Nghiên cứu sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp nhờ chủng vi khuẩn kị khí ưa nhiệt Thermotoga neapolitana DSM 4359

  • Số trang: 73 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 160 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

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