Nghiên cứu sử dụng polymer sinh học trong việc thu hồi protein từ nước thải chế biến thủy sản

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG HƯƠNG QUỲNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG POLYMER SINH HỌC TRONG VIỆC THU HỒI PROTEIN TỪ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN Chuyên ngành : Công ng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀNG HƯƠNG QUỲNH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG POLYMER SINH HỌC TRONG VIỆC THU HỒI PROTEIN TỪ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN

THỦY SẢN

Chuyên ngành : Công nghệ sinh học

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: Ts Đặng Đức Long

Phản biện 1: Ts Lê Lý Thùy Trâm

Phản biện 2: Ts Vũ Thị Bích Hậu

Luận văn này sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ công nghệ sinh học họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 13 tháng 10 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

M Đ U

1 T nh c p thi t c tài

Vấn đề ô nhiễm môi trường do nước thải ngành chế biến thủy sản đang ở mức báo động Một trong những nguyên nhân chính

là do chúng ta chưa có biện pháp hợp lý để tận thu các phụ phẩm hữu

cơ có trong nước thải của quá trình chế biến thủy sản Lượng chất thải của ngành này thải vào môi trường ngày càng tăng về số lượng

và biến động về thành phần Theo số liệu thống kê, toàn bộ ngành chế biến thủy sản thải vào môi trường lượng nước thải từ 8 – 12 triệu

m3/năm Nước thải thủy sản có lẫn máu cá, nhớt cá chứa một lượng protein hòa tan lớn, có giá trịnh dinh dưỡng rất cao, theo ước tính thì trung bình mỗi tấn cá tạo ra từ 0,5 đến 0,7 m3

dung dịch máu cá hoặc cao hơn so với quy trình chế biến áp dụng Hiện nay, nước thải nhà máy chế biến thủy sản chưa được xử lý đúng mức mà thường đưa trực tiếp vào hệ thống xử lý nước thải, gây quá tải hệ thống dẫn đến

ô nhiễm môi trường Vì vậy, Trong nghiên cứu này, tôi tập trung vào thu hồi protein từ nước thải thủy sản Hiện nay, để thu hồi protein thường sử dụng một số phương pháp thông dụng như phương pháp đẳng điện (điều chỉnh pH bằng acid, kiềm) hoặc xử lý nhiệt để kết tủa protein [51], [3] Ngoài ra, để tăng cường hiệu quả, rút ngắn thời gian xử lý trong quá trình thu hồi protein từ nước thải thủy sản, một

số chất keo tụ, tạo bông thường được sử dụng như các muối vô cơ (NaCl, Al2(SO4)3, FeCl3), các polyme như alginate, chitosan, polyme tổng hợp [51] [3] Đặc biệt chitosan, một polyme sinh học được chết tách từ phế liệu thủy sản, có tính keo tụ và tạo bông rất tốt và đã được ứng dụng nhiều trong thu hồi protein [53] Ngoài ra, chitosan

không độc và có hoạt tính sinh học có lợi như kháng nấm, kháng khuẩn, chống oxy hóa, bảo vệ protein (protein protectant) nên sản phẩm protein thu hồi có thể sử dụng trong chế biến thức ăn cho người và động vật [8] Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu sử dụng polyme sinh học trong việc thu hồi protein

từ nước thải chế biến thủy sản” với mục đích sử dụng các polyme sinh học thích hợp tìm ra giải pháp tối ưu làm tăng hiệu suất thu hồi protein tận dụng làm thức ăn chăn nuôi, một mặt tận thu nguồn protein phế thải, mặt khác tìm ra giải pháp hợp lý cho việc giảm tải

hệ thống xử lý nước thải của các nhà máy chế biến thủy sản hiện nay Đây chính là hướng đi mới, nhằm tìm những giải pháp thích hợp để giải quyết những vấn đền bức xúc và nan giải của các nhà máy chế biến thủy sản

2 M c ti u nghi n c u

- Khảo sát hiệu quả thu hồi protein từ nước thải chế biến thủy sản bằng phương pháp keo tụ sử dụng các polyme sinh học kết hợp với chất keo tụ vô cơ như bentonite;

- Tận dụng nguồn protein phế phẩm làm nguyên liệu cho thức ăn chăn nuôi

3 Đối tƣ ng và ph m vi nghi n c u

a t

- Nước thải từ các nhà máy chế biến thủy sản được thu gom về Trạm xử lý nước thải Sơn Trà, phường Thọ Quang, quận Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng

- Các loại polyme sinh học gồm: chitosan, natri alginate

- Chất keo tụ vô cơ Bentonite

b v

- Sử dụng nước thải chế biến thủy sản của các nhà máy chế biến thủy sản được thu gom đấu nối về Trạm xử lý nước thải Sơn Trà, phường Thọ Quang, quận Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng

4 Phương ph p nghi n c u

a ơ p áp t u ẫu:

b Phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

ơ p áp

- Xác định pH và nhiệt độ của mẫu nước thải

- Phương pháp Kali Permanganat

- Phương pháp Kjeldahl

- Phương pháp Bradford

c ơ p áp s u

- Phương pháp đánh giá phương sai

- Phương pháp đánh giá sai số

- Phương pháp phân tích tương quan

Và một số phương pháp thực nghiệm khác

5 ngh ho học và th c ti n c tài nghi n c u

a

- Nghiên cứu mới về khả năng thu hồi protein từ nước thải các nhà máy chế biến thủy sản ở Đà Nẵng của các hỗn hợp bao gồm các polyme sinh học kết hợp với chất keo tụ vô cơ

- Góp phần xây dựng được quy trình công nghệ mới thu hồi protein từ nước thải thủy sản để sử dụng trực tiếp làm thành phần của thức ăn gia súc bằng các polyme sinh học kết hợp với chất keo tụ

vô cơ

- Nghiên cứu làm sáng tỏ thêm về cơ chế keo tụ protein bởi các polymer sinh học và chất keo tụ vô cơ

b t t

- Có được quy trình thu hồi protein từ nước thải chế biến thủy sản giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường cấp bách của địa phương và đưa ra quy trình sử dụng nguồn phụ phẩm một cách có giá trị

6 Bố c c u n văn

Luận văn có bố cục cụ thể như sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 2: Vật liệu và phương pháp

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tổng quan v ngành ch bi n th y sản

1.2 Tổng quan v nước thải th y sản

1.3 Tổng quan v Proten cá

Protein cấu trúc

1.3.1

Protein chất cơ

1.3.2

Protein liên kết (khung mạng)

1.3.3

1.4 Tổng quan v polymer sinh học trong xử ý nước thải

Tổng quan về chitosan

1.4.1

a u tr

b t t s

b.1 Tính chất vật lý

b.2 Tính chất hóa học

b.3 Tính chất sinh học

c Ứng t s

c.1 ng dụng trong công nghệ thực phẩm [26, 29]

c.2 ng dụng trong y tế [29, 34]

c.3 ng dụng trong xử lý môi trường [58]

c.4 ng dụng trong nông nghiệp [21]

c.5 ng dụng trong công nghiệp [33]

Tổng quan về bentonite

1.4.2

a u tr

b t t t

Do bentonite chứa chủ yếu là MMT có cấu trúc gồm các lớp aluminosilicate liên kết với nhau bằng liên kết hydro, có các ion bù trừ điện tích tồn tại giữa các lớp nên bentonite có các tính chất đặc trưng: trương nở, hấp phụ, trao đổi ion, kết dính, nhớt, dẻo và trơ,

trong đó quan trọng nhất là khả năng trương nở, hấp phụ và trao đổi ion

c Ứ t t

d á p ơ p áp t hóa bentonite

1.5 Tổng quan v phương ph p eo t

Kh i ni m

1.5.1

ơ chế

1.5.2

a ơ ế tru à đ n tích

b ơ ế t o cầu n i

c ơ ế t o cầu n i sảy ra ở 5 phản ứng

c ếu t nh h ởng đến qu tr nh keo t

1.5.3

b u t t

c đ đầu

d t u ơ

e tr

f u ứ u

g t đ t

h ế t

1.6 Tổng quan v tình hình nghiên c u trong và ngoài nước

nh h nh nghi n c u trong n c

1.6.4

Các nghiên cứu trước đây thường sử dụng riêng lẻ các polymer sinh học hoặc kết hợp với các chất keo tụ vô cơ để thu hồi protein trong nước thải thủy sản

nh h nh nghi n c u n c ngoài

1.6.5

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU 2.1 Nguyên liệu nghiên c u

gu n n c th i

2.1.1

a

b ết

2.2 Phương ph p nghi n c u

ơ đ tiến tr nh nghi n c u

2.2.1

hu ết minh tiến tr nh nghi n c u

2.2.2

a à s và t t t

b ả sát đ t t ả t sả

c Nghiên cứu th c nghi m hi u su t x lý COD c c thải

th y sản bằng chitosan và bentonite

d ứu t u pr t t t ả t sả à p

p su và t ứ s

2.3 Phương ph p phân t ch

Ph ơng ph p x c định COD

2.3.1

a t

b á t ế à

c t ứ t t á

Ph ơng ph p x c định TSS (Total Supended Solids)

2.3.2

a á t ế à

b t ứ t t á

X c định hàm l ợng protein bằng ph ơng ph p

2.3.3

Bradford [3]

a t

b á t ế à

Xác định nitơ tổng số bằng phương pháp Kejldahl [2] 2.3.4.

a u

b á t ế à

c t ứ t t á

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 K t quả ho t hóa Bentonite

Mẫu bentonite sau khi được làm sạch và hoạt hóa bằng HCl 10% được gửi cho phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa để xác định hoạt tính bề mặt

Kết quả mẫu được so sánh với mẫu bentonite chưa được làm sạch và hoạt hóa

Kết luận: Bentonite sau khi được làm sạch và hoạt hóa thì có kích thước lỗ xốp lớn hơn bentonite chưa được hoạt hóa

3.2 Đặc trưng c nước thải th y sản

Kh o s t đặc tr ng của n c th i thủy s n

3.2.1

Hình 3-1 ết quả ẫu đ s sá v ẫu t t

đ à s và t

Kết qu phân tích chất l ợng n c th i tại các vị

3.2.2

trí khác nhau

3.3 Khảo sát hiệu su t thu hồi protein và hiệu su t xử

lý COD

Xây dựng đ ờng albumin chuẩn

3.3.1

Kết qu kh o sát hi u suất thu h i protein và hi u

3.3.2

suất xử lý COD

Kết luận: Với 100 ml mẫu nước thải, khi bổ sung 4 ml chitosan 1% + 2 g bentonite thì cho hiệu suất thu hồi protein cao

y = 0.0081x + 0.0079 R² = 0.9958

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Nồng độ albumin (µg/ml)

ì 3.1 th đ ờng chu n albumin

nhất, đạt 95,2% Khảo sát ảnh hưởng của pH đối với khả năng keo tụ protein

Kết qu protein thu h i làm ph phẩm cho ch n

3.3.3

nu i gia s c

Tiến hành quy trình keo tụ tối ưu nhất từ kết quả trước, thu sản phẩm keo tụ từ 1 lít nước thủy sản Tiến hành xác định phần trăm protein trong sản phẩm keo tụ

Kết quả: sản phẩm keo tụ chứa 71% protein và độ ẩm 97% Sau quá trình xử lý, protein tinh sạch với độ ẩm 10%

3.4 K t quả khảo sát ảnh hưởng c pH n khả năng eo t protein

Điều chỉnh pH của nước thải về các giá trị khác nhau, cụ thể

là tại các giá trị: 5; 5,5; 6 Sau đó tiến hành làm thí nghiệm như thí nghiệm khảo sát hiệu suất thu hồi protein

Kết luận: Tại pH = 6, hiệu suất thu hồi protein đạt kết quả cao nhất lên tới 97% so với thí nghiệm khi chưa điều chỉnh pH là 95%, mặc dù hiệu suất tăng ko đáng kể nhưng qua đó có thể thấy sự ảnh hưởng của pH đến quá trình keo tụ protein

Vì hiệu suất thu hồi protein tăng lên kéo theo hiệu suất xử lý COD cũng tăng lên Tại thí nghiệm chưa điều chỉnh pH hiệu suất xử

lý COD đạt 88% còn sau khi mẫu đã được điều chỉnh pH thì hiệu suất xử lý tăng lên 91%

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4.1 K t lu n

Qua quá trình thực hiện đề tài: “ ghi n c u sử d ng pol mer sinh học trong vi c thu h i protein từ n c th i chế biến thủ s n”, tôi đã khảo sát được hỗn hợp chitosan và bentonite có khả

năng thu hồi protein, xác định được một số đặc trưng của nước thải chế biến thủy sản và đã thử nghiệm trên thực nghiệm với nước thải Dựa vào kết quả thu được tôi rút ra được một số kết luận như sau:

1 Chúng tôi đã phân tích được các đặc trưng thông số môi trường nước thải thủy sản đầu vào của Trạm xử lý nước thải Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng như sau: COD = 6000-7000 mg/l, Nitơ tổng =

712 mg/l, pH trong khoảng 6.33 - 6.78

2 Protein trong nước thải thủy sản có thể được thu hồi bằng dung dịch chitosan kết hợp với bentonite Qua khảo sát nhiều mức thể tích và khối lượng khác nhau, quá trình thu hồi đạt tối ưu với thể tích 4ml chitosan 1% và 2 g bentonite thì hiệu suất thu hồi protein đạt 88,7 % và hiệu suất xử lý COD đạt 95.2 % trên 100ml nước thải

3 Với 100 ml nước thải thủy sản sau khi điều chỉnh về pH = 6; bổ sung thêm 4ml chitosan 1% và 2 g bentonite thì đạt được hiệu suất thu hồi protein cao nhất là 97%, đồng thời hiệu suất xử lý COD cũng đạt được hiệu suất cao nhất là 91%

4 Kết quả phân tích chất keo tụ thu được cho thấy Protein chiếm 71% sản phẩm keo tụ Protein này sau đó được sấy ở 60oC để tránh làm biến tính protein Sau 12 tiếng sấy, protein tinh đạt độ ẩm 10%

4.2 Ki n nghị

Vì thời gian làm thí nghiệm có hạn nên tôi xin kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp như sau:

1 Có thể tự sản xuất chitosan từ vỏ tôm, cua từ phế liệu của công nghiệp sản xuất thủy sản, như vậy có thể tiết kiệm được chi phí mua chitosan công nghiệp

2 Khảo sát kỹ các thành phần của nước thải nhất là hàm lượng ion kim loại trong đó, vì chitosan có khả năng hấp thụ ion kim loại rất tốt, nó sẽ làm giảm khả năng hấp phụ protein của nước thải

3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thu hồi protein của chitosan và natri alginate

4 Khảo sát sản phẩm thu được và ứng dụng sản phẩm thu được làm thức ăn cho gia súc hoặc làm phân bón cho nông nghiệp

5 Mặc dù hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp khá cao nhưng vẫn chưa xử lý triệt để, nồng độ COD vẫn còn cao chưa đáp ứng được tiêu chuẩn nước thải đầu ra, nên cần nghiên cứu thêm

để xử lý triệt để nó