Phân lập và tuyển chọn một số chủng clostridium sp kị khí ưa ấm có khả năng sinh hydro từ phân gia súc tại miền bắc việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thị Hồng Huệ

PHÂN LẬP VÀ TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG
Clostridium sp. KỊ KHÍ ƯA ẤM CĨ KHẢ NĂNG SINH
HYDRO TỪ PHÂN GIA SÚC TẠI MIỀN BẮC VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thị Hồng Huệ

PHÂN LẬP VÀ TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG
Clostridium sp. KỊ KHÍ ƯA ẤM CĨ KHẢ NĂNG SINH
HYDRO TỪ PHÂN GIA SÚC TẠI MIỀN BẮC VIỆT NAM

Chuyên ngành
Mã số

: Vi sinh vật học
: 60.42.01.07

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Bùi Thị Việt Hà

Hà Nội - 2016


LỜI CẢM ƠN

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Bùi Thị Việt Hà,
người đã giúp tôi tiếp cận đề tài, tận tâm chỉ bảo, hướng dẫn tơi trong q trình thực hiện
đề tài, tạo mọi điều kiện giúp tơi vượt qua khó khăn để hồn thành đề tài này.
Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tới các thầy cô trong Bộ môn Vi sinh vật học
Khoa Sinh học, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN đã dạy dỗ, cung cấp cho tôi
những kiến thức nền tảng, cơ bản và kinh nghiệm q báu trong q trình học tập để
hồn thành luận văn tốt nghiệp của mình.
Đồng thời tơi xin chân thành cảm ơn phịng thí nghiệm Bộ mơn Vi sinh vật học,
Phịng thí nghiệm Nano và ứng dụng, Khoa Sinh học và Khoa Môi trường Đại học Khoa
học Tự nhiên, Viện vi sinh vật và Công nghệ sinh học – ĐHQGHN, Trung tâm kiểm định
môi trường – Cục cảnh sát môi trường Hà Nội đã giúp đỡ tận tình và tạo điều kiện tốt
nhất cho tơi trong q trình nghiên cứu.
Cuối cùng, cho phép tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, bạn bè đã
ln động viên, khuyến khích, giúp đỡ tơi trong suốt q trình hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!!!
Hà Nội, ngày 20 tháng 8 năm 2016
Học viên

Nguyễn Thị Hồng Huệ

Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG I - TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................3
1.1. Thực trạng nguồn năng lượng thế giới và nhu cầu tìm nguồn năng lượng
thay thế .................................................................................................................. 3
1.1.1. Dầu mỏ ......................................................................................................5
1.1.2. Khí tự nhiên ...............................................................................................5
1.1.3. Than...........................................................................................................5
1.2. Đặc điểm một số nguồn năng lượng thay thế ............................................. 6
1.2.1. Năng lượng nguyên tử ...............................................................................6
1.2.2. Năng lượng mặt trời ..................................................................................7
1.2.3. Năng lượng gió..........................................................................................7
1.2.4. Năng lượng thủy triều ...............................................................................7
1.2.5. Năng lượng thủy điện ................................................................................7
1.2.6. Năng lượng sinh khối ................................................................................7
1.3. Đặc tính ưu việt của hydro ........................................................................... 9
1.4. Một số phương pháp sản xuất hydro ........................................................ 11
1.4.1. Sản xuất hydro bằng điện........................................................................11
1.4.2. Sản xuất hydro bởi khí metan (SMR) ......................................................11
1.4.3. Sản xuất Hydro bởi hơi nước của oxy hóa hydrocacbon ........................11
1.4.4. Lên men sinh hydro phụ thuộc ánh sáng.................................................12
1.4.5. Lên men tối sinh hydro ............................................................................12
1.5. Sản xuất H2 sinh học theo con đường lên men tối .................................... 14
1.6. Một số lồi vi khuẩn sản xuất hydro thơng qua con đường lên men tối 15
1.7. Sản xuất hydro sinh học từ chi Clostridium .............................................. 19
1.7.1. Phân loại, đặc điểm.................................................................................19
1.7.2. Quá trình sản xuất hydro sinh học ..........................................................22

Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

1.8. Một số nguồn nguyên liệu tái sinh ............................................................. 25
1.8.1. Bã đậu .....................................................................................................25
1.8.2. Bột ngơ ....................................................................................................26
1.9. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................. 26
CHƯƠNG 2 - NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ........................................28
2.1. Nguyên liệu và thiết bị ................................................................................ 28
2.1.1. Nguyên liệu..............................................................................................28
2.1.2. Thiết bị ....................................................................................................28
2.1.3. Các dụng cụ.............................................................................................28
2.2. Môi trường ................................................................................................... 29
2.2.1. Môi trường PY .........................................................................................29
2.2.2. Môi trường PYA. .....................................................................................30
2.2.3. Môi trường với nguồn cơ chất là bã đậu ................................................30
2.2.4. Môi trường với nguồn cơ chất bột ngô ...................................................30
2.2.5. Các môi trường khác ...............................................................................32
2.3. Phương pháp nghiên cứu............................................................................ 34
2.3.1. Xử lý mẫu và nuôi cấy .............................................................................34
2.3.2. Định danh vi khuẩn dựa vào khóa định loại Bergey...............................35
2.3.3. Định danh chủng sinh khí hydro dựa vào giải trình tự đoạn gen rDNA
16S .....................................................................................................................38
2.3.4. Định danh bằng khối phổ Protein ...........................................................39
2.4. Các phương pháp phân tích ....................................................................... 39
2.5. Nghiên cứu quá trình sản xuất hydro sinh học của chủng Clostridium sp.
.............................................................................................................................. 40
2.5.1. Đánh giá khả năng sinh trưởng và sinh hydro của các chủng đã phân
lập ......................................................................................................................41

2.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng sinh trưởng và sinh khí
...........................................................................................................................41


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

2.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của nguồn cơ chất đến khả năng sinh trưởng và
sinh khí ..............................................................................................................41
2.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến khả năng sinh trưởng và
sinh khí ..............................................................................................................41
2.5.5. Khảo sát ảnh hưởng của nguồn nitơ đến khả năng sinh trưởng và sinh
khí ......................................................................................................................41
2.5.6. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh trưởng và sinh khí.......41
2.5.7. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh trưởng và sinh khí
...........................................................................................................................42
2.5.8. Khảo sát ảnh hưởng của muối Natri khả năng sinh trưởng và sinh khí .42
2.5.9. Khảo sát ảnh hưởng của muối Kali đến khả năng sinh trưởng và sinh khí
...........................................................................................................................42
2.5.10. Ảnh hưởng của tốc độ lắc đến khả năng sinh trưởng và sinh khí.........42
2.6. Thăm dị một số nguồn sản - phụ phẩm 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 ấm Clostridium sp. .............................................................................. 42
2.6.1. Nguồn cơ chất là bã đậu .........................................................................42
2.6.2. Nguồn cơ chất là bột ngô ........................................................................42
2.7. Nghiên cứu khả năng sinh khí hydro trong điều kiện ni cấy kết hợp
chủng Clostridium sp. với một chủng vi khuẩn khác ...................................... 43
2.8. Phương pháp xử lý số liệu……………………………………………….43
CHƯƠNG III - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .....................................................44
3.1. Phân lập các chủng vi khuẩn Clostridium sp. ưa ấm lên men kị khí có
khả năng tạo ra khí sinh học từ các mẫu phân động vật................................ 44

3.1.1. Đặc điểm hình thái tế bào .......................................................................45
3.1.2. Định danh dựa vào khóa phân loại Bergey ............................................47
3.1.3. Định danh lồi bằng phân tích 16S rDNA ..............................................47
3.1.4. Định danh loài bằng khối phổ Protein....................................................50
3.2. Khảo sát các điều kiện tối ưu sinh hydro .................................................. 50
3.2.1. Khả năng sinh trưởng và sinh khí của các chủng vi khuẩn ....................50


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng sinh trưởng và sinh khí ............52
3.2.3. Ảnh hưởng của nguồn cacbon đến khả năng sinh trưởng và sinh khí ....53
3.2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng glucose tới khả năng sinh trưởng và sinh khí
...........................................................................................................................55
3.2.5. Ảnh hưởng nguồn nitơ tới khả năng sinh trưởng và sinh khí .................57
3.2.6. Ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh trưởng và sinh khí.....................59
3.2.8. Ảnh hưởng của muối Natri đến khả năng sinh trưởng và sinh khí hydro
...........................................................................................................................62
3.2.9. Ảnh hưởng của muối Kali đến khả năng sinh trưởng và sinh khí hydro 63
3.2.10. Ảnh hưởng của tốc độ lắc tới sự sinh trưởng và sinh khí hydro ...........65
3.3. Thăm dị một số nguồn sản - phụ phẩm nông nghiệp làm nguyên liệu
đầu vào cho quá trình sản xuất hydro sinh học nhờ sự lên men của vi khuẩn
C. beijerinckii CB3 .............................................................................................. 67
3.3.1.Nguyên liệu đầu vào - phụ phẩm của quá trình sản xuất sản xuất đậu
phụ: bã đậu .......................................................................................................67
3.3.2. Nguyên liệu đầu vào – sản phẩm của quá trình sản xuất nông nghiệp:
bột ngô ...............................................................................................................69
3.4. Nghiên cứu khả năng sinh khí hydro trong điều kiện ni cấy kết hợp
chủng Clostridium beijerinckii CB3 với Enterobacter cloacae MCE64A9 .... 71
KẾT LUẬN ..............................................................................................................72

KIẾN NGHỊ .............................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................75


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Sự tạo thành hydro sinh học của một số vi sinh vật .................................16
Bảng 1.2: Một số loài thuộc chi Clostridium ............................................................21
Bảng 1.3: Sản lượng hydro từ các cơ chất khác nhau của một số loài thuộc chi
Clostridium ................................................................................................................24
Bảng 3.1: Sản lượng khí hydro trong các mẫu làm giàu lần 3 ..................................45
Bảng 3.2: Tính chất sinh lý hóa sinh của các chủng đã phân lập từ phân gia súc ....47
Bảng 3.3: Kết quả định danh bằng kỹ thuật sinh học phân tử ..................................49
Bảng 3.4: Sản lượng hydro từ các chủng phân lập ..................................................51
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng sinh trưởng và sinh khí ...............52
Bảng 3.6: Ảnh hưởng của nguồn cacbon đến khả năng sinh trưởng và sinh khí......54
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của hàm lượng glucose tới khả năng sinh trưởng và sinh khí ......... 56
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của các nguồn Nitơ tới khả năng sinh trưởng và sinh khí .....57
Bảng 3.9: Giá trị pH ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng và sinh hydro ...............59
Bảng 3.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng sinh trưởng và sinh khí ..............61
Bảng 3.11: Ảnh hưởng của NaHCO3 đến khả năng sinh trưởng và sinh khí ............62
Bảng 3.12: Ảnh hưởng của K2HPO4 đến khả năng sinh trưởng và sinh khí .............64
Bảng 3.13: Ảnh hưởng của tốc độ lắc tới khả năng sinh trưởng và sinh khí ............65
Bảng 3.14: Các điều kiện tối ưu cho quá trình sinh trưởng và sinh khí của chủng C.
beijerinckii CB3 ........................................................................................................66
Bảng 3.15: Các đặc điểm của bã đậu thô và bã đậu đã qua xử lí ..............................67
Bảng 3.16: Sản lượng hydro trong mơi trường cơ chất bã đậu thô và bã đậu đã qua
xử lí ...........................................................................................................................67
Bảng 3.17: Hàm lượng đường khử trong bột ngơ thô và bột ngô đã qua xử lý ........69

Bảng 3.18: Sản lượng hydro trong môi trường cơ chất bột ngô thơ và bột ngơ đã qua
xử lí ...........................................................................................................................69
Bảng 3.19: Sản lượng hydro của các chủng nghiên cứu ...........................................72


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chun ngành Vi sinh vật học

DANH MỤCHÌNH
Hình 1.2: Lượng khí thải CO2 sinh ra do sử dụng năng lượng hóa thạch [4] .............4
Hình 1.1: Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng của thế giới 1970-2025 (đơn vị nghìn
triệu Btu) [4] ................................................................................................................4
Hình 1.3: Mức tiêu thụ khí tự nhiên trên thế giới 1970-2025 (nghìn tỷ feet khối)[4]........5
Hình 1.4: Trữ lượng than phát hiện của thế giới (tỷ tấn) [4] ......................................6
Hình 1.5: Các con đường sản xuất hydro sinh học [65]............................................13
Hình 1.6: Ảnh hiển vi điện tử C. beijerinckii NCIMB 8052 (Lou Ann Miller and
Scott Robinson, University of Illinois) .....................................................................19
Hình 1.7: Sơ đồ lên men của Clostridium. Con đường dẫn tới sản lượng tối đa theo
lý thuyết là 4 mol H2/ mol glucose khi tồn bộ cơ chất chuyển hóa thành axit acetic
theo đường màu đỏ [65]. ...........................................................................................22
Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu phân lập và tuyển chọn chủng vi khuẩn sinh hydro ....34
Hình 2.2: Phương pháp sục khí nitơ..........................................................................35
Hình 2.3: Nguyên lý của phương pháp cột nước xác định tổng lượng khí sinh ra từ
bể phân hủy kỵ khí (Lettinga, 1995). ........................................................................40
Hình 3.1: Hình thái tế bào của các chủng CB2, CB3, CT4, CT5 .............................46
Hình 3.2: Hình thái tế bào chủng CB1 ......................................................................46
Hình 3.3: Kết quả điện di sản phẩm nhân bản gen 16S rDNA bằng kĩ thuật PCR...48
beijerinckii CB3 ........................................................................................................51
Hình 3.5: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng sinh trưởng và sinh khí ..............53
Hình 3.6: Ảnh hưởng của nguồn cacbon đến khả năng sinh trưởng và sinh khí ......54
Hình 3.7: Ảnh hưởng của hàm lượng glucose đến khả năng sinh trưởng và sinh khí .....57

Hình 3.8: Ảnh hưởng nguồn nitơ đến khả năng sinh trưởng và sinh khí..................58
Hình 3.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng sinh trưởng và sinh khí ...............61
Hình 3.11: Ảnh hưởng của NaHCO3 đến khả năng sinh trưởng và sinh khí ............63
Hình 3.12: Ảnh hưởng của K2HPO4 đến khả năng sinh trưởng và sinh khí .............64
Hình 3.13: Ảnh hưởng của tốc độ lắc tới khả năng sinh trưởng và sinh khí ............66


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

Hình 3.14: Ảnh hưởng của bã đậu đến khả năng sinh trưởng và sinh khí ................68
Hình 3.15: Ảnh hưởng của bột ngơ đến khả năng sinh trưởng và sinh khí ..............70


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ/cụm từ đầy đủ

Bp

Base pair

Btu

British Thermal Unit

C. beijerinckii CB3

Clostridium beijerinckii CB3

DNA

Deoxyribonucleic acid

dNTP

2’- deoxyribonucleotide 5’- triphosphate

EDTA

Ethylene diamin tetraacetic acid

EtBr

Ethidium bromide

GC

Gas chromatography

OD

Opical Desity

PCR

Polymerase chain reaction

S

Svedberg (đơn vị lắng)

TAE

Tris – acetate – EDTA

VP

Voges-Proskauer


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

MỞ ĐẦU
Hiện nay việc khai thác và sử dụng năng lượng đang là vấn đề cấp bách và
thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như chính phủ các quốc gia. Nhu
cầu về năng lượng của thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập kỉ qua
và phụ thuộc nặng nề vào nguồn nhiên liệu hóa thạch.
Những nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên thì
khơng phải là vơ 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. 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 cịn 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. Hiện nay vấn đề cấp thiết thu hút sự quan tâm của
các quốc gia chính là sự ấm lên tồn cầu do tác động của hiệu ứng nhà kính và sự
khủng hoảng về năng lượng [4].
Ngày nay để giải quyết các vấn đề về năng lượng, 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… [7].
Trong những hướng đi đó việc khai thác nhiên liệu sinh học đang nhận được
nhiều sự quan tâm vì tiết kiệm, mang lại hiệu suất cao, thân thiện với mơi trường
góp phần giải quyết những vấn đề ô nhiêm môi trường hiện nay trên thế giới. Hydro
là một loại khí có nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu trong thiên
nhiên, đã được sử dụng làm nhiên liệu phóng các tàu vũ trụ. Đặc điểm quan trọng
của hydro là trong phân tử không chứa bất cứ nguyên tố hóa học nào khác, như
cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là nước
(H2O), được gọi là nhiên liệu sạch lý tưởng [22, 53]. Đặc biệt sản xuất hydro theo
phương pháp lên men tối nhờ nhóm vi khuẩn dị dưỡng cịn có thể tận dụng được
nguồn cơ chất dồi dào và vô tận từ sinh khối cũng như phế thải hữu cơ, phế thải
công nghiệp làm nguyên liệu và giảm được chi phí sản xuất [16, 44].
Đây là một hướng nghiên cứu mới và đầy triển vọng nhằm tạo ra một nguồn
năng lượng mới có nhiều ứng dụng trong tương lai khơng xa. Do đó tơi tiến hành
thực hiện đề tài: “Phân lập và tuyển chọn một số chủng Clostridium sp. kị khí ưa
ấm có khả năng sinh hydro từ phân gia súc tại Miền Bắc Việt Nam” với mục

1


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

đích phân lập các chủng Clostridium sp. kị khí ưa ấm từ phân gia súc, nghiên cứu
quá trình sản xuất hydro sinh học nhằm tạo ra nguồn năng lượng mới có nhiều ứng
dụng trong tương lai khơng xa, thăm dị một số nguồn sản – phụ phẩm nông nghiệp
làm nguyên liệu đầu vào cho quá trình sản xuất hydro sinh học.

2

Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Thực trạng nguồn năng lượng thế giới và nhu cầu tìm nguồn năng lượng
thay thế
Hiện nay vấn đề an ninh năng lượng của thế giới đang trở lên bức bách hơn
bao giờ hết. Tại diễn đàn chính sách an ninh năng lượng Châu Á – Thái Bình
Dương (ASEM lần thứ nhất được tổ chức tại Việt Nam tháng 4 năm 2008 với sự
tham gia của 45 nước thành viên của ASEM) các đại biểu đã đặt vấn đề làm thế nào
để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người. Trên thế giới hiện
nay sự giới hạn nguồn năng lượng tỷ lệ nghịch với nhu cầu ngày càng tăng.
Việc sử dụng năng năng lượng hiện nay đang tập trung ở nguồn năng lượng
hóa thạch. 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. Chính sự phụ thuộc vào nhiên liệu
hóa thạch đã góp phần gây nên sự thay đổi khí hậu tồn cầu, suy thối mơi trường
và các vấn đề về sức khỏe con người [3, 43].
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 tồn 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 ngun 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 [4].
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
tồn thế giới có thể tăng thêm 54%, mà nhu cầu chủ yếu sẽ rơi vào các quốc gia có
nền kinh tế phát triển mạnh mẽ, ví dụ như Trung Quốc hay Ấn Độ ở châu Á [4].

3


Nguyễn Thị Hồng Huệệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

Hình 1.1: Mức
ức tiêu
ti thụ các nguồn
năng lượng
ợng của thế giới 1970-2025
(đơn
trihìnhBtu)
triệu
[4] k
Khi
đề vị
cậpnghìn
vềìn
tình
ình
dự trữ,

Hình 1.2: Lượng
ợng khí thải CO2 sinh
ra do sử
ử dụng năng llượng hóa thạch

[4]

Khi đềề cập về tình
t
hình dự
ự trữ, khai thác hay sử dụng các nguồn năng llượng
hóa thạch trên thếế giới, chúng ta không thể bỏ qua những tác động trực tiếp cũng
như gián tiếp
ếp của các hoạt động đó với mơi trường. Việc tiêu
êu th
thụ năng lượng ngày
càng tăng gây tăng các chất
ch ô nhiễm như CO2, sulfur oxides, nitrogen oxides, các
vật chất hữu cơ
ơ không ổn định.
Hiện
ện nay cũng như
nh trong các thập kỉ tới đây, việc làm
àm sao đđể giảm thiểu khí
nhà kính sinh ra trong quá trình sử
s dụng và đốt cháy năng lượng
ợng llà một vấn đề vơ
cùng cấp thiết vìì chúng gây ra sự
s thay đổi khí hậu tồn cầu
ầu do trái đất nóng llên và
gây ơ nhiễm
ễm nặng nề khơng khí, nước,
n
tiếng ồn, mưa acid, mực
ực nnước biển dâng do

băng tan… đồng thời ảnh hưởng
h
nghiêm trọng
ọng đến sức khỏe con ng
người do nhiệt độ
tăng cao trong những
ững chu kì
k dài hơn có thểể dẫn tới các bệnh truyền nhiễm. Khơng
chỉỉ dừng lại ở đó, việc khai thác nhanh chóng các nguồn nhiên
nhiên li
liệu hóa thạch cũng
ảnh hưởng
ởng khơng nhỏ đến tình
t
hình chính trị trên thếế giới khi li
liên tiếp có các cuộc
chiến giành giật tài
ài nguyên thiên nhiên như dầu
d mỏ, khí thiên
ên nhiên nnổ ra.
Các nguồn
ồn năng lượng
l
hóa thạch trên thếế giới đang dần cạn kiệt, th
thêm nữa là
những vấn đề mơi trường
ờng nảy sinh trong q trình
tr
khai thác đãã ddẫn đến việc khuyến
khích sử dụng năng lư

ượng hồn ngun đểể giảm bớt sự ô nhiễm môi tr
trường và tránh
gây cạn
ạn kiệt nguồn năng lượng
l
hóa thạch. Nhưng
ưng do chưa có nh
những điều luật cụ thể
về vấn đề này nên dầu
ầu mỏ, than đá, khí thiên
thi nhiên vẫn được
ợc coi llà nguồn nhiên liệu
chủ
ủ yếu để nhằm thỏa mãn
m những đòi hỏi về năng lượng vàà chính đi
điều đó sẽ dẫn
đến
ến sự cạn kiệt nguồn năng lượng
l
hóa thạch trong một
ột thời gian không xa [4
[4].

4


Nguyễn Thị Hồng Huệệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

1.1.1. Dầu mỏ
Dầu mỏ cùng

ùng với
v các loại khí đốt được coi làà “Vàng đen”, đóng vai tr
trị quan
trọng
ọng trong đời sống kinh tế toàn
to cầu. Đây cũng là một
ột trong những nguy
nguyên liệu
quan trọng nhất của xãã hội
h hiện đại dùng để sản xuất điện và cũng
ũng llà nhiên liệu của
hầu hết các phương tiện
ti giao thông vận tải. Hơn nữa
ữa dầu mỏ cũng đđược sử dụng
trong cơng nghiệp
ệp hố dầu để sản xuất các chất dẻo và
v nhiều
ều sản phẩm khác.
Dầu mỏ vẫn đư
ược coi là nguồn năng lượng
ợng chính cho to
tồn thế giới tới năm
2025. Thống kê của
ủa IEO2004 cho thấy, với nhu cầu đòi
đ hỏi
ỏi về dầu mỏ tăng llên
1,9% mỗi năm thìì trong vịng 24 năm
n
tới, mức tiêu thụụ 77 triệu th
thùng/ngày năm

2001 sẽ tăng lên tới
ới 121 triệu thùng/ngày
th
vào năm 2025 [4].
1.1.2. Khí tự nhiên
Khí thiên nhiên là một
m thành phần cung cấp năng lượng
ợng không thể thiếu của
thế giới. Nó được
ợc sử dụng làm
l nguyên liệu và nhiên liệu đầu vào
ào cho các ngành ch
chế
biến hóa chất. Cùng với
v dầu mỏ, gần đây, khí thiên nhiên đãã và đang được coi là
một
ột trong những nguồn nhiên
nhi liệu có nhu cầu tiêu thụụ rất lớn tr
trên thế giới với nhu
cầu hàng
àng năm tăng nhanh nhất.
nh Nhu cầu tiêu thụ khí thiên
ên nhiên vào năm 2025 ư
ước
tính sẽ là 151 nghìn tỷỷ feet khối, tăng lên
l gần 70% so với
ới nhu cầu ti
tiêu thụ của năm
2001 (khi đó là 90 nghìn
ngh tỷ feet khối). Như vậy, mức tiêu thụụ khí thi

thiên nhiên trong
tổng các loại năng lượng
ợng tiêu
ti thụ sẽ tăng từ 23% năm 2001 lên 25% vào năm 2025
[4].

Hình 1.3: Mức tiêu
êu thụ
th khí tự nhiên trên thế giới 1970-2025
2025 (nghìn ttỷ feet khối)[4]
1.1.3. Than
Than đá là nguồn
ồn nhiên
nhi liệu hóa thạch được
ợc sử dụng từ lâu nhất tr
trên thế giới.
Tổng trữ lượng
ợng than trên
tr toàn thế giới được ước
ớc tính khoảng 1.083 tỷ tấn, đủ cung

5


Nguyễn Thị Hồng Huệệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

cấp
ấp cho khoảng 170 năm nữa với mức tiêu
ti thụ như hiện
ện nay. Mặc ddù phân bố rộng

rãi nhưng 60% trữ lượng
ợng than của thế giới tập trung ở 3 quốc gia: Mỹ (25%), Li
Liên
Xô cũ (23%)) và Trung Quốc
Qu (12%). Bốn quốc gia khác là Úc, Ấn Độ, Đức vvà Nam
Phi chiếm
ếm khoảng 29%. Trong năm 2001, 7 quốc gia này
n đãã cung ccấp tới 80% sản
lượng than cho tồn
àn thế
th giới [4].

Hình 1.4: Trữ
Tr lượng than phát hiện
ện của thế giới (tỷ tấn) [4
[4]
Như vậy làà chúng ta đã vừa
ừa điểm qua về khả năng cung cấp cũng nh
như trữ
lượng
ợng của các nguồn nhiên
nhi liệu chủ yếu được sử dụng trên thếế giới. Đứng tr
trước tình
hình nguồn nhiên liệu
ệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, các nước
n ớc tr
trên thế giới đang cố
gắng khai thác thêm
êm các nguồn
ngu năng lượng khác như

ư năng lư
lượng hạt nhân, thủy
triều,
ều, gió, mặt trời, địa nhiệt hay năng lượng
l ợng sinh học. Trong đó, năng llượng sinh
học
ọc sẽ góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng,
l ợng, thúc đẩy tăng tr
trưởng kinh tế, giảm
thiểu ô nhiễm mơi trường.
ờng. Vì
V vậy nhiều quốc gia trên thếế giới đđã có kế hoạch đầu tư
lớn vào lĩnh vực này.
1.2. Đặc điểm một số nguồn năng lượng thay thế
1.2.1. Năng lượng
ng nguyên tử
t
Năng lượng
ợng nguyên
nguy tử được
ợc sản sinh ra từ uranium thơng qua q tr
trình phản
ứng chuỗi liên kết.
ết. Một nhiệt lượng
l
khổng lồ được sinh ra và trong quá trình phân
hạch
ạch của phân tử uranium – 235 được dùng để đun sôi nước.
ớc. H
Hơi nước sinh ra ở

nhiệt độ cao tạo thành
ành luồng
lu
hơi di chuyển tác động vào
ào nh
những cánh quạt của
turbines đểể quay máy phát điện. Dòng
D
điện được sản sinh ra vàà truy
truyền tải đến người
tiêu dùng đểể phục vụ đời sống [7].
[7

6


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

1.2.2. Năng lượng mặt trời
Đây là một dạng năng lượng mà mặt trời cung cấp cho chúng ta từ ngàn xưa.
Nhờ ánh sáng của mặt trời chúng ta có thể nhìn thấy vạn vật, phơi lúa, trồng
cây…ứng dụng vào việc chuyển hóa sang nhiệt năng, điện năng phục vụ nhu cầu
của cuộc sống. Đây là nguồn năng lượng vơ tận và gần như hồn tồn miễn phí,
khơng sản sinh ra chất thải hủy hoại mơi trường [7].
1.2.3. Năng lượng gió
Năng lượng gió là một dạng năng lượng sạch, phong phú và là nguồn cung
cấp năng lượng gần như vô tận. Công nghệ và kĩ thuật khai thác năng lượng gió
phát triển vượt bậc trong hai thập kỉ qua, ví dụ như cơng suất turbin gió hiện nay
lớn gấp 100 lần so với 20 năm trước [7].
1.2.4. Năng lượng thủy triều

Năng lượng thủy triều ứng dụng dòng thủy triều lên xuống để quay cánh quạt
chạy máy phát điện, đây cũng là một dạng năng lượng có nguồn nhiên liệu vơ tận và
miễn phí. Loại mơ hình này khơng sản sinh ra chất thải gây hại mơi trường và
khơng địi hỏi sự bảo trì cao [7].
1.2.5. Thủy điện
Người ta có thể khai thác sức mạnh dịng chảy của nước và chuyển động
năng và thế năng của dòng chảy thành điện năng. Dạng chuyển đổi năng lượng này
gọi là thủy điện [7]. Ngày nay thủy điện đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng
thứ nhì sau năng lượng hóa thạch. Hiện tại chiếm 20% nguồn điện năng của thế
giới.
1.2.6. Năng lượng sinh khối
Hiện nay nguồn năng lượng sinh khối đang nhận được nhiều sự quan tâm của
các nhà nghiên cứu và chính phủ các Quốc gia do tính tiết kiệm và thân thiện với
mơi trường. Sinh khối là các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm, rạ, bã mía, xơ bắp…),
phế phẩm lâm nghiệp (lá khơ, vụn gỗ...), giấy vụn, mê tan từ các bãi chôn lấp, trạm
xử lý nước thải, phân từ các trại chăn nuôi gia súc và gia cầm [20,62]. Nhiên liệu
sinh khối có thể ở dạng rắn, lỏng, khí...được đốt để phóng thích năng lượng như
ethanol hay thành dạng khí sinh học.
Đây là một nguồn năng lượng rất hấp dẫn với nhiều ích lợi to lớn cho môi
trường và kinh tế xã hội, nhất là về mặt phát triển nông thôn. Năng lượng sinh khối

7


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

không những tái sinh được mà nó cịn tận dụng chất thải làm nhiên liệu. Do đó nó
vừa làm giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích. Đốt sinh khối
cũng thải ra CO2 nhưng mức lưu huỳnh và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than
đá [7].

Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu được hình thành từ các vật liệu sinh khối, bao
gồm [7]:
-

Nhiên liệu lỏng: Bao gồ metanol, ethanol, butanol sinh học… Trong số các

dạng nhiên liệu sinh học này, ethanol sinh học là loại nhiên liệu thơng dụng nhất
hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu
chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên liệu chứa tinh bột như ngũ cốc, khoai
tây, sắn…Diesel sinh học: là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên
liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà được sản xuất từ dầu
thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este.
- Khí sinh học (Biogas): là hỗn hợp khí CH4, CO2, H2, N2 và H2S. Trong đó
thành phần chủ đạo là khí mê tan CH4 và CO2, tùy vào bản chất và thành phần vật
liệu và điều kiện của quá trình kỵ khí mà tỷ lệ thành phần giữa các khí trong hỗn
hợp khí sinh học trên có thay đổi. Để nâng cao hiệu suất tạo năng lượng cho khí
biogas, hướng nâng cao nồng độ của khí mê tan bằng loại bỏ CO2, H2S hay N2 đang
được triển khai, tuy nhiên, đây vẫn đang là thách thức công nghệ không hề nhỏ.
Trong khi đó, con đường lên men sinh học kỵ khí cũng có thể thu được sản phẩm
khí trực tiếp là H2, một khí có enthalpy cao hơn so với CH4, đã được khẳng định và
có triển vọng phát triển rất khả quan, để nâng cao hiệu suất đốt của khí biogas với
nhiều ứng dụng trong tương lai.
- Nhiên liệu sinh học rắn: Một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước
đang phát triển sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ và
các loại phân thú khô.
Hiện nay nhiên liệu sinh học chiếm khoảng 5% tổng nhu cầu về năng lượng
toàn cầu [7]. Theo hội nghị Liên hợp quốc tế về Thương mại và Phát triển
(UNCTAD) nhiên liệu sinh học dự kiến chưa thể thay thế nhiên liệu hóa thạch
nhưng sẽ đóng vai trò bổ sung trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng trên thế giới,
giúp giảm thiểu việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch vốn gây ơ nhiễm mơi trường và

gây hiệu ứng nhà kính trên tồn cầu. Theo thống kê của Hiệp hội nhiên liệu tái tạo
toàn cầu (GRFA) nền cơng nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học đóng góp hàng tỷ

8


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

USD và giúp tạo nên hàng triệu việc làm cho nền kinh tế thế giới. Với khoảng 85,2
tỷ lít ethanol được sản xuất trong năm 2012, ước tính thế giới đã giảm được 100
triệu tấn CO2, tương đương với việc giảm bớt lượng khí thải của 20 triệu xe hơi.
Theo UNCTAD, năm 2014 nhiên liệu sinh học ethanol và diesel đã trở thành sản
phẩm giao dịch thường ngày trong tất cả các Châu lục nhờ vào sử dụng trong lĩnh
vực giao thông, đặc biệt cho phương tiện đường bộ [7].
1.3. Đặc tính ưu việt của hydro
Hiện nay việc khai thác nhiên liệu sinh học đang nhận được nhiều sự quan
tâm vì tiết kiệm, mang lại hiệu suất cao, thân thiện với mơi trường góp phần giải
quyết những vấn đề ô nhiêm môi trường hiện nay trên thế giới. Đặc biệt cơ quan
Năng lượng Quốc tế đã nhận xét rằng sản xuất hydro sinh học hiện nay đang là
phương pháp có triển vọng [46].
Hydro là một ngun tố hóa học trong hệ thống tuần hồn 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 khơng khí. Nhiệt
độ cháy của hydro có thể lên đến 3.000oC nếu cháy trong ơxy, cao nhất so với tất cả
các loại khí khác như khí methane đạt 2.148oC, propane đạt 2.385oC [89].
Hydro được xem là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm
thuận lợi về môi trường và kinh tế. Hydro khi cháy rất “sạch” vì phản ứng cháy của
hydro chủ yếu chỉ sinh ra hơi nước và một phần khí CO2, NOx và một số chất thải
khác, nên hydro được gọi là nhiên liệu sạch lý tưởng. Với các đặc tính này, hydro sẽ
là một nguồn nhiên liệu quan trọng trong tương lai. Trên thực tế, hydro đã được

dùng làm nhiên liệu cho tên lửa từ những buổi ban đầu của công nghệ du hành
không gian [51].
Ứng dụng của hydro trong tương lai: Hyđro được sử dụng như một nhiên
liệu khí trong các động cơ đốt trong, tạo ra các phương tiện giao thơng, vận tải
“hồn tồn khơng có khí xả” (Zero Emission Vehicle – ZEV). Hiện nay đã xuất
hiện trong nhiều cuộc triển lãm quốc tế về xe ô tô nhiều mẫu xe ZEV chạy
bằng nhiên liệu hyđro hoặc xe ghép giữa động cơ đốt trong chạy bằng hyđro và
động cơ điện được cung cấp điện từ các pin tái nạp điện. 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. Hyđro còn được sử dụng để sản xuất điện, thực hiện
trong các pin nhiên liệu [88]. Do dựa trên cơ chế của q trình điện hóa tạo ra điện

9


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

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 [58, 62]. Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu từ hydro đang
ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở thành nguồn nhiên liệu đầy triển vọng,
một thành phần chủ chốt của nền kinh tế hydro trong viễn cảnh tương lai.
Hơn nữa 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,
khơng dầu nhớt bơi trơn, khơng có tiếng ồn, khơng 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 [67].

Vị trí của nhiên liệu hydro trong ngành năng lượng hiện nay: Giữa bối
cảnh nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, khái niệm về một nền kinh tế
hydro dựa trên một nguồn năng lượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền
vững của nhân loại xuất hiện như một giải pháp đầy tiểm năng. Thuật ngữ này đã
được tập đoàn General motors đặt ra vào năm 1970 [7]. Nó đã thu hút được sự quan
tâm của nhiều nhà lãnh đạo trên thế giới. Từ năm 2003, Tổng thống Hoa Kỳ George
W. Bush đã quyết định đầu tư cho một nguồn năng lượng mới là hydro và các hãng
xe hơi hàng đầu thế giới đã lao vào lĩnh vực này. Một tầm nhìn mới khơng chỉ trong
lĩnh vực năng lượng. Cho đến tháng 4-2007, ở Mỹ đã có 200 chiếc ơ tơ và xe buýt
chạy bằng hydro hoạt động. Gần đây một cuộc hành trình thử nghiệm xuyên châu
Úc trong một ngày đường khoảng 4000 km bằng ô tô dùng nhiên liệu hydro cho
thấy ơ tơ có thể chạy an tồn đến mọi nơi mà khơng cần xăng và hồn tồn khơng
xả khí độc hại gây ơ nhiễm mơi trường [7]. Hiện nay rất nhiều Quốc gia trên thế
giới đều có các dự án nhằm phát triển nguồn nhiên liệu hydro. Ở Mỹ năm 2003,
tổng thống G. Bush đã công bố một chương trình gọi là “Sáng kiến nhiên liệu
hydro” với quyết định dành 1,2 tỷ USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu
đến năm 2020 ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hydro phải triển khai thương mại hóa
thành công vào thực tế. Nhật Bản là một trong những nước đầu tiên trên thế giới
nghiên cứu về năng lượng hydro. Các nguồn nguyên liệu cho lên men sản xuất
hydro bao gồm bã đậu tương từ ngành công nghiệp đậu tương, cám gạo, vỏ táo, vỏ

10


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

khoai tây, nước thải từ sản xuất dầu cọ và đậu phụ. Tại trung Quốc và Hungarry,
cũng đã tiến hành thử nghiệm sản xuất hydro từ nước thải sản xuất rượu gạo và bùn
của các sản phẩm thủy phân từ bột giấy. Trong một tương lai không xa nền kinh tế
hydro sẽ ngày càng phát triển, hứa hẹn đẩy lùi tất cả những vần đề do nền kinh tế

dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra như không gây ô nhiễm môi trường, khơng
thải khí gây hiệu ứng nhà kính, khơng phụ thuộc về kinh tế và có thể được sản xuất
từ nhiều nguồn khác nhau [7].
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
[74, 86].
1.4. Một số phương pháp sản xuất hydro
1.4.1. 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, khơng có cacbon, lưu huỳnh,
hoặc hợp chất khác được tạo ra trong q trình nhưng địi hỏi nhiệt và áp suất cao
rất tốn kém năng lượng [24]. Điện phân nước để tạo hydro khá dễ dàng tuy nhiên hệ
thống thiết bị lại rất đắt.
1.4.2. 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 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)
1.4.3. Sản xuất hydro bởi hơi nước của oxy hóa hydrocacbon
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 mơi
trường nước có mặt bạch kim dựa vào chất xúc tác để tạo ra khí H2 [86]. Các
chuyển đổi diễn ra ở nhiệt độ khoảng 225 - 265oC và áp suất 27-54 bar. Sử dụng

11

Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

glycerol 10 % tại 29 bar và 225oC, sản xuất ra 64,8 mol H2%, 56 bar và 265°C,
57mol% H2 đã được tạo ra.
1.4.4. Lên men sinh hydro phụ thuộc ánh sáng
Ánh sáng và nước là những nguồn tài nguyên phong phú, vô tận. Sử dụng
chúng để sản xuất hydro từ sự quang phân sinh học nước thành H2 và O2 nhờ các
loại vi tảo, cyanobacter là một giải pháp đầy hứa hẹn có thể sản xuất hydro với
nguồn nguyên liệu rồi dào, phong phú, mang lại hiệu quả kinh tế cao do giá thành
rẻ. Vi khuẩn lam đã được sử dụng lên men sáng sinh hydro từ nguồn nước biển
[65]. Lên men sáng cũng có một số hạn chế như [34, 59]:
- 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 mơ phịng 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 chưa 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.
1.4.5. Lên men tối sinh hydro
Lên men không phụ thuộc ánh sáng hay lên men tối sinh hydro là một q
trình sản xuất sinh học có thể được thực hiện một khoảng thời gian ngắn để tạo
thành khí hydro, CO2, acid acetic và acid lactic cùng một vài chất khác [30, 49].

12

Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

Hình 1.5: Các con đường sản xuất hydro sinh học [65]
Lên men tối tạo hydro là một hiện tượng phổ biến trong điều kiện thiếu ơxy
hoặc kỵ khí (hay khơng có oxy hiện diện như là một chất nhận điện tử). Nhiều loại
vi khuẩn sử dụng sự khử proton thành hydro để loại đi đương lượng khử (reducing
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 q trình
oxy hóa. Q trình oxy hóa này tạo ra những electron mà cần được loại bỏ để duy
trì sự trung hịa điện tử. Trong mơi trường hiếu khí, oxy bị khử và H2O là sản phẩm.
Tuy nhiên trong mơi 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 mơi 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 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 enzyme 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 [43]. Năng suất lí thuyết trên mol glucose được mô tả trong phản ứng sau:
C6H12O6 + 4H2O = 2CH3COO- + 2HCO3- + 4H+ + 4H2∆G’o = -206 kj/mol

13


Nguyễn Thị Hồng Huệ - CHK22- Luận văn cao học – Chuyên ngành Vi sinh vật học

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 [43, 65]. Phần còn lại của hydro trong hexose được bảo tồn
trong sản phẩm phụ là acetate và trong những điều kiện khơng lí tưởng thì có sự
hình thành nhiều sản phẩm khử như ethanol, lactate hoặc alanine. Các q trình oxy
hóa hồn tồn đường để thành H2 và CO2 tạo ra 12 mol H2 trên mỗi mol glucose
theo lí thuyết, nhưng trong trường hợp này khơng 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 [59]. 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
khơng thấy có bóng khí hydro thốt 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 mơi 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 khơng có mặt.
Như vậy, lên men tối có nhiều ưu điểm đó là có thời gian thực hiện ngắn,
đồng thời trong q 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, công nghệ lên men tối dễ
ứng dụng và đã được thương mại hóa [25, 34, 59]. Tuy nhiên nó có nhược điểm là sản
lượng hydro thực tế còn thấp, các nguồn cơ chất như tinh bột tan và đường đơn thì
quá đắt.
1.5. Sản xuất hydro sinh học theo con đường lên men tối
Hydro 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 [34, 65]. 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.

Cho đến nay, 3 loại enzym thực hiện phản ứng này đã được mô tả:
Nitrogenase, Fe-hydrogenase và NiFe-hydrogenase [65].

14