Luận văn thạc sĩ 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


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 loài vi khuẩn sản xuất hydro thông 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 ngô.................................................................................................. 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 q 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 ngơ.......................................................................42
2.7. Nghiên cứu khả năng sinh khí hydro trong điều kiện nuôi 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 lồi bằng khối phổ Protein...................................................50


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

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


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................................................................................................................. N
guyên 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 nơng nghiệp:
bột
ngơ

69
3.4. Nghiên cứu khả năng sinh khí hydro trong điều kiện nuôi cấy kết hợp
chủng Clostridium beijerinckii CB3 với Enterobacter cloacae MCE64A9 71
KẾT LUẬN............................................................................................................72
KIẾN NGHỊ...........................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................75


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 thơ và bã đậu đã qua xử lí.............................67
Bảng 3.16: Sản lượng hydro trong môi trường cơ chất bã đậu thơ và bã đậu đã qua xử lí

......................................................................................................................................... 67
Bảng 3.17: Hàm lượng đường khử trong bột ngô thô và bột ngô đã qua xử lý........69
Bảng 3.18: Sản lượng hydro trong môi trường cơ chất bột ngô thô và bột ngơ đã qua xử lí
......................................................................................................................................... 69
Bảng 3.19: Sản lượng hydro của các chủng nghiên cứu..........................................72


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: Ngun 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


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


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 môi trường góp phần giải
quyết những vấn đề ơ nhiêm mơi 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


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.

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 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
ngun hóa thạch cịn 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].

gthải CO2 sinh ra do sử dụng năn
Hình 1.1: Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng
Hình 1.2:
của Lượn
thế giới
khí1970-2025
(đơn vị nghìtriệu Btu) [4]
[4]
n
Khi đề cập về ình hình dự trữ,
t
Khi đề cập về tình khình dự trữ, khai thác hay sử dụng các nguồn năng lượng hóa
thạch trên thế giới, chúng ta không thể bỏ qua những tác động trực tiếp cũng như gián
tiếp của các hoạt động đó với môi trường. Việc tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng gây
tăng các chất ô nhiễm như CO2, sulfur oxides, nitrogen oxides, các vật chất hữu cơ không
ổn định.
Hiện nay cũng như trong các thập kỉ tới đây, việc làm sao để giảm thiểu khí nhà
kính sinh ra trong q trình sử dụng và đốt cháy năng lượng là một vấn đề vơ cùng cấp
thiết vì chúng gây ra sự thay đổi khí hậu tồn cầu do trái đất nóng lên và gây ơ nhiễm
nặng nề khơng khí, nước, tiếng ồn, mưa acid, mực nước biển dâng do băng tan… đồng
thời ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người do nhiệt độ tăng cao trong những
chu kì dài hơn có thể dẫn tới các bệnh truyền nhiễm. Không chỉ dừng lại ở đó, việc khai
thác nhanh chóng các nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng ảnh hưởng khơng nhỏ đến tình
hình chính trị trên thế giới khi liên tiếp có các cuộc chiến giành giật tài nguyên thiên
nhiên như dầu mỏ, khí thiên nhiên nổ ra.
Các nguồn năng lượng hóa thạch trên thế giới đang dần cạn kiệt, thêm nữa là
những vấn đề mơi trường nảy sinh trong q trình khai thác đã dẫn đến việc khuyến
khích sử dụng năng lượng hồn ngun để giảm bớt sự ơ nhiễm mơi 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 địi 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 [4].


1.1.1. Dầu mỏ
n đóng vai trị quan
Dầu mỏ cùng với các loại khí đốt được coi là “Vàng đen”,
trọng trong đời sống kinh tế toàn cầu. Đây cũng là một tron g những nguyên liệu
quan trọng nhất của xã hội hiện đại dùng để sản xuất điện và cũng là nhiên liệu của hầu
hết các phương tiện giao thông vận tải. Hơn nữa dầu mỏ cũng được sử dụng trong cơng
nghiệp hố dầu để sản xuất các chất dẻo và nhiều sản phẩm khác.
Dầu mỏ vẫn được coi là nguồn năng lượng chính cho tồn 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 vịng 24 năm tới, mức tiêu thụ 77 triệu thùng/ngày năm 2001 sẽ
tăng lên tới 121 triệu thùng/ngày vào năm 2025 [4].
1.1.2. Khí tự nhiên
Khí thiên nhiên là một thành phần cung cấp năng lượng khơng thể thiếu của
thế giới. Nó được sử dụng làm nguyên liệu và nhiên liệu đầu v ào cho các ngành chế
biến hóa chất. 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. 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 [4].
Hình 1.3: Mức tiêu thụ khí tự nhiên trên thế giới 1970-2025 (nghìn tỷ feet khối)[4]

1.1.3. Than
Than đá 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
tồn thế giới [4].

Hình 1.4: Trữ lượng than phát hiện của thế giới (tỷ tấn) [4]
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 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. Đặc điểm một số nguồn năng lượng thay thế
1.2.1. Năng lượng nguyên tử
Năng lượng nguyên tử được sản sinh ra từ uranium thơng qua q trình phản ứng
chuỗi liên kết. Một nhiệt lượng khổng lồ được sinh ra và trong quá trình phân hạch của
phân tử uranium – 235 được dùng để đun sôi nước. Hơi nước sinh ra ở nhiệt độ cao tạo
thành luồng hơi di chuyển tác động vào những cánh quạt của turbines để quay máy phát
điện. Dòng điện được sản sinh ra và truyền tải đến người tiêu dùng để phục vụ đời sống
[7].


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 vô 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. Cơng 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 dòng 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 môi trường.
Sinh khối là các phế phẩm từ nơng nghiệp (rơm, rạ, bã mía, xơ bắp…), phế phẩm lâm
nghiệp (lá khô, 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 mơi trường
và kinh tế xã hội, nhất là về mặt phát triển nông thôn. Năng lượng sinh khối

khơng 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 thông dụng nhất
hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mơ cơng nghiệp từ ngun 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 CH 4, 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 q 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 CO 2, 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 CH 4, 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


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 CO 2,
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 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
khơng màu, khơng 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 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 CO 2, 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 thông, 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 quá trình điện hóa tạo ra điện


năng chứ khơng phải q 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, khơng 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 bt 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 ô tô có thể chạy
an tồn đến mọi nơi mà khơng cần xăng và hồn tồn khơng xả khí độc hại gây ô nhiễm
môi 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 cơng 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 cơng 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


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 khơng gây ô nhiễm môi trường, không 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 H 2O 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 quá trình nhưng đòi 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)

Q trình SMR thường sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao (800 oC) 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 H 2 [86]. 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 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 H 2 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 mơ nhỏ, nhưng vượt q 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 O 2
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 quá 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].


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 q 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 H 2O 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 H 2 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 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 khơng phải là ơxy u cầu sự có mặt của
hệ enzym đặc biệt trong vi sinh vật, ví dụ: vi khuẩn sản sinh H 2 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 H 2 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