Nghiên cứu quy trình lên men tạo biohydrogen định hướng ứng dụng trong xử lý chất thải công nghiệp sản xuất tinh bột khoai mì

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH LÊN MEN TẠO BIOHYDROGEN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT TINH BỘT KHOAI MÌ II.. Đánh giá khả năng sản xuất biohydrogen từ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TIÊN MINH HẢI

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH LÊN MEN TẠO

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Thị Kim Phụng

Cán bộ chấm nhận xét 1: ………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 2: ………

………

……… Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 21 tháng 01 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Phạm Thành Quân

2 PGS TS Nguyễn Phướ c Dân

3 PGS TS Bùi Xuân Thành

4 TS Nguyễn Đình Quân

5 TS Trần Tấn Việt

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TIÊN MINH HẢI MSHV : 12290175

Ngày, tháng, năm sinh: 4/10/1985 Nơi sinh: Hải Dương Chuyên ngành: Quá trinh và Thiết bị Công nghệ Hóa ho ̣c Mã số : 60 52 77

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH LÊN MEN TẠO BIOHYDROGEN

ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI CÔNG NGHIỆP

SẢN XUẤT TINH BỘT KHOAI MÌ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Đánh giá khả năng sản xuất biohydrogen từ lên men trong môi trường Cheng có tính đến các yếu tố trong xử lý chất thải công nghiệp sản xuất tinh bột khoai mì

2 Đưa ra một số các điều kiện thuận lợi để sản xuất biohydrogen bằng phương

pháp lên men kỵ khí đối với nguồn cơ chất

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/6/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 23/05/2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Lê Thị Kim Phụng

Tp HCM, ngày tháng năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS TS LÊ THỊ KIM PHỤNG

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn, bên cạnh sự nỗ l ực của bản thân, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình từ các thầy cô và bạn bè

Trước hết, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS TS Lê Thị Kim Phụng đã hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn cao học này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô và anh chị tham gia đề tài “Nghiên cứu quy trình lên men tạo khí hydro từ chất thải công nghiệp sản xuất tinh bột khoai mì” đã hướng dẫn và góp ý cho đề tài luận văn được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là thầy cô Bộ môn Quá trình và Thiết bi ̣ Công nghê ̣ Hóa ho ̣c đã giúp đ ỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Cảm ơn các anh, chị trong phòng thí nghiệm đã giúp

đỡ và động viên để luận văn được hoàn thành

Cảm ơn các thầy cô trong hội đồng bảo vệ đã dành thời gian quý báu đọc và đưa ra nhận xét giúp hoàn thiện bài luận này

Mặc dù đã cố gắng trong việc nghiên cứu, tham khảo tài liệu và thực nghiệm, tuy nhiên vẫn khó tránh khỏi những thiếu sót Kính mong quý thầy cô, anh chị, bạn

bè đóng góp những ý kiến quý giá để luận văn được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời chúc sức khỏe, thành công đến tất cả thầy cô và các bạn trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 01 năm 2015

Học viên thực hiện

Tiên Minh Hải

TÓM TẮT

Biohydrogen là một nguồn năng lượng bền vững do có tiềm năng hiệu suất cao hơn trong việc chuyển đổi thành năng lượng có thể sử dụng, hiệu suất năng lượng cao và không gây ô nhiễm môi trường Trong luận văn này, các thử nghiệm

đã được thực hiện để chỉ ra khả năng tạo ra biohydrogen cũng như xác định các yếu

tố hiệu quả và các điều kiện tối ưu từ chất thải ngành chế biến tinh bột khoai mì Đề tài luận văn này đã nghiên cứu các phương pháp, điền kiện được kiểm soát sử dụng

để đánh giá các yếu tố khác nhau đối với sản xuất lên men hydro Sản xuất biohydrogen lên men bằng các thí nghiệm từng mẻ trong các điều kiện môi trường khác nhau đã được đánh giá để xác định các thông số tối ưu như: thời gian nuôi cấy ban đầu, pH, nhiệt độ, nồng độ cơ chất và những nguồn dinh dưỡng khác nhau Điều này thể hiện thông qua việc có thể thu được biohydrogen với nồng độ cao và quá trình sản xuất biohydrogen chịu ảnh hưởng đáng kể bởi thời gian, pH, nhiệt độ, nồng độ cơ chất và chất dinh dưỡng nguồn lên men như glucose, tinh bột, tinh bột biến tính, Fe2+, Zn2+, Ni2+ Kết quả này có thể sẽ được áp dụng để gia tăng hiệu quả quá trình xử lý nước thải ngành chế biến tinh bột khoai mì

ABSTRACT

Biohydrogen is a sustainable energy resource due to its potentially higher efficiency of conversion to usable power, high energy density and non-polluting nature resource In this work, the experimental work has carried out to indicate the possibility of generating biohydrogen as well as identifying effective factors and the optimum conditions from cassava starch processing waste Present paper investigated the methods of controlled condition used to validate effects of various factors on fermentative hydrogen production Biohydrogen production by fermentation in a series of batch tests under different environmental control conditions was evaluated to determine the optimal initial cultivation time, pH, temperature, substrate concentration and different nutrient resource It was showed

in the results that high concentration of biohydrogen can be produced and the biohydrogen production process significant affected by the fermentative time, pH, temperature, substrate concentration and nutrient resource as glucose, starch, denatured starch, Fe2+, Zn2+, Ni2+ This result will be applied to enhance the process of cassava starch processing wastewater treatment

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện Các số liệu, kết quả nêu trong nghiên cứu này là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố bởi bất

kỳ một tác giả nào hay một công trình nào khác Các thông tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn này đã đƣợc ghi rõ nguồn gốc

Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 01 năm 2015

Tác giả luận văn

Tiên Minh Hải

MỤC LỤC

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Ý nghĩa của đề tài 2

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Mục tiêu của đề tài 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 4

2.1 Sản xuất tinh bột khoai mì 4

2.1.1 Giới thiệu chung về khoai mì 4

2.1.2 Quy trình sản xuất tinh bột khoai mì 5

2.2 Chất thải từ sản xuất tinh bột khoai mì 9

2.3 Quy trình xử lý nước thải tinh bột khoai mì 12

2.4 Nguồn năng lượng thay thế 15

2.4.1 Hydro và tầm quan trọng 15

2.4.2 Các phương pháp sản xuất hydro 20

2.5 Một số nghiên cứu 30

2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men hydro 35

2.7 Sản xuất biohydrogen từ nước thải tinh bột khoai mì 39

2.8 Tổng quan về động học và mô hình quá trình lên men 41

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 45

3.1 Nguyên vật liệu, hóa chất và thiết bị thí nghiệm 45

3.1.1 Nguyên vật liệu 45

3.1.2 Hóa chất 45

3.1.3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 47

3.2 Phương pháp nghiên cứu 48

3.2.1 Sơ đồ tiến trình thí nghiệm 48

3.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 50

3.2.3 Phương pháp phân tích 59

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ 63

4.1 Phân lập và đánh giá khả năng lên men của vi sinh vật 63

4.2 Xác định điều kiện tiền xử lý thích hợp 69

4.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH trong quá trình tiền xử lý (60 ph, nhiệt độ phòng) đối với quá trình lên men sản xuất hydro 69

4.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian trong quá trình tiền xử lý (pH 3, nhiệt độ phòng) đối với quá trình lên men sản xuất hydro 70

4.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình tiền xử lý (pH 3, 60 phút) đối với quá trình lên men sản xuất hydro 71

4.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian trong quá trình tiền xử lý (pH 3, 70oC) đối với quá trình lên men sản xuất hydro 72

4.3 Ảnh hưởng của thành phần cơ chất 73

4.3.1 So sánh hiệu suất sản xuất hydro được lên men trong môi trường Cheng với các điều kiện tiền xử lý khác nhau đối với bùn và hỗn hợp giống 73

4.3.2 So sánh hiệu suất sản xuất hydro đối với bùn và giống khi lên men trong các môi trường nuôi cấy khác nhau 75

4.3.3 So sánh hiệu suất sản xuất hydro với các điều kiện tiền xử lý khác nhau đối với bùn và giống khi lên men trong môi trường nuôi cấy Cheng có chứa tinh bột hồ hóa 76

4.3.4 Khảo sát khả năng sinh hydro khi lên men trong môi trường dung dịch tinh bột 77

4.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố khoáng vi lượng trong thành phần môi trường nuôi cấy khi lên men 78

CHƯƠNG 5.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHI ̣ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 88

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Tỷ lệ % (theo khối lượng) của các thành phần có trong khoai mì [5] 5

Bảng 2.2 Thành phần và tính chất nước thải nhà máy chế biến tinh bột mì 11

Bảng 2.3: Ưu và nhược điểm của quá trình sản xuất hydrogen 27

Bảng 2.5: Ảnh hưởng của pH lên quá trình lên men [21] 35

Bảng 2.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình lên men 36

Bảng 2.7: Ảnh hưởng của các ion kim loại 38

Bảng 3.1 Các thành phần trong môi trường nuôi cấy Cheng 46

Bảng 3.3 Chi tiết môi trường TSA và môi trường TSA 52

Bảng 4.1 Đặc điểm quan sát của 13 chủng A1-A13 64

Bảng 4.2 Nồng độ H2 (%) trung bình sinh ra sau khi lên men 68

Bảng 1 Nồng độ H2 sinh ra của bùn được tiền xử lý ở các pH khác nhau 88

Bảng 2 Nồng độ H2 sinh ra của bùn được tiền xử lý ở pH 3 trong khoảng thời gian khác nhau 88

Bảng 3 Nồng độ H2 sinh ra của bùn được tiền xử lý ở các nhiệt độ khác nhau 89

Bảng 4 Nồng độ H2 sinh ra sau khi lên men bùn được xử lý ở các nhiệt độ khác nhau 89

Bảng 5 Nồng độ H2 sinh ra của trog môi trường Cheng 89

Bảng 6 Nồng độ H2 khi lên men bằng bùn trong môi trường Cheng chứa tinh bột khoai mì và môi trường Cheng chứa glucose 90

Bảng 7 Lượng H2 khi lên men bằng giống trong môi trường Cheng chứa tinh bột khoai mì và môi trường Cheng chứa glucose 90

Bảng 8 Lượng H2 sinh ra khi lên men bằng bùn và giống trong môi trường có tinh bột hồ hóa 90

Bảng 9 Lượng H2 sinh ra khi lên men bằng bùn và giống trong môi trường tinh bột hồ hóa 91

Bảng 10 Lượng H2 sinh ra khi lên men trong các môi trường khoáng khác nhau 91

DANH MỤC HÌNH

Hình2.1 Quy trình sản xuất tinh bột khoai mì [5] 6

Hình 2.2: Quy trình xử lý nước thải tinh bột khoai mì 12

Hình 2.3 Một viên pin hydro 19

Hình 2.4 Xe hơi chạy bằng khí Hydro 20

Hình 2.5 Mô hình điện phân nước 23

Hình 2.6 Tảo Chlamydomonas reinhardtii và cơ chế quang hợp tảo hydro 26

Hình 2.7 Cơ chế sinh hydro của khuẩn lam 26

Hình 2.8 Quá trình chuyển hóa glucose thành ethanol và acid hữu cơ 29

Hình 2.9 Số bằng sáng chế được cấp mỗi năm ở Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Liên minh châu Âu và Mỹ ( [15] ) 31

Hình 2.10 Số bằng sáng chế theo nguyên liệu được sử dụng ở Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Liên minh châu Âu và Mỹ ( [15] ) 31

Hình3.1 Lấy mẫu bùn giống tại xưởng thực nghiệm Thái Mỹ 45

Hình 3.2 Môi trường TSC và môi trường TSA 47

Hình 3.4 Sơ đồ quy trình thí nhiệm khảo sát quá trình lên men sản xuất biohydrogen 48

Hình 3.5 Sơ đồ quy trình thí nhiệm khảo sát điều kiện tiền xử lý 50

Hình 3.6 Phân lập vi sinh vật từ bùn 51

Hình 3.7 Một số đĩa đã cấy và đĩa có khuẩn lạc kị khí màu trắng 52

Hình 3.8 Quy trình cấy truyền vi sinh vật 61

Hình 4.1 Hình dạng khuẩn lạc trên môi trường thạch TSA của 13 chủng A1-A13 64 Hình 4.2 Hình dạng tế bào 13 chủng A1-A13 (100X) 68

Hình 4.3 Biểu đồ thể hiện khả năng sinh H2 của các giống vi sinh vật đã phân lập.69 Hình 4.4 Nồng độ H2 (%)sinh ra sau khi lên men mẫu bùn được tiền xử lý ở các pH khác nhau 70

Hình 4.5 Nồng độ H2 (%) sinh ra sau khi lên men mẫu bùn được tiền xử lý ở pH 3 trong khoảng thời gian khác nhau 71

Hình 4.6 Nồng độ H2 (%) sinh ra sau khi lên men mẫu bùn được tiền xử lý ở các nhiệt độ khác nhau 72 Hình 4.7 Nồng độ H2 (%) sinh ra sau khi lên men mẫu bùn được tiền xử lý ở 70 oC trong 30-60-90 phút 73 Hình 4.8 Nồng độ H2 (%) sinh ra của bùn và bùn đã qua tiền xử lý sau khi lên men bùn và giống trong môi trường Cheng 74 Hình 4.9 Lượng H2 sinh ra khi lên men bằng bùn và giống trong môi trường Cheng, môi trường có tinh bô ̣t và môi trường có tinh bột biến tính 75 Hình 4.10 Lượng H2 sinh ra khi lên men bằng bùn và giống trong môi trường có tinh bột hồ hóa 76 Hình 4.11 Lượng H2 sinh ra khi lên men bằng bùn và giống trong môi trường tinh bột hồ hóa 78 Hình 4.12 Lượng H2 sinh ra khi lên men trong các môi trường khoáng khác nhau 79

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, trên thế giới và cả ở nước ta, tinh bột khoai mì là nguồn nguyên liệu không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp lớn như làm hồ, in, định hình và hoàn tất trong công nghiệp dệt, làm bóng và tạo lớp phủ bề mặt cho công nghiệp giấy Đồng thời nó còn dùng trong sản xuất cồn, bột nêm, mì chính, sản xuất men và công nghệ lên men vi sinh và chế biến các thực phẩm khác như bánh phở, hủ tiếu,

mì sợi, bánh canh… Chính vì lẽ đó, khoai mì được trồng trên 100 nước của vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Năm 2006 và 2007, sản lượng sắn thế giới đạt 226,34 triệu tấn củ tươi Trong đó, Việt Nam đứng thứ mười với 7,71 triệu tấn

Nhu cầu sử dụng nước trong sản xuất tinh bột khoai mì là rất lớn nên sau khi

sử dụng cũng thải ra môi trường một lượng nước thải tương đương Nếu không có biện pháp xử lý trước khi thải bỏ, hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải sẽ gây ô nhiễm đến nguồn nước mặt và diện tích đất đai xung quanh vùng xã thải do quá trình phân hủy chất hữu cơ trong tự nhiên Nghiêm trọng hơn nếu chất hữu cơ ngấm xuống tầng nước ngầm, chúng sẽ phá hủy chất lượng nguồn nước ảnh hưởng đến môi trường sống của cả cộng đồng dân cư trong khu vực Nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội trong xu hướng phát triển bền vững của nước ta cũng như thế giới Việc nghiên cứu các biện pháp quản lý và xử lý thích hợp đối với chất thải từ sản xuất tinh bột khoai mì là điều cần thiết

Công nghệ xử lý nước thải nói chung và nước thải sản xuất tinh bột khoai mì nói riêng ngày càng đi sâu vào áp dụng công nghệ sinh học Hơn nữa, đặc trưng của nước thải tinh bột là hàm lượng chất hữu cơ cao, giá trị BOD, COD cao thì việc áp dụng phương pháp sinh học là lựa chọn phù hợp

Ngày nay, hydrogen đã thu hút được sự chú ý của mọi người bởi nó là một loại năng lượng sạch và các sản phẩm đốt cháy chỉ là nước sẽ không tạo ra hiệu ứng nhà kính Ngoài ra, hydro có năng suất năng lượng cao hơn, cao hơn so với các loại nhiên liệu hydrocarbon khoảng 2,75 lần [1] Việc sản xuất hydrogen theo phương

pháp sinh học nói chung và cụ thể là từ quá trình xử lý các nguồn chất thải hữu cơ

là một hướng đi đúng đắn vì vừa tạo ra nguồn nhiên liệu có hiệu suất cao và vừa đảm bảo được vấn đề bảo vệ môi trường

Với những yếu tố trên, tiềm năng sản xuất hydrogen từ quá trình xử lý chất thải công nghiệp sản xuất tinh bột khoai mì tại Việt Nam là rất lớn

1.2 Ý nghĩa của đề tài

Với ưu điểm là nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện môi trường và có thể tái tạo, BioHydrogen nổi lên như là điểm sáng trong bức tranh nhiên liệu hóa thạch hiện nay đang ngày càng cạn kiệt và đắt đỏ Việc sản xuất BioHydrogen từ nguồn chất thải đang là một vấn đề được thế giới quan tâm và hướng đến Các nhà khoa học trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu sản xuất BioHydrogen và đã đạt được những tín hiệu hết sức khả quan Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu sẽ là tiền đề

để các nhóm nghiên cứu trong nước bắt kịp các kỹ thuật tiên tiến trên thế giới, cùng các nhà khoa học hàng đầu trên thế giới từng bước xây dựng một quy trình sản xuất BioHydrogen hiện đại, bền vững

Mặt khác, đề tài mang một ý nghĩa lớn cả về mặt khoa học lẫn thực tiễn Về mặt thực tiến, đề tài sẽ giúp nâng cao hiệu suất nhiệt trong quá trình sử dụng biogas

từ quá trình xử lý chất thải khoai mì, nâng cao hiệu quả kinh tế cũng như góp phần giải quyết bài toán môi trường trong các nhà máy chế biến tinh bột khoai mì Về mặt khoa học, đề tài sẽ là công trình nghiên cứu giúp các nhà nghiên cứu trong nước có cái nhìn ban đầu về khả năng sản xuất BioHydrogen từ chất thải khoai mì,

mở ra hướng đi cho các nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực này

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Hướng tiếp cận chủ yếu trong đề tài này là dựa vào khảo sát thực nghiệm các quy trình xử lý chất thải sản xuất tinh bột khoai mì để tạo BioHydrogen trong điều kiện kỵ khí với các thông số đầu vào của quá trình là khác nhau

- Chọn lựa nguồn bùn thải thích hợp từ cơ sở xử lý nước thải theo phương pháp lên kỵ khí giàu Clostridium có khả năng sản xuất hydrogen cao

- Thực nghiệm và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng lên năng suất sản xuất

H2 Xác định điều kiện phản ứng tối ưu

1.4 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là khảo sát khả năng sản xuất BioHydrogen tại các điều kiện cụ thể khác nhau Qua đó có thể đưa ra các điều kiện cho sản xuất BioHydrogen bằng phương pháp lên men kỵ khí trong điều kiện phòng thí nghiệm Theo đó, các mục tiêu cụ thể cần đạt được ở đây là:

- Đánh giá khả năng sản xuất biohydrogen từ lên men trong môi trường Cheng [2] có tính đến các yếu tố trong xử lý chất thải công nghiệp sản xuất tinh bột khoai mì

- Đưa ra một số các điều kiện thuận lợi để sản xuất biohydrogen bằng phương pháp lên men kỵ khí đối với nguồn cơ chất

Chương 2 TỔNG QUAN

2.1 Sản xuất tinh bột khoai mì

2.1.1 Giới thiệu chung về khoai mì

Khoai mì (hay còn gọi là khoai mì) có tên khoa học là Manihot Esculenta là cây lương thực ưa ẩm, nó phát nguồn từ lưu vực sông Amazone Nam Mỹ Đến thế

kỉ XVI mới được trồng ở châu Á và Phi [3] Ở nước ta, khoai mì được trồng ở khắp nơi từ Bắc vào Nam nhưng do quá trình sinh trưởng của khoai mì kéo dài, khoai mì giữ đất lâu nên chỉ các tỉnh trung du và thượng du Bắc Bộ như: Phú Thọ, Tuyên Quang, Hòa Bình … là điều kiện trồng trọt thích hợp hơn cả Tổng diện tích trồng sắn của Việt Nam đạt 560.000 ha, sản xuất gần 9,4 triệu tấn / năm [4]

Khoai mì cũng là một trong những loại nông sản có vai trò khá quan trọng trong đời sống Ngày nay các công ty xí nghiệp càng chú trọng hơn trong việc nâng cao giá trị của khoai mì bằng cách xây dựng các xí nghiệp sản xuất tinh bột khoai mì.Với diện tích thu hoạch hơn nửa triệu ha, giá trị xuất khẩu sản phẩm khoai mì của Việt Nam đạt 800-950 triệu USD mỗi năm Thị trường nhập khẩu khoai mì của Việt Nam chủ yếu là các nước châu Á như Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan, Philippines, Malaysia, Nhật Bản

Khoai mì là một cây nông nghiệp đã được công nghiệp hóa rất thành công Công nghiệp chế biến tinh bột khoai mì là một ngành công nông nghiệp làm theo thời vụ chủ yếu là từ cuối tháng 8 năm trước đến đầu tháng 4 năm sau, sử dụng khoai mì làm nguyên liệu chính Cùng với việc trồng, từ lâu nhân dân ta đã chế biến thành lương thực cho người, gia súc (khoai mì lát) hoặc chế biến thành những món

ăn dân dã như làm bánh, nấu chè…

Việt Nam là một đất nước nông nghiệp và đang không ngừng công nghiệp hóa theo xu thế của toàn cầu Chính vì lẽ đó mà cả những sản phẩm nông nghiệp cũng được đưa vào ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp chế biến

Khoai mì Việt Nam cũng bao gồm nhiều loại Nhân dân ta thường căn cứ vào kích thước, màu sắc củ, thân, gân lá và tính chất khoai mì đắng hay ngọt (quyết định

bởi hàm lượng axit HCN cao hay thấp) mà tiến hành phân loại Tuy nhiên trong công nghệ sản xuất tinh bột người ta phân thành hai loại: khoai mì đắng và khoai mì ngọt

Nhiều ngành công nghiệp và chế biến thực phẩm có sử dụng tinh bột khoai

mì cũng rất phát triển dẫn đến nhu cầu tinh bột khoai mì tăng nhanh chóng Tinh bột khoai mì là một trong các nguồn có hàm lượng tinh bột cao nhất, củ khoai mì chứa đến 30% hàm lượng tinh bột nhưng có hàm lượng protein, cacbonhydrate và chất béo thấp Đó là nguồn thức ăn cho cuộc sống con người, là nguồn nguyên liệu cho các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và các ngành công nghiệp khác

Vì những lợi ích mà tinh bột khoai mì mang lại cho con người nên ngày càng

có nhiều cơ sở sản xuất tinh bột khoai mì ra đời với thiết bị khá hiện đại và đã phần nào giải quyết được nguồn nguyên liệu khoai mì tại nhiều vùng trong cả nước cũng như xuất khẩu

Bảng 2.1: Tỷ lệ % (theo khối lượng) của các thành phần có trong khoai mì [5]

Hình 2.1 Quy trình sản xuất tinh bột khoai mì [5]

THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Bước 1: Ngâm

Quá trình ngâm nhằm mục đích tách bớt một lượng chất hòa tan trong nguyên liệu,

làm bở đất cát để nâng cao hiệu suất quá trình rửa sau này

Bước 2: Rửa và bóc vỏ

Nguyên liệu sau khi ngâm thì được đem đi rửa và bóc vỏ Mục đích của quá trình rửa và bóc vỏ là làm sạch nguyên liệu và tách bỏ phần vỏ gỗ của củ vì nếu rửa không sạch thì đất cát bám trên củ sẽ làm mòn răng máy nghiền và làm giảm hiệu suất nghiền

Mặt khác, nếu tạp chất lẫn vào tinh bột sẽ làm tăng độ tro, độ màu thành phẩm, tinh bột sẽ không có chất lượng cao

Bước 3: Phương pháp rửa và bóc vỏ

a Phương pháp thủ công

Ở những nhà máy vừa và nhỏ, người ta tách bỏ nguyên phần vỏ (gồm phần

vỏ lụa và vỏ thịt) và chỉ dùng phần lõi của củ – phần có cấu trúc mềm xốp để sản xuất tinh bột

Với những thiết bị đơn giản có sẵn và nguồn năng lượng hạn chế của các nhà máy, việc dùng nguyên củ để sản xuất sẽ gặp khó khăn trong khâu nghiền cũng như trong khâu rửa đất cát, gọt vỏ… trong khi lượng tinh bột thu được là không cao (do nghiền không hiệu quả)

Người ta có thể tách vỏ củ bằng tay Củ được khía ngang, dọc đến một độ sâu nhất định tùy vào bề dày của vỏ, sau đó dễ dàng được lột ra Bụi bẩn, đất cát… còn vương lại trên bề mặt lõi của củ bây giờ có thể được rửa sạch một cách dễ dàng và những củ đã được lột vỏ được đẩy vào bồn ximăng, ngâm trong nước cho đến khi được lấy ra để nghiền Thỉnh thoảng dùng chân đạp nhẹ cũng rửa được những chất bẩn còn bám

b Phương pháp cơ giới

Ở những nhà máy lớn, người ta sử dụng nguyên củ để sản xuất Việc rửa củ ở đây không chỉ để rửa sạch củ mà còn để tách lớp vỏ lụa bên ngoài của vỏ Vì chỉ có lớp vỏ lụa bị tách nên ta sẽ thu được tinh bột trong phần vỏ cùi, như vậy tính kinh tế

sẽ cao hơn Phần vỏ cùi chiếm đến 8,5% khối lượng toàn củ

Nguyên tắc: sự ma sát giữa các củ cũng như ma sát giữa củ với thành thiết bị, với cánh quay sẽ làm tróc lớp vỏ lụa và dưới áp lực của nước sẽ rửa sạch lớp vỏ lụa này cũng như đất cát bám bên ngoài củ

Bước 4: Cắt khúc

Nguyên liệu sau khi được rửa sạch và bóc vỏ thì được đưa vào thiết bị cắt khúc Mục đích của quá trình cắt khúc là cắt nhỏ nguyên liệu để quá trình nghiền tiếp theo đạt hiệu quả cao hơn

Bước 5: Nghiền

Mục đích của quá trình nghiền là giải phóng tinh bột khỏi tế bào bằng cách phá vỡ màng tế bào khoai mì

Đây là khâu quan trọng nhất trong việc quyết định hiệu suất thu hồi tinh bột

Sự phá vỡ màng tế bào càng triệt để thì hiệu suất tách tinh bột càng cao

Bước 6: Tách bã

Hỗn hợp thu được sau khi nghiền không chỉ chứa tinh bột mà còn lẫn các tạp chất khác như vỏ tế bào, dịch bào thoát ra do quá trình nghiền, tế bào còn nguyên, nước… Do đó, quá trình tách bã nhằm mục đích tách phần lớn lượng bã thô ra khỏi hỗn hợp

Bã sau khi tách vẫn còn một lượng tinh bột tự do bám lại Vì vậy, để tăng hiệu quả của quá trình tách, người ta thu hồi lượng bã cho trở lại máy nghiền Sau khi nghiền xong, bã tiếp tục được tách lượng tinh bột sót Tuy nhiên trong bã vẫn còn lại một lượng nào đó không thể tách hết được Ngoài tinh bột ra còn một lượng dextrin, đường, chất pectin, chất khô của bã Vì vậy, bã thô sẽ được đưa ra bể chứa

bã để tận dụng làm thức ăn gia súc

Bước 7: Tách dịch bào

Quá trình tách dịch bào nhằm mục đích loại phần dịch bào có chứa polyphenol và enzyem polyphenoloxydase và các hợp chất hòa tan khác để hạn chế quá trình oxy hóa làm chuyển màu tinh bột và các phản ứng hóa học, hóa sinh khác ảnh hưởng đến chất lượng của tinh bột thành phẩm

Bước 8: Rửa tinh bột

Phần tinh bột thu được sau khi ly tâm lần thứ hai trong đó có thể vẫn còn lẫn tạp chất mịn có kích thước lớn hơn kích thước của hạt tinh bột nên sau khi ly tâm, dịch tinh bột được pha loãng bởi nước rồi được khuấy trộn để tách các bã mịn ra

khỏi các hạt tinh bột Mục đích của quá trình tách bã mịn là nhằm tách triệt để tạp chất mịn ra khỏi tinh bột, làm tăng độ tinh khiết của sản phẩm sau này

Bước 9: Sấy tinh bột

Quá trình sấy tinh bột nhằm mục đích tách một lượng lớn nước ra khỏi khối tinh bột ướt vừa được tinh sạch, đưa khối tinh bột ướt về trạng thái bột khô.Ở trạng thái đó, tinh bột bảo quản được trong thời gian lâu hơn, dễ dàng đóng gói và vận chuyển đi xa để phục vụ cho nhiều ngành sản xuất khác

Bước 10: Bao gói

Mục đích của quá trình bao gói là nhằm bảo vệ sản phẩm tinh bột sau khi đã sấy khô và làm nguội khỏi các tác động không tốt của môi trường xung quanh như:

độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng, vi sinh vật… nhằm kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm

Ngoài ra, việc bao gói còn nhằm mục đích thuận tiện cho vận chuyển và phân phối tới người tiêu dùng

2.2 Chất thải từ sản xuất tinh bột khoai mì

Việc sản xuất tinh bột khoai mì này đã tạo ra một lượng nước thải rất lớn ảnh hưởng đến môi trường mà chúng ta không thể xem thường Nguồn nước thải trên có

pH thấp, chứa hàm lượng cặn cao, khó phân hủy, bốc mùi chua nồng ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Nguồn nước thải này thường không được xử lý triệt để, có nơi còn không xử lý mà xả trực tiếp ra môi trường hoặc ra cống thoát nước thải sinh hoạt Nó gây ảnh hưởng đến đời sống sản xuất và sinh hoạt của người dân

Nước thải từ nhà máy chế biến tinh bột khoai mì gồm 2 loại chính:

- Nước rửa củ: sinh ra từ công đoạn rửa, loại bỏ rễ, lớp vỏ và đất cát Loại nước thải này chỉ ô nhiễm đất cát, ít bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ hòa tan nên tách riêng xử lý đơn giản và tận dụng để rửa lại củ

- Nước thải chế biến: chứa nồng độ cao cặn lơ lửng và chất hữu cơ thải ra từ công đoạn nghiền, tách bã và lọc tinh Thành phần nước thải từ quá trình chế biến chứa: tinh bột, đường, protein, xeluloza, các khoáng chất và độc tố CN-

Nhìn chung, nước thải từ quá trình sản xuất tinh bột khoai mì có hàm lượng chất hữu cơ rất cao đặc biệt là N, P Hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) cao sinh ra

chủ yếu do xác mì mịn trong lúc nghiền khoai mì Bên cạnh đó, hàm lượng độc tố

CN- cũng khá cao gây cản trở hoạt động của vi sinh vật trong gian đoạn xử lý sinh học Nước thải tinh bột có tỉ lệ BOD5/COD trên 0,7 rất thích hợp cho phương pháp

xử lý sinh học, nhưng trước hết phải đảm bảo khử được độc tố CN-

Các thành phần hữu cơ như tinh bột, protein, xenluloza, pectin, đường có trong nguyên liệu củ khoai mì tươi là nguyên nhân gây ô nhiễm cao cho các

dòng nước thải của nhà máy sản xuất tinh bột khoai mì Nước thải sinh ra từ dây

chuyền sản xuất tinh bột khoai mì có các thông số đặc trưng: pH thấp, hàm lượng chất hữu cơ và vô cơ cao, thể hiện qua hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS), TSS rất cao, các chất dinh dưỡng chứa N, P, các chỉ số về nhu cầu oxy sinh học (BOD5), nhu cầu oxy hoá học (COD), …với nồng độ rất cao và trong thành phần của vỏ khoai mì và lõi củ khoai mì có chứa Cyanua (CN-) một trong những chất độc hại có khả năng gây ung thư Khi ngâm khoai mì vào trong nước HCN sẽ tan vào trong nước và theo nước thải ra ngoài

Trong nhà máy chế biến tinh bột, thành phần nước thải sinh ra chủ yếu từ bóc vỏ, rửa củ, băm nhỏ và lắng lọc là các nguồn ô nhiễm chính.Trên cơ sở này việc lấy mẫu và phân tích thành phần nước thải được thực hiện ở hai công đoạn riêng biệt và kết hợp hai công đoạn này

Chính vì những lý do đó mà việc xây dựng hệ thống xử lý cho loại nước thải này là rất cần thiết Nước thải tinh bột khoai mì có hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao nên xử lý bằng phương pháp sinh học là một sự lựa chọn phù hợp

Ở Việt Nam thành phần tính chất nước thải tinh bột khoai mì tùy thuộc vào công nghệ sản xuất

Bảng 2.2 Thành phần và tính chất nước thải nhà máy chế biến tinh bột mì (Nguồn: Khoa Môi Trường – Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM)

Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả

2.3 Quy trình xử lý nước thải tinh bột khoai mì

Dựa vào thành phần tính chất nước thải nêu trên, công nghệ xử lý nước thải chế biến tinh bột khoai mì truyền thống được ứng dụng như sau

Hình 2.2: Quy trình xử lý nước thải tinh bột khoai mì

THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

SONG CHẮN RÁC (SCR)

Nước thải chế biến tinh bột khoai mì được cho qua song chắn rác đến bể điều hoà Song chắn rác bảo vệ thiết bị và hệ thống đường ống công nghệ phía sau, song chắn rác được lắp đặt trước bể điều hoà để loại bỏ các tạp chất có kích thước lớn ra khỏi nước thải tránh gây tắc nghẽn hệ thống xử lý

BỂ ĐIỀU HÒA

Sự dao động nồng độ và lưu lượng nước thải sẽ ảnh hưởng đến chế độ công tác của mạng lưới và các công trình xử lý, đặc biệt quan trọng với các công trình hóa lý, sinh học với việc làm ổn dịnh nồng độ nước thải sẽ giúp giảm nhẹ kích thước công trình xử lý hóa lý, đơn giản hóa công nghệ xử lý và tăng hiệu quả xử lý nước thải ở các công trình xử lý Tại bể điều hoà nhờ quá trình khuấy trộn và cấp khí giúp ổn định lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm như: BOD5, COD, pH, CN-

… tại đây nước thải được bơm sang bể lắng 1

Vôi, vi sinh vật, dinh dưỡng

Bùn

dư

BỂ LẮNG 1

Nước thải trước khi đến bể điều hòa sẽ qua lưới chắn rác tinh Lưới chắn rác tinh có nhiệm vụ loại bỏ các sơ sợi khoai mì, lớp váng bọt nổi và rác có kích thước nhỏ hơn 10mm

Có nhiệm vụ loại bỏ cát, mảng kim loại… trong nguyên liệu, trong nước thải

vệ sinh nhà xưởng Nước thải từ các khu vực sản xuất theo mạng lưới thoát nước riêng chảy vào bể lắng cát của trạm xử lý Bể lắng cát giữ lại phần lớn các hạt cát có kích thước lớn hơn 0,2mm bao gồm những hạt cát rời và một phần cát dính trong lớp vỏ gỗ, tránh ảnh hưởng đến máy bơm và thiết bị ở các công trình sau Trong nước thải chế biến tinh bột khoai mì thường có hàm lượng cát đáng kể, vì vậy trong công nghệ xử lý nước thải cần thiết phải có bể lắng cát Nước thải sau khi qua

bể lắng cát sẽ tự chảy vào bể axit khử cyanua (CN-)

Bể lắng có chức năng loại bỏ các chất lắng được mà các chất này có thể gây

ra hiện tượng bùn lắng trong nguồn tiếp nhận, tách dầu mỡ và các chất nổi khác, giảm tải trọng hữu cơ cho các công trình xử lý phía sau Phần bùn trong nước thải được giữ lại ở đáy bể lắng Lượng bùn này được bơm qua bể chứa bùn

BỂ AXIT KHỬ CYANUA (CN-)

Nước thải được dẫn vào bể axit với 2 ngày lưu nước nhằm mục đích khử độc

tố CN- và chuyển hóa các hợp chất khó phân hủy thành các hợp chất đơn giản dễ phân hủy sinh học Vi sinh vật hoạt động trong bể axit được lấy từ bùn tự hoại

BỂ TRUNG HÒA

Sau khi được xử lý ở bể axit, nước thải được trung hòa bằng vôi về pH khoảng 6,5 – 7,5 tại bể trung hòa nhằm tạo điều kiện cho quá trình xử lý sinh học tiếp theo

Nước thải ở công nghệ chế biến tinh bột khoai mì đều có pH thấp, ở các công đoạn do quá trình lên men axit tinh bột Do đó, trước khi tiến hành xử lý sinh học (yêu cầu pH từ 6.5 – 8.5) hay quá trình hóa lý thường yêu cầu pH trung tính cần tiến hành trung hòa để tạo điều kiện thích hợp cho vi sinh phát triển tốt

BỂ UASB

Phần nước sau khi tách bùn được bơm vào bể phản ứng kỵ khí UASB, bên cạnh việc phân huỷ phần lớn các chất hữu cơ thì CN- cũng được phân huỷ đáng kể tại đây, nhằm giảm đến mức thấp nhất nồng độ CN- trước khi dẫn vào bể lắng 2 Bể

UASB thường được áp dụng xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao như nước thải ngành tinh bột khoai mì Nước thải được nạp từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý nước thải xảy ra khi các chất hữu cơ tiếp xúc với bùn

hạt Đặc tính quan trọng nhất của bùn từ bể UASB là vận tốc lắng của bùn khá cao, nhờ đó có thể vận hành thiết bị kỵ khí với vận tốc ngược dòng từ dưới lên cao Khi vận hành ở giai đoạn đầu tải trọng chất hữu cơ không được quá cao vì vi sinh vật axit hóa sẽ tạo axit béo dễ bay hơi với vận tốc nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc của các axit này thành acetate dưới tác dụng của vi khuẩn acetate làm giảm pH môi trường, ức chế vi khuẩn methane hóa Tải trọng hữu cơ có thể tăng dần khi vi khuẩn thích nghi Vì vậy, với hệ thống UASB tải trọng chất hữu cơ có thể đạt cao trong giai đoạn hoạt động ổn định Bùn từ bể lắng 1 và bùn dư từ bể UASB sẽ được dẫn đến sân phơi bùn, nhằm giảm độ ẩm và khối lượng bùn để dễ dàng vận chuyển ra bãi thải

Nước thải sau khi trung hòa được dẫn đển bể lọc sinh học kị khí (UASB) nhằm phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành các chất hữu cơ đơn giản hơn và chuyển hóa chúng thành CH4, CO2, H2S… Sau đó, nước thải được xử lý tiếp bằng

hồ hiếu khí, hồ này vừa có nhiệm vụ xử lý tiếp phần BOD5, COD còn lại vừa làm giảm mùi hôi có trong nước thải

BỂ LẮNG 2

Sau khi xử lý ở bể UASB nước thải tiếp tục chảy sang bể lắng 2 để lắng bùn hoạt tính Lượng bùn này được rút khỏi bể lắng bằng hệ thống bơm bùn và tuần hoàn về bể UASB, bùn dư được dẫn về bể nén bùn

HỒ HIẾU KHÍ

Nước thải từ bể lắng 2 tiếp tục chảy qua hồ hiếu khí với thời gian lưu nước

10 ngày nhằm ổn định nguồn nước thải Sau khi ra khỏi hồ nước thải sẽ đạt tiêu chuẩn TCVN 5945 – 2005 loại A, B rồi thải ra nguồn tiếp nhận

Tiếp đó, nước thải sẽ được dẫn đến cụm 5 hồ sinh học, phần CN- nitơ, photpho, BOD5, COD, SS còn lại sẽ được khử tại các hồ sinh học Nước thải sau khi qua hệ thống xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 24:2009, loại B sẽ thải ra nguồn tiếp nhận

2.4 Nguồn năng lượng thay thế

2.4.1 Hydro và tầm quan trọng

Hydro (H2) là nguyên tố hóa học nhẹ nhất với đồng vị phổ biến nhất chứa một prôton và một điện tử Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn nó là dạng khí không màu, không mùi, phân tử bao gồm 2 nguyên tử Tỉ trọng Hydro bằng 1/14 tỉ trọng của không khí H2 dễ bắt cháy, có hóa trị 1, có nhiệt độ sôi 20,27 K (-252,87°C) và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14°C)

Khí Hydro từ lâu đã được xem như một nguồn năng lượng quý Là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, khí Hydro khi cháy có hiệu suất tỏa nhiệt cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu trong thiên nhiên (142KJ/g), đã được sử dụng làm nhiên liệu phóng các tàu vũ trụ Nhiều gấp 3 lần so với khí Metan (CH4) khi cháy có (hiệu suất tỏa nhiệt thấp hơn là 55,5KJ/g) 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

Trên Trái đất, Hydrogen phần lớn ở dạng kết hợp với oxygen trong nước, hay với carbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động thực vật Khác với các nguồn năng lượng cơ bản (ví dụ như dầu mỏ

có thể bơm trực tiếp từ lòng đất lên rồi sử dụng), Hydrogen là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là chúng không thể được khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu Điều này là một điểm bất lợi, nhưng đồng thời lại là điểm mạnh của Hydrogen do người ta có thể sản xuất khí Hydro từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn năng lượng tái sinh

Hydro thường tồn tại ở dạng liên kết với các nguyên tố khác như ôxy trong nước, cacbon trong khí methane và trong các hợp chất hữu cơ Do Hydro có hoạt tính cực mạnh nên hiếm thấy Hydro tồn tại như một nguyên tố riêng rẽ

Các nhà máy tinh chế sản xuất Hydro và người tiêu dùng sử dụng với khối lượng lớn Ngày nay, 96% của tất cả các Hydro có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, 48% từ khí tự nhiên, 30% từ các Hydrocacbon, 18% từ than đá và khoảng 4%

từ điện phân

Được làm mát tới trạng thái lỏng Hydro chiếm 1/700 thể tích của trạng thái khí Hydro khi hoá hợp với ôxy có hàm lượng năng lượng cao nhất trên một đơn vị khối lượng là 120,7 GJ/T, và nhiệt phát ra của một gram dung dịch Hydro cháy có giá trị 142.000 Jun, tương ứng với 24 lần giá trị phát nhiệt của xăng

Hiện nay, có một nhu cầu rất lớn của Hydro hóa học Chưa có thống kê cụ thể khối lượng sản xuất và sử dụng Hydro trên toàn thế giới.Tuy nhiên, tiêu thụ ước tính của Hydrogen đạt 900 tỷ mét khối vào năm 2011 Năng lượng Hydro được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực giao thông vận tải, trong các thiết bị điện tử (như là điện thoại di động, máy tính xách tay….)

Động lực thúc đẩy nghiên cứu khí Hydro là sự cần thiết để phá vỡ phụ thuộc vào dầu mỏ và khí đốt, vốn là những nguồn năng lượng tạo ra nhiều khí thải gây hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu Theo ước tính, chúng đang dần cạn kiệt trong 20-50 năm nữa

Hydro là nguồn nhiên liệu an toàn, thân thiện với môi trường không thể gây bất cứ sự cố môi trường nào cho con người, không như nguồn năng lượng hạt nhân từng gây nhiều vụ rò rỉ phóng xạ như đã xảy ra trong nhiều năm gần đây

Như vụ rò rỉ phóng xạ ngày 28-3-1979 ở Nhà máy The Three-Mile Island (bang Pennsylvania, Mỹ); vụ tai nạn nổ lò phản ứng hạt nhân ngày 26-4-1976 ở Nhà máy Chernobyl (Ukraine, Liên Xô trước đây); sự cố ngày 30-9-1999 làm 119 người

bị nhiễm phóng xạ tại Nhà máy tái chế nhiên liệu phóng xạ Tokaimura (tỉnh Ibakari, Nhật); vụ vỡ đường ống nước và hơi nóng ngày 9-8-2004 tại Nhà máy điện hạt nhân Mihama (tỉnh Fukui, Nhật) làm năm công nhân thiệt mạng Cũng tại nhà máy này năm 2006 lại xảy ra một vụ cháy nữa

Sau trận động đất Chuetsu 6,8 độ Richter ngày 16-7-2007, một vụ rò rỉ được đánh giá là rất nghiêm trọng đã xảy ra tại nhà máy điện hạt nhân lớn nhất thế giới Kashiwazaki Kariwa (tỉnh Niigata, Nhật) Khoảng 400 thùng chất thải hạt nhân bị

đổ vỡ, một số lượng chất lỏng chứa phóng xạ chảy ra biển, buộc nhà máy phải đóng cửa ngưng hoạt động ít nhất một năm để Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) kiểm tra

Gần đây nhất là vụ nổ nhà máy điện hạt nhân Fukushima ở Nhật năm 2011, khiến hàng chục người bị thương và nhiễm phóng xạ, hàng trăm ngàn người phải di tản

Ngoài ra, nhiều vấn đề nghiêm trọng khác về chất thải hạt nhân, vấn đề thất thoát nguyên liệu hạt nhân vào tay các phần tử khủng bố, vấn đề mâu thuẫn giữa độc quyền công nghệ hạt nhân trong tay một số nước và chủ trương phá vỡ thế độc quyền đó

Từ nhiều năm qua, những quan ngại về nạn nóng lên khắp hoàn cầu (global warming) và các giếng dầu lửa sắp cạn đã thúc đẩy các chính phủ, những trường đại học, và cả một số tổ chức tư nhân nỗ lực truy tìm những nhiên liệu cho tương lai Một trong những kỹ thuật mới đang được thử nghiệm thành công là phương pháp chế tạo Hydrogen từ các loại chất thải như rác, nước thải, phân Kỹ thuật này một khi được ứng dụng rộng rãi sẽ tận dụng lượng phế thải khổng lồ trên hành tinh này

và giúp cải thiện môi trường

Nền kinh tế thế giới hiện nay đang bị phụ thuộc nặng nề vào nhiên liệu hóa thạch Xăng, dầu, khí đốt, than đá…là những nguồn nhiên liệu đã và đang làm thay đổi hoàn toàn cuộc sống của con người Bên cạnh đó, nhiên liệu hóa thạch cũng đem đến những tác hại không nhỏ như ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu, tranh chấp tài nguyên giữa các quốc gia… Theo ước tính, nguồn dầu

mỏ trên thế giới sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm nữa trong khi nhu cầu sử dụng của các quốc gia liên tục tăng Báo cáo “Năng lượng năm 2050” của ngân hàng HSBC viết: “Với giá dầu ở mức hơn 100 USD/thùng, các sản phẩm thay thế dầu thô như dầu cát và chất lỏng tổng hợp sẽ được phát triển nhiều hơn Nếu giá dầu lên đến 150 USD/thùng, nhiên liệu sinh học sẽ phát triển mạnh" Điều đó cho thấy nhiên liệu sinh học không chỉ là xu hướng mà là nhu cầu cấp thiết trong tương lai gần và dần dần sẽ thay thế nhiên liệu hóa thạch

“Nền kinh tế Hydrogen” là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính Hydrogen Thuật ngữ này được tập đoàn General Motors đặt ra năm vào 1970 Nền kinh tế Hydrogen hứa hẹn đẩy lùi tất cả những vấn đề do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra Hydro được sử dụng

để sản xuất điện thay nhiên liệu hóa thạch, thực hiện trong các pin nhiên liệu (fuel cell) Pin nhiên liệu hoạt động theo nguyên lý ngược với quá trình sản xuất Hydrogen, nghĩa là nếu với nguyên liệu là nước, khi được cung cấp một năng lượng cần thiết sẽ xảy ra quá trình tạo ra Hydrogen và oxygen, thì ngược lại, nếu cho Hydrogen và oxygen kết hợp lại trong điều kiện nhất định sẽ thu được nước và một năng lượng tương ứng, đó là điện năng Từ năm 1960, Công ty General Electric đã sản xuất hệ thống cung cấp điện bằng pin nhiên liệu Hydrogen cho tàu Apollo của NASA, sau đó sử dụng cho tàu Apollo-Soyuz, Skylab và các tàu con thoi (Space Shuttle) Ngày nay, điện năng trong các tàu con thoi và trạm nghiên cứu không gian của NASA đều được các pin nhiên liệu Hydrogen cung cấp, vì trên tàu không gian, Hydrogen và oxygen được mang theo sẵn Bên cạnh đó pin nhiên liệu không chỉ cung cấp điện mà còn cung cấp nước uống siêu sạch cho các phi hành gia, vì nước

là chất thải của pin nhiên liệu Hydrogen

Nền kinh tế Hydro sẽ thay thế nền kinh tế hóa thạch: cuộc cách mạng về năng lượng đang được hiện thực hóa Hydro và pin nhiên liệu là chìa khóa giải quyết vấn đề ô nhiễm bầu khí quyển, biến đổi khí hậu toàn cầu và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu - mối lo của toàn thế giới hiện nay khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Một trong những thực tế là một nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hydro sẽ ít gây ô nhiễm hơn một nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch [6]

Quá trình sử dụng nhiên liệu Hydrogen sạch và thân thiện với môi trường hơn so với khí sử dụng nhiên liệu metan, tạo ra nước thay vì khí nhà kính trong quá trình đốt cháy, và có một hiệu suất năng lượng cao (142 KJ/g), lớn hơn so với nhiên liệu hydrocarbon khoảng 2,75 lần [1]

Tất cả những sự thay đổi đó cho thấy đây thật sự là một cuộc cách mạng sâu sắc trong tiến trình phát triển của xã hội loài người, và đã được đánh giá có ý nghĩa

to lớn như cuộc cách mạng công nghiệp trước đây, khi phát minh đầu máy hơi nước với việc sử dụng nhiên liệu than đá

Khi sử dụng nhiên liệu Hydrogen, sẽ không cần máy phát điện, không cần những tuôcbin đồ sộ, không có cả những cơ cấu chuyển động, không có tiếng ồn, không khói xả Điện từ các pin nhiên liệu Hydrogen 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, từ các vùng sâu, vùng xa, hoặc trạm điện, các cao ốc cho đến các thành phố, mà không cần đến những nhà máy điện đồ sộ cùng nguồn điện lưới từ trung tâm cung cấp phân phối điện quốc gia Người tiêu thụ có thể tự sản xuất điện Sản xuất điện bằng pin nhiên liệu Hydrogen sẽ phá thế độc quyền trong sản xuất và phân phối điện

Hình 2.3 Một viên pin hydro

Ngày nay, nền kinh tế Hydro đang trở thành một xu thế không thể đảo ngược trên thế giới Ở Mỹ, năm 2003 Tổng thống G Bush đã công bố một chương trình được gọi là “Sáng kiến nhiên liệu Hydrogen” (Hydrogen Fuel Initiative) với quyết định dành 1,2 tỉ USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ôtô chạy bằng pin nhiên liệu Hydrogen phải triển khai thương mại hóa thành công vào thực tế, và các hãng xe hơi hàng đầu thế giới đã lao vào lĩnh vực này Hiện đã

có nhiều mẫu xe chạy bằng Hydro (Hydrogen car) và xe kết hợp giữa động cơ đốt trong bằng Hydro và động cơ điện có tên gọi xe ghép lai (hybrid car) được gọi chung là dòng xe hoàn toàn không có khói xả (Zero Emission Vehicle - ZEV) của các hãng ôtô nổi tiếng như Honda, Ford, Mercedes Benz trưng bày giới thiệu trong các cuộc triển lãm quốc tế về ôtô Tuy trước mắt dòng xe này chủ yếu chỉ đang được nghiên cứu cải tiến và triển lãm giới thiệu nhưng trong tương lai không

xa, dưới sự điều tiết của nhà nước, chúng sẽ dần thay thế xe chạy bằng xăng dầu

Nhật tuyên bố ngay trong năm 2008 các thế hệ xe không có khói xả ZEV sẽ

ra đời với tên Toyota Prius, Toyota Camry Hybrid, Ford Escape Hybrid, Honda Insigh Cho đến tháng 4-2007, ở Mỹ đã có 200 chiếc ôtô và xe buýt chạy bằng Hydro hoạt động Gần đây, một cuộc hành trình thử nghiệm xuyên châu Úc trong một ngày đường khoảng 4.000km bằng ôtô dùng nhiên liệu Hydro cho thấy ôtô có thể chạy an toàn đến mọi nơi mà không cần xăng và hoàn toàn không xả khí độc hại gây ô nhiễm môi trường [7]

Hình 2.4 Xe hơi chạy bằng khí Hydro

Tại Mỹ, chính phủ đã áp dụng lộ trình chuyển đổi gồm 4 giai đoạn từ nền kinh tế xăng dầu sang nền kinh tế hydro Theo đó, từ năm 2015 đến năm 2040, nước

Mỹ sẽ nghiên cứu sản xuất hạ giá thành hydro và pin nhiên liệu, xây dựng cơ sở vật chất từ khâu sản xuất đến khâu tiêu thụ, tiến tới sản xuất đại trà nhiên liệu hydro để cung ứng cho thị trường

2.4.2 Các phương pháp sản xuất hydro

Những nhiên liệu được chế tạo từ Hydrogen lâu nay được kỳ vọng sẽ thay thế xăng dầu trong tương lai Các nhà khoa học trên thế giới đang cố gắng nghiên cứu các phương thức sản xuất Hydro công nghiệp có sản lượng lớn và giá thành rẻ

Nguyên tắc chung: Hydro gắn kết trong vật chất hữu cơ và trong nước, nên qua việc cắt rời các mối gắn kết đó cho phép sản xuất Hydro và tiếp đó Hydro được

sử dụng làm nhiên liệu

Có ba phương pháp cơ bản tạo ra Hydrogen:

+ Phương pháp chuyển hóa hydrocacbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt (Reforming)

Phương pháp sản xuất Hydro sử dụng nhiệt từ các nhiên liệu hóa thạch, sinh khối: Để sản xuất công nghiệp có giá trị thương mại khí Hydro được điều chế từ khí thiên nhiên được xử lý bằng hơi nước nóng ở nhiệt độ cao (700-1000oC) Một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn còn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp, tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu và năng lượng để sản xuất khí Hydro không giải quyết triệt

để các vấn đề liên quan đến nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường Bên cạnh nguồn Hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch, sinh khối được sử dụng để sản xuất Hydrogen bằng cách chuyển thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước Hơi nước chứa Hydrogen được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra Hydrogen.Quá trình này thường tạo ra sản lượng Hydrogen khoảng từ 12%-17% trọng lượng Hydrogen của sinh khối Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị…

Phương pháp sản xuất Hydro sử dụng nhiệt từ các nhà máy điện hạt nhân có hai điểm lợi:

Nguồn nguyên liệu chính là uranium có trữ lượng lớn ở HK, Canada, và Úc Châu Do đó đây là một nguồn nguyên liệu ổn định và an toàn;

Nguồn năng lượng hạt nhân không tạo ra khí carbonic vào bầu khí quyển cũng như các khí thải độc hại khác

Quá trình sản xuất H2 trong các ló phản ứng hạch nhân theo nguyên tắc như sau: hơi nước được điện phân trong phản ứng nhiệt hóa (HTES) từ khoảng 700o

C đến 1.000oC để cho ra H2 Phản ứng nầy chiếm ưu thế hơn ví không cần sự hiện diện của các chất xúc tác và cho hiệu suất cao hơn phản ứng nhiệt hóa

Tuy nhiên, vì cùng sản xuất đồng loạt điện năng và Hydrogen, cho nên cần

có sự hiện diện của hai lò phản ứng ở trong cùng một phạm vi sản xuất Điều nầy đòi hỏi mức an toàn vận hành rất cao Mọi sơ suất có thể biền thành một tai nạn thảm khốc

Hydro được điều chế từ khí thiên nhiên bằng cách dung hơi nước nóng ở nhiệt độ cao (700-10000C) phản ứng với khí methane tạo ra khí hydro

CH4 + H2O CO + 3H2 + 191,7 kJ/mol Sau đó ở 130oC, khí CO được phản ứng với nước nhằm tăng hiệu suất quá trình:

CO + H2O CO2 + H2 – 40,4 kJ/mol

Để sản xuất công nghiệp có giá trị thương mại hydro được điều chế từ khí thiên nhiên được xử lý bằng hơi nước nóng ở nhiệt độ cao (700-10000C) Một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn còn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp, tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu và năng lượng để sản xuất hydro không giải quyết triệt để các vấn đề liên quan đến nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường Bên cạnh nguồn hydro từ nhiên liệu hóa thạch, sinh khối được sử dụng để sản xuất hydro bằng cách chuyển thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước Hơi nước chứa hydro được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra hydro Quá trình này thường tạo ra sản lượng hydro khoảng từ 12%-17% trọng lượng hydro của sinh khối Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị v.v

+ Phương pháp điện phân nước (Electrolysis)

Điện phân nước là biện pháp đơn giản nhưng không kinh tế để sản xuất hàng loạt Hydrogen

Trong các thiết bị điện phân nước công nghiệp và thử nghiệm công nghiệp đã đạt hiệu suất điện phân 70 - 80% với mật độ dòng điện dưới 1A/cm2 kể cả điện phân dưới áp suất Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã nghiên cứu triển khai những khối điện cực kiểu màng với chất điện phân bằng polime rắn đảm bảo điện phân nước với hiệu suất (về điện) trên 90% khi mật độ dòng điện 3A/cm2

Trên thế giới thiết bị điện phân công nghiệp kiểu dung dịch kiềm tốt nhất do tập đoàn "Stuart Energe" (Canada) chế tạo Các thiết bị này vận hành ổn định lâu dài, đảm bảo suất tiêu hao điện dưới 5 kWh/m3 H2 nên có thể cạnh tranh với phương pháp sản xuất Hydro bằng sử dụng khí đốt thiên nhiên với việc áp dụng sự hấp thu chu trình ngắn Ngoài ra các thiết bị điện phân đó cho phép thay đổi phụ tải

từ 3% tới 100%

Phương pháp quang điện hóa phân rã nước (photoelectrochemical water splitting) nhờ năng lượng bức xạ của ánh nắng mặt trời với sự có mặt chất xúc tác quang Phản ứng xảy ra như sau: H2O => H2 + 1/2 O2

Dùng điện năng để phân giải nước thành oxy và hydro Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và oxygen sinh ra ở điện cực dương Tuy nhiên, lượng điện cần tiêu thụ rất lớn Hiện nay, một số nhà nghiên cứu tìm cách ứng dụng quang năng để thay thế điện năng nhằm lượng điện tiêu thụ và tăng tính kinh tế

Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- H2 + 2 OH- Phản ứng trên anode: 2 OH- H2O + ½ O2 + 2e-

Hình 2.5 Mô hình điện phân nước

+ Phương pháp sinh học (Biological method)

Các phương pháp trên đều có những hạn chế do cần sử dụng năng lượng và chi phí đầu tư cao Do đó, phương pháp sinh học đang nổi lên như là một giải pháp hứa hẹn có thể giúp giải được bài toán sử dụng năng lượng và chi phí đầu tư cao trong việc sản xuất Hydro

BioHydrogen được định nghĩa là sản xuất Hydro sinh học, phổ biến nhất bởi tảo, vi khuẩn và vi khuẩn cổ BioHydrogen là một nhiên liệu sinh học tiềm năng có thể đạt được từ trồng trọt và từ các vật liệu chất thải hữu cơ

Hãng bia nổi tiếng lâu đời ở Nhật, Sapporo Breweries, từ năm 2005 đã có một cơ sở riêng chuyên phân hủy chất thải từ các nhà xưởng của hãng để tạo ra Hydrogen Hiện tại, hãng này có thể tinh chế 25,000 lít Hydrogen từ 125 kg chất thải

Mới đây, hai trường đại học ở Mỹ và Nhật công bố những khám phá đặc biệt

có thể giúp người ta tạo ra khí Hydro tiện và rẻ từ các chất thải hàng ngày

Các nhà nghiên cứu của Đại học Oregon State University tin tưởng rằng kỹ thuật mới này có thể giúp hạ phí tổn tinh chế Hydrogen xuống còn 2-3 dollar Mỹ một gallon

Cùng lúc, các khoa học gia của Đại học Tokyo cũng đang cộng tác với một công ty Nhật tên Kajima trong một dự án chế biến vi sinh trong chất thải và nước thải từ các cánh đồng lúa thành các tế bào nhiên liệu hydro Hiện nay, kỹ thuật này tạo ra chỉ 130W điện năng từ 1m3 chất thải, nhưng sẽ tiếp tục được hoàn thiện vào năm 2020 để có thể đưa ra thị trường

Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydrogen như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí hydrogenvà oxygen.Hiện tại, phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu

Có rất nhiều loại vi khuẩn có thể sản xuất ra hydro qua quá trình lên men bao gồm các loại, các giống khác nhau Khoảng 25% giống liệt kê trong Sổ tay vi sinh vật, ấn bản thứ 8 của Bergey đã ghi nhận rằng có thể sản xuất ra hydro [8] Các loại

vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí đều cho thấy hiệu quả trong việc sản xuất hydro như

clostridia (Clostridium butyricum, Clostridium welchii, Clostridium pasteurianum, Clostridium beijerincki), vi khuẩn Rumen, vi khuẩn ưa nhiệt, và vi khuẩn kỵ khí tuỳ

ý như Enterobacter, Escherichia coli, Citrobacter, hoặc một số vi khuẩn hiếu khí như Alcaligenes, Bacillus… [8] Nhiều tác giả đã có những nghiên cứu và các bài

báo cho thấy hiệu quả cao trong việc sử dụng các nguồn cơ chất đơn và các nguồn

cơ chất hỗn hợp để sản xuất hydro [9-11] Bên cạnh đó, việc sản xuất hydro bằng cách lên men với vi khuẩn là một cách hiệu quả hơn và không phụ thuộc vào điều kiện nguồn sáng [12]

Ví dụ của phương pháp này là việc ứng dụng một loại tảo đơn bào có tên Chlamydomonas reinhardtii Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này chứa enzym hydrogenase có khả năng tách nước thành hai thành phần hydrogen và oxygen.Các nhà khoa học đã xác định được cơ chế quá trình, điều này có thể giúp mang lại một phương pháp gần như vô hạn để sản xuất hydrogen sạch và tái sinh Cơ chế này đã phát triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại trong môi trường không có oxygen Một khi ở trong chu trình này, tảo "thở" bằng oxygen lấy từ nước và giải phóng ra khí hydrogen

Gần đây, các nhà khoa học tại trung tâm năng lượng hydrogen của trường

ĐH tiểu bang Pennsylvania cũng đã nghiên cứu thành công phương pháp tạo ra hydrogen từ quá trình vi khuẩn phân hủy các chất thải hữu cơ sinh học, như nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp v.v Ứng dụng nghiên cứu này sẽ mở ra triển vọng to lớn đầy hữu ích, vừa kết hợp xử lý nước thải và vừa sản xuất hydrogen

cung cấp cho pin nhiên liệu vi khuẩn (micro-fuel cell), tạo ra điện năng

Các phương pháp sản xuất hydro hiện nay chủ yếu thông qua con đường chuyển hóa nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ hay điện phân nước Những phương pháp này đòi hỏi một lượng lớn điện năng và nhiên liệu đầu vào, chi phí cao làm giá thành sản phẩm cao đồng thời năng suất không lớn Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu tạo khí hydro từ con đường sinh học nhờ lợi dụng khả năng tổng hợp của vi sinh vật hoặc tảo dưới những điều kiện thích hợp

Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt được khảo sát có thể sản sinh ra hydro như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành hydrovà oxygen

Loại tảo được nghiên cứu nhiều nhất là Chlamydomonas reinhardtii Tảo

dùng năng lượng ánh sang để tách nước thành hydro và oxy Hydro được xem như

là một sản phẩm phụ của quá trình quang hợp

Hình 2.6 Tảo Chlamydomonas reinhardtii và cơ chế quang hợp tảo hydro

Một nhóm vi sinh vật có khả năng quang hợp và cố định đạm là cyanobacteria, nhờ có enzyme nitrogenase, cũng sinh hydro như một sản phẩm phụ

Vi khuẩn cyanobacteria có khả năng cố định N2 và quang hợp, sử dụng ánh

sáng mặt trời tách nước thành hydro và oxy, phản ứng xúc tác bởi nitrogenase và

hydrogenase Một số loài cyanobacteria có thể sản xuất H2 từ nước thông qua quang hợp gián tiếp bằng cách cố định CO2 như một hợp chất trung gian:

6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6O2

C6H12O6 + 12H2O → 12H2 + 6CO2

Hình 2.7 Cơ chế sinh hydro của khuẩn lam

Phương pháp sinh học không những giúp giảm giá thành sản phẩm nhờ nguồn nguyên liệu dồi dào mà còn giải quyết triệt để vấn đề lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và điện năng so với phương pháp sản xuất truyền thống Tuy nhiên, hiện tại phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm trên thế giới và chưa được triển khai thực tiễn Đề tài này còn rất mới ở Việt Nam, chưa có nhiều các công trình khoa học được công bố trong các Hội nghị trong nước Do những hạn chế về năng suất phản ứng, độ tinh khiết của sản phẩm, cũng như đưa quy trình vào sản xuất thử nghiệm

Bảng 2.3: Ưu và nhược điểm của quá trình sản xuất hydrogen

Vi sinh vật Ưu điểm

Nhược điểm

Tảo xanh

- Có thể sản cuất hydro từ nước

- Năng lượng chuyển hóa từ mặt trời gấp 10 lần cây trồng

- Sản xuất H2 chủ yếu bằng enzyme nitrogenase

Vi khuẩn quang

hợp

- Nguồn nguyên liệu đầu vào

đa dạng như whey, chất thải

-Có thể sử dụng ánh sáng ở quang phổ rộng

men kị khí -Sử dụng nguồn carbon đa

dạng như glucose, xylose, tinh bột

- Sinh ra các chất chuyển hóa

có giá trị như acid acetic, acid butyric, acid lactic

-Không có O2 do là lên men kị khí

- Dịch lên men làm ô nhiễm môi trường

Sản xuất hydro bằng phương pháp lên men phổ biến thường dưới điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí Khi các VSV phân hủy cơ chất hữu cơ, các điện tử được tách

ra Trong điều kiện thiếu khí, protons có thể nhận electron này tạo thành H2 nhờ sự

có mặt của của enzyme hydorgenase

Quá trình lên men có thể thực hiện trong điều kiện ánh sáng (photo fermentation) và trong bóng tối (dark fermentation) Lên men trong điều kiện có ánh sáng được thực hiện nhờ tảo, sinh vật nguyên sinh và các vi khuẩn có khả năng quang hợp, khuẩn lam [13]

Lên men tối là quá trình biến đổi các cơ chất hữu cơ thành hydro nhờ các vi sinh vật kị khí Sở dĩ gọi là lên men tối vì trong quá trình lên men không cần phải chiếu sáng Nguồn cơ chất để lên men rất đa dạng như chất thải sinh hoạt, chất thải

có chứa tinh bột đã bị thủy phân như chất thải từ các nhà máy sữa, nhà máy khoai

mì, rượu…Việc sử dụng các nguồn chất thải làm cơ chất lên men giúp gỉai quyết vấn đề môi trường, hạ giá thành sản phẩm và nguồn cung khá dồi dào Hiệu suất của quá trình lên men tối được cho là phụ thuộc vào giai đoạn tiền xử lý với các chỉ

số quan trọng như pH, hàm lượng COD, BOD, tác nhân xử lý… Các vi sinh vật

thường được sử dụng là Enterobacter aerogenes, Escherichia coli…đặc biệt là các chủng Clostrisium Những vi khuẩn này có trong bùn thải cống rãnh nên thường

được sử dụng làm nguồn giống để lên men

Quá trình lên men tối gồm có 3 giai đoạn chính là: