3.1. Ảnh hưởng của phương pháp tách tới khối lượng, chất lượng của polymer
3.1.1. Hàm lượng polymer ngoại bào
EPS sau khi được tách bằng các phương pháp vật lý, phương pháp hóa học khác nhau, mẫu EPS được thu lại và đưa đi phân tích khối lượng bằng cách kết tủa trong ethanol lạnh với tỉ lệ 2 ethanol: 1 EPS (quy trình được mơ tả tại mục 2.1.2) Kết quả phân tích khối lượng EPS tách bằng các phương pháp khác nhau được trình bày chi tiết trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kết quả phân tích khối lượng, thành phần hóa học của EPS được tách bằng các phương pháp khác nhau Phương pháp Hàm lượng (mg EPS/L) Protein (mg/L) Polysaccharide (mg/L) Axit nucleic (µg/L) Ly tâm 27 89.0 11.4 9.3 HCHO 105 103.4 17.7 10.1 EDTA muối 2389 223.9 63.0 38.5 EDTA axit 1635 391.8 76.6 175.3 NaOH 6604 1613.0 435.3 409.6 HCl 7039 223.9 130.8 280 H2SO4 5920 1040.4 302.2 300.5 HCHO + EDTA muối 2348 284.2 314.2 157.4
HCHO + EDTA axit 2748 717.5 181.3 180.8
EPS là một trong những thành phần quan trọng đóng góp vào sự hình thành lên các bơng bùn sinh học trong hệ thống XLNT, vì vậy, trong bùn sinh học ln có chứa một lượng EPS nhất định [25, 59]. Tùy thuộc vào phương pháp tách triết EPS được sử dụng mà lượng EPS được tách ra từ BTSH có thể khác nhau.
Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng EPS tách được phụ thuộc nhiều vào phương pháp sử dụng. Nồng độ EPS tách được, dao động từ 27 mg/L (phương pháp ly tâm) tới 7039 mg/L (phương pháp HCl). Hiệu quả tách tăng dần theo thứ tụ như sau: nhóm có hàm lượng EPS từ khoảng 100 mg EPS/L (phương pháp ly tâm, phương pháp HCHO), nhóm có hàm lượng EPS dưới 3000 mg EPS/L (phương pháp EDA axit, phương pháp EDTA muối, phương pháp HCHO + EDTA muối, HCHO + EDTA axit), và nhóm có hàm lượng EPS trên 5000 mg EPS/L (phương pháp HCHO + NaOH, phương pháp H2SO4, phương pháp NaOH, phương pháp HCl).
Kết quả hàm lượng EPS cũng cho thấy hiệu suất tách của phương pháp vật lý (ly tâm) thấp hơn nhiều so với phương pháp hóa học. Phương pháp vật lý như ly tâm và nhiệt được sử dụng nhiều trong nghiên cứu khác nhau để đánh giá về hàm lượng EPS có trong sinh khối [41]. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có khả năng tách EPS ở dạng hịa tan hoặc liên kết yếu với tế bào VSV [37]. Trong bể bùn hoạt tính, vi sinh chịu sự tách động mạnh do sự khuấy trộn bởi khí sục trong bể nên phần EPS có liên kết yếu với tế bào VSV có khả năng bị giải phóng ra mơi trường và chỉ còn lại phần EPS liên kết tương đối tốt với tế bào VSV. Do đó, khi sử dụng phương pháp ly tâm, lượng EPS tách được không cao.
Ngược lại, phương pháp tách bằng các tác nhân hóa học lại có khả năng tách cả EPS dạng hòa tan và EPS dạng liên kết, do các tác nhân tách tạo phản ứng hóa học với các cầu nối giữa EPS và tế bào VSV (khi bổ sung EDTA vào bùn sinh học, EDTA tạo phức tan với cation hóa trị II nhờ đó phá vỡ liên kết của EPS với tế bào VSV, hay bổ sung hóa chất NaOH, gốc Na tăng lên làm cho liên kết giữa EPS với các cation hóa trị II yếu đi, do đó EPS được tách ra khỏi tế bào), nhờ đó giải phóng được lượng EPS nhiều hơn vào pha lỏng.
Kết quả phân tích hàm lượng EPS trong Bảng 3.1 thấy rằng hàm lượng EPS tách được bằng phương pháp HCHO-NaOH, H2SO4, NaOH, HCl lớn hơn nhiều lần so với các phương pháp khác. Khối lượng EPS thu được của bốn phương pháp tách này lớn hơn 5000 mg EPS/L, hàm lượng lớn có thể là do ngồi việc tách được các hợp chất polymer có khối lượng phân tử cao nằm bên ngồi tế bào thì NaOH, H2SO4, HCl cịn có khả năng phá vỡ tế bào và tách được cả những hợp chất hữu có phân tử lượng lớn nằm trong tế bào VSV như: DNA, polysaccharide nội bào, v.v..
Hàm lượng EPS tách được bằng phương pháp HCl và H2SO4 cho khối lượng EPS lớn (7039 và 5920 mg EPS/L). Tuy nhiên, HCl và H2SO4 sử dụng trong phương pháp tách là acid đậm đặc, có khả năng oxi hóa mạnh và hịa tan nhiều hợp chất vô cơ trong tế bào, dẫn đến gây sai số khi xác định trọng lượng khô của EPS.
Kết quả cũng cho thấy, sử dụng HCHO làm giảm hiệu suất tách EPS. Trong phương pháp tách với EDTA, khối lượng của EPS giảm từ 2389 mg EPS/L (phương pháp EDTA muối) xuống 2348 mg EPS/L (phương pháp HCHO-EDTA muối), hay như đối với NaOH, khối lượng EPS giảm từ 6604 mg EPS/L (phương pháp NaOH) xuống 5816 mg EPS/L (phương pháp HCHO-NaOH). Nguyên nhân là do HCHO có khả năng phản ứng và gắn protein trong EPS vào tế bào, cố định tế bào và làm tế bào trở nên vững chắc hơn, do đó làm giảm lượng EPS tách được [65, 67, 68, 80]. Mặc dù, HCHO làm giảm hiệu quả tách EPS nhưng HCHO lại có khả năng bảo tồn tính chất của EPS và giảm thiểu các tác động tiêu cực của tác nhân tách tới thành phần hóa học của EPS.
Kết quả phân tích hàm lượng EPS cho thấy, bằng việc sử dụng một phương pháp tách phù hợp, hàm lượng EPS tách ra được từ bùn thải của hệ thống XLNT bia có thể đạt từ 2 – 7 g/L (tương ứng với khoảng 10% - 30% khối lượng của sinh khối). Bảng 3.2 liệt kê kết quả của một số cơng trình nghiên cứu điển hình khác về sinh tổng hợp EPS bằng các chủng VSV đặc thù trên môi trường nhân tạo. Hàm lượng EPS thu hồi được từ quá trình lên men dao động từ 0,6 – 2,3 g/L. So sánh với các kết quả này cho thấy, BTSH của nhà máy bia là một nguồn tiềm năng để thu EPS.
Bảng 3.2. So sánh kết quả khối lượng EPS tách được với các nghiên cứu khác
Chủng VSV Môi trường EPS
(g/L)
Tài liệu tham khảo
Alcaligenes cupidus (KT 210) Đường Sucrose 0,6 [21]
Bacillus sp. F19 Đường Glucose 0,8 [89]
Citrobacter Acetate-propionate 1,5 [78]
Vagococcus sp. Strain (W31) - 2,3 [85]
Klebsiella sp. N10 Nhân tạo 1,0 [82]
Proteus mirabilis (TJ-1) Đường Glucose 1,3 [84]
EPS được tách từ bùn thải Bùn thải nhà máy bia 0,27 - 7
Kết quả của luận
văn