترکیبات آلی یا غیرآلی مختلفی که دارای اشکال مختلف صفحه ای، کروی و یا به صورت ذرات ریز بوده و اندازه ای در حد ابعاد نانو دارند به عنوان فیلر یا پرکننده استفاده میشود. فیلمهای حاصل از ترکیب نانو مواد و بیوپلیمرها و یا به اصطلاح نانو کامپوزیتهای بیوپلیمری خواص کاربردی مطلوبتری از خود نشان میدهند که مهمترین آنها افزایش مقاومت مکانیکی و کاهش نفوذپذیری نسبت به بخار آب میباشد. افزایش بازدارندگی در برابر نفوذ گازها، افزایش کارایی فیلم در استفاده به عنوان بسته بندی فعال، افزایش مقاومت حرارتی ماده بسته بندی و ایجاد شفافیت و بهبود خواص ظاهری فیلم از دیگر مزایای نانوکامپوزیتهای بیوپلیمری است ]6[.
2-6- تعریف بایو نانو کامپوزیتدر طول چند سال اخیر "بایونانوکامپوزیت" تبدیل به یک اصطلاح رایج برای تعیین نانوکامپوزیت ها که شامل پلیمرهای طبیعی در ترکیب با مواد معدنی هستند و نشان دهنده حداقل یک بعد در مقیاس نانومتر است ] 31 و 61[. که ویژگی های آنها در مقایسه با نانوکامپوزیت های مشتق شده از پلیمرهای سنتزی بسیار مطلوب تر است. علاوه بر این بایونانوکامپوزیت ها مزیت قابل توجه ای از زیست سازگاری، زیست تخریب پذیری و بهبود ویژگی های عملکردی به وسیله ارائه بایولوژی یا بخش معدنی نشان دادند. موجودات زنده تولید کننده نانوکامپوزیت های طبیعی هستند که آرایش ترکیبی از ترکیبات آلی و معدنی در مقیاس نانو نشان میدهد ]32[.
در واقع بایونانوکامپوزیت ها نسل جدیدی از نانوکامپوزیتها هستند که شامل ترکیبی از بیوپلیمرها و مواد معدنی هستند که حداقل یکی از ابعاد آنها در مقیاس نانومتری باشد ] 63[. علاوه بر این، مواد بیوپلیمر به عنوان یک فن آوری سبز شناخته شده ]73[. و در صنایع دارویی، بسته بندی مواد غذایی و تکنولوژی های کشاورزی قابلیت تجزیه بیولوژیک و زیست سازگاری از خود نشان داده اند ]84[.
2-7- فلز تیتانیومبسیاری از مهندسین و طراحان هنوز تیتانیوم را فلزی گران و ناشناخته قلمداد می کنند اما پیشرفت های اخیری که در زمینه تولید این فلز صورت گرفته است نشان می دهد که تیتانیوم ماده ای بسیار فوق العاده برای استفاده های مهندسی است. تیتانیوم با عدد اتمی 22 و نماد Ti از عناصر گروه فلزات واسطه می باشد. نقطه ذوب 1668درجه سانتیگراد، نقطه جوش 3287 درجه سانتیگراد و وزن اتمی 88/47 دارد. یکی از ویژگی های مهم تیتانیوم چگالی پایین آن 506/4 گرم بر سانتیمتر مکعب می باشد. این ویژگی همراه با استحکام و مقاومت بالا در برابر خراشیدگی تیتانیوم را به فلزی ایده آل تبدیل کرده است. تیتانیوم عمدتاً در صنایع هوا فضا و همینطور در کارخانه ها و تجهیزات صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد. این فلز همچنین در ساخت عینک ها، مهندسی کنترل و فناوری پزشکی خصوصاً مواردی که حد تحمل بیولوژیک از اهمیت زیادی برخوردار است مورد استفاده قرار می گیرد. تیانیوم ماده ای غیر سمی حتی در مقادیر بالا می باشد. همچنین این ماده هیچ نقشی در سیستم طبیعی بدن انسان ایفا نمی کند. بطور تخمینی روزانه 8 میلی گرم تیتانیوم وارد بدن انسان می شود. اگر چه تقریباً بدون جذب شدن از بدن دفع میگردد ]2[.
2-7-1- نانو دی اکسید تیتانیومدی اکسید تیتانیوم در اندازه نانومتری یک فوتو کاتالیست ایده آل است که مهم ترین دلیل وجود این خاصیت در این ماده قابلیت جذب اشعه فرابنفش است. فوتون های فرابنفش بسیار پرانرژی هستند و در بیشتر موارد می توانند به سادگی باعث تخریب اجسام گردند. دی اکسید تیتانیوم با جذب اشعه فرابنفش و به واسطه خاصیت فوتوکاتالیستی خود می تواند پوششی ضد باکتری روی سطوح ایجاد کند و هم چنین مانع از عبور اشعه گردد. وجود همین خواص ویژه، نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم را تبدیل به گزینه ای مناسب برای استفاده در کرم های ضدآفتاب نموده است. حذف بوی نامطبوع و تجزیه سموم آلی و معدنی و میکروارگانیسم های مضر و بیماری زای موجود در آب و فاضلاب کاربرد عمده دیگر این ماده است. نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم خاصیت آب دوستی بالایی دارند ]2[.
2-8- فیلم های خوراکیتولید فیلمهای خوراکی از پلیمرهای طبیعی مورد توجه زیادی قرار گرفته است که به علت قابلیت خوراکی بودن و سازگاری زیستی این فیلمها است. آماده سازی این فیلمها شامل استفاده از دست کم یک عامل شکل دهنده فیلم، یک محلول و یک واسط میشود. ماکرو مولکولهای مورد استفاده عبارتند از پلی ساکاریدها، پروتئینها و لیپیدها هستند. بسیاری از منابع پلی ساکارید برای آماده سازی فیلمهای خوراکی همچون ریشه و نشاسته غلات و پکین وجود دارند. با این حال، نشاستهها بیشتر در مواد خام بهکار برده میشوند زیرا منابعی تجدیدپذیر هستند و ارزان هم هستند. نشاسته یک جزء غذایی عمده است و یک کربوهیدرات تجزیهپذیر که از هزاران واحد گلوکز ساخته شده است. نشاسته دربرگیرنده زنجیرههای خطی و شاخهدار مولکولهای گلوکز است که آمیلوز و آمیلوپکین نامیده میشوند. آمیلوز که یک حالت خطی نشاسته است مسئول شکلگیری فیلمهای قوی است. پیوندهای فیزیکی در شبکه ماکرومولکولی نشاسته بیشتر براساس آمیلوز هستند و بر خصوصیات مکانیکی فیلمها تاثیر میگذارند از سوی دیگر، ساختار شاخهدار آمیلو پکتین عموماً باعث ایجاد فیلمهایی میشود که شکننده هستند .فیلمهای بر پایه نشاسته خصوصیات فیزیکی شبیه پلیمرهای سنتزی دارند از جمله شفاف بودن، بدون بو، بدون مزه و نیمه نفوذپذیر به علاوه، آنها خصوصیات مانعی خوبی دارند ]51[.
2-9- پوشش ها و فیلم های خوراکیپوششهای خوراکی لایه نازکی از یک ماده خوراکی هستند که بر روی سطح ماده غذایی به عنوان پوشش و یا در لابلای اجزای تشکیلدهنده ماده غذایی از طریق پیچیدن، فروبری، برسزدن یا اسپری کردن قرار داده می‌شود تا مانعی در برابر عوامل مخرب از قبیل حضور گازهایی مانند اکسیژن و دی اکسید کربن، رطوبت و مواد معطر باشد تا به این ترتیب زمان ماندگاری ماده غذایی افزایش یابد. این مواد می‌توانند به صورت پوشش کامل محصول باشند و یا به عنوان یک جزء غذایی همراه غذا مصرف گردند. فیلمهای خوراکی از نظر نحوه تولید متفاوت از پوششهای خوراکی هستند. آنها قبل از کاربرد در بستهبندی مواد غذایی به صورت لایهای نازک تولید میشوند و سپس مانند پلیمرهای سنتزی برای بندی بکار میروند. کاربرد فیلمها و پوششهای خوراکی بدینمعنی نمیباشد که میتوانند برای افزایش زمان انبارمانی مواد غذایی جایگزین مواد بستهبندی غیرخوراکی و ساختگی گردند. پوششهای خوراکی در واقع ظرفیت افزایش کیفیت و ماندگاری غذا و بهبود بازده اقتصادی مواد را به عنوان یک ماده کمکی بستهبندی دارا میباشند ]47[.
فیلمهای حاصل از نانو مواد و بیوپلیمر ها یا به اصطلاح نانو کامپوزیت های بیوپلیمری خواص کاربردی مطلوب تری نشان می دهند که مهم ترین آنها افزایش مقاومت مکانیکی و کاهش نفوذ پذیری به بخار آب، افزایش بازدارندگی در برابر نفوذ گازها، افزایش کارائی فیلم به عنوان بسته بندی فعال، افزایش مقاومت گرمایی ماده بسته بندی و بهبود خواص ظاهری فیلم از دیگر مزایای نانوکامپوزیت های بیوپلیمری می باشد ]51[.
پوشش محصولات غذایی با فیلمهای خوراکی و پوششهای خوراکی، آنها را از مزایای گونا گون از نقطه نظر جنبههای سلامت بخش، حسی و اقتصادی برخوردار می سازد .برخی از مهمترین این مزایا به شرح زیر هستند: به سبب زیست کافت بودن، بر خلاف فیلم های سنتزی باعث آلودگی محیط زیست نمی شوند] 35[ ؛ خود، از ارزش تغذیه ای نیز برخوردار هستند ]21و 41[. ؛ مانع فساد و آلو دگی میکروبی می شوند ]77[. فساد و پلاسیدگی 2میوه ها و سبزی ها را طی انبارداری به تعویق می اندازند]62 و 26[. ظاهر یا جلوه غذا را به نحو مطلوب حفظ می کنند ]23و 96[ و مانع جذب رطوبت یا آبگیری مواد غذایی با رطوبت کم و تبعات منفی ناشی از آن همچون بدبافتی حاصل از تبلور قندها در فرآورده، بدرنگی وجلوگیری از کلوخه شدن پودرها می شوند ]61[ مانع ازدست رفتن رایحه غذا می شوند ]86[. مانع قهوه ای شدن آنزیمی و غیرآنزیمی مواد غذایی می شوند]26 و 39[. براستحکام و یکپارچگی بافت مواد غذایی می افزایند و از افت ترکیبات مغذی در اثر واکنش های ناخواسته همچون اکسایش و واکنش های قهوه ای شدن جلوگیری می کنند ] 39[. بدطعمی و بدرنگی و آثار سوء ناشی از آن ها را کاهش می دهند ]19، 26 و 95 [. مانع چکیدن یا تراو ش، درگوشت می شوند ] 39[. به عنوان حامل مواد افزودنی نظیر ترکیبات پادمیکروبی، پاداکسنده ها، مواد طعم دهنده ورنگ ها عمل می کنند]86[. مانع سبز شدن سطحی سیب زمینی در برابر نور می شوند ] 39[.و جذب بیش از حد روغن به بافت محصول و خروج بیش از حد آب از آن را طی سرخ کردن به طور چشمگیر کاهش می دهند ] 21 و 98[. زیست -کافت بودن (تجزیه پذیر بودن زیستی)، خوراکی بودن و کارآمد بودن فیلم های خوراکی سبب شده است که این فیلم ها به عنوان جایگزین های فیلم های سنتزی به طور وسیع مورد مطالعه، پژوهش و کاربرد قرار گیرند. کارآیی فیلم های خوراکی به شاخص های کیفی آن ها مربوط می شود. این شاخص ها نیز به نوبه خود از جنس فیلم و روش تولید آن اثر میپذیرند.
کاربرد فیلم های خوراکی در محصولات غذایی به سال های بسیار دور برمی گردد. چینی ها در قرن دوازدهم و سیزدهم میلادی مرکبات را با موم پوشش می دادند تا از افت وزن و کاهش رطوبت آنها جلوگیری شود. در قرن شانزدهم میلادی گوشت را با چربی پوشش می دادند تا از چروکیدگی آن جلوگیری شود. در همان زمان برای نگهداری گوشت گوشت و سایر مواد غذایی آنها را با فیلم های ژلاتین پوشش می دادند. یوبانوعی فیلم ترکیبی از چربی و پروتئین خوراکی است که از قرن پانزدهم در شرق آسیا به طور سنتی از شیر سویا تهیه می شده است. در قرن نوزدهم فندق و بادام را با ساکاروز پوشش می دادند تا از اکسید شدن و تندی آنها جلوگیری شود. از دهه 1930 تا کنون سطح میوه ها را با موم ها و امولسیون روغن در آب پوشش می دهند. طی 40 سال گذشته تحقیقات متعدی در زمینه تهیه، کاربرد و ویژگی های فیلم ها و پوشش های خوراکی انجام شده است. یکی از روش های تولید فیلم های تجزیه پذیر استفاده از بایو پلیمرهایی بر پایه نشاسته، پروتئین و سلولز است. ]53[.
2-10- بسته بندی فعال
تکنولوژی جدید در بسته بندی مواد غذایی در پاسخ به نیازهای مشتریان یا در راستای تولید صنعتی محصولات غذایی محافظت شده با روش های ملایم تر، تازه، لذیذ و راحت با عمر انباری زیاد و کیفیت کنترل شده توسعه می یابند. علاوه بر این تغییرات در نحوه توزیع(مثل جهانی سازی بازاردر نتیجه توزیع غذا در مسافت های طولانی) یا روش زندگی مصرف کنندگان ( بدلیل صرف زمان کمتر برای خرید غذای تازه از بازارو پخت و پز) مهمترین چالش ها در زمینه صنعت بسته بندی می باشد و به عنوان نیروی پیش برنده در جهت توسعه مفاهیم جدید بسته بندی و بهبود یافته می باشند که میزان مدت زمان نگهداری را افزایش داده در حالیکه موجب حفظ ایمنی و کیفیت مواد غذایی شده و آن را تحت نظارت دارد. در بسته بندی فعال به بسته بندی اجازه داده می شود تا با غذا و محیط اطرافش واکنش متقابل داشته باشد و نقش دینامیکی در نگهداری ماده غذایی بازی نماید.
بسته بندی فعال به صورت زیر تعریف می شود:
"در بسته بندی فعال شرایط حاکم بر غذای بسته بندی شده را به نحوی تغییر می دهد تا مدت زمان نگهداری آن را افزایش داده و ایمنی و خصوصیات حسی غذا را بهبود بخشیده در حالیکه کیفیت غذای بسته بندی شده را حفظ می نماید"یا" بسته بندی فعال به عنوان زیر مجموعه ای از بسته بندی هوشمند طبقه بندی می شود و به شرکت افزودنی های خاص در فیلم های بسته بندی یا در داخل بسته با فرض نگهداری و افزایش عمر انبار مانی اطلاق میشود".
بسته بندی فعال می تواند نقش های متعددی را داشته باشد که در بسته بندی های رایج وجود ندارد. این نقش ها عبارتنداز: فالیت ضدمیکروبی، گرفتن اکسیژن، رطوبت و اتیلن (ویژگی اسکاونجری)، رهاکردن مواد طعمی و یا اتانول ] 2[.
2-11- بسته بندی نانو
یکی از کاربردهای تجاری نانوتکنولوژی در بخش غذایی بسته بندی است. پیشگوئی شده است که در 25% بسته بندی های غذایی در دهه آینده از نانوتکنولوژی استفاده میشود. هدف اصلی در بسته بندی نانو افزایش عمر ماندگاری به وسیله بهبود عملکرد مانع در کاهش گاز، تبادل رطوبت و پرتو نور UV است. بالغ بر 90 درصد بسته بندی نانو بر اساس نانو کامپوزیت است که بهبود دهنده عوامل حامل در لفاف های پلاستیکی برای مواد غذایی و بطری های پلاستیکی برای نوشیدنی های غیر الکلی و آبمیوه است.
بسته بندی نانو می تواند خصوصیات ضدمیکروبی، آنتی اکسیدانی و گسترش مدت ماندگاری و غیره داشته باشد.
به طور کلی کاربردهای فناوری نانو در بسته بندی و حفاظت از محصولات را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
-نانوکامپوزیت های مغناطیسی مورد استفاده در حسگرهای برچسبی.
-نانوکامپوزیت های پلیمری کلی(خاک رس) برای بهبود ویژگی های عایقی.
-پلاستیک های جدید برای استفاده در بطری ها با خواص عایق در برابراشعه UVو نفوذ گازها.
-برچسب های RFID .
-نفوذ ذرات پرکننده پلیمرها.
-نانو بارکدها و برچسب ها جهت بسته بندی و محافظت مقادیر کم.
-ارتقای دوام و قابلیت استفاده و بسته بندی پلاستیک ها.
-روکش های با نانو کامپوزیت های پلیمری و نانو الیافی.
-نانومواد افزودنی برای بهبود عملکرد (استحکام، مقاوم به آب، جذب، رسانایی و ...).
-کاغذ و یا پلاستیک های با قابلیت حسگرها.
-نانوکدهای ساخته شده از مواد کاغذی و یا پلاستیکها برای شناسایی و تأیید اهداف بسته بندی هوشمند ]88[.
2-12- بسته بندی ضد میکروبیسیستم بستهبندی است که قادر به بازداری از فساد و جلوگیری از رشد میکرو ارگانیسمهای بیماریزایی که آلودهکننده مواد غذایی هستند، میباشد. میتوان از طریق افزودن مواد ضدمیکروبی در سیستم بستهبندی و یا به کارگیری پلیمرهای ضدمیکروبی که نیازمندیهای بستهبندی مورد رضایت مصرف کننده را تامین کند، به عملکرد ضدمیکروبی جدیدی دست یافت. هنگامیکه سیستم بستهبندی فعالیت ضدمیکروبی را القا میکند، سیستم بستهبندی یا مواد بسته بندی بوسیله افزایش دوره تاخیری و کاهش سرعت رشد و یا کاهش تعداد میکرو ارگانیسمهای زنده، رشد میکروبی را محدود میکند و یا از رشد میکروبی جلوگیری میکند ]7[.
2-12-1- انواع بسته بندی های ضد میکروبی
بسته بندیهای ضد میکروبی را میتوان به انواع زیر طبقهبندی کرد :
قرار دادن کیسههای کوچک (ساچت) حاوی مواد ضدمیکروبی فرار در داخل بستهبندی
وارد کردن مستقیم مواد ضد میکروبی و غیر فرّار در داخل پلیمر بستهبندی
پوششدادن یا جذب سطحی ماده ضدمیکروبی بر روی سطح پلیمر بستهبندی
بی تحرککردن مواد ضد میکروبی بر روی پلیمر توسط پیوندهای کووالانسی
استفاده از پلیمرهایی که به صورت ذاتی ویژگی ضدمیکروبی دارند ]5[.
2-12-2- مزایای استفاده از بسته بندی های ضد میکروبیدر بستهبندیهای ضد میکروبی انتشار مواد ضد میکروبی از ماتریکس پلیمر به سطح ماده غذایی به صورت آهسته و در زمان طولانی انجام میگیرد و در نتیجه برای مدت طولانی غلظت زیادی از ماده ضدمیکروب در سطح فرآورده وجود خواهد داشت. مواد ضدمیکروبی از طریق کاهش سرعت رشد و طولانی کردن فاز تاخیری میکروارگانیسمها و یا غیر فعال کردن و نابودی میکروبها باعث افزایش ماندگاری فرآورده غذایی میشود ]5[.
2-12-3- معایب استفاده از بسته بندی های ضد میکروبیماده ضد میکروبی به سرعت از سطح ماده غذایی به داخل آن نفوذ میکند (منتشر میشود ) و در نتیجه خاصیت ضد میکروبی در سطح کاهش مییابد. مواد ضد میکروبی باقی مانده در تماس با مواد فعال موجود در سطح خنثی میشوند و میکروبهای آسیب دیده ممکن است دوباره فعال گردند. برای مثال ثابت شده است که امولیسفایرها و اسیدهای چرب با نایسین واکنش داده و خواص آن را کاهش میدهند ]5[.
2-13- پلاستی سایزرهافیلم ها و پوشش های خوراکی نیاز به کشش خوب و انعطاف پذیری، شکنندگی پایین، چقرمگی بالا برای جلوگیری از ترک خوردن در طول حمل و نقل و ذخیره سازی دارند بنابراین پلاستیسایزرها با وزن مولکولی پایین برای تغییر انعطاف پذیری فیلم های خوراکی به آنها افزوده میشود. سایز کوچک، قطبیت بالا گروههای قطبی در مولکول و فاصله بیشتر گروههای قطبی در مولکولهای پلایستسایزر سبب افزایش اثرات آن بر روی پلیمرها میگردد. در واقع عملکرد آنها اینگونه است که با افزایش حجم آزاد یا کاهش جاذبه ذرات بین زنجیره های پلیمری مجاور سبب کاهش پیوند هیدروژنی بین زنجیره های پلیمر میگردد ]89[. بیشترین پلاستیسایزرهای استفاده شده پروپیلن گلایکول ]97[، گلیسرول ]89[، سوربیتول ]44[، الیگوساکارید ]20[، و آب هستند. در نهایت به این نتیجه میرسیم که افزودن پلاستیسایزرها سبب تغییرات قابل توجه ای در خواص مانعی از فیلم ها به عنوان مثال افزایش نفوذپذی فیلم به گازها، کاهش توانایی فیلم در جذب آب و کاهش استحکام کش ] 34و 38[. به عنوان یک قانون کلی می توان بیان نمود:با افزایش پلاس سایزرها به فیلم های غذایی، قابلیت نفوذ پذیری تا حد قابل توجهی افزایش یافته و باعث پیوند هیدروژنی بین زنجیرههای پلیمری کاهش یافته و در عین حال حجم مولکولی افزایش می یابد که منجر به افزایش قابلیت انعطاف پذیری فیلم میشود ]87[.
تالجا و همکاران (2007)، اعلام کرده اند که گلیسرول به منظور نرم کنندگی به فرمولاسیون فیلم افزوده می شود. پلاستیسایزرها تحرک زنجیره های پلیمر را با پرکردن فضاهای خالی بین شبکه پلیمر، افزایش می دهند و نیروهای پیوندی درون مولکولی کاهش یافته، شکنندگی کم، آبدوستیو قابلیت انتقال گاز و بخار آب زیاد می شود ]92[.


بنابه گزارش ( گیلبرت و همکاران، 1996)، افزودن پلاستیسایزر با کاهش پیوندهای درون مولکولی بین زنجیره های پلیمر، خواص فیلم را اصلاح کره و WVP را افزایش می دهد. علیرغم این یافته فیلم های دارای فروکتوز و سوربیتولWVP کمتری را نسبت به فیلم های بدون پلاستیسایزر نشان دادند. از آنجائیکه فیلم های بدون پلاستیسایزر بسیار شکننده اند، این امکان وجود دارد که منافذ بسیار ریزی داشته باشند که سرعت انتقال بخار آب را افزایش دهند ]37[.
2-14- روشهای تولید فیلمبه طورکلی فیلمهای خوراکی از محلول ها یا دیسپرسیون های ترکیبات فیلمساز پدید می آیند ]50[. اجزای اصلی فیلم سازی را میتوان به سه بخش شامل حلال، پلیمر و نرم کننده (پلاستیسایزر) تقسیم کرد. پلاستیسایزرها همچون پلیمرها باید محلول در حلال و نیز با آنها قابل امتزاج باشند ]70[. تولید فیلم مستلزم وجود دست کم یک ترکیب پلیمری است که قادر به ایجاد ساختار شبکهای با استحکام و پیوستگی کافی باشد ]69[. در ارتباط با تولید فیلم های خوراکی نکات و ظرایف فراوانی وجود دارند که هر یک بر خواص نهایی فیلم های تولید شده اثر قابل ملاحظه دارند. از جمله آنها می توان به اثر عواملی نظیر جنس و غلظت پلیمر فیلم ساز، PHمحلول لفاف ساز، دما، زمان، قدرت یونی محلول فیلم ساز، نوع و مقدار افزودنی های مورد استفاده، فشار، نوع ترکیب بندی فیلم از نظر ساده و یا مرکب بودن و مخلوط یا لایه ای بودن (قرار گیری دو یا چند لایه مجزا روی یکدیگریا مخلوط شدن اجزاء)، جزئیات مربوط به خواص شیمیایی هر یک از اجزای فیلم ساز، حضور الکترولیت ها و روش تولید فیلم اشاره داشت ]54[. تولید این فیلم ها را می توان در دو قسمت شامل تشکیل فیلم به صورت مجزا و تشکیل فیلم به طور مستقیم بر سطح غذا مورد بررسی قرار داد. در حالت نخست، ابتدا فیلم ساخته شده و سپس بر سطح ماده غذایی پوشش داده میشود، حال آن که در حالت دوم تشکیل فیلم و پوشش دهی آن بر سطح غذا در یک مرحله صورت میگیرد. هر یک از روش های بالا که مورد استفاده قرار گیرند، نخستین مرحله در تولید فیلم، تهیه محلول فیلم ساز است. این محلول، حلال، پلیمر فیلم ساز و افزودنی ها را شامل می شود. در شیوه تشکیل مجزای فیلم، محلول فیلم ساز پس از تهیه شدن با یکی از روش های لایه سازی گسترانده و خشکمی شود. فیلم حاصل با روش های روکش دادن بر سطح ماده غذایی پوشش داده می شود. معادل این شیوه ها در روش پوشش دهی مستقیم فیلم بر غذا، شیوه های افشانی، لایه سازی، برس زنی، غرقابی یا غوطه وری و پوشش دهی با بستر سیال را شامل میشود ]48[.
2-15- ارزیابی خواص فیلم های خوراکی2-15-1- خواص ممانعتی خواص ممانعتی فیلمهای خوراکی به گازها/ بخارات در صنعت غذا، در شرایطی که جلوگیری از پدیدههای نامطلوبی نظیر از دست رفتن رایحه، جذب بوهای نامطلوب از محیط، از دست رفتن رطوبت غذا و جذب رطوبت از اتمسفر به غذاهای خشک مطرح باشد، از اهمیت فراوان برخوردار است ]30[. به طور کلی فیلم های خوراکی به دلیل آبدوست بودن، از خواص ممانعتی مطلوب به O2 و CO2 به ویژه در رطوبت نسبی پائین برخوردارند. عوامل محیطی دما و رطوبت نسبی در میزان تراوایی این فیلمها مؤثرند ] 12[. زیاد بودن رطوبت در مواد غذایی باعث واکنش های شیمیایی و آنزیمی مخرب و زایل شدن بافت آنها میشود. به طور کلی خواص ممانعتی فیلمهای زیست پلیمری به رطوبت به دلیل خاصیت آبدوستی آنها، برخلاف خواص ممانعتی به اکسیژن و سایرگازها، ضعیف است ]13[. ممانعت به عبور بخار آب با شاخص "تراوائی بخار آب =WVP، سرعت گذر بخار آب = WVTR
و ممانعت به عبور اکسیژن با شاخص" تراوائی اکسیژن =OP " یا " سرعت گذر اکسیژن = OTR " سنجیده میشود ] 14[ .
OTR= oxygen transmission rate
OP= oxygenpermeability
WVP=water vapor permeability
WVTR=water vapor transmission rate
استفاده از پوشش های خوراکی به ویژگی های ممانعت در برابر گاز، بخار آب، آروما و روغن وابسته است که به ترکیبات شیمیایی و ساختار پلیمر تشکیل دهنده و ویژگی های محصول و شرایط نگهداری بستگی دارد.
کاهشOTR موجب کاهش اکسیداسیون چربی (رنسیدیتی)، اکسیداسیون میوگلوبین (قهوه ای شدن رنگ)، کاهش تصعید مواد فرار از محصول و جلوگیری از نفوذ مواد فرار از محیط می شود.
در مورد نفوذ پذیری به بخار آب از میان ماتریکس پلیمر فیلم میزانWVP برای فیلمهای خوراکی بستگی به پلاستیسایزر، دما، رطوبت نسبی و ... دارد. میل ترکیب شدن با آب در فیلم ها به ترکیبات هیدروفیلیک موجود در پلیمر نسبت داده شود ]91[.
جییوآگو و همکاران در سال 2009بیان داشتند، در فیلم بر پایه نشاسته نخود با پلاستیسایزر گلیسرول (GPS) با پر کننده اکسید روی به همراه40% کربوکسی متیل سلولز ZnO-CMC))، WVPدر فیلم های کامپوزیت Zno-CMC/GPS با افزایش محتوی Zno-CMCکاهش معنی داری پیدا می کند که نشان دهنده اینموضوع استکهمقاومت دربرابرآب درکامپوزیت بهتراز ماتریکسخالصاست] 45[.
لی و همکاران در سال 2010 نشان دادند کهWVPدر فیلم هایPVC با فزایش مقدار نانو ذرات اکسید روی کاهش قابل توجه ای دارد (05/0 > P)، بنابراین فیلمهای پوشیده شده با نانو ذرات اکسید روی میتوانند مولکول آب بیشتری در سیستم بسته بندی نگه دارند و در نتیجه عمر مفید برخی مواد غذایی مانند میوه ها و سیبزیجات را به تاخیر می اندازد. این محققین بیان کردند که ضعف اصلی فیلم های خوراکیWVTR بالای آنهاست که در این تحقیق مشخص شد که نرخ انتقال رطوبت نسبی و اکسیژن در بسته بندی های نانو کاهش یافت در مقایسه با بسته بندی های طبیعی در نتیجه فیلم های پوشش داده شده با نانو اکسید روی پتانسیل خوبی برای بسته بندی مواد غذایی است ]57[.
طی تحقیقات برودی در سال 2006 نشان داده شد که نانو کامپزیت هایCNTs با PLA تا 200 درصد سرعت انتقال بخار آب را بهتر از PLA خالص افزایش میدهد ]24[.
2-15-2- خواص مکانیکیبه طور معمول، مقاومت مکانیکی فیلم های هیدروکلوئیدی بر اساس سه پارامتر مورد بررسی قرار میگیرد: استحکام کششی (TS) مدول یانگ (Y)و درصد افزایش طول در نقطه شکست (E).قدرت کشش، خواص ازیاد طول،مدول یانگ توسط منحنی استرس–استرین (تنش-کرنش) توسط انجمن مواد و آزمایش آمریکا (ASTM ) تعریف شده است.
خواص مکانیکی فیلمها به نیروهای بین مولکولی زنجیرههای پلیمری سازنده آنها، نسبت ترکیبات سازنده افزودنیهای اضافه شده در شرایط محیطی بستگی دارد ]53[.
مهمترین شاخصهای سنجش خواص مکانیکی عبارتند از:
استحکام کششی(TS)، بیشترین نیرویی که سبب کسیختگی جسم میشود تقسیم بر سطح مقطع جسم را گویند. نشان دهنده قدرت کششی یا فشاری آن جسم است و یا نشان دهنده مقاومت جسم است.
کشیدگی در نقطه شکست (E%)، بیشترین تغییر طول نسیت به طول اولیه را گویند.به عنوان یک خاصیت جسم معرفی می شود که انعطاف پذیری جسم را بررسی میکند. نشان دهنده قدرت کشش پذیری است. (چند درصد طول می تواند کش بیاید ولی پاره نشود)
مدول یانگ (Young’s moduls) نسبت stress به strain در ناحیه خطی است که میزان سختی جسم را بررسی می کند و نشان می دهد که هرچه سختی جسم بیشتر باشد سختی جسم بیشتر است.
ویلهلم و همکاران در سال 2003 نشان دادند که افزودن پر کننده غیر آلی به ماتریکسPS-PVOH سفتی فیلم را افزایش میدهد ] 102[.
لین و همکاران در سال 2009 نانو ذرات اکسید روی را در سه شکل(P-N-W)به پلیمر پلی پروپیلن(PP)اضافه کردند. که نتایج نشان داد ساختار شش ضلعی یا چند وجهیrod اجازه می دهد، استرس به طور موثرتری نسبت به دیگر نانو ذرات ZnO به ماتریکس پلیمری منتقل شود که سبب افزایش قدرت و سفتی کامپوزیت میشود. پر کننده ZnO _ N کمترین میزان کشیدگی(E%)را دارد که بدین علت است که بطور متوسط سایز کریستال کوچکتر است و تمایل دارد به آگلومیریزه شدن (بهم پیوستن) در هنگام مخلوط شدن با پلی پروپیلن دارد، در نتیجه ماتریکس حاصل خواص کششی پایین تری دارد ]60[.
لی و همکارانش (2009) اثرات نانو ذرات ZnO بر خواص مکانیکی پوشش های پلی اورتان را بررسی کرده اند. پوشش های پلی اورتان غنی شده با نانو ذرات ZnOتا 2 درصد وزنی بهبود قابل توجهی در Young’s moduls و استحکام کششی (TS) نشان داده اند. پلی اورتان به دلیل خواص فیزیکی خوب مانند انعطاف پذیری در دمای پایین، استحکام کششی، قابلیت کنترل سختی و شفافیت به طور گسترده ای استفاده می شود اما از معایب آن مقاومت دمایی پایین و دوام مکانیکی پایین آن می باشد. اندازه نانومتر و بویژه سطح تماس زیاد نانو فیلرها واکنش سطح داخلی فیلر و پلیمر را افزایش داده و در نتیجه موجب بهبود خواص پلیمر می شود. آزمایش های متناوب نشان می دهد که نانوفیلر ذرات ZnO استحکام را افزایش می دهد اما تأثیری بر انعطاف پذیری فیلم های کامپوزیتی ندارد. بالا رفتنYoung’s moduls و استحکام کششی ممکن است به دلیل محدودیت نسبی حرکت اجزاء ساختاری زنجیرهPU با افزودن ZnO باشد. صاف کردن نیز می تواند سبب تراکم نانو ذرات ZnO در فیلم خشک شده و منجر به تنزل خاصیت مکانیکی فیلم شود ]56[.
2-16- خواص ضد میکروبیبسته بندیهای فعال ضد میکروبی ساخته شده از نانوکامپوزیت های فلزی نسل جدیدی از بسته بندی با ساختار نانو هستند که از ترکیب مستقیم نانو ذرات فلزی با پلیمر پایه تولید میشوند. در بسته بندیهای فعال، انتشار مواد ضد میکروبی از ماتریکس پلیمری به سطح ماده غذایی به صورت آهسته و در زمان طولانی انجام میشود و در نتیجه برای مدت طولانی غلظت بالایی از ماده ضد میکروبی در سطح فرآورده وجود خواهد داشت. مواد ضد میکروبی از طریق کاهش سرعت رشد و طولانی کردن فاز تأخیری میکروارگانیسم ها و یا غیر فعال کردن و نابودی میکروب ها باعث افزایش ماندگاری فرآورده های غذایی میشوند. در مورد فیلم ها و پوشش های خوراکی انتخاب نوع ماده ضد میکروبی تنها به ترکیبات خوراکی محدود میشود. زیرا از آن جا که این مواد همراه ماده بسته بندی و ماده غذایی مصرف می شوند، خوراکی بودن و ایمنی آنها امری ضروری است. ویژگی هایی که یک ترکیب ضد میکروبی مورد استفاده در بسته بندی های فعال باید داشته باشد عبارتند از:
-مورد تأیید سازمان های نظارت کننده بوده و برای تماس با ماده غذای مجاز باشد.

–229

از جمله اسید های چرب غیر اشباع موجود در ژل رویال می توان به 10 هیدروکسی 2 دکونئیک اسید(10-HPA) اشاره نمود که در طبیعت تنها در ژل رویال دیده شده و خواص اعجاب انگیزی را در بر دارد (Bărnuţiu et al, 2011). نشان داده شده است که عملکرد پروتئین های Rj فعالیت آنتی اکسیدانی بالایی داشته و این پروتئین ها توانایی مهار رادیکال های آزاد را دارند( Nagai et al., 2004; Sver et al, 1996 ). هدف مطالعه حاضر بررسی تاثیر داروی بلئومایسین بر پارامترهای اسپرم، تغییرات بافتی بیضه، سیستم استرس اکسیداتیو و توان باروری (IVF) در موش های صحرایی نر می باشد.
2-1) کلیات3-1) دستگاه تولید مثل نر در پستانداراندو جزء مهم دستگاه تولید مثل گنادها و مجرای تولیدمثلی هستند. گنادها (بیضه ها) عملکرد اندوکرینی انجام می دهند، که در محور هیپوتالاموس- هیپوفیز- گنادی تنظیم می شود. گنادها از سایر غدد اندوکرینی متفاوت هستند به طوری که در آن ها عمکرد اگزوکرین (گامتوژنز) نیز صورت می گیرد. مجرای تولیدمثل از چندین جنبه در نمو، عملکرد و انتقال گامت درگیر می باشد. دستگاه تولید مثل مرد برای گامتوژنز مادام العمر تکامل یافته که این تکامل، همراه با اسپرم در تراکم بالا (منی به مقدار 3 تا 5 میلی لیتر و بیش از 60 میلیون اسپرم در هر میلی لیتر) برای بروز تلقیح داخلی همراه می باشد. در مردان بزرگسال نقش پایه ای هورمون های گنادی شامل: پشتیبانی گامتوژنز(اسپرماتوژنز)، حفظ مجرای تولید مثل، تولید منی و حفظ ویژگی های جنسی ثانویه و لیبیدو در مردان می باشد(Berne et al, 2010).
1-3-1) بیضه
بیضه غده زوجی است که به علت تولید سلول های جنسی، غده سلول زا نامیده می شود(رجحان، 1376) و در خارج از شکم و در فضایی موسوم به اسکروتوم قرار دارند. این جایگاه دمای بیضه را در حدود 2 درجه پایین تر از دمای بدن حفظ میکند که این دما برای نمو مطلوب اسپرم حیاتی است(Berne et al, 2010). در واقع بیضه ها در مرحله جنینی در پشت پرده صفاق و مجاور دیواره خلفی حفره شکم تکامل می یابند(رجحان، 1376)، سپس به طرف اسکروتوم که در انتهای طناب های اسپرماتیک قرار گرفته، مهاجرت نموده و درون آن آویزان می شوند. شکل و اندازه آن در گونه های مختلف متفاوت می باشد. برای تولید نرمال اسپرم، این غده باید حدود 1 تا 4 درجه سانتیگراد پایین تر نسبت به متوسط درجه حرارت بدن قرار گیرد. تنطیم این دما تا حدی به واسطه تبادل حرارتی از طریق عروق شریانی و وریدی انجام می گیرد که به دور بافت بیضه پیچیده اند (بیگدلی، 1383). عوامل دیگر کنترل دما عبارتند از تبخیر عرق از اسکروتوم و انقباض عضلات کرماستر در طناب اسپرماتیک که سبب کشیده شدن بیضه ها به کانال اینگوینال شده و دمای آنها را افزایش میدهد (.(Junqueira, 2005 وزن هر بیضه در انسان حدود 40 گرم می باشد، قطر قسمت طولی بیضه حدود 5/4 سانتیمتر می باشد. 80% بیضه یک فرد بالغ متشکل از لوله های مولد منی است و 20% باقی مانده مربوط به کپسول و داربست بیضوی است که در داخل آن سلول های لیدیگ پراکنده شده اند (بیگدلی، 1383)
1-3-1-1) ساختمان بیضه و اپی دیدیم
هر لوبول بیضه دارای یک تا سه مجرای اسپرم ساز می باشد. در لابلای این مجاری بافت همبند ظریفی دیده می شود که حاوی عروق و اعصاب و تعدادی سلول بیضوی شکل بنام سلول لایدیگ است. سلول های لایدیگ، تستوسترون ترشح می کنند. جزء دیگر این عضو سلول های میوئید دور لوله ای هستند، که در بیضه نابالغ تحت عنوان سلول های پیرامون لوله ای معروفند و با بلوغ جنسی تحت تأثیر هورمون های هیپوفیزی و آندروژن ها خاصیت انقباضی پیدا میکنند (Eurell and Frappier, 2006). دو نوع انقباض در این لوله ها دیده می شود: نوع اول باعث به جلو راندن محتویات لوله می گردد. این نوع انقباض احتمالا در انتقال اسپرم رها شده به شبکه بیضه نقش دارد. نوع دوم: انقباض موضعی است وباعث دور کردن سلول های زایای پیش میوزی از غشاء پایه میگردد و همچنین به رها سازی اسپرم در فرآیند اسپرم ریزی کمک می کند (Lamp and Foster, 1988). جزء سوم این عضو لوله های منی ساز هستند که اسپرماتوزوئیدها را تولید می کنند. اسپرماتوزوئیدها در داخل مجاری اسپرم ساز تکامل و تمایز می یابند. سلولهای سرتولی یا پشتیبان، سلولهای هرمی شکلی هستند که درون مجاری اسپرم ساز دیده می شوند و دارای سه عمل پشتیبانی، فاگوسیتوز و ترشح می باشند. سر اپی دیدیم دارای 12 تا 20 مجرای کوچک است که ادامه ی مجاری افرنت می باشند. این مجاری به دور خود پیچ خورده و لوبول های مخروطی شکل اپی دیدیم را تشکیل می دهند. هر یک از لوبول های اپی دیدیم 15 تا 20 سانتی متر طول دارد و مجموعه ی آنها به لوله ی منفرد اپی دیدیم که 6 متر طول داشته و در نواحی تنه و دم اپی دیدیم قرار دارد، ختم می شود. اپی تلیوم اپی دیدیم از نوع مطبق کاذب است که در رأس سلولهای منشوری آن تعدادی مژه ی غیر متحرک بنام استرئوسیلیا وجود دارد. طبقه های عضلانی اپی دیدیم در دو لایه داخلی (حلقوی) و خارجی (طولی) قرار گرفته است (حسن زاده، 1391).
1-3-1-2) آپاندیس بیضه و آپاندیس اپی دیدیم یک زائده ی کوچک و بیضوی شکل از انتهای فوقانی بیضه، درست زیر سر اپی دیدیم، آویزان می شود که به نام آپاندیس بیضه یا کرم بی پایه مورگانی موسوم است. این زائده بقایای انتهای فوقانی مجرای پارامزونفریک می باشد. بر روی سر اپی دیدیم نیز یک زائده ی کوچک دیده می شود که از بقایای مجرای مزونفریک بوده و بنام آپاندیس اپی دیدیم موسوم می باشد(حسن زاده، 1391).
1-3-1-3) غلافهای بیضهبیضه توسط سه غلاف پوشیده می شود که از خارج به داخل شامل: تونیکا واژینالیس، تونیکا آلبوژینه و تونیکا واسکولوزا می باشد(حسن زاده، 1391).
1-3-1-4) تونیکا واژینالیسیک غلاف صفاقی دو لایه است که دارای یک لایه ی احشایی و یک لایه ی جداری می باشد. لایه ی جداری آن به فاسیای اسپرماتیک داخلی که داخلی ترین لایه ی اسکروتوم است، متصل شده و لایه ی احشایی آن به تونیکا آلبوژینه می چسبد. کنار خلفی بیضه و اپی دیدیم توسط تونیکا واژینالیس پوشیده نشده اند. در این محل لایه های جداری و احشایی تونیکا واژینالیس در امتداد یکدیگر قرار می گیرند. لایه ی احشایی این غلاف، وارد فضای بین اپی دیدیم و سطح خارجی بیضه شده و سینوس اپی دیدیم را می سازد. تونیکا واژینالیس، انتهای دیستال پروسسوس واژینالیس است. پروسسوس واژینالیس، یک استطاله ی صفاقی است که در هنگام نزول بیضه در دوران جنینی آن را همراهی می کند و پس از ورود بیضه به کیسه بیضه، مسدود می شود. این استطاله ممکن است کاملاً از بین برود و یا بصورت یک نوار لیفی در ضخامت طناب اسپرماتیک باقی بماند(حسن زاده، 1391).
1-3-1-5) تونیکا آلبوژینایک غلاف سفید مایل به آبی است که از جنس بافت همبند متراکم می باشد. این غلاف در طول کنار خلفی بیضه ضخیم تر شده، مدیاستینوم بیضه را بوجود می آورد. عروق و اعصاب بیضه از طریق این ناحیه وارد بیضه می شوند. تعدادی تیغه بنام تیغه های بیضه از مدیاستینوم بیضه وارد بیضه شده وآن را به حدود 250 لبول ناقص تقسیم می کنند. هر لبول بیضه دارای یک تا سه مجرای اسپرم ساز پیچ در پیچ می باشد. مجاری اسپرم ساز به مجاری مستقیمی ختم می شوند که در مدیاستینوم بیضه یک شبکه بنام شبکه ی بیضه تشکیل داده اند. شبکه ی بیضه با مجاری افرنت ارتباط داشته و از این طریق با سر اپی دیدیم مرتبط می شوند(حسن زاده، 1391).
1-3-1-6) تونیکا واسکولوزااز جنس بافت همبند سست بوده و حاوی عروق خونی فراوان می باشد. این غلاف سطح داخلی غلاف آلبوژینه را پوشانده و همراه با تیغه های آن وارد بیضه می شود(حسن زاده، 1391).
1-3-1-7) عصب گیری بیضه
اعصاب بیضه و اپی دیدیم همراه با شریان بیضه نزول می کنند. این اعصاب از شبکه های کلیوی و آئورتیک مشتق می شوند. الیاف سمپاتیک آن از دهمین و یازدهمین سگمان نخاع سینه ای می باشند. دردهای بیضه در قسمت تحتانی جدار شکم حس می شوند.
1-3-2) مجرای دفران مجرایی است به طول 40 تا 50 سانتی متر که از دم اپی دیدیم شروع می شود. این لوله ابتدا در مجاورت کنار خلفی بیضه، در داخل اپی دیدیم صعود می کند. در مجاورت انتهای فوقانی بیضه، مجرای دفران در قسمت خلفی طناب اسپرماتیک قرار گرفته و در ضخامت آن صعود می کند. همراه با طناب اسپرماتیک از کانال اینگوینال عبور کرده و در سوراخ عمقی اینگوینال، طناب را ترک می کند. سپس شریان اپی گاستریک تحتانی را از خارج دور زده و در جلوی شریان ایلیاک خارجی صعود می کند. پس از آن، بطور مایل بطرف عقب و پایین می آید و بعد از تقاطع با عروق ایلیاک خارجی، وارد لگن کوچک می شود. این مجرا در حالیکه نسبت به شریان مسدود شده ی نافی، عروق و عصب ابتراتور و عروق مثانه ای در داخل قرار گرفته، از بین جدار خارجی لگن و صفاق بطرف عقب می رود. سپس با حالب تقاطع کرده و در سطح خلفی مثانه قرار می گیرد. در سطح خلفی مثانه، در حالی که نسبت به سمینال وزیکول در داخل قرار گرفته نزول می کند و بتدریج در مجاورت مجرای طرف مقابل قرار می گیرد. در قاعده ی پروستات مجرای دفران با مجرای سمینال وزیکول پیوند شده، مجرای انزالی ایجاد می شود. مجرای دفران در خلف مثانه متسع و پیچ دار می شود. این قسمت از مجرای دفران را آمپول می نامند. با توجه به اینکه جدار مجرای دفران ضخیم است و مجرای داخلی آن کوچک می باشد، در هنگام لمس این مجرا به شکل طناب است(حسن زاده، 1391).
1-3-2-1) ساختمان مجرای دفرانمجرای دفران شامل سه طبقه ی مخاطی، عضلانی و همبندی است. مخاط آن دارای چینهای طولی بوده و اپی تلیوم آن از نوع مطبق کاذب است که سلولهای منشوری آن فاقد مژه می باشند. طبقه ی عضلانی ضخیم بوده و از دو لایه طولی داخلی و خارجی تشکیل شد ه است که یک لایه حلقوی در بین آن ها قرار می گیرد.
1-3-2-2) عصب گیریمجرای دفران از شبکه هیپوگاستریک عصب گیری می کند.
1-3-3) مجاری ابرنتیک مجرای باریک و بن بست به نام مجرای ابرنت دمی به قسمت دمی اپی دیدیم یا ابتدای مجرای دفران متصل می شود. این مجرا 5 تا 35 سانتی متر طول دارد و فاقد پیچ و خم است.
یک مجرای ابرنت سری نیز بر روی سر اپی دیدیم دیده می شود که با شبکه بیضه ارتباط دارد. مجاری ابرنت از مجاری مزونفریک مشتق می شوند.
1-3-4) پارادیدیممجموعه ی کوچکی از مجاری پیچ و خم دار است که در جلوی طناب اسپرماتیک در بالای سر اپی دیدیم قرار دارند. این مجاری بقایای مزونفروس هستند.
1-3-5) طناب اسپرماتیکطناب اسپرماتیک از سوراخ عمقی کانال اینگوینال تا بیضه امتداد می یابد. این طناب شامل مجرای دفران، شریان مجرای دفران، عروق و اعصاب بیضه می باشد. عناصر فوق توسط سه لایه احاطه شده اند که این سه لایه در اطراف بیضه نیز قرار می گیرند و عبارتند از: فاسیای اسپرماتیک داخلی، فاسیای کرماستریک و فاسیای اسپرماتیک خارجی. در دوران جنینی، هنگامی که بیضه نزول می کند، از داخل کانال اینگوینال عبور کرده، وارد اسکروتوم می شود. در این مرحله عناصری که همراه بیضه هستند (مجرای دفران، عروق مجرای دفران و بیضه و اعصاب بیضه )، لایه هایی از جدار شکم را با خود به طرف اسکروتوم می برند. فاسیای اسپرماتیک داخلی، یک لایه ی نازک و سست است که از فاسیای عرضی شکم مشتق می شود. فاسیای کرماستریک شامل الیاف عضلانی و مقداری بافت همبند سست است که در امتداد عضله مایل داخل شکم قرار می گیرد. فاسیای اسپرماتیک خارجی یک لایه ی متراکم است که در امتداد نیام عضله ی مایل خارجی شکم می باشد. بنابراین مشخص می شود که در داخل کانال اینگوینال، فاسیای اسپرماتیک خارجی وجود ندارد. طناب اسپرماتیک چپ کمی طویل تر از طناب اسپرماتیک راست می باشد. به همین دلیل بیضه ی چپ پایین تر از بیضه ی راست قرار می گیرد. طناب اسپرماتیک در بین سوراخ سطحی کانال اینگوینال و بیضه از جلوی تندون عضله ی آدوکتورلونگوس عبور می کند. شریان پودندال خارجی سطحی از جلو و شریان پودندال خارجی عمقی از عقب با طناب تقاطع می کنند. عناصری که درون طناب اسپرماتیک قرار دارند، عبارتند از: مجرای دفران، شریان بیضه، شریان مجرای دفران، شریان کرماستریک ( شاخه ای از شریان اپی گاستریک تحتانی)، شبکه ی پیچک مانند و وریدهای بیضه، عروق لنفاوی بیضه، شاخه ی ژنیتال عصب ژنیتوفمورال (L2 ) و اعصاب بیضه. در لابلای عناصر فوق مقداری بافت همبند سست قرار می گیرد .
1-3-6) اسکروتوم یا کیسه بیضهکیسه ای است که در پایین سمفیزیس پوبیس، در بین سطوح قدامی داخلی رانها قرار دارد. بیضه ها، اپی دیدیمها و قسمت های تحتانی طنابهای اسپرماتیک درون این کیسه قرار می گیرند. اسکروتوم از دو نیمه ی راست و چپ تشکیل شده است که توسط یک سجاف پوستی به یکدیگر متصل می شوند. این سجاف پوستی در جلو در سطح تحتانی پنیس ودر عقب در خط میانی پرینه تا مقعد امتداد می یابد و بیانگر مبدأ دو طرفه ی اسکروتوم از برجستگیهای لبیواسکروتال است. اسکروتوم در افراد پیر و در هنگام گرما، صاف و آویزان شده ولی در افراد جوان و در هنگام سرما کوتاه و چین خورده است. لایه های کیسه بیضه عبارتند از: پوست، عضله ی دارتوس، فاسیای اسپرماتیک خارجی، فاسیای کرماستیک و فاسیای اسپرماتیک داخلی. پوست اسکروتوم نازک، قابل کشش وتیره رنگ است. این پوست دارای چین های عرضی است که از سجاف میانی به طرف خارج می روند. عضله ی دارتوس یک لایه ی نازک از الیاف عضلانی صاف است که در امتداد لایه ی سطحی فاسیای سطحی شکم قرار می گیرند. عضله ی دارتوس در تشکیل تیغه ی اسکروتال که دو بیضه را از یکدیگر جدا می کند، شرکت می نماید. اتصال عضله ی دارتوس به پوست بسیار محکم ولی به لایه های زیرین سست است. یک نوار لیفی عضلانی بنام رباط اسکروتال از عضله ی دارتوس به انتهای تحتانی بیضه متصل می شود که در تنظیم درجه حرارت بیضه نقش دارد. فاسیای اسپرماتیک داخلی که فاسیای اینفاندیبولیفورم نیز نامیده می شود به سستی به لایه ی جداری تونیکا واژینالیس متصل م
ی گردد(حسن زاده، 1391).
1-3-6-1) عصب گیری
13 قدامی اسکروتوم از طریق عصب ایلیواینگوینال و شاخه ی ژنیتال عصب ژنیتوفمورال از اولین عصب نخاعی کمری (L1) عصب گیری می کند. 23 خلفی اسکروتوم از طریق شاخه های اسکروتال خلفی عصب پودندال و شاخه های پرینه آل عصب جلدی رانی خلفی از سومین عصب نخاعی خاجی (S3) عصب گیری می کند. عضله ی دارتوس از الیاف سمپاتیک همراه با شاخه های ژنیتال عصب ژنیتوفمورال عصب گیری می کند(حسن زاده، 1391).
1-3-7) سمینال وزیکولهاهر سمینال وزیکول لوله ی بن بستی است که به دور خود پیچ خورده و حالت لوبولی دارد. طول این عضو هرمی شکل 5 سانتی متر است و قاعده اش متوجه بالا، عقب و خارج می باشد. سطح قدامی سمینال وزیکول با قاعده ی مثانه مجاورت دارد و سطح خلفی آن به واسطه ی فاسیای رکتووزیکال ( فاسیای دنون ویلیه) از رکتوم جدا می شود. رأس این عضو در پایین، بصورت یک لوله ی مستقیم است که به آن آمپول مجرای دفران متصل شده و در تشکیل مجرای انزالی شرکت می کند. هر سمینال وزیکول در داخل با آمپول مجرای دفران، در خارج با وریدهای شبکه ی پروستاتیک که به ورید ایلیاک داخلی تخلیه می شوند ودر پایین با پروستات مجاورت دارد(Snell ,2008).
1-3-7-1) ساختمان سمینال وزیکولجدار سمینال وزیکول از سه لایه تشکیل می شود: طبقه ی مخاطی، طبقه عضلانی و طبقه آدوانتیس. مخاط دارای چین های متعدد بوده و اپی تلیوم آن مطبق کاذب یا منشوری ساده است. طبقه ی عضلانی نازکتر از طبقه ی عضلانی مجرای دفران می باشد و از یک لایه طولی خارجی و یک لایه حلقوی داخلی تشکیل شده است. بافت همبند آدوانتیس دارای تعدادی الیاف الاستیک می باشد . 70 درصد مایع منی توسط سمینال وزیکولها ترشح می شود(Snell ,2008).
1-3-7-2) عصب گیری


سمینال وزیکول ها از شبکه های لگنی، عصب گیری می کنند. الیاف سمپاتیک که از اولین گانگلیون کمری خارج می شوند، به عنوان عصب حرکتی عضلات جدار سمینال وزیکولها عمل می کنند و تحریک آنها باعث تخلیه ترشحات این عضو می گردد(Snell ,2008)..
1-3-8) مجرای انزالیهر مجرای انزالی، لوله ای است به طول 2 سانتیمتر که از اتصال مجرای دفران به مجرای سمینال وزیکول ایجاد می شود. این مجرا از قاعده ی پروستات شروع شده، از بین لوب میانی و لوب های راست و چپ پروستات به طرف پایین و جلو آمده و در روی کولیکولوس سمینالیس باز می شود. دو مجرای انزالی در ضخامت پروستات به یکدیگر نزدیک شده و در طرفین اوتریکول پروستاتی به کولیکولوس سمینالیس می رسند(Snell ,2008).
1-3-8-1) ساختمان
مخاط مجاری انزالی مشابه مجاری دفران است ولی این ساختمان فاقد لایه ی عضلانی می باشد. مجرای انزالی از خارج توسط بافت همبند احاطه می شود که با استرومای پروستات یکی می شود(Snell ,2008)..
1-3-9) پروستات
عضوی مخروطی شکل یا مشابه شاه بلوط است که در زیر گردن مثانه قرار گرفته، قاعده آن در بالا و رأس آن در پایین می باشد. این عضو، پیشابراه پروستاتی را در بر می گیرد. پروستات دارای یک سطح قدامی، یک سطح خلفی و دو سطح تحتانی خارجی می باشد. قطر عرضی قاعده ی این عضو تقریباً 4 سانتی وقطر قدامی خلفی آن تقریباً 2 سانتی متر است. ارتفاع پروستات تقریبا ً3 سانتیمتر و. وزن این عضو تقریباً 8 گرم می باشد. قاعده پروستات با گردن مثانه مجاورت داشته و پیشابراه از این سطح وارد پروستات می گردد. رأس این عضو در پایین ترین قسمت قرار گرفته و پیشابراه پروستاتی از جلوی آن خارج می شود. سطح قدامی باریک و محدب است و تقریباً 2 سانتی متر عقب تر از سمفیزیس پوبیس قرار می گیرد. پیشابراه از پایین ترین قسمت این سطح، در مجاورت رأس، خارج می شود. سطح خلفی به طور عرضی مسطح و بطور عمودی محدب است و توسط فاسیای رکتووزیکال (فاسیاید نون ویلیه) از رکتوم جدا می شود. مجاری انزالی درست در زیر مثانه وارد این سطح می شوند. سطوح تحتانی خارجی با بخشهای قدامی عضلات لواتورآنی مجاورت دارند(حسن زاده، 1391)..
1-3-9-1) ساختمان پروستات
پروستات از 30 تا 50 غده ی لوله ای حبابی تشکیل شده است و توسط یک کپسول همبندی سرشار از الیاف عضلانی صاف احاطه می شود. آلوئلهای ترشحی و مجاری بسیار نامنظم هستند و اپی تلیوم آنها از نوع منشوری ساده یا مطبق کاذب است. نزدیک به 30 درصد مایع منی توسط پروستات ترشح می شود که این ترشحات به سینوس های پروستات در پیشابراه پروستاتی می ریزند. غالباً در مجرای پروستات اجسام مدور کوچکی از جنس گلیکوپروتئین دیده می شود که به آنها اجسام آمیلاسه می گویند. با افزایش سن بر تعداد اجسام آمیلاسه افزوده می شود(حسن زاده، 1391)..
1-3-9-2) لوب های پروستاتبطور قراردادی پروستات را به 5 لوب تقسیم می کنند که عبارتند از: لوب قدامی، لوب میانی، لوب خلفی و دو لوب خارجی البته بایستی توجه داشت که مرز کاملاً مشخصی بین این لوبها وجود ندارد. لوب قدامی ناحیه ی کوچکی در جلوی پیشابراه است که از نظر ترشحی اهمیت زیادی ندارد. لوب میانی در اطراف پیشابراه پروستاتی قرار داشته و ممکن است در سنین بالای 50 سال دچار هیپرتروفی خوش خیم گردد. بقیه غده مجموعه ای از لوب های خارجی و خلفی می باشد که برای راحتی بیان تحت عنوان لوب های چپ و راست نامگذاری می گردد. اهمیت لوب های چپ و راست از آن جهت است که بیشترین تغییرات سرطانی در این نواحی مشاهده می شود (حسن زاده، 1391).
1-3-9-3) عصب گیری
عصب گیری این عضو از شبکه ی هیپوگاستریک تحتانی می باشد. الیاف سمپاتیک باعث انقباض الیاف عضلانی و تخلیه غده در هنگام انزال می شوند. الیاف پاراسمپاتیک از اعصاب احشایی لگنی می باشند(حسن زاده، 1391).
1-3-10)غدد بولبواورترالغدد بولبواورترال یا غدد کوپر، یک جفت عضو مدور، کوچک و زرد رنگ هستند که تقریباً یک سانتی متر قطر داشته و در طرفین پیشابراه غشایی قرار می گیرند. این غدد در سنین بالا کوچکتر می شوند. مجرای خروجی هر غده تقریباً 3 سانتی متر طول دارد و در خارج مخاط پیشابراه غشایی بطور مایل بطرف جلو می رود. این مجرا پس از سوراخ کردن فاسیای دیافراگماتیک تحتانی (غشاء پرینه آل ) در کف پیشابراه اسفنجی باز می شود. سوراخ مجرای فوق، 5/2 سانتی متر پایین تر از غشاء پرینه آل قرار می گیرد(حسن زاده، 1391)..
1-3-10-1) ساختمان
غدد بولبواورترال از نوع غدد لوله ای – حبابی با اپی تلیوم مکعبی ساده هستند. در جدار این غدد الیاف عضلانی صاف و مخطط دیده می شود. ترشحات موکوسی غدد بولبواورترال به عنوان نرم کننده ی مجرا عمل می کنند(حسن زاده، 1391)..
1-4) سلول های سری اسپرماتوژنزسلول های سری اسپرماتوژنز، سلول های متفاوتی از بافت پوششی لوله های منی ساز هستند که در 4 تا 8 لایه در کنار یکدیگر قرار گرفته و فضای بین لایه قاعده ای تا مجرای لوله را اشغال می کنند. این سلول ها به ترتیب در برگیرنده چند نسل سلول های اسپرماتوگونی با عنوان گروه A وB روی غشای پایه وسپس یک نسل اسپرماتوسیت اولیه، یک نسل اسپرماتوسیت ثانویه، یک نسل اسپرماتید ویک نسل اسپرماتوزوئید است(Eurell and Frappier, 2006).
1-5) سلولهای پشتیبان یا سرتولیسلول های سرتولی، سلولهای هرمی شکل هستند که قاعده آنها به لایه بازال میچسبد، در حالی که انتهای رأسی آنها معمولاً تا مجرای لوله منی ساز امتداد می یابد. این زوائد به عنوان مجراهایی هستند که سلولهای زایا در مراحل مختلف رشد و تکامل دربین آنها قرار داشته و به سمت مجرا حرکت می کنند. بعد از بلوغ اسپرماتوسیت ها، اتصالات محکم جدیدی بین زوائد سلولهای سرتولی در پشت آنها پدید می آید و اتصالات قدیمی جلوی آنها باز می شود و به این ترتیب بدون درهم ریختن جامعیت سد خونی- بیضوی که توسط سیتوپلاسم سلولهای سرتولی ایجاد شده است، اسپرماتوسیتها از بخش قاعده ای به بخش مجرائی عبور میکند. سیتوپلاسم این سلولها به عنوان فیلتر عمل کرده و تنها به مواد خاصی اجازه عبور می دهند(بیگدلی، 1383). این سد در حفظ سلولهای زایای جنس مذکّر در مقابل مواد مضر موجود در خون دارای اهمیت است. در زیر این اتصالات، اسپرماتوگونی ها در یک محوطه قاعده ای قرار می گیرند و در نتیجه به راحتی به مواد درون خون دسترسی می یابند. هنگام اسپرماتوژنز، سلولهای اسپرماتوسیت لپتوتن نهایی و زیگوتن، از این اتصالات گذشته و در محوطه جنب مجرایی قرار می گیرند. از اینجا به بعد، مراحل پیشرفته تر اسپرماتوژنز به کمک سد خونی- بیضوی از دسترس مواد موجود در خون حفظ می شوند. سلول های سرتولی بوسیله اتصالات شکافدار نیز به هم متصل شده اند که خود سبب ایجاد ارتباط یونی و شیمیایی بین سلولها می شود. چنانچه در انسان و حیوانات دیگر شرایط نامطلوبی مانند عفونت، سوء تغذیه و تشعشع اشعه X به سلول های سرتولی آسیب برساند، باعث اختلال سریع در فرایند اسپرماتوژنز می شود و در صورت مرگ سلولهای سرتولی، نا باروری دائمی رخ خواهد داد (Junqueira , 2005).
سلولهای سرتولی با همکاری سد خونی- بیضوی اعمالی همچون؛ پشتیبانی، حفاظت و تغذیه اسپرماتوزوئیدهای درحال تکامل، فاگوسیتوز در حین اسپرمیوژنز را انجام می دهند. سیتوپلاسم باقیمانده اسپرماتیدها به صورت اجسام باقیمانده از آنها جدا گشته و توسط سلولهای سرتولی فاگوسیته و توسط لیزوزوم آنها تجزیه می گردند، علاوه براین چنانچه ذرات خارجی و باکتریها بدینجا رسیده باشند توسط سلولهای سرتولی بیگانه خواری می شوند (جلوگیری از واکنشهای اتوایمن) ترشح سلولهای سرتولی به طور مداوم مایعی به درون لوله های منی ساز ترشّح می کنند که در جهت مجاری تناسلی جریان یافته و برای حمل اسپرم به کار می رود. با کنترل هورمونFSH، یک پروتئین متصل شونده به آندروژن (ABP) ترشح می کند که مسئول تغلیظ تستوسترون در درون لوله های منی ساز می باشد(رجحان، 1376). سلولهای سرتولی قادر به تبدیل تستوسترون به استرادیول هستند. این سلول ها پپتیدی به نام اینهیبین نیز ترشح می کنند که ساخت و آزاد شدن FSH در بخش قدامی غده هیپوفیز را مهار می کند. همچنین تولید هورمون آنتی مولرین، که یک گلیکوپروتئین است و در دوره جنینی، تحلیل مجاری مولر را در جنین مذکر تحریک می کند (Junqueira, 2005).

1-6) اسپرماتوژنزفرآیند تولید اسپرماتوزوئیدها را اسپرماتوژنز می گویند. اسپرماتوژنز در توبول های سمینیفر به طور معمول از ۱۳ سالگی و در نتیجه تحریک هورمون های گنادوتروپیک هیپوفیز قدامی شروع میشود و تا پایان زندگی ادامه مییابد (Guyton and Hall, 2006). تولید اسپرم بطور پیوسته در سرتاسر دوره زندگی تولیدمثلی مرد انجام میشود، تقریبأ ۲۰۰-۱۰۰ میلیون اسپرم روزانه تولید میشود. برای تولید این مقدار انبوه، نیاز است که اسپرماتوگونی ها با تقسیمات سلولی طی چرخه اسپرماتوژنز خود را تجدید کنند (Junqueira, 2005). چرخه اسپرماتوژنز در همه جانوران الگوی یکسان دارد و از سه مرحله مجزا تشکیل میشود:
1-6-1) اسپرماتوسیتوژنزاین فرآیند از یک سلول زایای اولیه (اسپرماتوگونی) که مجاورلایه قاعده ای قرار گرفته است، آغاز میشود. به هنگام بلوغ جنسی، این سلول دستخوش یک سری تقسیم میتوز شده و سلولهایی که تازه تشکیل شدهاند، یکی از این دو راه را انتخاب میکنند: این سلولها ممکن است بعد از یک یا چند تقسیم میتوزی باز به تقسیم ادامه داده و به صورت سلولهای بنیادی تمایز نیافته به نام اسپرماتوگونی نوع A درآیند و یا در حین چرخههای پیش رونده میتوزی به اسپرماتوگونی نوع B تمایز حاصل کنند. اسپرماتوگونی نوع B نیز به نوبت به اسپرماتوسیتهای اولیه تبدیل میشود Junqueira, 2005)).
1-6-2) میوزاسپرماتوسیتهای اولیه، کمی پس از تشکیل در اولین تقسیم میوزی وارد پروفاز میشوند. در این هنگام اسپرماتوسیت دارای ۴۶ کروموزوم وn۴،DNA میباشد. سلول در طی پروفاز یک، از چهار مرحله عبور میکند- لپتوتن، زیگوتن، پاکیتن و دیپلوتن و وارد مرحله دیاکینز میشود که در این مرحله کروموزومها از یکدیگر جدا میشوند. در طی این مراحل از تقسیم میوز، تقاطع ژنهای ۱۶ کروموزومی با یکدیگر صورت میگیرد. پس از آن سلول وارد مرحله متافاز میشود و کروموزومها در مرحله آنافاز به سمت قطبها حرکت میکنند. از آنجائیکه مرحله پروفاز در این تقسیم در حدود ۲۲ روز به طول میانجامد، بیشتر سلولهایی که در مقاطع بافت شناسی مشاهده میشوند، در این مرحله قرار دارند. اسپرماتوسیت های اولیه بزرگترین سلولهای دودمان اسپرماتوژن هستند. از تقسیم اول میوز سلولهای کوچکتری به نام اسپرماتوسیت های ثانویه که تنها دارای ۲۳ کروموزوم (X+۲۲،Y+۲۲) هستند، حاصل میشوند. این کاهش تعداد کروموزوم از ۴۶ به ۲۳ همراه با کاهش مقدار DNA از n۴ به n۲ در هر سلول می باشد. مشاهده اسپرماتوسیتهای ثانویه در برشهای بافتی مشکل است. چون این سلولها دارای عمر کوتاه بوده و مدت زمان بسیار کوتاهی در مرحله اینترفاز باقی مانده (۲ تا ۳ روز) سریعأ وارد دومین مرحله تقسیم میوزی میگردند. از تقسیم اسپرماتوسیتهای ثانویه، اسپرماتیدها به وجود میآیند که دارای ۲۳ کروموزوم هستند. چون مرحله S یعنی مرحله سنتز DNA بین تقسیمات اول و دوم میوزی اسپرماتوسیتها وجود ندارند، لذا مقدار DNA موجود در اسپرماتیدها به نصف مقدار DNA اسپرماتوسیتهای ثانویه تقلیل یافته و شامل n ۱ کروموزوم میشود. بنابراین،فرآیند میوز سبب تشکیل سلولهایی با تعداد کروموزومهای هاپلوئید (n۱) میشود. در هنگام لقاح سلولهای جنسی، این تعداد مجددأ به تعداد دیپلوئید طبیعی میرسد. در واقع فرآیند میوز وجود تعداد ثابتی از کروموزومها را در هرگونه از جانوران تضمین میکند(Junqueira, 2005).
1-6-3) اسپرمیوژنزاسپرماتیدها سلولهایی هستند که در نتیجه تقسیم ثانویه اسپرماتوسیتها به وجود میآیند. این سلولها را میتوان به کمک اندازه کوچک آنها، هسته دارای کروماتین متراکم و قرارگیری در نزدیکی مجرای لوله های منی ساز تشخیص داد. اسپرماتیدها دستخوش یک فرآیند پیچیده تمایز، موسوم به اسپرمیوژنز میشوند که بطور خلاصه شامل مراحل زیر است: تشکیل آکروزوم، متراکم و طویل شدن هسته، تشکیل تاژک و دفع مقدار زیادی از سیتوپلاسم به صورت اجسام باقیمانده نتیجه نهایی این فرآیند تولید اسپرماتوزوئید بالغ است که به واسطه فرآیندی موسوم به اسپرمیاسیون به درون مجرای لولههای منی ساز آزاد میشود. در تقسیم سلولهای اسپرماتوگونیا، عمل سیتوکینزیز غیر کامل است، یعنی سیتوپلاسم آنها از هم جدا نمیشود. حاصل تقسیم یک اسپرماتوگونیا، تعداد زیادی اسپرماتوسیت اولیه، ثانویه و اسپرماتید متصل بهم حاصل می باشد که سیتوپلاسم آنها بوسیله پلی بهم متصل بوده و بصورت سین سی تیوم هستند و بعد از تکامل اسپرماتوزونها، اجسام باقیمانده از آنها جدا شده و هر اسپرم منفردا از زنجیره سین سی تیوم جدا میشود (رجحان، 1376).
1-7) مورفولوژی اسپرماسپرم از لحاظ ساختمانی به دو بخش سر و دم تقسیم میشود. سر اسپرم در بیشتر گونهها از جمله پستانداران عمدتأ به شکل پهن و بیضی شکل است و در جوندگان سر اسپرم داسی شکل می باشند (ضمیری، 1385).
1-7-1) سر اسپرم
ساختار سر اسپرم از دو جزء هسته و آکروزوم تشکیل گشته است:
الف- هسته سر اسپرم واجد کروموزوم هاپلوئیدی است که در هنگام لقاح با هسته n کروموزومی تخمک ادغام گشته و موجب تشکیل تخم 2n کروموزومی میگردد. ویژگیهای هسته اسپرم n کروموزومی بودن و داشتن کروماتین بسیار متراکم و یکنواخت می باشد (Eddy et al, 2004). مهمترین عاملی که باعث این فشردگی شدید شده است، جایگزینی پروتئینهای پروتامین به جای پروتئینهای DNA که هیستونها هستند میباشد. این تراکم و فشردگی باعث محافظت DNA در برابر صدمات فیزیکی و شیمیایی میشود (Knobi and Neills, 2006).
ب- آکروزوم: قسمت قدامی هسته توسط آکروزوم پوشیده شده که واجد دو غشاء داخلی و خارجی است، که این دو غشا در انتهای خلفی به همدیگر متصل میشوند. کلاهک آکروزومی مقادیر متنابهی از آنزیم های هیدرولیتیک و پروتئولیتیک دارد. زمانی که پدیده ظرفیت گیری اسپرماتوزوآ در لوله رحمی صورت می پذیرد، این انزیم ها آزاد شده و برای ایجاد نفوذ پذیری در پرده شفاف اووسیت ها، وارد عمل می شوند. ناحیه خلفی آکروزوم جایی است که کلاهک نازک شده و مواد درون آن متراکم تر می شوند. این ناحیه بخش استوایی آکروزوم اطلاق می شود (Eurell and Frappier, 2006). ازجمله آنزیم های هیدرولیتیک آکروزوم آنزیم هیالورونیداز است که اسپرم توسط این آنزیم اتصالات بین سلول های کومولوس را از بین می برد و خود را به تخمک می رساند. آنزیم مهم دیگر آکروزین است که اسپرم توسط آن زوناپلوسیدا را تجزیه می کند(ضمیری، 1385).
1-7-2) دم اسپرمدم ساختاری تاژک مانند است که موجبات حرکت اسپرم را بوجود آورده و نیروی لازم جهت حرکت اسپرم را نیز فراهم میکند (ضمیری، 1385) و از ۴ قسمت گردن، قطعه میانی- اصلی و انتهایی تشکیل شده است.

تصویر 1-1. ساختمان طبیعی اسپرم انسان (Parsiteb, 2013)1-7-3) اسپرم های غیر طبیعیبین ظاهر طبیعی اسپرم و تحرک آن، رابطه ی مستقیمی وجود دارد. در تمام انزالها، تعدادی اسپرم غیرطبیعی حضور دارد. ارزیابی مورفولوژی اسپرم پس از رنگ آمیزی با ائوزین- نگروزین انجام میگیرد. اسپرمهای غیرطبیعی به ۵ گروه زیر تقسیم میشوند:
الف- بدون دم
ب- سر غیر طبیعی
ج- ساختارهای غیر طبیعی دم
د- ساختارهای غیر طبیعی دم، به همراه قطره سیتوپلاسمی پیشین
ه- ساختارهای غیر طبیعی دم، به همراه قطره سیتوپلاسمی پسین (Hafez, 2000)

تصویر 2-1 انواع شکل های اسپرم(blogfa, 2013)1-8) سرنوشت و اعمال آندروژن ها1-8-1) آندروژن های داخل بیضه ایتستوسترون حاصل از سلولهای لایدیگ چندین عملکرد و سرنوشت در پیش دارد. به دلیل نزدیکی سلولهای لایدیگ- لوله های سمینیفر مقادیر زیادی از تستوسترون به لوله های سمینیفر انتشار می یابند و در جزء ادولومینال به واسطهABP تغلیط می شوند. سطوح تستوسترون در لوله های سمینیفری در مقایسه با غلظت گردش خون 100 برابر بیشتر است، زیرا برای اسپرماتوژنز طبیعی نیاز مطلق به تستوسترون وجود دارد. سلولهای سرتولی آنزیمی به نام CYP19(آروماتاز) بیان میکنند که مقادیر اندکی تستوسترون را به استروژن بسیار قوی به نام استرادیول 17- بتا تبدیل میکند. سلولهای اسپرم انسان حداقل یک گیرنده استروژن را بیان می کنند (Bern et al, 2010).
1-8-2) تبدیل محیطی استروژندر چندین بافت به ویژه در بافت چربی، تستوسترون به استروژن تبدیل می شود.استروژن محیطی نقشی مهم در بلوغ سازی استخوان و زیست شناسی مردان، پیش برد حساسیت انسولینی، بهبود پروفایل های لیپوپروتئینی(یعنی افزایش HDL، کاهش LDL و تری گلیسرید) و اعمال فیدبک منفی بر گنادوتروپین های هیپوفیز ایفا می کند(Bern et al, 2010).
1-8-3)تبدیل محیطی دی هیدروتستوسترونتستوسترون از طریق آنزیم 5- آلفا- ردوکتاز به آندروژن غیر قابل آرومانیز به نام 5- آلفا- دی هیدروتستوسترون (DHT) تبدیل می شود. دو ایزوفرم برای آنزیم 5-آلفا-ردوکتاز وجود دارد.به نام های 5-آلفا-ردوکتاز نوع 1 و 5-آلفا-ردوکتاز نوع 2. جایگاههای اصلی بیان 5-آلفا-ردوکتاز نوع2 مجرای تناسلی مرد، پوست تناسلی، فولیکول مو وکبد می باشد. 5- آلفا- ردوکتاز نوع 2 هورمون DHT را تولید میکند که برای عضلانی سازی اندام تناسلی خارجی در رحم و برای بروز بسیاری از تغییرات مرتبط با بلوغ از جمله رشد و فعالیت غده پروستات، رشد آلت تناسلی، کدر شدن و چین خوردگی های اسکروتوم، رشد مو در بدن و صورت و افزایش توده عضلانی فرد لازم است. بیان 5-آلفا-ردوکتاز نوع 1 با بلوغ جنسی اتفاق می افتد. این ایزوفرم در پوست بیان شده و در فعالیت غده سباسیوس و بروز آکنه در هنگام بلوغ دخالت دارد (Bern et al, 2010).
1-8-4) اعمال محیطی تستوسترونتستوسترون عملکرد سلولهای سرتولی را تنظیم میکند. این هورمون پیدایش مجرای تناسلی مرد از مجرای مزونفریک را در غیاب آنزیم 5-آلفا-ردوکتاز انجام می دهد.تستوسترون چندین اثر متابولیک شامل افزایش لیپوپروتئین دانسیته پایین LDL را داراست. در مقابل، این هورمون HDL را کاهش می دهد و موجب پیش برد رسوب بافت چربی در ناحیه شکم، افزایش تولید گلبول قرمز خون، پیشروی رشد و سلامت استخوان و اعمال اثر آنابولیک پروتئین در عضله می شود. تستوسترون برای حفظ عملکرد لیبیدو کافی است(Bern et al, 2010).
1-8-5) مکانیسم عمل آندروژنتستوسترون و دی هیدرو تستوسترون از طریق گیرنده آندروژن (AR) عمل میکنند. AR در سیتوپلاسم به صورت متصل به پروتئین های مراقب در غیاب لیگاند قرار دارد. اتصال تستوسترون-AR یا اتصال DHT- AR باعث تفکیک پروتئین های مراقب می شود به دنبال آن کمپلکس AR-آندروژن تشکیل می شود، آنگاه دیمریزاسیون رخ می دهد و در نهایت این مجموعه به هسته می رود و به عنصر پاسخی آندروژن (ARE) متصل می شود و موجب بسیج پروتئین های فعال کننده همراه و فاکتورهای نسخه برداری عمومی برای بسیاری از پروموتورهای خاص ژنی میگردد. این موضوع هنوز ناشناخته باقی مانده است که چگونه تستوسترون و DHT و توانایی آنها برای فعال سازی AR در بین انواع سلول های مختلف تفاوت قائل می شوند، هر چند حضور پروتئین های فعال کننده همراه مختلف احتمالاًًً در انواع سلول های متفاوت درگیر می باشد(Bern et al, 2010).
1-8-6) انتقال و متابولیسم آندروژن هابه مجرد این که تستوسترون وارد گردش خون محیطی می شود، به پروتئین های سرمی متصل می شوند و به سرعت با آنها به تعادل می رسند حدود 60% تستوسترون گردش خونی متصل به گلبولین اتصالی- هورمون جنسی (SHBG)، 38% متصل به آلبومین و حدود 2% به صورت هورمون آزاد هستند. تستوسترون و متابولیت های آن اصولا در ادرار دفع می شوند. تقریبا 50% آندروژن های دفعی به صورت 17- کتواستروئید های ادراری یافت میشوند. بخش اعظم باقیمانده به صورت آندروژن های کونژوگه یا مشتقات دی ال و تری ال هستند. تنهاحدود 30 % سولفات موجود در کبد کونژوگه می شوند و استروئید های کونژوگه در ادرار دفع می شوند(Bern et al, 2010).
1-8-7) محور هیپوتالاموس- هیپوفیز- بیضهتستوسترون توسط محور اندوکرینی درگیر با نورون های پاروی سلولی هورمون آزاد کننده گنادوتروپین (GnRH) و گنادوتروف های هیپوفیزی که هورمون لوتنینگ (LH)، و محرک فولیکولی (FSH) تولید می کنند تنظیم می شوند(Bern et al, 2010).

تصویر1-3: محور هیپوتالاموسی- هیپوفیزی- بیضه ای (Bern et al, 2010)1-9) بلئومایسین بلئومایسین(N1-[3-(dimethylsulphonio)propyl]bleomycin-amide) آنتی بیوتیکی کموتراپیک است که توسط باکتری Streptomyces Verticillus تولید میگردد (Sánchez et al, 2000). بلئومایسین‌ در درمان‌ سرطان‌ بیضه، سلولهای‌ سنگفرشی‌ سر و گردن‌، گلو، سرویکس‌، پوست و کلیه‌ کاربرد دارد. همچنین‌ این‌ دارو ممکن‌است‌ در افوزیونهای‌ بدخیم‌ پریتونال‌ و پلورال‌ و در درمان‌ لنفوم‌ هوچکینی‌ وغیرهوچکینی‌ موثر باشد(Lewis et al, 2006). این دارو به صورت پودر در ویال های 15و 30 میلی گرمی موجود بوده و به آسانی در آب مقطر به صورت محلول در می آید. بلئومایسین به طرق مختلف؛ عضلانی، داخل وریدی و یا زیر جلدی تزریق می گردد. فرمول مولکولی آن C55H84N17O21S3 • XH2SO4 بوده و وزن مولکولی محاسبه شده 1414 می باشد (Polovich et al, 2005).
1-9-1) تاریخچه و ساختمان شیمیایی بلئومایسینبلئومایسین برای اولین بار در سال 1966 توسط دانشمند ژاپنی به نام Hamao Umezawa کشف شد. وی در طی غربالگری باکتری S. verticillus به خاصیت ضدسرطانی این ماده پی برد . Umezawa در سال1966 اقدام به انتشارکشف خود نمود. Nippon Kayaku اولین فردی بود که در سال 1969 بلئومایسین را مورد استفاده قرار داد. در جولای 1969 تاییده ی FDA به داروی بلئومایسین داده شد و تحت عنوان تجاری Blenoxane توسط Myers در آزمایشگاه بریستول ایالات متحده ساخته و به بازار عرضه گردید. (Umenzawa et al, 1966 ). بلئومایسین خاصیت ضد سرطانی داشته و به صورت آمپولهای 15 واحدی موجود است. مصرف این دارو در دوران حاملگی غیرمجاز است. مگر اینکه در شرایط ویژه و حداقل استفاده گردد بلئومایسین بر روی کروماتین اسپرم و همچنین پروتئین های سر اسپرم تاثیرات قابل توجهی ایجاد میکند. همچنین ممکن است یک تاثیر منفی بر عملکرد باروری ، باروری و همچنین فرزندان افراد تحت درمان داشته باشد(Lambert and Eriksson, 1979).

تصویر 1-4: ساختمان شیمیایی بلئومایسین(Umenzawa et al, 1966 ).1-9-2) مکانیسم اثر بلئومایسین:بلئومایسین‌ آنتی‌بیوتیکی ‌است‌ که‌ اثر خود را هم‌ بر روی‌ سلولهای ‌قابل‌ تقسیم‌ و هم‌ سلولهایی‌ که‌ در حال‌ رشد نیستند، می‌گذارد. مکانیسم‌ احتمالی‌ آن ‌تداخل‌ در فاز2 Gتقسیم‌ سلولی‌ وجلوگیری‌ از رشد سلول‌ سرطانی‌ است‌. در واقع این دارو باعث مهار چرخه سلولی در مرحله 2 Gو سبب قطعه قطعه شدن DNA و تجزیه RNA شده و با پیدایش رادﻳﻜﺎل ﻫﺎی آزاد ﺳـﺒﺐ ﻣـﺮگ و ﺗﺨﺮﻳـﺐ ﺳﻠﻮلﻫﺎی ﺗﻮﻣﻮرال و در ﺣﺎل ﺗﻜﺜﻴﺮ ﻣﻲ ﺷﻮد. (Yamamoto, 2006)

تصویر 1-5: مکانسم عمل بلئومایسین(Nature, 2013)با فعال شدن بلئومایسین، گیرنده های آسیب در دو رشته DNA فعال می شوند، تا کنون همه گیرنده های مستقیم آسیب DNA شناخته نشده اند ولی به احتمال زیاد این سنسورها بسته به نوع آسیب متفاوت هستند. در هر صورت این گیرنده ها سبب فعالسازی انتقال دهنده سیگنال مرکزی(ATM) میشوند.
ATM یک شبه فسفوتیدیل اینوزیتول 3 کیناز می باشد که چندین پروتئین درون سلولی را فسفریله میکند. به طور مثال با فسفریله نمودن NBS1 در کمپلکس نوکلئاز NBS1- MRE11- RAD50 سبب فعالسازی آن شده که در نتیجه انتهاهای تک رشته ای مورد نیاز در مسیر ترمیم نوترکیبی همولوگ تولید می شوند. علاوه بر این ATM با فعالسازی CHK2 که یک عامل کلیدی در تنظیم چرخه سلولی است سبب فعال شدن P53 میشود. P53 یک سرکوب کننده تومور و جز اصلی توقف چرخه سلولی و آپوپتوز می باشد. توقف چرخه سلولی قبل و یا در حین فرایند میتوز در پاسخ به آسیب دورشته ای DNA منجر به مرگ سلول میتوزی و شکست هسته ای و زیر واحدهای کاتالیزی DNA پروتئین کیناز میشود.
1-9-3) کاربردهای بالینی
در طی 50 سال اخیر به منظور پیشگیری از بیماری هایی همچون سرطان از روشهای شیمی درمانی بهره گرفته میشود. دراین روش داروهایی مورد استفاده قرار میگیرند که رشد سلول های سرطانی را متوقف یا آهسته نمایند. شیمی درمانی با تأثیر روی توانایی سلول هایی که رشد بالایی دارند (مثل سلول های سرطانی) مانع از تقسیم یا تولید آن ها می گردد. گرچه مصرف این داروها باعث بقای عمر بیمار و بهبودی بیماری میگردد اما همراه با عوارض جانبی خطرناکی همراه است. این عوارض میتوانند عملکرد طبیعی بدن را دستخوش تغییرات ناخوشایندی نماید. بلئومایسین، دارویی است که بطور گسترده در درمان سرطان بیضه و نئوپلاسم بدخیم در دوران نوجوانی و جوانی استفاده میگردد. تجویز همزمان بلئومایسین، اتوپوزید و سیس پلاتین (BEP) عمر مبتلایان به این سرطان را تا 5 سال افزایش میدهد(Robinson et al, 2007).
1-9-4) عوارض جانبی 
بلئومایسین
بر روی کروماتین اسپرم، پروتئین های سر اسپرم، عملکرد باروری ، باروری و همچنین فرزندان متولد شده افراد تحت درمان تاثیرات نامطلوب قابل توجهی ایجاد نماید(Lambert and Eriksson ,1979). با مصرف طولانی مدت بلئومایسین ایدیوسنکرازی و سمیت ریوی بروز می‎‏نماید. مهمترین عارضه این دارو، ایجاد سوختگی و زخم در محل تزریق است. سندرم رینود نیز در بعضی موارد دیده می‏شود. از دیگر عوارض این دارو میتوان به ایجاد دانه های پوستی، راش، تب و لرز، آثار پوستی بر روی لثه و زبان و فیبروز ریه بویژه در افراد سالمند، خستگی، ریزش مو، حالت تهوع و استفراغ، آسیب به کلیه، آسیب به اعصاب، آسیب به عروق خونیِ قلب ، افزایش احتمال بیماری قلبی عروقی، آسیب ریوی و بروز سرطان ثانویه در جایی جدید، مثل خون (لوکمی)، ریه، رودۀ بزرگ، پانکراس، مثانه، معده یا سایر ارگان ها اشاره نمود (Amato et al, 2004).
1-10) استرس اکسیداتیودر حقیقت استرس اکسیداتیو همان پیروزی رادیکال های آزاد بر دفاع آنتی اکسیدانی بدن موجود زنده می باشد و به نوعی به حمله های بیولوژیک علیه ارگانیزم بدن اطلاق می شود. رادیکال های اکسیژن بطور مداوم در همه ارگانیزم های زنده تولید می شوند و با اثرات مخرب خود، منجر به آسیب سلولی و مرگ می گردند. تولید گونه های اکسیدان در شرایط فیزیولوزیک دارای سرعت کنترل شده ای است اما این تولید در شرایط اکسیداتیو افزایش می یابد. قرار گرفتن در معرض سیستم های بیولوژیک در مقابل زنوبیوتیک ها و یا ایجاد شرایط پاتولوژیک منجر به استرس اکسیداتیو ودرنتیجه افزایش تولید اکسی رادیکال ها می شود(Aitken, 1994; Warren et al, 1987 ).
1-10-1) گونه های فعال اکسیژن(ROS):(ROS) شامل ملکولهای بسیار فعال واجد اکسیژن از جمله رادیکال های آزاد میباشد((Warren et al, 1987. رادیکال هیدروکسیل، رادیکال آنیون سوپراکسید، پراکسید هیدروژن، اکسیژن تک، رادیکال NO ،رادیکال هیپوکلریت ولیپید پراکسید های مختلف (Aitken et al, 1994) از جمله گونه های فعال اکسیژن هستند. همه این عوامل قادرند با لیپید های غشا، اسید نوکلئیک پروتئین ها ، آنزیم ها و سایر ملکولهای کوچک واکنش داده ومنجر به آسیب سلولی شوند.
1-10-2) پیامدهای استرس اکسیداتیو در دستگاه تولید مثلی نر:گونه های اکسیژن فعال (ROS) مانند پراکسید هیدروژن (H2O2)، آنیون سوپر اکسید (O2-U)، مولکول و یا رادیکال هیدروکسیل (UOH) برهر دو گامت نر و ماده تاثیر می گذارند(Agarwal et al, 2008). ROS تولید شده توسط اسپرم نقش مهمی در فرآیندهای فیزیولوژیک مانند ظرفیت یابی اسپرم، واکنش آکروزومی، همجوشی با تخمک و ثبات کپسول میتوکندری در اواسط قطعه بازی می کند(Aitken et al, 2007; Agarwal et al, 2008(a); de Lamirande et al, 2008). تولید (ROS) در دستگاه تولید مثلی نر به دلیل اثرات توکسیک شدید آنها بر روی کیفیت و عملکرد اسپرم، به موضوعی حائز اهمیت در آندرولوژی تبدیل شده است (Saleh and Agarwal, 2002). مطالعات صورت گرفته نشان داده اند که 45 - 25% مردان نابارور دارای سطوح بالایی از ROS در نمونه های مایع منی خود بودها ند (Agarwal et al., 2004). اما با این وجود باید خاطر نشان کرد که وجود مقادیر اندک ROS برای اسپرم جهت لقاح، واکنش آکروزومی، تحرک و ظرفیت یابی لازم است (Agarwal et al.,2004). واژه استرس اکسیداتیو زمانی به کار میرود که میزان اکسیدانتها از آنتی اکسیدانت ها پیشی بگیرد (Sies , 1993). در واقع این رویداد بیانگر نوعی عدم تعادل بین توالی ROS و مکانیسمهای مهاری آن است (Sikka, 2001). اسپرمها حساسیت ویژهای نسبت به آسیبهای ناشی از استرس اکسیداتیو دارند چرا که غشای پلاسمای آنها دارای مقادیر بالایی اسیدهای چرب غیراشباع با چند پیوند دوگانه (PUFAs) بوده و در سیتوپلاسم آنها میزان اندکی آنزیم مهاری وجود دارد (Sharma and Agarwal, 1996). علاوه بر این، آنزیم های آنتی اکسیدانت داخل سلولی قادر به محافظت از غشای پلاسمایی احاطه کننده آکروزوم و دم اسپرم نیستند، از این روی اسپرمها جهت تقویت سیستم دفاع آنتیاکسیدانتی داخلی محدود خود از مکانیسمهای دفاعی پلاسمایی منی بهره می جویند (Zini et al, 1993). مطالعات متعدد نشان داده اند که از میان انواع سلول های مختلف موجود در مایع منی، اسپرم های غیرطبیعی و نابالغ و لکوسیتها منابع اصلی تولیدROS را تشکیل میدهند
(Aitken and West, 1990; Kessopolou et al, 1992; Garrido et al, 2004).

تصویر 1-6: پیامدهای استرس اکسیداتیو در دستگاه تولید مثلی نر(Clevelandclinic, 2013)بررسیها نشان داده است که بین کیفیت پایین اسپرم و افزایش تولید ROS ارتباط مستقیمی وجود دارد. در واقع بقایای سیتوپلاسمی اسپرم، حلقه گمشده ارتباطی بین این دو فرایند میباشند (Gomez et al, 1998). در مواردی که اسپرماتوژنز دچار اختلال می شود، مکانیسم های بیرون راندن سیتوپلاسم دچار نقص شده و اسپرم به همراه بقایای سیتوپلاسمی از اپیتلیوم زایا جدا میشود. اسپرمی که تحت این شرایط آزاد میشود، نابالغ بوده و دارای نقص عملکردی میباشد (Huszar et al, 1997). باقی ماندن این قطرات سیتوپلاسمی در اسپرم وابستگی مستقیمی با تولید ROS از طریق مکانیسم هایی دارد که به نظر میرسد به واسطه آنزیم سیتوزولی گلوکز-6-فسفات دهیدروژناز صورت می گیرد (Aitken, 1999). از سوی دیگر، اسپرمها به سبب نیاز مداوم به انرژی جهت حرکت، دارای میتوکندریهای فراوانی میباشند. از این روی، اختلال در عملکرد میتوکندریها میتواند به افزایش تولید ROS منجر گردد که این امر به نوبه خود مجدداً میتوکندریها را تحت تأثیر قرار میدهد، چرا که ROS موجب آسیب غشای میتوکندریها شده و این غشاهای آسیب دیده موجبات افزایش میزان ROS را فراهم میآورند (Evenson et al, 1982).
از سوی دیگر، کاهش کیفیت اسپرم و نیز نقص عملکردی آنها با افزایش میزان لکوسیتها در مایع منی در ارتباط است. لکوسیتهای پراکسیداز مثبت که یکی از منابع اصلی تولید ROS در مایع منی محسوب میگردند، لکوسیتهای هستند که هسته چند شکلی دارند و 60-50% لکوسیتهای مایع منی را تشکیل می دهند. غده پروستات و کیسههای منی منابع اصلی این لکوسیتهای پراکسیداز مثبت میباشند (Wolff, 1995). لکوسیتها در پاسخ به محرکهای مختلفی نظیر عفونت و آماس، فعال شده و این لکوسیتهای فعال قادر خواهند بود 100 برابر لکوسیتهای غیر فعال ROS تولید نمایند (Plante et al, 1994). این مکانیسم به واسطه افزایش تولید NADPH از مسیر هگزوز منو فسفات صورت میپذیرد که فعال سازی سیستم میلو پراکسیداز لکوسیتهای دارای هسته چند شکلی و ماکروفاژ را در پی داشته، نهایتاً به انفجار تنفسی و تولید مقادیر بالای ROS میانجامد. بنابراین، افزایش غیرطبیعی میزان لکوسیتهای مایع منی و یا جداسازی اسپرم از پلاسمای منی جهت انجام کارهای آزمایشگاهی، میتواند به آسیب دیدن اسپرمها توسط ROS تولیدی لکوسیتها منجر گردد (Shekarriz et al, 1995).
تمامی ترکیبات سلولی نظیر لیپیدها، پروتئینها، اسیدهای نوکلئیک و قندها، اهداف بالقوه استرس اکسیداتیو میباشند. میزان آسیب ناشی از استرس اکسیداتیو به ماهیت و میزان ROS ، مدت زمان قرار گرفتن در معرض ROS و فاکتورهای خارج سلولی مانند دما و اجزاء محیط ( یونها، پروتئین ها و آنتی اکسیدانت ها ) بستگی دارد(Makker et al, 2009). ROS به اسیدهای چرب غیراشباع با چند پیوند دوگانه (PUFAs) که در غشاء سلولی حضور دارند حمله کرده و مجموعهای از واکنش های شیمیایی را که در مجموع پراکسیداسیون لیپیدی نامیده میشود، موجب میگردد (Aitken, 1995; Kodama et al, 1996).
این فرآیند با واکنش رادیکالهای آزاد با زنجیره های اسیدچرب و آزادسازی رادیکالهای آزاد لیپیدی آغاز میگردد. این رادیکالهای آزاد لیپیدی متعاقباً با اکسیژن مولکولی وارد واکنش شده و رادیکالهای پروکسیل لیپیدی را شکل میدهند. رادیکالهای پروکسیل نیز میتوانند با اسیدهای چرب واکنش داده ، رادیکالهای آزاد لیپیدی تولید کنند که این امر موجب تداوم چرخه واکنشها میگردد (Alvares and Storey, 1995). یکی از محصولات جانبی پراکسیداسیون لیپیدی، مالون دی آلدئید میباشد. این محصول جانبی در ارزیابیهای بیوشیمیایی متعددی جهت برآورد میزان آسیب پراکسیداتیو کاربرد دارد (Aitken et al, 1995).
1-11) آنتی اکسیدانت ها و نقش حفاظتی آنها در برابر استرس اکسیداتیو:خوشبختانه تولید رادیکالهای آزاد بوسیله آنتی اکسیدانت ها کنترل می شود. هنگامی که دسترسی به آنتی اکسیدانت ها محدود شود آسیب افزایش یافته و بدن ناتوان میگردد. آنتی اکسیدانت ها قادرند عوامل اکسیدان را قبل از حمله به سلولها پایدار ،غیر فعال ویا بلع کنند. بنابراین آنتی اکسیدانت ها برای نگهداری بدن در حالت سلامت وبهبودی کاملا ضروری هستند. عملکرد آنتی اکسیدانت ها شامل ظرفیت بلع رادیکال های آزاد ،ممانعت از پراکسیداسیون لیپید ها، توانایی غیر فعال نمودن یونهای فلزی وظرفیت احیا کنندگی آنهاست (Jha et al, 1995). به طورکلی آنتی اکسیدانت ها از نظر شکل، خصوصیات فیزیکی وشیمیایی وجایگاه عملشان با هم فرق دارند.
1-آنتی اکسیدانت های آنزیمی: آنزیم هایی هستند نظیر گلوتاتیون احیا، SOD ، کاتالاز، گلوتاتیون پراکسیداز.این عوامل، تولید گونه های فعال اکسیژن را بوسیله حذف ظرفیت اکسیدانی یا تغییر شکل آنها (ROS&RNS)به اجزا پایدار تقلیل می دهند( Davies, 1995).
2-ساختارهای با وزن ملکولی بالا (پروتئین ها) شامل آلبومین ، سرولوپلاسمین، ترانسفرین، هاپتوگلوبولین که با جایگاه فعال فلزات باند میشوند وتولید فلزات کاتالیز کننده رادیکالهای آزاد را محدود می کنند(Chaudiere et al, 1999)..
3-ساختارهای با وزن ملکولی پائین، شامل دو دسته آنتی اکسیدانت های محلول در چربی (توکوفرول، کاروتنوئید، کوئینین و برخی پلی فنل ها) و آنتی اکسیدانت های محلول در آب (اسکوربیک اسید، اسید اوریک وبرخی پلی فنل ها). (Chaudiere et al, 1999)
4-مینرال ها (سلنیوم، منگنز، مس و روی) آنتی اکسیدانت های همه کاره (Chaudiere et al, 1999)
5-ویتامین ها.(Jha et al, 1995)
6-آنتی اکسیدانت های گیاهی(Jha et al, 1995)
1-11-1) سیستم دفاع آنتی اکسیدانی در بدن
مطالعات نشان داده اند که آنتی اکسیدانت ها دارای اثرات گسترده ای در آندرولوژی بوده و قادرند از اسپرم ها در برابر ناهنجاری های ناشی از ROS محافظت نمایند. این ترکیبات همچنین موجب مهار ROS تولید شده توسط لکوسیت ها و بهبود کیفیت مایع منی شده و از قطعه قطعه شدن DNA و بلوغ نا بهنگام اسپرم ها جلوگیری می کنند. سه سیستم آنتی اکسیدانتی متفاوت و وابسته به هم که نقش کلیدی در کاهش استرس اکسیداتیو در جنس نر ایفا می کنند عبارتند از: آنتی اکسیدانت های رژیم غذایی، آنتی اکسیدانت های اندروژن و پروتئین های غیرفعال کننده یون های فلزی ( Hughes et al, 1998; Agarwal et al, 2004).
آنتی اکسیدانتهای موجود در پلاسمای منی و اسپرم در گروه آنتی اکسیدانتهای اندروژن قرار میگیرند. پلاسمای منی دارای سه آنتی اکسیدانت آنزیمی اصلی سوپراکسید دیسموتاز (SOD)، کاتالاز و گلوتاتیون پراکسیداز/گلوتاتیون ردوکتاز (GPX/GRD) در کنار طیف وسیعی از آنتی اکسیدانتهای غیرآنزیمی مانند آسکوربات، اورات، ویتامینE، ویتامین A، پیروات، گلوتاتیون، آلبومین، یوبی کوئیتول، تائورین و هایپوتائورین میباشد. اسپرمها علاوه بر SOD که عمده ترین آنتی اکسیدانت موجود در آنها را تشکیل میدهد، دارای آنتی اکسیدانتهای آنزیمی اولیه نیز میباشند. آنتی اکسیدانت های رژیم غذایی غالباً به شکل ویتامین C، ویتامین E، بتاکاروتنها، کاروتنوئیدها و فلاونوئیدها میباشند. پروتئین های غیرفعال کننده یونهای فلزی نظیر آلبومین، سرولوپلاسمین، متالوتیونئین، ترانسفرین، فریتین و میوگلوبولین ، به واسطه غیرفعال کردن انتقال یونهای فلزی که تولید رادیکالهای آزاد را کاتالیز میکنند، عمل میکنند (Sies, 1993; Tarin et al, 1998; Greco et al, 2005a) این ترکیبات همچنین پراکسیداسیون لیپیدی غشاء پلاسمایی اسپرم را کنترل می کنند و موجب حفظ یکپارچگی آن میگردند (Wroblewski et al, 2003).
بررسیهای آزمایشگاهی صورت گرفته نیز نقش آنتیاکسیدانتها را در کاهش تولید ROS توسط اسپرم و بهبود توانایی تکاملی جنین مورد تأیید قرار داده است (Ta--oto et al, 2001; Ali et al, 2003; Esfandiari et al, 2005). در همین راستا ، گزارشات دیگری نیز بر نقش آنتی اکسیدانتها در کاهش آسیب DNA و آپوپتوز در اسپرمها و نیز افزایش میزان بارداری و لانه گزینی بالینی صحهگذاردهاند (Hughes et al, 1998; Greco et al, 2005b). از این روی با توجه به کاربرد روز افزون تکنیک های آزمایشگاهی نظیرIVF، ارزیابی سطوح ROS و وضعیت استرس اکسیداتیو در نمونههای اسپرم پیش از IVF و نیز استفاده از آنتی اکسیدانتهای مؤثر و کارا میتوانند ما را به نتایج بهینه رهنمون سازد . همچنان که تحقیقات صورت گرفته نشان داده است که این ترکیبات قادرند اثرات سمی پراکسید هیدروژن بر روی جنین را به نحو مطلوبی کاهش دهند (Zhang et al, 2005).
1-12) سنجش استرس اکسیداتیو1-12-1) مالون دی آلدئید (MDA)

–210

12 1-2-3- ﺗﺄثیر تنش خشکی بر رشد و فتوسنتز………………………………………………………
14 1-2-4 اثر تنش خشکی روی آنزیمهای آنتیاکسیدانت و مالوندیآلدهید………………………………
18 1-2-5 ﺗﺄثیرتنش خشکی بر میزان نیترات و نیترات ردوکتاز…………………………………………….
19 1-2-6 ﺗﺄثیر تنش خشکی بر القای اسمولیتهای سازگار………………………………………………
21 1-3 کلیاتی در زمینه مسیر درک علامت (Singal transduction) در گیاهان…………………………….
21 1-3-1 اثر تنشهای محیطی در فرایندهای مولکولی در گیاهان………………………………………………………….
23 1-3-2 مسیرهای ژنهای کنترل کننده تنشهای غیرزنده………………………………………………………………………
24 1-4 ژنهای مورد مطالعه…………………………………………………………………………………………………………..
24 1-4-1 پروتئین‌کینازها………………………………………………………………………………………………………………
26 1-4-2 خانواده ژنیMAPK ……………………………………………………………………………………………………..
28 1-4-3 ژن حساس به اکسین………………………………………………………………………………….
33 فصل دوم: مواد و روشها………………………………………………………………………
34 2-1 شرایط رشد………………………………………………………………………………………………………………….
34 2-1-1 نحوه تیماردهی گیاهان…………………………………………………………………………………………………
35 2-1-2 برداشت نمونه……………………………………………………………………………………………………………
35 2-1-2-1 برداشت نمونه جهت انجام بررسیهای مولکولی……………………………………………..
35 2-1-2-2 برداشت نمونه جهت انجام بررسیهای فیزیولوژیک………………………………………………………………
36 2-2 روش های بکار گرفته شده در آزمایشات مولکولی………………………………………………………………………..
36 2-2-1 پودر کردن و آماده سازی نمونه جهت استخراج RNA ...................................................................
36 2-2-2 استخراج RNA از بافت گیاهی..................................................................................................................
36 2-2-3 اندازهگیری میزان غلظت RNA و رقیق سازی نمونهها.............................................................................
37 2-2-4- روش تهیه cDNA............................................................................................................
37 2-2-5- واکنش RT-PCR............................................................................................................
38 2-2-6 تهیه ژل الکتروفورز......................................................................................................................................
38 2-2-6-1 تهیه TBE 5X...............................................................................................................
38 2-2-7 پرایمرهای استفاده شده در این پژوهش.......................................................................................................
38 2-3 روشهای بکار گرفته شده در آزمایشات فیزیولوژیکی.......................................................................................
38 2-3-1 طرز تهیه عصاره گیاهی جهت تعیین میزان فعالیت آنزیمهای آسکوربات و گایاکول پراکسیداز.........................
39 2-3-1-1 اندازهگیری فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز(APX)...............................................................
39 2-3-1-2 اندازهگیری فعالیت آنزیم گایاکول پراکسیداز(GPX).................................................................
39 2-3-2 سنجش فعالیت آنزیم کاتالاز................................................................................................................................
40 2-3-3 اندازهگیری میزان پراکسیداسیون چربیها (MDA)...........................................................................................
40 2-3-4 اندازهگیری پروتئین کل............................................................................................................................
41 2-3-5 اندازهگیری قندهای محلول..................................................................................................................................
41 2-4 آنالیزهای آماری............................................................................................................................................
42 فصل سوم: نتایج....................................................................................................................................................
43 3-1 نتایج حاصل از بررسیهای انجام یافته در سطح مولکولی........................................................................................
43 3-1-1 بررسی بیان ژن Protein Kinase تحت اثر تنش خشکی در گیاه کلزا (B.napus)...............................
45 3-1-2 بررسی بیان ژن MAPK4 تحت اثر تنش خشکی در گیاه کلزا (B.napus)...........................................
46 3-1-3 بررسی بیان ژن MAPK3 تحت اثر تنش خشکی در گیاه کلزا (B.napus)...........................................
48 3-1-4 بررسی بیان ژنAuxin responsive protein تحت اثر تنش خشکی در گیاه کلزا (B.napus)...............
49 3-2 بررسی نتایج حاصل از آزمایشات فیزیولوژیکی..........................................................................................................
49 3-2-1 بررسی اثر تنش خشکی بر میزان فعالیت آنزیم گایاکول پراکسیداز (GPX) درگیاه کلزا....................................
50 3-2-2 بررسی اثر تنش خشکی بر میزان فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز (APX) درگیاه کلزا...................................
52 3-2-3 بررسی اثر تنش خشکی بر میزان فعالیت آنزیم کاتالاز (CAT) درگیاه کلزا.....................................................
53 3-2-4 بررسی اثر تنش خشکی بر میزان مالوندیآلدهید (MDA) درگیاه کلزا.........................................................
55 3-2-5 بررسی اثر تنش خشکی بر میزان پروتئین کل درگیاه کلزا......................................................................................
55 3-2-6 بررسی اثر تنش خشکی بر میزان قندهای محلول درگیاه کلزا.................................................................................
57 فصل چهارم: بحث و بررسی..............................................................................................................................................
58 4-1- بررسی‌های انجام شده در سطح مولکولی..................................................................................................................
61 4-2 بررسیهای انجام شده در سطح فیزیولوژیکی.............................................................................................................
66 4-3 نتیجهگیری کلی...........................................................................................................................................................
67 4-4 پیشنهادات.......................................................................................................................................................
68 5- ضمائم..............................................................................................................................................................
71 6- منابع................................................................................................................................................................
فصل اول:
کلیات
(Brassica napus L.) 1-1 گیاه شناسی کلزا
کلزا(Brassica napus L.) گیاهی یکساله، متعلق به خانواده Brassicacea یا Crucifera و جنس Brassica است و با نامهای rape، Oilseed rape، rapa، rappi، rapeseed شناخته میشود. کلزا آلوتتراپلوئید با 19 جفت کروموزوم 38X=4=n2 از تلاقی دو گونه شلغم روغنی(B.compestris/rapa L.) و کلم روغنی (B.oleracea) و دو برابر شدن کروموزمها در هیبرید حاصل به وجود آمده است. شکل 1 که به مثلث یو مشهور است روابط ژنومی گونههای رزاعی جنس براسیکا را نشان میدهد (کیمبر، 1378).

شکل 1- 1 - روابط ژنتیکی گونههای دیپلوئید و تتراپلوئید جنس براسیکا (کیمبر، 1378).
از نظر گیاهشناسی کلزا دارای دو تیپ پاییزه و بهاره است. در شرایط مطلوب عملکرد نوع پاییزه 20 تا30 درصد بیشتر از نوع بهاره است (دهشیری، 1379). کلزا یک گیاه سرمادوست و روز بلند بوده و بهترین رشد آن در دمای°C20-15 میباشد. کلزا گیاهی است علفی با دوره رشد یکساله، شاخههای راست و منشعب و دارای ریشهای راست که طول و تعداد ریشههای فرعی بسته به نوع واریته متفاوت است. گل آذین آن از نوع خوشه است و اغلب گلها به رنگ زرد هستند. گلها کامل و دارای چهار کاسبرگ، چهار گلبرگ وچهارپرچم بلند و دو پرچم کوتاه، مادگی دو برچهای و میوه خورجین است که هر میوه خورجین دارای 15 تا40 بذر کوچک است بذرهای این گونه به رنگ سیاه هستند و نسبت روغن و پروتئین در بذر آن زیاد و مقدار الیاف در کنجاله کمتر است (کیمبر، 1378).
1-1-1 ارقام کلزا
ژنوتیپهای کلزا را ممکن است بر اساس مقدار اسیدهای اروسیک و اولئیک در روغن و مقدار گلوکوزینولات در کنجاله گروهبندی نمود. ژنوتیپها و یا گروههای 1 و2 را کلزا گویند (خواجه پور، 1383):
1- ژنوتیپها یا ارقامی که بیش از 45 درصد اسید اروسیک دارند و برای استخراج اسید اروسیک مورد استفاده قرار میگیرند. امروزه ارقامی را اصلاح کردهاند که 45 تا 55 درصد اسید اروسیک و یا مقدار بالایی اسید بهنیک دارند و از آنها منحصرا" برای استخراج این اسیدها استفاده میکنند. روغن خالص این دو اسید (90 تا 95 درصد اسید اروسیک و 85 درصد اسید بهنیک) کاربرد وسیعی در صنعت دارد.
2- ارقامی که اسید اروسیک آنها پائین است، اما مقدار زیادی اسید اولئیک و مقدار کمی اسید لینولنیک دارند. روغن این ارقام کاربرد وسیعی در صنایع مختلف دارد. یکی از کاربردها، تغییر اسید اولئیک به استرمتیل اولئات و مصرف آن به عنوان سوخت موتورهای دیزل است.
3- ارقامی که کمتر از 2 درصد اسید اروسیک در روغن و کمتر از 30 میکرومول گلوکوزینولات در هر گرم کنجاله دارند و در گروه کانولا(canola) قرار میگیرند. روغن کانولا کاربرد خوراکی داشته و کنجاله آن در تغذیه دام و طیور قابل استفاده است.
در یک تقسیمبندی دیگر ارقام کلزا را به 4 دسته تقسیم میکنند (شهیدی و فروزان، 1376):
1- کلزاهای سنتی
ارقامی که حاوی 60-22 درصد اسید اروسیک در روغن و 205-100 میکرومول گلوکوزینولات در هر گرم کنجاله هستند و به HEAR معروف بوده و امروزه هنوز تولید میشوند.
2- ارقام یکصفر
معمولا واریتههای کانادایی بوده و حاوی کمتر از 5 درصد اسید اروسیک در روغن و 205-100 میکرومول گلوکوزینولات در هر گرم کنجاله هستند. عبارت یکصفر نشاندهنده این است مقدار اسید اورسیک آن با کارهای اصلاحی کاهش داده شده است.
3- ارقام دوصفر
نوع تکامل یافته ارقام یکصفر بوده و حاوی کمتر از 2 درصد اسید اروسیک در روغن و 30-18 میکرومول گلوکوزینولات در هر گرم کنجاله هستند. عبارت دوصفر نشاندهنده این است که علاوه بر اسید اروسیک، مقدار گلوکوزینولات نیز با کارهای اصلاحی کاهش داده شده است. رقم Tower اولین رقم کلزای دوصفر تولید شده میباشد.
4- ارقام سهصفر
نوع اصلاح شده ارقام B.compestris بوده و اصطلاحا به آنها “Candle” میگویند و حاوی حداقل میزان اسید اروسیک میباشند. این ارقام علاوه بر اصلاح از نظر اسید اروسیک و گلوکوزینولات، از نظر فیبر نیز اصلاح گردیدهاند.
الف
ب

شکل 1-2- تصویری از گیاه کلزا: الف) گل، ب) گیاه (Foto © M.Wiora).
1-1-2 کلزا و اهمیت اقتصادی آن
دانههای روغنی پس از غلات، دومین ذخایر غذایی جهان را تشکیل میدهند. این محصولات علاوه بر دارا بودن ذخایر غنی اسید چرب، حاوی پروتئین نیز میباشند (Raymer, 2002). روغنهای خوراکی و کنجالههای مغذی پروتئینی که حاصل فرایند روغنکشی از دانههای گیاهان روغنی هستند، بخشی از غذای روزانه انسان و دام را تشکیل میدهند. علاوه بر این دانههای روغنی مصارف صنعتی، دارویی نیز دارند .(Adamsen and Cofflet, 2005)کلزای روغنی مهمترین گونه زراعی جنس براسیکا میباشد و به احتمال قوی فرم وحشی آن به اروپا و آفریقای شمالی محدود میشود (کیمبر، 1378). کلزا در قرن 19 به عنوان منبعی برای روغنکاری موتور بخار استفاده میشده و بخاطر مقادیر بالای گلیکوزینولات و طعم تند آن کمتر به عنوان غذای حیوانات و انسان مورد استفاده قرار میگرفت. کلزای اصلاح شده دارای گلیکوزینولات کمتر و روغن خوش طعمتری میباشد. تولیدکنندگان آن اتحادیه اروپا، کانادا، ایالت متحده آمریکا، استرالیا، چین و هند میباشند (Mollers, 2002). طبق بررسیهای بخش کشاورزی ایالت متحده آمریکا، کلزا سومین منبع روغن گیاهی در جهان در سال 2000 بعد از روغن سویا و نخل روغنی میباشد (Albarrak, 2006). روغن کلزا حاوی اسید های چرب امگا 6 و امگا 3 به نسبت 1:2 است. روغن کلزا یکی از مهمترین روغنهای مفید برای قلب است و گزارش شده که میزان کلسترول و سرم تری گلسیرید را کاهش میدهد و مانع به هم چسبیدن پلاکتها میشود. روغن Brassica napus L. بیشتر به شکل مارگارین و روغن سالاد مورد مصرف انسان میباشد (2002 Mollers,). روغن این گیاه به علت دارا بودن کلسترول پایین، داشتن خاصیت آنتی اکسیدانی و اثرات بیولوژیکی مفید و ضدسرطان، برای سلامتی انسان مطلوب میباشد ((Syed et al., 199. در سالهای اخیر، تولید کلزا به علت سازگاری آن به شرایط آب و هوائی مختلف مورد توجه است و نواحی کاشت آن از 19000 هکتار در سال 2000 به 28000 در سال 2006 افزایش یافته است (et al., 2007 Fanaei). دانههای روغنی کلزا با میانگین روغن 40 درصد (براساس وزن خشک دانه)، برای مصارف روغن و غذا بکار میرود و کنجاله آن به عنوان تغذیه دام استفاده میشود (McGregor, 1995 Kimber and). تولیدات جهانی روغن کلزا بالاتر از سویا وآفتابگردان است (Flagella et al., 2000). پارامترهای ژنوتیپی و محیطی مقدار و کیفیت روغن کلزا را تعیین میکنند (Flagella et al., 2002). با توجه به مصارف خوراکی و صنعتی و افزایش سطح زیر کشت آن در ایران و نقش مهمی که این محصول میتواند در کاهش وابستگی به خارج از کشور در زمینه واردات روغن گیاهی داشته باشد، افزایش میزان عملکرد این محصول مورد توجه قرار گرفته است.
ب
الف

شکل1-3- تصاویری از گیاه کلزا: الف) مزرعه کلزا، ب) بذر کلزا Foto © M.Wiora)).
1-2 تنش خشکی
در میان تنشهای مختلف که رشد ، متابولیسم و عملکرد گیاهان را در محیطهای طبیعی تحت تأثیر قرار میدهند، خشکی مهمترین عامل غیرزندهای است که تولید محصولات کشاورزی را محدود میسازد و 40 تا 60 درصد از اراضی کشاورزی جهان را تحت تاثیر قرار میدهد ( .(Bery, 1997; Reddy et al., 2004
با وجود این که آب از فراوانترین ترکیبات روی زمین بوده و دو سوم از سطح زمین را آب فراگرفته، اما در بخش
عمدهای از جهان کمبود آب، عامل محدودکننده تولید محصولات کشاورزی شناخته میشود(Khajeh hosseini and Powell, 2003).
نقش آب در گیاهان عبارت است از:
1- به عنوان یک یک ماده ساختمانی با هزینه متابولیکی خیلی کم عمل میکند.
2- به عنوان یک محیط جهت انجام واکنشهای متابولیکی متابولیسم عمل میکند.
3- کاهش نوسانات درجه حرارت.
هر عامل مفیدی که موجب شود گیاه رفتار بهینه فیزیولوژیکی نداشته باشد، تنش نامیده میشود .(Jones, 1993)
بنا به تعریف (Bray, 1997) تنش خشکی به منزله کمبود آب در گیاه بوده، این وضعیت هنگامی ایجاد میشود که میزان تعرق از میزان جذب آب بیشتر باشد . همچنین، خشکی عبارت است از یک دوره بدون بارندگی و آبیاری که بر رشد گیاهان اثر میگذارد.(Fukai and Cooper, 1995 )
تأثیر تنش بر گیاه به عوامل محیطی و توانایی زیستی گیاه مورد نظر در محیطهای نامناسب بستگی دارد. به همین دلیل تعریف شرایط محیطی تنشزا از گیاهی به گیاه دیگر متفاوت است .(Taize and Zeiger, 1991 )
Kramer, 1983)) تنش خشکی را کمبود نزولات در محیط گیاه تعریف میکند که بر اثر آن گیاه آسیب میبیند و میزان این آسیب بستگی به نوع گیاه، ظرفیت نگهداری آب در خاک و شرایط جوی مؤثر بر تبخیر و تعرق دارد .تنش خشکی یک پدیده طبیعی است که در گیاهان به وجود میآید. علت اصلی تنش آب در گیاه افزایش میزان تلفات آب، یا کافی نبودن میزان جذب آب و یا ترکیبی از هر دو عامل است که بر اثر آن میزان تلفات آب ناشی از تعرق بر میزان جذب آن توسط ریشهها پیشى گرفته و میزان تنش افزایش مییابد.
خشکی به واسطه سه مکانیزم، عملکرد گیاه را کاهش میدهد. الف- کاهش جذب تشعشع فعال فتوسنتزی (PAR) توسط کانوپی که ناشی ازکاهش سطح برگ میباشد خود از پژمردگی و جمع شدن پهنک در شرایط تنش شدید و در نهایت پیری زودرس برگهای گیاه منتج میشود ( Earl and Davis, 2003). ب- کاهش کارآیی مصرف نور به ازای واحد نور جذب شده. این کاهش به وسیله اندازهگیری میزان ماده خشک تجمع یافته در واحد نور جذب شده در یک دوره زمانی خاص (Stone et al., 2001) و یا پ- کاهش آنی در تبادل گاز کربنیک به ازای واحد نور جذب شده قابل بیان است Kramer, 1983)).
از مهمترین مشکلات مناطق خشک و نیمهخشک، خشکی و کمبود آب میباشد، که بر رو ی رشد و نمو گیاهان اثر میگذارد. با توجه به اینکه بخش زیادی از مراتع ایران در این مناطق قرار دارند، بحث خشکی و خشکسالی حاصل از آن در گیاهان این مناطق دارای اهمیت بسیاری میباشد. تنش را در شرایطی در نظر میگیرند که گیاه از حالت مطلوب بر ای رشد، بسیار فاصله دارد و این فاصله ممکن است غیرقابل برگشت باشد. گیاهان در برابر تنشهای محیطی واکنشهای مختلفی از خود نشان میدهند تا آثار نامطلوب آن را کاهش دهند، به این مکانیزم تحمل تنش گفته میشود. کمبود آب مورد نیاز گیاه و همچنین کیفیت نامطلوب آن تحت عنوان تنش خشکی و شوری ازجمله تنشهای مهم گیاهان مرتعی است که از رشد مطلوب گیاه جلوگیری میکند، از این رو گیاه در جهت سازگاری، واکنشهای متفاوت از خود نشان میدهد. تنش خشکی شرایطی را به وجود میآورد که در آن سلولها و بافتهای گیاهی در وضعیتی قرار میگیرند که تورژسانس آنها کامل نیست. گیاهان با اتخاذ تمهیداتی ازجمله فرار از خشکی، افزایش ضخامت کوتیکولی، ریزش برگ، گوشتی شدن ، بستن روزنهها ، گسترش سیستم ریشه ، تنظیم فشار اسمزی ، و غیره سعی در سازگاری دارند و طبیعتا شر ایط رشد ایدهآل نخواهند داشت و عملکرد نیز پایین باقی خواهد ماند .(Akhavan Armaki et al., 2012) با تشدید تنش خشکی، آب موجود در بافتها و سلولهای گیاهی به تدریج از دست رفته و در متابولیسم طبیعی بافتها و سلولها اختلال بوجود میآید و در نتیجه عملکرد به شدت کاهش مییابد(Kramer, 1969) . وقتی گیاهان در شرایط کمبود آب قرار میگیرند تغییرات ساختاری و فیزیولوژیکی متفاوتی را از خود نشان میدهند. بعضی دوره زندگی خود را قبل از کاهش رطوبت خاک تکمیل میکنند و بدینسان از خشکی فرار میکنند و برخی دیگر از راه ایجاد سیستم ریشهای انبوه و عمیق، کاهش رشد شاخهها، کاهش سطح برگها، کاهش تعداد روزنهها و افزایش تراکم کرکها در اپیدرم برگ با تنش خشکی مقابله میکنند .(Duan et al., 2007) خشکی به صورت کاهش آب در دسترس خاک تعریف میشود که به صورت کاهش در پتانسیل آب خاک شناسایی میشود. کاهش پتانسیل آب (کاهش انرژی آزاد آب) جذب آب را برای گیاه بسیار مشکل میکند (Boyer et al., 1988). این به نوبهی خود گسترهای از پاسخها را تحریک میکند که به گیاه اجازه میدهد از اتلاف آب جلوگیری کند، جذب آب ادامه یابد و کاهش آب بافت را تحمل کند. در صورت ادامه خشکی، گیاه ممکن است از بین برود، مگر اینکه دارای مکانیسمهای مقاومت باشد تا از طریق آنها دفع آب در عدهای از بافتها کاهش یا توقف یافته و یا اینکه سرعت جذب و انتقال آب افزایش یابد. در نقطه پژمردگی دائم، پتانسیل آب برگها پایینتر از پتانسیل آب خاک است. در این نقطه آب هرگز با سرعت کافی وارد گیاه نمیشود تا کسری آب را در گیاه جبران کند، حتی اگر روزنهها بسته شوند. به عبارت دیگر میتوان گفت که نقطه پژمردگی دائم به وسیلهی پتانسیل اسمزی برگها کنترل میشود. مرگ برگها در اثر خشک شدن، موقعی روی میدهد که استرس حاد همچنان ادامه یابد. مکانیسمهای فیزیولوژیکی دخیل در پاسخهای سلولی و کل گیاه به تنش آبی زیاد مطالعه شده است. گیاهان در برابر استرس خشکی از طریق تغییرات مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی و متابولیکی پاسخ میدهند (Neuman, 1997; Emery et al.,1998).
رشد سلول حساسترین فرایند گیاه تحت تنش کم آبی است، به این علت که فشار تورگر به عنوان نیروی فیزیولوژیکی موثر برای توسعه سلول میباشد ( .(Hsieh et al., 2002گزارش شده که تنش کم آبی روی میزان نسبی تقسیم سلول و میزان نسبی توسعه سلول اثر میگذارد و بیان کردند که احتمالا کاهش در تقسیم سلولی به دلیل اثرات کمبود آب روی فعالیتهای سازندگی از قبیل ساخت DNA و RNA و مواد جداره سلولی میباشد Granier and Tardieu, 1999)).
در درجه حرارت بالا، گیاه مقدار زیادی از گرمای خود را با تشعشع طول موج بلند، به هوای مجاور هدایت و با تعرق دفع میکند. در شرایط مناسب رطوبتی، گیاه عمدتاً با افزایش تعرق خنک میشود، ولی هنگامی که گیاه با کمبود آب روبرو باشد به علت عدم تعرق، دمای آن بیش از دمای هوای اطراف خواهد بود . بنابراین گیاهانی که در معرض تنش خشکی هستند تنش گرمایی نیز بر آنها وارد میشود.(Mahan et al., 1995) در اثر تنش گرما، فرایندهای فیزیولوژیکی و متابولیکی متعددی نظیر فتوسنتز، تنفس، خاصیت نیمه تراوایی غشاء سلول، تخریب پروتئینها و آنزیمهای درون گیاه تحت تأثیر قرار میگیرند. میزان خسارت تنش گرما به نوع گیاه، مدت تنش و همچنین سرعت افزایش درجه حرارت بستگی دارد. هنگامی که درجه حرارت هوا به بالاتر از حد آستانه خسارت افزایش پیدا کند، آسیب آن قطعی است (Al-Khatib and Paulsen, 1999). در شرایط تنش خشکی، اولی ننتیجه آسیب پلاسمالما است ( .(Levitt, 1980در نتیجه تغییرغشا سلولی نفوذ پذیری سلول افزایش مییابد که این امر باعث تراوش الکترولیتها از سلول میشود .(Blum and Ebercon, 1980) یک استراتژی مهم برای بهبود تحمل خشکی در گیاهان حفظ تمامیت غشاء سلولی پس از تحمیل تنش خشکی است .(Vasquez – Tello et al., 1990) از معیار پایداری غشا ء سلولی برای تشخیص گیاهان متحمل به خشکی استفاده میشود .(Kocheva and Gorgiev, 2003; Gavuzzi et al., 1997) برای حفظ عملکرد و متابولیسم طبیعی در گیاهان زراعی و در نتیجه تولید محصول رضایت بخش میبایست در سلولها به مقدار کافی آب وجود داشته باشد مقدار آبی که اندامهای مختلف گیاه در شرایط خشک از دست میدهند بستگی به چگونگی عکسالعمل سلولهای آنها به کاهش پتانسیل آب دارد .(Liu et al., 2005) به هنگام بروز خشکی اگر سلولها در حالت تورژسانس قرار داشته باشند، معمولترین عکسالعملی که در برابر اتلاف آب از خود نشان میدهند تغییر در پتانسیل تورژسانس و پتانسیل اسمزی است. هنگامی که شرایط تعادلی جدیدی از لحاظ روابط آبی سلول بر قرار میگردد، پتانسیل تورژسانس و پتانسیل اسمزی هر دو کاهش می یابند Morgan, 1992; Morgan and Condon, 1986)). میزان تغییرات در حجم نسبی یا تغییر در مقدار آب موجود در سلول و در نتیجه تغییر در پتانسیل آب آن بستگی به میزان قابلیت ارتجاع دیواره سلول و همچنین پتانسیل اسمزی اولیه آن دارد. عکسالعمل دیگری که ممکن است در سلولهای گیاهی بروز کند، جبران اختلاف حاصل در پتانسیل آب است که خود میتواند باعث از دست رفتن آب سلول گردد که این امر با کاهش پتانسیل اسمزی در اثر افزایش مواد محلول موجود در پروتوپلاسم بدست میآید .(Morgan, 1991; Morgan, 1992)
کاهش محتوای آب در بافتهای گیاهان در شرایط تنش خشکی باعث محدود شدن رشد و برخی تغییرات فیزیولوژیکی و متابولیکی در آنها میگردد. از مکانیسمهای کارآمدی که به هنگام مواجهشدن با خشکی برای حفظ تورژسانس و آماس سلولی در گیاهان به وجود میآید، تنظیم اسمزی است. تنظیم اسمزی در اثر انباشت ترکیبهای آلی و معدنی در بافتها به وجود میآید .(Good and Zaplachiniski, 1994)
and Alegre, 1999) (Munne-Boschدر بررسی تنش خشکی بر گیاه بادرنجبویه گزارش کردند که تنش خشکی موجب کاهش 3 مگاپاسکالی پتانسیل آب گیاه، کاهش 34 درصدی محتوای آب برگ (RWC) بسته شدن روزنهها و در نتیجه سبب پایین ،آمدن جذب دیاکسیدکربن و کاهش عملکرد میشود. گاهی تنش خشکی ممکن است در نزدیکی سطح خاک رخ دهد، در حالی که آب به قدر کافی برای جذب ریشه در اعماق وجود داشته باشد .(Carrow, 1996) بنابراین در چنین شرایطی به دلیل عدم محدودیت برای ریشهها تنها واکنش بخش هوایی حایز اهمیت میباشد. در این بخش مهمترین پاسخ گراسها به تنش خشکی شامل کاهش تولید، کاهش اندازه برگ، کاهش تراکم، رنگ پریدگی، پژمردگی، خشک شدن برگها، دمای بالای کانوپی و نهایتا کاهش کیفیت میباشد(Jiang and Huang, 2001) . واژههای استرس خشکی و استرس آبی برای مشخص کردن شرایط درونی گیاه هنگامی که آب دفع شده از گیاهان بیشتر از آب جذب شده است، غالبا" به جای یکدیگر مورد استفاده قرار میگیرند. به عقیده (Hsiao et al., 1976) واکنشهای گیاه به استرس آبی را میتوان به پنج گروه تقسیم کرد :
1-کاهش پتانسیل آب سلول.
2-کاهش فشار تورژسانسی سلول.
3-تراکم مولکولهای کوچک و درشت، هنگامی که حجم سلول در اثر کاهش فشار تورژسانس تقلیل مییابد.
4-بههم خوردن روابط فضایی پلاسمایی تونوپلاست و غشاهای ارگانلی در اثر تغییرات حجمی.
5-تغییر در ساختمان و شکل سه بعدی ماکرو مولکولها.
در سال 1973، اصطلاح استرس ضعیف برای کاهش پتانسیل آب برگها تنها به اندازه 1/0 مگاپاسکال و مقدار نسبی آب به مقدار 8 تا 10 درصد انتخاب شد. استرس ملایم موقعی رخ میدهد که پتانسیل آب به 2/1- تا 5/1- مگاپاسکال و مقدار نسبی آب به بیش از 10 درصد و کمتر از 20 درصد کاهش مییابد. گیاه تحت استرس حاد یا شدید دارای پتانسیل آب کمتر از 5/1- مگاپاسکال و کاهش مقدار نسبی آب بیش از 20 درصد میباشد. مقدار نسبی آب وقتی بیش از 50 درصد کاهش مییابد که گیاهان بیش از نصف آب بافتی خود را از دست میدهند و خشک میشوند (Hsiao et al., 1976).
1-2-1 مکانیسمهای مقاومت به خشکی در گیاهان زراعی
مقاومت به خشکی یک واژه عمومی است که در برگیرنده مکانیسمهای مختلفی است که به وسیله آنها گیاهان میتوانند شرایط خشکی را تحمل کنند. این مکانیسمها شامل موارد زیر هستند:
1-گریز از خشکی: گیاهان با داشتن مکانیسمهای مقاومت در برابر خشکی میتوانند از اثرات آن در امان باشند. این مکانیسمها آنها را مستعد میسازند که به هنگام خشکی در خواب باشند و یا اینکه چرخه زندگی خود را در شرایط مناسب از نقطه نظر رطوبت تکمیل کنند. به عنوان مثال، گیاهان بیابانی با عمر کوتاه به هنگام فصل بارندگی رشد کرده و دانه تولید میکنند. گیاهان با رشد سریع و توان رشد نامعین برای گریز از خشکی به بهترین وجه سازش مییابند. از جمله صفات عمدهای که
میتوانند باعث مکانیسم فرار از خشکی گیاهان زراعی شوند، زودرس بودن و حساسیت به طول روز است.
ژنوتیپهای دیررس معمولا به شرایط مرطوب و ژنوتیپهای زودرس به شرایط خشک سازگارتر میباشند (Jiang and Zhang, 2002 ).
2-تحمل خشکی:
وجود دو نوع تحمل در ارتباط با خشکی تشخیص داده شده است:
1) تحمل در پتانسیل آب بافتی بالا 2) تحمل در پتانسیل آب بافتی پایین.
تحمل در پتانسیل آب بافتی بالا از کاهش دفع آب و یا حفظ توازن جذب آب نتیجه میشود و کاهش آب بافتی در تعرق از افزایش مقاومت روزنهای، کوتیکولی و تقلیل در میزان تشعشعات جذبی یا کاهش سطح برگی نتیجه میشود. برخی دانشمندان اعتقاد دارند که تحمل واقعی استرس وقتی حاصل میشود که گیاهان با قرار گرفتن تحت تاثیر خشکی از پتانسیل آب خود میکاهند. در این حالت، مکانیسمهای تحمل خشکی میتوانند تورژسانس بافتی را به دلیل ایجاد شرایطی که به کاهش پتانسیل آب و افزایش کشسانی بافتی منجر میشود، حفظ کنند. پتانسیل آب پایین از پتانسیل اسمزی ناشی از تنظیم اسمزی و افزایش مواد محلول شیره سلولی نتیجه میشود. نوع دیگر از تحمل خشکی در تعدادی از گونههای گیاهی مانند گونههایی از جلبکها و قارچها روی میدهد. این گیاهان با وجود اینکه آب خود را تقریبا"بطور کامل از دست میدهند، ولی دارای توان بازیابی زندگی به هنگام دریافت مجدد آب میباشند. این گونه تحمل در سطح پروتوپلاسمی رخ میدهد که به "تحمل خشک شدن " موسوم است. بعضی از قسمتهای گیاهان زراعی مثل دانهها، ریزومها و ساقههای بدون برگ میتوانند واجد این نوع تحمل باشند. گیاه پس از قرار گرفتن در تنش آبی مداوم، یا باید مکانیسمهای تحمل را انجام دهد یا مانع از دست رفتن آب شود و یا مبزان جذب آب را افزایش دهد، در غیر این صورت مرگ گیاه حتمی است (Bartoli, 2004). سنتز تنظیم کنندههای اسمزی (Osmo regulators) از مسیرهای بیوشیمیایی متفاوت از جمله روشهای تعدیل فشار اسمزی به منظور افزایش جذب آب میباشد (Davies, 1995). تنظیم کنندههای اسمزی ترکیبات بسیار محلولی هستند که در PH بیولوژیک بدون بار الکتریکی بوده و در غلظتهای زیاد زیانآور نیستند. این مواد فشار اسمزی را در سیتوپلاسم سلول گیاهی کاهش داده و تا حدی پروتئینهای غشای پلاسمایی را در برابر تنشها مقاوم میسازند (Gibson, 2005). تنظیم کنندههای اسمزی از نظر شیمیایی شامل: بتائین و مشتقات آن، قندها و پلی اولها (مانیتول، ترههالوز)، آمینواسیدهای آزاد نظیر پرولین هستند. افزایش میزان پرولین آزاد به عنوان شاخص برخی از تنشها نظیر شوری، خشکی شناخته شده است (Alia, 1993) .این عکس العمل که باعث می شود تورژسانس سلول به میزان کمتری تحت تاثیر خشکی ایجاد شده، قرار گیرد و در نتیجه آب سلول را حفظ کند، اصطلاحا تنظیم اسمزی (Osmotic adjustment) نامیده میشود .(Cushman, 2001; Verslues and Bray, 2004) در نتیجه تنظیم اسمزی تورژسانس سلول حفظ میشود. یکی از نتایج حفظ تورژسانس باز نگه داشتن روزنهها و انجام تبادلات گازی گیاه است.(Morgan, 1980) در نتیجه تنظیم اسمزی، پتانسیل آب داخل سلول ثابت میماند. لازم به ذکر است که این عمل تا حد معینی از کاهش مقدار آب سلول گیاهی امکان پذیر است و پس از آن به تدریج در اثر کاهش پتانسیل تورژسانس حالت پلاسمولیز در سلول ایجاد میشود .(Hellebust, 1976; Hsiao et al., 1976)فرایند تنظیم اسمزی به عنوان یک صفت برای تحمل به خشکی شناخته میشود ( (Richards, 2004 و اختلافات قابل ملاحظهای در تنظیم اسمزی بین ارقام مختلف گندم گزارش شده است .(Turner and Jones, 1980; Blum et al., 1983) توانایی تنظیم اسمزی رابطه مثبت با عملکرد دانه دارد، به طوری که عملکرد دانه ارقام دارای توانایی تنظیم ۶/۱ برابر بیشتر از اسمزی تحت شرایط تنش خشکی ارقام فاقد توانایی تنظیم اسمزی میباشد .(Morgan, 1988) تجمع پرولین در جلبک کلرلا به هنگام تنش شوری به وسیله مسیر گلیکولات تنظیم و کنترل میشود (Alia, 1993). در موارد دیگر سنتز پرولین با منشاء آلفاکتوگلوتارات حاصل از چرخه کربس گزارش شده است (Alia, 1993). بسته شدن روزنهها به منظور کاهش تعرق به دنبال تنش خشکی غلظت 02 در فضای درونی مزوفیل برگ گیاه را افزایش داده و غلظت CO2 را کاهش میدهد. در چنین شرایطی آنزیم روبیسکو به صورت اکسیژناز عمل کرده و پدیده تنقس نوری و به دنبال آن افزایش مسیر متابولیسمی گلیکولات، سرین و پرولین را به همراه خواهد داشت (Davies, 1995). در بررسیهای انجام گرفته در ارتباط با تغییرات قندهای محلول افزایش فعالیت آلفا آمیلاز و اینورتاز به هنگام تنش آبی گزارش شده است (Leustek et al., 1990). این آنزیمهای هیدرولیتیک با تجزیه مولکولهای بزرگی نظیر نشاسته و ساکارز و ایجاد مولکولهای کوچکتر، مولاریته سلولی را افزایش داده و پتانسیل سلولی را به منظور جبران کمبود آب و افزایش جذب آب کاهش خواهند داد. در گیاهان مقاوم به تنش آبی این مکانیسم به وضوح مشاهده شده و از آن به عنوان تنظیم اسمزی یاد میشود (Flexas et al., 2006). القاء و تحریک بیان ژن اینورتاز واکوئولی نیز در نتیجه اعمال تنش آبی گزارش شده است (Brasil et al.,1992). بیان ژن و فعالیت اینورتاز و متابولیسم ساکارز و افزایش سریع اینورتاز محلول در اسید همراه با افزایش غلظت هگزوزها (گلوکز و فروکتوز) در همه اندامهای گیاهان تحت تنش گزارش شده است. تحمع گلوکز و افزایش فعالیت اینورتاز واکوئولی در سلولهای غلاف آوندی برگ نیز مشاهده شده است. افزایش بیان ژن و فعالیت آنزیمهای هیدرولیتیک اینورتاز ، آلفا آمیلاز در اثر تنش خشکی نشان میدهد که افزایش قندهای محلول یک پاسخ متابولیکی تنظیم شده در برابر تنش بوده که هم کاهش فتوسنتز را جبران میکند و هم جذب آب را افزایش میدهد. در تنشهای ملایم و کوتاه مدت پاسخهای بیوشیمیایی و فیزیولوژیک، گیاه را تا برطرف شدن تنش حفظ میکند. ولی با افزایش شدت و زمان تنش به نظر نمیرسد این مکانیسمها خسارت و آسیبهای ناشی از تنش را به ویژه در گیاهان زراعی مهار کند (Brasil et al., 1992; Close, 1996). مطالعات انجام شده نشان میدهد هنگام تنش خشکی به دلیل کاهش رشد سلولی و تغییرات وزنی حاصل از آن شاخصهای فیزیولوژیک مانند GR/SR تغییر معنیدار نشان میدهد .(Dure, 1993; Flexas et al., 2006)معیاری که برای اندازه گیری GR(dg/dt) در نظر گرفته میشود میتواند وزنی، طولی، بیوشیمیایی باشد. معیار بیوشیمیایی یعنی تغییر در سنتز ترکیباتی نظیر پروتئین، دقیقترین پارامتر و معیار سنجش تغییرات رشد در گیاه میباشد (Atkin et al., 1997). شاخص R/S به عنوان یک شاخص اکوفیزیولوژیک معرفی میگردد. در گیاهان گزروفیت در خشکیهای شدید در پاسخ به تنش آبی رشد سیستم ریشهای به منظور افزایش جذب آب، بیشتر شده و در نتیجه نسبت وزنی ریشه به ساقه افزایش نشان میدهد. از طرف دیگر به هنگام تنشهای شدید کم آبی در سیستم های انتقالی گیاه مقاومت به حرکت آب کاهش مییابد (Davis, 1995). یکی از روشهای مفید مدیریت خشکی، کشت ارقام مقاوم در مناطق خشک میباشد. اصلاح ارقام مقاوم به خشکی از مهمترین راهحل بر ای مبارزه با مشکل خشکی است (et al., 2006 Rebetzke). تحمل به خشکی صفت کمی است و روش اندازهگیری مستقیمی برای آن وجود ندارد. این امر باعث مشکل شدن شناسائی ژنوتیپهای مقاوم به خشکی میشود (Takeda and Matsuoka, 2008) .از طرف دیگر افزایش عملکرد در شرایط کمبود آب نیازمند شناسائی ژنوتیپهای مقاوم به خشکی و کارهای مدیریتی برای حداکثر کردن آب قابل دسترس است (Passioura, 2006). برای شناسائی ژنوتیپهای مقاوم به خشکی از شاخص حساسیت به تنش(SSI) (Fischer and Maurer, 1978)، شاخص تحمل(TOL) ، و شاخص میانگین محصولدهی(MP) (Rosielle and Hamblin, 1981)، شاخص تحمل به تنش(STI)) و میانگین محصولدهی (GMP) (Fernandez, 1992) و شاخص تحمل(TI) (Munns and James, 2003) استفاده میشود.


1-2-2 اثر تنش خشکی بر روی کلزا
گیاه کلزا اصولا به تنش خشکی بسیار حساس بوده که حداکثر آن در زمان پرشدن دانه و حداقل آن در مرحله رشد رویشی است .(Nielsen and Janick, 1996 ) نتایج حاصل از یک تحقیق نشان داد که عملکرد و اجزاء عملکرد بوسیله کمبود
آب بهوجود آمده از گلدهی تا پایان پر شدن دانه تحت تاثیر قرار میگیرد، همچنین نتایج کاهش معنیداری در درصد روغن ،تعداد دانه در خورجین و وزن هزار دانه را نشان دادند, 2006) . .( Ma et alنتایج مطالعات مختلف نشان میدهد که واکنشهای فیزیولوژیک گیاه در برابر خشکی و گرما، بسته به گونه، منطقه، زمان بروز و شدت این تنشها متغیر است .(Wright et al., 2001)
(Nielsen and Nelson, 1998) معتقدند که گیاه کلزا اصولا به تنش خشکی حساس میباشد و کشت این گیاه برای مناطق خشک توصیه نمیگردد. (Wright et al., 2001) گزارش کردند که در شرایط تنش، عملکرد B. Juncea بیشتر از رقم B. napus بود. در شرایط تنش خشکی B. Juncea از تعداد دانه بیشتری در هر خورجین برخوردار میباشد. در این رابطه گزارش شده در صورت عدم وجود استرس خشکی، تعداد خورجین و تعداد دانه کلزا افزایش مییابد. این امر از سطح برگ بیشتر در جریان گلدهی و در نتیجه از عرضه مناسبتر آسیمیلات ناشی میشود. اختلاف گونههای براسیکا در تحقق این امر مهم میباشد. (Jensen et al., 1996) گزارش کردند که تأمین آب کافی درطی مرحل گلدهی و مراحل اولیه نمو خورجین در کلزا باعث افزایش تعداد خورجین در واحد سطح و تعداد دانه درخورجین و در نتیجه عملکرد دانه میشود. بر اساس گزارش (Rao and Meandham, 1991) وزن دانه که عمدتاً در مرحلهی پرشدن دانه معین میگردد، بیشتر متأثر از ساختار ژنتیکی است ولی عوامل محیط نیز بر آن اثر دارند. حدود یک سوم وزن دانه در کلزا توسط فتوسنتز خورجینها تأمین میگردد. البته سهم انتقال مواد در پر کردن دانه در شرایط خشکی افزایش مییابد. اثر تنش خشکی روی سرعت و مدت پر شدن دانه مؤثر است .برخی اثر تنش خشکی را بر طول مدت پر شدن دانه و کاهش وزن گزارش کردهاند.(Mohammad et al., 2007) برخی آن را بر سرعت رشد دانه مؤثر دانستهاند .(Daneshvar et al., 2008) با این حال کمبود رطوبت بهویژه در انتهای دورهی رشد عامل محدود کنندهی وزن دانه کلزا میباشد. بررسی اثر مقادیر آب و زمانهای مختلف تنش خشکی بر روی گیاه کلزا نشان میدهد که رشد زایشی و خصوصاً اوایل مرحلهی تشکیل خورجین، حساسترین مرحله به تنش است (.(Daneshvar et al., 2008
در گزارش دیگرet al., 2008) (Nasri حساسترین مرحله به تنش را بین گرده افشانی و ده روز پس از رشد خورجین بیان شده است. این مراحل را با مراحل بین گلدهی و نمو خورجین یعنی وقتی که خورجین به طول نهایی خودش میرسد، مصادف میشود. به هر حال صدمه دیدن اجزای عمدهی عملکرد، مقدار خورجین و تعداد دانه در خورجین ناشی از هر عامل تنشزا از جمله خشکی محدودکنندهی عملکرد دانهی کلزا خواهد بود. تنش خشکی اثرات متفاوت بر کیفیت دانه کلزا دارد. (Mohammad et al., 2007) نشان دادند که ترکیبات دانه با اعمال تنشی در مراحل رشد رویشی و زایشی تحت تأثیر قرار میگیرند ولی بیشترین تأثیر با بروز تنش خشکی در مرحله ی گلدهی اتفاق میافتد، که نتیجهی آن کاهش تعداد دانه در خورجین و تعداد خورجین میباشد. تنش خشکی طی مرحله پرشدن دانه موجب ریزش سریع تر برگها میگردد، همچنین عملکرد کمتری از شاخههای جانبی حاصل شده و در نتیجه آن تعداد خورجین در شاخه کاهش یافته و دانههای کوچکتری تولید میشود .(Gan et al., 2004) عکسالعمل کلزا به تنش خشکی به مرحله نموی که تنش در آن حادث میشود بستگی دارد، در این ارتباط وقایع قبل از گلدهی و طی مرحله گلدهی نیز بر عملکرد دانه و روغن کلزا تاثیرگذار میباشد al., 2008) (Mathe-Gaspar et. درصد روغن در مراحل اولیه (غنچه سبز) کاهش یافت (.(Faraji et al., 2009
ولی در بررسی (Jensen et al., 1996) نتیجه گرفتند که تنش خشکی ملایم بر درصد روغن کم تأثیر ولی در تنش شدید درصد روغن کاهش یافت. بررسی انجام شده در شرایط گلخانهای نیز نشان داد که اعمال تنش خشکی قبل و بعد از گلدهی، سبب افزایش گلوکوزینولات در دانه کلزا گردید .(Masoud Sinaki et al., 2007) اثر خشکی روی درصد پروتئین کلزا نیز متفاوت بوده است ولی برخی گزارشها افزایش درصد پروتئین دانه را در شرایط تنش خشکی بیان نمودهاند (Rahnama and Bakhshande, 2006). به هر حال با تأکید بر اثر محیط بر محتوی روغن و پروتئین دانه کلزا همبستگی منفی بین درصد روغن و پروتئین دانه گزارش شده است (.(Si et al., 2003
مطالعات متعددی در زمینه اثر خشکی بر تجمع زیتوده گیاه کلزا انجام شده است. تعدادی از محققین معتقدند که میزان زیتوده کل تحت تنش افزایش یافته(Munns and Weir, 1981) و تعدادی دیگر بر این باورند که زیتوده تحت تنش خشکی کاهش مییابدand Hitz, 1982) .( Hanson همچنین عده دیگری عدم تغییر زیتوده را با افزایش خشکی ثابت کردهاند (Moragan, 1992 ). (Siddigui et al., 2008) گزارش نمودند که افزایش وزن خشک و تجمع زیتوده تا حدودی به انباشته شدن ترکیبات محلول در آب مانند قندها مربوط میشود. یکی از مکانیزمهای سازشی مهم برای گیاهان در پاسخ به تنشهای اسمزی مانند کاهش آب و افزایش شوری تجمع فعال یا غیرفعال همین مواد محلول است( Martin et al., (2002 . تعدادی از اندامکهای سلولی مسئول ساخت این مواد هستند، به گونهای که ترکیبات محلول سبب میشوند تا آب مجدد اً به سلول باز گردد و یا سلول را از تخریب حاصل از دهیدراسیون حفظ کنند( Yang et al., 2003) .
1-2-3- ﺗﺄثیر تنش خشکی بر رشد و فتوسنتز
تنش خشکی یکی از تنشهای اصلی است که باعث کاهش تولیدات کشاورزی میشود. این تنش از فتوسنتز گیاه ممانعت نموده، باعث تغییر در محتوای کلروفیل و صدمه به ساختارهای فتوسنتزی میشود. یکی از دلایلی که تنشهای محیطی مثل خشکی، رشد و توانایی فتوسنتزی گیاه را کاهش میدهند، اختلال در تعادل میان تولید رادیکالهای آزاد اکسیژن و مکانیسمهای دفاعی برطرف کننده این رادیکالهاست که به تجمع ROSو القای تنش اکسیداتیو، خسارت به پروتئینها، لیپیدهای غشا و سایر اجزای سلولی منجر میگردد .(Fu and Huan, 2001) نتایج مطالعات نشان میدهد در شرایط تنش کمبود آب روزنهها در گیاه بسته میشوند و متعاقب آن غلظت CO2 در بافت مزوفیل کاهش مییابد و به دنبال این وضعیت واکنشهای تاریکی فتوسنتز مختل شده و محصولات حاصل از واکنشهای روشنایی، که شاملATP ، NADPH است، مصرف نمیشود. در چنین شرایطی به علت عدم اکسید شدن مولکول NADPH ، مصرف NADP+ جهت دریافت الکترون کاهش می یابد، بنابراین مولکول اکسیژن در مسیر زنجیره انتقال الکترون به عنوان پذیرنده جانشین الکترون عمل میکند و منجر به شکلگیری رادیکال سوپراکسید (O-2)، پراکسید هیدروژن (H2O2) و رادیکال هیدروکسیل (OH-) میگردد
( Ben Ahmed, 2009؛ .(Jubany-Mari et al., 2010گیاهان برای مقابله با تنش اکسیداتیو ایجاد شده مکانیسمهای دفاعی مختلفی شامل آنزیمی و غیرآنزیمی ر ا بکار میبرند .(Ozkur et al., 2009) یکی از صدمات اکسیداتیو مهمی که در این شرایط ایجاد میشود تخریب مولکول کلروفیل است. به دنبال این تخریب گیاه رنگی به نظر میرسد که دلیل آن افزایش و قابل رؤیتشدن رنگیزههای محافظ مانند کاروتنوئیدها (گزانتوفیل، کاروتن، لیکوپن) و آنتوسیانین میباشد.(Chalker-Scott, 2002) کاروتنوئیدها در این شرایط قادرند انرژی زیاد طول موجهای کوتاه را گرفته و اکسیژن یکتایی را به سهتایی تبدیل کنند و با گرفتن رادیکالهای اکسیژن تولید شده نقش آنتیاکسیدانی خود را ایفا کنند (Inze and Montagu, 2000). در طول تنش خشکی، میزان کاروتنوئید کاهش یافته و نتوانسته است نقش حفاظتی خود را ایفا کند. کاهش محتوی کاروتنوئیدها میتواند به دلیل اکسیدشدن آنها توسط اکسیژن فعال و تخریب ساختار آنها باشد. بررسی روی زیتون نشان داد که مقدار کاروتنوئید با افزایش تنش خشکی کاهش مییابد ( .(Ben Ahmed et al., 2009
کاهش میزان رنگیزههای فتوسنتزی در برگهای دو ژنوتیپ برنج تحت تنش خشکی Mpa)9/1-) توسط (1999 (Sircelj, نیز گزارش شده است. فتوسنتز که یکی از فرآیندهای مهم فیزیولوژیکی گیاه است، شدت آن در کمبود آب کاهش مى یابد.(Gusegnova, 2006 ) دوام فتوسنتز و حفظ کلروفیل برگ تحت شرایط تنش از جمله شاخصهای فیزیولوژیکی مقاومت به تنش است. تنش خشکی باعث تولید اکسیژن فعال همراه با کاهش و تجزیه کلروفیل میشود. در طی تنش، کلروفیلها در کلروپلاست تجزیه و ساختارهای تیلاکوئید ناپدید میگردند1998) .(Sairam, نتایج تحقیقات نشان داده که تنش خشکی ملایم بر روی مقدار کلروفیل در دو گیاه سردسیری Festuca و Poa pratensis اثری نداشته ولی خشکی شدید مقدار کلروفیل را در این دو گیاه کاهش میدهد (Hauny, 2001) همینطور مقدار کلروفیل در گیاه توتون همراه با کاهش پتانسیل آب خاک تحت تنش کاهش مییابد .(Pastori and Trippi, 1993) پایداری کلروفیل به عنوان شاخصی از تنش خشکی شناخته شده است و شاخص پایداری بالا به معنی بیتأثیر بودن تنش بر گیاه است و موجب دسترسی بهتر گیاه به کلروفیل میشود .(Modhan et al., 2000)
دسترسی به آب اغلب رشد ریشه و برگها، هدایت روزنهای، فتوسنتز و تجمع ماده خشک را تحت ﺗﺄثیر قرار میدهد (Blum, 1996). یکی از پاسخهای اولیه گیاه در پاسخ به تنش آبی، کاهش میزان طویل سازی برگ و بستن روزنهها میباشد تا از مصرف آب از طریق تعرق جلوگیری بعمل آورد. محدودیت روزنه به عنوان پاسخی در مقابله با کمبود آب منجر به کاهش میزان فتوسنتز و غلظت CO2 داخلی میگردد (Reddy et al., 2004). کاهش غلظت CO2 در بافتهای برگ تحت تنش و اتلاف انرژی نوری اضافی در مرکز PSII و آنتن میتواند منجر به تولید ROS شده که تحت شرایط تنش آبی بسیار خطرناک میباشد (Peltzer, 2002). کاهش رشد تحت تنشهای محیطی نظیر خشکی گزارش شده است (Mostajeran et al., 2009). از دیگر پارامترهای متاثر تحت این تنش ، میزان آب نسبی (RWC) برگ بوده که از جمله شاخصهای قابل اعتماد در جداسازی گونههای حساس و مقاوم در گیاهان محسوب میشود (Sanchez-Rodriguez et al., 2010). محتوای نسبی آب برگ یکی از ویژگیهای مؤثر در تداوم رشد کلزا تحت شرایط خشکی بوده و مقدار بالاتر آن میتواند عامل استمرار رشد در شرایط خشکی باشد .(Kumar and Singh, 1998) چنان چه محتوای نسبی آب برگ بالا باشد گیاه تورم سلولی خود را حفظ کرده و رشد آن تداوم مییابد .(Rao and Mendham, 1991)در شرایط خشکی محتوای نسبی آب برگ با هد ایت روزنهای همبستگی داشته و کاهش مقدار آن در شرایط کمبود آب، منجر به کاهش هدایت روزنهای و جذب دیاکسیدکربن شده و در نهایت سبب افت فتوسنتز میگردد et al., 2002) .(Mailer کمبود آب در کلزا همراه با کاهش پتانسیل آب برگ باعث افت تورم سلولی، هدایت روزنهای و فتوسنتز گردیده و در نهایت به رشد و تولید محصول صدمه میزند .(Kumar and Singh, 1998)(Valentovic et al., 2006)، نشان دادهاند که میزان RWC در برگهای ذرت که در شرایط پتانسیل آبی کم ) Mpa4/1-) رشد یافته بودند در هر دو واریته حساس و مقاوم این گیاه کاهش مییابد. آنها همچنین پیشنهاد کردهاند که ارتباط مثبتی بین RWC و میزان فتوسنتز وجود دارد. بطور کلی تنش آبی موجب بسته شدن روزنه و در نتیجه کاهش نسبت CO2/O2 در برگها و کاهش فتوسنتز میگردد (Moussa, 2006). نتایج تحقیق2007) (Dwivedi, نشان داد که تنش رطوبتی بهتنهایی موجب کاهش معنیدار فتوسنتز کلزا میگردد، در صورتی که در شرایط تنش رطوبتی، دیاکسیدکربن القاء شده سبب افزایش معنیداری در میزان فتوسنتز برگ هر دو واریته تحت آزمایش شده است. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که بخشی از کاهش عملکرد گیاهان در اثر محدودیت آب میتواند توسط افزایش غلظت دیاکسیدکربن جبران شود. در کلزا کاهش فتوسنتز جاری و میزان دسترسی مخازن خورجینها و دانهها به فرآوردههای فتوسنتزی از علل اصلی سقط خورجینها و دانهها در اثر خشکی میتواند باشد et al., 2002) .(Mailer
1-2-4 اثر تنش خشکی روی آنزیمهای آنتیاکسیدانت و مالوندیآلدهید
تنشهای محیطی محدودکننده فتوسنتز، میتوانند آسیب سلولی ناشی از اکسیژن را با توجه به تولید ROSافزایش دهند (Mittler, 2002 ؛Neill et al., 2002). کاهش بیش از حد انتقال الکترون در اندامکهای سلولی نظیر کلروپلاست و میتوکندری تحت تنش، باعث تشکیل گونه اکسیژن فعال همانند آنیون سوپر اکسید (O2-) میشود که این نیز باعث آسیبهایی جدی به غشا، لیپیدها، پروتئینها و سایر مولکولهای ضروری نظیر DNAو RNAسلولها میگردد و متعاقباً از رشد جلوگیری مینماید (Rout and Shaw, 2001). پراکسید هیدروژن سبب اکسیده شدن گروههای تیول میگردد در نتیجه این عمل، آنزیمها بطور ناخواسته فعال یا غیر فعال میشوند (Neill et al., 2002) .رادیکال هیدروکسیل خطرناکترین فرم اکسیژن فعال بوده و با هدف قرار دادن تمامی بیومولکولها، اختلالات متابولیسمی شدیدی را سبب میشود. انواع اکسیژن فعال در مقادیر غیرطبیعی به دلیل تخریب نقاط کلیدی در متابولیسم منجر به عوارض جبران ناپذیری در سلول شده و در نهایت ممکن است سبب مرگ آن گردند (Mittler, 2002). طیف وسیعی از اختلالات مولکولی که منجر به ایجاد آسیبهای فیزیولوژیکی در گیاهان تحت تنش خشکی میشوند را میتوان ناشی از تولید رادیکالهای فعال و مخرب اکسیژن دانست. این رادیکالها واکنشهایی را هدایت میکنند که سبب نابودی DNA ، پراکسیداسیون چربیها، تخریب پروتئینهای غشایی و ماکروپروتئینها ، در سلول از جمله رنگیزههای کلروفیل و آنزیمها میشوند. فعالیتهای آنزیمی آنتیاکسیدانت در سلولهای گیاهی غالباً در مواجهه گیاه با تنشهای محیطی افزایش یافته و از این طریق گیاهان قادرند از، خسارات رادیکالهای آزاد اکسیژن ایجاد شده بکاهند. سوپر اکسید دیسموتاز(SOD) ، کاتالاز (CAT)، گلوتاتیون پراکسیداز (GPX) از جمله آنزیمهای آنتیاکسیدانت هستند که نقش اساسی در متابولیزه کردن ترکیبات فعال اکسیژن و جلوگیری از خسارات ناشی از تنش اکسیداتیو را به عهده دارند در برخی از گونههای گیاهی آسیب ناشی از گرما یا خشکی، استرس اکسیداتیو را تحریک میکند که منجر به تولید و انباشتهشدن انواع اکسیژن سمی نظیر رادیکالهای سوپراکسید، آب اکسیژنه و رادیکالهای هیدروکسیل میشود. انواع اکسیژن فعال که طی تنش تولید میشوند به برخی از ترکیبات سلولی نظیر لیپیدها، پروتئینها، کربوهیدراتها و اسیدهای نوکلئیک میتوانند آسیب برسانند. استرس اکسیداتیو میتواند منجر به ممانعت فتوسنتز و فرآیند تنفس و رشد گیاه گردد. گیاهان سیستم آنزیمی و غیرآنزیمی را در مقابله با انواع اکسیژن فعال ساختهاند (Yegappan et .(al., 1982گیاهان دارای آنتیاکسیدانتهای آنزیمی نظیر SOD، POD، CAT،GPX، APX و GRو غیرآنزیمی نظیر آسکوربات و گلوتاتیون (GSH)، و همچنین توکوفرول، فلاونوئیدها، آلکالوئیدها و کاروتنوئیدها برای مقابله با اثرات تنش اکسیداتیو میباشند (Pitzschke and Hirt, 2006). سوپراکسید دیسموتاز (SOD; EC1.15.1.1) در بخشهای مختلف سلول قرار داشته و یکی از جاروکنندگان اصلی رادیکالهای سوپراکسید (O2-) محسوب میشود. این آنزیم O2- را به H2O2 تبدیل کرده که توسط آسکوربات پراکسیداز (APX: EC 1.11.1.11)زدوده میشود. پراکسید هیدروژن نیز توسط پراکسیداز (POD: EC 1.11.1.7) و در پراکسیزومها هم عمدتاً توسط کاتالاز (CAT; EC 1.11.1.6) از بین رفته و به آب و اکسیژن تبدیل میگردد. درجه صدمهرسانی ROS بستگی به توازن بین تولید و از بین رفتنش توسط این سیستمهای از بین برنده آنتیاکسیدانی دارد (Khan and Panda, 2008 Demiral and Turkan, 2005;). در سیستمهای آنزیمی، آنزیم سوپراکسید دیسموتاز، سوپراکسید (O2-) را به O2 و H2O2 کاتالیز میکند. کاتالاز، پراکسید هیدروژن(H2O2) را به دو مولکول آب و یک مولکول 2O تبدیل میکند و گلوتاتیون پراکسیداز با اکسیژن نوزاد، رادیکال آزاد سوپراکسید و رادیکالهای هیدروکسیل واکنش داده و به طور مستقیم به عنوان یک تنظیفکننده رادیکال عمل مینماید Bowler et al., 1992)).
گلوتاتیون و آسکوربات از مهمترین آنتیاکسیدانهای محلول در آب میباشند که در اکثر اندامکهای سلول حضور دارند .(Smirnoff, 2000) آنتیاکسیدانها توانایی واکنش مستقیم با رادیکالهای فعال اکسیژن نظیر سوپراکسید و هیدروکسیل را داشته و آنها را جمعآوری میکنند (Mittler, 2002). نسبت احیا به اکسید آنتیاکسیدانهای مذکور بیانگر وضعیت سلول در شرایط تنش است. بهطوریکه هرچه این نسبت در آنتیاکسیدانهای مذکور بیشتر باشد سلول از پتانسیل ردوکس مطلوبی برخوردار بوده و مکانیسمهای تدافعی آن در شرایط تنش بهتر عمل میکند .(Breusegem et al., 2001)
گلوتاتیون آنتیاکسیدان مهم دیگری است که نقش بسیار موثری را در محافظت از ساختار گیاهان ایفا میکند. بطوریکه این متابولیت علاوه بر شرکت در چرخههای ذکر شده در شکل 1-5، کوفاکتور آنزیم گلوتاتیون پراکسیداز میباشد (Mittler, 2002). این ترکیبات علاوه بر شرکت در چرخههای بسیار مهمی نظیر مهلر(Asada, 2000) ، گزانتوفیل(Havaux and (Niyogi, 1999، اسکوربات – گلوتاتیون2003) (Blokhina,توانایی واکنش مستقیم با انواع اکسیژن فعال را داشته و با
احیای آنها به آب، از اثرات مضر آنها پیشگیری میکنند. امروزه برخی از محققان معتقدند که افزایش میزان این آنتیاکسیدانها تحمل گیاه به تنشهای محیطی را افزایش میدهند (Asada, 2000). بعلاوه اسکوربات پراکسیداز بهعنوان آنزیم کلیدی در چرخههای گلوتاتیون – اسکوربات و مهلر ایفای نقش میکند.

شکل 1-4- منبع تولید ROS ها در داخل و بیرون سلولهای گیاهی (Ramamurthy and Nina, 2003).
آنتیاکسیدانهای مذکور بعنوان کوفاکتور آنزیمهای درگیر در این چرخهها عمل میکنند. به عبارت دیگر فرم احیای این آنتیاکسیدانها پتانسیل هیدروژن لازم برای احیای کامل پراکسید هیدروژن را در چرخههای گلوتاتیون – اسکوربات و مهلر تامین میکنند. همچنین فرم احیا آنتیاکسیدانهای محلول در آب مذکور در چرخه گزانتوفیل هیدروژن لازم برای احیا کامل اکسیژن اتمسفری و تبدیل آن به آب نقش بسیار موثری دارند. هرگاه آنتیاکسیدانهای اسکوربات و گلوتاتیون کاهش یابند و یا نسبت احیا به کل آنها در حد پائین باشد سبب کاهش کارایی مکانیسمهای مذکور شده و انواع اکسیژن فعال تجمع مییابد .(Mittler, 2002) بر خلاف اغلب موجودات، گیاهان ژنهای چندگانهای دارند که کد کننده ایزوفرمهای SOD و APX بوده و بطور ویژه در کلروپلاستها، میتوکندریها، پراکسیزومها و همچنین آپوپلاست و سیتوسل یافت میشوند. شواهد زیادی نشان میدهند که سیستمهای آنتیاکسیدانت تحت تنشهای غیرزیستی تغییر مییابند. درگوجهفرنگی و مرکبات تحمل به شوری به افزایش فعالیت SOD، APX وCAT نسبت داده میشود (Mittova et al., 2004). افزایش میزان فعالیت SOD،APX وCAT در دو واریته حساس (Trihybrid 321) و مقاوم (Giza 2) ذرت تحت تنش خشکی توسط (Moussa and Abdel-Aziz, 2008) نیز گزارش شده است. توزیع فضایی آنزیمهایی نظیر سوپراکسید دیسموتاز در غشاها میتواند تا حدودی در برقراری مقاومت نسبت به خشکسالی مهم باشد Bowler et al., 1992)).
(Jin et al., 2006 ) اظهار کردند که با افزایش تنش خشکی پس از 24 ساعت میزان فعالیت آنزیم سوپراکسید دیسموتاز در گیاه افزایش مییابد. افزایش فعالیت این آنزیم در تیمار تنش به خاطر نقش مهم این آنزیم جهت مقابله با رادیکالهای آزاد اکسیژن ایجاد شده در اثر تنش خشکی میباشد، بنابراین SOD به عنوان یکی از اجزای مهم مکانیسم دفاعی گیاه در نظر گرفته میشود. گلوتاتیون پراکسیداز کاهش پراکسید هیدروژن را با استفاده از گلوتاتیون احیا شده کاتالیز میکند و از سلولها
در برابر آسیبهای ناشی از اکسایش حفاظت میکند .( Dixon et al., 1998)افزایش فعالیت گلوتاتیون پراکسیداز در پنبه

الف

ب

ج
شکل 1-5- مکانیسمهای دفاعی گیاه که آنتی اکسیدانهای اسکوربات و گلوتاتیون در آنها ایفای نقش مینماید
الف) چرخه مهلر Asada, 2000))، ب) چرخه گلوتاتیون- اسکوربات (Edreva, 2005) و ج) چرخه گزانتوفیل (.(Jiang et al., 2006
و گندم که در معرض تنش خشکی قرار گرفتهاند نشان میدهد که همزمان با تولید H2O2این افزایش میتواند منجر به جذب الکترونهای فردوکسین توسط NADP گردد که در نتیجه میزان تولید سوپراکسید کاهش مییابد .(Smirnoff, 1998) افزایش فعالیت آنزیم گلوتاتیون پراکسیداز در اثر خشکی و یا درجه حرارت بالا توسط سایر محققین نیز گزارش شده است Asada, 1999)).
بهطورکلی تنشهای محیطی تولید سوپراکسید را افزایش میدهند. این تولید می تواند برای انسجام و عملکرد غشا مهلک باشد زیرا عکسالعملهای متفاوت بین پروتئینها و لیپیدها ممکن است جایگاه گونههای مولکولی متنوع را در لیپید دولایه به طوری تغییر دهد که آنها بیشتر در معرض اکسیژن قرار گیرند، بنابراین تولید رادیکال پروکسید افزایش مییابد (Takahashi et al., 1987). تولید رادیکالهای اکسیژن آزاد، مسئول پراکسیداسیون لیپیدهای غشا وابسته به تنش هستند که منجر به صدمه غشا و بیرنگ شدن رنگیزهها میگردد (Sairam and Saxen, 2000). پراکسیداسیون لیپیدی شامل کاهش سیالیت غشاء، تسهیل تبادل بین دو لایه فسفولیپیدی، افزایش تراوایی غشاء به مواد که بطور معمول از آن عبور نمیکنند، آسیب دیدگی پروتئینهای غشائی، غیر فعال شدن گیرندهها، آنزیمها و کانالهای یونی میباشد (Singh and Tuteja, 2010). مالوندیآلدهید (MDA)، محصول تجزیه اسیدهای چرب پلی-غیر اشباع است که به عنوان مارکر زیستی پراکسیداسیون چربی بکار گرفته میشود (Shakirova, 2007). بررسی غلظت مالوندیآلدهید بافت گیاهی میتواند بیانگر میزان تخریب غشا سلولی باشد زیرا این ترکیب تحت تأثیر تخریب و پراکسیده شدن غشا سلولی آزاد میشود (Bhattacharjee and Mukherjee, 2002) .بنابراین پایداری غشای سلول بطور گسترده بکار گرفته میشود تا واریتههای حساس و مقاوم را از هم متمایز نماید. برگهایی از گیاه گوجهفرنگی که تحت تنش خشکی قرار گرفتند، افزایش در پراکسیداسیون لیپیدی را نشان دادند Nasibi, 2011)).
1-2-5 ﺗﺄثیرتنش خشکی بر میزان نیترات و نیترات ردوکتاز
یکی از عوامل کاهش کارکرد در شرایط کمبود آب را میتوان به کاهش دسترسی گیاه به نیتروژن نسبت داد
.(Boutraa and Sanders, 2001) اگر چه خشکی بسیاری از جنبههای گیاه را تحت تأثیر قرار میدهد، اما حساسیت تثبیت نیتروژن به کمبود آب بیشتر است، زیرا بسیاری از فرآیندهای زیست شیمیایی گیاه تا تخلیه 70 الی 80 درصد رطوبت قابل استفاده خاک تحت تأثیر قرار نمیگیرند، در حالی که تخلیه 50 درصد از رطوبت قابل استفاده خاک موجب کاهش تثبیت نیتروژن میگرددSerraj, 2003) ). افزایش تنش آبی باعث کاهش فراوانی تارهای کشنده، فراوانی باکتری، قدرت چسبندگی و نفوذ باکتری به تارهای کشنده، انتشار اکسیژن از سطح گره به داخل و کاهش فعالیت آنزیمی شده و در نتیجه بر تثبیت نیتروژن و رشد گیاه پیامد منفی دارد .(Serraj, 2003) در مورد علت کاهش تثبیت نیتروژن در اثر تنش آبی نظرات متفاوتی وجود دارد. برخی علت آن را کاهش فتوسنتز و ساخت کربوهیدراتها، کاهش فراوانی گرههای ریشه و یا کاهش انتقال دهندههای اکسیژن در گره میدانند، که سبب انباشتگی اکسیژن در گرهها و بدنبال آن کاهش فعالیت آنزیم نیتروژناز می شودGordon et al., 1997) ). گیاهان هنگام تنش خشکی با ساز و کارهای ویژهای شرایط خشکی را بردباری میکنند، با این حال کاهش رشد در آنها دیده میشود. یکی از دلایل کاهش رشد، کاهش جذب عناصر غذایی به ویژه نیتروژن و فسفر است (Boutraa and Sanders, 2001) و گیاهانی که دارای مقادیر کافی نیتروژن و فسفر باشند بردباری بیشتری در برابر تنش آبی نشان میدهند .(Misra and Tyler, 1999) یکی از راههای تأمین نیتروژن تثبیت زیستی است و در شرایطی که نیتروژن به اندازه کافی در دسترس گیاه قرار گیرد جذب فسفر و سایر عناصر غذایی افزایش مییابد .(Watson et al., (1988 تنش اسمزی موجب بستهشدن روزنهها شده که میتواند عامل اصلی در کاهش حصول CO2 در گیاه تلقی گردد. با محدودشدن تامین کربوهیدرات ریشه، این اندام فعالیتش کاهش یافته و بر همین اساس جذب مواد غذایی مخصوصا" نیتروژن کاهش مییابد. کاهش نیتروژن نیز با کاهش پروتئینها ارتباط مثبتی دارد. از آنجایی که گیاهان بطور گستردهای در نیازهای غذایی و در تواناییشان در جذب مواد غذایی ویژه متفاوتاند، بنابراین ﺗﺄثیر تنشهای خشکی و شوری نیز میتواند در بین گونههای مختلف متفاوت باشد. در بین بسیاری از مواد مغذی مورد نیاز رشد و گسترش سلولهای گیاهی، نیتروژن نقش اساسی در توانایی گیاهان در تحمل به تنش شوری و خشکی ایفا مینماید (Botella et al., 1993). شوری میتواند موجب تنش اسمزی و سمیت مخصوص شوری گشته که بهواسطه تجمع بیش از حد نمک در بافت گیاهی بوده و شامل ﺗﺄثیرات ثانویه شدید بر روی پارامترهای متابولیسم نیتروژن نظیر جذب نیتروژن و فعالیت نیترات ردوکتاز میباشد. نیترات ردوکتاز یک عامل محدودکننده رشد و نمو و تولید پروتئین در گیاهان است، چرا که فعالیتش مستقیماً تغییر یافته و روی رشد گیاه ﺗﺄثیر میگذارد (Zornoza and Gonzales, 1998). مشخص شده است که میزان جذب نیتروژن در گیاهان با غلظت بالای شوری NaCl کاهش مییابد (Huang et al., 1993). کاهش در جذب یون مخصوصا NO3-در غشای پلاسمایی و سطوح تونوپلاست، شاید بهعلت مکانیسمهای رقابتی و یا تغییر در غشا باشد (Luttge, 1993).
یکى از آنزیمهایى که نقش کلیدى در سلسله فرایندهاى مربوط به مصرف نیترات دارد، نیترات ردوکتاز است. شواهد زیادى حاکى از پیچیدگى تنظیم این آنزیم وجود دارد .(Werner et al., 1995; Huber and Huber, 1995) همچنین پژوهشهاى متعددى دال بر پاسخهاى متفاوت این آنزیم همراه با تغییر شرایط محیطى موجود است(Werner et al., Huber et al., 1998; 1995). براى نمونه فعالیت این آنزیم در برگ به تغییرات وضعیت آبى حساس بوده و زمانىکه پتانسیل آبى کاهش مىیابد فعالیت آنزیم نیز مهار مىشود.(Christine et al., 1998) به نظر برخى از محققان این کاهش ناشى از میزان سنتز این آنزیم است که این عامل مهمتر از کاهش فعالیت آنزیم در این شرایط است. پژوهشهایى که در زمینه سویا صورت گرفته است نشان مىدهد که تحت شرایط خشکى نیترات به مقدار زیاد در ریشهها تجمع مىیابد و مىتواند منبع با ارزشى براى سنتز اسیدهاى آمینه تحت شرایط شورى در نظر گرفته شود Hissao, 1973)). گزارش شده است که آنزیم نیترات ردوکتاز حساس به تغییرات وضعیت رطوبت برگ بوده و با کاهش شدید پتانسل آبى فعالیت آن در این بخش از گیاه مهار مىشود .(Tejo and Diaz, 1987)همچنین گزارش شده است که در طى خشکى فعالیت آنزیم نیترات ردوکتاز در اندام هوایى بیش از ریشه کاهش مىیابد که این امر به کاهش جریان نیترات از ریشه به اندام هوایى نسبت داده شده است .(Heuer et al., 1979) گزارش کردهاند که در گیاه سویا در زمان کم آبى، نیترات به مقدار زیاد تجمع مىیابد که مىتواند به عنوان منبع نیتروژن براى سنتز اسیدهاى آمینه آزاد مورد استفاده قرار گیرد(Silva, 2004) .
1-2-6 ﺗﺄثیر تنش خشکی بر القای اسمولیتهای سازگار
در چرخه زندگی، گیاهان تحت تأثیر انواع گوناگونی از تنشهای محیطی قرار میگیرند که برای زنده ماندن مجبور به یکسری تغییرات در فعالیتهای زیست شیمیایی و آنزیمی میشوند. پاسخ گیاهان به کمبود آب بسیار پیچیده است و میتواند شامل اثرات مخرب و یا تغییرات سازشی باشد. پاسخ اولیه به کمبود آب در زنده ماندن گیاه در شرایط دشوار لازم و ضروری است .(Chaves, 2002) تنظیم اسمزی به عنوان یکی از مکانیسمهای اصلی گیاه برای بردباری در برابر تنش خشکی در نظر گرفته شده است. زمانی که یاخته در تنش اسمزی پایین قرار میگیرد، اسمولیتها یا متابولیتهای سازگار در آن انباشته میشوند .(Serraj and Sinclair, 2002) نوع متابولیتهای سازگار در گونهها و ارقام گوناگون گیاهی ناهمانند است، این متابولیتهای سازگار شامل آمینواسیدهای گوناگون (پرولین) ، قندها (ساکاروز و فروکتان) ، پلی اولها (مانیتول و پنیتول)، آمینهای چهارتایی (گلایسین و بتائین) و اسیدهای آلی (مالات و سیترات) میباشند. این ترکیبات کوچک و دارای حلالیت بالا در pH فیزیولوژیکی خنثی هستند و در غلظتهای بالا در یاخته هیچ گونه اثر سمی و زیانباری ندارند.(Sharp and (Verslues, 1999 انباشتگی اسمولیتها در یاختههای گیاهی سبب کاهش پتانسیل اسمزی یاخته گردیده و از این رو سبب ادامه و حفظ جذب آب و فشار تورگر میشوند که برای ادامه برخی از فرآیندهای فیزیولوژیک همچون باز بودن روزنهها و ادامه رشد لازم میباشد (Serraj and Sinclair, 2002). از جمله مکانیسمهایی که گیاهان در مقابله با تنش بکار میگیرند سنتز پروتئینهاست. میزان پروتئین محلول یکی از شاخصههای مهم وضعیت فیزیولوژی در گیاهان میباشد. تغییرات هیدراسیون پروتئین یکی از نتایج میزان یون بالا در تنش اسمزی در سلولهای گیاهی محسوب میشود (Parvaiz and Satyavati, 2008). برخى از پژوهشگران رکود سنتز پروتئین را به کاهش تعداد پلىزومهاى سلولى نسبت دادهاند Creelman et al., 1990)). علت افزایش پروتئین ممکن است به این دلیل باشد که تنش باعث تحریک افزایش پروتئینهای موجود گردیده و یا پروتئینهای جدیدی سنتز شده باشند (.(Abolhasani Zeraatkar et al., 2010 تجمع پرولین در یاختههای گیاهی که تحت تنش خشکی و شوری هستند، یک پدیده طبیعی میباشد .(Peng and Verma,1996) پرولین در تمام اندامهای گیاه در طی تنش وجود دارد، با این وجود میزان انباشتگی آن در برگها سریعتر و بیشتر از سایر نقاط میباشد .( Abolhasani Zeraatkar et al., 2010) انباشتگی پرولین همراه با پسابیدگی، یکی از مهمترین عکسالعملهای گیاهان نسبت به کمبود آب یا افزایش فشار اسمزی میباشد (Abolhasani Zeraatkar et al., 2010). پرولین علاوه بر اینکه به عنوان اسمولیت عمل میکند، میتواند نقشهای دیگری از جمله محافظت از آنزیمها در برابر تغییر ماهیت (Peng and Verma, 1996) حفظ حلالیت پروتئینها، تثبیت فسفولیپیدهای غشایی (Walton and Podivinsky, (1998، تنظیمکننده اسیدیته سیتوپلاسمی (Peng and Verma, 1996) منبع نیتروژن و کربن در یاخته (Walton and (Podivinsky, 1998 ، تنظیم پتانسیل ردوکس یاخته توسط متابولیسم پرولین (Verslues and Sharp, 1999) و موارد دیگر بر عهده داشته باشد. تحت شرایط تنش شدید افزایش چشمگیر غلظت پرولین به همراه کاهش معنىدار پروتئین در برگهاى سویا را مىتوان هم به تخریب پروتئین و هم کاهش سنتز آن نسبت داد (Hissao, 1973).
( (Sayed, 1992در بررسیهای خود بر روی فلفل بیان داشت که میزان پرولین گیاه در شرایط تنش خشکی بهخصوص در ریشهها افزایش مییابد. بالا رفتن میزان پرولین و کربوهیدرات در بخشهای مختلف گیاهان به نوعی بیانگر فعالشدن سیستم تنظیم اسمزی در طی مواجهشدن با تنش میباشد.
تنش خشکی بر متابولیسم قندها در گیاهان تأثیر میگذارد. قندها به صورتهای گوناگون در بردباری به خشکی در گیاهان شرکت میکنند. قندها میتوانند به عنوان متابولیتهای سازگار یا اسمولیتها سبب تنظیم اسمزی شوند. همچنین سبب پایداری غشا و پروتئینهای در حال خشک شدن میگردند، بدین صورت که تثبیت غشاء از طریق جایگزین شدن آب موجود در غشای لیپیدی دو لایه صورت میگیرد و به این ترتیب از متراکم شدن فسفولیپیدها جلوگیری کرده و همچنین از پیوندهای نابجا بین پروتئینهای غشایی جلوگیری میکنند. پایدارسازی پروتئینها نیز از طریق تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین گروههای کربوکسیل قند و زنجیرههای قطبی پروتئین صورت میگیرد .(Ingram and Bartles, 1996)تجمع بیش از حد قند در بسیاری از گونههای گیاهی در معرض شوری، خشکی و UV-B گزارش شده است (Ranjbarfordoei et al., 2009 ؛Musil et al., 2002). چنین افزایشی به آسیب میتوکندریایی را می توان به کاهش مصرف انرژی تنفسی نسبت داد که برای انباشتگی نشاسته مطلوب میباشد. طبق نظر کارشناسان انباشتگی سلولی نشاسته، میتواند طی چندین مکانیسم همانند:
قطع فیزیکی عملکرد کلروپلاست
بازدارندگی فیدبکی فتوسنتز در اثر کاهش فعالیت روبیسکو

–219

1-1-11. رادیکال های آزاد18
1-1-11-1. استرس اکسیداتیو18
1-1-11-2. واکنش های رادیکال های آزاد20
1-1-11-3. تقسیم بندی انواع رادیکال های آزاد21
1-1-11-4. انواع گونه های رادیکالی اکسیژن و نیتروژن22
1-1-11-5. روش های مختلف تولید گونه های اکسیژن و نیتروژن22
1-1-11-6. اثر رادیکال های آزاد بر روی چربی ها23
1-1-11-7. سیستم های مقابله با آسیب رادیکال های آزاد23
1-2. کبد24
1-2-1. ساختمان کبد24
1-2-2. تشریح و آناتومی کبد25
1-2-3. بافت شناسی کبد27
1-2-4. سلول های کبدی27
1-2-5. نقش سیستم لنفاوی در عملکرد کبد30
1-2-6. ترمیم بافت در کبد افراد بزرگسال31
1-2-7. اعمال ترشّحی و دفع کبد31
1-2-7-1. متابولیسم و دفع گزنوبیوتیک ها32
1-2-8. متابولیسم کربوهیدرات ها33
1-2-9. متابولیسم لیپید ها34
1-2-10. اختلال هموستاز در بیماری های کبدی35
1-2-10-1. آنزیم های رها شده از بافت کبدی بیمار36
1-2-10-2. ویژگی بافتی37
1-2-10-3. توزیع داخل سلولی آنزیم ها38
1-2-10-4. فعایت نسبی در کبد و پلاسما38
1-2-10-4. مکانیسم آزاد سازی39
1-2-10-5. سرعت پاکسازی آنزیم ها از پلاسما40
1-2-11. انواع بیماری های کبد40
1-2-11-1. مکانیسم ها و الگو های آسیب41
1-2-12. آنزیم آلانین آمینو ترانسفراز (ALT) (GPT) (SGPT) (ALAT)42
1-2-13. آنزیم آسپارات آمینوترانسفراز (AST)43
1-2-14. آنزیم الکالین فسفاتاز (ALP)44
1-2-15. پروتئین تام46
1-2-15-1. میزان پروتئین های خون46
1-2-16. اندازه گیری آلبومین پلاسما48
1-2-17. بیلی روبین پلاسما48
1-2-17-1. بیلی روبین و انواع آن49
1-2-18. وظایف عملی پروتئین های پلاسما49
1-2-19. ساخت پروتئین های پلاسما50
1-2-20. ازت اوره خون51
1-2-21. کراتینین51
1-3. تتراکلرید کربن و سمّیت آن53
1-3-1. مکانیسم ها ی فعال سازی متابولیکی تتراکلرید کربن54
1-3-2. پراکسیداسیون چربی ها56
1-3-3. نقص در ساخت پروتئین57
1-3-4. به هم خوردن تعادل کلسیم57
فصل دوم: مواد و روش ها
2-1. دستگاه‌ها و لوازم و تجهیزات مورد استفاده60
2-2. ترکیبات شیمیایی و مواد مصرفی61
2-3.دستگاه پرکولاتور...........................................................................................................................62
2-4. روش تهیه عصاره هیدروالکلی گیاه کرفس63
2-5. حیوانات مورد استفاده و نحوه ‌نگهداری آنها65
2-6. گروه بندی حیوانات66
2-7. روش دادن عصاره68
2-8. روش تجویز دارو68
2-9. خونگیری از قلب 69
2-10. روش تعیین فعالیت آنزیم آسپارتات آمنیوترانسفراز (AST/GOT) و آنزیم الانین آمینوترانسفراز (GPT/ALT)70
2-11. روش تعیین فعالیت آنزیم الکالین فسفاتاز (ALP)71
2-12. روش تعیین میزان ‌ آلبومین و بیلی روبین در سرم خون71
2-12. روشهای تجزیه و تحلیل آماری73
فصل سوم: نتایج
3-1. نتایج مربوط به غلظت آنزیم AST در گروه های آزمایشی75
3-2. نتایج مربوط به غلظت آنزیم ALT در گروه های آزمایشی78
3-3. نتایج مربوط به غلظت آلکالین فسفاتاز در گروه های آزمایشی82
3-4. نتایج مربوط به غلظت آلبومین در گروه های آزمایشی85
3-5. نتایج مربوط به غلظت بیلی روبین توتال (T.Billi) در گروه های آزمایشی88
3-6. نتایج مربوط به غلظت بیلی روبین مستقیم (D.Billi) در گروه های آزمایشی91
3-7. مقایسه نتایج مربوط به وزن موشهای صحرایی در پایان آزمایش در گروه های آزمایشی93
فصل چهارم: بحث و نتیجه گیری
4-1. بحث98
4-2. نتیجه گیری107
4-3.پیشنهادات108
فهرست منابع
منابع فارسی110
منابع لاتین...........................................................................................................................................112
Abstract122
فهرست جداول
عنوان صفحه جدول2 -1: گروه بندی نمونه ها بر اساس مصرف عصاره هیدروالکلی گیاه کرفس و تتراکلرید کربن66
جدول 3-1 مقایسه میانگین غلظت آنزیم AST در گروه کنترل و شاهد...............................................76
جدول 3-2: اثر تزریق درون صفاقی(IP) عصاره هیروالکلی گیاه کرفس بر میزان غلظت آنزیم آسپارتات آمینوترانسفراز77
جدول 3-3 : مقایسه میانگین غلظت آنزیم ALT در گروه کنترل و شاهد............................................79
جدول3-4: اثر تزریق درون صفاقی(IP) عصارههیدروالکلی گیاه کرفس بر میزان غلظت آنزیم آلانین آمینوترانسفراز80
جدول 3-5: مقایسه میانگین غلظت آنزیم آلکالین فسفاتاز در گروه کنترل و شاهد..............................82
جدول 3-6: اثر تزریق درون صفاقی(IP) عصاره هیدروالکلی گیاه کرفس با مقادیر مختلف بر میزان غلظت آنزیم آلکالین فسفاتاز.....83
جدول 3-7: مقایسه میانگین غلظت آلبومین در گروه کنترل و شاهد....................................................85
جدول 3-8: اثر تزریق درون صفاقی(IP) عصاره هیدروالکلی گیاه کرفس با مقادیر مختلف بر میزان غلظت آلبومین86
جدول 3-9: مقایسه میانگین غلظت بیلی روبین توتال در گروه کنترل و شاهد......................................88
جدول3-10: اثر تزریق درن صفاقی(IP) عصاره هیدروالکی گیاه کرفس با مقادیر مختلف بر میزان غلظت بیلی روبین توتال89
جدول 3-11: مقایسه میانگین غلظت بیلی روبین مستقیم در گروه کنترل و شاهد................................91
جدول3-12: اثر تزریق درون صفاقی(IP) عصاره هیدروالکلی گیاه کرفس با مقادیر مختلف بر میزان بیلی روبین مستقیم92
جدول 3-13: مقایسه میانگین وزن موش های صحرایی در گروه کنترل و شاهد.................................94
جدول3-14: اثر تزریق درون صفاقی(IP) عصاره هیدروالکلی گیاه کرفس با مقادیر مختلف بر میزان وزن95
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار (3-1): نتایج مربوط به میانگین غلظت آنزیم AST در گروه کنترل و شاهد..............................76
نمودار (3-2): نتایج مربوط به میانگین غلظت آنزیم AST....................................................................78
نمودار(3-3): نتایج مربوط به میانگین غلظت آنزیم ALT در گروه کنترل و شاهد...............................80
نمودار (3-4): نتایج مربوط به میانگین غلظت آنزیم ALT................................................................81
نمودار(3-5): نتایج مربوط به میانگین غلظت آنزیم ALP در گروه کنترل و شاهد............................83
نمودار (3-6): نتایج مربوط به میانگین غلظت آلکالین فسفاتاز...............................................................84
نمودار(3-7): نتایج مربوط به میانگین غلظت آلبومین در گروه کنترل و شاهد.......................................86
نمودار (3-8): نتایج مربوط به میانگین غلظت آلبومین...........................................................................87
نمودار(3-9): نتایج مربوط به میانگین غلظت بیلی روبین توتال در گروه کنترل و شاهد......................89
نمودار (3-10): نتایج مربوط به میانگین غلظت بیلی روبین توتال.........................................................90
نمودار(3-11): نتایج مربوط به میانگین غلظت بیلی روبین مستقیم در گروه کنترل و شاهد.................92
نمودار (3-12): نتایج مربوط به میانگین غلظت بیلی روبین مستقیم.......................................................93
نمودار(3-13): نتایج مربوط به میانگین وزن موش های صحرایی در گروه کنترل و شاهد.................95
نمودار (3-14): نتایج مربوط به میانگین وزن موش های صحرایی در پایان آزمایش.............................96
فهرست شکل ها
عنوان صفحه شکل (1-1): گیاه کرفس........................................................................................................................7
شکل (1-2-): ساختار فلاونوئیدها........................................................................................................16
شکل (1-3-): آسیب بافتی توسط رادیکال ها.......................................................................................21
شکل (1-4): ساختمان هپاتوسیت ها و سلول های کبدی.....................................................................29
شکل (1-5): کبد اندامی است که متابولیسم کربوهیدرات را انجام می دهد..........................................34
شکل (1-6): متابولیسم لیپیدها...............................................................................................................35
شکل(2-1):دستگاه پرکولاتور.................................................................................................................63
شکل (2-2): نحوه عصاره گیری............................................................................................................64
شکل (2-3): تصویر قفس های نگهداری مو.........................................................................................65
شکل (2-4): طرز گاواژ.........................................................................................................................67
شکل (2-5): نحوه تزریق تتراکلریدکربن و روغن زیتون.......................................................................69
بررسی اثرات محافظت کبدی گیاه کرفس بر سمیّت القا شده توسط تترا کلریدکربن در موش های سفید بزرگ آزمایشگاهی نر نژاد اسپراگوداولی


به وسیله: زهرا طالبان پور بیات
چکیده:
مشکلات استفاده از داروهای شیمیایی و آثار بجامانده از عوارض جانبی بعضی از داروها منجر به فزونی استفاده از گیاهان دارویی شده است. یافتن دارویی موثر در درمان این اختلالات مورد توجه محققین و پزشکان می باشد. گیاه کرفس (Apium graveolens) از خانوادهApiaceae) ) است که در ایران از این گیاه استفاده غذایی می نمایند و بر این باورند که خواص دارویی مفیدی نیز دارد. لذا این مطالعه با هدف بررسی اثرات محافظت کبدی گیاه کرفس بر مسمومیت القایی ناشی از مصرف تتراکلریدکربن (CCl4) درموش های سفید بزرگ آزمایشگاهی نر از نژاد اسپیراگوداولی انجام شد. بنابراین تعداد 40 سر موش به تعداد مساوی به پنج گروه هشت تایی تقسیم شدند. یک گروه به عنوان کنترل و در چهار گروه دیگر توسط CCl4 سمیت کبدی (هپاتوتوکسیک) ایجاد شد. از این چهار گروه، یک گروه به عنوان شاهد و در سه گروه دیگر روزانه به ترتیب 200، 400 و 600 میلی گرم به ازاء هر کیلو گرم وزن حیوان از عصاره هیدروالکلی کرفس به صورت دهانی (گاواژ) داده شد. چهل روز بعد از شروع مطالعه در کلیه گروه ها آنزیم های آلانین آمینوترانسفراز (ALT)، آسپارتات امینوترانسفراز (AST) و آلکالین فسفاتاز (ALP) و همچنین غلظت های سرمی آلبومین، بیلی روبین توتال و مستقیم که از شاخص های آسیب های کبدی هستند اندازه گیری و با استفاده از آزمون آماری ANOVA و T-testتجزیه و تحلیل گردید. تزریق درون صفاقی تتراکلریدکربن باعث افزایش فعالیت های AST ,ALT ,ALP و کاهش غلظت آلبومین و افزایش غلظت بیلی روبین توتال و مستقیم در مقایسه باگروه کنترل شد. مصرف عصاره گیاه کرفس سبب گردید این فاکتور به طور معنی داری(05/0P≤) به وضعیت نرمال نزدیک شود. نتایج حاصل از این مطالعه نشان می دهد عصاره هیدروالکلی گیاه کرفس در برابر آسیب های کبدی ایجاد شده توسط تتراکلریدکربن دارای اثرات محافظتی است، که احتمالاً بواسطه اثر آنتی اکسیدانی ترکیبات پلی فنلی آن در مهار فعالیّت CCl4 و در نتیجه مهار فعالیّت سیتوکروم P450 و اثر خنثی کنندگی رادیکال های آزاد می باشد.
کلید واژه ها: محافظت کبدی، کرفس، تتراکلریدکربن، آنتی اکسیدان، فلاونوئید.
مقدمه
کبد بزرگترین اندام بدن است که حدود3-5 درصد توده بدن را تشکیل می دهد. یکی از مهم ترین اعمال کبد علاوه بر سوخت و ساز مواد مختلف، سم زدایی مواد آلوده کننده محیطی و داروهای شیمیایی می باشد. در اکثر موارد در طی عمل سم زدایی، فعال سازی متابولیکی توسط آنزیم های سیتوکروم P450 میکروزوم های کبدی باعث ایجاد متابولیت های سمی و فعال می شود که این می تواند موجب آسیب بافت های مختلف از جمله کبد شود. تیواستامید، تتراکلریدکربن، اتانول و استامینوفن از جمله موادی هستند که بعد از ورود به بدن توسط آنزیم های سیستم سم زدایی سیتوکروم P450 متابولیزه می شود (93). اما با توجه به عوارض جانبی داروهای شیمیایی بر روی بعضی از بافت های بدن به خصوص کبد، مسئله بازگشت به استفاده از داروهای گیاهی و طبیعی مد نظر قرار گرفته است.
در این تحقیق از عصاره هیدروالکلی گیاه کرفس Apium graveolens)) که در طب سنتی از این گیاه برای درمان برخی اختلالات مانند: رماتیسم، سرماخوردگی، سرفه، فشار خون، چربی خون و دل درد استفاده میشود. مطالعات آزمایشگاهی انجام شده روی این گیاه نشان داد که این گیاه دارای خواص فیبر ینولیتیک، ضد درد، ضد التهاب، ضد اضطراب، خواب آور و پایین آورنده قند خون است. همچنین مشخص شده است که این گیاه اثرات آنتی اکسیدانی و آرام بخشی دارد، و از تشکیل پلاک های چربی در رگها جلوگیری می کند. مطالعه حاضر به منظور بررسی اثر محافظت کبدی گیاه کرفس انجام شده است (20).
775970447675فصل اول:
کلیات
00فصل اول:
کلیات

اهداف وانگیزه:
از ابتدای تاریخ و حتی پیش از آن منبع اصلی درمان بیماران، گیاهان دارویی بوده است. پیشرفت علم شیمی و ساخت داروهای شیمیایی در قرن اخیر و دوران معاصر، موجب شد برای مدتی پزشکان وبیماران، از این منابع دور شوند. بخاطر عوارض جانبی زیاد داروهای شیمیایی، استقبال مجدد مردم و پزشکان به گیاهان دارویی در سال های اخیر را موجب شده است. مصرف میوه و سبزی همراه با کاهش ابتلا به سرطان می باشد که توسط بلوک و همکاران با انجام 200 مطالعه به اثبات رسید و در 82 درصد از مطالعات آن ها اثر حفاظتی میوه و سبزی از ارگان های بدن به خوبی روشن شده است. همچنین در مطالعه دیگری مشخص شده که ارتباط تنگاتنگی بین مصرف میوه و سبزی و کاهش ابتلا به بیماری های قلبی، عروقی، دیابت، پیری و سرطان وجود دارد (42و65).
بر همین اساس استفاده از گیاهان دارویی پیوسته مورد توجه بوده است و از آنجایی که کبد یکی از ارگان های کلیدی در اعمال متابولیکی و ترشحی است و باید مخلوط مناسبی را از گردش خون برای تمام اعضاء فراهم سازد و همچنین خارج کردن تمام سموم از بدن نیز بر عهده کبد می باشد، همواره با مواد سمی و متابولیت های فراوانی مواجه هست و اختلالاتی که در کبد ممکن است پیش آید فراوان و متنوع است و در حال حاضر، تعداد داروهای شیمیایی که برای درمان اختلالات کبدی استفاده می شوند بسیار کم هستند که عوارض زیادی نیز از خود برجای می گذارند. لذا این موضوع بر اهمیت استفاده از گیاهان دارویی در درمان کبد می افزاید (20). یکی از مهمترین منابع آنتی اکسیدان های طبیعی، ترکیبات فنلی موجود درگیاهان می باشند. ترکیبات فنلی یا پلی فنلی که به طور گسترده در گیاهان وجود دارند، بالغ بر 8000 نوع گزارش شده است (31و38).این ترکیبات دارای خاصیت ضد اکسیدانی، ضد التهابی، ضد ترومبوز، ضد میکروبی، ضد آلرژی و دارای پتانسیل محافظت قلبی و گشاد کنندگی عروق می باشند(31، 34، 89).
از آن جایی که در کشورمان عوامل دارویی محافظت کننده کبدی کمتری در دسترس بوده و از طرفی بیمار‌های کبدی ناشی از عواملی همچون هپاتیت ویروسی و داروها تا حدی شایع است، لازم است داروهای گیاهی موجود در کشور که به طریق سنتی برای این موارد مصرف می شوند بررسی گردند . با توجه به شواهدی که وجود دارد چه از نظر طب عامه وچه از نظر مقالات علمی در این زمینه، گیاه کرفس به عنوان تنظیم کننده ومقوی کبد ی در نظر گرفته شده است (20). لذا این گیاه برای بررسی اثرات حفاظتی روی کبد انتخاب شده است (19).
اثرات آنتی اکسیدانی عصاره بسیاری از گیاهان از جمله خارمریم، کاسنی، شیرین بیان، همیشه بهارئ، شاتره و برگ بامبو اثبات شده است (33، 44،55). برخی عصاره های خام گیاهی مورد استفاده در طب سنتی، منبعی غنی از ترکیباتی با خواص پیشگیری کننده و حفاطت کننده، به ویژه در کبد هستند (43و56). Hinneburg و همکاران در سال 2006 فعالت آنتی اکسیدانی برخی از سبزی ها و ادویه ها (ریحان، برگ بو، جعفری، سرو کوهی، تخم بادیان، رازیانه، زیره سبز، هل و زنجبیل) را بررسی کردند و گزارش نمودند که عصاره ریحان قدرت آنتی اکسیدانی قابل مقایسه تورولوکس (معادل ویتامین E) دارد (55). این نتایج را می توان به گیاه کرفس نیز تعمیم دارد، زیرا خواص آنتی اکسیدانی وآنتی باکتریال آن گزارش شده است (29).
1-1-گیاه کرفس
میوه رسیده خشک شده گیاه Apium graveolens L. از خانواده چتریان (Apiaceae ) است که حداقل دارای 2در صد اسانس می باشد (9).
1-1-1-نام های گیاه
لاتین: Apium graveolens
فارسی: کرفس
عربی: کرفس نیطی
انگلیسی:Celery,marsh parsley آلمانی: Echter Sellerie فرانسه:Celeri, Ache, Ache des marais

شکل1-1: گیاه کرفس (9).
3
1-1-2-آثار فارماکولوژیکی
اسانس گیاه ضد اسپاسم، بادشکن، خواب آور، محرک و مقوی است. ریشه در شربت برای سفتی کبد و طحال کاربرد دارد. افشره به شکل های مختلف تهیه می شود و برای سرطان های بدون زخم، سختی کبد و طحال، توده های پستان، تومورهای چشم و معده، تومورهای سرد و سرطان های توام با زخم کاربرد دارد. گیاه برای آثار قاعده آوری، سقط آوری، کاهنده قند خون و افت فشار خون مورد استفاده قرار می گیرد (20).
1-1-3-ریخت شناسی
گیاهApium graveolens ، گیاهی است دو ساله، به ارتفاع تا 100 سانتی متر با رایحه ای قوی و شاخص و ساقه گوشتی و توپر. برگ ها یک یا دو بار شانه ای؛ قطعات برگ ها 5 تا 50 میلی متر، مثلثی، لوزی یا سر نیزه ای در حاشیه لب دار و دندان ارهای یا دال بر. چتر ها با پایه ای کوتاه یا بدون پایه و غالبا قرار گرفته در برابر یک برگ تعداد انشعابات چتر 4 تا 12 عدد بدون برگک و یا برگچه و میوه 5/1 تا 2 میلی متر و تخم مرغی پهن می باشد (9).
1-1-4-ترکیبات شیمیایی
از نظر ترکیبات شیمیایی کرفس طبق بررسی های دانشمندان شیمی و آزمایشگاه ها دارای کمی اسانس روغنی فرّار و آپیئین است. میوه آن در حدود 3-2 درصد اسانس زرد رنگ مایل به سفید دارد که شامل دی-لیمونن 60، دی سلینن و 3-5/2 درصد سدانولید و 5/0 درصد از سدانوئیک اسید انیدرید می باشد. به علاوه در تخم آن در حدود 10 درصد مواد غیر محلول وجود دارد (9).
از جمله ترکیبات موجود در گیاه کرفس فلاونوئیدهایی از جمله آپیجنین7- o- آپیوسیلگلوکوزید و لوتئولین 7- o- آپیوسیلگلوکوزید می باشد(22).
1-1- 5-ترکیبات آنتی اکسیدان
ترکیباتی که قادر هستند در مقادیر کم نسبت به مقدار سوبسترا، از اکسیداسیون سوبسترا جلو گیری کنند و یا آن را به تأخیر بیاندازند. مانع اثر مخرب رادیکال های آزاد می شوند و نقش مهمی در محافظت بدن انسان ایفا می کنند (81). فلاونوئیدهای موجود در گیاهان از جمله فلاونوئید آپیژنین و لوتئولین موجود در کرفس جزء منابع آنتی اکسیدانی این گیاه می باشند. این ترکیبات می توانند هم در پیشگیری و هم در درمان بیماری‌های حاصل از آسیب‌های مواد اکسیدان استفاده شوند (104و105).
1-1-6-دلایل استفاده از گیاه به عنوان منابع آنتی اکسیدان
گیاهان در معرض میزان زیادی از اکسیژن قرار دارند و بنابراین سرشار از سیستم های آنتی اکسیدان هستند. همچنین گیاهان محدوده وسیعی از ضد اکسیدان ها را برای انسان ها فراهم می کنند. همچنین رژیم های غنی از گیاهان همراه با کاهش خطر بیماری های وابسته به سن مانند انواع سرطان ها، دیابت، آترواسکلروز و فراموشی می باشد و در صورتی که مردم کشورهای پیشرفته میوه و سبزی بخورند سلامتی بیشتری خواهند داشت (55(.
1-1-7-اعمال مهم آنتی اکسیدان ها
باند شدن با کاتالیزورهای فلزی
تجزیه کردن پراکسیدها
کاهش غلظت اکسیژن موضعی
جلوگیری از آغاز واکنش های زنجیره ای
شکستن زنجیره واکنش با هدف جلوگیری از جداشدن هیدروژن توسط رادیکال های فعال(22و51).
1-1-8-آنزیم های آنتی اکسیدان
1-1-8-1-سوپراکسید دیسموتاز (SOD)
سوپراکسید دیسموتاز، رادیکال آنیون سوپر اکسید (O2-) را به پراکسید هیدروژن و اکسیژن مولکولی تبدیل می کند، در سلول دو فرمSOD وجود دارد: یک نوع آنزیم حاوی فلزات مس/ روی می باشد که در سیتوزول یافت می شود. نوع دیگر که دارای منگنز می باشد که در میتوکندری قرار دارد (1و45).
1166495144780002O2 - + 2H+ H2 O2 + O2
در بسیاری از واکنش های بیولوژیک که اکسیژن احیاء می شود، رادیکال های سوپراکسید تولید می شوند (85).

1-1-8-2-کاتالاز
کاتالاز آنزیمی است که واکنش تبدیل هیدروژن پراکسید به آب و مولکول اکسیژن را کاتالیز کرده و با این عمل سم زدایی H2O2 را انجام می دهد. کاتالاز آنزیمی است که در اکثر سلول های هوازی وجود دارد و دارای تنوع زیادی است. این آنزیم در بسیاری از سلول های گیاهی و حیوانی، در غشا جداکننده ارگانل‌هایی به نام پراکسی زوم ها، وجود دارد. در بافت های انسانی، غلظت بسیار بالایی از این آنزیم در کبد و اریتروسیت ها و به میزان کمتر، در مغز، قلب و عضلات اسکلتی وجود دارد (85).
1-1-8-3-گلوتاتیون پراکسیداز((GSH
ترکیب تیولی غیر پروتئینی است، این آنزیم قادر است احیاء H2O2 را کاتالیز کند:
128143012954000H2O2 +2 GSH 2H2O + GSSG
این آنزیم علاوه بر ایفای نقش کاتالیزوری در واکنش احیای H2O2، دارای نقش مهم تری در ارتباط با احیای لیپید هیدروکسی پراکسید و تبدیل آن به الکل می باشد . گلوتاتیون به دو حالت احیا (GSH) و فرم اکسید شده (GSSG) وجود دارد. سیستم احیاء گلوتاتیون پراکسیداز بزرگترین مکانسیم دفاعی بر علیه ROS است و در اثر فقدان یا کمبود این آنزیم، سطح پراکسید ها و اکسید ها در سرم بالا می رود (83). بنابراین عملکرد بیولوژیکی آنزیم گلوتاتیون پراکسیداز به این صورت است که می تواند سیستم بیولوژیکی را از اثرات مخرب رادیکال های مشتق از اکسیژن، با کاتالیز کردن احیا هیدروژن پراکسید حفظ کند (83) .
1-1-9-پلی فنول
پلی فنول‌ها متابولیت‌های ثانویه گیاهان هستند که به عنوان فیتوآلکسین، ضد حشره، جذب کننده گرده، رنگ گیاه، ضد اکسیدان و محافظت کننده در برابر نور UV عمل می کنند. این گستره فعالیت زیستی باعث می شود که این ترکیبات در تکثیر و رنگ گیاه و محافظت بر علیه پاتوژن‌ها نقش مهمی داشته باشند (71و85).
پلی فنول‌ها فراوانترین آنتی اکسیدانت رژیم غذایی هستند (57). پلی فنول‌ها به عنوان ضد اکسیدان، ریسک بیماری ناشی از استرس‌های اکسیداتیو را کاهش می‌دهند (85). مطالعات تجربی نقش پلی فنول ها را در جلوگیری از بیماری های قلبی-عروقی، سرطان، دیابت و بیماری های تخریبی عصب را اثبات کرده است (87). تحقیقات نشان داده است مصرف فلاوونوئید به میزان زیاد، مرگ و میر ناشی از بیماری های عروق کرونر را بیش از 65% کاهش می دهد و همچنین ریسک سکته سرطان ریه، آسم، و بیمار های انسداد ریوی را کاهش می دهد (21).
1-1-9-1-گروه های اصلی ترکیبات فنولی
پلی فنول‌ها بر اساس تعداد حلقه فنولی و استخلاف‌هایی که به این حلقه ها متصل می شوند به چندین دسته تقسیم می شوند. گروه های اصلی شامل فلاونوئید، فنولیک اسید، تانن، لیگنان و استیلبن است (87).
1-1-10-فلاونوئیدها
1-1-10-1خواص آنتی اکسیدانی فلاونوئیدها
فلاونوئیدها خانوادهای از آنتیاکسیدان هایی هستند که در میوه ها و سبزیجات ونیز نوشیدنیهایی مانند چای یافت میشوند هرچند فواید فیزیولوژیکی فلاونوئیدها به مقدار زیادی متوجه خواص آنتی اکسیدانی آن ها بر پلاسما شده است، فلاونوئیدها ممکن است سلول ها را از خطرهای گوناگونی محافظت کنند (7و21). همراهی طولانی فلاونوئیدهای گیاهی با گونههای مختلف حیوانات و سایر موجودات زنده طی تکامل، ممکن است عامل طیف وسیعی از فعالیتهای بیوشیمیایی و داروشناسی این ترکیبات شیمیایی در پستانداران و سایر سیستمهای زیستی باشد. مثالهای شاخص عبارتند از:
مهار اتصال غشاء گامت طی باروری تخم بوسیله کوئرستین در جوجه تیغی دریایی
تنظیم حرکت اسپرم پستانداران بوسیله کوئرستین
تاثیر بر تمایز جنسی
بیش از 40000 فلاونوئید منحصر به فرد از نظر ساختاری در منابع گیاهی شناسایی شدند (21). فلاونوئیدها نیز دارای قوی ترین قدرت آنتی اکسیدانی در بین ترکیبات فنلی می باشند که این خاصیت نیر تحت تاثیر نوع هیدروکسیلاسیون (قرار گرفتن عوامل هیدروکسیل در موقعیت های ارتو، پارا، متا ) می باشد، همچنین قرار گرفتن ترکیبات قندی بر روی ساختار فلاونوئید ها می تواند باعث افزایش قدرت آنتی اکسیدانی آن ها شود (50).
فلاونوئیدها، ترکیباتی با وزن مولکولی کماند که در تمام گیاهان آوندی یافت میشوند، فنیل بنزو-پیرونها (فنیل کرومون ها) با ردهبندی ساختاری بر اساس هستههای سه حلقهای عادی هستند. بر اساس استخلافشان به فلاوا نولها، آنتوسیانیدینها، فلاون ها، فلاوانونها و چالکونها تقسیم بندی می شوند. مدت هاست که فلاونوئیدها به دلیل دارا بودن فعالیت های ضد التهابی، آنتی اکسیدانی، ضدحساسیت، محافظتکنندگی کبد، ضد لخته، ضد ویروس و ضد سرطانی شناخته شده است (9و21).
1-1-10-2-شیمی گیاه فلاونوئیدها
فلاونوئیدها در قلمرو گیاه بسیار عمومی و گسترده هستند. آنها نقش رنگدانه های گیاهی را دارند، مسئول رنگ گل ها و میوه ها می باشند. لغت فلاونوئید از لغت لاتین flavus به معنای زرد مشتق شده است و بسیاری از فلاونوئیدها دارای رنگ زرد هستند (22).
فلاونوئید ها از یک حلقه بنزنی متصل به ساختمان بنزو گاما پیرون تشکیل می شود. آنها از 3 واحد استات و یک واحد فنیل پروپان ساخته شده اند (22).
تقریباً 500 فلاونوئید به صورت آگلیکون آزاد و بقیه به صورت o یا c گلیکوزید وجود دارند. گلیکوزیدهای فلاونوئیدی معمولاً محلول در آب هستند.3گروه اصلی از آن ها بر طریق اکسیژناسیون در محل کربن 3 طبقه بندی شده اند، عبارتند از: فلاون ها، فلاونول ها و فلاونون ها (شکل1-2) (22).

شکل (1-2) ساختار فلاونوئیدها (22).
1-1-10-3-آپیژنین
یک فلاونوئید آنتی اکسیدان طبیعی است که در الکل گرم وهیدروکسیدپتاسیم رقیق حل می شود ولی در
آب غیرمحلول است (87). آپیژنین به صورت کریستال های جامد زرد رنگ است که در برگها وساقه های گیاهان آوندی وجود دارد و دارای خواص ضدالتهابی، ضداسپاسمی، ضدتوموری، ضدسرطان وآنتی اکسیدانی است .به آپیژنین -Trihydroxy Flavone 7و5 و4 می گویند (87).
1-1-10-4-فلاوونوئید ها معمولا به روش های زیر عمل می کنند
1-فعال کردن آنزیم های آنتی اکسیدان
2-بازدارندگی اکسیداز
3-کاهش رادیکال های α-توکوفرول
4-پاکسازی مستقیم رادیکال های آزاد اکسیژن
5-شلات کردن فلزات
6-کاهش استرس های اکسیداتیو ایجاد شده توسط نیتریک اکسیداز
7-افزایش ظرفیت ضد اکسیدانی، ضد اکسیدان های با وزن مولکولی کم (32).
1-1-10-5-فارماکودینامی فلاونوئیدها
پروتئین کیناز C (PKC) آنزیم همه جا حاضر وابسته بهca+2 و فسفولیپید چند کاره فسفوریله کننده سرین و ترئونین، در طیف وسیعی از فعالیتهای سلولی شرکت دارد که شامل پیشرفت تومور، میتوژنز، فرآیندهای ترشحی، عمل ضد التهاب سلول و عملکرد لنفوسیت T می باشد. نشان داده شده PKC در شرایط برون تنی به وسیله برخی فلاونوئید ها مهار می شود (21).
1-1-10-6-جهش زایی و سمیّت ژنی مصرف زیاد فلاونوئیدها
فلاونوئیدهای گیاهی مشتقات دی فنیل پروپان هستند که طیف وسیعی از آثار بیوشیمیایی و دارویی رانشان می دهند. خواص آنتی اکسیدانی، اثر توقف سلولی در تومورزایی و توانایی آن ها در مهار طیف وسیعی از آنزیم ها نظیر پروتئین کیناز c، تیروزین پروتئین کیناز و توپوایزومراز 2، منجر به هدایت محققان جهت در نظر گرفتن این ترکیبات به عنوان ترکیبات ضد سرطان زا و محافظ قلب شده است (21).
علی رغم آثار سودمند ظاهری فلاونوئیدها بر سلامت، مطالعات متعدد جهش زایی و سمیّت ژنی آن ها را در پستانداران مشخص کرده است و ممکن است حاصل فعالیت آن ها به عنوان پیش اکسیدان در تولید رادیکال های آزاد که DNA را تخریب می کنند یا مهار آنزیم های مربوط به DNA مانند توپوایزومراز باشد. تخریب DNA اکسیداتیو تصحیح نشده و یا درست تصحیح نشده می تواند منجر به شکست های رشته DNA و جهش شود که ممکن است باعث آسیب های پیش نئوپلاستی غیرقابل برگشت شود. به علاوه، مصرف زیاد این ترکیبات ممکن است آثار حذفی دیگر را در نتیجه خواص داروشناسی متفاوت آن ها فعال کند که ممکن است متابولیسم دارو و اسید آمینه را تغییر دهد، فعالیت سم های ژنی محیطی را تعدیل کند و فعالیت دیگر آنزیم های متابولیز کننده کلیدی را تغییر دهد. هرچند شواهد زیادی وجود دارد که رژیم غذایی غنی از فلاونوئید ممکن است سلامت را پیش ببرد وحفاظت علیه بیماری های وابسته به سن ایجاد کند، در ارتباط با حالات و مقدار مصرف لازم فلاونوئید جهت ایجاد خطر بالقوه برای سلامت اطمینان وجود دارد (21).
1-1-11-رادیکال های آزاد
1-1-11-1-استرس اکسیداتیو
رادیکال های آزاد و سایر (Ros) برای زندگی لازم هستند. چرا که در پیام رسانی سلولی شرکت می کنند و عمل فاگوسیتوزی آن ها جهت از بین بردن باکتری ها لازم است. به علاوه با توجه به عملکردهای لازم و کنترل شده، Ros در تمام موجودات هوازی نیز به عنوان پیامد تنفس میتوکندریایی که اکسیژن را در فرآیند تولید ATP از طریق همراه کردن انتقال الکترون و فسفریله کردن اکسیداتیو مصرف می کند، تولید می شود (21).
محصولات غیر ضروری ROS، یعنی اکسیداتیو می تواند به وسیله فاکتور های برون زاد نظیر داروها و سم های محیطی القا شود (23).
استرس اکسیداتیو به طور بلقوه برای سلول ها مضر بوده وROS در علت شناسی و پیشرفت بسیاری از فرآیند های بیماری مانند سرطان درگیر هستند. هرچند مکانیسم های اکسیداتیو که ROS را جمع آوری می کنند، به وسیله سیستم های آنزیمی اکسیداتیو با وزن مولکولی کم، اندام را از آثار مخرب استرس اکسیداتیو محافظت می کند. در شرایط طبیعی این سیستم های دفاعی آنتی اکسیدانی قادر هستند کهROS راسمیّت زدایی کنند و ماکرومولکول های سلولی و اندامک ها را از تخریب محافظت کنند. اگرچه تحت شرایط اکسیداتیوی بیش از حد، آنتی اکسیدان های سلولی کاهش می یابند وROS می تواند ترکیبات سلولی را تخریب و با فعالیت های بحرانی سلولی تداخل ایجاد کند (1و21).
زمانی که تعادل حیاتی بین نسل رادیکال آزاد و دفاع آنتی اکسیدانی نامطلوب شود. میتواند منجر به آسیب اکسیداتیو شود، این آسیب اکسیداتیو می تواند توسط سیستم های دفاعی endogenous مانند: کاتالاز، سوپراکسیددسموتاز، سیستم گلوتاتیون پراکسیداز، امّا این سیستم ها کاملاً کار آمد نیستند (21و48).
اگرچه پاتوژنز فیبروزیس کبدی کاملاً مشخص نشده است اما بدون شک نمونه های واکنشگر اکسیژن(Reactive Oxygen Species=ROS) نقش مهمی در تغیرات پاتولوژی کبد دارند (48).
آسیب اکسیداتیو فرضیه ارائه شده است به ایفای نقش کلیدی در بیماری های قلبی و عروقی، شروع سرطان، تشکیل آب مروارید، روند پیری، بیماری های التهابی و انواع اختلالات عصبی (21و98).
1-1-11-2-واکنش های رادیکال های آزاد
واکنش های رادیکال های آزاد واکنش های زنجیره ای خود تکرار شونده اند. رادیکال های آزاد مولکول های شدیداً فعال اند که دارای یک الکترون منفرد می باشد. پایداری رادیکال های آزاد بسیار اندک است (12-10 تا 9-10 ثانیه). رادیکال های آزاد با سایر مولکول های واکنش داده و الکترون خود را به آن ها منتقل نموده و یا با کسب الکترون از آن ها به پایداری می رسند. در این روند رادیکال های آزاد جدید تشکیل می شوند شکل (1-3). تنها راه برای پایان بخشیدن به واکنش های زنجیری تولید رادیکال های آزاد، این است که دو رادیکال آزاد با یکدیگر واکنش دهند. در این واکنش الکترون های جفت نشده رادیکال های آزاد باهم جفت می شوند. لکن به دلیل غلظت بسیار کم رادیکال های آزاد و نیز نیمه عمر بسیار کوتاه آن ها، این واکنش بسیار به ندرت رخ می دهد. رادیکال های اکسیژن مخرب ترین رادیکال های موجود در سیستم زیستی هستند. سوپر اکسید (O20)، هیدروکسیل (OH0) و پروهیدروکسیل (O2H0) از جمله مهمترین رادیکال های اکسیژن هستند. رادیکال های آزاد را گاه فرم های فعال اکسیژن نیز می نامند. آسیب بافتی که توسط رادیکال های اکسیژن ایجاد می شود غالباً آسیب اکسیداتیو می نامند و فاکتور های که بدن را در مقابل آسیب های ناشی از رادیکال های اکسیژن محافظت می نماید آنتی اکسیدان نامیده می شود (23).

شکل (1-3): آسیب بافتی توسط رادیکال ها. تغییرات شیمیایی ایجاد شده در پروتئین ها با لیپیدهای موجود در لیپوپروتئین با چگالی کم (LDD) منجر به تشکیل LDL غیر طبیعی می شود (23).
1-1-11-3-تقسیم بندی انواع رادیکال های آزاد
رادیکال های آزاد نیتروژن دار
رادیکال های آزاد اکسیژن دار
رادیکال های آزاد کلردار
یون های فلزات واسطه
رادیکال های آزاد اکسیژن و نیتروژن دو گونه از مهم ترین رادیکال های آزاد هستند (15) .
1-1-11-4-انواع گونه های رادیکالی اکسیژن و نیتروژن
گونه‌های‌رادیکالی اکسیژن شامل سوپر اکسید (O20)، هیدروکسیل (OH0) و پروهیدروکسیل (O2H0) است (23). نیتریک اکسید (NO) و نیتروژن پراکسید (ONOO) دو رادیکال آزاد نیتروژن هستند (15و72).
1-1-11-5-روش های مختلف تولید گونه های اکسیژن و نیتروژن
در شرایط فیزیولوژیکی و پاتولوژیکی گونه های فعال اکسیژن و نیتروژن با روش های مختلفی تولید می شوند شامل:
آلودگی محیط زیست
واکنش های ایمنی توسط ماکرو فاژ ها و نوتروفیل ها
واکنش های کاتالیز شده توسط فلزات
داروها
سیگار
لامپ های UV، اشعه گاما،X (30).
1-1-11-6-اثر رادیکال های آزاد بر روی چربی ها
اغلب چربی های موجود در بدن غیر اشباع هستند. در ساختمان این چربی ها باند دو گانه وجود دارد تا بتواند حالت سیال بودن غشا را حفظ کند. این اسید های چرب غیر اشباع، نسبت به حمله رادیکال های آزاد و پر اکسید شدن بسیار حساس هستند. این پر اکسیداسیون، با آسیب به چربی ها و پروتئین های غشا و فقدان آنتی اکسیدان ها همراه است (1).RO ،ROO، OHکه هر سه رادیکال های آزاد فعال هستند، می توانند اتم هیدروژن موجود در اسید های چرب غیر اشباع را به سوی خود جذب کنند. در نتیجه باند دو گانه از بین می رود و زنجیره اشباع می شود و کربنی که هیدروژن خود را از دست داده به صورت رادیکال آزاد در می آید. واکنش های پراکسیداسیون در چربی ها، یک واکنش زنجیره ای است که با تولید مداوم رادیکال های آزاد، زمینه تداوم پر اکسیداسیون را فراهم می کند (1). سلول ها مکانیسم های تدافعی آنتی اکسیدانی وسیعی را در مقابل آسیب های ناشی از رادیکال های آزاد دارند. این مکانیسم ها شامل آنزیم هایی هستند که برای غیر فعال کردن پراکسیدها و برای نقل و انتقال الکترون ها وترکیبات دیگر، برای به دام انداختن رادیکال های آزاد به کار گرفته می شوند (23).
1-1-11-7-سیستم های مقابله با آسیب رادیکال های آزاد
سیستم های حفاظتی آنزیماتیک: شامل آنزیم های سوپر اکسید دیسموتاز،کاتالاز و گلوتاتیون پر اکسیداز می باشد.
سیستم های حفاظتی غیر آنزیماتیک: ویتامین های آنتی اکسیدان، آنتی اکسیدان های با وزن مولکولی پایین مثل گلوتاتیون، پروتین های که به مقدار کم در بدن وجو دارند و از عملکرد یون های آهن و مس جلوگیری می کنند مثل ترانسفرین (1).
1-2-کبد
1-2-1-ساختمان کبد
کبد ، بزرگترین غده بدن است، که در حدود 1800 گرم در مردان و1400 در زنان وزن دارد (2) و در زیر دیافراگم قرار دارد و در محل خود توسط لیگمان هایی به دیافراگم، پریتوئن، عروق بزرگ و احشاء گوارش فوقانی متصل شده است (18). کبد برای انجام اعمال خود دارای ذخایر زیادی است، و برای این که آثار درمانی اختلال اعمال آن ظاهر شود، باید سه چهارم پارانشیم بافت کبد از فعالیّت بازبماند (19).عروق خونی وابران روده وارد کبد می شود، و در نتیجه کبد تمامی مواد جذب شده در روده را دریافت می کند. عمل کبد شامل ذخیره مواد، خاصیت سم زدایی، ترشح، دفع، سنتز مواد و کنترل متابولیسم است. کبد عضوی که درآن مواد غذایی جذب شده در دستگاه گوارش، برای استفاده درسایرقسمت های بدن آماده می شود. بدین ترتیب این عضو حد واسطی میان دستگاه گوارش و خون است (8). کبد بهترین موقعیت را در سیستم گردش خون دارد تا متابولیت ها را جمع کرده، تغییر داده و انباشته کند و همچنین مواد سمی را خنثی و برداشت نماید تخلیه کبد از طریق صفرا صورت می گیرد (16،17،18).
1-2-2-تشریح و آناتومی کبد
پس از پوست، کبد بزرگترین عضو بدن و در عین حال بزرگ ترین غدّه بدن است (17). وزن کبد با سن نژاد، حالت مزاجی وحتی با جنس حیوان تفاوت می کند (16و17). شکل آن مانند نیمه طولی و مایل یک تخم مرغ است. غیر از قسمت کوچکی که منطقه برهنه نامیده می شود، سایر قسمت های سطح بیرونی آن از صفاق پوشیده شده است. این پوشش صفاقی کبد را از یک طرف به وسیله رباط داسی شکل به دیافراگم و دیواره جلویی شکم واز طرف دیگر به وسیله چادرینه کوچک به انحنای کوچک معده و دوازدهه وصل می کند. کبد علاوه بر پوشش صفاقی بوسیله کپسول همبندی نیز احاطه شده است.
کبد از طریق شکاف های موجود در خود به لب راست، لب چپ 16، لب دم دار17 و لب مربعی تقسیم می شود. گودی عمیقی که ناشی از فشار کلیه است، در لب راست دیده می شود. لب دم دار دارای دو زایده است. یکی بزرگتر بوده و به نام زایده دم دار و دیگری کوچک تر بوده، به نام زایده پاپیلاری معروف است (15و46). واحد های فعال و عملی کبد لوبول نامیده می شود. از کنار هم قرار گرفتن چند لوبول ناحیه ای حاصل می شود که به آن ناحیه باب می گویند (15،16،77).
کبد دارای دو سری عصب است: 1-اعصاب خودکار 2-اعصاب حسی که بطور عمده از عصب واگ وشبکه کبدی دستگاه عصبی سمپاتیک منشأ می گیرند (17،18،49).
خون رسانی کبد به دو طریق صورت می گیرد:
1-شریان کبدی خون حاوی اکسیژن را به کبد می آورد.
2-سیاهرگ باب مملو از مواد غذایی بوده و حدود 70 تا 80 در صد خون رسانی به کبد توسط این سیاهرگ انجام می گیرد (15و62).
مجاری کبد از دو مجرای چپ و راست شروع و از اتصال این دو مجرا، مجرای کبد مشترک حاصل می گردد، ودر ورود به کیسه صفرا به ان مجرای سیستیک می گویند، و زمانی که از کیسه صفرا خارج می شود، ایجاد مجرای صفراوی مشترک می کند، که از این طریق صفرا به فاصله 60 سانتیمتر باب المعده وارد دوازدهه می شود (84).
کبد توسط رباط حلقوی ، رباط برگی شکل، رباط مثلثی شکل راست و چپ، رباط تاجی و رباط کبدی کلیوی و به احشای مجاور و دیواره شکم متصل می باشد (84).
1-2-3-بافت شناسی کبد
کبد بزرگترین غده بدن است، و با کپسول ضخیمی از بافت همبند به نام گلیسون پوشیده شده است. این کپسول در ناحیه ناف کبد ضخیم تر می شود. این کپسول ورید باب و شریان کبدی و مجرای صفراوی مشترک را احاطه کرده، و این رگ ها و مجاری در تمامی مسیر خود در کبد توسط رشته های سلول های بافت همبند در بر گرفته شده است (3و49).
1-2-4-سلول های کبدی
سلول های کبدی چند وجهی هستند، یعنی دارای شش یا تعداد بیشتری سطحی باشند (97). سلول های کبدی را به دو دسته پارانشیمی و غیر پارانشیمی تقسیم می کنند. هر سلول پارانشیمی کبد دارای یک یا دو هسته گرد، و یک یا دوهستک مشخّص می باشد. منظور از سلول های پارانشیم همان هپاتوسیتهاست وسلول های غیر پارانشیمی شامل سایر سلول های کبدی می شوند که سلول های کوپفر و اندوتلیال هستند. هپاتوسیت ها 60 تا 65 درصد سلولی را تشکیل می دهند اما آنجا که اندازه آنها بزرگتر از سایر سلول هاست، 80 درصد حجم کبد را اشغال می کنند (96).
هپاتوسیت حاوی شبکه اندوپلاسمی فراوان، به هر دو صورت خشن و صاف می‌باشد. شبکه اندوپلاسمی خشن اجتماعاتی پراکنده در سیتوپلاسم تشکیل می‌دهد، که چندین پروتئین مثل آلبومین و فیبرینوژن خون در این جا ساخته می‌شود.گلیکوژن در شبکه اندوپلاسمی صاف انباشته می گردد، سلول‌های کبدی دارای تعداد زیادی میتوکندری به اشکال کروی و یا بیضوی است. تعداد میتوکندری‌ها در سلول محیطی لوبول در مقایسه با اطراف مرکز لوبول بیشتر است (84). لیزوزوم های هپاتوسیت در تغییر و تحوّل و تجزیه ارگان‌های داخلی سلولی حائز اهمیّت‌اند. این لیزوزوم‌ها نقش اساسی، در اندوسیتوز با واسطه گیرنده برای بسیاری از ماکرومولکول‌های قابل جذب دارند. پراکسیزم ها به مقدار فراوان در هپاتوسیت ها وجود دارند، که عمل آن ها در سلول های مذبور کماکان مورد تردید است (16). دستگاه گلژی در کبد بسیار زیاد است، و هر دستگاه گلژی شامل قنات های پهن، وزیکول های کوچک و واکوئل های وسیع است، که نزدیک کانالیکول های صفراوی قرار دارند.عمل این ارگان ها تشکیل لیزوزم ها، ترشّح پروتئین های پلاسما،گلیکو پروتئین ها مانند ترانسفرین و لیپوپروتئین ها با وزن ملکولی بسیار پایین می باشد (10و11).

شکل(1-4): ساختمان هپاتوسیت ها و سلول های کبدی (1).
هپاتوسیت ها سلول های بیش از حد پیچیده ای می باشند. کیسه صفرا معمولاً با دو هپاتوسیت پوشیده شده است و از طریق اتصالات محکمی از فضای پری سلولی جدا می شود. این اتصالات مانع از ترکیب محتویات درون کیسه صفرا و فضای پیش سلولی می گردند. صفرای درون کیسه ی صفرا به درون یک سری از مجاری ریخته می شود و در نهایت به نزدیکترین مجرای لوزالمعده در محل ورود به اثنی عشر وارد می شود. اسفنکتر واقع در اتصال میان مجرای صفراوی و اثنی عشر، اسفنکتر اودی، تا حّدی ترشح صفرا به درون اثنی عشر را تنطیم می کند. فضای پری سلولی، فضای میان دو هپاتوسیت، تا فضای پری سینوزوئیدی ادامه می یابد. لایه ای از سلول های اندوتلیالی سینوزوئیدی فضای پری سینوزوئیدی، که معمولاً فضای دیس نامیده می شود، را از سینوزوئید جدا می سازند (84 و92).
سلول های کوپفر در سینوزوئید های کبدی وجود دارند و بخشی از سیستم رتیکول اندوتلیال به حساب می آیند. این سیستم بخشی از سیستم ایمنی است و تا حّد زیادی در بدن گسترش می یابد و شامل سلول هایی است که قادر به جذب باکتری یا ذرّات کلوئیدی می باشد. این سلول ها ماکروفاژ های ساکن سیستم مونوسیت-ماکروفاژ هستند که نقش مهمی در جداسازی ذرّات بی مصرف از خون ایفا می کنند. آندوسیتوز مکانیسمی است که طی ان این مواد جدا می شوند (84).
1-2-5-نقش سیستم لنفاوی در عملکرد کبد
سیستم لنفاوی در سه ناحیه مهم وجود دارد:
در نزدیکی رگ های مرکزی
در نزدیکی رگ های باب
در طول سرخرگ کبدی
غلظت پروتئین در لنف کبد در بالاترین میزان و بزرگترین فضایی که توسط سیستم لنفاوی خشک می شود فضای پیش سینوزوئیدی می باشد (84).
1-2-6-ترمیم بافت در کبد افراد بزرگسال
از میان اندام های بدن، کبد بزرگسال تنها عضوی است که می تواند دوباره بازسازی شود. به نظر می رسد که تناسبی میان عملکرد کبد و بدن وجود داشته باشد. فاکتورهای رشد پپتیدی (TGF)، فاکتورهای رشد هپاتوسیت (HGF)، فاکتورهای رشد اپیدرمی (EGF) از مهم ترین عوامل محرک سنتز DNA هپاتوسیت می باشند. پس از این که این پپتید ها به گیرنده های موجود در هپاتوسیت های باقیمانده می پیوندند و کار خود را از طریق فاکتور های نسخه برداری آغاز می کنند و منجر به افزایش تعداد سلول و افزایش حجم کبد می گردد (84).
1-2-7-اعمال ترشّحی و دفع کبد
متابولیسم بسیاری از داروها توسط کبد انجام می شود.کلیّه سلول های کبدی به طور مداوم مقدار کمی ترشّح موسوم به صفرا تولید می کنند. صفرای تولید شده، از طریق مجاری یا مستقیماً به داخل دوازدهه تخلیه، یا به داخل کیسه صفرا هدایت می شود. داروها، سموم و مواد زیادی از طریق صفرا دفع می شوند وسپس به همراه مدفوع از بدن خارج می گردند (87). کبد در بسیاری از مسیر های متابولیک وتنظیم کننده، نقش اساسی دارد. برای مثال، نمود عملکردی این مجموعه، یعنی ساختار یکپارچه این عضو، شامل متابولیسم دارو ها (فعال کردن و سم زدایی) و دفع مواد برون زاد و درون زاد نظیر آمونیاک است (1).
1-2-7-1-متابولیسم و دفع گزنوبیوتیک ها
گزنوبیوتیک ها موادی هستند که توسط کبد پاکسازی و متابولیزه می شوند و بعضی از آن ها به عنوان تست های عملکردی کبد مورد استفاده قرار می گیرند. برای مثال، بعضی از مواد لیپوفیل نظیر 1) برم سولفوفتالئین (BSD )، 2) ایندوسیانین سبز (ICG)، 3) آمینوپرین، 4) کافئین، 5) لیدوکائین، 6) رز بنگال، به صورت دست نخورده، کنوژوگه، یا به هر دو شکل در صفرا دفع می شوند. پاکسازی این گزنوبیوتیک ها توسط کبد، در حالت عادی بسیارسریع است و تصور می شود که جذب آن ها توسط هپاتوسیت ها یک فرآیند انتقال فعال، با واسطه یک ناقل است. مقدار ناچیزی از آن ها (در صورت وجود) توسط سایر بافت ها پاکسازی می شود. دفع این مواد به داخل صفرا آهسته است. بنابراین، حذف این ترکیبات از جریان خون، به 1) جریان خون کبدی، 2) باز بودن مجاری صفراوی، 3) عملکرد پارانشیم کبدی بستگی دارد (1).
هپاتوسیت ها نقش مهمی در متابولیسم داروها و ترکیبات زینوبیوتیکی که در بدن بیگانه هستند ایفا می کنند. اغلب داروها و زینو بیوتیک ها همراه با خون به بدن انتقال می یابند. نهایتاً، کلیه ها مملو از این ذرات می گردند و داروها یا متابولیت های آن ها باید عوض شوند. بسیاری از داروها و متابولیت ها هیدروفوبیک بوده و کبد آن ها را به هیدروفیلی تبدیل می سازد (84).
محیط شیمیایی بسیار فعال کبد از نظر توانایی سمّیت زدایی بسیاری از داروها مانند سولفانامیدها، پنی سیلین، اریترومایسین یا دفع آن ها از طریق صفرا بسیار مناسب است (97و100).
به روش مشابهی چندین هورمون مختلف شامل تیروکسین و کلیه هورمون های استروئیدی از قبیل استروژن، آلدسترون، کورتیزول و غیره، یا دچار تغییر شکل شیمیایی شده ویا دفع می گردند. یکی از راه های عمده برای دفع کلسیم از خون، ترشح آن به داخل صفرا و از آن جا به داخل مدفوع است (19).
1-2-8-متابولیسم کربوهیدرات ها
گلیکوژن مهمترین کربوهیدرات ذخیره شده در کبد است که حدود 7 تا10 درصد از وزن معمولی کبد را تشکیل می دهند. مولکول گلیکوژن همانند درختی پر شاخه است. واحد های گلوکز از طریق باندهای گلیکوسیدی با هم مرتبط می شوند. مزیت یک چنین ترکیب بندی این است که زنجیره گلیکوژن را می توان به چند بخش تقسیم نمود و این باعث می شود که رهایی گلوکز بسیار مؤثر تر ازیک پلیمر زنجیره مستقیم باشد (84). هنگامی که گلوکز خون کاهش پیدا می کند این زنجیره می شکند و گلوکز را به خون باز می گرداند. کبد سبب تبدیل گالاکتوز و فروکتوز به گلوکز می شود و فرایند گلیکونئوژنز که تبدیل اسید های آمینه وگلیسرول چربی ها به گلوکز می باشد، نیز در کبد انجام می گیرد (15، 16).

شکل(1-5): گلیکوژن مهمترین کربوهیدراتیست که به وسیله کبد ذخیره می شود. هپاتوسیت ها گلوکز را از طریق روند متعادل شده با ناقل جذب می کنند و به گلوکز 6-فسفات و متعاقباً گلوکز دی-فسفات (UDP-گلوکز) تبدیل می شود که میتواند برای بیوسنتز گلیکوپروتئین و گلیکولیپید استفاده شود (84).
1-2-9-متابولیسم لیپیدها
کبد نقش مهمی در متابولیسم لیپید ایفا می کند و اسید های چرب آزاد و لیپوپروتئین ها را از پلاسما جذب و در طول گرسنگی، اسیدهای چرب بافت چربی توسط کبد جذب می شوند. هپاتوسیت ها برای کسب انرژی از طریق اکسیداسیون استفاده می کنند تا بتوانند تری گلیسرید لازم را برای تشکیل لیپوپروتئین (VLDL) سنتز نمایند. اسیدچرب مشتق از تری گلیسیرید از بقایای چیلومیکرون است (84).

شکل(1-6): متابولیسم لیپوپروتئین دارای چگالی بالا(HDL) در مسیر انتقال معکوس کلسترول. (LACT، لستین- کلسترول آسیل ترانسفراز؛ C، کلسترول؛ CE، کلسترول استریفه؛ PL، فسفولیپید؛ A-I، آپولیپوپروتئین A-I، SR-BI، رسپتورپاک سازی B1؛ ABC-1، ترانسپورتر کاستی متصل شونده به ATP). آندروژن ها فعال لیپاز کبدی را افزایش داده و استروژن ها فعالیت این آنزیم را کاهش داده(9).
1-2-10-اختلال هموستاز در بیماری های کبدی
فاکتورهای انعقادی متعددی توسط کبد تولید می شوند. بنابراین، در بیماری های کبدی، ( به ویژه سیروز و نارسایی حاد کبدی)، هموستاز غیر عادی شایع است. اختلالات فیبرینوژن، نظیر دیس فیبرینوژنمی ممکن است در بیماری های حاد و مزمن کبدی دیده شود، که منجر به طولانی شدن زمان نسبی ترمبوپلاسین می شود (80). انعقاد منتشر داخل عروقی در نکروز حاد کبدی رخ می دهد، و دلیل احتمالی آن آزاد شدن ترمبوپلاسمین بافتی و نقص در پاکسازی مهار کننده های نظیر آنتی ترومبین و پروتئین C است. ترمبوسیتوپنی (که در افراد مبتلا به سیروز شایع است) ممکن است در انعفاد ناکارآمد داخل عروقی نقش داشته باشد. اگر چه تخریب پلاکت ها عموماً به گیر افتادن آن ها در طحال (هیپر اسپلنیم) نسبت داده می شود، ولی شواهدی دال بر تخریب آن ها با واسطه آنتی بادی وجود دارد. بیمارانی که مبتلا به هپاتیت خودایمن هستند ممکن است آنتی بادی ضد کاردیولیپین و آنتی بادی بر علیه پلاکت داشته باشند (1).
1-2-10-1-آنزیم های رها شده از بافت کبدی بیمار
از آنجا که عملکرد کبد در اغلب بیماران مبتلا به بیماری های کبدی، طبیعی می باشد، فعالت پلاسمایی چندین آنزیم سیتوزولی، میتوکندریایی، و آنزیم های مرتبط با غشاء اندازه گیری می شود زیرا این آنزیم ها در انواع متعددی از بیماری های کبدی افزایش می یابند. از آنجا که الگو شدت بالا رفتن فعالیت آنزیمی، با نوع بیماری کبدی تغییر می کند، اندازه گیری آن ها در شناسایی وتشخیص افتراقی بیماری های کبدی بسیار مفید است. توانایی آنزیم های کبدی برای کمک به تشخیص بیماری، تابع فاکتورهای متعددی است، از جمله :
اختصاصی بودن آنزیم برای بافت
توزیع آنزیم در سلول
شدت نسبی فعالیت آنزیم درکبد و پلاسما
الگوهای آزاد شدن آنزیم
پاکسازی آن از پلاسما (1).
1-2-10-2-ویژگی بافتی
پنج آنزیمی که به صورت متداول در بیماری های کبدی اندازه گیری می شوند و در تشخیص این بیماری ها به کار می روند عبارتند از:
آسپارتات آمینو ترانسفراز ( AST; EC 2.6.1.1)
آلانین آمینو ترانسفراز ( ALT; EC 2.6.1.2 )
آلکالن فسفاتاز ( ALP; EC 3.1.3.1 )
گاما –گلوتامیل ترانسفراز ( GGT; EC 2.3.2.2 )
لاکتاز دهیدروژناز ( LD; EC 1.1.1.27 ) (1).
GGT وALT در بافت های متعددی وجود دارند ولی فعالت پلاسمایی آن ها اساساً منعکس کننده آسیب کبدی است. AST، در کبد، عضله (قلبی و اسکلتی)، و تا اندازه کمی در گلبول های قرمز یافت می شود. توزیع بافتی LD گسترده است و بنابراین، نسبتآً غیر اختصاصی است.ALP در تعدادی از بافت ها یافت می شود ولی در افراد سالم، اساساً منعکس کننده منبع استخوانی و کبدی است. بدین ترتیب ALT و GGT، بر اساس توزیع بافتی، شاخص اختصاصی آسیب کبدی به حساب می آیند (1).
1-2-10-3-توزیع داخل سلولی آنزیم ها
آنزیم ها در داخل سلول ها در مکان های مختلفی یافت می شوند. AST، ALT و LD آنزیم های سیتوزولی هستند. به همین دلیل، هنگام آسیب سلولی آزاد می شوندو نسیتاً سریع در پلاسما ظاهر می گردنند.AST و ALT، ایزوآنزیم های میتوکندریایی و سیتوزولی در هپاتوسیت ها و سایر سلول های حاوی این آنزیم ها می باشند. مقدار نسبی ایزوآنزیم میتوکندریایی ALT کم است و نیمه عمر پلاسمایی آن بسیار کوتاه می باشد که باعث می شود این آنزیم، اهمیت تشخیصی نداشته باشد. ایزوآنزیم میتوکندریایی AST، بخش عمده ای از AST کل را در داخل هپاتوسیت ها تشکیل می دهد. برخلاف آن، ALP و GGT آنزیم های گلیکوپروتئینی متصل به غشاء هستند. مهمترین محل این دوآنزیم، بر روی غشای کانالچه های هپاتوسیت ها است (1).
1-2-10-4-فعایت نسبی آنزیم ها در کبد و پلاسما
در مورد آنزیم های سیتوپلاسمی، مقدار نسبی آنزیم در کبد نسبت به پلاسما، یک شاخص مهم برای استفادۀ بالینی می باشد. فعالیت AST در داخل هپاتوسیت ها در داخل پلاسما در حدود دو برابر ALT است، هر چند که فعالیت پلاسمایی آن ها یکسان می باشد. بر خلاف آن فعالیت LD در هپاتوسیت ها نسبت به پلاسما بسیار کمتر از فعالیت دو آنزیم فوق می باشد، و فعالیت پلاسمایی آن چندین برابر فعالیت پلاسمایی AST و ALT است. این مسئله نشان می دهد که در آسیب کبدی، افزایشLD بسیار کمتر از AST و ALT است. مقدار نسبی این آنزیم در بافت، ضرورتاً با مقدار نسبی آن در بیماری یکسان نیست: در سیروز و سوءتغذیه، کاهش سیتوپلاسمیALT نسبت به کاهش سیتوپلاسمیAST بیشتر است (1).
1-2-10-4-مکانیسم آزاد سازی آنزیم ها
به نظر می رسد که مکانیسم های متعددی در رها سازی آنزیم ها از هپاتوسیت ها درگیر هستند. آسیب سلولی، ساده ترین مکانیسم است و به نظر می رسد که امکان نشت آنزیم های سیتوپلاسمی را میسر می سازد ولی سایر انواع آنزیم ها به میزان حداقل آزاد می شوند. به نظر می رسد که الکل باعث ظهور AST میتوکندریایی بر روی سطح هپاتوسیت ها می شود. تعجبی ندارد که هپاتیت الکلی با افزایش فعالیت پلاسمایی این ایزوآنزیم همراه است. مکانیسم آزاد شدن آنزیم های متصل به غشاء نظیر GGT و ALP به داخل گردش خون، به خوبی شناخته نشده است ولی به نظر می رسدکه علل زیر در آن نقش داشته باشند:
افزایش سنتز
قطعه قطعه شدن غشاء توسط اسید های صفراوی
به صورت محلول در آمدن آنزیم های متصل به غشاء توسط عمل اسید های صفراوی (11و23).
1-2-10-5-سرعت پاکسازی آنزیم ها از پلاسما
سرعت پاکسازی آنزیم های کبدی از پلاسما متغیر است. نیمه عمر ALT، 47 ساعت و نیمه عمرAST، 17 ساعت است. بدین ترتیب، اگرچه AST باعث می شود که فعالیت آن نسبت به AST در اکثر انواع صدمات هپاتوسلولار بیشتر باشد. نیمه عمر ایزوآنزیم کبدی ALT از 1 تا 10 گزارش شده است. به نظر می رسد که نیمه عمر کوتاه تر، با تغییرات دیده شده پس از برداشتن سنگ های صفراوی مطابقت بهتری داشته باشد. نیمه عمرGGT 1/4 روز گزارش شده است. مکانیسم حذف این آنزیم ها از گردش خون، کاملاً شناخته نشده است، هر چند که احتمال دارد اندوسیتوز به واسطه ی گیرنده توسط ماکروفاژهای کبدی در این امر نقش داشته باشند (1و23).
1-2-11-انواع بیماری های کبد
بیماری های کبد بسیارند، از جمله آن ها می توان به هپاتیت (مزمن و حاد )، هپاتیت برق آسا، هپاتیت کلستاتیک، هپاتیت ناشی از داروها و سموم، کبد چرب الکلی، یرقان، سیروز، نئوپلاسم های کبدی اشاره کرد ( 1). شیوه های پاسخ کبد به آسیب، محدود است. آسیب حاد به کبد ممکن است بدون علامت باشد ولی اغلب به صورت یرقان ظاهر می شود. دو بیماری مهم حاد کبدی، هپاتیت حاد و کلستاز هستند. تظاهر بالینی آسیب مزمن کبدی عموماً به صورت هپاتیت مزمن است و عوارض طولانی مدت آن شامل سیروز و HCC می باشد) 52،62،63).
1-2-11-1-مکانیسم ها و الگو های آسیب
سلول هدف، تعین کننده الگوی آسیب است بدین صورت که آسیب هپاتوسیت منجر به بیماری هپاتوسلولار می شود و آسیب سلول صفراوی منجر به کلستاز می گردد. تمام آسیب های سلول ممکن است به عنوان یک واکنش التیام بخش یا انطباقی باعث فیبروز بشوند، مدت زمان آسیب و عوامل ژنتیکی، تعین می کنند که این آسیب نهایتاً به سمت سیروز می رود یا کارسینوم پدید می آید (1).
مرگ سلول توسط نکروز یا آپوپتوز یا هر دوی آن ها رخ می دهد. نکروز سلولی، که به آن "قاتل" گفته می شود، در نتیجه ی وجود یک محیط آسیب زا رخ می دهد.آسیب سمی ناشی از ترکیباتی مثل تتراکلرید کربن، آسپرین و استامینوفن در اکثر قسمت ها به صورت نکروز رخ می دهند. آپوپتوز در نتیجه ی تسریع مرگ برنامه ریزی شده رخ می دهد که در آن سلول، در مرگ خودش نقش دارد و بدین ترتیب، ملزم به "خودکشی" می شود. صرف نظر از علت، مرگ سلولی بطور بارزی منجر به نشت آنزیم های سیتوپلاسمی می گردد (1).
تست های آزمایشگاهی در تمایز موارد زیر مفید هستند:
الگوی آسیب(هپاتوسلولار در برابر کلستاتیک)
مدت طول کشیدن آسیب(حاد در برابر مزمن)
شدت آسیب(خفیف در برابر شدید) (1).
1-2-12-آنزیم آلانین آمینو ترانسفراز (ALT) (GPT) (SGPT) (ALAT)
این آنزیم قبلاً به نام گلوتامیک پیروویک ترانس آمیناز (GPT) شناخته شده بود. اسامی اختصاری دیگر آن SGPT و ALATمی باشد. این آنزیم ترانس آمیناسیون قابل برگشت ال-آلانین و 2-اکسوگلوتارات را به پیروات وگلوتامات درسیتوپلاسم سلول تسریع می کند. پیریدوکسال 5- فسفات یک کوفاکتور است، که به طور محکم به ALT و تعداد دیگری از ترانس آمینازها متصل می شود (95).
ALT به طور طبیعی در سرم و مایع نخاعی یافت شده، و در ادرار وجود ندارد. این آنزیم به مدّت دو روز در دمای اتاق و به مدّت یک هفته در دمای 4 درجه سانتی گراد و به مدّت یک ماه در حالت یخ زده، در سرم ثابت می ماند (10) .
چون سطح آنزیم ALT در سیتوپلاسم سلول های کبدی چندین مرتبه بیشتر از مایع خارج سلولی است، زمانی که صدمه ای به غشاء وارد می شود، ALT از آن خارج گشته، و غلظت سرمی آن افزایش می یابد، و میزان این افزایش نشانه ای از درجه وسعت ضایعه کبدی است. در ضایعه کبدی مزمن به علّت مسمومیّت های شیمیایی میزان آن به حداکثر می رسد (84).
توقف خون محیطی منتج به کمبود اکسیژن هپاتوسیت‌ها شده، و با آن که سلول‌های کبدی نکروز نشده‌اند، میزان آلانین آمینوترانسفراز سرم افزایش می یابد (103).
1-2-13- آنزیم آسپارات آمینوترانسفراز (AST)
نام دیگر آن گلوتامیک اکسالواستیک ترانس آمیناز (GOT) می‌باشد (100). این آنزیم ترانس آمیناسیون اِل-آسپارتات و2-اکسوگلوتارات را به اکسالواستات و گلوتامات تسریع می کند.AST تعدادی از خصوصیّات ALT نظیر داشتن کوفاکتور پریدوکسال 5-فسفات را دارا است (61).
AST دارای دو ایزوآنزیم سیتوزولی و میتوکندریایی می باشد. این آنزیم در شرایط دمای اتاق به مدّت سه روز در دمای یخچال به مدّت یک هفته و در شرایط یخ زده به مدّت یک ماه در سرم ثابت باقی می ماند، چون AST در تمام بافت های بدن وجود دارد، از این رو به عنوان یک تست اختصاصی کبد محسوب نمی شود. غلظت این آنزیم در عضلات اسکلتی و قلبی زیاد است (61).
سطحAST سرم ممکن است، در بیماری های کبدی تمام گونه های حیوانی افزایش یابد (95).
در تفسیر نتایج اندازه گیری AST بایستی از سالم بودن قلب و عضلات بدن مطمئن بود. چون بیماری های قلبی و عضلانی سبب افزایش مقدار ASTسرم خواهند شد (10). در نشخوار کنندگان افزایش AST، نشانه خوبی برای نکروز سلول های پارانشیم کبد است (64).
ترانس آمینازها با بیماری حاد کبدی، نکروز قلبی و ضایعات ماهیچه حرکتی افزایش می یابند (11). میزان آسپارتات آمینو ترانسفراز به هنگام ضایعه اعضاء یا عضلات، به خصوص در تخریب عضلانی، به شدّت افزایش پیدا می کند. این آنزیم در هپاتیت حاد و گاهی امراض مزمن کبدی هم افزایش می یابد (10).
1-2-14- آنزیم الکالین فسفاتاز (ALP)
آلکالین فسفاتاز نخستین آنزیم های سرم بودند، که ارزش کلینکی آن ها شناخته شد و در سال 1920 دریافتند، که آنزیم با بیماری های کبدی و استخوان افزایش می یابد (61).
فسفاتازها آنزیم هایی هستند، که استرهای فسفریک را هیدرولیز کرده و فسفر غیرآلی را آزاد می سازند (8). چون آلکالین فسفاتازها، دی فسفوزیلاسیونATP را تسریع کرده، و در اکثر سلول های بدن وجود دارند، و از طرفی در حاشیه مسواکی اپیتلیوم ترشّحی و استخوان فعالیّت ویژه ای را به خود اختصاص داده‌اند. اعتقاد بر آن است، که بخشی از فعالیّت آن ها مربوط به عیب های غشایی وابسته به ATP و فرآیندآهکی شدن می باشد. علاوه بر این آلکالین فسفاتازها در سنتز فسفولیپیدهای غشاء دخالت دارند، چون در افرادی که به طور ارثی مبتلا به کمبود آلکالین فسفاتاز می باشند، مقدار زیادی اتانول امین ترشّح می شود. واژه آلکالین به pH ایده آل برای بهترین فعالیّت این رده از فسفاتازها در شرایط آزمایشگاهی اطلاق می گردد، که حدود pH = 10 می باشد، و شکل گیری اینpH در بدن غیر معمول می باشد (61).
این آنزیم در دمای اتاق و دمای 4 درجه سانتی گراد به مدّت 2 الی 3 روز و در حالت یخ زده به مدّت یک ماه در سرم ثابت می ماند، و قابل نگهداری است (61).
سطح الکالین فسفاتاز سرم به طور طبیعی در دام های جوان بالاتر از دام های مسن است، در افراد بالغ الکالین فسفاتاز به طور عمده از کبد سرچشمه می گیرد.در صورتی که در کودکان در حال رشد، مهمترین منشأ این آنزیم، سلول های استخوانی است (61).
مقدار این آنزیم در بیماری های افراد مجاری کبدی، صفراوی و گسترش ضایعات کبدی، ضایعات ناشی از استئوبلاست های استخوانی، در زمان ترمیم استخوان، ضایعات دستگاه گوارش نظیر سوء جذب، نکروز شش ها و کلیه ها، انفارکتوس طحال و هیپرپاراتیروئیدیسم افزایش می یابد (10).
به دلیل آن که ماده‌ی زمینه‌ای طبیعی موجود در آلکالین فسفاتاز تا کنون شناخته نشده است، جهت اندازه‌گیری آن از ماده‌ی زمینه‌ای سنتزی مانند آلفا- نیتروفنیل فسفات استفاده می شود (61 و 90). آلکالین فسفاتاز یک آنزیم گلیکوپروتئینی متّصل به غشاء می باشد، و در بالاترین غلظت در سینوزوئیدها و اندوتلیومسیاهرگ های مرکزی و محیط بابی وجود داشته، و غلظت پایینی از آن، در مجاری صفراوی یافت می شود (10).
آلکالین فسفاتاز در امتداد مجاری صفراوی، هپاتیت، سیروز و انباشتگی و رسوب چربی در کبد افزایش می یابد (10).
مادامی که هنوز یک سوم پارانشیم کبد فعّال است، و در جریان صفرا نقصی وجود ندارد، آزمون های متداول آزمایشگاهی در رابطه با عمل کبد، نمی تواند به خوبی نارسائی کبد را مشخّص کند (10). علاوه بر این بیماری های کبدی به سادگی تنها با یافته های فیزیکی در بیمار تظاهر پیدا نمی کند، معمولاً در چنین مواردی با افزایش آنزیم های سرمی مشخّص می گردد ( 93).
یکی از انواع هپاتیت های کبدی، هپاتیت سمّی است، که ناشی از گیاهان سمّی و انواع موّاد شیمایی و داروها و نیز سموم حاصل از باکتری ها در خون می باشد ( 10).
1-2-15-پروتئین تام
1-2-15-1- میزان پروتئین های خون
آلبومین توسط کبد ساخته می شود. لذا کاهش میزان آن مبین وجود بیماری کبدی مزمن است، ولی کاهش میزان آلبومین خون ممکن است، در اثر کاهش پروتئین جیره‌ی غذایی، نشت پروتئین، کاهش قابلیّت هضم و جذب اسید های آمینه و اختلالات کلیوی حادث شود. هرگاه اختلالات کبدی باعث کاهش آلبومین شود، این کاهش در واقع حاصل چندین هفته سوء تغذیه، قبل از ظهور علائم بیماری است. اگر میزان هموگلوبین و آلبومین به صورت توأم کاهش یابد، ولی مقدار گلبولین ها طبیعی باقی بماند، به احتمال قوی جانور دچار اختلال کبدی شده است (10). سنتز پروتئین 20% درصد کلّ محصول پروتئین بدن است و در واقع کبد محلی برای سنتز اکثریّت پروتئین های پلاسما و محل احیاء و تنظیم بیشتر آنهاست. بنابراین هرگونه اختلالی که باعث کاهش یا توقّف فعالیّت طبیعی کبد گردد ، غلظت کلی پروتئین پلاسما را تحت تأثیر قرار می دهد، و باعث اختلالات مختلفی از جمله اختلالات انعقادی می گردد. از مهّم ترین پروتئین های پلاسما که در جریان ضایعات کبدی دست خوش تغییر و اختلال می گردند، می توان به آلبومین اشاره نمود (99).
آلبومین تنظیم کننده مهم اسمزی خون می باشد، و حدود 55 درصد از فشار انکوتیک پلاسما را تأمین می کند. به علاوه در نقل و انتقال ملکول های گوناگون دخیل است. از جمله موّاد اسیدهای چرب، اسیدهای آمینه، ویتامین ها، اسیدهای صفراوی، هورمون ها، برخی فلزّات، داروها و ... می باشند. به طور کلّی آلبومین شاخص فعالیّت کبد به شمار می رود، ولی نشانه اختصاصی نیست، در سیروز کبدی و آب آوردگی شکم ممکن است کاهش آلبومین سرم دیده شود (8).
بیشتر گلبولین غیر ایمونوگلبولین در کبد تجزیه و ذخیره می گردد، که شامل 70 الی 90 درصد الفا گلبولین، 50 درصد بتاگلبولین است. بیشتر غیر ایمونوگلبولین ها به عنوان پروتئین مرحله حاد شناخته می شوند، و ساخت آن ها سریعاً در واکنش به بافت صدمه دیده، یا ملتهب افزایش می یابد. برّرسی و تغییرات غلظت گلبولین سرم شاخص خوبی برای برّرسی فعالیّت کبد نیست، چرا که ایمونوگلبولین از منابع دیگر نیز تأمین می گردد. جداسازی آن ها در بیماران مبتلا به ناراحتی کبدی استفاده از روش الکتروفورز استات سلولز انجام می گیرد (94). الفافتوپروتئین بزرگ ترین پروتئین پلاسماست، که به وسیله کبد و کیسه زرده تجزیه می شود، و در هنگام نوزادی به داخل خون ترشّح می شود. این پروتئین در بیماران مبتلا به کارسینوم سلول کبدی و بیماری های گوناگون کبدی شامل هپاتیت ویروس التهاب مزمن کبدی و سیروز ، در طیّ روند ترمیم پس از برداشت 70 درصد از بافت کبد افزایش می یابد (10).
1-2-16- اندازه گیری آلبومین پلاسما
اندازه گیری آلبوین پلاسما در بررسی شدت و مدت بیماری کبدی مفید است، برای مثال غلظت آلبومین پلاسما در بیماری های مزمن کبدی کاهش می یابد. با این وجود، کاربرد آن بدین منظور تا اندازه ای محدودیت دارد زیرا غلظت آلبومین پلاسما در بیماری های زیر نیز کاهش می یابد:
بیماری حاد کبدی شدید
بیماری های التهابی
سوء تغذیه
سندرم نفروتیک
اندازه گیری متوالی آلبومین پلاسما نیز برای بررسی شدّت بیماری کبدی استفاده می شود (1).
1-2-17-بیلی روبین پلاسما
اندازه گیری متوالی بیلی روبین، در تعیین شدت بیماری حاد و مزمن کبدی مفید است. جزءجزء کردن بیلی روبین، تنها در یرقان دوران نوزادی یا در افزایش منفرد بیلی روبین در غیاب سایر اختلالات تست های کبدی ( که نشان دهنده یک اختلال ارثی در متابولیسم بیلی روبین هستند) مفید است(1و13).
1-2-17-1-بیلی روبین و انواع آن