Khảo sát khả năng ứng dụng màng BC làm màng lọc vi sinh trong lọc nước

BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO ƯỜNG ĐẠI HỌC BÌNH DƯƠNG TR KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC W X LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN CNSH KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÀNG BC LÀM MÀNG LỌC VI SINH TRONG LỌC NƯỚC GVHD: Th.S NGUYỄN MINH KHANG Th.S PHẠM QUỐC VIỆT SVTH: NGUYỄN THỊ THU HIỀN Bình Dương 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÌNH DƯƠNG KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC W X CỬ NHÂN CÔNG NGHỆ SINH HỌC - THỰC PHẨM KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÀNG BC DÙNG LÀM MÀNG LỌC VI SINH TRONG LỌC NƯỚC Giáo viên hướng dẫn 1) ThS. NGUYỄN MINH KHANG 2) ThS. PHẠM QUỐC VIỆT Bình Dương 2009 - i- Trong suốt gần 4 năm học tập, em đã nhận được rất nhiều sự dìu dắt của tất cả các thầy cô trong trường. Giúp chúng em nắm vững những kiến thức về chuyên nghành Công Nghệ Sinh Học và chúng em có đủ hành trang để bước vào cuộc sống. Để rồi hôm nay, chúng em, lần đầu tiên được thực hiện một đề tài lớn, tự độc lập nghiên cứu học tập. Chúng em hiểu rõ đây là cơ hội để chúng em vận dụng tất cả những kiến thức đã học vào thực tiễn, trình bày và báo cáo một vấn đề khoa học một cách khoa học, logic. Để có được thành công ngày hôm nay. Lời đầu tiên con xin cảm ơn bố me đã luôn ủng hộ, động viên và tạo điều kiện cho con hoàn thành tốt chương trình học này. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo Trường Đại Học Bình Dương và đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Công Nghệ Sinh Học đã hết lòng truyền đạt các kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian em học tại trường. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Minh Khang và thầy Phạm Quốc Việt đã hướng dẫn em trong đợt thực tập này và lời cảm ơn đến các anh chị phòng vi sinh khoa Sinh Học Ứng Dụng trường Cao Đẳng Kinh Tế Công Nghệ TP Hồ CHÍ MINH. Moät laàn nöõa, em xin chuùc taát caû thaày coâ cuøng baïn beø lôøi chuùc söùc khoûe vaø thaønh ñaït trong cuộc sống ! NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1 \ [ …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………................................................................................ ............................................................................................................................................ ............... Ngày……Tháng …..Năm 2009 - ii- NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2 \ [ …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………................................................................................ ............................................................................................................................................ ............... Ngày……Tháng …..Năm 2009 - iii- NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN \ [ …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………................................................................................ ............................................................................................................................................ ............... Ngày……Tháng …..Năm 2009 - iv- MUÏC LUÏC Trang Lôøi caûm ôn.....................................................................................................................i Nhaän xeùt cuûa giaùo vieân höôùng daãn ............................................................................. ii Nhaän xeùt cuûa giaùo vieân phaûn bieän ............................................................................ iv Muïc luïc ........................................................................................................................v Danh saùch caùc baûng.................................................................................................. viii Danh saùch caùc hình .................................................................................................... ix Danh saùch caùc sô ñoà .....................................................................................................x Danh sách biểu đồ ...........................................................................................................xi Danh saùch caùc chöõ vieát taét.............................................................................................xii Tóm tắt luận văn............................................................................................................ xiii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Ñaët vaán đề.............................................................................................................. 1 1.2 Muïc ñích, yeâu caàu ............................................................................................... 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Cellulose vi khuẩn (Bacterial cellulose – BC) ......................................................3 2.1.1 Lịch sử nghiên cứu...........................................................................................3 2.1.2 Cellulose vi khuẩn ...........................................................................................4 2.1.3 Vi sinh vật sản sinh cellulose...........................................................................7 2.1.4 Quá trình tổng hợp cellulose..........................................................................14 2.1.5 Ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng và điều kiện nuôi cấy đến qúa trình lên men sản xuất cellulose vi khuẩn................................................................................16 2.1.6 Ứng dụng của màng BC.................................................................................20 2.2 Màng lọc nước ......................................................................................................23 - v- 2.2.1 Các loại màng lọc nước .................................................................................22 2.2.2 Tính chất các màng lọc nước .........................................................................24 2.2.3 Chất lượng màng lọc nước.............................................................................28 2.3 Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng nước ..................................... 29 2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước ..............................................................33 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ........................................................44 3.1 Địa điểm và thời gian nghiên cứu .......................................................................44 3.2 Vật liệu...................................................................................................................44 3.3 Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................47 3.3.1 Khảo sát một số đặc điểm sinh học của chủng Acetobacter xylinum ...........48 3.3.2 Phương pháp tạo màng mỏng BC .................................................................49 3.3.3 Thử nghiệm ứng dụng màng BC trong lọc nước...........................................51 3.3.4 Khảo sát Các phương pháp kiểm tra chất lượng nước lọc.............................53 3.3.5 Phương pháp xác định độ pH.........................................................................55 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN.................................................................50 4.1 Khảo sát một số đặc điểm sinh học của chủng Acetobacter xylinum ...............50 4.1.1 Kiểm tra vi thể ...............................................................................................50 4.1.2 Kiểm tra đại thể..............................................................................................50 4.2. Phương pháp lên men tĩnh truyền thống trải mỏng ........................................51 4.2.1 Bề dày của màng............................................................................................53 4.2.2 Đo khả năng thẩm thấu của màng.................................................................54 4.2.3 Kiểm tra vi sinh sau lọc .................................................................................55 4.2.4 Độ bền cơ học của màng BC .........................................................................57 4.3 Đánh giá khả năng lọc nước màng BC trong bình lọc nước ............................58 4.3.1 Khả năng lọc vi sinh ......................................................................................58 4.3.2 Khả năng thẩm thấu của màng BC trong bình lọc nước................................59 - vi- 4.3.3 So sánh khả năng lọc nước của màng BC với khả năng lọc bằng màng lọc sứ trong bình lọc nước .........................................................................................................59 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................61 5.1 Kết luận .................................................................................................................61 5.2 Giới hạn đề tài ........................................................................................................61 5.3 Kiến nghị ................................................................................................................61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................62 PHỤ LỤC ......................................................................................................................64 - vii- DANH SAÙCH CAÙC BAÛNG Trang Bảng 2.1: Cấu trúc của màng phụ thuộc vào loại vi khuẩn tạo màng cellulose ........... 4 Bảng 2.2: Phân loại vi khuẩn acetic theo Frateur ......................................................... 8 Bảng 2.3: Ảnh hưởng của các loại đường khác nhau đến sự hình thành màng BC trong nước dừa ở pH = 5.0.........................................................................................17 Bảng 2.4 : Ảnh hưởng của pH đến sự hình thành màng BC .....................................19 Bảng 2.5 : Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hình thành màng trong nước dừa ở pH = 5,0 .....................................................................................................................20 Bảng 2.6: Tính chất của một số loại màng lọc............................................................ 29 Bảng 2.7: Phân loại độ cứng ........................................................................................ 30 Bảng 2.8: Chỉ tiêu vi sinh cho nước uống đóng chai .................................................. 32 Bảng 2.9: Chỉ tiêu cảm quan của nước uống .............................................................. 33 Bảng 2.10 Chỉ tiêu hóa lý của nước uông ở châu âu ................................................... 33 Bảng 2.11 Chi tiêu vi sinh của nước uống ................................................................... 36 Bảng 3.1 Bề dày của màng trong thí nghiệm.............................................................. 43 Bảng 3.2 Cách bố trí thí nghiệm đo bề dày màng........................................................ 45 Bảng 4.1 Bề dày của màng BC .................................................................................... 53 Bảng 4.2 Tốc độ thẩm thấu của màng.......................................................................... 54 Bảng 4.3 Kết quả kiểm tra khả năng lọc vi sinh của màng BC ở áp suất thường........ 55 Bảng 4.4 Kết quả kiểm tra khả năng lọc vi sinh của màng BC ở áp suất chân không 56 Bảng 4.5 Độ bền kéo của màng ................................................................................... 57 Bảng 4.6 Kết quả lọc vi sinh của màng BC và màng lọc nước.................................... 58 Bảng 4.7 Khả năng thẩm thấu của màng BC và màng lọc sứ...................................... 59 Bảng 4.8 Chất lượng nước lọc của màng BC và màng lọc sứ ..................................... 60 - viii- DANH SAÙCH CAÙC HÌNH Hình 2.1 Màng bacteria cellulose............................................................................... 4 Hình 2.2. Màng BC của A. xilinum dưới kính hiển vi điện tử ở điều kiện nuôi khác nhau ....................................................................................................................... 5 Hình 2.3 Vi khuẩn A. Xylinum .................................................................................. 12 Hình 2.4 Màng BC ở điều kiện nuôi cấy tĩnh .......................................................... 17 Hình 2.5 Màng BC ở điều kiện nuôi cấy có sử dụng cánh khuấy........................... 18 Hình 2.6 Cấu trúc màng lọc Cellulose acetate .......................................................... 24 Hình 2.7 Cấu trúc màng lọc Cellulose nitrat............................................................. 25 Hình 2.8 Cấu trúc màng lọc Cellulose tái sinh ......................................................... 25 Hình 2.9 Cấu trúc màng lọc Cellulose tái sinh ......................................................... 26 Hình 2.10 Một đoạn màng UF (dày 0,2mm)............................................................. 26 Hình 2.11 Lọc bằng màng UF................................................................................... 26 Hình 2.12 Cấu tạo lõi lọc RO.................................................................................... 28 Hình 3.1 Bình lọc nước ............................................................................................. 47 Hình 3.2 Bộ lọc của bình lọc nước............................................................................ 47 Hình 4.1 Giống Acetobacter xylinum ....................................................................... 50 Hình 4.2 Khuẩn lạc Acetobacter xylinum................................................................. 51 Hình 4.3 Acetobacter xylinum trên môi trường lỏng................................................ 51 Hình 4.4 Màng BC thu từ phương pháp lên men truyền thống trải mỏng................ 52 Hình 4.5 Màng BC chụp dưới kính hiển vi điện tử................................................... 57 - ix- DANH SAÙCH CAÙC SÔ ÑOÀ Sơ đồ 2.1 So sánh đường kính sợi BC với các sợi tự nhiên và nhân tạo ................... 6 Sơ đồ 2.2 Con đường chuyển hóa fructose và glucose ở A.xylinum......................... 15 Sơ đồ 3.1 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 40 Sơ đồ 3.2 Quá trình tạo màng BC thô....................................................................... 42 Sơ đồ 3.3 Phương pháp xử lý màng BC sau khi lên men ......................................... 44 Sơ đồ 3.4 Phương pháp pha loãng mẫu..................................................................... 48 - x- DANH SÁCH BIỂU ĐỒ Biểu đồ 4.1 So sánh tốc độ thẩm thấu....................................................................... 64 - xi- DANH SAÙCH CAÙC CHÖÕ VIEÁT TAÉT BC Bacteria cellulose CS Cellulose synthase. FK Fructokinase Fru-bi-P Fructose-1,6-bi-phosphate Fru-6-P Fructose-6-phosphate FBP Fructose-1,6-biphosphate phosphatase GK Glucokinase G6PDH Glucose-6-phosphate dehydrogenase Glc-6-P Glucose-6-phosphat Glc-1-P Glucose-1-phosphate Gluconcogenesis Glucose giải 1PFK Fructose-1-phosphate kinase PC Cellulose thực vật PGA Phosphogluconic acid PGI Phosphoglucoisomerase PGM Phosphoglucomutase PTS Hệ thống của phosphotransferase SPW Nước peptone UDPGlc Uridine diphosphoglucose UGP UDP-glucose pyrophosphorylase TÓM TẮT LUẬN VĂN - xii- Công nghệ màng lọc được cho là “ công nghệ xanh ” và đang được áp dụng rộng rãi trong công nghệ lọc nước. Quá trình lọc nước bằng màng lọc đem lại hiệu quả về năng lượng cũng như ít gây ô nhiễm cho môi trường. Hiện nay, Việt Nam đang sử dụng nhiều công nghệ lọc nước có sử dụng màng lọc: vi lọc, siêu lọc, lọc thẩm thấu ngược. Các loại màng lọc này đều phải nhập từ nước ngoài nên giá thành nước lọc còn cao và chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng nước của người dân. Vì vậy, việc tìm ra một loại màng lọc mới với giá thành rẻ và có thể sản xuất được trong nước đang là vấn đề cần được giải quyết hiện nay. Do đó, công nghệ màng lọc đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới và Việt Nam. Chính vì lý do đó, để đáp ứng nhu cầu trên, bước đầu chúng tôi Khảo sát ứng dụng màng BC làm màng lọc vi sinh trong lọc nước. Màng BC được tạo bởi vi khuẩn A.xylinum theo phương pháp lên men tĩnh truyền thống trải mỏng Màng BC thu được sau khi lên men với bề dày 0,5 mm; 1mm; 1,5mm; 2mm; 2,5mm; được khảo sát các tính chất cơ học và khả năng lọc nước. Màng BC dày 1mm cho kết quả lọc nước khả quan với kết qủa như sau: Lọc 100% vi khuẩn trong nước, tốc độ thẩm thấu là 399,4 lít.m-2.h-1 và độ bền kéo là 25,3 MPa. Theo định hướng ứng dụng màng BC làm màng lọc nước chúng tôi tiến hành kiểm chứng khả năng lọc của màng BC khi đưa vào thí nghiệm ứng dụng trong bình lọc nước. Các kết quả chỉ tiêu xét nghiệm về vi sinh qua màng lọc BC cho thấy màng BC đủ điều kiện để đáp ứng được yêu cầu làm màng lọc nước. - xiii- TÓM TẮT LUẬN VĂN Công nghệ màng lọc được cho là “ công nghệ xanh ” và đang được áp dụng rộng rãi trong công nghệ lọc nước. Quá trình lọc nước bằng màng lọc đem lại hiệu quả về năng lượng cũng như ít gây ô nhiễm cho môi trường. Hiện nay, Việt Nam đang sử dụng nhiều công nghệ lọc nước có sử dụng màng lọc: vi lọc, siêu lọc, lọc thẩm thấu ngược. Các loại màng lọc này đều phải nhập từ nước ngoài nên giá thành nước lọc còn cao và chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng nước của người dân. Vì vậy, việc tìm ra một loại màng lọc mới với giá thành rẻ và có thể sản xuất được trong nước đang là vấn đề cần được giải quyết hiện nay. Do đó, công nghệ màng lọc đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới và Việt Nam. Chính vì lý do đó, để đáp ứng nhu cầu trên, bước đầu chúng tôi Khảo sát ứng dụng màng BC làm màng lọc vi sinh trong lọc nước. Màng BC được tạo bởi vi khuẩn A.xylinum theo phương pháp lên men tĩnh truyền thống trải mỏng Màng BC thu được sau khi lên men với bề dày 0,5 mm; 1mm; 1,5mm; 2mm; 2,5mm; được khảo sát các tính chất cơ học và khả năng lọc nước. Màng BC dày 1mm cho kết quả lọc nước khả quan với kết qủa như sau: Lọc 100% vi khuẩn trong nước, tốc độ thẩm thấu là 399,4 lít.m-2.h-1 và độ bền kéo là 25,3 MPa. Theo định hướng ứng dụng màng BC làm màng lọc nước chúng tôi tiến hành kiểm chứng khả năng lọc của màng BC khi đưa vào thí nghiệm ứng dụng trong bình lọc nước. Các kết quả chỉ tiêu xét nghiệm về vi sinh qua màng lọc BC cho thấy màng BC đủ điều kiện để đáp ứng được yêu cầu làm màng lọc nước. - xiii- CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1 Ñaët vaán ñeà Nước là thành phần không thể thay thế và chiếm một hàm lượng lớn trong mọi cơ thể. Trữ lượng nước ngọt trên thế giới trong những năm gần đây không những không được tăng lên, mà còn luôn bị giảm đi theo thời gian, do ảnh hưởng bởi sự gia tăng dân số, phát triển kinh tế…..Một lý do không kém phần quan trọng nữa, là nguồn nước ngọt ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng. Do vậy, chúng ta không những chỉ thiếu nguồn lương thực, thực phẩm mà còn đang thiếu nước ngọt trầm trọng. Việt Nam có nguồn tài nguyên nước mặt và nước ngầm dồi dào. Nhưng hiện nay, lượng nước bị ô nhiễm rất lớn và có khuynh hướng tăng nhanh. Trên 60% nguồn nước nông thôn bị ô nhiễm là số liệu được công bố tại Hội nghị giới thiệu dự án luật phòng, chống các bệnh truyền nhiễm do Bộ Y tế phối hợp Văn phòng Chính phủ tổ chức vào ngày 22/06/2006 tại Hà Nội. Theo Bộ Tài nguyên và Môi trường, Việt Nam đang đứng trước nguy cơ thiếu nước sạch trầm trọng vào năm 2010. Tình trạng khô hạn ngày càng trầm trọng trong khi nhu cầu sử dụng nước lại tăng nhanh. Do đó giải quyết vấn đề nước sạch là một trong những vấn đề cấp thiết hiện nay. Công nghệ màng lọc được cho là “ công nghệ xanh ” và đang được áp dụng rộng rãi trong công nghệ lọc nước. Quá trình lọc nước bằng màng lọc đem lại hiệu quả về năng lượng cũng như ít gây ô nhiễm cho môi trường. Do đó, công nghệ màng lọc đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới và Việt Nam. Hiện nay, Việt Nam đang sử dụng nhiều công nghệ lọc nước có sử dụng màng lọc: Vi lọc (Microfiltration), siêu lọc (Ultrafiltration), lọc thẩm thấu ngược (Revese Osmosis)… Để lọc nước. Các loại màng lọc này đều phải nhập từ nước ngoài nên giá thành nước lọc còn cao và chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng nước của người dân. Vì vậy, việc tìm ra một loại màng lọc mới với giá thành rẻ và có thể sản xuất được trong nước đang là vấn đề cần được giải quyết hiện nay. Chính vì lý do đó, để đáp ứng nhu TRANG - 1 - CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU cầu trên, bước đầu chúng tôi Khảo sát khả năng ứng dụng màng BC làm màng lọc vi sinh trong lọc nước. 1.2 Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu quá trình tạo màng ở vi khuẩn - Sản xuất thử nghiệm màng lọc sinh học - Ứng dụng màng lọc trong xử lý nước 1.3 Nội dung nghiên cứu - Khảo sát một số đặc tính sinh học của Acetobacter A.xylinum. - Khảo sát phương pháp nuôi cấy tạo màng cellulose của vi khuẩn A.xylinum. - Khảo sát một số tính chất cơ lý và khả năng lọc nước của màng BC ở các độ dày khác nhau. - Ứng dụng cụ thể của màng BC trong lọc nước. TRANG - 2 -