نقش بيوتكنولوژى در كاهش خوردگى زيستى

ميكروارگانيسم ها خوردگى را تشويق مى كنند

رمضانعلى طاهرى _ عبدالله الله وردى

خوردگى زيستى، خوردگى ميكروبى، يا خوردگى تاثيرپذير از عوامل ميكروبيولوژيك مى تواند به عنوان فرآيندى الكتروشيميايى تعريف شود كه در آن ميكروارگانيسم ها قادر به شروع، تسهيل يا تشويق واكنش خوردگى بدون تغيير در طبيعت الكتروشيميايى آن هستند و البته ميكروارگانيسم هاى متصل به سطوح (كه معمولاً بيوفيلم ناميده مى شوند) نقش اساسى داشته و شايد شرط لازم براى انجام واكنش ها باشند. براى توجيه خوردگى توسط ميكروارگانيسم ها تئورى هاى متعددى ارائه شده اند. تعدادى از اين تئورى ها پس از سال ها هنوز نيز مورد توجه محققان هستند و تعداد ديگر رد شده اند. آنچه مورد توافق همگى محققان خوردگى بيولوژيك است اين است كه هيچ كدام از تئورى هاى ارائه شده نمى تواند فرآيند MIC را به طور دقيق توجيه كند. علم بيوتكنولوژى مى تواند نقش موثرى در كاهش ميزان خوردگى بيولوژيك ايفا كند كه يكى از مهمترين آنها شناسايى سريع و دقيق باكترى هاى خورنده توسط روش هايى مانند واكنش زنجيره اى پليمر از (PCR) است.
خسارت خوردگى برآورد شده در كشورهاى پيشرفته صنعتى حدود ۴-۲ درصد توليد ناخالص ملى (GNP) آنها است ولى براى كشورهايى نظير ايران كه معمولاً از روش هاى پيشگيرانه خوردگى استفاده نمى كند در بسيارى از موارد خسارت ها و هزينه هاى ناشى از خوردگى در قالب خرج هاى تعميراتى نهفته است و ميزان خسارات خوردگى مى تواند تا پنج درصد توليد ناخالص ملى افزايش يابد كه بر اين اساس خسارت مستقيم خوردگى ايران در سال ۱۳۷۹ معادل ۲۷۵۰۰ ميليارد ريال بوده است. اين در حالى است كه با به كارگيرى روش هاى كنترل خوردگى مى توان تا ميزان ۲۰ درصد از خسارات خوردگى (كه در ايران مبلغى بيش از كل بودجه تحقيقاتى مى شود) كاست. لذا تلاش گسترده اى در تمام جوامع صنعتى جهت كاهش اين خسارات در جريان است.
بيش از يك قرن است كه نقش ميكروارگانيسم ها در خوردگى فلزات مورد توجه محققين قرار گرفته است اما به رغم اين زمان طولانى هنوز نيز نقش آنها به درستى شناخته نشده است. خوردگى ميكروبيولوژيك در صنايع نفت از اولين مواردى است كه توجه محققان را به خود جلب كرده است و تا مدت ها تنها مورد عملى تحقيق روى MIC يا خوردگى تحت اثر ميكروارگانيسم ها محسوب مى شده است. تمركز محققان روى ساير محيط ها خصوصاً محيط هاى دريايى سبب شناسايى بهتر MIC شد.
محققان اعلام كرده اند كه حدود ۴۰ درصد از خسارات خوردگى ناشى از خوردگى ميكروبيولوژيك است. بنابراين مى توان اين جنبه از خوردگى را مخرب ترين نوع خوردگى دانست. اين مسئله علت هاى مختلفى دارد كه مهمترين آنها عبارتند از:
- وجود ميكروارگانيسم ها درتمام محيط ها
- عدم شناخت دقيق اثر ميكروارگانيسم ها
- حساسيت اكثر آلياژها و فلزات صنعتى
ميكروارگانيسم ها قادرند به طور فعال محيط اطراف سطح فلز را تغيير داده تا فرآيند خوردگى را تسهيل كنند. شركت ميكرو ب ها در خوردگى به ندرت از طريق يك مكانيسم تنها و يا تنها توسط يك گونه از ميكروارگانيسم ها انجام مى شود. كلنى سازى سطح فلزات توسط طيف وسيعى از ارگانيسم هاى هوازى معمولاً خوردگى را توسط تشكيل سلول هاى اختلاف دمشى و غلظتى تشويق مى كند. براى توجيه خوردگى در شرايط بى هوازى و خوردگى تحت تاثير باكترى هاى احيا كننده سولفات تئورى هاى متعددى ارائه شده است. از جمله مهمترين اين تئورى ها، تئورى دپلاريزاسيون كاتدى (تئورى كلاسيك) است. تئورى ديگر توليد سولفيد آهن و تشكيل زوج گالوانيكى با آهن است. براى مكانيسم خوردگى توسط گوگرد عنصرى هم چند مدل پيشنهاد شده است. تئورى جديدتر، مكانيسم تشكيل يك تركيب فسفرى فرار و فعال و بسيار خورنده است كه با آهن واكنش داده و فسفيدهاى آهن (مثلاً Fe2p) به عنوان محصولات خوردگى توليد مى شوند.
خوردگى يك پديده الكتروشيميايى است كه در آن تحت شرايط غوطه ور بودن فلز، فلز اكسيده شده و به درون محلول منتقل مى شود. «واكنش آندى» واكنش «كاتدى» متعادل كننده آن احياى همزمان برخى تركيبات در محيط خورنده است. يون هاى فلزى در محلول ممكن است متعاقباً به صورت محصولات نامحلول رسوب يابند. اين محصولات ممكن است شل يا توده اى باشند و يا ممكن است به طور محكم به سطح فلز متصل شوند و اين امر ممكن است براى فلز خواص محافظت كننده نسبت به خوردگى داشته باشد و يا نداشته باشد.
همان طور كه ذكر شد تشكيل بيوفيلم شرط اصلى وقوع خوردگى ميكروبى است. تجمع موجودات زنده ميكروسكوپى در محيط هاى آبى و رشد و تكثير آنها بر روى سطوح باعث تشكيل يك لايه بيولوژيكى چسبنده مى شود كه بيوفيلم ناميده مى شود. ضخامت بيوفيلم بسته به نوع موجودات زنده در شرايط محيطى متغير است. اثرات زيانبار ناشى از تشكيل بيوفيلم عبارتند از:
۱-كاهش ضريب انتقال حرارت در مبدل هاى حرارتى و كندانسورها
۲- گرفتگى خلل و فرج مخازن نفتى در مراحل ازدياد برداشت
۳- چسبيدن ميكروارگانيسم ها بر روى بدنه كشتى به ضخامت ۱۰ ميكرون باعث افزايش مصرف سوخت شناور از ۳/۰ درصد تا يك درصد مى گردد. ضخامت هاى زياد گاهى تا ۵۰ درصد مقدار مصرف سوخت را افزايش مى دهند.
۴- تشكيل بيوفيلم با ضخامت ۱۰۰۰ ميكرون در لوله هايى به قطر ۵/۱۲ ميلى متر سبب كاهش سرعت جريان به ميزان ۵۰ درصد مى گردد.
۵- مقاومت به بيوسيدها (زيست كش ها)
۶- ايجاد خوردگى
۷- تجزيه و تخريب پوشش هاى آلى از جمله رنگ ها و پوشش هاى اپوكسى
• برخى از روش هاى عملى ميكروارگانيسم ها در آغازكردن يا تشويق خوردگى
۱ -توليد متابوليت هاى اسيدى (مثلاً اسيد سولفوريك توليد شده توسط باكترى هاى اكسيدكننده سولفور يا افزايش موضعى در غلظت پروتون مشتق شده از متابوليت هاى آلى اسيدى قارچ ها)
۲- توليد متابوليت هايى كه قادرند ويژگى هاى محافظتى لايه غيرآلى را كاهش داده يا بى اثر كنند. (اثر سولفيدهاى بيوژنيك روى فيلم محافظ اكسيد مس روى سطح آلياژهاى مس _ نيكلى)
۳- افزايش پتانسيل redox توسط فعاليت هاى متابوليكى كه شرايط مطلوب خوردگى را القا مى كند. (مثلاً اثر آلودگى قارچى در سيستم هاى سوختى/ آبى)
۴ -تغيير شيب اكسيژن جهت ايجاد اختلاف دمشى (Differential aeration) _ مثلاً اثر بيوفيلم هاى هوازى باكترى ها روى خوردگى فولاد زنگ نزن در آب دريا
۵- حمله انتخابى باكترى ها در نواحى جوشكارى شده فلزات (حمله ترجيحى به austenite توسط گاليونلا اكسيدكننده آهن روى جوش هاى مركب ferrite- austenite)
۶- تسهيل شروع حفره دار شدن (Pitting) توسط اثرات اتصال ميكروبى (مثلاً شروع حفره دار شدن در نقاط اتصال ميسليوم قارچىresinae.H روى آلياژهاى آلومينيوم)
۷- مصرف ميكروبى بازدارنده هاى خوردگى (مثلاً مصرف نيترات- بازدارنده خوردگى آلومينيوم _ توسط قارچ resinae.H در سيستم هاى آب/ سوخت)
۸ -تخريب ميكروبى پوشش هاى محافظ (رنگ ها _ اپوكسى _ پوشش هاى قيرى) _ مصرف قارچى پوشش هاى محافظ در تانك هاى ذخيره سوخت
۹ -انحلال فيلم هاى محافظ روى سطح فلزات (مثلاً احياى محصولات خوردگى غيرآلى۳+ Fe غيرمحلول به تركيبات ۲+ Fe محلول توسط يك ويبريو دريايى
۱۰- توليد متابوليت هايى كه انرژى سطحى (Surface Energy) سطح متقابل لايه محافظ/ الكتروليت را كاهش مى دهد. (توليد تركيبات سورفاكتانت كه شكستن و جدا شدن لايه هاى محافظ را تسهيل مى كند)
• نقش بيوتكنولوژى
علم بيوتكنولوژى از طريق راه هاى گوناگون مى تواند در كاهش پديده خوردگى بيولوژيك نقش ايفا كند كه برخى از روش هاى تجربه شده در ذيل ذكر مى شوند.
- استفاده از پروب هاى دائمى تشخيص دهنده بين خوردگى عمومى و خوردگى موضعى كه يكى از نشانه هاى خوردگى بيولوژيك است.
- استفاده از سيستم هاى جديد آناليزكننده نويز الكترو شيميايى.
- استفاده از پوشش هايى از تركيبات چهارتايى آمونيوم درون خطوط لوله كه موجب عدم اتصال باكترى ها به سطح مى شود.
فرموله كردن بيوسيد (زيست كش)هاى موثرترى كه خاصيت سمى كمتر داشته و براى محيط زيست نيز خطرات كمترى داشته باشند.
- ساخت بيوسنسورهاى شناساگر پديده خوردگى
ساخت كيت هاى PCR شناساگر ارگانيسم هاى خورنده كه باعث تشخيص دقيق و سريع اين ارگانيسم ها مى شود. باكترى هاى احياكننده سولفات علاوه بر ايفاى نقش در خوردگى، به خاطر توليد سولفيد هيدروژن در ميادين نفتى باعث كاهش كيفيت نفت خام شده و داراى قابليت تشكيل سولفيدهاى نامحلول فلزى است كه نفوذ پذيرى مخازن نفتى را نيز تحت تاثير قرار مى دهد. در ضمن بسيارى از كشورهاى پيشرفته از جمله ژاپن، ايالات متحده و اتحاديه اروپا مقادير زيادى از نفت خام را به عنوان ذخيره امنيتى طى دوره زمانى طولانى مدت نگهدارى مى كنند و از اين رو براى آنها گسترش روش هاى مستقيم و سريع شناسايى باكترى هاى SRB در نفت خام براى كنترل كيفيت مخازن نفت آنها اهميت دارد.
روزنامه شرق