THIẾT KẾ QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHẾ PHẨM VI SINH VẬT PHÂN HỦY NHỰA PE VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH THÚC ĐẨY XỬ LÝ RÁC THẢI NHỰA

QUÁ TRÌNH XỬ LÝ RÁC THẢI NHỰA BẰNG VI SINH VẬTSuy thoái sinh học Thay đổi cấu trúc bề mặt Hình thành màng sinh học Tạo các phân tử nhỏ hơn & bổ sung các nhóm chức Oxy hóa n-alkan Phân hủ

THIẾT KẾ QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHẾ PHẨM VI SINH PHÂN HỦY NHỰA PE QUY MÔ LÊN MEN 300

L/MẺ

VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH

THÚC ĐẨY XỬ LÝ RÁC THẢI NHỰA

GVHD: PGS TS Nguyễn Thúy Hương

Đồ án thiết kế công nghệ sinh học

ĐẶT VẤN ĐỀ

Rác thải nhựa:

• Phân hủy chậm

• Không thể phân hủy

 Đe dọa đến môi trường

ĐẶT VẤN ĐỀ

Tác hại với môi trường

• Tắc nghẽn nước

• Tàn phá đất nông nghiệp

• Động vật mắc bẫy hoặc nuốt phải

• …

Hủy hoại hệ sinh thái

Sản lượng nhựa tăng

5%/năm

NỘI

DUNG

TỔNG QUAN 01

THIẾT KẾ QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHẾ PHẨM VI SINH

01 TỔNG QUAN

• Tình hình sử dụng nhựa hiện nay

• Các loại nhựa phổ biến

• Các phương pháp xử lý rác thải nhựa

• Xử lý rác thải nhựa bằng vi sinh vật

• Các hướng đề tài nghiên cứu

TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHỰA HIỆN NAY

CÁC LOẠI NHỰA PHỔ BIẾN

• Lực liên phân tử mạnh & độ bền kéo lớn

• Bình sữa, thùng rác, ống nước…

• 10 – 100 năm phân hủy

HDPE

LDPE

• Độ trong suốt, độ bền xé, độ bền kéo, độ cứng và

độ bền hóa học, tính linh hoạt

• Màng bao thực phẩm, khay, túi nhựa…

• 500 – 1000 năm phân hủy

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ RÁC THẢI NHỰA

• Sức chứa bãi chôn lấp có giới

hạn

• Thời gian phân hủy lâu

• Khí thải acid và chất phát xạ dioxin/furan

• Phụ gia nhựa có chứa kim loại nặng

• Khó khăn vì mật độ thấp và giá trị thấp

• Rào cản kỹ thuật

• Phân loại rác tại nguồn

• Rút ngắn thời gian phân hủy nhựa

• Thân thiện với môi trường

Nhiệt phân Chôn lấp

Pseudomonas citronellolis

Chiếm 35% sự phân hủy PE trong mẫu lấy

từ bãi rác thải nhựa

Tiết ra các enzyme + O2 từ không khí + UV → oxy hóa xúc tác quang

Tồn tại nhiều trong đất , có khả năng phân

hủy hydrocarbon & các phân tử hữu cơ

khác

Phân hủy 17,8% LDPE trong 4 ngày

QUÁ TRÌNH XỬ LÝ RÁC THẢI NHỰA BẰNG VI SINH VẬT

Suy thoái sinh học

Thay đổi cấu trúc bề mặt

Hình thành màng sinh học

Tạo các phân tử nhỏ hơn

& bổ sung các nhóm chức

Oxy hóa n-alkan

Phân hủy sinh học hiếu khí & kỵ khí

Quá trình tiền xử lý

Chiếu tia UV

→ tăng tính nhạy cảm với sự

phân hủy của vi sinh vật

Các giai đoạn của quá trình hình thành màng sinh học

Suy thoái sinh học

 Thay đổi cấu trúc PE

 Hình thành màng sinh học

• Tiết ra các chất cao phân tử ngoại bào EPS

• Giải phóng các hợp chất acid

1

Phân hủy sinh học

Đồng hóa & khoáng hóa

4

Phân hủy sinh học kỵ khí:

Phân hủy sinh học hiếu khí:

Cpolymer + O2 → CO2 + H2O + Cbiomass + Cresidue

Cpolymer + O2 → CH4 + CO2 + H2O + Cbiomass + Cresidue

Chuyển hóa sinh học

→ sản phẩm dễ khuếch tán vào

tế bào

Các bài báo tổng quan từ những năm 1980

Các bài báo thí nghiệm phân lập và khảo sát sự phân hủy nhựa PE của vi sinh

vật

Nhà nghiên cứu Anh tìm được chủng

vi khuẩn phân hủy PET trong 10 giờ

Nhà khoa học Nhật Bản; Ideonella

sakaiensis tiết 2 enzyme phân hủy PET

Sinh viên Mỹ tìm ra 3 chủng vi khuẩn tiết lipase phân hủy PET

CÁC HƯỚNG ĐỀ TÀI

TRÊN THẾ GIỚI

Các nghiên cứu về Pseudomonas

Ở VIỆT NAM

2012

Viện hàn lâm KH&CNVN

3 chế phẩm vi sinh giúp đẩy nhanh quá trình phân hủy sinh học của một số loại rác thải nhựa sinh học

Lê Hải Vân, Nguyễn Quang Huy

Phân lập chủng vi khuẩn có khả năng

phân hủy PLA

02 THIẾT KẾ

QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHẾ PHẨM VI SINH

• Giới thiệu chủng P citronellolis

• Sơ đồ quy trình

Đặc tính

• Có mặt ở khắp nơi trong nước và đất

• Có khả năng xử lý sinh học dầu thô, hydrocarbon đơn giản, naphthalene, toluen và các polymer kỵ nước khác

Đặc điểm sinh lý

• Dị dưỡng, không lên men, không quang hợp hoặc cố định N

• Phát triển tốt ở 37℃, tồn tại ở một khoảng nhiệt độ từ 4 -

42℃

Chủng Pseudomonas citronellolis phân lập từ đất bãi rác thải được sử dụng:

• Tốc độ phát triển nhanh

• Có khả năng hình thành màng sinh học

• Có khả năng phân hủy PE tốt

Sơ đồ quy trình sản xuất

chế phẩm vi sinh vật phân hủy nhựa LDPE từ P

citronellolis

quy mô lên men 300L/mẻ

Thu sinh khối

• Ly tâm: loại 75% nước, cô cạn dung dịch 50-100 lần

• Rửa: 2 lần với nước muối loãng vô trùng (NaCl 0.85%)

Phối trộn

• Chất mang: tinh bột

 Hòa tan tốt, không độc hại, ổn định, rẻ tiền

 Tăng khả năng phân hủy sinh học

• Tạo chế phẩm dạng bột mịn độ ẩm thấp, dễ dàng bảo quản

• Chất bảo vệ nhiệt: trehalose 12g/L, NaCl 10 g/LĐóng gói

Sấy phun

Phối trộn

Sản

Quá trình nhân giống (% thể tích dịch nuôi cấy) 2,0

Quá trình thu sinh khối (% khối lượng trước khi ly tâm và rửa) 6,0

Quá trình phối trộn (% khối lượng trước khi phối trộn) 2,0

Quá trình đóng gói (% khối lượng trước khi đóng gói) 0,5

TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT

• Thể tích lên men: VLM = 300L

• Thể tích nhân giống 5%VLM:

VNG = 300 x 5% = 15L

Khối lượng nguyên liệu: Gngliệu = V x tỉ lệ

Cô cạn dung dịch: thu được 3 kg dịch sau lên men → Gtinh bột = 3 kg

Thành phẩm sau khi phối trộn trải qua quá trình sấy (tổn thất 10%) và

ĐỀ XUẤT THIẾT BỊ

Thông số vận hành:

• Điều kiện khử trùng: 121oC, 20 phút

• Thiết bị nhân giống: thể tích 50L, tốc độ lắc 150 vòng/phút ở

nhiệt độ 37oC, pH = 6,5 trong 24h

• Thiết bị lên men: thể tích 500L, 37oC trong 24h, pH 7

• Oxy hòa tan: nồng độ O2 hòa tan từ 10 – 30%

QUÁ TRÌNH XỬ LÝ RÁC THẢI NHỰA BẰNG VI SINH VẬT

Suy thoái sinh học

Thay đổi cấu trúc bề mặt

Hình thành màng sinh học

Tạo các phân tử nhỏ hơn

& bổ sung các nhóm chức

Oxy hóa n-alkan

Phân hủy sinh học hiếu khí & kỵ khí

Rác thải nhựa LDPE

• thêm nước vào hỗn hợp LDPE-muối → dd muối để rửa các tạp chất còn sót lại

• xối rửa với nước và làm khô ở nhiệt độ 50℃

Chiếu UV

• xử lý trong máy thử thời tiết gia tốc QUV (Q-Panel, Cleveland, Ohio)

• tiếp xúc luân phiên với tia UV và độ ẩm:

 5 chu kỳ/ngày tiếp xúc với tia UV: 4 h/chu kỳ, ở 70°C

 mỗi chu kỳ cách nhau khoảng 1h (50°C)

 Thời gian tổng thể: 24 giờ

 Tỉ lệ 10% glycerol và 0,5% dầu khoáng

Hòa với nước

Ủ lắc

• 0,1% (NH4)2SO4, 0,1%, K2HPO4, 0,1% KCl, 0,02% MgSO4 và 0,01% chiết

xuất nấm men trong 100L nước

• Nguyên liệu LDPE: 0,2kg thêm vào 100L môi trường tăng trưởng

• Quá trình ủ duy trì ở 37°C, nuôi lắc ở tốc độ 150 vòng/phút trong vài tháng

04 TỔNG KẾT & KIẾN NGHỊ

Kết hợp phương pháp phân huỷ sinh học nhựa vào quy trình xử lý rác thải nhựa truyền thống → làm giảm thời gian

Thiết kế một quy trình lên men quy mô 300 L/mẻ sản xuất chế phẩm vi sinh từ vi khuẩn Pseudomonas citronellolis với mật

Đề xuất quy trình áp dụng chế phẩm vào quá trình xử lý rác thải nhựa LDPE, trong đó vi sinh vật thực hiện quá trình phân huỷ sinh học nhựa LDPE và cuối cùng rác thải nhựa đi vào quy trình xử lý truyền thống như chôn lấp, nhiệt phân

04 TỔNG KẾT & KIẾN NGHỊ

Kiểm tra mức độ an toàn của chủng đối với con người và môi trường sau khi tiến hành sản xuất chế phẩm

Tối ưu hoá các bước trong quy trình nhằm đảm bảo quá trình phân huỷ sinh học diễn ra tối ưu nhất mà vẫn đem lại hiệu quả kinh tế và khả thi

khi tiến hành ở quy mô công nghiệp

CHUYÊN ĐỀ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG PHÂN HỦY NHỰA LDPE

CỦA CHỦNG VI SINH VẬT TIỀM NĂNG

Place Your Picture Here

Mục tiêu và các nội dung chính

• Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân hủy nhựa LDPE của chủng vi sinh vật tiềm năng qua các thí nghiệm tiền xử lý

• Khảo sát các yếu tố điều kiện hoạt động ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học nhựa LDPE của chủng vi sinh vật

• Đánh giá khả năng phân hủy LDPE của các chủng vi sinh vật dưới các điều kiện tiền xử lý và điều kiện hoạt động khác nhau

• Xác định được điều kiện tiền xử lý và điều kiện hoạt động tối ưu cho sự phân hủy sinh học nhựa của vi sinh vật

Nguyên liệu

• Chủng tiềm năng: Pseudomonas citronellolis, Bacillus

subtilis

• Môi trường thực hiện phản ứng phân hủy sinh học: LCFBM

• LDPE 22,5µm không có phụ gia

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân hủy sinh học nhựa

Độ giảm khối lượng

Thay đổi cấu trúc

bề mặt

Thí nghiệm tiền xử lý

• Cường độ tiếp xúc: 5 chu kỳ/ngày (4 giờ/chu kỳ)

Xử lý nhiệt

• Đặt trong tủ sấy cưỡng bức 80℃ (1,7 KW)

• Cả hai mặt đều tiếp xúc với không khí trong 48 giờ

• Cường độ tiếp xúc: tương tự chiếu UV

Bổ sung biosurfactant • Liều lượng 0,05%

•

Thí nghiệm điều kiện hoạt động

Nhiệt độ: 35 - 37 - 39 ℃

pH: 6,5 - 7 - 7,5

Theo dõi từ 1-8 tuần

Đo trọng lượng của tấm LDPE trước và sau khi phân hủy.

Khảo sát sự thay đổi cấu trúc của tấm LDPE bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)

STT Nội dung Thời gian dự kiến

2

3A

Đánh giá khả năng phân hủy PE: Tìm ra điều kiện tiền xử lý tối ưu

Dự kiến thực hiện

STT Nội dung Thời gian dự kiến

3B

4B

Đánh giá khả năng phân hủy sinh học PE:

Dự kiến thực hiện

Dự kiến đóng góp của đề tài

• Xác định được phương pháp và điều kiện tối ưu cho các quá trình tiền xử lý phân hủy sinh học nhựa

• Xác định được điều kiện hoạt động tối ưu cho sự phân hủy sinh học nhựa

• Cung cấp những kết quả thực nghiệm về khả năng phân hủy LDPE của chủng vi sinh vật tiềm năng dưới các điều kiện tiền xử lý và

điều kiện hoạt động khác nhau

Cảm ơn thầy cô và các bạn

đã chú ý lắng nghe!

Tác hại của rác thải nhựa

Chôn lấp

Thải ra biển

Đốt rác

Các giai đoạn hình thành màng sinh học

CƠ CHẾ XỬ LÝ RÁC THẢI

NHỰA CỦA VI SINH VẬT