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

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ƯỜNG ĐẠI HỌC BÌNH DƯƠNG

TR KHOA CƠNG 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

Trong suốt gần 4 năm học tập, em đã nhận được rất nhiều

sự dìu dắt của tất cả các thầy cơ trong trường Giúp chúng em nắm vững những kiến thức về chuyên nghành Cơng Nghệ Sinh Học và chúng em cĩ đủ hành trang để bước vào cuộc sống Để rồi hơm 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 cĩ được thành cơng ngày hơm nay Lời đầu tiên con xin cảm ơn bố me đã luơn ủng hộ, động viên và tạo điều kiện cho con

hồn thành tốt chương trình học này

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cơ giáo Trường Đại Học Bình Dương và đặc biệt là các thầy cơ trong Khoa Cơng Nghệ Sinh Học đã hết lịng truyền đạt các kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian em học tại trường

Em xin được bày tỏ lịng 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 phịng vi sinh khoa Sinh Học Ứng Dụng trường Cao Đẳng Kinh Tế Cơng Nghệ TP

Hồ CHÍ MINH

Một lần nữa, em xin chúc tất cả thầy cô cùng bạn bè lời chúc sức khỏe và thành đạt trong cuộc sống !

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1

\ [

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ngày……Tháng … Năm 2009

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2

\ [

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ngày……Tháng … Năm 2009

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

\ [

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ngày……Tháng … Năm 2009

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ii

Nhận xét của giáo viên phản biện iv

Mục lục v

Danh sách các bảng viii

Danh sách các hình ix

Danh sách các sơ đồ x

Danh sách biểu đồ xi

Danh sách các chữ viết tắt xii

Tĩm tắt luận văn xiii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích, yêu cầu 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 nuơi 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

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

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

DANH SÁCH CÁC BẢNG

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 đĩng chai 32

Bảng 2.9: Chỉ tiêu cảm quan của nước uống 33

Bảng 2.10 Chỉ tiêu hĩa lý của nước uơng 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 khơng 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

DANH SÁCH CÁC 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 nuơi khác nhau 5

Hình 2.3 Vi khuẩn A Xylinum 12

Hình 2.4 Màng BC ở điều kiện nuơi cấy tĩnh 17

Hình 2.5 Màng BC ở điều kiện nuơi cấy cĩ 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 mơi 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

DANH SÁCH CÁC SƠ ĐỒ

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 hĩa 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 thơ 42

Sơ đồ 3.3 Phương pháp xử lý màng BC sau khi lên men 44

Sơ đồ 3.4 Phương pháp pha lỗng mẫu 48

DANH SÁCH BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 4.1 So sánh tốc độ thẩm thấu 64

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

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

TĨM 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

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

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Nước là thành phần khơng 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 khơng những khơng được tăng lên, mà cịn luơn bị giảm đi theo thời gian, do ảnh hưởng bởi sự gia tăng dân

số, phát triển kinh tế… Một lý do khơng kém phần quan trọng nữa, là nguồn nước ngọt ngày càng bị ơ nhiễm nghiêm trọng Do vậy, chúng ta khơng những chỉ thiếu

nguồn lương thực, thực phẩm mà cịn đang thiếu nước ngọt trầm trọng

Việt Nam cĩ nguồn tài nguyên nước mặt và nước ngầm dồi dào Nhưng hiện nay,

lượng nước bị ơ nhiễm rất lớn và cĩ khuynh hướng tăng nhanh Trên 60% nguồn nước nơng thơn bị ơ nhiễm là số liệu được cơng bố tại Hội nghị giới thiệu dự án luật phịng, chống các bệnh truyền nhiễm do Bộ Y tế phối hợp Văn phịng Chính phủ tổ chức vào ngày 22/06/2006 tại Hà Nội Theo Bộ Tài nguyên và Mơi trường, Việt Nam đang đứng trước nguy cơ thiếu nước sạch trầm trọng vào năm 2010 Tình trạng khơ hạn ngày càng trầm trọng trong khi nhu cầu sử dụng nước lại tăng nhanh Do đĩ giải quyết vấn đề nước sạch là một trong những vấn đề cấp thiết hiện nay

Cơng nghệ màng lọc được cho là “ cơng nghệ xanh ” và đang được áp dụng rộng rãi trong cơng nghệ lọc nước Quá trình lọc nước bằng màng lọc đem lại hiệu quả về năng lượng cũng như ít gây ơ nhiễm cho mơi trường Do đĩ, cơng nghệ màng lọc đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới và Việt Nam

Hiện nay, Việt Nam đang sử dụng nhiều cơng nghệ lọc nước cĩ 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 ngồi nên giá thành nước lọc cịn 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 cĩ thể sản xuất được trong nước đang là vấn đề cần được giải quyết hiện nay Chính vì lý do đĩ, để đáp ứng nhu

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