اختراع حاضر شامل تشكيل غشاء ديناميكي خودساخته با استفاده از لجن فعال در بيوراكتورغشايي بوده كه از روش همزدن، بر روي مش (با اندازه منافذ 30 ميكرومتر) انجام گرفت و عملكرد آن در تصفيه پساب شهري و حذف معياري از تعيين آلودگي تركيبات آلي موجود در آب) مورد ارزيابي قرار گرفت. تشكيل غشاء ديناميكي ) COD در بيورآكتور با قرار گرفتن فيلتر جديد در آن و تصفيه جريان آلوده با اين فيلتر آغاز شد. دراين حالت با ايجاد جريان برگشتي به مرور زمان ذرات لجن بر روي سطح فيلتر نشسته و لايه اصلي براي جداسازي را تشكيل دادند. ذرات لجن فعال تشكيل شده بر روي سطح فيلتر، نقش يك غشاء ديناميكي را ايفا كرده و از عبور ذرات معلق موجود در بيوراكتور جلوگيري كردند. به منظور تصفيه پساب هاي شهري از يك فيلتر پارچهاي از جنس پلياستر به 0 متر مربع در يك بيورآكتورغشايي از جنس پلكسي گلاس با ظرفيت 7 / ضخامت 40 ميكرون و سطح مؤثر 016 ليتر استفاده شد. اين اختراع با هدف توسعه يك روش سادهتر و رسيدن به تكرارپذيري برتر نسبت به ساير روشهاي شناخته شده انجام گرفت. غشاء تشكيل شده عملكردي همچون غشاءهاي ميكروفيلتراسيون از خود نشان داده چرا كه توانسته ميزان كدورت را تا حد زيادي كاهش دهد و همچنين، بعد از شستشوي فيزيكي مش فيلتر، توانست براي تشكيل مجدد غشاء ديناميكي مورد استفاده قرار گيرد.

در سيستم‌هاي بيوراكتورغشايي (در زمينه بيوتكنولوژي) معمولا از غشاهاي پليمري و از قبل آماده كه علاوه بر هزينه اوليه بالا براي تهيه غشا، در صورت گرفتگي غيرقابل‌برگشت نياز به تعويض غشا دارند،استفاده مي‌شود. ولي در سيستم بيوراكتورغشايي ديناميكي از غشاي تشكيل شده از لخته‌هاي ميكروبي لجن فعال استفاده مي‌شود و عملكرد بالاي بيوراكتورغشايي ديناميكي وابسته به تشكيل همگن و يكنواخت غشاي بيولوژيكي مي‌باشد. غشاي بيولوژيك همانطور كه توضيح داده شده با كنترل جريان Cross Flow روي سطح غشا با استفاده از كاليبراسيون ارتفاع و فاصله استاتيك ميكسر به صورت كاملا همگن و در كمترين زمان بدون صرف انرژي نسبت به سيستم داراي همزن تشكيل مي‌شود و غشاي تشكيل شده نقش كليدي را در كاهش كدورت و حذف بالاي مواد آلي ايفا مي‌كند و در صورت گرفتگي، نياز به تعويض ندارد و به راحتي گرفتگي با top water رفع مي شود. و همچنين اين غشا نسبت به سيستم‌هاي رايج تصفيه فاضلاب كارآمدتر و كم هزينه‌تر مي‌باشد.

در اين كار، جاذبي تهيه شده است كه قابليت جذب بالاي دي اكسيد كربن را در فشارهاي پايين(محدوده فشاري 30-120KPa) دارد. به همين منظور در اين كار ميزان جذب دي اكسيد كربن بر روي جاذب هاي متفاوت كربن فعال، زئوليت، MCM ونانولوله كربني مورد بررسي قرار گرفت. در ادامه كار با توجه به خواص كربن فعال از نظر استحكام مكانيكي، ايجاد افت فشار كمتر در بستر، قيمت پايين اين جاذب نسبت به ديگر جاذب ها به علت حجم بالاي توليد و در دسترس بودن ماده اوليه توليد اين جاذب و ميزان جذب بالاي آن ، عمليات بارورسازي به منظور افزايش ميزان جذب بر روي اين جاذب صورت گرفت. نشاندن اكسيد كروم به روش دوغابي نسبت به اكسيد آهن باعث ميزان جذب بر روي اين جاذب صورت گرفت. نشاندن اكسيد كروم به روش دوغابي نسبت به اكسيد آهن باعث افزايش محسوستري در ميزان جذب دي اكسيد كربن شد. همچنين نشاندن فلز كروم و روي به طور همزمان و به روش دوغابي برروي كربن فعال به ميزان 20-30 % جذب دي اكسيد كربن را افزايش داد. بارورسازي با اكسيد فلز در دماي بالا (90 درجه سانتيگراد) نتيجه مطلوبي را نشان نداد؛ چرا كه مقاومت اكسيد فلز پايين بوده و در برابر حرارت ذوب شده و پديده ذوب شدن اتفاق مي افتد. به همين دليل بارورسازي در دماي 25 درجه سانتيگراد نتايج بهتري را داشته است. به علاوه شستن نمونه بارورشده (توسط اكسيد كرم) به وسيله آب مقطر تاثير بسزايي در ميزان جذب و تغيير خواص سطحي نمونه كربن دارد.

خلاصه توصيف ‏در اين تحقيق سيستم الكتروبيوراكتور غشايي غوطه ور طراحي و به عنوان يك روش جديد در تصفيه پساب و كاهش گرفتگي در سيستم هاي بيوراكتور غشايي معرفي شده است. اين نكته قابل ذكر است كه نوآوري الكتروبيوراكتور غشايي غوطه ور تنها افزودن پديده لخته سازي الكتريكي به سيستم بيوراكتور غشايي نيست، بلكه يك سيستم تركيبي جديد به منظور تصفيه پساب بوده كه از تركيب فرآيندهاي بيولوژيكي، غشايي و ‏الكتروسينتيك تشكيل شده است. ارزيابي اين تكنولوژي بهبود چشم گير جداسازي در مقايسه با سيستم بيوراكتور غشايي معمول را نشان داد. لخته سازي الكتريكي با آلومينيوم (الكترود منفي) به دليل تشكيل يون هاي + A13 ‏در حين فرآيند و توليد رسوب نامحلول Al(OH)3 ‏، سبب تشكيل لخته هاي سوسپانسيوني شده و با كاهش گرفتگي، كارايي سيستم غشايي را افزايش مي دهد. آزمايش ها نشان داد كه به منظور بهبود فرآيند لخته سازي، سيستم الكتريكي قبل از شروع كار فرآيند غشايي راه اندازي شود. بدين ترتيب اندازه لخته ها از همان ابتدا افزايش يافته و تحت ميدان الكتريكي از سطح غشا دور مي شوند و اين پديده سبب كاهش گرفتگي مي شود. همچنين نتايج نشان داد كه پديده الكترو سينتيك سبب اختلال فرآيند بيولوژيكي نمي شود. علاوه بر آن حضور ميدان الكتريكي فاقد تاثير مخرب بر روي غشا است. با توجه به نتايج سيستم ابداعي قابليت استفاده در تصفيه انواع پساب هاي شهري، صنعتي، كشاورزي و ... را دارا مي باشد. همچنين به دليل كوچكي سيستم مي توان از آن در تصفيه كننده هاي قابل حمل (سيار) نيز استفاده كرد.

غشا به عنوان يك مرز و مانع نفوذ پذير براي انجام فرايند جداسازي مخلوط دو فازي جامد- مايع تعريف مي شود. در واحدهاي تصفيه آب و پساب، غشا شامل بستري متخلخل است كه آب و برخي از اجزاء فيزيكي و شيميايي از آن عبور مي كنند. استفاده از غشا در بيوراكتور به منظور انجام تصفيه پساب اين امكان را فراهم مي نمايد كه فرايند زيستي لجن فعال در بيوراكتور و فيلتراسيون مخلوط دو فازي آب و لجن به طور همزمان صورت پذيرد. در واقع فرايند بيوراكتور غشايي، تلفيقي از فرايند زيستي و جداسازي است. درگذشته روشهاي متداول و رايج تصفيه پساب در كانون توجهات قرار داشته، ليكن در حال حاضر گرايش و تمايل به سمت فرايندهاي نوظهور تصفيه پساب همچون بيوراكتور غشايي به دلايل تدوين قوانين سخت گيرانه زيست محيطي، معضل كم آبي در نقاط مختلف دنيا و بهره وري مناسب اين نوع فرايندها افزايش يافته است. با وجود مزاياي چشمگير فرايند بيوراكتور غشايي موانعي نيز در بكارگيري اين فرايند وجود داشته كه باعث شك و ترديد در اذهان كاربران اين نوع سامانه ها شده است. گرفتگي و بسته شدن تدريجي غشا به همراه هزينه بالاي عملياتي را مي توان از مهمترين و شاخص ترين موانع در مقابل استقبال عمومي و استفاده فراگير از فرايند بيوراكتور غشايي بر شمرد. در اين راستا پژوهش هاي بسيار زيادي انجام شده، ليكن نتايج بدست آمده داراي دستاورد مهمي براي رفع مشكل گرفتگي نبوده و هنوز نيز مطالعات بر روي گرفتگي غشاها ادامه داشته است. استفاده از غشا ديناميكي، مي تواند به عنوان يك جايگزين مناسب براي حل مشكل گرفتگي و كاهش هزينه بالاي غشاهاي مرسوم مورد توجه قرار گيرد. به طور كلي براي جريان هايي با درصد بالاي آلاينده و داراي پتانسيل زياد گرفتگي مي توان از لايه گرفتگي براي تشكيل غشا استفاده كرد به نحوي كه در حين فيلتراسيون، اين لايه بر روي سطحي متخلخل شكل گيرد. در وضعيتي كه لايه گرفتگي باعث بسته شدن كامل سطح شود، به راحتي مي توان از يك لايه ديگر استفاده نمود بدون اينكه نيازي به جايگزيني غشا در اين حالت باشد. بنابراين لايه گرفتگي نقش يك غشا ثانويه را ايفا نموده و تشكيل مجدد آن بدون نياز به تعويض غشا ميسر است. در اين اختراع عملكرد فرايند هيبريدي جذب / بيوراكتور غشا ديناميكي براي تصفيه پساب مورد بررسي و ارزيابي قرار گرفت. در فرايند بيوراكتور غشايي، غشاهاي ديناميكي به صورت خود ساخته و پوششي طبقه بندي مي شوند. غشا ديناميكي خود ساخته توسط مواد كلوئيدي و تركيبات آلي با جرم مولكولي بالا موجود در مخلوط مايع در حين فرايند فيلتراسيون بوجود آمده، در حالي كه غشا ديناميكي پوششي با عبور مخلوط يك و يا چند تركيب كلوئيدي و يا يك معرف جامد از يك سطح جامد متخلخل شكل مي گيرد. جاذب مورد استفاده كربن فعال بوده و غشا ديناميكي نيز از نشست پودر كربن فعال بر روي سطح فيلتر حاصل مي شود. عمليات سوسپانسيون ذرات كربن فعال در داخل بيوراكتور توسط همزن مكانيكي با الگوي جريان محوري انجام مي شود. فرايند تشكيل غشا ديناميكي در يك جريان بسته (Closed-loop) انجام مي شود دراين اختراع سامانه آزمايشگاهي و روش هاي آزمايش تشريح مي شود. علاوه بر توضيح فرايندهاي تشكيل غشا ديناميكي و بيوراكتور غشا ديناميكي، مشخصات فني تجهيزات مكانيكي، ابزار دقيق و اندازه گيري ارايه مي شود. روش هاي انجام آزمايش به همراه استانداردهاي بين الملي، اندازه گيري مقاومت هيدروليكي غشا و همچنين عكسبرداري ميكروسكوپي الكتروني از غشا توضيح داده مي شود. فرايند مراحل تشكيل لايه غشا ديناميكي بر روي سطح مش فيلتر با استفاده از مشاهده ميكروسكوپي بررسي و تئوري نشست ذرات بر روي فيلتر بيان مي شود. سپس بررسي ظرفيت پودر كربن فعال در جذب تركيبات كلوئيدي موجود در مخلوط لجن فعال و تطبيق داده هاي آزمايشگاهي بدست آمده با ايزوترم هاي جذب انجام مي شود. عملكرد فرايند هيبريدي جذب/ بيوراكتور غشا ديناميكي در ضخامت هاي مختلف از كربن فعال و غلظت هاي متفاوت از كربن فعال سوسپانس شده در بيوراكتور براي حذف تركيبات آلي و نيتروژن دار موجود در پساب ارزيابي مي شود. كيفيت جريان خروجي از نقطه نظر كدورت و ميزان حذف آلاينده ها به همراه مقاومت فيلتراسيون يا شدت گرفتگي اندازه گيري مي شود. با توجه به نتايج بدست آمده مي توان ادعا نمود كه اين فرايند قابليت بسيار بالايي هم از نقطه نظر عملكرد و راندمان و هم از لحاظ هزينه بسيار پايين سرمايه گزاري اوليه و بهره برداري در قالب قياس با سيستم هاي مرسوم از خود نشان داده و به عنوان يك فرايند جايگزين مورد توجه متوليان صنعتي قرار گيرد.

بيوراكتور غشايي هيبريدي مورد ادعا شامل 3 قسمت: كانال اكسيداسيون، پمپ ايرليفت و سيستم غشايي است. اين سيستم براي اولين بار در جهان طراحي گرديده است و هدف از طراحي اين سيستم دستيابي به سيستمي با حجم كوچك و قابليت بازيافت آب با استانداردهاي بالاي زيست محيطي بود. همچنين بواسطه استفاده از ايرليفت به جاي استفاده از همزن سبب كاهش هزينه هاي انرزي اين سيستم ها نسبت به سيستمهاي متداول منجر شد.

بيوراكتور غشايي قابل كاربرد به عنوان پانكراس تجهيزي است كه براي تنظيم ميزان قند خون بدن مورد استفاده قرار مي گيرد. يكي از بيماري هايي كه روز به روز در حال گسترش است و تاكنون درمان قطعي براي آن يافت نشده است، بيماري ديابت مي باشد. هم اكنون در مراحل پيشرغته ديابت از تزريق انسولين استفاده مي شود كه راه حل فيزيولوژيك نبوده و عوارض جانبي قابل توجهي دارد. بهترين راه حل فيزيولوژيك براي مواجهه با ديابت، ايمپلنت سلول هاي بتاي پانكراس مي باشد كه ترشح كننده ي انسولين هستند. منابع سلولي در دسترس عبارتند از: انساني خودي (Autogeniec)، انساني غير خودي (Allogeniec) و حيواني (Xenogeniec). دو منبع فراوان قابل استفاده يعني سلول هاي انساني غيرخودي وسلول هاي حيواني توسط سيستم ايمني بدن شناسايي شده و پس زده مي شوند. براي حل اين مشكل و استفاده از منابع سلولي ياد شده تجهيز بيوراكتور غشايي قابل كاربرد به عنوان پانكراس ساخته شد. اين تجهيز شامل غشاي نيمه تراواي خون سازگاري است كه سلول هاي بتاي انساني غيرخودي و حيواني در يك طرف آن قرار مي گيرند و از سمت ديگر آن جريان خون عبور ميكند. غشا به گلوكز و انسولين اجازه عبور مي دهد ولي به سلول هاي سيستم ايمني اجازه عبور نميدهد. به اين صورت سلول هاي بتاي كشت داده شده توسط سلول هاي سيستم ايمني شناسايي نمي شوند و سلول هاي بتا به ميزان گلوگز خون محيطي عكس العمل لازم را نشان مي دهند. تصوير 1- الف شماتيكي از عملكرد تجهيز و تصوير 1- ب تجهيز ساخته شده را نشان مي دهد.