Luận văn nghiên cứu cố định chủng vi khuẩn pseudomonas trong hệ thống lọc sinh học để xử lý nước thải công nghiệp chế biến sữa

Luận văn nghiên cứu cố định chủng vi khuẩn Pseudomonas trong hệ thống lọc sinh học nhằm xử lý nước thải công nghiệp chế biến sữa hiệu quả.

• Tác giả: Cao Xuân Thắng
• Trường học: Viện Công nghiệp Thực phẩm
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nghiên cứu cố định chủng vi khuẩn Pseudomonas trong hệ thống lọc sinh học xử lý nước thải chế biến sữa
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• 1. PHẦN I: MỞ ĐẦU VÀ TỔNG QUAN
• 1.1. Cơ sở pháp lý, xuất xứ đề tài
• 1.2. Tính cấp thiết, mục tiêu của đề tài
• 1.3. Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu
• 1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.4.1. Tình hình ô nhiễm do các ngành công nghiệp thực phẩm ở Việt Nam
• 1.4.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
• 1.4.3. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
• 1.4.4. Hệ thống lọc sinh học
• 1.4.5. Chất mang và các phương pháp cố định tế bào
• 2. PHẦN II: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp tiến hành nghiên cứu
• 2.1.1. Môi trường nuôi cấy
• 2.1.2. Phương pháp lấy mẫu
• 2.1.3. Phương pháp phân lập
• 2.1.4. Phương pháp xác định hình thái bào tử, tinh thể
• 2.1.5. Phương pháp đếm số lượng bào tử
• 2.1.6. Các phương pháp xác định các chỉ tiêu nước thải
• 2.1.7. Môi trường thử hoạt tính enzim vi sinh vật
• 2.1.8. Phương pháp định tên vi sinh vật
• 2.1.9. Phương pháp bảo quản vi sinh vật
• 2.1.10. Phương pháp xác định hoạt lực enzim
• 2.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất
• 2.2.1. Dụng cụ và thiết bị
• 2.2.2. Nguyên vật liệu và hóa chất
• 2.3. Kết quả thực nghiệm
• 2.3.1. Phân lập và tuyển chọn các chủng Pseudomonas
• 2.3.2. Nghiên cứu điều kiện nuôi cấy và bảo quản chủng Pseudomonas
• 2.3.3. Nghiên cứu lựa chọn chất mang và các giải pháp cố định tế bào
• 2.3.4. Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến sữa của hệ thống lọc sinh học có cố định vi khuẩn Pseudomonas monteilii
• 2.3.5. So sánh các phương pháp xử lý
• 3. PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 3.1. Kết luận
• 3.2. Kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu và cơ sở nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc cố định chủng vi khuẩn Pseudomonas trong hệ thống lọc sinh học để xử lý nước thải công nghiệp chế biến sữa. Đề tài được thực hiện dựa trên hợp đồng nghiên cứu giữa Bộ Công Thương và Viện Công nghiệp Thực phẩm. Mục tiêu chính là tuyển chọn các chủng Pseudomonas có hoạt lực cao và xây dựng công nghệ cố định tế bào để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải. Hệ thống lọc sinh học được chọn vì ưu điểm vượt trội như khả năng xử lý chất hữu cơ cao, thời gian lưu thủy lực ngắn, và chi phí vận hành thấp.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Ngành công nghiệp chế biến sữa phát triển mạnh tại Việt Nam, kéo theo lượng lớn nước thải có mức độ ô nhiễm hữu cơ cao. Các phương pháp xử lý hiện tại chưa đạt hiệu quả tối ưu. Hệ thống lọc sinh học với sự hỗ trợ của vi khuẩn Pseudomonas được xem là giải pháp tiềm năng, giúp giảm thiểu ô nhiễm và tái sử dụng nước thải.

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu bao gồm các chủng Pseudomonas phân lập từ nước thải và đất, cùng các chất mang vi sinh vật. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các nhà máy chế biến sữa và quy trình xử lý nước thải bằng hệ thống lọc sinh học.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp phân lập, tuyển chọn, và cố định vi khuẩn Pseudomonas trên các chất mang phù hợp. Quy trình bao gồm nuôi cấy, đếm bào tử, và đánh giá hoạt lực enzym. Hệ thống lọc sinh học được thiết kế để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến sữa.

2.1. Phân lập và tuyển chọn chủng Pseudomonas

Các chủng Pseudomonas được phân lập từ nước thải và đất, sau đó tuyển chọn dựa trên khả năng sinh tổng hợp enzym proteaza và amylaza. Kết quả cho thấy chủng Pseudomonas monteilii có hoạt lực cao nhất.

2.2. Nghiên cứu điều kiện nuôi cấy

Nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy như pH, nhiệt độ, và nồng độ chất dinh dưỡng để đạt hiệu suất cao nhất trong quá trình xử lý nước thải.

III. Kết quả và ứng dụng

Nghiên cứu đã thành công trong việc cố định vi khuẩn Pseudomonas trên chất mang PU, PS, và PVC. Hệ thống lọc sinh học với chủng Pseudomonas monteilii cho hiệu suất xử lý nước thải chế biến sữa cao, giảm đáng kể các chỉ số COD, BOD, và SS. Kết quả này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm.

3.1. Đánh giá hiệu quả xử lý

Hệ thống lọc sinh học với vi khuẩn Pseudomonas cố định giảm COD và BOD lần lượt 85% và 90%, đồng thời giảm SS đáng kể. So với các phương pháp truyền thống, hệ thống lọc sinh học cho hiệu quả cao hơn và chi phí thấp hơn.

3.2. Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu này có thể áp dụng trực tiếp vào các nhà máy chế biến sữa, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tái sử dụng nước thải. Công nghệ cố định vi khuẩn Pseudomonas cũng có tiềm năng ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác.

Nội dung chính

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC: NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH CHỦNG VI KHUẨN PSEUDOMONAS TRONG HỆ THỐNG LỌC SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN SỮA

---

Tóm tắt nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Công nghiệp Thực phẩm (Bộ Công Thương) dưới sự chủ nhiệm của ThS. Cao Xuân Thắng, tập trung giải quyết bài toán xử lý ô nhiễm hữu cơ nồng độ cao trong nước thải công nghiệp chế biến sữa. Vấn đề cốt lõi của đề tài là tuyển chọn chủng vi sinh vật bản địa có hoạt tính phân giải protein/chất hữu cơ vượt trội, đồng thời phát triển giải pháp cố định tế bào trên giá thể phù hợp nhằm tối ưu hóa hệ thống lọc sinh học (biofilter).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa kỹ thuật vi sinh truyền thống và sinh học phân tử hiện đại: phân lập 160 khuẩn lạc từ các nguồn thải thực phẩm, sàng lọc hoạt tính enzyme protease và amylase, định danh chính xác bằng giải trình tự gen 16S rDNA qua hệ thống GenBank/BLAST, tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy và thử nghiệm cố định tế bào trên các chất mang Polyurethane (PU), Polystyrene (PS), Polyvinyl chloride (PVC).

Kết quả nghiên cứu đã tuyển chọn thành công chủng Pseudomonas monteilii (ký hiệu NS11) có hoạt lực protease vượt bậc đạt 1400 IU/ml và amylase đạt 160 IU/ml. Đồng thời, nghiên cứu xác định chất mang mút xốp Polyurethane (PU) kết hợp chất trợ bám dính là vật liệu tối ưu nhất, giúp duy trì mật độ tế bào cố định cao ($>10^8\text{ CFU/g}$), chống rửa trôi sinh khối và rút ngắn thời gian tạo màng sinh học (biofilm). Hệ thống lọc sinh học cố định vi khuẩn P. monteilii cho hiệu suất xử lý COD, $\text{BOD}_5$ và chất rắn lơ lửng (SS) vượt trội, giảm thiểu lượng bùn thải phát sinh và tiết kiệm năng lượng so với công nghệ bùn hoạt tính lơ lửng truyền thống.

---

Bối cảnh và tầm quan trọng

Thực trạng ô nhiễm từ ngành công nghiệp chế biến sữa

Trong cơ cấu tăng trưởng kinh tế Việt Nam, ngành công nghiệp chế biến thực phẩm – đặc biệt là công nghiệp chế biến sữa – đóng vai trò mũi nhọn với tốc độ phát triển mạnh mẽ. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng này kéo theo áp lực môi trường vô cùng lớn. Nước thải ngành sản xuất sữa có đặc thù tiêu thụ lượng nước rất lớn và chứa hàm lượng ô nhiễm hữu cơ đậm đặc. Thành phần nước thải giàu protein (chủ yếu là casein), carbohydrate (lactose), chất béo (lipid) và các hợp chất khoáng photpho, nitơ. Khi xả thải trực tiếp hoặc xử lý không đạt chuẩn ra môi trường tự nhiên, protein nhanh chóng bị phân hủy kỵ khí tạo thành hydro sunfua ($\text{H}_2\text{S}$), axit hữu cơ, mercaptan gây mùi hôi thối nồng nặc và hiện tượng phú dưỡng hóa nghiêm trọng tại các thủy vực.

       [ Nước thải chế biến sữa ]
[ Protein (Casein) / Lipid ]   [ Lactose / Khoáng N, P ]
[ Ô nhiễm hữu cơ cao (COD, BOD) - Phú dưỡng hóa - Khí độc H2S ]

Khoảng trống nghiên cứu và yêu cầu làm chủ công nghệ nội địa

Hiện nay, đa số các doanh nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam áp dụng các hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí hoặc kỵ khí lơ lửng truyền thống. Các công nghệ này bộc lộ nhiều hạn chế:

• Tạo ra lượng bùn dư thừa lớn, tốn kém chi phí xử lý và tiêu hủy bùn.
• Dễ bị sốc tải khi lưu lượng hoặc nồng độ chất hữu cơ đầu vào biến động đột ngột.
• Thời gian lưu thủy lực (HRT) dài, đòi hỏi diện tích xây dựng mặt bằng công trình lớn.
• Chi phí chuyển giao công nghệ xử lý tiên tiến từ nước ngoài quá đắt đỏ, trong khi các giải pháp trong nước hầu hết chưa được chuẩn hóa.

Phương pháp lọc sinh học (biofilter) sử dụng hệ vi sinh vật bám dính trên chất mang là hướng đi đột phá nhờ ưu điểm: vận hành nhỏ gọn, lượng bùn dư ít, chi phí năng lượng thấp và độ ổn định cao. Trong đó, chi vi khuẩn Pseudomonas được biết đến trên thế giới với khả năng chuyển hóa và đồng hóa đa dạng các hợp chất hữu cơ phức tạp. Việc phân lập tuyển chọn chủng Pseudomonas bản địa thích nghi tốt với điều kiện khí hậu Việt Nam và xây dựng quy trình cố định tế bào trên chất mang phù hợp là giải pháp cấp thiết nhằm làm chủ công nghệ xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm với chi phí hợp lý.

---

Methodology và approach

Đề tài áp dụng phương pháp tiếp cận thực nghiệm đa tầng từ quy mô phòng thí nghiệm, kết hợp phân tích vi sinh học, hóa sinh, sinh học phân tử và kỹ thuật môi trường theo tiêu chuẩn quốc gia (TCVN).

[ Thu thập mẫu: Nước thải, bùn cống, đất ]
[ Phân lập 160 khuẩn lạc -> Chọn 30 chủng dạng que Gram (-) ]
[ Sàng lọc hoạt lực Protease & Amylase -> Chọn 7 chủng ưu tú ]
[ Giải trình tự gen 16S rDNA (BLAST) -> Định danh P. monteilii NS11 ]
[ Nghiên cứu cố định tế bào trên chất mang PU / PS / PVC ]
[ Thử nghiệm mô hình Biofilter xử lý nước thải chế biến sữa ]

1. Thu mẫu và phân lập vi sinh vật

• Nguồn mẫu: Lấy mẫu từ nước thải và bùn cống của các nhà máy sữa (Nhà máy Sữa Quốc Tế, Nhà máy Sữa Hà Nội), xưởng sản xuất bia (Viện Công nghiệp Thực phẩm), lò mổ Khương Thượng, bùn cống chợ Vĩnh Hồ và sông Tô Lịch.
• Phân lập: Nuôi cấy mẫu pha loãng trên môi trường chuyên biệt Pseudomonas Isolation Agar ở $35^\circ\text{C}$ trong 24 giờ. Tuyển chọn 160 khuẩn lạc ban đầu, sau đó sàng lọc hình thái học (nhuộm Gram, quan sát tiên mao, tế bào hình que, không sinh bào tử dưới kính hiển vi quang học Olympus CH30) để chọn ra 30 chủng tiềm năng.

2. Định lượng hoạt tính enzyme ngoại bào

• Đánh giá sơ bộ: Thử nghiệm định tính bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch trên môi trường chứa cazein/skim milk (thử protease) và tinh bột tan (thử amylase), đo đường kính vòng phân giải.
• Định lượng hoạt lực Protease: Xác định theo phương pháp Folin & Ciocalteu. Một đơn vị hoạt tính (IU) được định nghĩa là lượng enzyme giải phóng $1,\mu\text{mol}$ ($181{,}2,\mu\text{g}$) L-Tyrosine trong 1 phút ở $\text{pH}=7{,}0$ và $37^\circ\text{C}$.
• Định lượng hoạt lực Amylase: Xác định theo phương pháp Somogyi & Nelson. Một đơn vị hoạt tính (IU) tương ứng với $1,\mu\text{mol}$ ($180,\mu\text{g}$) glucose tạo thành trong 1 phút ở $\text{pH}=7{,}0$ và $37^\circ\text{C}$.

3. Định danh vi sinh vật bằng kỹ thuật sinh học phân tử

• Tách chiết DNA tổng số: Phá vỡ vách tế bào bằng hạt thủy tinh ($0{,}2 - 0{,}5\text{ mm}$) và dung dịch Phenol/Chloroform (1:1).
• Khuếch đại gen 16S rDNA: Phản ứng PCR thực hiện trên máy GeneAmp PCR System 9700 với cặp mồi chuyên biệt:
  • Mồi xuôi: 16S-8F (5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3')
  • Mồi ngược: 16S-1510R (5'-GGCTACCTTGTTACGA-3')
• Giải trình tự và đối chiếu: Tinh sạch sản phẩm PCR bằng kit QIAEX II và giải trình tự theo nguyên lý ngắt chuỗi Sanger (dideoxy chain termination) trên máy ABI Prism 377. Dữ liệu trình tự được căn chỉnh bằng BioEdit, so sánh phả hệ bằng ClustalX và tra cứu độ tương đồng trên GenBank (NCBI BLAST).

4. Kỹ thuật cố định tế bào và vận hành mô hình lọc sinh học

• Khảo sát chất mang: Thử nghiệm 3 loại chất mang nhân tạo: Polyurethane (PU), Polystyrene (PS), Polyvinyl chloride (PVC) kết hợp nghiên cứu chất trợ bám dính.
• Định lượng sinh khối bám dính: Đếm số lượng tế bào cố định bằng buồng đếm hồng cầu Neubauer và phương pháp đếm khuẩn lạc (CFU).
• Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải: Vận hành mô hình cột lọc sinh học hiếu khí liên tục, phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm: $\text{COD}$ (TCVN 6491:1999 bằng máy Hach), $\text{pH}$ (Hanna HI 9811), $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$ (máy DRELL 2010), $\text{BOD}_5$, $\text{SS}$ và $\text{TS}$.

---

Phát hiện chính

1. Phân lập và phát hiện chủng vi khuẩn Pseudomonas monteilii có hoạt tính phân giải cực cao

Trong số 18 chủng vi khuẩn có khả năng sinh enzyme ngoại bào, chủng NS11 (phân lập từ cống chung Nhà máy Sữa Quốc Tế) thể hiện hoạt lực tổng hợp protease vượt trội đạt $1400\text{ IU/ml}$, cao gấp 3,5 - 7 lần so với tất cả các chủng khảo sát còn lại (dao động từ $190 - 420\text{ IU/ml}$). Hoạt lực amylase của chủng NS11 cũng đạt mức cao nhất ($160\text{ IU/ml}$).

TT	Ký hiệu chủng	Nguồn gốc phân lập	Hoạt lực Protease (IU/ml)	Hoạt lực Amylase (IU/ml)
1	NS11	Nước thải cống chung Nhà máy Sữa Quốc Tế	1400	160
2	NK1	Nước cống khu Khương Trung	420	70
3	NB13	Nước thải Xưởng bia Viện CNTP	410	90
4	NN8	Nước thải cống Nhà máy Sữa Quốc Tế	400	90
5	BD11	Bùn đất cống Xưởng bia Viện CNTP	390	70
6	NC7	Nước thải cống Nhà máy Sữa Hà Nội	370	80
7	NC1	Nước thải cống Nhà máy Sữa Hà Nội	370	140

2. Định danh phân tử và phát hiện yếu tố an toàn sinh học

Kết quả giải trình tự vùng gen 16S rDNA của 7 chủng có hoạt lực cao nhất mang lại kết quả phân loại quan trọng:

• Chủng NS11: Có độ tương đồng 100% với loài Pseudomonas monteilii trên GenBank. Đây là chủng vi khuẩn an toàn, không sinh độc tố nguy hiểm, cực kỳ thích hợp để ứng dụng trong xử lý môi trường thực phẩm.
• Các chủng NN8, BD11, NC7: Tương đồng 100% với Pseudomonas aeruginosa. Mặc dù có hoạt tính phân giải tương đối tốt, P. aeruginosa là loài vi khuẩn gây bệnh cơ hội (opportunistic pathogen), kháng nhiều loại kháng sinh và tiềm ẩn nguy cơ gây nhiễm trùng đường hô hấp, nhiễm trùng máu cho người vận hành. Do đó, việc loại trừ các chủng này và lựa chọn duy nhất P. monteilii là phát hiện mang tính quyết định về độ an toàn sinh học.
• Các chủng khác: NB13 và NK1 được định danh là Providencia rettgeri; chủng NC1 được định danh là Morganella morganii (độ tương đồng 99,5%).

3. Tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy sinh enzyme của P. monteilii

Nghiên cứu đã xác lập các thông số môi trường tối ưu cho quá trình sinh tổng hợp protease của P. monteilii:

• Nguồn Nitơ: Peptone từ casein là cơ chất cảm ứng tốt nhất cho hoạt lực protease cao nhất.
• Nguồn khoáng vi lượng: Bổ sung $\text{MgCl}_2$, $\text{K}_2\text{SO}_4$, và $\text{NaCl}$ ở nồng độ tối ưu giúp tăng cường hoạt tính xúc tác của enzyme. Nồng độ muối $>5%$ gây ức chế sinh trưởng.
• Điều kiện nuôi cấy: Nhiệt độ thích hợp trong khoảng $30 - 32^\circ\text{C}$, $\text{pH}$ tối ưu từ $6{,}5 - 7{,}0$ (môi trường có $\text{pH} < 5{,}5$ sẽ ức chế hoàn toàn sinh tổng hợp protease).
• Động học lên men: Quá trình sinh tổng hợp protease đạt đỉnh cực đại sau 42 – 48 giờ nuôi cấy.

4. Lựa chọn chất mang Polyurethane (PU) và giải pháp trợ bám dính

• Ưu thế của chất mang PU: So sánh giữa ba loại chất mang nhân tạo PU, PS và PVC cho thấy miếng xốp Polyurethane (PU) sở hữu cấu trúc mạng rỗng mở liên thông, diện tích bề mặt tiếp xúc riêng lớn và khả năng giữ ẩm vượt trội. Mật độ tế bào P. monteilii bám dính trên PU đạt cao nhất, giúp duy trì sinh khối vi sinh ổn định.
• Hiệu quả của chất trợ bám dính: Sử dụng chất trợ bám dính polymer sinh học giúp rút ngắn thời gian tạo màng sinh học (biofilm) từ 2 – 3 tuần xuống còn 3 – 5 ngày, cố định chắc chắn tế bào vi khuẩn vào khung xốp PU, ngăn chặn hiện tượng rửa trôi tế bào dưới tác động của dòng chảy thủy lực mạnh.

5. Hiệu quả xử lý nước thải vượt trội của hệ thống Biofilter

Thử nghiệm trên dòng nước thải chế biến sữa thực tế cho thấy hệ thống lọc sinh học cố định P. monteilii trên giá thể PU đạt hiệu suất làm sạch ấn tượng:

• Giảm chỉ số $\text{COD}$ và $\text{BOD}_5$: Đạt hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ cao trong thời gian lưu ngắn.
• Giảm hàm lượng $\text{SS}$ và $\text{TS}$: Quá trình phân giải sinh học kết hợp hấp phụ của màng biofilm giúp làm trong nước thải nhanh chóng.
• Giảm bùn dư: Nhờ cơ chế hô hấp nội bào trong cấu trúc màng sinh học nhiều lớp (hiếu khí bên ngoài, kỵ khí/tùy tiện bên trong), lượng bùn thải sinh ra thấp hơn đáng kể so với phương pháp bùn hoạt tính lơ lửng, giúp cắt giảm chi phí xử lý bùn cặn định kỳ.

---

Đóng góp khoa học

1. Đóng góp về mặt lý luận và học thuật

• Bổ sung dữ liệu khoa học về đặc tính sinh học, động học tổng hợp enzyme protease ngoại bào và trình tự gen 16S rDNA của loài vi khuẩn Pseudomonas monteilii phân lập tại Việt Nam vào cơ sở dữ liệu vi sinh vật môi trường.
• Làm sáng tỏ cơ chế hình thành màng sinh học (biofilm) và động học chuyển hóa các hợp chất protein/lipid phức tạp trong nước thải sữa trên nền giá thể xốp tổng hợp.

2. Đổi mới về mặt phương pháp và công nghệ

• Hoàn thiện quy trình phân lập, sàng lọc kết hợp định danh phân tử đa bước giúp phát hiện sớm và loại trừ các chủng vi sinh vật gây bệnh cơ hội (P. aeruginosa), nâng cao tiêu chuẩn an toàn sinh học trong công nghệ xử lý môi trường.
• Xây dựng thành công kỹ thuật cố định tế bào vi khuẩn mật độ cao trên chất mang Polyurethane (PU) có sử dụng chất trợ bám dính, khắc phục triệt để nhược điểm rửa trôi sinh khối và thời gian khởi động kéo dài của các bể lọc sinh học truyền thống.

3. Giá trị thực tiễn và định hướng chính sách

• Ứng dụng thực tiễn: Cung cấp cho các doanh nghiệp chế biến sữa một giải pháp công nghệ xử lý nước thải nội địa hóa có hiệu suất cao, diện tích lắp đặt nhỏ gọn, chi phí vận hành thấp và ít phát sinh bùn thải.
• Hỗ trợ chính sách: Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để Bộ Công Thương và các cơ quan quản lý môi trường khuyến khích ứng dụng công nghệ sinh học sạch, giảm thiểu ô nhiễm tại các khu công nghiệp thực phẩm, hướng tới mục tiêu phát triển công nghiệp bền vững.

---

Đối tượng quan tâm

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện quan trọng và có tính đột phá nhất của đề tài là gì?

Phát hiện mang tính đột phá nhất là việc tuyển chọn và định danh thành công chủng vi khuẩn Pseudomonas monteilii (NS11) sở hữu hoạt lực protease ngoại bào cực lớn ($1400\text{ IU/ml}$), đồng thời chứng minh tính an toàn sinh học vượt trội của nó so với các chủng Pseudomonas aeruginosa thường gặp nhưng tiềm ẩn nguy cơ gây bệnh.

2. Công nghệ cố định tế bào trên giá thể PU có gì vượt trội hơn hệ thống bùn hoạt tính truyền thống?

So với hệ bùn hoạt tính lơ lửng, công nghệ cố định vi khuẩn trên giá thể PU giúp:

• Giữ mật độ vi sinh vật cao trong hệ thống, không bị cuốn trôi khi thay đổi tải lượng nước thải.
• Thời gian lưu thủy lực ngắn hơn, tiết kiệm diện tích xây dựng bể.
• Giảm phát sinh bùn dư thừa hơn 50%, giảm đáng kể chi phí nạo vét và xử lý bùn cặn.
• Hệ vi sinh thích nghi nhanh, khởi động lại dễ dàng sau thời gian ngừng hoạt động.

3. Kết quả nghiên cứu này có thể mở rộng (generalize) sang các ngành công nghiệp khác không?

Hoàn toàn có thể. Do chủng P. monteilii có khả năng sinh tổng hợp cả protease và amylase mạnh mẽ, công nghệ lọc sinh học cố định này có thể áp dụng hiệu quả cho các loại nước thải giàu hợp chất hữu cơ khác như: chế biến thủy hải sản, nước thải lò mổ gia súc/gia cầm, sản xuất đồ hộp, chế biến tinh bột và nước thải nhà máy bia.

4. Tại sao cần sử dụng kỹ thuật giải trình tự 16S rDNA thay vì chỉ định danh bằng hình thái vi sinh?

Định danh bằng hình thái và thử nghiệm sinh hóa truyền thống dễ dẫn đến nhầm lẫn giữa các loài trong cùng chi Pseudomonas. Giải trình tự gen 16S rDNA cho phép xác định chính xác 100% loài ở cấp độ phân tử, giúp phân biệt rõ ràng giữa chủng hữu ích, an toàn (P. monteilii) và các chủng vi khuẩn gây bệnh cơ hội nguy hiểm (P. aeruginosa).

5. Các bước phát triển tiếp theo của hướng nghiên cứu này là gì?

Các bước tiếp theo bao gồm: thử nghiệm hệ thống biofilter trên quy mô pilot công nghiệp dài hạn trực tiếp tại các nhà máy sữa; nghiên cứu kết hợp xử lý đồng thời photpho và nitơ; hoàn thiện quy trình sản xuất thương mại chế phẩm vi sinh dạng đông khô hoặc hạt cố định để thương mại hóa giải pháp.

---

Kết luận

Đề tài nghiên cứu cấp Bộ của Viện Công nghiệp Thực phẩm đã giải quyết xuất sắc bài toán xử lý nước thải chế biến sữa bằng công nghệ lọc sinh học tiên tiến. Việc phát hiện chủng Pseudomonas monteilii NS11 có hoạt tính phân giải protein cao cùng kỹ thuật cố định tế bào trên chất mang Polyurethane (PU) mở ra giải pháp công nghệ xử lý ô nhiễm hữu cơ hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường.

Để đưa kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất, các doanh nghiệp chế biến sữa và đơn vị công nghệ môi trường cần chủ động phối hợp với Viện nghiên cứu nhằm triển khai chuyển giao công nghệ, mở rộng quy mô ứng dụng tại các nhà máy thực phẩm trên toàn quốc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM ––––––––––––––––––––––––––––––– BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI R-D CẤP BỘ Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH CHỦNG VI KHUẨN PSEUDOMONAS TRONG HỆ THỐNG LỌC SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN SỮA” Chủ nhiệm Đề tài: CAO XUÂN THẮNG 7315 23/4/2009 Hà Nội, 12-2008 MỤC LỤC Trang Mục lục 1 Danh mục viết tắt 4 Danh mục các hình 5 Danh mục các bảng 6 I.1 Cơ sở pháp lý, xuất xứ đề tài 8 1.2 Tính cấp thiết, mục tiêu của đề tài 8 1.3 Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu 10 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 10 1.1 Tình hình ô nhiễm do các ngành công nghiệp thực phẩm ở 10 Việt Nam 1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 11 1.3 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 15 1.4 Hệ thống lọc sinh học 17 1.5 Chất mang và các phương pháp cố định tế bào 26 1 II.1 Phương pháp tiến hành nghiên cứu 34 2.1 Môi trường nuôi cấy 34 2.2 Phương pháp lấy mẫu 34 2. Phương pháp phân lập 35 2.4 Phương pháp xác định hình thái bào tử, tinh thể 35 2.5 Phương pháp đếm số lượng bào tử 35 2.6 Các phương pháp xác định các chỉ tiêu nước thải 35 2.7 Môi trường thử hoạt tính enzim vi sinh vật 36 2.8 Phương pháp định tên vi sinh vật 37 2.9 Phương pháp bảo quản vi sinh vật 38 2.10 Phương pháp xác định hoạt lực enzim 39 2.2 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 40 2.1 Dụng cụ và thiết bị 40 2.2 Nguyên vật liệu và hóa chất 41 2.3 Kết quả thực nghiệm 42 2.1 Phân lập và tuyển chọn các chủng Pseudomonas 42 2 2.2 Nghiên cứu điều kiện nuôi cấy và bảo quản chủng 52 Pseudomonas 2.3 Nghiên cứu lựa chọn chất mang và các giải pháp cố định tế 63 bào 2.4 Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến sữa 72 của hệ thống lọc sinh học có cố định vi khuẩn Pseudomonas monteilii 2.5 So sánh các phương pháp xử lý 75 III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 3.2 Kiến nghị 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 PHỤ LỤC 3 DANH MỤC VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 1 COD Nhu cầu oxi hóa học (Chemical oxygen Demand) 2 BOD Nhu cầu oxi sinh hoá (Biochemical oxygen Demand) 3 SS Chất rắn lơ lửng (Suspended solid) 4 DO Oxi hòa tan (Dissolved oxygen) 5 ĐC Đối chứng 6 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 4 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1 Các phương pháp cố định tế bào 31 Hình 2 Sản phẩm PCR gen 16S rDNA của các chủng 47 Hình 3 Ảnh hưởng của hàm lượng pepton đến sự tổng hợp 54 proteaza Hình 4 Ảnh hưởng của hàm lượng MgCl2 đến sự tổng hợp 56 proteaza Hình 5 Ảnh hưởng của hàm lượng K2SO4 đến sự tổng hợp 56 proteaza Hình 6 Ảnh hưởng của hàm lượng NaCl đến sự tổng hợp proteaza 57 Hình 7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp proteaza 58 Hình 8 Động học quá trình sinh tổng hợp enzym proteaza 60 Hình 9 Hình ảnh miếng PU và cấu trúc bên trong của nó 65 Hình 10 Sơ đồ mô hình xử lý nước thải bằng lọc sinh học trong 72 phòng thí nghiệm. Hình 11 Sự thay đổi COD và BOD5 theo thời gian xử lý Hình 12 Sự thay đổi SS và TS theo thời gian xử lý Hình 13 Mô hình hệ thống xử lý kị khí 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1 So sánh 2 phương pháp lọc sinh học 15 Bảng 2 Danh sách các chủng giống được khảo sát về khả năng sinh 42 tổng hợp enzim proteaza và amylaza Bảng 3 Khả năng sinh tổng hợp enzim proteaza của các chủng 44 giống Bảng 4 Đặc điểm hình thái của các chủng nghiên cứu 46 Bảng 5 Phân loại các chủng dựa trên trình tự phân đoạn của 16S 50 rDNA Bảng 6 Hoạt lực enzym proteaza của các chủng Pseudomonas 51 Bảng 7 Ảnh hưởng của nguồn Nitơ đến hoạt lực của enzim 53 Bảng 8 Ảnh hưởng của pH đến quá trình tổng hợp proteaza 59 Bảng 9 Kết quả bảo quản chủng Pseudomonas monteilii bằng 61 phương pháp nuôi cấy trên môi trường thạch nghiêng và định kỳ cấy truyền Bảng 10 Kết quả bảo quản chủng Pseudomonas monteilii bằng 62 phương pháp đông khô 6 Bảng11 Ảnh hưởng chất mang PU, PS, PVC đến hiệu suất quá trình 66 xử lý Bảng 12 Ảnh hưởng chất mang PU, PS, PVC đến số lượng tế bào vi 67 sinh vật Bảng 13 Ảnh hưởng thời gian đến số lượng tế bào Pseudomonas 67 monteilii Bảng 14 Số lượng tế bào cố định trên chất mang có dùng trợ bám 69 dính Bảng 15 Số lượng tế bào cố định trên chất mang theo thời gian 70 Bảng 16 Hiệu suất quá trình xử lý nước thải khi sử dụng chất mang 71 có dùng chất trợ bám dính Bảng 17 Kết quả xử lý nước thải chế biến sữa bằng phương pháp lọc 73 sinh học Bảng 18 Hiệu suất xử lý nước thải của các phương pháp xử lý nước 77 thải khác nhau Bảng 19 So sánh hiệu quả xử lý của các phương pháp 78 7 I.1 CƠ SỞ PHÁP LÝ/XUẤT XỨ CỦA ĐỀ TÀI Đề tài được thực hiện theo hợp đồng nghiên cứu Khoa học và phát triển công nghệ với mã số 88.RD/HĐ-KHCN giữa Bộ Công Thương và Viện Công nghiệp thực phẩm ký ngày 28 tháng 11 năm 2008.2 TÍNH CẤP THIẾT, MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Trong những năm gần đây, công nghiệp Việt Nam nói chung có bước phát triển mạnh.

Tỉ trọng công nghiệp trong nền kinh tế chiếm 41,25% (2005) tăng lên 42,2 % (2007) và mục tiêu sẽ đạt 44% (2020). Trong đó các ngành chế biến thực phẩm đóng góp một phần không nhỏ. Ngành công nghiệp chế biến sữa là một trong những ngành có tốc độ phát triển mạnh nhất. Sự phát triển của ngành này kéo theo rất nhiều tác động tích cực tới các ngành công, nông nghiệp có liên quan: chăn nuôi, chế biến thức ăn gia súc, thú ý… giải quyết được một lượng lớn lao động cho xã hội và đóng góp vào sự phát triển chung của nền kinh tế.

Tuy vậy, tác động tiêu cực về mặt môi trường do ngành này mang lại cũng rất lớn. Với đặc thù chung của ngành công nghiệp chế biến thực phẩm là tiêu thụ một lượng lớn nước, ngành chế biến sữa còn thải ra nước thải có mức độ ô nhiễm hữu cơ rất cao. Bên cạnh đó, các công trình nghiên cứu và triển khai các dự án về xử lý nước thải của Việt Nam còn hạn chế. Các công nghệ xử lý khác nhau thường dựa trên cơ sở công nghệ xử lý kị khí, hiếu khí, liên tục hoặc gián đoạn… đã và đang được áp dụng, nhưng nhìn chung đều chưa hoàn chỉnh, khả năng xử lý chưa cao và vẫn đang ở trong giai đoạn vừa nghiên cứu vừa ứng dụng thử nghiệm.

8 Phương pháp lọc sinh học là một trong những phương pháp xử lý nước thải có nhiều ưu điểm nổi bật, hiện đang là mối quan tâm của các nhà khoa học. Phương pháp này có khả năng xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ cao, thời gian lưu thủy lực ngắn, tạo điều kiện cho hệ vi sinh vật dễ thích nghi với nước thải, quản lý vận hành đơn giản, chi phí xử lý thấp, dễ kết hợp với các quá trình xử lý nước thải khác…Trong phương pháp lọc sinh học, vai trò của các chủng vi khuẩn Pseudomonas là cực kì quan trọng, chúng có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ lớn, đây là tác nhân chính gây ô nhiễm nước thải của ngành công nghiệp thực phẩm. Với các chủng Psedomonas có hoạt lực tốt, sẽ nâng cáo hiệu suất xử lý nước thải của hệ thống, giảm thời gian lưu thủy lực, tiết kiệm chi phí và ổn định hệ thống trong thời gian dài. Bên cạnh vai trò quan trọng của chủng giống, công nghệ cố định tế bào cũng là một yếu tố quyết định đến sự hoạt động ổn định, khả năng xử lý, tiêu tốn năng lượng và hiệu suất xử lý của hệ thống.

Các chất mang cần phải đảm bảo khả năng bám dính tốt cho các vi sinh vật, có độ bền cao, độ rỗng lớn, không gây độc cho vi sinh vật và cũng không nhiễm độc cho nguồn nước. Thông thường, mỗi chủng vi sinh vật có đặc tính sinh học khác nhau và thích hợp với một vài loại chất mang nhất định. Các điều kiện cố định tế bào và loại chất mang luôn tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Trên cơ sở đó, trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu cố định một số chủng vi khuẩn Pseudomonas trong hệ thống lọc sinh học để xử lý nước thải công nghiệp chế biến sữa”, chúng tôi thực hiện nghiên cứu cố định vi khuẩn Pseudomonas được phân lập từ tự nhiên để áp dụng trong hệ thống lọc sinh học xử lý nước thải nhà máy chế biến sữa.

Mục tiêu của đề tài là tuyển chọn được chủng giống vi khuẩn Pseudomonas có hoạt lực tốt và xây dựng công nghệ cố định tế bào để xử lý nước thải công nghiệp chế biến sữa 9 1.3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1 Đối tượng và phạm vi - Đối tượng nghiên cứu: vi sinh vật phân lập từ nước thải, đất (cống, xưởng sản xuất bia, sữa, sông), chất mang cho vi sinh vật, hệ thống xử lý nước thải - Phạm vi: Các chủng Pseudomonas, các nhà máy chế biến sữa.2 Nội dung nghiên cứu - Tuyển chọn một số chủng vi khuẩn Pseudomonas có hoạt lực cao trong xử lý nước thải - Nghiên cứu lựa chọn chất mang và giải pháp cố định các vi khuẩn Pseudomonas lên các chất mang phù hợp trong hệ thống lọc sinh học xử lý nước thải - Bước đầu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến sữa của hệ thống lọc sinh học có cố định vi khuẩn Pseudomonas so với các phương pháp truyền thống.4 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Tình hình ô nhiễm do các ngành công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam Hiện trạng ô nhiễm môi trường của Việt Nam trong thời gian gần đây đã đến mức phải báo động. Sự phát triển không đồng bộ giữa cơ sở sản xuất công nghiệp và các cơ sở hạ tầng đi kèm như: hệ thống thoát nước, hệ thống thu gom nước thải, hệ thống xử lý nước thải…đã làm cho môi trường nước tại các khu vực sản xuất công nghiệp đang ngày bị ô nhiễm trầm trọng hơn. 10 Với đặc thù riêng của ngành chế biến công nghiệp thực phẩm là ô nhiễm hữu cơ mạnh, lượng nước thải lớn. Nếu không xử lý hoặc xử lý không đạt yêu cầu thì tác động tiêu cực tới môi trường là vô cùng lớn.