مقدمه:

همانطور که گفته­ شد آب شست­و­شو مورد استفاده در صنعت سبزیجات مثل هویج بسیار زیاد است، بیشتر این مقدار آب برای خنک سازی و جابجایی مورد استفاده قرار می­گیرد. در حال حاضر تکنولوژی غالب برای ضدعفونی کردن کلر­زنی است. محصولات سمی و جانبی تولید شده در فرایند ازن زنی و همچنین عدم سازگاری محیط محصولات دفع شده باعث می ­شود که به سراغ روش دیگری با سازگاری بیشتر رفت که اوزون زنی این شرایط را به بهترین نحو براورده می­کند.

ازن یک عامل اکسید کننده بسیار واکنش پذیر با فعالیت میکروب کشی گسترده است. به عنوان جایگزین برای کلر به عنوان ضدعفونی کننده آب آشامیدنی شهری استفاده شده است.

از نظر ظرفیت اکسیداسیون ، ازن 52 درصد بیشتر از کلر است. سیستم های شستشوی سبزیجات کنونی از کلر به عنوان ضدعفونی کننده به جای ازن استفاده می کنند. این تخلیه کلر باقیمانده در فاضلاب ممکن است باعث ایجاد شرایط زیر شود:

  • سمیت کلر باقیمانده وارد آب آشامیدنی پایین دست می­شود
  • اثر تخلیه مواد آلی کلردار تشکیل شده در طول کلرزنی آب حاوی مواد آلی
  • اثر سمی کلر باقی مانده بر آبزیان

خطرات کلرزنی آب شامل اثر سرطان­زای تری هالو­متان­ها (THM)  است.

 انتظار می رود که ازن هیچ گونه باقیمانده ای در آب تصفیه شده باقی نگذارد  بنابراین ممکن است برای ضد عفونی کردن از کلر ایمن تر باشد. مشخص شده است که ازن قوی ترین ضدعفونی کننده و اکسید کننده است که به راحتی برای تصفیه آب در دسترس است. همچنین ذخیره کلر بسیار خطرناک است که این موضع باعث افزایش اهمیت استفاده از ازن می­شود.

ازن در حال حاضر در تصفیه فرآیندهای فاضلاب صنعتی استفاده می شود. معمولاً برای فرآیندهای زیر:

  • حذف جلبک
  • ضد عفونی باکتری
  • حذف رنگ
  • حذف کمپلکس منگنز با مواد آلی
  • افزایش زیست تخریب پذیری مواد آلی محلول
  • کنترل بو
  • اکسیداسیون آهن یا منگنز محلول
  • تهیه کربن فعال برای حذف بیولوژیکی آمونیاک و مواد آلی نامحلول

ازن زنی تصفیه یک ماده با ازن است، ازن که یک گاز بسیار واکنش پذیر است، نسبتاً ناپایدار است و نیمه عمری در حدود 20 تا 30 دقیقه­ای در محلول آبی متشکل از آب مقطر در دمای 20 درجه سانتیگراد (68 درجه فارنهایت) دارد. اگر مواد احیا کننده در محلول وجود داشته باشند نیمه عمر کوتاهتر است.

اوزون قبل از ورود به میکروارگانیسم ها و اکسید کردن برخی اجزای ضروری (مانند آنزیم ها، پروتئین ها، DNA وRNA ) به عنوان اکسیدان عناصر تشکیل دهنده دیواره سلولی عمل می کند. سلول های باکتری یا تک یاخته ای پس از از بین رفتن قسمت بزرگی از سد غشای سلولیشان از بین می روند.

تولید ازن

ازن معمولاً توسط یک مولد تخلیه تاج تولید می شود. این بخاطر این است که تخلیه تاج دار بیشترین مقدار ازن را نسبت به مقدار برق مصرفی تولید می کند.

در مولد تخلیه کرونا، یک گاز خشک حاوی اکسیژن (اعم از هوا یا اکسیژن خالص) بین دو صفحه باردار الکتریکی که توسط یک محیط دی الکتریک سرامیکی و یک شکاف تخلیه باریک از هم جدا شده اند؛ در جریان است.

با استفاده از مولد ازن تخلیه تاج،در حالت هوا به عنوا خوراک غلظت ازن 1% -3% و 2% -6 % زمانی که اکسیژن خالص گاز خوراک ژنراتور باشد تولید می شود.

مطالعات آزمایشگاهی با استفاده از ازن در تصفیه آب شستشوی گوجه‌فرنگی باعث کاهش قابل توجه جمعیت باکتری‌های هوازی، کلیفرم های نهایی و کلیفرم­های مدفوعی شده است. نتایج مشابهی در سایر محصولات سبزی انتظار می­رود.

عوامل موثر بر نرخ انتقال جرم

پارامترهایی که معمولاً بر سرعت انتقال جرم تأثیر می گذارند عبارتند از pH، اندازه ذرات دما، غلظت آلی و معدنی. وایت (1978) به این نتیجه رسید که سطوح pH بین 6 و 8.5 به نظر نمی رسد تاثیر قابل توجهی بر کارایی میکروب­زدایی داشته باشد. مک گی (1991) رابطه بین دمای آب و راندمان انتقال جرم ازن را تعیین کرد. او دریافت که هر چه دمای آب بالاتر باشد، بازده انتقال جرم ازن کمتر است. در نتیجه، این باعث کاهش راندمان میکروب­زدایی در دمای بالاتر آب می شود. در زیر برخی از عوامل مهم دیگر وجود دارد که بر انتقال جرم ازن به مایعات تأثیر می گذارند. همچنین توسط طراحی و عملکرد سیستم کنتاکتور به شرح زیر تأثیر می گیرند:

  • اندازه حباب کنداکتور
  • غلظت ازن
  • رطوبت
  • گاز حامل هوا باشد یا اکسیژن خالص

در حالی که ازن در محلول است، دو نوع واکنش ممکن است متحمل شود. آ­ن­ها را واکنش های مستقیم و واکنش های غیرمستقیم نامیده اند. واکنش‌های مستقیم واکنش‌هایی هستند که آنقدر سریع رخ می‌دهند که فقط با سرعت انتقال جرم ازن به محلول محدود می‌شوند. این نوع واکنشی است که هنگام تصفیه آب شستشوی سبزیجات رخ می دهد. ترکیبات زیر تحت این نوع واکنش تولید می­ شوند:

  • استیک اسید
  • آمونیاک
  • اسید اگزالیک
  • اوره
  • الکال­های آلیفاتیک اشباع

واکنش های غیرمستقیم در این مطالعه مورد توجه نیستند.

بخش تجربی:

این تحقیق بر روی ارزیابی اثر ازن زنی به عنوان یک ضدعفونی کننده باکتری برای آب آلوده با ترکیبات مختلف مشابه با مواد شیمیایی موجود در آب شست­و­شوی هویج و یا سبزیجات مشابه متمرکز شده است. آلاینده های انتخاب شده شامل باکتری ها (Shewanella Putrefacins)، مواد آلی (گلوکز) و مواد معدنی (بنتونیت) هستند . علاوه بر این آزمایشات، آب شست­و­شوی هویج واقعی نیز تهیه و ازن می شود. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، آزمایشاتی انجام شده که در آن باکتری ها به همراه مواد آلی و معدنی وارد سیستم ازن شدند. این سیستم به مدت 30 دقیقه کار کرده است که در طی آن نمونه‌هایی از آب می­گیرد و از نظر ازن، دما، پتانسیل کاهش اکسیداسیون، pH و COD آنالیز می­ شود.

اثر ازن زنی بر کاهش باکتری:

ابتدا آب تا سطحی بین 1.5 تا 2.0 ppm ازن زده می­شود. در زمان صفر، کشت خالص Shewanella putrefaciens به سیستم اضافه شده و سیستم ازن زنی خاموش می­شود. نمونه های آب برداشته شده در 0، 2.5،1، 5، 10، 15، 20، 25 و 30 دقیقه و برای تعداد کل باکتری های هوازی، pH، دما، ORP و غلظت ازن مورد آزمایش قرار می­گیرند.

سری بعدی آزمایش‌ها شامل بارگیری سیستم با هزارPPM  گلوکز، سپس افزودن کشت خالص با ازن‌زنی مداوم، سپس بارگیری سیستم با هزارPPM  بنتونیت، اضافه کردن کشت خالص پس از رسیدن سطوح ازن به دو PPM است. سری سوم آزمایش ها شامل افزودن هزارPPM  گلوکز و هزارPPM  بنتونیت و کشت خالص با ازن زنی مداوم بود. برای هر آزمایش 50 میلی لیتر است. نمونه ها در 0، 1، 2.5، 5، 10، 15، 20، 25 و 30 دقیقه برداشت می­شوند و برای تعداد کل باکتری های هوازی، pH، دما، ORP و غلظت ازن آزمایش شده است.

ازن زنی آب های شست­و­شو:

ازن زنی با آب واقعی شست­و­شوی هویج، با شستن هویج به دست آمده از یک پردازنده محلی تهیه می­شود. هویج کامل دو بار شسته شده، اولین آب شوینده کثیف ترین و آب شستشوی دوم شبیه آب فلومی است که برای حمل هویج پس از شستن در کامیون استفاده می شود. دلیل استفاده نشدن از آب واقعی این گیاه این بود که قبلاً حاوی کلر بوده است که می توانست اثرات ازن را بپوشاند. روش ازن زنی به این صورت است که تقریباً 60 لیتر آب تمیز ازن زده می­شود و به مدت 30 دقیقه در سیستم به گردش درمی آید تا سطح ازن را به دو PPM یا بالاتر برساند. سپس تقریباً 60 لیتر از هر واشر هویج اضافه می­شود و پارامترهای سیستم بیش از 30 دقیقه با ازن زنی مداوم نظارت می شوند.

تحلیل متود:

شمارش باکتری ها با استفاده از تکنیک pour plate و با بهره گ­بری از آگار تریپتیکاز سویا و سپس انکوباسیون در دمای 37 درجه سانتی گراد به مدت 48 ساعت و شمارش تعداد کلنی ها در هر پلیت انجام می­شود. برای تمام آنالیزها، میانگین نمونه‌های سه‌گانه محاسبه می­شود. اندازه گیری pH با استفاده از دستگاه یون آنالایزر Orion مدل 407A پس از کالیبراسیون دو نقطه ای انجام می­شود. پتانسیل کاهش اکسیداسیون با کنترلر pHORP Cole-Palmer مدل5656-00 اندازه گیری می ­شود.

نتایج و بحث :

شکل 3 زمان تقریبی بالا آمدن سیستم را نشان می­دهد. آب شهری تا دمای 15.5 تا 16 درجه سانتیگراد سرد می­شود سپس به سیستم اضافه می­گردد و ازن به آن زده می­شود. پس از 20 دقیقه ازن زنی، سطح ازن مشخص شده که به طور مداوم بین 1.5 و 2.0 ppm در حال تغییر است با این حال از انجایی که ازن باعث زوال سریع مواد واشر می­ شود می توان متوجه شد که تغییر واشر ها قبل از هر تست، می توان به سطح بالاتر از 2.0 ppm رسید. دمای آب در حدود 15 تا 16 درجه ثابت نگه داشته می­ شود.

حلالیت ازن با کاهش دمای آب افزایش می ­یابد و این محدوده دمایی، محدوده استاندارد مورد استفاده در کارخانه های فراوری سبزیجات است.

داده های موجود در شکل 4، داده­های کنترلی ما بود که از ازن، آب تمیز و با کشت خالص S. putrafaciens استفاده شد. کشت دو لیتری پس از رسیدن به فاز لگاریتمی رشد سلولی که سلول های مرده حداقل هستند، در X G 5000 سانتریفیوژ می­شوند و پس از ازن زنی آب به سیستم اضافه می گرددتا زمانب که غلظت به1.5 و 2.0 ppm برسد. برای هر دو تست کاهش تقریبی کاهش تقریبی log 4 سیکل در cfu/ml پس از پنج دقیقه ازن زنی به دست آمد. سطح ازن در ابتدای آزمایش کاهش یافته اما بین 0.5 تا 1.0 ppm دوباره سطح ازن بازیابی می­شود.

مقدار خوانده شده ORP زمانیکه سیستم ازن زدایی شد از حدود 400 mu به 1000 mu افزایش یافت و حتی وقتی کشت خالص به سیستم اضافه شد تغییری ایجاد نگردید. بنابراین می­توان گفت که اندازه­گیری ازن استفاده شده روش دقیق تری برای نظارت بر ظرفیت اکسیداسیون سیستم ارائه می­ دهد.

داده های نشان داده شده در شکل 5 اثر بارگذاری سیستم با 1000 ppm گلوکز را بر کشندگی ازن نشان می دهد. پس از 20 دقیقه ازن زنی در غلظت اولیه ازن 2.0 ppm کاهش  log سیکل در ورود به سیستم در تعداد سلول مشاهده شد.

در طول این تست­ها، سطوح باقیمانده ازن بیش از 1.0 ppm در یک اجرا و 0.5 ppm در دیگری متغیر بوده است. این داده­ها نشان می­دهد که ازن زایی قادر به کشندگی باکتری ها حتی با حضور سطح بالایی از گلوکز محلول است. این موضوع به نوبه خود نشان دهنده حضور مقدار زیادی مواد آلی در 5500 ppm COD است.

شکل زیر اثرات ازن زنی را بر کاهش کل جمعیت باکتری های هوازی برای آب های شست­وشوی هویج نشان می­دهد. برای این سری از آزمایش‌ها، آب شست­وشوی هویج اولیه (آب شست­وشوی اولیه) در سطح ابتدایی ppm 2.0 ازن زده می­شود.

پس از پنج دقیقه ازن زنی، تقریباً log4 سیکل کاهش می یابد با کاهش بیشتر چرخه ورود به سیستم پس از 20 دقیقه مشاهده می­شود .

آب شستشوی ثانویه نشان دهنده آب شستشوی هویج ورودی به گیاه حاوی سطح اولیه cfu/ml  بود که به  cfu/ml کاهش یافت.

پس از شست­وشوی ثانویه، که نشان دهنده آب حمل و نقل در گیاه است، همچنین پس از ازن زنی به مدت 30 دقیقه، کاهش تقریبی 2log چرخه در تعداد سلول ها نشان می­دهد.

نتیجه گیری:

این مطالعه به نتایج زیر منتهی می­شود:

  • کاهش قابل توجه تعداد باکتری های آب شست­ و­شو میوه در چرخه ورود به سیستم را می توان در سطوح ازن 2.0 ppm یا بیشتر به دست آورد.
  • لودینگ آب‌های شستشوی فرآیندی با گلوکز و بنتونیت، که نشان‌دهنده منابع آلی و معدنی آلودگی آب‌های شستشوی فرآیندی هستند، ممکن است به طور قابل‌توجهی تاثیر مخربی بر توانایی ازن برای ایجاد سطح بالایی از عملکرد ضدعفونی‌کننده نداشته باشد.
  • مطالعات بیشتری باید برای بهینه سازی کشندگی ازن و ارزیابی بیشتر اثرات اجزای آلی و معدنی آب های شستشوی فرآیند سبزیجات انجام شود.
  • مطالعات بیشتری باید برای ارزیابی روش های اندازه گیری کمی ازن محلول انجام شود.
  • ارزیابی هزینه های مقایسه ای بین کلرزنی و ازن زنی باید برای تعیین رقابت پذیری هزینه ازن در سطح صنعت انجام شود.