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

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

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


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


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


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].

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.

[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


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

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,

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

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

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.

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

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


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

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


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