Nghiên cứu sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp nhờ vi khuẩn Thermotoga neapolitana

• Tác giả: Hoàng Ngọc Huyền
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Thị Việt Hà
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vi sinh vật học
• Đề tài: Nghiên cứu quá trình sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp nhờ chủng vi khuẩn kị khí ưa nhiệt Thermotoga neapolitana DSM 4359
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Thực trạng nguồn năng lượng thế giới và nhu cầu tìm nguồn năng lượng thay thế
• 1.2. Khí tự nhiên
• 1.3. Hydro là một nguồn năng lượng ưu việt
• 1.4. Một số phương pháp sản xuất hydro sinh học
• 1.4.1. Sản xuất hydro bằng điện
• 1.4.2. Sản xuất hydro bởi khí metan (SMR)
• 1.4.3. Sản xuất hydro bởi hơi nước của oxy hóa hydrocacbon
• 1.4.4. Lên men sinh hydro phụ thuộc ánh sáng
• 1.4.5. Lên men tối sinh hydro
• 1.4.6. Sản xuất H2 sinh học theo con đường lên men tối
• 1.4.7. Một số loài vi khuẩn sản xuất hydro thông qua con đường lên men tối
• 1.4.7.1. Vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt
• 1.4.7.2. Vi khuẩn kị khí không bắt buộc
• 1.4.7.3. Vi khuẩn hiếu khí
• 1.4.8. Giới thiệu về Thermotoga neapolitana
• 1.4.8.1. Đặc điểm hình thái và sinh thái
• 1.4.8.2. Đặc điểm hệ gen
• 1.4.8.3. Đặc điểm tế bào và chuyển hóa
• 1.4.8.4. Hydrogenase của Thermotoga
• 1.4.8.5. Những đặc điểm phù hợp với việc sản xuất hydro
• 1.4.9. Các nguồn nguyên liệu tái sinh
• 1.4.9.1. Chất thải sản xuất đường
• 1.4.9.2. Chất thải sản phẩm sữa
• 1.4.9.3. Bã đậu
• 1.4.9.4. Rơm, rạ
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Các thiết bị và dụng cụ thực hiện thí nghiệm
• 2.2. Môi trường nuôi cấy
• 2.2.1. Môi trường nuôi cấy với nguồn cơ chất đơn giản
• 2.2.2. Môi trường nuôi cấy với nguồn cơ chất là bã đậu
• 2.2.3. Môi trường nuôi cấy với nguồn cơ chất là glycerol
• 2.2.4. Môi trường nuôi cấy với cơ chất là rơm, rạ
• 2.3. Phương pháp sục khí nitơ và kiểm soát pH làm tăng hiệu suất tạo thành hydro
• 2.4. Sản xuất hydro trên quy mô lớn sử dụng nồi lên men 5L
• 2.5. Nghiên cứu quá trình sản xuất hydro liên tục sử dụng nồi lên men 5L
• 2.6. Các phương pháp phân tích
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu sự tạo thành hydro của chủng Thermotoga neapolitana DSM 4359 từ các nguồn đường 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
• 3.2. Khảo sát một số nguồn nitơ phổ biến cho sự sản xuất hydro sinh học từ chủng vi khuẩn kị khí ưa nhiệt DSM 4359 và đánh giá khả năng sinh hydro
• 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình sản xuất hydro của DSM 4359
• 3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới quá trình sản xuất hydro của chủng vi khuẩn Thermotoga neapolitana DSM 4359
• 3.5. Nghiên cứu phương pháp sục khí nitơ làm giảm áp suất khí trong bình nuôi cấy để tăng hàm lượng hydro
• 3.6. Hàm lượng acid hữu cơ được tạo trong quá trình sản xuất hydro của T.
• 3.7. Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất vô cơ tới quá trình sản xuất hydro của T.
• 3.7.1. Ảnh hưởng của KH2PO4 đến sự sinh trưởng và tạo hydro của Thermotoga neapolitana
• 3.7.2. Ảnh hưởng của MgCl2.6H2O đến sự sinh trưởng và tạo hydro của Thermotoga neapolitana
• 3.7.3. Ảnh hưởng của Na2HPO4.12H2O đến sự sinh trưởng và tạo hydro của Thermotoga neapolitana
• 3.7.4. Ảnh hưởng của NaCl đến sự sinh trưởng và tạo hydro của Thermotoga neapolitana
• 3.8. Bước đầu thăm dò, nghiên cứu sự tạo thành hydro từ nguồn rác thải nông nghiệp và nguồn phụ phẩm của quá trình sản xuất bio-diezel nhờ sự lên men kị khí của chủng vi khuẩn DSM 4359
• 3.8.1. Khảo sát và lựa chọn loại nguyên liệu đầu vào - phụ phẩm của quá trình sản xuất bio-diezel cho sự tạo thành hydro
• 3.8.2. Khảo sát và lựa chọn loại nguyên liệu đầu vào là chế phẩm phân hủy lignocellulose từ rơm rạ cho sự tạo thành hydro
• 3.9. Nghiên cứu quá trình sản xuất hydro bằng phương pháp lên men theo mẻ có bổ sung (fed-batch culture) sử dụng nồi lên men 5L
• 3.10. 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
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp

Nghiên cứu sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong việc tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo. Vi khuẩn Thermotoga neapolitana là một trong những chủng vi khuẩn có khả năng sản xuất hydro hiệu quả từ các nguồn chất thải này. Việc khai thác nguồn năng lượng này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra một nguồn năng lượng sạch, bền vững cho tương lai.

1.1. Tại sao cần nghiên cứu sản xuất hydro sinh học

Nhu cầu về năng lượng đang gia tăng nhanh chóng, trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Việc sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp không chỉ giúp giải quyết vấn đề năng lượng mà còn giảm thiểu lượng chất thải ra môi trường. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng các nguồn tài nguyên tái tạo.

1.2. Đặc điểm của vi khuẩn Thermotoga neapolitana

Vi khuẩn Thermotoga neapolitana là một chủng vi khuẩn kị khí ưa nhiệt, có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp để sản xuất hydro. Đặc điểm sinh trưởng và khả năng chuyển hóa của vi khuẩn này làm cho nó trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho quá trình sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp.

II. Thách thức trong việc sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp cũng đối mặt với nhiều thách thức. Các yếu tố như điều kiện môi trường, loại nguyên liệu đầu vào và quy trình lên men đều ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là rất cần thiết để đạt được hiệu quả cao nhất.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất hydro

Nhiệt độ, pH, và nồng độ cơ chất là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sản xuất hydro sinh học. Việc kiểm soát các yếu tố này có thể giúp tăng cường hiệu suất sản xuất và giảm thiểu thời gian lên men.

2.2. Khó khăn trong việc thu gom và xử lý rác thải nông nghiệp

Việc thu gom và xử lý rác thải nông nghiệp để sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất hydro gặp nhiều khó khăn. Cần có các giải pháp hiệu quả để xử lý và biến đổi các loại rác thải này thành nguồn nguyên liệu có giá trị.

III. Phương pháp sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp

Có nhiều phương pháp khác nhau để sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp. Các phương pháp này bao gồm lên men kị khí, xử lý nhiệt và các công nghệ sinh học khác. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Lên men kị khí với vi khuẩn Thermotoga neapolitana

Lên men kị khí là phương pháp chính để sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp. Vi khuẩn Thermotoga neapolitana có khả năng chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành hydro trong điều kiện kị khí, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất.

3.2. Công nghệ xử lý nhiệt trong sản xuất hydro

Công nghệ xử lý nhiệt có thể được áp dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp trong rác thải nông nghiệp. Phương pháp này giúp tăng cường hiệu suất sản xuất hydro và giảm thiểu thời gian xử lý.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hydro sinh học trong đời sống

Sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp không chỉ mang lại lợi ích về năng lượng mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống. Hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông, sản xuất điện, và trong các ngành công nghiệp khác.

4.1. Hydro sinh học trong ngành giao thông

Sử dụng hydro sinh học làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các xe chạy bằng hydro không phát thải khí độc hại, góp phần bảo vệ môi trường.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất điện

Sản xuất điện từ hydro sinh học là một giải pháp hiệu quả để cung cấp năng lượng sạch. Các hệ thống pin nhiên liệu sử dụng hydro có thể cung cấp điện cho các khu vực xa xôi, không có nguồn điện lưới.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu sản xuất hydro sinh học

Nghiên cứu sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Với sự phát triển của công nghệ và các phương pháp sản xuất mới, tương lai của hydro như một nguồn năng lượng tái tạo sẽ ngày càng sáng sủa hơn. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để tối ưu hóa quy trình sản xuất và mở rộng ứng dụng của hydro trong đời sống.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ sản xuất hydro

Công nghệ sản xuất hydro sinh học đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Các giải pháp công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và giảm chi phí, từ đó thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi hơn.

5.2. Tương lai của hydro trong năng lượng tái tạo

Với những ưu điểm vượt trội, hydro được dự đoán sẽ trở thành một phần quan trọng trong hệ thống năng lượng tái tạo toàn cầu. Việc phát triển các nguồn năng lượng sạch như hydro sẽ góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.