Nghiên cứu sản xuất khí hydro từ bã mía bằng phương pháp lên men kỵ khí

Việc tận dụng bã mía để sản xuất hydro sinh học không chỉ tạo ra nguồn năng lượng tái tạo mà còn giảm chi phí xử lý bã mía. Điều này có ý nghĩa lớn đối với các nhà máy đường và các vùng trồng mía, nơi bã mía thường được xem là một vấn đề môi trường cần giải quyết. Quá trình lên men kỵ khí còn giúp giảm phát thải khí nhà kính so với các phương pháp sản xuất hydro truyền thống, góp phần vào mục tiêu giảm thiểu biến đổi khí hậu. Nghiên cứu này nằm trong xu thế "năng lượng xanh từ chất thải" có ý nghĩa vừa bảo vệ môi trường và vừa tạo ra nguồn nhiên liệu sạch.

Hiệu quả của quá trình lên men kỵ khí bã mía phụ thuộc lớn vào phương pháp tiền xử lý. Các phương pháp vật lý, hóa học (sử dụng acid hoặc base), thủy nhiệt và sinh học đều có thể được áp dụng để phá vỡ cấu trúc phức tạp của bã mía, giúp các vi sinh vật dễ dàng tiếp cận và chuyển hóa thành khí hydro. Lựa chọn phương pháp tiền xử lý phù hợp là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất sản xuất hydro.

Công nghệ sản xuất hydro từ bã mía có thể được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy đường, các trang trại và khu công nghiệp. Khí hydro thu được có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông, cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện, hoặc làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác. Việc phát triển và hoàn thiện công nghệ này sẽ góp phần đáng kể vào việc đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển kinh tế bền vững. Kết quả nghiên cứu cho thấy có 15 hỗn hợp vi sinh vật có khả năng lên men tạo H2.

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men kỵ khí, bao gồm nhiệt độ, pH, nồng độ cơ chất, và sự hiện diện của các chất ức chế. Việc kiểm soát chặt chẽ các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất sản xuất hydro cao. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định các điều kiện lên men tối ưu cho từng loại vi sinh vật và từng loại bã mía khác nhau. Theo nghiên cứu, tất cả 15 hỗn hợp chủng VSV cho hiệu quả sinh H2 cao nhất sau 48h lên men ở nhiệt độ phòng (28 - 32oC), pH 6,5 với nồng độ glucose ở nồng độ 5 - 7,5 g/l và cao nấm men ở nồng độ 1- 1,5 g/l.

Việc tìm kiếm và phân lập các chủng vi sinh vật có khả năng lên men hydro mạnh mẽ là một hướng đi quan trọng. Các chủng vi sinh vật này có thể được thu thập từ các môi trường tự nhiên khác nhau, chẳng hạn như bùn thải, phân động vật, hoặc các hệ sinh thái đặc biệt. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định đặc tính sinh học của các chủng vi sinh vật này, bao gồm khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt, khả năng sử dụng các loại cơ chất khác nhau, và khả năng sản xuất hydro với hiệu suất cao. Các loài vi khuẩn chiếm ưu thế hiện diện trong các hỗn hợp vi sinh vật được xác định bằng phương pháp PCR – DGGE - giải trình tự DNA có thể là Enterococcus, Escherichia/Shigella và Clostridium.

Chi phí tiền xử lý có thể là một rào cản lớn đối với việc thương mại hóa công nghệ sản xuất hydro từ bã mía. Do đó, cần có những nghiên cứu để tìm kiếm các phương pháp tiền xử lý hiệu quả về chi phí. Các phương pháp này có thể bao gồm việc sử dụng các enzyme rẻ tiền, sử dụng các hóa chất thân thiện với môi trường, hoặc kết hợp các phương pháp khác nhau để đạt được hiệu quả tối ưu. Phương pháp tiền xử lý bã mía thành cơ chất dễ lên men sử dụng H2SO4 loãng thích hợp hơn so với dùng NaOH ở các điều kiện xử lý.

Bước chuẩn bị bã mía là vô cùng quan trọng và bao gồm nhiều bước. Đầu tiên là nghiền nhỏ bã mía để tăng diện tích bề mặt. Tiếp theo là áp dụng một trong các phương pháp tiền xử lý đã nêu ở trên (vật lý, hóa học, thủy nhiệt, sinh học) để phá vỡ cấu trúc lignocellulose. Cuối cùng, trung hòa pH và điều chỉnh nồng độ chất dinh dưỡng (nếu cần) trước khi đưa vào hệ thống lên men.

Giai đoạn lên men kỵ khí cần được thực hiện trong môi trường yếm khí hoàn toàn. Cần kiểm soát chặt chẽ các thông số như nhiệt độ, pH, tốc độ khuấy trộn (nếu có), và thời gian lên men. Các vi sinh vật sẽ sử dụng carbohydrate trong bã mía để tạo ra khí hydro, CO2, và các acid hữu cơ. Hàm lượng H2 tích lũy của các hỗn hợp vi sinh vật dao động từ 400 - 900 ml H2/l với hiệu suất sinh H2 đạt 0,84 - 1,60 mol H2/mol glucose.

Sau quá trình lên men, hỗn hợp khí thu được thường chứa khí hydro, CO2, và các tạp chất khác. Cần có các biện pháp để tách khí hydro ra khỏi hỗn hợp và loại bỏ các tạp chất để thu được khí hydro tinh khiết, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật cho các ứng dụng khác nhau. CMS là chủng hỗn hợp có khả năng lên men tốt nhất trên dịch bã mía đã qua tiền xử lý bằng H2SO4 với hàm lượng H2 tích lũy và hiệu suất sinh H2 là 300,136 ± 3,964 ml H2/l môi trường.

Nghiên cứu đã xác định được một số chủng vi sinh vật có khả năng lên men hydro từ bã mía, thuộc các chi như Clostridium, Enterococcus, và Escherichia/Shigella. Các chủng này có khả năng sử dụng nhiều loại carbohydrate khác nhau trong bã mía và sản xuất hydro với hiệu suất khác nhau. Nghiên cứu sâu hơn về đặc tính sinh học và di truyền của các chủng này có thể giúp cải thiện hiệu quả sản xuất hydro.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp tiền xử lý bằng acid loãng (H2SO4) kết hợp với nhiệt độ cao mang lại hiệu quả tốt hơn so với sử dụng base (NaOH). Điều này có thể là do acid giúp phá vỡ cấu trúc lignocellulose của bã mía một cách hiệu quả hơn, giúp các vi sinh vật dễ dàng tiếp cận và chuyển hóa thành khí hydro. Kết quả tối ưu điều kiện nuôi cấy bằng phương pháp bề mặt đáp ứng RSM đã đưa ra được giá trị tối ưu cho các thông số có ảnh hưởng quan trọng lên quá trình lên men sinh H2.

Công nghệ sản xuất hydro từ bã mía có thể được tích hợp vào các nhà máy đường, giúp tận dụng phế phẩm bã mía để tạo ra nguồn năng lượng sạch. Khí hydro có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho chính nhà máy, hoặc bán ra thị trường. Ngoài ra, công nghệ này cũng có thể được áp dụng tại các trang trại, giúp giảm chi phí xử lý bã mía và tạo ra nguồn năng lượng phục vụ cho các hoạt động sản xuất nông nghiệp.

Chi phí đầu tư phụ thuộc vào quy mô của hệ thống sản xuất. Các hệ thống nhỏ (quy mô trang trại) có chi phí thấp hơn so với các hệ thống lớn (quy mô nhà máy). Chi phí vận hành bao gồm chi phí tiền xử lý bã mía, chi phí vi sinh vật, chi phí năng lượng cho việc duy trì nhiệt độ và pH tối ưu, và chi phí bảo trì thiết bị.

Giá bán khí hydro phụ thuộc vào chất lượng khí hydro (độ tinh khiết) và điều kiện thị trường. Để cạnh tranh được với các nguồn khí hydro khác (ví dụ: hydro từ khí tự nhiên), giá bán khí hydro từ bã mía cần phải hợp lý và đảm bảo lợi nhuận cho nhà sản xuất.

Ngoài lợi nhuận trực tiếp từ việc bán khí hydro, cần xem xét các lợi ích kinh tế và môi trường khác, chẳng hạn như giảm chi phí xử lý bã mía, giảm phát thải khí nhà kính, và tạo ra việc làm cho người dân địa phương. Những lợi ích này có thể làm tăng tính hấp dẫn của dự án và thu hút các nhà đầu tư.

Nghiên cứu cần tập trung vào việc tìm kiếm và cải thiện các chủng vi sinh vật có khả năng lên men hydro mạnh mẽ hơn, có khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt hơn, và có khả năng sử dụng nhiều loại cơ chất khác nhau trong bã mía. Công nghệ sinh học phân tử có thể được sử dụng để cải thiện các đặc tính của vi sinh vật.

Cần có những nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tiền xử lý bã mía và lên men kỵ khí, nhằm giảm chi phí và tăng hiệu suất sản xuất hydro. Các phương pháp mô phỏng và thiết kế thí nghiệm có thể được sử dụng để tìm ra các điều kiện tối ưu.

Chính phủ cần có các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, bao gồm cả khí hydro từ bã mía. Các chính sách này có thể bao gồm các khoản trợ cấp, ưu đãi thuế, và các quy định khuyến khích sử dụng năng lượng sạch.