Tận dụng nước thải chế biến thực phẩm để sản xuất nhựa sinh học tự phân

Nhựa sinh học PHB thu được từ hai chủng vi khuẩn bacillus pumilus NMG5 và bacillus megaterium BP5 có thể được xem là loại vật liệu xanh, bảo vệ môi trường, thích hợp để sử dụng phục vụ đời sống.

Với ưu điểm giá thành thấp và độ bền cao, các sản phẩm từ nhựa đã và đang được sử dụng, ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống. Tuy nhiên, tính chất khó phân  của nhựa phế thải lại chính là vấn nạn gây ô nhiễm môi trường.

Trước thực tế đó, cùng với sự tiến bộ của khoa học - công nghệ, các nhà khoa học đã chế tạo được một số loại nhựa sinh học có khả năng tự  trong thời gian ngắn (30 ngày). Trong đó, PHA (polyhydroxyalkanoate) và PHB (polyhydroxybutyrate) là những loại nhựa có nhiều ưu điểm như độ dẻo dai gần như tương đương các loại nhựa thông thường, nhưng lại rất thân thiện với môi trường do có khả năng tự phân  nhờ các vi sinh vật trong môi trường tự nhiên. Dẫu thế, hạn chế khá lớn ở nhựa sinh học giá thành cao, chủ yếu do quá trình sản xuất đòi hỏi lượng lớn nguyên liệu tổng hợp rất đắt tiền, nên chưa thể phát triển rộng rãi.

Được sự hỗ trợ từ Sở KH&CN TPHCM, nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Sài Gòn đã triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ “Nghiên cứu khả năng tổng hợp nhựa PHB của vi khuẩn từ nguồn nước thải giàu carbon”. Đây là nhiệm vụ hướng đến việc tận dụng nguồn nước thải giàu dinh dưỡng hydratcarbon (đặc biệt xuất hiện nhiều trong thành phần nước thải từ các cơ sở sản xuất - nhà máy chế biến thực phẩm, nhà máy sản xuất giấy, nhà máy sản xuất bia...) để phát triển các loại vi sinh vật có khả năng tổng hợp PHB, kết hợp quá trình tổng hợp PHB với quá trình xử lý nước thải.

Tinh chế và thu nhựa sinh học

Nhóm triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ theo đó đã tiến hành thu mẫu bùn hoạt tính và nước thải tại bể điều hòa của hệ thống xử lý nước thải tại các cơ sở sản xuất bún, hủ tiếu và bánh tráng ở huyện Củ Chi (TP.HCM), Công ty Thực phẩm Mêkong (huyện Đức Hòa, tỉnh Long An), Nhà máy giấy Sài Gòn (huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu), Nhà máy giấy Minh Hưng (tỉnh Bình Phước)…

Kết quả thu được 9 mẫu bùn và 9 mẫu nước thải. Tổng cộng 185 dòng vi khuẩn khác nhau được xác định phát huỳnh quang trong môi trường chứa thuốc nhuộm Nile Blue A dưới ánh sáng UV 365nm. Định danh nhanh bằng phương pháp phân tích khối phổ Maldi-Top, kết quả họ bacillus sp. chiếm đến 65,4% với đa số là bacillus cereus (40 dòng) và bacillus pumilus (14 dòng), có mặt ở hầu hết mẫu nước và bùn thải. Qua đó, cho thấy sự đa dạng, tính phong phú và tính thích nghi cao của các loài thuộc chi bacillus.

Khuẩn lạc phát quang dưới ánh sáng UV 365 nm

TS. Hồ Kỳ Quang Minh, chủ nhiệm triển khai nhiệm vụ, cho biết: “Nước thải từ các nhà máy sản xuất thường có mức độ ô nhiễm cao, chứa nhiều hóa chất độc hại, ức chế sự phát triển của các loài vi sinh vật. Tuy nhiên, trong các loại nước thải này vẫn có các chủng, loài vi khuẩn có khả năng sinh tổng hợp thành nhựa sinh học tồn tại và sinh trưởng với số lượng lớn và rất phong phú. Tại các điểm mà nhóm thực hiện lấy mẫu đều thu được các dòng vi khuẩn tiềm năng. Việc các dòng vi khuẩn này vẫn có thể tồn tại và phát triển tự nhiên trong môi trường nước thải cho thấy chúng thích nghi rất tốt với điều kiện môi trường độc hại, rất có tiềm năng để sử dụng cho việc sản xuất nhựa sinh học.”.

Nhóm triển khai nhiệm nhiệm vụ đồng thời khảo sát tốc độ tăng trưởng của các chủng vi khuẩn. Đa số các dòng vi khuẩn được khảo sát có tốc độ tăng trưởng nhanh, đạt mật độ tế bào cao nhất trong môi trường Nutrient Broth sau khoàng 24 giờ nuôi cấy: thấp nhất 0,3 g/l ở bacillus flexus MK-3, cao nhất 2,66 g/l ở bacillus pumilus NMG5. Trong số này, có hai chủng vi khuẩn có khả năng tổng hợp PHB tại thời điểm 48 giờ nuôi cấy đáng chú ý: bacillus pumilus NMG5 đạt 42,28% trọng lượng khô và bacillus megaterium BP5 đạt 41,19% trọng lượng khô. Nhóm thực hiện cũng đã thử nghiệm quy trình ly trích tối ưu cho hai chủng vi khuẩn bacillus pumilus NMG5 và bacillus megaterium BP5, trong đó tập trung vào nồng độ NaOCl, liều lượng ammonium laurate, nhiệt độ và thời gian ngâm bùn hoạt tính với hóa chất. Từ đó, xây dựng quy trình sản xuất PHB quy mô phòng thí nghiệm cho hai chủng bacillus megaterium BP5 và bacillus pumilus NMG5 với khả năng thu nhận PHB đạt 1,15 và 1,36g PHB/l nước thải nhân tạo, tương đương 28,5% và 29,3% trọng lượng khô.

Kết quả phân tích nhiệt trọng hai mẫu PHB thu được từ hai chủng vi khuẩn trên thể hiện tính ổn định tốt của vật liệu. Trọng lượng bị mất nhiều nhất, trên 80% và 60% ở nhiệt độ khoảng 260 độ C đối với lần lượt mẫu PHB thu được từ bacillus pumilus NMG5 và bacillus megaterium BP5. Kết quả này tương đồng với những báo cáo quốc tế khác (các mẫu PHB được tổng hợp từ vi khuẩn và PHB mẫu chuẩn đều bị phân  ở nhiệt độ trong khoảng 250-300 độ C).

Các tấm phim PHB (mẫu sản phẩm tổng hợp bởi hai chủng vi khuẩn bacillus pumilus NMG5, bacillus megaterium BP5) được ủ trong môi trường đất ẩm và dịch nuôi cấy vi sinh vật để tiến hành thử nghiệm khả năng tự phân  trong môi trường có sự hiện diện của vi sinh vật.

Trong tuần đầu tiên, quá trình phân hủy xảy ra rất chậm, trọng lượng các tấm phim PHB thay đổi rất ít hoặc không thay đổi. Ở tuần thứ 2 và 3, quá trình phân  diễn ra nhanh hơn, trọng lượng các tấm phim PHB giảm rõ rệt. Ở tuần thứ 4, các tấm phim đã bị rã vụn thành các hạt nhỏ, không thể thu hồi để xác định trọng lượng. Tiếp tục theo dõi đến tuần thứ 6 và 7 thì không còn phát hiện dấu vết các tấm phim PHB được sử dụng trong thử nghiệm.

Thử nghiệm phân PHB trong môi trường đất ẩm

Các tấm phim PHB tương tự cũng được thử nghiệm phân  trong môi trường lỏng (bình tam giác chứa 100ml dịch nuôi vi khuẩn bacillus sp. trong môi trường Nutrient Broth trong 72 giờ, mức nhiệt 32 độ C). Kết quả cho thấy, ở ngày thứ 14, các tấm phim PHB đã bị vỡ thành 5-7 mảnh nhỏ. Ở tuần thử nghiệm thứ 3 (ngày 21), các tấm phim PHB đã rã vụn và ở tuần thứ 4, chỉ còn thấy 1 lớp (tương tự) sinh khối ở đáy bình tam giác.

Thử nghiệm phân hủy PHB trong môi trường dịch nuôi bacillus sp

Các kết quả thử nghiệm tự phân  trên cho thấy sản phẩm PHB thu được từ hai chủng vi khuẩn bacillus pumilus NMG5 và bacillus megaterium BP5 có thể được phân  bởi vi sinh vật trong khoảng từ 30-50 ngày.

TS. Hồ Kỳ Quang Minh khẳng định: “Nhờ có nguồn gốc từ vi khuẩn - là một trong những kiểu dự trữ dinh dưỡng của sinh vật, các mẫu PHB tổng hợp từ hai chủng vi khuẩn bacillus pumilus NMG5, bacillus megaterium BP5 có khả năng phân hủy tốt. Trong điều kiện ủ compost, tốc độ phân hủy của PHB thậm chí còn có thể đạt mức nhanh hơn do mật độ vi sinh vật cao, đa dạng, các điều kiện độ ẩm, nhiệt độ… thích hợp hơn. Do đó, nhựa sinh học PHB thu được từ 2 chủng vi khuẩn bacillus pumilus NMG5, bacillus megaterium BP5 có thể được xem là một loại vật liệu xanh, bảo vệ môi trường, thích hợp để sử dụng phục vụ đời sống.”.

Nhóm thực hiện cũng đã tiến hành nuôi cấy hai chủng vi khuẩn bacillus pumilus NMG5 và bacillus megaterium BP5 trong môi trường nước thải nhân tạo. Sau 15 ngày, số lượng vi khuẩn trong hệ thống đã đạt mức để đáp ứng yêu cầu xử lý nước thải. Kết quả phân tích chất lượng nước cho thấy, hiệu quả xử lý nước thải của cả hai chủng vi khuẩn trong giai đoạn ổn định (từ ngày thứ 23) đều đạt hiệu quả từ 94,5% đối với thông số COD, thông số tổng photpho và tổng nito lần lượt từ 70,2% và 77,2%. Hiệu quả xử lý tăng chậm và đạt mức tốt nhất ở ngày thứ 29 trở đi. Cụ thể, với chủng bacillus pumilus NMG5 hiệu suất xử lý là: COD = 97,7 %; Nito tổng số = 84,6 %; Photpho tổng số = 86,5 %. Tương tự, hiệu suất xử lý của chủng bacillus megaterium BP5 là: COD = 98,2 %; Nito tổng số = 78,9 %; Photpho tổng số = 81,7 %.

Để đánh giá hiệu quả xử lý thực tế, hệ thống được thay nước thải nhân tạo bằng nước thải thật thu thập từ nhà máy giấy Minh Hưng. Kết quả, hiệu suất xử lý đối với nước thải của cả hai chủng bacillus pumilus NMG5 và bacillus megaterium BP5 khi sử dụng nước thải nhà máy giấy tuy đều thấp hơn so với với hiệu suất đạt được khi sử dụng nước thải nhân tạo, nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả xử lý cao, giá trị đầu ra của các thông số được phân tích đều đạt Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về xử lý nước thải công nghiệp và nước thải công nghiệp giấy và bột giấy (QCVN 40/:2011/BTNMT và QCVN 12-MT:2015/BTNMT), cột A.

Từ kết quả đạt được của nhiệm vụ, nhóm các nhà khoa học tại Đại học Sài Gòn kiến nghị Sở KH&CN TPH.CM tiếp tục hỗ trợ để triển khai sản xuất thử nghiệm sản xuất PHB trong điều kiện sử dụng nguồn nước thải trực tiếp từ các cơ sở sản xuất hoặc nhà máy, đồng thời tiến hành nghiên cứu thêm về khả năng tổng hợp PHB của các chủng vi khuẩn đã phân lập còn lại (đặc biệt là các chủng vi khuẩn họ bacillus sp. có lợi như Bacillus safensis, Bacillus allismortis, Bacillus amyloliquefaciens).