Ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất khí sinh học

K57 – Khoa học đất
Ứng dụng vi sinh vật trong
sản xuất khí sinh học
Giáo viên hướng dẫn:
TS. Trần Thị Tuyết Thu
Sinh viên:
1. Lê Thị Toàn
2. Nguyễn Thu Trang
3. Nguyễn Thùy Trang
Nội dung
1.Tổng quan về khí sinh học
1.1. Khí sinh học
1.2. Ứng dụng
2.Sản xuất khí sinh học
2.1. Cơ chế sản xuất khí sinh học
2.2. Hầm Biogas
2.3. Các nhóm vi sinh vật trong sản xuất KSH
2.4. Các yếu tố ảnh hưởng
2.5. Ưu và nhược điểm
3.Khí sinh học Việt Nam
3.1. Hiện trạng
3.2. Tiềm năng
3.3. Quản lý
1.1. Khí sinh học
•
Biogas(khísinhhọc)là một hỗn hợp khí được sản sinh từ sự
phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của vi
khuẩntrong môitrườngyếmkhí.
•
Thành phần:


CH4: 60-70%

CO2: 30-40%

Còn lại: N2, H2, CO, CO2, H2S,…
•
CH4 chiếm một lượng lớn, được sử dụng để tạo ra
năng lượng khí đốt.
•
Lượng CH4 phụ thuộc vào quá trình sinh hóa và
nguyên liệu đầu vào.
1. Tổng quan về khí sinh học
1.2. Ứng dụng của khí sinh học
…1.2. Ứng dụng của khí sinh học
Xe buýt chạy bằng
nhiên liệu khí sinh học
Mô hình nhà máy điện
chạy bằng KSH
2. Sản xuất khí sinh học
2.1. Cơ chế sản xuất khí sinh học
2.2. Hầm Biogas
2.3. Các nhóm vi sinh vật trong sản xuất KSH
2.4. Các yếu tố ảnh hưởng
2.5. Ưu và nhược điểm
2.1. Cơ chế sản xuất khí sinh học
•
Quá trình lên men phức tạp, xảy ra nhiều phản
ứng.
•
Diễn ra theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí (PHKK).

•
Sản phẩm

Khí sinh học

Chất phân hủy.
•
Cơ chất cho quá trình PHKK là một hỗn hợp
đồng nhất của hai hay nhiều loại nguyên liệu
khác nhau => quá trình “đồng phân hủy”.
Nước giải và phân động vật
Rác thải nông nghiệp và các sản phẩm phụ
Rác thải hữu cơ có thể phân hủy được từ các ngành công
nghiệp thực phẩm và nông nghiệp (có nguồn gốc động,
thưc vật)
Phần hữu cơ của rác thải đô thị và từ thực phẩm (có nguồn
gốc động, thực vật)
Bùn thải
Cây năng lượng chuyên dụng
2.1.1. Nguyên liệu đầu vào
Phân
động vật
và bùn
VK kỵ
khí tự
nhiên
cao
Hàm
lượng
nước

cao
Dễ thu
được
…2.1.1. Nguyên liệu đầu vào
•
Cây năng lượng chuyên dụng
Cây thân thảo (ngô, cỏ,…)
Cây thân gỗ (sồi, bạch dương, liễu)
…2.1.1. Nguyên liệu đầu vào
CK < 20%
Phân hủy ướt
(lên men ướt).
Bùn, phân ĐV,
rác thải hữu
cơ ướt,…
CK ≥ 35%
phân hủy khô
(lên men khô)
Cây trồng
năng lượng,
thức ăn gia
súc,…
•
Theo hàm lượng chất khô (CK)
…2.1.1. Nguyên liệu đầu vào
2.1.2. Quá trình sinh hóa của PHKK
•
Phương trình tổng quát:
(C6H10O5)n + nH2O 2nCO2 + 3nCH4
+4,5cal

•
Quá trình hình thành khí biogas là kết quả của nhiều
giai đoạn liên tiếp liên quan chặt chẽ đến nhau.
•
Có 4 giai đoạn chính:

Thủy phân

Tạo thành các axit

Tạo thành axetat

Sinh khí metan
vsv
t=35oC pH=7
…2.1.2. Quá trình sinh hóa của PHKK
Các bước chính của quá trình PHKK ( AL SEADI 2001)
Cacbon
Hydrat
Đường
Chất béo Axit béo
Protein Amino Axit
Axit cacbon
Rượu
Cacbon dioxit
Khí Hidro
Amoniac
Axit Axetic
Cacbon dioxit
Khí Hidro

Metan
Cacbon dioxit
Thủy phân Tạo axit Sinh khí metanTạo axetat

Thủy phân
•
RH, lipit, axit nucleic, protein  glucose, glycerol,
purines, pyridines.
•
VSV thủy phân tiết ra enzyme thủy phân, biến đổi
các polymer sinh học thành dạng đơn giản hơn và hòa
tan:
Lipit axit béo, glycerol
Polysaccarit monosaccarit
Protein amino axit
•
Các vi sinh vật: hydrolytic bacteria, clostridium,
thermocellem.
…2.1.2. Quá trình sinh hóa của PHKK
lipase
cellulase, cellobiase, xylanase, amylase
protease

Tạo các axit
•
Đường đơn, amino axit và axit béo 
axetat, CO2, H2(70%), axit béo bay hơi,
rượu (30%)
•
Các sản phẩm khác nhau phụ thuộc vào loại

VK và điều kiện nuôi cấy (pH, nhiệt độ, thế
OXH-K)
•
Các vi sinh vật: bacteroides, suminicota,
bifidobacterium
…2.1.2. Quá trình sinh hóa của PHKK
•
Tạo axetat
•
Axit béo bay hơi, alcol được OXH thành axetat,
CO2, H2.
•
Sinh H2 => tăng PH2, sản phẩm thừa của giai
đoạn này và ức chế quá trình trao đổi chất của
VK tạo axetat.
•
Giai đoạn tạo axetat và sinh khí metan
thường diễn ra song song với nhau => sự
cộng sinh của hai nhóm VSV.
…2.1.2. Quá trình sinh hóa của PHKK
•
Sinh khí metan
•
Sản phẩm trung gian  CH4, CO2
•
Khí metan tạo thành:

70% từ axetat,

30% từ biến đổi CO2, H2

CH3COOH CH4 + CO2
H2 + CO2 CH4 + H2O
•
Giai đoạn rất quan trọng của cả quá trình PHKK
•
Chịu ảnh hưởng bởi một số điều kiện hoạt đông
(Thành phần nguyên liệu, tốc độ cung cấp
nguyên liệu, nhiệt độ và pH)
…2.1.2. Quá trình sinh hóa của PHKK
methane hydrogenotrophic
methane acetotrophic
Sơ đồ quá trình lên
men các CHC do các
VSV yếm khí ( Large,
1983)
Cacbon hydrat
Xellulozo
Hemixellulozo
Lipit
Metanol Đường Glyxerol Axit béoAmino Axit
NH3
Format
CO2
H2
Axetat
Butyrat
Etanol
Lactat
Sactat
Succirat

Propiovat
CH4
Protein
2.1.3. Quá trình làm sạch khí sinh học

Hấp thụ CO2
•
Loại trừ CO2 bằng cách cho sục qua nước vôi
hoặc NaOH, KOH.
CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3 + H2O
CO2 + NaOH -> Na2CO3 + H2O
Na2CO3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 
•
Các kết tủa có thể dễ dàng được loại bỏ khỏi dung
dịch.

Tách H2S
•
Khí H2S ăn mòn sắt thép => cho biogas đi qua lớp
phủ đầy sắt hoặc oxit sắt trộn với gỗ bào (vỏ bào)
để loại bỏ (phương pháp “rửa khí khô”)
•
Sử dụng phôi sắt để tách. Phôi sắt có thể được tái
sử dụng từ 3-5 lần.
•
Phản ứng tách H2S
Fe2O3 + 3H2S -> Fe2S3 + 3H2O
Fe3O4 + 4H2S -> FeS + Fe2S3 + 4H2O
FeO + H2S -> FeS + H2O
•

Loại trừ H2S dùng Na2CO3
H2S + Na2CO3 -> NaHS + NaHCO3
…2.1.3. Quá trình làm sạch KSH
Hệ thống lọc khí biogas
…2.1.3. Quá trình làm sạch KSH
Thiết bị tách H2S
Hầm nắp
trôi nổi
Hầm nắp
cố định
Hầm dạng
túi ủ
2.2. Hầm Biogas
2.2.1. Hầm nắp trôi nổi
•
Ưuđiểm

Áp suất khí ổn định

Phù hợp hầm lớn

Dễ sử dụng
•
Nhượcđiểm

Chi phí cao

Không làm ở vùng xa xôi, hẻo lánh, do không có
nắp hầm bằng kim loại.


Đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên

Tương đối nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ, không phù
hợp cho vùng núi.
…2.2. Hầm nắp trôi nổi
Mô hình hầm nắp trôi nổi
2.2.2. Hầm nắp cố định
•
Ưuđiểm

Kết cấu dưới mặt đất, nhiệt độ ổn định.

Xây dựng tại chỗ với vật liệu có sẵn ở địa phương

Bền, các bộ phận cố định, đòi hỏi ít bảo dưỡng.
•
Nhượcđiểm

Áp suất khí thay đổi

Chi phí cao

Đòi hỏi kỹ thuật xây dựng cao

Không áp dụng nguyên lý hoàn lưu.

Tốn diện tích xây dựng.

Hoạt động không liên tục


Bảo dưỡng khó khăn, phức tạp.