Vývoj testu průtočnosti pro zhodnocení antifoulingových a antimikrobiálních vlastností nanovlákenných membrán

Bc. Michal Žalud

Master's thesis

Development of the flow-through test for assessment of antifouling and antimicrobial properties of nanofiber membranes

Abstract:

Biofouling, tedy nežádoucí růst mikroorganismů ve formě biofilmu na povrch filtračních materiálů, představuje významný technologický problém s ucpáváním těchto materiálů. V teoretické části této diplomové práce jsou shrnuty poznatky týkající se problematiky filtračních procesů, materiálů, které se při těchto procesech využívají, a také komplikace, ke kterým během filtrace dochází. V práci jsou shrnuty možné metody hodnocení biofoulingu, jeho příčiny, a také možné způsoby jeho omezení. Pro zmírnění následků biofoulingu se často vyžívá modifikovaných povrchů filtračních materiálů. Klíčovým procesem při vývoji takových materiálů je pak hodnocení účinnosti takto modifikovaných filtračních materiálů, mezi které patří hodnocení rychlosti průtoku testovaného vzorku přes filtr, jeho antimikrobiální účinnost a jeho ekotoxická zátěž. Pro testování účinnosti takových procesů existuje mnoho způsobů, což je i zároveň problém, protože neexistuje obecný standardizovaný postup. V rámci experimentální části této diplomové práce byla navržena metoda, která dokáže efektivně zhodnotit všechny požadované aspekty testování účinnosti několika modifikovaných filtračních materiálů, které lze využít pro filtraci vody. Největší důraz byl pak kladen na testování filtrů modifikovaných nanočásticemi stříbra, a to z prokázaného faktu antimikrobiálních vlastností těchto částic. Mezi měřené a testované parametry patřila rychlost průtoku média pomocí hydrostatického tlaku, jako hnací síly procesu, přes tyto filtry, schopnost antimikrobiálního ošetření použitého média s určitým obsahem bakteriálních kultur, a jeho míra uvolnění nežádoucích vedlejších produktů do filtrátu. Pro schopnost antimikrobiální aktivity bylo využito resazurinového testu, díky kterému lze efektivně stanovit obsah životaschopných bakterií ve vzorku. Pro tento účel byla zvolena jako modelový mikroorganismus bakteriální kultura Escherichia coli. Výsledky prokázaly, že nález bakterií po filtraci modifikovaným filtrem byl negativní, díky čemuž byla prokázána antimikrobiální vlastnost testovaného filtru, na rozdíl od filtru kontrolního, u kterého byla koncentrace bakterií E. coli v rozmezí 0,02-21,63·105 CFU/ml. Dále byla zjištěna průměrná koncentrace stříbrných částic (13,38 ng/ml) obsažených ve filtrátu získaného z aparatury opatřené modifikovaným filtrem. Součástí práce proto tedy byl i odhad zdravotního rizika, při využití pitné vody získané filtrací pomocí tohoto filtru. Riziko bylo odhadnuto na 0,13, což je bezpečně pod hodnotou 1 a nenaznačuje tak ohrožení zdraví lidského organismu. Díky kombinaci těchto relativně rychlých fází experimentu, byl vyvinut postup, při kterém lze posoudit efektivní využití filtračních materiálů při ošetření vody a jejich možná aplikace v reálných filtračních procesech.

Abstract:

Biofouling, anundesirable growth of microorganisms in a form of biofilm layer on the filtration material surface, represents a technological problem with clogging of these materials. In the theoretical part of this diploma thesis there are summarized some knowledges of problematics of filtration processes, materials, which are used in these processes and complications which are connected to biofouling. In this thesis there are also summarized possible methods of biofouling evaluation its causes and its possible way of control. For biofouling control the modified filtration surfaces are usually used. A key process in the development of such materials is to evaluate the effectiveness of such modified filter materials, which include evaluating the flow rate of the test sample through the filter, its antimicrobial effectiveness and its ecotoxic load. There are many ways to test the effectiveness of such processes, which is also a problem because there is no general standardized procedure. Within the experimental part of this diploma thesis, a method was proposed that can effectively evaluate all required aspects of testing the effectiveness of several modified filtration materials that can be used for water filtration. The greatest emphasis was then placed on testing filters modified with silver nanoparticles, based on the proven antimicrobial properties of these particles. The measured and tested parameters included the flow rate of the medium using hydrostatic pressure, as the driving force of the process, through these filters, nextthe ability to antimicrobially treat the used medium with a certain bacterial culture content, and a degreeof undesirable by-productsrelease into the filtrate. Becauseofits antimicrobial activity, a resazurin test was used, thanks to which it is possible to effectively determine the content of viable bacteria in the sample. For this purpose, a bacterial culture of Escherichia coli was chosen as a model microorganism. The results showed that the content of bacteria in a filtrate from modified filter was, thus demonstrating the antimicrobial property of the tested filter, in contrast to the control filter, which showed the concentration of bacteria in the range 0,02-21,63·105 CFU/ml. Furthermore, anaverage concentration of silver particles (13,38 ng/ml) contained in the filtrate obtained from the apparatus equipped with the modified filter was detected. In this thesis was also calculated health risk connected with using filtrate as drinking water. This risk was assessed to 0,13, which is safely under 1. It means that using of this modified filter is not dangerous for humane organism. Thanks to the combination of these relatively fast phases of the experiment, a procedure was developed in which the effective use of filter materials in water treatment and their possible application in real filtration processes can be assessed.

Keywords

Filtrace, filtrační membrány, průtok, fouling, biofouling, Escherichia coli, resazurin, nanočástice, stříbro, modifikace, biofilm, bakterie, antimikrobiální, analýza rizik.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 6. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 29. 6. 2020
• Supervisor: RNDr. Mgr. Michal Bittner, Ph.D.
• Reader: MVDr. Přemysl Mikula, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Environmental Chemistry