Nghiên cứu sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp nhờ chủng vi khuẩn kị khí ưa nhiệt thermotoga neapolitana DSM 4359
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.15 MB, 73 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Hoàng Ngọc Huyền
NGHIÊN CƢ́U QUÁ TRÌ NH SẢN XUẤT HYDRO SINH HỌC
TƢ̀ RÁC THẢI NÔNG NGHIỆP NHỜ CHỦ NG VI KHUẨN KI ̣ KHÍ ƢA NHIỆT
Thermotoga neapolitana DSM 4359
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - Năm 2014
1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Hoàng Ngọc Huyền
NGHIÊN CƢ́U QUÁ TRÌ NH SẢN XUẤT HYDRO SINH HỌC
TƢ̀ RÁC THẢI NÔNG NGHIỆP NHỜ CHỦ NG VI KHUẨN KI ̣ KHÍ ƢA NHIỆT
Thermotoga Neapolitana DSM 4359
Chuyên ngành: Vi sinh vâ ̣t ho ̣c
Mã số: 60420107
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Bùi Thị Việt Hà
Hà Nội - Năm 2014
2
MỤC LỤC
CHƢƠNG I - TỔNG QUAN TÀI LIỆU
01
03
1.1. Thực trạng nguồn năng lƣợng thế giới và nhu cầu tìm nguồn
03
năng lƣợng thay thế
1.1.1. Dầu mỏ
1.1.2. Khí tự nhiên
04
MỞ ĐẦU
05
1.1.3. Than
1.2. Hydro là một nguồn năng lƣợng ƣu việt
1.3. Một số phƣơng pháp sản xuất hydro sinh hoc
1.3.1. Sản xuất Hydro bằng điện
1.3.2. Sản xuất hydro bởi khí metan (SMR)
06
08
08
08
1.3.3. Sản xuất Hydro bởi hơi nước của oxy hóa hydrocacbon
1.3.4. Lên men sinh hydro phụ thuộc ánh sáng
1.3.5. Lên men tối sinh hydro
1.4. Sản xuất H2 sinh học theo con đƣờng lên men tối
08
08
1.5. Một số loài vi khuẩn sản xuất hydro thông qua con đƣờng lên
13
men tối
1.5.1. Vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt
1.5.2. Vi khuẩn kị khí không bắt buộc
1.5.3. Vi khuẩn hiếu khí
1.6. Giới thiệu về Thermotoga neapolitana
1.6.1. Lịch sử
1.6.2. Phân loại
13
14
14
15
15
15
1.6.3. Đặc điểm hình thái và sinh thái
1.6.4. Đặc điểm hệ gen
1.6.5. Đặc điểm tế bào và chuyển hóa
1.6.6. Hydrogenase của Thermotoga
1.6.7. Những đặc điểm của phù hợp với việc sản xuất hydro
1.7. Các nguồn nguyên liệu tái sinh
1.7.1. Chất thải sản xuất đường
1.7.2. Chất thải sản phẩm sữa
15
16
16
16
18
18
18
19
1.7.3. Bã đậu
19
3
09
11
1.7.4. Glycerol
1.7.5. Rơm, rạ
20
CHƢƠNG 2 - NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP
2.1. Chủng giống
22
20
2.2. Các thiết bị và dụng cụ thực hiện thí nghiệm
2.2.1. Các thiết bị
22
22
22
2.3. Môi trƣờng nuôi cấy
23
23
2.3.1. Môi trường nuôi cấy với nguồn cơ chất đơn giản
23
2.3.2. Môi trường nuôi cấy với nguồn cơ chất là bã đậu
2.3.3. Môi trường nuôi cấy với nguồn cơ chất là glycerol
2.3.4. Môi trường nuôi cấy với cơ chất là rơm, rạ
25
25
2.2.2. Các dụng cụ
2.4. Phƣơng pháp sục khí nitơ và kiểm soát pH làm tăng hiệu suất tạo
thành hydro
2.5. Sản xuất hydro trên quy mô lớn sử dụng nồi lên men 5L
2.6. Nghiên cứu qúa trình sản xuất hydro liên tục sử dụng nồi lên
men 5 L
2.7. Các phƣơng pháp phân tích
CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu sự tạo thành hydro của chủng Thermotoga
neapolitana DSM 4359 từ các nguồn đƣờng đơn
3.1.1. Hoạt hóa, nuôi cấy chủng Thermotoga neapolitana DSM 4359
3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đơn giản đến sự sản sinh
hydro của chủng Thermotoga neapolitana DSM 4359
3.1.3. Khảo sát một số nguồn nitơ phổ biến cho sự sản xuất hydro sinh
học từ chủng vi khuẩn kỵ khí ưa nhiệt DSM 4359 và đánh giá khả
năng sinh hydro
3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ tới quá trình sản xuất hydro
của DSM 4359
3.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của pH tới quá trình sản xuất hydro của
chủng vi khuẩn Thermotoga neapolitana DSM 4359
3.4. Nghiên cứu phƣơng pháp sục khí nitơ làm giảm áp suất khí trong
bình nuôi cấy để tăng hàm lƣợng hydro
4
25
27
28
29
30
32
32
32
33
37
39
41
42
3.5. Hàm lƣợng acid hữu cơ đƣợc tạo trong quá trình sản xuất hydro
của T. neapolitana
44
3.6. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các chất vô cơ tới quá trình sản xuất
hydro của T. neapolitana
45
3.6.1. Ảnh hưởng của KH2PO4 đến sự sinh trưởng và tạo hydro của
Thermotoga neapolitana
45
3.6.2. Ảnh hưởng của MgCl2.6H2O đến sự sinh trưởng và tạo hydro của
46
Thermotoga neapolitana
3.6.3. Ảnh hưởng của Na2HPO4.12H2O đến sự sinh trưởng và tạo
47
hydro của Thermotoga neapolitana
3.6.4. Ảnh hưởng của NaCl đến đến sự sinh trưởng và tạo hydro của
Thermotoga neapolitana.
48
3.7. Bƣớc đầu thăm dò, nghiên cứu sự tạo thành hydro từ nguồn rác
thải nông nghiệp và nguồn phụ phẩm của quá trình sản xuất biodiezel nhờ sự lên men kị khí của chủng vi khuẩn DSM 4359
3.7.1. Khảo sát và lựa chọn loại nguyên liệu đầu vào - phụ phẩm của
quá trình sản xuất bio-diezel cho sự tạo thành hydro
49
3.7.2. Khảo sát và lựa chọn loại nguyên liệu đầu vào là chế phẩm phân
hủy lignocellulose từ rơm rạ cho sự tạo thành hydro
3.8. Nghiên cứu quá trình sản xuất hydro bằng phƣơng pháp lên men
theo mẻ có bổ sung (fed-batch culture) sử dụng nồi lên men 5 L
3.9. Đánh giá khả năng sử dụng nguyên liệu đầu vào đối với quá trình
sản sinh hydro của chủng vi khuẩn nghiên cứu
KẾT LUẬN
KIẾN NGHỊ
53
TÀI LIỆU THAM KHẢO
64
5
49
57
60
62
63
MỞ ĐẦU
Thế giới vào những năm đầu của thế kỷ thứ 21 đang đứng trước nhiều vấn đề
cần phải đối mặt. Trong đó vấn đề thiếu năng lượng là một vấn đề cấp bách mang
tính toàn cầu và cần phải sớm có biện pháp giải quyết.
Những nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên thì
không phải là vô tận. Với sự phát triển của ngành công nghiệp trên thế giới như
hiện này thì những nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng cạn kiệt và sẽ gây ảnh
hưởng đến sự phát triển của xã hội cũng như đời sống con người.
Hơn nữa, đặc điểm các tài nguyên hóa thạch là trong thành phần hóa học đều
có chứa các nguyên tố cacbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh, đặc biệt trong than còn
có kèm theo chất phóng xạ urani và thori, do đó sử dụng những nguồn nhiên liệu
này sẽ gây ra ảnh hưởng lớn đối với môi trường [1].
Việc sử dụng những tài nguyên hóa thạch dưới dạng nhiên liệu đã để lại cho
con người và hành tinh chúng ta đang sống những hậu quả vô cùng to lớn. Do đó,
về tương lai, các nhà khoa học đang tìm đến những nguồn năng lượng mới có khả
năng tái tạo và thay thế những nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt như:
năng lượng mặt trời, gió, thủy triều, địa nhiệt, năng lượng nguyên tử và nhiên liệu
sinh học…[4].
Trong đó việc khai thác nhiên liệu sinh học là một phương thức tạo ra năng
lượng rất được quan tâm hiện nay vì hiệu suất cao, ít tốn kém và thân thiện với môi
trường [4]. Điển hình là việc khai thác nguồn năng lượng hydro sinh học - một
nguồn năng lượng thay thế sạch vô cùng ưu thế trong tương lai từ chủng vi sinh vật
kị khí ưa nhiệt cao Thermotoga neapolitana DSM 4359[20].
Đây là một hướng đi mới mẻ và đầy triển vọng nhưng cũng không kém
phần khó khăn và nhiều thách thức. Do đó tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên
cứu quá trình sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp nhờ chủng vi
khuẩn ƣa nhiệt Thermotoga neapolitana DSM 4359” với các mục tiêu sau:
1. Xây dựng được quy trình sản xuất hydro sinh học từ một số cơ chất khác nhau
như (glycerol, xylose, glucose…).
6
2. Đưa ra kết quả thăm dò một số nguồn phế thải nông nghiệp làm nguyên liệu
đầu vào cho quá trình sản xuất hydro sinh học nhờ sự lên men của vi khuẩn kị
khí ưa nhiệt Thermotoga neapolitana DSM 4359.
7
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Thực trạng nguồn năng lƣợng thế giới và nhu cầu tìm nguồn năng lƣợng
thay thế
Năng lượng là vấn đề sống còn của toàn nhân loại. Con người đang khai thác
đến mức cao nhất các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí thiên nhiên, than
đá…), nhưng lượng dự trữ của các nguồn nhiên liệu này ngày càng cạn kiệt với tốc
độ phi mã! Theo các số liệu đánh giá gần đây nhất, tổng dự trữ nguồn năng lượng
hóa thạch bao gồm dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá trên toàn thế giới hiện nay nếu
qui đổi ra than khoảng 1.279 GTCE (GTCE- Giga Tonnes Coal Equivalent, tương
đương 1 tỉ tấn than), trong đó dầu mỏ khoảng 329 GTCE, khí thiên nhiên khoảng
198 GTCE, than đá khoảng 697 GTCE. Như vậy, nếu với mức khai thác và sử dụng
hằng năm như hiện nay: dầu mỏ 5,5 GTCE/năm, khí thiên nhiên 3,0 GTCE/năm,
than đá 4,1 GTCE/năm thì lượng tài nguyên hóa thạch còn lại chỉ đủ dùng cho 42
năm đối với dầu mỏ, 65 năm đối với khí thiên nhiên và 170 năm đối với than đá; đó
là chưa kể nhu cầu năng lượng bao giờ năm sau cũng tăng hơn năm trước nên thời
gian còn lại sẽ còn ngắn hơn dự báo [1].
Việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch đã khiến cho môi trường trái
đất của chúng ta bị ảnh hưởng nghiêm trọng như ô nhiễm không khí, nước, tiếng ồn,
mưa acid, mực nước biển dâng do băng tan…, điển hình là hiện tượng ấm lên toàn
cầu do tác động của hiệu ứng nhà kính và sự khủng hoảng về năng lượng. Theo dự
báo của Cơ quan thông tin về năng lượng (EIA) vào năm 2004, trong vòng 24 năm
kể từ năm 2001 đến năm 2025, mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới có thể
tăng thêm 54% (ước tính khoảng 404 nghìn triệu triệu Btu (British Thermal Unit)
năm 2001 tới 623 Btu vào năm 2025) mà nhu cầu chủ yếu sẽ rơi vào các quốc gia
có nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ, ví dụ như Trung Quốc hay Ấn Độ ở châu Á
[1].
Một cách cụ thể về vấn đề nhu cầu năng lượng của Thế giới thì có 3 điểm
chúng ta cần lưu ý. Một là, nhu cầu về năng lượng của thế giới tiếp tục tăng lên đều
đặn trong hơn hai thập kỷ qua. Hai là, nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm 90%
tổng nhu cầu về năng lượng, cho đến năm 2010. Thứ ba là, nhu cầu đòi hỏi về năng
lượng của từng khu vực trên Thế giới cũng không giống nhau [30, 31].
8
Các nguồn năng lượng hóa thạch trên thế giới đang dần cạn kiệt, thêm nữa là
những vấn đề môi trường nảy sinh trong quá trình khai thác đã dẫn đến việc khuyến
khích sử dụng năng lượng hoàn nguyên để giảm bớt sự ô nhiễm môi trường và tránh
gây cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch. Nhưng do chưa có những điều luật cụ thể
về vấn đề này, nên dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên vẫn được coi là nguồn nhiên
liệu chủ yếu để nhằm thỏa mãn những đòi hỏi về năng lượng và chính điều đó sẽ
dẫn đến sự cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch trong một thời gian không xa [1].
1.1.1 Dầu mỏ
Nguồn tài nguyên thiên nhiên từ biển đã trở thành tiêu điểm cạnh tranh quốc
tế. Dầu mỏ vẫn được coi là nguồn năng lượng chính cho toàn thế giới tới năm 2025.
Thống kê của IEO2004 cho thấy, với nhu cầu đòi hỏi về dầu mỏ tăng lên 1,9% mỗi
năm thì trong vòng 24 năm tới, mức tiêu thụ 77 triệu thùng/ngày năm 2001 sẽ tăng
lên tới 121 triệu thùng/ngày vào năm 2025, mà nhu cầu lớn nhất sẽ là từ Mỹ và các
nước đang phát triển ở châu Á như Ấn Độ, Trung Quốc… Các quốc gia này có thể
sẽ chiếm tới 60% nhu cầu của thế giới [1].
Do đó thị trường năng lượng và cuộc chiến năng lượng trên thế giới sẽ ngày
càng nóng bỏng và gay gắt và giá dầu cũng sẽ khó có khả năng hạ nhiệt, cho dù
OPEC có tăng sản lượng dầu lên cao bao nhiêu đi chăng nữa, thì nguồn tài nguyên
thiên nhiên quý hiếm mà chúng ta gọi là “vàng đen” này cũng sẽ đứng trên bờ vực
của sự cạn kiệt và đẩy thế giới vào một sự khủng hoảng trầm trọng về năng lượng.
Vấn đề nóng bỏng này sẽ chỉ có thể được làm “hạ nhiệt” đi nếu như chúng ta tìm ra
được một nguồn năng lượng mới thay thế nó hoặc tận dụng và tìm cách khai thác
triệt để các nguồn năng lượng tuần hoàn sẵn có trong tự nhiên như: năng lượng gió,
năng lượng mặt trời hay các nguồn năng lượng có thể tái tạo lại.
1.1.2. Khí tự nhiên
Cùng với dầu mỏ, gần đây, khí thiên nhiên đã và đang được coi là một trong
những nguồn nhiên liệu có nhu cầu tiêu thụ rất lớn trên thế giới với nhu cầu hàng
năm tăng nhanh nhất, trung bình 2,2% kể từ năm 2001 đến 2025, so với nhu cầu
tiêu thụ tăng 1,9% hàng năm đối với dầu mỏ và 1,6% hàng năm đối với than. Nhu
cầu tiêu thụ khí thiên nhiên vào năm 2025 ước tính sẽ là 151 nghìn tỷ feet khối, tăng
lên gần 70% so với nhu cầu tiêu thụ của năm 2001 (khi đó là 90 nghìn tỷ feet khối).
Như vậy, mức tiêu thụ khí thiên nhiên trong tổng các loại năng lượng tiêu thụ sẽ
tăng từ 23% năm 2001 lên 25% vào năm 2025 [1].
9
Cho dù mức độ tiêu thụ khí thiên nhiên tăng cao, đặc biệt là trong thập niên
vừa qua, thì trữ lượng khí để sản xuất sản phẩm khí thiên nhiên ở hầu hết các khu
vực vẫn còn khá lớn và ước tính sẽ dùng được trong khoảng 60,7 năm nữa. Trung
và Nam Mỹ có trữ lượng khí tự nhiên đủ cho khoảng 68,8 năm; Các nước Cộng hòa
thuộc Liên bang Xô Viết cũ khoảng 75,5 năm, châu Phi 88,9 năm còn riêng Trung
Đông thì trữ lượng khí quy đổi khí thành phẩm đủ cung cấp cho hơn 100 năm nữa.
1.1.3. Than
Là nguồn nhiên liệu hóa thạch được sử dụng từ lâu nhất trên thế giới. Tổng
trữ lượng than trên toàn thế giới được ước tính khoảng 1.083 tỷ tấn, đủ cung cấp
cho khoảng 170 năm nữa với mức tiêu thụ như hiện nay. Mặc dù phân bố rộng rãi
nhưng 60% trữ lượng than của thế giới tập trung ở 3 quốc gia: Mỹ (25%); Liên Xô
cũ (23%) và Trung Quốc (12%). Bốn quốc gia khác là Úc, Ấn Độ, Đức và Nam Phi
chiếm khoảng 29%. Trong năm 2001, 7 quốc gia này đã cung cấp tới 80% sản
lượng than cho toàn thế giới.
Các đặc trưng về chất lượng và địa chất của trầm tích than cũng là các tham
số rất quan trọng đối với trữ lượng than. Than là loại năng lượng hóa thạch hỗn tạp
hơn rất nhiều so với dầu mỏ và khí tự nhiên và chất lượng của nó biến đổi theo từng
khu vực hay thậm chí ngay bên trong cùng một vỉa than. Ví dụ như Úc, Mỹ hay
Canada có chứa than với hàm lượng bitum rất cao dùng để sản xuất than cốc và 3
quốc gia này bán ra 81% than cốc cho thế giới năm 2002.
Một loại than có chứa hàm lượng Bitum thấp hơn gọi là “than nâu” hay than
non, không có tính thương mại trên thị trường thế giới vì lượng nhiệt rất thấp. Năm
2001, than non chiếm khoảng 18% tổng sản lượng khai thác trên toàn thế giới. Ba
nước đứng đầu về sản xuất than non đó là Đức (193 triệu tấn), Nga (110 triệu tấn),
Mỹ (84 triệu tấn) với lượng than non sản xuất chiếm 41% tổng sản lượng của toàn
thế giới năm 2001 [1].
Như vậy là chúng ta đã vừa điểm qua về khả năng cung cấp cũng như trữ
lượng của các nguồn nhiên liệu chủ yếu được sử dụng trên thế giới. Đứng trước tình
hình nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, các nước trên thế giới đang cố
gắng khai thác thêm các nguồn năng lượng khác như năng lượng hạt nhân, thủy
triều, gió, mặt trời, địa nhiệt, hay năng lượng sinh học. Trong đó, năng lượng sinh
học sẽ góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng, thúc đẩy tăng trưởng kinh tế, giảm
10
thiểu ô nhiễm môi trường. Vì vậy nhiều quốc gia trên thế giới đã có kế hoạch đầu tư
lớn vào lĩnh vực này.
1.2. Hydro là một nguồn năng lƣợng ƣu việt
Hydro là một nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố với
nguyên tử khối bằng 1. Ở trạng thái tự do và trong các điều kiện bình thường, hydro
không màu, không mùi và không vị, tỉ trọng bằng 1/14 tỉ trọng của không khí. Nhiệt
độ cháy của hydro có thể lên đến 3.000oC nếu cháy trong ôxy, cao nhất so với tất cả
các loại khí khác như khí methane (CH4) đạt 2.148oC, propane (C3H8) đạt 2.385oC
[32, 34].
Với các đặc tính này, hydro sẽ là một nguồn nhiên liệu quan trọng trong
tương lai, phục vụ cho nhu cầu năng lượng của con người. Bởi hydro là một loại
nhiên liệu tái sinh, thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm, không phát thải
ra khí gây hiệu ứng nhà kính, hydro khi cháy rất “sạch” vì phản ứng cháy của hydro
chỉ tạo ra nước [14].
Người ta có thể sản xuất hydro từ nhiều nguồn khác nhau như: hóa nhiệt
nhiên liệu hydrocarbon với các phương pháp hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước,
khí hóa hydrocarbon nặng hoặc khí hóa sinh khối và nhiệt phân, điện phân nước,
phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydro và oxy và phương
pháp sinh học [25, 27].
Ứng dụng của hydro trong tƣơng lai
Hydro sử dụng làm nhiên liệu động cơ: Khi dùng làm nhiên liệu, hydro có
thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, tương tự như trong các loại
phương tiện giao thông chạy bằng nhiên liệu hóa thạch phổ biến hiện nay. Hydro
cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân
dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng…[31,34]
Hydro còn được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin
nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng. Bên cạnh những ưu điểm của
hydro như đã nêu (sạch, tái sinh…), pin nhiên liệu còn chạy rất êm, không gây ra
tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Do dựa trên cơ chế của quá trình điện
hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốt như ở động cơ đốt trong, pin
nhiên liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong, vì thế
mà tiết kiệm năng lượng hơn [34, 36]. Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu
11
từ hydro đang ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầy
triển vọng, một thành phần chủ chốt của nền kinh tế hydro trong viễn cảnh tương
lai.
Sản xuất điện bằng pin nhiên liệu hydro sẽ không cần máy phát điện, không
cần những tuốc bin đồ sộ, không có cả những cơ cấu chuyển động, không dầu nhớt
bôi trơn, không có tiếng ồn, không khói xả. Điện từ các pin nhiên liệu hyđro có thể
sản xuất mọi nơi, mọi công suất từ vài watt cho đến hàng trăm kilowatt hoặc hàng
trăm megawatt cho mọi nhu cầu. Vì vậy, rất thích hợp để xây dựng các trạm phát
điện cho các vùng sâu, vùng xa, hoặc trạm điện độc lập tự cung cấp cho các thành
phố, các cao ốc mà không cần đến nguồn điện lưới từ trung tâm cung cấp phân phối
điện quốc gia [32].
Những vấn đề về môi trường ô nhiễm do sử dụng năng lượng hyđro gây ra sẽ
không còn là đề tài nghiên cứu tiêu hao tiền tốn của và sức lao động của các nhà
khoa học, không còn là đầu đề của các hội nghị quốc tế triền miên về biến đổi khí
hậu toàn cầu như khi sử dụng năng lượng hóa thạch.
Đây thực sự là một cuộc cách mạng sâu sắc trong tiến trình phát triển của xã
hội loài người và được đánh giá có ý nghĩa như cuộc cách mạng công nghiệp trước
đây, khi phát minh ra đầu máy hơi nước với việc sử dụng nhiên liệu than đá.
1.3. Một số phƣơng pháp sản xuất hydro sinh hoc
1.3.6. Sản xuất hydro bằng điện
Sản xuất H2 bởi điện bằng cách cho dòng điện qua một điện dẫn điện trong
nước (kiềm hoặc polyme), kết quả tách phân tử H2O thành H2 và oxy (O2). Hydro
được sản xuất bởi điện có chất lượng tương đối cao, không có carbon, lưu huỳnh,
hoặc hợp chất được tạo ra trong quá trình.
1.3.7. Sản xuất hydro bởi khí metan (SMR)
Quá trình SMR thường sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao (800oC) phản ứng với
khí mêtan (CH4), tạo thành H2 và carbonmonoxide (CO) (phản ứng 1). Sau đó khí
CO phản ứng với hơi nước để tạo thành carbondioxide (CO2) và bổ sung H2 (phản
ứng 2).
CH4 + H2O → CO + 3H2, Ho298 = 206 kJ/mol (phản ứng 1)
CO + H2O → CO2 + H2, Ho298 = -41 kJ/mol (phản ứng 2)
1.3.8. Sản xuất Hydro bởi hơi nước của oxy hóa hydrocacbon
12
Hydro có thể sản xuất bằng cách oxy hóa hơi nước hoặc dung dịch của nhiều
hydrocacbon khác nhau như methanol, ethanol, glycerol, glucose hoặc sử dụng
nhiệt độ và chất xúc tác. Oxy hóa hydrocacbon có thể được thực hiện trong môi
trường nước có mặt bạch kim dựa chất xúc tác để tạo ra khí H2 (Chornet E, Czernik
S. Renewable fuels: harnessing hydrogen, Nature 2002; 418; 964-7). Các chuyển
đổi diễn ra ở nhiệt độ khoảng 225- 265oC, và áp suất 27- 54 bar. Sử dụng glycerol
10% tại 29 bar và 225o C, sản xuất ra 64,8 mol H2. 56 bar và 265°C, 57 mol H2 đã
được tạo ra.
1.3.4. Lên men sinh hydro phụ thuộc ánh sáng
Như chúng ta đã biết, ánh sáng và nước là những nguồn tài nguyên phong
phú, do đó, trong vấn đề sản xuất hydro thì sự quang phân sinh học nước thành H2
và O2 là một giải pháp đầy hứa hẹn. Tuy nhiên có một vài vấn đề với giải pháp đó
[9]:
•
Sản xuất hydro bằng quang phân sinh học đòi hỏi bioreactor với tỉ lệ
bề mặt trên thể tích lớn để ngăn ngừa sự hạn chế ánh sáng. Đây không phải là một
vấn đề trong sản xuất quy mô nhỏ, nhưng vượt quá quy mô phòng thí nghiệm sự
hạn chế ánh sáng sẽ trở nên rõ rệt hơn và gây nhiều cản trở.
•
Hydro sản xuất bởi hydroase bị ức chế bởi oxi đồng sản xuất, thậm
chí ở nồng độ thấp 1mM. Người ta đã tìm nhiều biện pháp để giảm thiểu sự ức chế
bởi O2 nhưng không phương pháp nào được chứng minh là hiệu quả cho đến nay.
•
Tỉ lệ điện tử được chuyển giữa hệ thống quang hóa II và I là chậm
hơn 10 lần so với tỉ lệ mà ánh sáng bị bắt giữ khi vi sinh vật hấp thụ ánh sáng mặt
trời. Do đó, 90% năng lượng được gia tăng ở dạng các photon bị mất như nhiệt hoặc
huỳnh quang. Bởi vì những trở ngại này của việc sản xuất hydro phụ thuộc vào ánh
sáng được ước tính là giới thiệu thương mại ít nhất 30 năm nữa.
1.3.5. Lên men tối sinh hydro
Trái ngược với sự lên men sáng sinh hydro, lên men không phụ thuộc ánh
sáng hay lên men tối sinh hydro là một quá trình sản xuất sinh học có thể được thực
hiện một khoảng thời gian ngắn hơn để tạo thành khí hydro, khí CO2, acid acetic và
acid lactic cùng một vài chất khác [5, 15].
Lên men tối tạo hydro là một hiện tượng phổ biến trong điều kiện thiếu ôxy
hoặc kỵ khí (hay không có oxy hiện diện như là một nhận điện tử). Nhiều loại vi
khuẩn sử dụng sự khử proton thành hydro để loại đi đương lượng khử (reducing
13
equivalent) là kết quả của quá trình chuyển hóa sơ cấp. Nói một cách khác, khi vi
khuẩn phát triển trên cơ chất hữu cơ thì những cơ chất này bị suy giảm bởi quá trình
oxy hóa. Quá trình oxy hóa này tạo ra những electron mà cần được loại bỏ để duy
trì sự trung hòa điện tử. Trong môi trường hiếu khí, oxy bị khử và H2O là sản phẩm.
Tuy nhiên trong môi trường kị khí hoặc thiếu oxy, các hợp chất khác cần phải được
hoạt động như một chất nhận điện tử, ví dụ như proton cái mà bị khử để thành H2
phân tử. Một ví dụ khác của các chất nhận điện tử thay thế trong môi trường kị khí
là nitrat với khí N2 như một sản phẩm hoặc sulfat với H2S là sản phẩm khử. Thậm
chí các hợp chất hữu cơ có thể hoạt động như chất nhận điện tử như ví dụ như sự
sản xuất butanol từ vi sinh vật được thực hiện thông qua sự khử acid butiric. Khả
năng để khử một chất nhận điện tử không phải là ôxy yêu cầu sự có mặt của hệ
enzym đặc biệt trong vi sinh vật, ví dụ: vi khuẩn sản sinh H2 có chứa enzym
hydrogenase, vi khuẩn khử nitrat có chứa một hệ enzym phức tạp có khả năng khử
từng bậc nitrat về N2…. Mặc dù, rất nhiều hợp chất hữu cơ có thể sử dụng để sản
xuất H2 trong quá trình lên men tối, nhưng ước tính năng suất tiềm năng hầu hết dựa
trên sự chuyển đổi hexose. Năng suất lí thuyết trên mol glucose được mô tả trong
phản ứng sau:
C6H12O6 +4 H2O = 2CH3COO- + 2HCO3- + 4H+ + 4H2∆G’o = -206 kj/mol
Tối đa là 4 mol H2 trên một mol glucose có thể được sản xuất đồng thời với
việc sản xuất năng lượng (206 kJ trên một mol glucose) là đủ để hỗ trợ cho sự tăng
trưởng của vi khuẩn. Phần còn lại của hydro trong hexose được bảo tồn trong sản
phẩm phụ là acetate, và trong những điều kiện không lí tưởng, thì có sự hình thành
nhiều sản phẩm khử như ethanol, lactate hoặc alanine. Các quá trình oxy hóa hoàn
toàn đường để thành H2 và CO2 tạo ra 12 mol H2 trên mỗi mol glucose theo lí
thuyết, nhưng trong trường hợp này không có năng lượng chuyển hóa thu được. Sản
lượng của hydro trong quá trình lên men tối bị ảnh hưởng bởi áp suất riêng phần
(partial pressure) của sản phẩm. Khi áp suất riêng phần H2 cao sẽ thay đổi quá trình
chuyển hóa để sản xuất nhiều sản phẩm khử hơn, như lactate hoặc alanine, do đó
làm giảm năng suất của H2. Người ta đã biết được việc sản xuất hydro từ vi sinh vật
là một hiện tượng phổ biến, nhưng hẳn là đáng ngạc nhiên khi không thấy có bóng
khí hydro thoát ra khỏi những đống chất thải hữu cơ hoặc các ống cống. Lý do cơ
bản là vì trong tự nhiên có rất nhiều vi khuẩn khác dễ dàng tiêu thụ hydro như một
nguồn năng lượng khử. Khi mục đích là để sản xuất hydro từ chất hữu cơ thì một
14
môi trường cụ thể cần phải được tạo ra trong đó các vi sinh vật sản sinh H2 phát
triển mạnh còn những sinh vật khác, đặc biệt là những vi sinh vật có khả năng tiêu
thụ hydro thì không có mặt [9].
Như vậy, so với lên men phụ thuộc ánh sáng thì lên men tối có ưu thế cao
hơn rất nhiều. Đó là có thời gian thực hiện ngắn hơn, phù hợp với các loài vi khuẩn
ưa nhiệt cực cao như Thermotoga neapolitana. Đồng thời trong quá trình này có
khả năng chuyển đổi nhiều cơ chất hữu cơ và các phụ phẩm từ đường và tạo ra
nhiều đồng sản phẩm có giá trị. Điều quan trọng là so với việc lên men phụ thuộc
ánh sáng thì công nghệ lên men tối dễ ứng dụng và đã được thương mại hóa [7, 9,
14].
1.5. Sản xuất H2 sinh học theo con đƣờng lên men tối
H2 có thể được sản xuất sinh học bởi vi sinh vật, và do những yêu cầu đã
được đề cập ở trên cho nguồn năng lượng mới, một số vi sinh vật sản xuất H2 đã
được phân lập và nghiên cứu trong một vài năm gần đây [10, 33]. Tất cả các
phương pháp được biết đến của việc sản xuất H2 sinh học dựa trên các enzym xúc
tác cho các phản ứng hóa học 2H+ + 2 e- ↔ H2.
Hình 1.1. Cơ chế hình thành hydro từ glucose ở Thermotoga neapolitana
[Schu và Adam, 2009]
15
Cho đến nay, 3 loại enzym thực hiện phản ứng này đã được mô tả:
Nitrogenase, Fe-hydrogenase và NiFe-hydrogenase [11]. Nitrogenase có thể khử
các cơ chất khác nhau, nhưng trong trường hợp không có các chất nền khác thì điện
tử được chuyển cho proton.
Fe-hydrogenase được tìm thấy trong vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt, nơi mà
chúng loại bỏ các điện tử dư thừa trong sự lên men và chuyển chúng cho proton.
NiFe-hydrogenases thường chuyển điện tử từ H2 để khử NADP.
Trong quá trình lên men, NADH và Ferredoxin khử được tạo ra với tỉ lệ 1:2.
Các electron được truyền bởi NAD/NADH tới Ferredoxin. Sau đó hydrogenase
truyền các electron từ ferredoxin khử đến proton để tạo thành hydro.
Pyruvat được tạo ra từ đường phân bị ôxy hóa thành acetyl-CoA dưới điều
kiện kị khí acetyl-CoA có thể được chuyển thành acetyl-phosphate và dẫn đến sự
tạo thành ATP và acetate Sự ôxy hóa acetate thành acetyl-CoA đòi hỏi sự khử
Ferredoxin. Ferredoxin khử bị ôxy hóa bởi hydrogenase cái mà tạo ra Ferredoxin và
giải phóng ra các điện tử là các phân tử hydro [26].
Ta có phương trình chung như sau:
NADH + 2Fdred + 3H+ → 2H2 + NAD+ + 2Fdox
Trên thực tế, sản lượng H2 cao được đi cùng với sự sản xuất acetate. Sự hình
thành lactate hoặc ethanol là một con đường hoàn chỉnh nhưng tạo ra sản lượng H2
thấp [18].
Những hạn chế hiện tại của con đường lên men H2 là sản lượng thực tế còn
thấp, các nguồn cơ chất như tinh bột tan và đường đơn thì quá đắt. Do đó, cần có
những biện pháp nghiên cứu để có thể vượt qua những thách thức này.
Một trong số đó là chúng ta phải tìm ra những nguồn cơ chất mới, rẻ và dồi
dào trong tự nhiên, như các phế, phụ phẩm nông - công nghiệp để tận dụng làm
nguyên liệu đầu vào cho quá trình nuôi cấy vi sinh vật sản sinh hydro. Điều đầu tiên
mà ta cần quan tâm đến là phạm vi của các hợp chất hữu cơ mà có thể được sử
dụng. Điều thứ hai là liên quan đến chất lượng của các nguyên liệu có thể được sử
dụng cho sự lên men tối hydro. Phạm vi của các cơ chất tiềm năng có thể được sử
dụng bởi nhiều loại vi khuẩn sản xuất hydro khá là rộng và có thể mở ra nhiều
nghiên cứu xa hơn. Từ quan điểm nhiệt động lực học, sự chuyển hóa của
carbohydrate thành hydro và acid hữu cơ được ưu tiên vì nó mang lại lượng hydro
16
cao nhất/1mol cơ chất. Những carbohydrate này có thể là monosacharide nhưng
cũng có thể là polyme như cellulose, tinh bột hoặc xylan... Thực tế, không có nhiều
nghiên cứu về sự sản xuất hydro qua quá trình lên men tối. Điều này, cùng với số
lượng lớn các loài vi sinh vật sản xuất hydro, cho phép đưa ra các ý kiến cho rằng
hầu hết các carbohydrate là một nguyên liệu phù hợp với sự lên men H2 tối. Protein,
peptide và các amino acid ít phù hợp hơn đối với sự lên men tối sinh hydro, trong
khi polime sinh học như lipid sẽ là không phù hợp [9].
Việc sử dụng được nhiều dạng carbohydrate cũng là một tiềm năng lớn của
quá trình lên men tối, tức là phạm vi rộng của các cơ chất hữu cơ tiềm năng có thể
được sử dụng bởi vi sinh vật. Các nhà nghiên cứu cho rằng một vài dạng của các
chất thải hữu cơ trải dài từ các chất thải rắn như trấu, rơm rạ đến các chất thải lỏng
từ các nhà máy đường và nhà máy sản xuất rượu gạo, đã được sử dụng thành công
cho sản xuất hydro từ quá trình lên men tối. Như đã nêu ở trên, các vi sinh vật sản
sinh hydro có thể chuyển đổi các polymer sinh học như cellulose, tinh bột và xylan
thành hydro và các acid hữu cơ. Điều này là rất thuận tiện, bởi vì chúng ta chỉ cần
thực hiện bước tiền xử lí cơ chất để có được một nguồn cơ chất dễ phân giải cho vi
sinh vật. Tuy nhiên, ngoài các nguyên liệu dễ dàng phân hủy như tinh bột và
cellulose, thành phần chính của các nguyên liệu thay thế trong tương lai có lẽ hầu
hết là một lượng lớn bắt nguồn từ nguyên liệu lignocellulose thô- một chất có rất
nhiều trong cỏ, gỗ, các thành phần của gỗ, lõi ngô, rơm rạ…. Lignocellulose là một
polimer sinh học có chứa lignin được gắn kết chặt chẽ, cellulose và hemicellulose.
Phức hợp này khó bị phá hủy thành các thành phần polimer và các monomer đơn lẻ.
Do đó, sự phân giải cơ chất chứa lignocellulose thành các đường pentose và hexose
sẽ trở nên khó khăn, tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí. Hơn nữa, lignin cản trở
một cách mạnh mẽ việc sử dụng cellulose và hemixenlulose bởi vì các liên kết trong
lignocellulose chống lại sự biến đổivà quá trình phân giải hóa học lignin thường ức
chế sự tăng trưởng của vi sinh vật [9, 29]. Do đó, hiển nhiên rằng sản xuất nguyên
liệu giá rẻ sẽ đòi hỏi sự phát triển của các phương pháp tiền xử lí hiệu quả với giá
thành và một yêu cầu năng lượng thấp.
1.5. Một số loài vi khuẩn sản xuất hydro thông qua con đƣờng lên men tối
1.5.1. Vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt
Nhiều vi khuẩn yếm khí có thể sản xuất H2 từ hexoses trong qua quá trình lên
men tối. Clostridium butyricum, C. welchii, C. pasteurianum, C.beijerincki và hỗn
17
hợp của clostridia đã được sử dụng trong các nghiên cứu sản xuất của H2 sử dụng
một số hydrocarbon như tinh bột, cellulose, hemicellulose và xylan. (Taguchi và
cộng sự, 1996b).
Nhiều loại vi khuẩn yếm khí có thể lên men sinh H2 từ nguồn carbohydrate
như là loài Anaerocellum, Caldicellulosiruptor, Dictyoglomus, Fervidobacterium
Spirocheta, Thermotoga và Thermoanaerobacter. Tại 80ºC, Thermotoga maritime
cho sản lượng H2 là 4 mol/1 mol glucose tương đương với giá trị lý thuyết. Gần
đây, sản xuất H2 của C. saccharolyticus nuôi cấy trên sucrose ở 70ºC và
Thermotoga elfii nuôi cấy trên đường tại 65ºC thu được là 3,3 mol H2 đạt 83% theo
lý thuyết (Eriksen và các cộng sự, 2008).
1.5.2. Vi khuẩn kị khí không bắt buộc
Vi khuẩn kị khí tuỳ tiện là ít nhạy cảm với oxy. Enterobacter là có nhiều đặc
điểm phù hợp cho sản xuất H2 như tăng trưởng cao khi sử dụng một loạt nguồn
carbon, không có sự ức chế bởi áp lực H2 cao nhưng năng suất H2 trên đường là ít
hơn so với so với các vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt như chủng của Enterobacter có
thể sản xuất 1 mol hydro/ mol glucose (Tanisho và Ishiwata, 1995; Tanisho và cộng
sự, 1998). E. coli đã được chứng minh là có khả năng sản xuất H2 và CO2 khi không
có mặt của O2 (Nandi và Sengupta, 1998).
1.5.3. Vi khuẩn hiếu khí
Một số vi khuẩn hiếu khí như Alcaligenes eutrophus và Bacillus
licheniformis có khả năng sản xuất H2 khi tiếp xúc với điều kiện yếm khí với sản
lượng 0,5 mol/ mol glucose [46]
Những kết quả này cho thấy sản lượng hydro cao hơn trên hexose có thể đạt
được bởi vi khuẩn ưa nhiệt cao và cực cao so với vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt và vi
khuẩn kị khí không bắt buộc ưa nhiệt trung bình. Sản lượng khoảng 83-100% của
giá trị lý thuyết tối đa là 4,0 mol H2/mol đường.
18
1.6. Giới thiệu về Thermotoga neapolitana
a
b
Hình 1.2. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của T. neapolitana [14]
(hình a: Giai đoạn tăng trưởng theo cấp số nhân, hình b: Giai đoạn ổn định)
1.6.1. Lịch sử
Thermotoga neapolitana được phân lập lần đầu vào năm 1986, tại trầm tích
núi lửa biển nông gần Lucrino, vịnh Naples, Italia [35].
1.6.2.Phân loại
Thermotoga neapolitana thuộc:
Siêu giới: Vi khuẩn;
Ngành: Thermotogae;
Lớp: Thermotogae;
Bộ: Thermotogale;
Họ: Thermotogaceae;
Chi: Thermotoga [33]
1.6.3.Đặc điểm hình thái và sinh thái
•
Tế bào hình que, Gram âm, tồn tại riêng biệt hoặc theo cặp; dài: 1,1 1,5 μm, rộng: 0,6 μm
•
Thành tế bào dày đặc biệt so với các tế bào gram âm khác
•
Các tế bào cố định, không tiên mao, không tạo bào tử
•
Thermotoga neapolitana sống trong môi trường có khoảng nhiệt độ từ
50- 90oC, nhiệt độ tối ưu là 75oC, pH trong khoảng từ 5- 9, tối ưu ở pH=7,5. Phát
triển cả trên môi trường lỏng và rắn [35].
19
Hình 1.3. Đồ thị biểu diễn sự tăng trưởng của T.neapolitana ở các nhiệt độ và pH
khác nhau trong môi trường nước biển (Theo Belkin và cộng sự (1986)). [14]
1.6.4. Đặc điểm hệ gen
•
NST dạng tròn
•
Hệ gen có 1800 kb
•
Tỉ lệ G + C là 41,3 % [35]
1.6.5. Đặc điểm tế bào và chuyển hóa
• Điểm nóng chảy của lipid trong màng cao Giúp ổn định và duy trì cấu trúc
màng
• Giảm thiểu lượng nước tự do trong tế bào, sử dụng reverse DNA gyrase
DNA cuộn xoắn được nhiều hơn
• RNA không chứa các trình tự extra (đoạn phình ra, bất đối xứng, các bất
thường khác…) được cắt đi để giảm thiểu kích thước [31, 35]
Từ những đặc điểm về cấu trúc tế bào và chuyển hóa trên của chúng ta có thể
thấy rằng những đặc điểm đó đều giúp cho chủng vi khuẩn này thích nghi với điều
kiện sống khắc nghiệt trong môi trường có nhiệt độ cao.
1.6.6. Hydrogenase của Thermotoga
Enzyme chịu trách nhiệm sản xuất hydro (H2) kết hợp hydro và proton tương
đương (2H + + 2e-) là những hydrogenase (EC 1.12.99.6 và EC1.12.7.2) cũng tác
20
động ngược lại vào quá trình oxy hoá của phân tử hydro. Trong kỵ khí ưa nhiệt, hai
loại chính của hydrogenases tìm thấy dựa trên hàm lượng kim loại của chúng là: [Fe
-Fe] và [Ni- Fe] hydrogenase.
Hơn nữa, hydrogenases có thể sử dụng các loại điện tử khác nhau như NAD,
NADP, FAD và ferredoxin (Fd), bị giảm trong con đường thuỷ phân glucose và đặc
biệt trong chuyển đổi của glyceraldehyde-3-P thành glycerate 3-P và pyruvate thành
acetyl-CoA.
Trong hầu hết các quá trình lên men các điện tử đươ ̣c tạo ra (NADH và Fdred)
cần phải được oxy hóa để giữ cho các hoạt động đường glycolytic và cơ chế xử lý
này có thể khác nhau giữa các quá trình sản xuất hydro ở nhiệt đô ̣ khác nhau
(Jenney và Adams 2008). Các enzyme được bất hoạt trong sự có mặt của oxy, bao
gồm ba tiểu đơn vị- HydA (73 kDa, HydB (68 kDa) và HydC (18 kDa) tỷ lệ
01:01:01.
Thông qua việc sử dụng một phương pháp nghiên cứu đã tìm thấy được cấu
trúc operon của T. neapolitana trong cả trình tự sắp xếp và khoảng cách của các
ORF (Tosatto et al. 2008). Cụ thể, chúng có thể giữ lại ít nhất là 75% đến tối đa
91% cho tất cả các sản phẩm gen với sự tham gia tiểu đơn vị hydrogenase [Fe -Fe].
Trong một cấp độ ADN, hai chuỗi có sự đồng nhất đến 82%, với tổng số 375 đột
biến nucleotide, bao gồm ba mã đột biến tương ứng với đột biến R363E (GAA →
AGG), E475S (GAG → TCC) vàT539L (ACA → GTG).
Hình 1.4. Mô hình cấu trúc của protein HydA Thermotoga neapolitana
21
a. Hình mẫu được hiển thị bên dưới một bề mặt trong suốt. Cụm sắt-lưu
huỳnh được hiển thị dạng hình cầu.
b. Mặt cắt nửa trên của mô hình. Phần còn lại của protein HydA
T. neapolitana được hiển thị như đường màu xanh. Phần còn lại đột biến
tạo thành một phần của kênh kỵ đường A (E475S) và B (T539L), là màu
đỏ
c. Cùng mô hình như ảnh b, xoay 90 ° quanh trục x để hiển thị phân tử, nơi
lối vào kênh kỵ nước (Tosatto et al. 2008).
1.6.7. Những đặc điểm của phù hợp với việc sản xuất hydro
• Trong chi Thermotoga, Thermotoga neapolitana được coi là “mạnh” nhất vì
thích nghi với các điều kiện khác nhau, các nguồn cacbon khác nhau và sản sinh ra
lượng hydro cao nhất Mục tiêu hấp dẫn trong thương mại và công nghiệp.
• Có thể phát triển trên các loại đường: mono và polysaccharide: Galactose,
glucose, lactose, mantose, tinh bột, sucrose, xylose…
• Các amino acid không hỗ trợ sự tăng trưởng của Tn Có thể phát triển trên môi
trường thiếu protein
•
Sản lượng H2 cao (khoảng 83- 100% theo định lượng lí thuyết)
•
Ít lây nhiễm bởi nhiệt độ phát triển cao (65- 90oC)
•
Chịu đựng tốt hơn đối với áp suất riêng phần hydro cao so với các chủng khác
• Chuyển hóa được cả đường C5 và C6 (nên có thể tận dụng được các phụ phẩm
rẻ tiền) [10, 14, 20].
Bảng 1.1. Tỷ lệ và hiệu suất sản xuất hydro từ rác thải công nghiệp, nông nghiê ̣p
thuỷ phân bởi T. neapolitana trong phòng thí nghiê ̣m
toC
Cơ chấ t
Nguồ n
cacbon
Thành
phầ n xƣ̉ lý
Tỷ lê ̣ sản
xuấ t H2
(mmol/L/h)
Hiêụ
suấ t H2
Nguồ n tham
khảo
80
Cỏ
Miscanthus
Xylose,
glucose
NaOH,
enzym
13,1
3,2
De Vrije và cs
2009
75
Rơm ra ̣
Xylose,
glucose
Xử lý phố i
hơ ̣p
4,7
2,5
Nguyen và cs
2010b
75
Sinh khố i
tảo
Dextrin,
tinh bô ̣t,
Enzyme
thuỷ phân
227,3
2,7
Nguyen và cs
2010c
22
80
Bô ̣t cà rố t
Glucose,
fructose,
sucrose
Enzyme
thuỷ phân
12,5
2,7
De Vrije và cs
2009
75
Chấ t thải
sản xuất
Biodiesel
Glycerol
MeOH,
EtOH
-
2,73
Ngo và cs
2011a
77
Mâ ̣t đường
Glucose,
fructose,
sucrose
-
1,2
2,95
Cappelletti
và cs 2012
77
Whey
phomat
Lactose,
glucose,
galactose
-
0,9
2,5
Cappelletti
và cs 2012
Bảng 1.1. là tổng hợp các kết quả nghiên cứu khi sử dụng T. neapolitana lên
men hydro trong phòng thí nghiệm của các nghiên cứu gần đây trên thế giới. Kết
quả nghiên cứu của Nguyen và cs cho thấy sử dụng sinh khối tảo với nguồn cacbon
là dextrin và tinh bột sẽ cho tỷ lệ sản xuất hydro (mmol/L/h) đạt hiệu quả cao nhất,
còn hiệu suất tạo hydro đạt 3,2 khi sử dụng nguồn cơ chất là cỏ Miscanthus có chứa
xylose và glucose.
1.7. Các nguồn nguyên liệu tái sinh
1.7.1. Chất thải sản xuất đường
Sản xuất đường là ngành công nghiệp quan trọng phổ biến rộng rãi trên toàn
thế giới. Trong quá trình sản xuất đường nhiều loại chất thải khác nhau như mật
đường, bã mía, và nước thải được tạo ra. Các loại rác thải là môi trường thích hợp
cho sự phát triển của vi sinh vật.
Trong môi trường chất thải từ nhà máy sản xuất đường bổ sung Acid Lmalic và Natri glutamate cho sản lượng hydro là 4,63L H2 mỗi lít chất thải. (Yetis et
al. 2000) Môi trường chất thải bổ sung hỗn hợp malate và glutamate sản lượng sản
xuất hydro tối đa 8,6L H2 mỗi lít chất thải
1.7.2. Chất thải sản phẩm sữa
Chất thải sản phẩm sữa, trong đó có sữa hoặc dư lượng pho mát và sữa, được
biết là có một lượng lớn các chất hữu cơ có giá trị COD dao động từ 5 và 50g/L
(Seifert et al. 2010a).
Nước thải nhà máy sữa có thêm malate 30% (v/v) hydro được sản xuất với
tốc độ và năng suất 5,5 ml H2/L/h và 2,0L H2/ L chất thải tương ứng. Sản lượng sản
23
xuất Hydro cao nhất 16,9L H2/L chất thải tương ứng là từ nước thải sản xuất sữa vô
trùng (Seifert et al. 2010a).
1.7.3. Bã đậu
Ở quy mô phòng thí nghiệm thì việc nuôi cấy chủng T. neapolitana với
nguồn Carbon đơn giản như glucose, xylose hay glycerol không bộc lộ nhiều hạn
chế về mặt kinh tế. Nhưng nếu như chúng ta muốn ứng dụng phương pháp sản xuất
hydro sinh học bởi chủng T. neapolitana trên quy mô công nghiệp thì điều này sẽ
bộc lộ nhược điểm về mặt kinh tế bởi vì giá thành đắt của nguồn cơ chất [28]. Vì
vậy, một nguồn cơ chất là phụ phẩm rẻ tiền rất cần được tìm ra để thay thế nếu
chúng ta muốn tiến hành sản xuất trên quy mô công nghiệp.
Đậu tương là một cây lương thực được trồng nhiều ở các nước châu Á trong
đó có Việt Nam vì đây là một cây lương thực có thể trồng được ở những vùng đất
không cần màu mỡ, cho năng suất cao và hàm lượng chất dinh dưỡng đáng kể. Phần
lớn đậu tương được sử dụng để chế biến ra các loại thực phẩm dùng trong đời sống
hàng ngày của con người như: sữa đậu nành, bột đậu nành và đậu phụ…Trong đó,
phần lớn đậu phụ được sử dụng như một món ăn thường xuyên của người dân. Mà
trong quá trình sản xuất đậu phụ thì ước tính có đến 30% đậu tương bị mất đi, vào
khoảng 8.105 tấn / năm ở Hàn Quốc và Nhật Bản [13]. Tuy nhiên, bởi nguồn bã đậu
có chứa hàm lượng các chất hữu cơ rất cao, lên đến 40 - 60% lượng carbohydrate
[35]. Do đó, bã đậu được xem là một nguồn nguyên liệu dồi dào và lí tưởng để thực
hiện việc sản xuất H2 sinh học.
Chính vì vậy, chúng ta có thể thu bã đậu với số lượng lớn ở các nhà máy sản
xuất và chế biến các sản phẩm từ đậu tương để phục vụ cho việc nuôi cấy trên quy
mô lớn. Ở Việt Nam hiện nay đã có nhà máy chế biến đậu nành với trị giá khoảng
100 triệu USD ở khu phức hợp cảng Phú Mỹ. Nhà máy có khả năng nghiền đậu
tương với công suất 3.000 tấn/ngày. Ở miền Bắc, tập đoàn Quang Minh cũng đã xây
dựng nhà máy nghiền đậu tương với công suất 1.000 tấn/ngày tại tỉnh Hưng Yên.
Đây là những tiền đề to lớn để phát triển sản xuất H2 từ cơ chất là bã đậu trong
tương lai.
Bởi vì bã đậu thô có khả năng hòa tan thấp, lượng carbohydrate hòa tan được
chỉ nhỏ hơn 15% [13], do đó, bước tiền xử lí bã đậu là vô cùng quan trọng để tăng
khả năng phân giải sinh học của nó và góp phần làm tăng sản lượng H2. Có nhiều
phương pháp tiền xử lí cơ chất như xử lí bằng kiềm, acid hay ionic liquid [24],
24
nhưng trong nghiên cứu này, sự acid hóa đã được lựa chọn làm phương pháp tiền
xử lí bã đậu vì nó giúp biến thể trạng thái hydrophobic của bã đậu thành dạng
hydrophilic để có thể dễ dàng bị enzym ngoại bào của vi khuẩn phân giải, đồng thời
dễ thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm [8, 13, 29].
1.7.4. Glycerol
Trong những năm gần đây, chất thải chứa glycerol từ các nhà máy sản xuất
dầu sinh học đã trở thành một nguồn nguyên liệu cho sản xuất hydro sinh học dồi
dào và đầy hứa hẹn. Nó được sản xuất ngày càng nhiều hơn như một sản phẩm phụ
của quá trình sản xuất dầu sinh học với tỉ lệ 10%. Người ta ước tính rằng, cứ 100kg
biodiesel được sản xuất thì 10kg glycerol sẽ được tạo ra. Nguồn chất thải hữu cơ dồi
dào này đã được ứng dụng trong các ngành sản xuất thuốc, công nghiệp nhựa, xà
phòng, kem đánh răng, sơn và một số sản phẩm khác cũng như là nguyên liệu đích
để chuyển đổi thành các sản phẩm có giá trị khác như lipid, 1,3- propanediol và các
sắc tố bởi quá trình lên men vi sinh. Do đó, glycerol được coi như là một nguồn
carbon chính cho sản xuất hydro sinh học thông qua con đường lên men kị khí [2, 6,
7].
Một số tính chất của glycerol
Glycerol là một rượu đa chức, gồm 3 nhóm - OH gắn vào gốc hydrocacbon
C3H5 (công thức hóa học là C3H5(OH)3). Glycerol là một chất lỏng không màu,
không mùi, nhớt, có vị ngọt (có 3 nhóm - OH), sôi ở 290oC, nóng chảy ở 17oC.
Phân tử khối 92,09382 g/ mol, độ nhớt 1,2 Pa °.
1.7.5. Rơm, rạ
Có thể nhấn mạnh rằng hydro sinh học là một nguồn năng lượng xanh với rất
nhiều ưu thế nhằm thay cho nhiên liệu dầu trong tương lai du nhu cầu ngày càng
cao của thế giới. Hơn nữa hyro là nguồn nhiên liệu dồi dào dễ có được từ các nguồn
năng lượng tái tạo khác nhau và đặc biệt là các nguồn phụ phẩm sinh học. Với lợi
thế là một quốc gia cố nền nông ngiệp và lâm ngiệp phát triền, nguồn lignocellulose
từ rơm, rạ, gỗ, chất thải hữu cơ, bùn, phân động vật vv… Nếu biết tận dụng hợp lý
thì đây sẽ là một nguồn cung cấp nguyên liệu đầu vào dồi dào cho việc tạo ra hydro,
nguồn năng lượng xanh trong tương lai. Cứ 1kg hạt lúa thu được tương ứng 1- 1,5
kg rơm (Maiorella, 1985). Ước tính khoảng 650- 975 triệu tấn rơm rạ được sản xuất
mỗi năm trên toàn Thế giới và phần lớn chúng được dùng làm thức ăn gia súc và
phần còn lại là lãng phí. Trong rơm có một số đặc điểm mà làm cho nó có tiềm năng
25
