Đề tài Khảo sát quá trình xử lý COD của nước thải thuốc Ampicillin bằng phương pháp Fenton

Chương 1: MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Qua thực tế trong những năm gần đây cho thấy Việt Nam là nước có tốc độ phát triển kinh tế cao trong khu vực. Bên cạnh sự phát triển về kinh tế đem lại sự thay đổi cuộc sống và bộ mặt của đất nước, Việt Nam còn phải đối đầu với vấn nạn ô nhiễm môi trường do quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá gây ra. Sự phát triển của các ngành công nghiệp đã mang lại những nguồn lợi lớn đồng thời thải ra một lượng chất thải độc hại gây ảnh hưởng xấu đến môi trường cũng như sức khoẻ của con người. Để có được giải pháp cũng như những hướng đi cụ thể nhằm phát triển nền kinh tế song song với việc bảo vệ môi trường, Việt Nam đã có những kế hoạch thiết thực và hành động cụ thể để giải quyết những vấn đề môi trường. Cùng với sự tăng nhanh về nhu cầu xã hội và sự phát triển các ngành công nghiệp khác như dầu khí, điện, dệt may,… ngành dược phẩm nước ta cũng có những bước phát triển vượt bậc làm đa dạng và phong phú hơn các dược phẩm sản xuất trong nước. Theo định hướng của Nghị quyết Hội nghị lần thứ 2 của Ban chấp hành Trung ương Đảng Cộng Sản Việt Nam khoá VIII là “đến năm 2020 đạt trình độ công nghệ tiên tiến trong khu vực ASEAN ở các ngành kinh tế trong điểm”, ngày 09/09/1996 Bộ trưởng Bộ Y tế đã ký quyết định sô1516/BYT-QĐ chính thức áp dụng tại Việt Nam tiêu chuẩn THỰC HÀNH TỐT SẢN XUẤT THUỐC (GMP) của Hiệp hội các nước Đông Nam Á (ASEAN), đồng thời yêu cầu các cơ sở sản xuất thuốc có kế hoạch triển khai thực hiện. Đây là vấn đề sống còn của các doanh nghiệp sản xuất dược phẩm. Từ sau quyết định đó đến nay đã có khoảng trên 20 xí nghiệp Dược đạt GMP đối với các công ty xí nghiệp trong nước và có vốn đầu tư nước ngoài. Việc triển khai áp dụng GMP vào trong sản xuất ngoài những vấn đề cơ bản như: mô hình tổ chức một nhà máy GMP, tiêu chuẩn kỹ thuật cụ thể nhà xưởng, cách tổ chức hệ thống đảm bảo chất lượng,… thì vấn đề môi trường được yêu cầu phải giải quyết triệt để. Vì vậy việc xử lý ô nhiễm sinh ra trong quá trình sản xuất là một trong những yếu tố cần thiết để các cơ sở dược phẩm đạt GMP. Trong quá trình sản xuất bào chế dược phẩm, lượng chất thải thải ra cũng có những tích chất và thành phần đặc trưng gây nhiều tác hại xấu đến môi trường. Việc bào chế các loại kháng sinh cũng thải ra một lượng nước thải có chứa dư lượng thuốc kháng sinh. Sự hiện diện của thành phần kháng sinh trong môi trường cũng ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ cộng đồng. Mỗi loại kháng sinh nào đó đi vào môi trường nước, mặc dù ở lượng rất nhỏ, nó có thể giết chết các vi khuẩn nhạy cảm đồng thời tạo điều kiện cho những vi khuẩn mang những gen kháng thuốc phát triển và các vi khuẩn mang gen này sẽ lây lan sang các vi khuẩn khác, trong đó có các chủng vi khuẩn gây bệnh cho con người và vật nuôi. Khi những vi khuẩn có hại này xâm nhập và gây bệnh cho con người thì sẽ rất khó khăn trong việc điều trị và có thể dẫn đến tử vong. Do những tác động trên nên việc tiến hành các biện pháp giảm thiểu và loại trừ sự xâm nhập của kháng sinh vào môi trường là điều cần thiết. Việc tìm kiếm một phương pháp xử lý thuốc kháng sinh hiệu quả, hợp lý trong điều kiện Việt Nam là nhiệm vụ quan trọng cho khoa học công nghệ của Việt Nam. Do đó, việc thực hiện đề tài nghiên cứu :”Khảo sát quá trình xử lý COD của nước thải thuốc Ampicillin bằng phương pháp Fenton” nhằm tìm ra những giải pháp kỹ thuật hợp lý để loại bỏ dư lượng thuốc kháng sinh khỏi nước thải trước khi thải ra môi trường. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Tìm được phương pháp hiệu quả để xử lý thuốc kháng sinh, loại bỏ thuốc kháng sinh ra khỏi môi trường. Nội dung của đề tài Thu thập các tài liệu liên quan về sản xuất dược ở Việt Nam Tìm hiểu công nghệ bào chế dược phẩm tại Việt Nam Tìm hiểu môt số tính chất hoá lý, cấu trúc của các nhóm kháng sinh cơ bản Tìm hiểu các ảnh hưởng của kháng sinh đến môi trường Tìm hiểu các phương pháp xử lý nước thải Đánh giá hiệu quả của các công nghệ xử lý Lựa chọn phương pháp xử lý: phương pháp oxi hoá với tác nhân Fenton Khảo sát thành phần nước thải thuốc Ampicillin Khảo sát đánh giá khả năng phân huỷ kháng sinh cùng các yếu tố ảnh hưởng trong phương pháp xử lý oxi hoá Fenton Thử nghiệm phương pháp trên mô hình, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ, thu thập các thông số tối ưu nhằm phục vụ cho việc thiết kế về sau. Đánh giá hiệu quả của phương pháp xử lý. Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu tài liệu sách báo trong và ngoài nước về ngành dược phẩm cũng như ảnh hưởng của khàng sinh đến môi trường Tìm hiểu các công nghệ xử lý nước thải trong và ngoài nước Nghiên cứu thực nghiệm: dựa trên những kỹ thuật tiên tiến trong xử lý nước thải áp dụng với điều kiện Việt Nam Đánh giá phương pháp xứ lý thông qua những chỉ tiêu bằng những phương pháp phân tích hiện đại. Chương 2: ĐẠI CƯƠNG VỀ KHÁNG SINH 2.1 Mở đầu Năm 1928, Alexander Fleming đã tìm ra được Penicillin khi nuôi cấy nấm penicillum notaum và đến năm 1942 Penicillin đã được sản xuất với quy mô công nghiệp. Năm 1944, người ta tìm được Streptomycin. Các năm sau đó liên tục nhiều kháng sinh đã được tìm ra từ các xạ khuẩn, vi nấm,… góp phần cho công việc điều trị các bệnh nhiễm trùng mà trước đó là nguyên nhân gây tử vong với đa số các trường hợp. Kháng sinh là các chất có tác dụng chống vi khuẩn. Các chất này có thể là chiết xuất từ vi sinh vật (chủ yếu là từ vi nấm), là chất tổng hợp hay bán tổng hợp. Để chống vi khuẩn ở người, kháng sinh có thể sử dụng theo đường toàn thân (như đường uống, đường tiêm) hoặc dùng tại chỗ (như bôi ngoài da). Tác dụng của kháng sinh trên vi khuẩn có thể có hai phương thức: diệt khuẩn hay kìm khuẩn. Loại kháng sinh diệt khuẩn – như Penicillin – có tác dụng trực tiếp tiêu diệt vi khuẩn. Loại kháng sinh kìm khuẩn – như Chloramphenicol – chỉ có khả năng kìm hãm sự phát triển, sinh sôi của vi khuẩn, để cơ thể con người với sức đề kháng tự nhiên sẵn có sẽ tiêu diệt chúng dễ ung5trên thực tế hai phương pháp nói trên đều có tác dụng chống vi khuẩn và đều có giá trị tương đương trong điều trị bệnh. 2.2 Phân loại kháng sinh Kháng sinh được chia làm nhiều nhóm khác nhau căn cứ theo cấu trúc hoá học của từng loại. Sự hiểu biết về các nhóm này có ý nghĩa quan trọng đối với người sử dụng, vì mỗi nhóm đều có tác dụng chính và tác dụng phụ riêng, những độc tính riêng, mà người sử dụng cần nắm vững trước khi đưa vào cơ thể. Hiện nay lượng kháng sinh sử dụng trong điều trị có khoảng hơn 100 loại khác nhau, có nhiều đề nghị phân loại khác nhau, nhưng thông thường được phân thành các nhóm chính như sau: a. Nhóm BETA – LACTAMIN (beta – lactam, diệt khuẩn): nhóm này được chia làm hai phân nhóm: Phân nhóm Penicillin: Benzyl penicillin: penicillin G, procain – penicillin,… Phenoxypenicillin: penicillin V Penicillin kháng penicilinase: oxacilin, choxaxilin,… Aminopenicillin: ampicillin, amoxycillin, bacampicillin,… Carbonxypenicillin: carbenicillin, ticarcillin. Ureidopenicillin: azlocillin, piperacillin. Carbanpenem: imipeneeem Phân nhóm Cefalosporin: Thế hệ 1: cefalotin, cefazolin, cefalexin, cefaclor,… Thế hệ 2: cefamandol, cefaroxim, cefaxitin, cefamatazol,… Thế hệ 3: cefotaxim, cefoperazon, ceftriaxon, cefftizoxim,… b. Nhóm AMINOSID (aminoglycosid, diệt khuẩn): streptomycin, gentamycin, tobrammycin, amikacin, kanamycin, frammycetin, neomycin,… c. Nhóm PHENICOL (kìm khuẩn): cloramphenicol, thiaphenicol d. Nhóm MACROLID (kìm khuẩn): nhóm này được chia thành ba nhóm Phân nhóm Macrolid “thật”: erythromycin, azithromycin,… Phân nhóm Synergistin: pritinamycin, virginiamycin Phân nhóm Lincosanid: lincomycin, clidamycin e. Nhóm CYCLIN (tetracyclin, kìm khuẩn): tetracuclin, oxytetracyclin,… f. Nhóm QUINOLON (kìm khuẩn): Thế hệ 1: acid nalidixic, acid oxolinic, acid pipemidic,.. Thế hệ 2 (Flourquinolon): ciprofloxacin, pefloxacin… g. Nhóm GLYCOPEPTID (diệt khuẩn): vancomycin, teicoplanin h. Nhóm POLYPEPTID (diệt khuẩn): polymycin B, polymycin E (colistin), bacitracin, tyrothricin. i. Nhóm NITROIMIDAZOL (diệt khuẩn): metronidezol, ordinazol… Nhóm SULFAMID (kìm khuẩn): được chia làm 5 phân nhóm: Phân nhóm thải nhanh: sulfafurazol, sulfamethizol,… Phân nhóm thải hơi chậm: sulfadiazin, sulfamethoxazol,… Phân nhóm thải chậm: sulfadimethoxin, sulfamethoxypyridazin,… Phân nhóm thải rất chậm:sulfadoxin Phân nhóm ít hấp thu qua đường tiêu hoá: sulfaguanidin,… k. Nhóm RIFAMYXIN: rifampicin, rifamycin S.V. l. Nhóm kháng sinh CHỐNG NẤM: ketoconazol, cotrimazol,… m. Nhóm thuốc CHỐNG LAO: rifampicin, theambutol, streptomycin. o. Nhóm thuốc chống phong: closazimin, dapson p. Các nhóm kháng sinh khác: một số kháng sinh đặc biệt khác, không thuộc nhóm nào: Các dẫn xuất của oxyquynolein: nitroxolin, cloroidoquin,… Các dẫn xuất của nitrofuran: nitrofurantoin, furazolidon,… Novobiocin, acid fucidic, fosfomycin. 2.3 Tính chất của một số nhóm kháng sinh thông dụng 2.3.1 Nhóm beta – lactamin Kháng sinh thuộc họ beta – lactamin là những kháng sinh có cấu trúc azetidin –2 – on (còn được gọi là vòng b - lactamin) BETA LACTAMIN Nhóm này có hai phân nhóm chính thường được sử dụng là Penicillin và cefalosporin có sơ đồ phân nhánh theo hình 1 Hình 1: Sơ đồ phân loại các nhóm b - lactamin chính 2.3.1.1 Penicillin a. Cấu trúc chung: b. Tính chất vật lý: Các Penicillin dưới dạng muối hoặc dạng acid là bột trắng, không mùi khi tinh khiết. Phổ UV: đa số của các nhóm R acyl hoá trên 6APA đều là vòng thơm nên cho phổ hấp thu ở vùng UV có được. Bảng 2.1 cho thấy bước sóng hấp thu cực đại của vài Penicillin trong dung môi nước. Bảng 1: Bước sóng hấp thu cực đại của một số Penicillin (dung môi nước) Tên kháng sinh R lmax (nm) Benzyl Penicillin (muối Na) 264 Phenoxymethylpenicillin (muối Na) 268 274 Ampicillin (trihydrat) 257 262 265 Phổ IR: ở vùng 1600 – 1800 cm-1 có các đỉnh đặc trưng với các nhóm sau đây: -Nhóm lactam ở giữa 1780 và 1770 cm-1 -Chức amid ngoại vòng ở giữa 1700 và 1650 cm-1 -Chức carboxyl ở khoảng 1600 cm-1 c. Tính chất hoá học: Tính acid: Các Penicillin có khả năng tạo muối Natri và kali tan trong nước, trong khi đó các muối kim loại nặng (ví dụ muối Cu2+) thì không tan hoặc kích thích sự phân huỷ. Các Penicillin cũng có khả năng tạo muối với các amin: -Tạo các Penicillin thuỷ giải chậm (tác động trễ) như procain Penicillin, benethamin Penicillin, benzathin Penicillin. -Một số chất có tính baz ví dụ như các aminosid, các alkaloid khi trộn cung với Penicillin trong cùng một ống tiêm sẽ gây ra kết tủa. Các Penicillin cũng có khả năng tạo thành những este. Tính không bền của vòng beta – lactam Sự phân huỷ trong môi trường kiềm: ở pH > 8 sẽ có sự tấn công của ion OH- trên carbonyl lactam gây ra sự mở vòng. Theo quy luật chung, cuối cùng sẽ có sự tạo thành acid penicilloic, nhưng sự decarboxyl có thể xảy ra để tạo acid penicilloic. Môi trường có sự hiện diện của những muối kim loại nặng ( ZN2+, Cd2+, Pb2+ hoặc Hg2+) sẽ làm cho acid penicilloic bị thuỷ phân thành carbinolamin không bền, chất này sẽ tiếp tục bị phân huỷ tạo D – penicillamin và acid peneldic. Acid peneldic đến lượt nó có thể bị decarboxyl hoá để trở thành penicillo – aldehyd. Sự alcol phân và amino phân: vòng beta – lactam nhạy với một số tác nhân ái nhân khác với xúc tác của các ion thường là các ion kim loại nặng: Cu2+, Zn2+, Sn2+. Bảng 2: Một số quá trình alcol phân và amino phân Chất phản ứng Tác nhân ái nhân Sản phẩm tạo thành Alcol R’ OH Amin R’ – NH – R’’ Hydroxyllamin R’ O- R’ – N – R’’ NH- - OH Este penicilloic Amid penicilloic Acid hydroxamic, chất này tạo phức với Fe3+ (màu đỏ) và với Cu2+ (màu xanh ngọc) Sự phân huỷ trong môi trường acid: sự hiện diện của H+, cơ chế có thể giải thích do sự tấn công ái điện tử trên nguyên tử S, kích thích sự mở vòng lactam và vòng thiazolidin, tiếp theo là sự tái sắp xếp để tạo thành cấu trúc oxazolic của acid penicillenic. Cuối cùng nếu môi trường quá acid, có thể tạo thành acid penicillic. Ngoài ra vòng b - lactam có thể bị mở bởi b - lactamas tiết ra từ vi khuẩn (là một trong những lý do gây đề kháng) 2.3.1.2 Một số Penicillin thông dụng: a. Penicillin thiên nhiên: Penicillin G và Penicillin V Penicillin G: được sử dụng dưới dạng muối Natri hay kali bền trong khoảng pH = 6 –7, ở pH £ 5 hay pH ³ 8 hoạt tính kháng sinh giảm rất nhanh. Penicillin V (phenoxy methyl Penicillin): do có sự hiện diện của nhómphenoxy methyl trên nhóm carboxamid, nguyên tử O cạnh nhân benzen làm cho dãy bên cạnh có tính hút eletron (ngược lại với Penicillin G), đảm bảo tính bền trong môi trường acid. b. Penicillin tổng hợp Nhóm này gồm những Penicillin bán tổng hợp có hoạt phổ rộng trên các vi khuẩn gram âm và trên những vi khuẩn mà các nhóm khác tác dụng yếu. Ngoài ra cũng có sự thay đổi về mặt cấu trúc theo hướng có được tính bền trong môi trường acid có thể sử dụng uống được. Nhóm này có 4 loại: Ba loại đầu là sự thay thế trên Ca của chức carboxamid trên Penicillin G: -Một nhóm –NH2 Þ Aminobenzyl Penicillin -Một nhóm – COOH Þ Carboxylbenzyl Penicillin -Một nhóm – NH – CO – N – CO Þ Ureido Penicillin Nhóm cuối cùng có cấu trúc hơi khác vì chức carboxamid thông thường nằm trên 6PAP được thay thế bằng: -Một nhóm – NH = CH – N = Þ Amidino Penicillin Các kháng sinh chính trong nhóm này là: Ampicillin Ampicillin tồn tại dưới dạng khan và dạng trihydrat Do hiệu quả hút e- của nhóm NH2 nên Ampicillin bền trong môi trường acid, có thể dùng để uống được. Amoxycillin Đây là chất tương đồng của Ampicillin nhưng hấp thu tốt hơn và sự hấp thu không bị cản trở bởi thức ăn. 2.3.1.3 Cephalosporin a. Cấu trúc chung Cấu trúc cơ bản của các cephalosporin là acid cephalosporanic hoặc 7 amino cephalospranic acid. R và R3 thay đổi R7 : H hoặc OCH3 X : S hoặc Oxi hoá X = S phân biệt tuỳ thuộc vào R7 -R7 – H: cephalosporin -R7 = O – CH3: cephamycin X = O (oxacephem) và X = CH2 (carbacephem) là những chất tương đồng về cấu trúc của cephalosporin. b. Tính chất vật lý Các Cephalosporin thường ở dạng tinh thể trắng có màu nhẹ , không mùi hoặc có mùi thoảng nhẹ. Vài Cephalosporin có mùi lưu huỳnh (ví dụ cephalexin, cepharadin,…) Độ quay ánh sáng phan cực: sự hiện diện của 3C* (6,7 và trong trường hợp a thay thế ở vị trí 7), trong nước cepha là những chất quay cực phải (dextrogyre). Có thể dựa vào năng suất quay cực để định tính hoặc kiểm độ tinh khiết Phổ UV: cấu trúc cephem cho 2 hấp thu ở khoảng 260nm và 220nm. Phổ IR: như trường hợp của Penicillin, vùng hấp thu ở khoảng 1600 – 1800 cm-1 c. Tính chất hoá học Tính không bền của vòng beta – lactam: đây là đặc tính hoá học then chốt Sự tấn công của các tác nhân ái nhân (AN): các baz mở vòng azetidin –2 – on, tạo ra những dẫn chất của acid cephalosporic không có hoạt tính sinh học. Những tác nhân ái nhân có thể là: -Các baz (NaOH, KOH) tạo muối của acid Cephalosporic -Các alcol (alcol phân) tạo ra các este của acid Cephalosporanic -Các amin (amino phân) tạo amid không có hoạt tính sinh học. Sự tấn công của các tác nhân ái điện tử AE: Ngược lại với Penicillin, các Cephalosporin bền hơn trong môi trường acid. Tính acid: do chứa nhóm COOH ở C4, các Cephalosporin thể hiện như các acid a, b bất bão hoà khá mạnh, có thể: Các baz (NaOH, KOH) tạo muối của acid Cephalosporic Tạo muối: thường là muối Na, được sử dụng dưới dạng thuốc tiêm vì tan được trong nước (dạng acid được sử dụng uống) Tạo các este được xem là tiền chất. Có 2 este được sử dụng trong điều trị là cefuroxim acetyl và cefpodoxim procetyl. 2.3.1.4 Một số Cephalosporin thông dụng Cephalosporin thế hệ 1: Nhóm 1: cephalotin, cephapirin, cephacetril Nhóm 2: cephaloridin, cephalozin Nhóm 3: cephalexin, cephadroxil, cepharadin, cephaclor, cephatrizin b. Cephalosporin thế hệ 2: cephamandol, cefuroxim, cefuroxime acetyl, cefoxitin c. Cephalosporin thế hệ 3: Nhóm Cephalosporin sulfo Cephalosporin: cefsulodin Ureido Cephalosporin: cefoperazon Aminothiazolyl Cephalosporin: cefotiam Methoxyimino Cephalosporin Nhóm cephamycin: cefotetan Nhóm oxacephalosporin: moxalactam 2.3.2 Nhóm Phenicol Nhóm Phenicol có đại diện khá thông dụng là chloramphenicol được phân lập từ môi trường nuôi cấy streptomyces venezuelae năm 1947 2.3.2.1 Cấu trúc Cấu trúc của Chloramphenicol gồm 3 phần: nhân benzen nitro hoá ở para, chuỗi amino – 2 propandiol –1,3 và nhóm dicloracetyl 2.3.2.2 Tính chất a. Tính chất vật lý: Chloramphenicol ở dạng bột vi tinh thể trắng hoặc hơi vàng Độ tan: ít tan trong nước (2,5mg/ml), dễ tan trong propylen glycol (150,8mg/ml), rất dễ tan trong methanol, ethanol, ethyl acetat, aceton Điểm chảy 150,5 – 151,5oC Năng suất quay cực thay đổi theo dung môi Phổ UV trong dung môi methanol: hấp thu cực đại tại 274nm, cực tiểu tại 235nm Phổ IR với các đỉnh đặc trưng. b. Tính chất hoá học Do nhóm nitro thơm Khử hoá nhóm nitro trong chloramphenicol thành amin thơm bậc nhất, sau đó tạo muối diazoni và tạo phẩm màu azoic với b naphtol. Khử hoá từng phần nhóm nitro bởi Zn/CaCl2 tạo N-arylhydroxylamin, chất này được chuyển thành dẫn chất của hydroxylamic khi tác dụng với benzoylclorid, sản phẩm thu được tạo phức với Fe3+ cho màu đỏ tím. Đun nóng chloramphenicol với dung dịch NaOH, màu vàng xuất hiện, sau đó chuyển thành màu da cam. Do nhóm dicloacetyl Khi đun nóng chloramphenicol với KOH, thu được dung dịch chứa ion Cl- cho phản ứng trầm hiện với AgNO3/HNO3 Phản ứng FUJIWARA – ROSS đặc trưng cho nhóm gem – diclo: đun các thuỷ chloramphenicol với piridin và NaOH, màu đỏ xuất hiện. Do nhóm alcol bậc nhất: phản ứng tạo este với các acid tương ứng cho: Các este palmitat, stearat không đắng (không tan trong nước) dùng cho trẻ em. Este succinat, glicinat tan được dùng làm thuốc tiêm Tính bền: chloramphenicol bền dưới tác dụng của nhiệt, ở 100oC vẫn còn hoạt tính kháng khuẩn. Dung dịch chloramphenicol trong nước tương đối bền ở pH trung tính, bị phân huỷ bởi kiềm và acid, dung dịch nà