Đồ án tốt nghiệp bước đầu thử nghiệm khả năng xử lý dầu thô ở phòng thí nghiệm của các chủng vi khuẩn phân lập từ biển cần giờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BƯỚC ĐẦU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ DẦU THÔ Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM CỦA CÁC CHỦNG VI KHUẨN PHÂN LẬP TỪ BIỂN CẦN GIỜ Ngành CÔN[.]

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BƯỚC ĐẦU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ DẦU THÔ Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM CỦA CÁC CHỦNG

VI KHUẨN PHÂN LẬP TỪ BIỂN CẦN GIỜ

Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : CN Nguyễn Hoàng Mỹ

TP Hồ Chí Minh, 2011

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Từ khi được phát hiện cho đến nay, dầu thô đã và đang là nguồn nguyên liệu vô cùng quý giá của mỗi quốc gia nói riêng và toàn thế giới nói chung Ngay nay dầu thô và các sản phẩm của dầu thô được khai thác và sử dụng với khối lượng ngày càng tăng Dầu thô đang có mặt trong hầu hết các lĩnh vực đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người cũng như trong hoạt động công – nông nghiệp

Bên cạnh ưu điểm về kinh tế và xã hội, các sản phẩm dầu thô là mối đe dọa ô nhiễm môi trường Những yếu tố khách quan và chủ quan khi khai thác

và sử dụng dầu đều có thể gây nên hiểm họa cho môi trường sinh thái Có rất nhiều vụ tràn dầu trên sông, biển đã xảy ra trên toàn thế giới và để lại hậu quả đáng lo ngại Đó là chưa kể đến việc khai thác dầu ở thềm lục địa và việc rửa tàu chuyên chở dầu vô ý thức đã và đang gây nên ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hệ sinh thái Ở Việt Nam trong vòng 10 năm qua đã có hơn 50 vụ tràn dầu lớn nhỏ, thiệt hại không kiểm soát được Chính vì thế việc nghiên cứu tìm cách phòng ngừa ô nhiễm dầu và đưa ra các chính sách bảo vệ môi trường nói chung, ô nhiễm dầu gây ra nói riêng đã trở nên hết sức cấp thiết

Hiện nay có nhiều phương pháp khắc phục các sự cố tràn dầu trên biển như: phương pháp cơ học, phương pháp hóa học, phương pháp sinh học Nhưng các biện pháp cơ học và hóa học sử dụng các thiết bị tách dầu hiện đại nhất hiện nay cũng không loại bỏ được các thành phần độc của dầu

Trong khi đó phương pháp sinh học là một trong các phương pháp làm sạch ô nhiễm dầu có tính ưu việt nhất với giá thành rẻ, không gây ô nhiễm về sau Xử lý dầu tràn bằng các chủng vi sinh vật giúp làm sạch dầu trên biển và giúp chúng ta hiểu hơn về quá trình chuyển hóa của các thành phần dầu và

qua đó có thể điều khiển quá trình phân hủy sinh học dễ dàng hơn nhằm làm tăng hiệu quả xử lý

Góp phần trong công tác ứng cứu tràn dầu trên biển và làm sạch dầu trong quá trình khai thác và vận chuyển đặc biệt là tại Việt Nam, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: „„Bước đầu thử nghiệm khả năng xử lý dầu thô ở quy mô phòng thí nghiệm của các chủng vi khuẩn phân lập từ biển Cần Giờ”

2 Tình hình nghiên cứu

 Nghiên cứu ở Việt Nam Năm 2003, tác giả Lại Thúy Hiền nghiên cứu về chất hoạt động bề mặt sinh học do vi sinh vật tạo ra, ứng dụng trong công nghệ dầu khí cả xử lý môi

trường Kết quả phân lập được 4 chủng vi sinh vật Pseudomonas

pesudomatei, Pseudomonas aeruginosa, Cryptococcus terreus và Candida guiller có khả năng sinh ra các chất hoạt động bề mặt có hoạt tính cao, tác

dụng làm tăng quá trình phân hủy dầu tổng Kết quả 67% lượng dầu tràn, thúc đẩy nhanh quá trình xử lý ô nhiễm dầu [7]

Đề tài cấp nhà nước số KHCN 02 – 12 “Nghiên cứu và làm sạch dầu bằng phương pháp phân hủy dầu mỏ bằng phương pháp phân hủy sinh học”

do tiến sỹ Đặng Thị Cẩm Hà chủ trì cùng đồng nghiệp tiến hành từ năm 1999 – 2000, đã được hội đồng nghiệm thu nhà nước đánh giá đạt loại xuất sắc Thành quả đạt được của đề tài là chế phẩm cung cấp cho quá trình xử lý dầu ô nhiễm ở các môi trường sinh thái khác nhau và xây dựng quy trình xử lý ô nhiễm dầu ở môi trường nước [1]

Viện Công nghệ sinh học đã sản xuất và đưa vào sử dụng hiện nay gồm Oicleanser 1, Oicleanser 2, Oicleanser 3 Các chế phẩm sinh học, các chất vi lượng đã được sản xuất và đáp ứng yêu cầu xử lý các loại hình ô nhiễm dầu ở các điều kiện sinh thái khác nhau [1]

 Nghiên cứu trên thế giới Các nhà khoa học ở California đã có một cải tiến quan trọng trong kỹ thuật làm sạch dầu loang ở biển, hồ và những khu vực lưu thông đường thủy,

đó là máy lọc dầu cải tiến Đây là thiết bị chủ yếu thu hồi dầu loang trên biển, đối với một khu vực có bề mặt dầu loang rộng lớn, thiết bị có nhiều rãnh này

sẽ thu được nhiều dầu hơn thiết bị hớt váng dầu thông thường với bề mặt phẳng, thiết bị này thu gom gần như 100% dầu bám dính trên mặt thiết bị

Nhóm nghiên cứu thuộc Viên Công Nghệ Massaachusetts (MIT) ở Mỹ

đã nghiên cứu ra một loại bọt biển nano có thể hút dầu loang khởi mặt nước Loại bọt biển này là một tấm lưới gồm những sợi nano bằng oxit mangan có đường kính khoảng 20 nano mét đan nối với nhau, thiết bị còn được phủ lên một lớp silicon trên lưới đã giúp nó không thấm nước Do có nhiều lỗ thông khí, lưới nano hoạt động như một miếng bọt biển, có thể hút được lượng dầu gấp 20 lần trọng lượng của nó Với bề mặt không thấm nước, bọt biển này chỉ hút những chất không tan trong nước như dầu, bọt biển này chỉ hút những chất không tan trong nước hầu như dầu, bọt biển nano còn có thể đẩy ra gần như 100% nước

Hiện nay trên thị trường thế giới có rất nhiều chế phẩm cung cấp cho quá trình xử lý dầu tràn Một số chế phẩm làm từ bông phế thải, chỉ có tính chất thu hồi dầu ở trên sàn dính dầu và không có khả năng phân hủy dầu Các chế phẩm này sau khi thu gom phải xử lý tiếp, hoặc đốt ở nhiệt độ cao (<12000C) hay xử lý bằng phương pháp sinh học Gần đây xuất hiện một số loại vật liệu thấm dầu có kết hợp phân hủy vi sinh vật của các nước tiên tiến như: Enretech (Mỹ), Non – Oil (Anh), Spill – Sorb (Canada),…[12][14]

3 Mục đích nghiên cứu

Xác định khả năng xử lý của các chủng vi sinh vật phân lập có khả năng phân hủy dầu trên mẫu nước biển nhiễm dầu ở quy mô phòng thí nghiệm

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Xây dựng sơ đồ bố trí thí nghiệm xử lý

Xây dựng khả năng phân hủy dầu của các chủng vi sinh vật

Đánh giá tiềm năng ứng dụng của các chủng vi sinh vật trên thực tế

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập tài liệu

Phương pháp xác định vi sinh vật

Phương pháp thử nghiệm khả năng phân hủy dầu của các vi sinh vật

6 Các kết quả đạt được của đề tài

Tuyển chọn các chuẩn vi sinh khuẩn có khả năng phân hủy dầu từ nguồn nước nhiễm dầu

Đánh giá được một số vi khuẩn có khả năng phân hủy dầu mạnh làm cơ

sở cho việc sử dụng hợp lý, hiệu quả các nguồn mẫu vi sinh vật tại chỗ nhằm nâng cao hiệu quả xử lý

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về dầu thô

1.1.1 Định nghĩa

Dầu thô là một chất lỏng sánh đặc màu nâu hoặc ngả lục Dầu thô tồn tại trong các lớp đất đá tại một số nơi trong vỏ Trái Đất Dầu thô là một chất phức tạp, là một hợp chất hữu cơ cao phân tử hỗn hợp trong thiên nhiên, hầu

như chỉ chứa các hydrocarbon, thuộc gốc alkane, thành phần rất đa dạng

Hiện nay 88% dầu thô chủ yếu dùng để sản xuất dầu hỏa, diezen và xăng nhiên liệu, 12% dầu thô cũng là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất

ra các sản phẩm của các ngành hóa dầu như dung môi, phân hóa học, nhựa, thuốc trừ sâu, nhựa đường…

Đây là nguồn năng lượng không tái tạo, được hình thành từ xa xưa bằng những phản ứng phức tạp xảy ra dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ ở độ sâu nhất định, cùng với các vận động địa chất [2]

1.1.2 Thành phần – tính chất hóa học

Một cách tổng quát thì thành phần hóa học của dầu thô được chia làm thành hai thành phần chính:

Các hợp chất hydrocarbon (HC): là hợp chất mà trong thành phần của

nó chỉ chứa hai nguyên tố là carbon và hydro

Các hợp chất phi hydrocarbon: là các hợp chất mà trong thành phần của

nó ngoài carbon, hydro còn chứa thêm các nguyên tố khác như nitơ, lưu huỳnh, oxy…

Ngoài HC trong dầu thô còn có các thành phần khác như: các chất nhựa, asphanten, và các kim loại nặng

Trong dầu thô, hàm lượng HC là thành phần chủ yếu Đây cũng là yếu

tố quyết định loại sản phẩm và hiệu suất trong quá trình sản xuất các sản phẩm từ dầu Đối với các hợp chất phi HC, mặc dù chiếm hàm lượng không

lớn nhưng hầu hết là các hợp chất có hại Vì vậy trong quá trình chế biến ra các sản phẩm cần phải loại bỏ các thành phần trong hợp chất phi HC [2][10]

1.1.2.1 Các hợp chất hydrocarbon của dầu

Trong dầu thô có tới hàng trăm loại hydrocarbon khác nhau ở tính bay hơi, tính hòa tan, tính hấp thụ đại diện cho nhiều loại cấu trúc hóa học riêng biệt HC được chia làm 3 loại:

 Các hợp chất parafin Parafin là loại HC rất phổ biến trong các loại HC của dầu thô Tùy theo cấu trúc mà parafin được chia 2 loại đó là: parafin mạch thẳng không nhánh (n-parafin) và parafin có nhánh (iso-parafin)

N-parafin là loại hydrocarbon dễ tách và dễ xác định nhất trong số các loại hydrocarbon của dầu thô, cho nên hiện nay với việc sử dụng phương pháp sắc ký kết hợp với rây phân tử để tách n-parafin, đã xác định được tất cả các n-parafin từ C1 đến C45 Hàm lượng chung các n-parafin trong dầu thường chiếm 25 – 30% thể tích Tùy theo dầu được tạo thành từ những thời

kỳ địa chất nào, mà sự phân bố các n-parafin trong dầu sẽ khác nhau Sự phân

bố này tuân theo quy tắc sau: tuổi càng cao, độ sâu lún chìm càng lớn, thì hàm lượng n-parafin trong dầu càng nhiều

I-parafin trong dầu thô có cấu trúc đơn giản, mạch chính dài, mạch phụ

ít và ngắn Các nhánh phụ thường là các gốc mêtyl, đối với các iso-parafin một nhánh phụ thì thường dính vào vị trí carbon số 2 hoặc số 3 [2][10]

 Các hợp chất vòng no hay các hợp chất naphten Naphten là các hợp chất vòng no, đây là một trong số các hydrocarbon phổ biến và quan trọng của dầu thô Hàm lượng của chúng trong dầu thô có thể thay đổi từ 30 – 60% trọng lượng Naphten của dầu thô thường gặp dưới 3 dạng chính: loại vòng 5 cạnh, loại vòng 6 cạnh hoặc loại vòng ngưng tự hoặc qua cầu nối còn những loại vòng 7 cạnh trở lên thường rất ít không đáng kể

Bằng phương pháp phân tích quang phổ khối cho biết số vòng của naphten có thể lên đến 10 - 12 có nhiệt độ sôi rất cao

 Các hydrocarbon thơm hay aromatic Các hydrocarbon thơm là hợp chất hydrocarbon mà trong phân tử của chúng có chứa ít nhất một nhân thơm Trong dầu thô có chứa cả loại một hoặc nhiều vòng Hàm lượng của chúng chiếm khoảng 10 – 20%

Hiện nay có hơn 425 loại hydrocarbon trong dầu thô với số carbon từ C5 đến C60, tương ứng với trọng lượng phân tử từ 855 đvC đến 880 đvC Bằng những phương pháp hiện đại đã xác định được một số hydrocarbon có trong dầu thô (Bảng 2.1) [2][10]

1.1.2.2 Các hợp chất phi hydrocarbon

Là những hợp chất hữu cơ mà trong phân tử của nó ngoài carbon, hydro còn chứa oxy, nitơ, lưu huỳnh

 Hợp chất lưu huỳnh trong dầu thô Đây là loại hợp chất phổ biến nhất và cũng đáng chú ý nhất trong số các hợp chất không thuộc loại hydrocarbon của dầu thô

Những loại dầu thô ít lưu huỳnh thường có hàm lượng lưu huỳnh không quá 0,3 – 0,5% Nhưng loại dầu thô nhiều lưu huỳnh thường 1 – 2% trở lên

Bảng 2.1: Một số hydrocarbon đã xác định trong dầu thô

đẳng

Số nguyên tử trong phân tử

3 I-parafin (loại iso prenoid) CnH2n+2 C14 – C25

4

Cycloparafin

1 vòng

2 vòng

3 vòng

4 vòng

5 vòng

CnH2n CnH2n-2 CnH2n-4 CnH2n-6 CnH2n-8

C5 – C12 C8 – C12 C10 – C13 C14 – C30 C14 – C30

5

Hydrocarbon thơm

1 vòng

1 vòng có nhiều nhóm thế

2 vòng

2 vòng loại difenyl

3 vòng loại phênanten

3 vòng loại fluoren

4 và nhiều vòng

CnH2n-6 CnH2n-6 CnH2n-12 CnH2n-14 CnH2n-18 CnH2n-16 CnH2n-24

C6 – C11 C9 – C12 C10 – C16 C12 – C15 C14 – C16 C15 – C16 C16 – C18

6

Hydrocarbon hổn hợp naphten – thơm ( loại indan & tetralin)

CnH2n-8 C9 – C14

(Nguồn: Báo cáo chuyên đề CNSH-MT, trường đại học Nông Lâm Tp.HCM)

Hiện nay trong dầu thô đã xác định được 250 loại hợp chất của lưu huỳnh Một số hợp chất của lưu huỳnh:

Mercaptan: R-S-H Sunfua: R-S-R‟

Đisunfua:

Lưu huỳnh tự do: S, H2S

 Hợp chất của nitơ trong dầu thô Các hợp chất của nitơ đại bộ phận điều nằm trong phân đoạn có nhiệt

độ sôi cao của dầu thô Ở các phân đoạn nhẹ, các hợp chất chứa nitơ chỉ thấy dưới dạng vết

Hợp chất chứa nitơ có trong dầu thô không thấm nhiều lắm, hàm lượng nguyên tố nitơ chỉ từ 0,01 đến 1% Trong cấu trúc phân tử của nó có thể có loại chứa một nguyên tử nitơ, hay loại chứa 2, 3 thậm chí 4 nguyên tử nitơ

Những hợp chất chứa một nguyên tử nitơ được nghiên cứu nhiều, chúng thường mang tính bazơ như pyridin, quinolin, iso quinolin, acrylin hoặc có tính chất trung tính như các vòng pyrol, indol, cacbazol, benzocacbazol Những hợp chất chứa 2 nguyên tử nitơ trở lên thường có rất

ít, chúng thường ở dạng Indolquinolin, Indolcacbazol và porfirin [2][10]

 Hợp chất của oxy trong dầu thô

Là các hợp chất chứa oxy thường có dưới dạng các axit (-COOH), xetôn (-C=O), phenol, và các loại ester và lacton

Trong số các chất chứa oxy thì ở dạng axit là quan trọng nhất Các axit trong hầu hết là các axit một chức Trong các phân đoạn có nhiệt độ sôi thấp của dầu thô các axit hầu như không có Axit chứa nhiều nhất ở phân đoạn có nhiệt độ sôi trung bình của dầu thô (C20 – C23) các axit có gốc là vòng naphten nên chúng được gọi là các axit Naphtenic Phân đoạn có nhiệt độ sôi cao hơn thì hàm lượng các axit lại giảm đi

Các phenol trong dầu thô thường gặp là phenol và các đồng đẳng của

nó Hàm lượng phenol nói chung chỉ khoảng 0,1 – 0,2% Các xêtôn mạch thẳng C2 – C5 tìm thấy trong dầu, nhiệt độ sôi cao thì có xêtôn vòng [2][10]

1.1.2.3 Các thành phần khác

Kim loại có trong dầu thô chiếm từ vài phần triệu đến vài phần vạn, thường ở các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao dưới dạng phức với các hợp chất hữu cơ (cơ – kim), thông thường là dạng phức với các chất hữu cơ khác trong dầu thô, dạng phức với porphirin thường có số lượng ít hơn

Những kim loại nằm trong phức porphirin thường là các Niken (Ni) và Vanidi (Va) Trong những loại dầu thô nhiều lưu huỳnh chứa nhiều porphinrin dưới dạng phức với Vanidi, ngược lại trong dầu ít lưu huỳnh, đặt biệt chứa nhiều nitơ thì thường chứa nhiều porphirin dưới dạng phức Niken Trong dầu chứa nhiều lưu huỳnh tỷ lệ Va/Ni > 1 (310 lần), dầu chứa ít lưu huỳnh tỷ lệ Va/Ni < 1 (0,1) Ngoài Va và Ni còn có thể có Fe, Cu, Zn, Ti, Ca, Mn… Số lượng các phức kim loại này thường rất ít so với các phức Va và Ni Ngoài pophirin còn có những vòng thơm hoặc naphten ngưng tụ Loại phức này tuy chiếm phần lớn, nhưng vẫn chưa nghiên cứu được đầy đủ

Bên cạnh các kim loại trong dầu thô thì có các chất nhựa và asphalten của dầu thô là những chất mà trong cấu trúc phân tử của nó ngoài C và H còn

có đồng thời các nguyên tố khác như: S, O, N