Tổng quan về biohydrogen

Năng lượng rất quan trọng và cần thiết cho con người khắp nơi trên thế giới. Hiện nay con người hầu như đều phụ thuộc vào nguồn năng lượng không có khả năng tái tạo như dầu, than và khí tự nhiên. Đó là những nguồn năng lượng có nhiều bất lợi và một trong những điều quan trọng nhất là dẫn đến tình trạng thay đổi khí hậu toàn cầu có ảnh hưởng đến sức khỏe con người và gây ra những thiên tai như hạn hán, lũ lụt, nước biển dâng .Dân số thế giới tăng với tốc độ 1,4% mỗi năm, với tỷ lệ này trong 50 năm tới dân số sẽ đạt khoảng 9 tỷ người. Những dự đoán thực tế còn nhận định dân số sẽ vượt con số 10 tỷ vào thời điểm đó. Vì vậy, ảnh hưởng của tốc độ tăng trưởng đó sẽ đi kèm với việc gia tăng nhu cầu về năng lượng. Điều này sẽ làm tăng phát thải khí CO2 toàn cầu.Lượng CO2 con người tạo ra phụ thuộc vào dân số và cách sử dụng năng lượng. Ngày nay, gần như tất cả những dạng năng lượng đến từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch đều làm tăng CO2 trong khí quyển. [19]Với tốc độ này, tỉ lệ CO2 trong khí quyển sẽ tăng lên ở mức 2 ppm mỗi năm. Ngày càng thấy rõ hơn những biến đổi khí hậu do hiệu ứng nhà kính và trữ lượng nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt. Các nguồn năng lượng tái tạo và ít thải CO2 đang được nghiên cứu. Một trong những nguồn năng lượng thay thế là hydrogen, có thể được sử dụng để tạo ra điện và nhiệt trong pin tế bào nhiên liệu có hiệu quả cao. Hiện nay, pin tế bào nhiên liệu đang tăng cường và có rất nhiều tiềm năng trong giao thông vận tải cũng như trong các thiết bị di động (máy tính xách tay, điện thoại ).[19]Hai vấn đề quan trọng nhất cần được giải quyết là sản xuất và lưu trữ hydrogen. Hydrogen đã có thể được sản xuất bằng nhiều cách mà hầu hết đều tác động xấu đến môi trường. Do đó việc sản xuất hydrogen bằng phương pháp sinh học thân thiện với môi trường là rất cần thiết.----------------------------------------------------------------------MỤC LỤCDanh mục BảngDanh mục HìnhChương 1: MỞ ĐẦU1.1 Tính cấp thiết của đề tài1.2 Nội dungChương 2: CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG2.1 Năng lượng hóa thạch2.1.1 Giới thiệu2.1.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu hóa thạch2.1.3 Các vấn đề khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch2.2 Năng lượng tái sinh2.3 Tầm quan trọng của nhiên liệu sinh học2.4 Tổng quan về nhiên liệu sinh học2.4.1 Giới thiệu2.4.2 Phân loạiChương 3: TỔNG QUAN BIOHYDROGEN3.1 Tổng quan Biohydrogen3.1.1 Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon3.1.2 Điện phân nước3.1.3 Phương pháp sinh học3.2 Nguồn nguyên liệu tạo biohydrogen3.3 Vi sinh vật có khả năng tạo biohydrogen3.4 Những nghiên cứu sản xuất Biohydrogen từ vi sinh vật3.4.1 Sản xuất Biohydrogen từ Clostridium acetobutyricum3.4.1.1 Tổng quan về Clostridium acetobutyricum3.4.1.2 Vị trí của Clostridium acetobutyricum3.4.1.3 Đặc điểm hình thái3.4.1.4 Đặc điểm sinh lý3.4.2 Phương pháp sản xuất Biohydrogen3.4.2.1 Phương pháp lên men liên tục3.4.2.2 Phương pháp cố định tế bào vi khuẩn3.4.2.3 Ưu nhược điểm của vi sinh vật cố định so với vi sinh vật tự do3.4.2.4 Chất mang trong kỹ thuật cố định tế bào vi sinh vật3.4.3 Sản xuất Biohydrogen từ những vi sinh vật khác3.4.3.1 Sản xuất Biohydrogen từ Rhodobacter3.4.3.2 Sản xuất Biohydrogen từ E.coli biến đổi gen3.4.3.3 Sản xuất Biohydrogen từ tảo xanhChương 4: ỨNG DỤNG CỦA BIOHYDROGEN4.1 Pin nhiên liệu4.2 Các loại pin nhiên liệu4. 3 Những nghiên cứu và ứng dụng của biohydrogen tại Việt NamCHƯƠNG 5: KẾT LUẬNTài Liệu Tham Khảo---------------------------------------------------------------------GVHD: KS. Huỳnh Nguyễn Anh Khoa – Trường ĐH Bách Khoa TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH TỔNG QUAN VỀ BIOHYDROGEN

SVTH: ĐINH THỊ THÚY AN MSSV: 60600004

CBHD: KS HUỲNH NGUYỄN ANH KHOA

Xin gởi đến những người kể trên lời chân thành cảm ơn!

ĐAMH Chuyên Ngành

MỤC LỤC

Trang

Danh mục Bảng iv

Danh mục Hình v

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Nội dung 1

Chương 2: CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG 2

2.1 Năng lượng hóa thạch 2

2.1.1 Giới thiệu 2

2.1.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu hóa thạch 2

2.1.3 Các vấn đề khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch 3

2.2 Năng lượng tái sinh 5

2.3 Tầm quan trọng của nhiên liệu sinh học 10

2.4 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 10

2.4.1 Giới thiệu 10

2.4.2 Phân loại 12

Chương 3: TỔNG QUAN BIOHYDROGEN 12

3.1 Tổng quan Biohydrogen 12

3.1.1 Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon 13

3.1.2 Điện phân nước 15

3.1.3 Phương pháp sinh học 17

3.2 Nguồn nguyên liệu tạo biohydrogen 17

3.3 Vi sinh vật có khả năng tạo biohydrogen 20

3.4 Những nghiên cứu sản xuất Biohydrogen từ vi sinh vật 22

3.4.1 Sản xuất Biohydrogen từ Clostridium acetobutyricum 22

3.4.1.1 Tổng quan về Clostridium acetobutyricum 23

3.4.1.2 Vị trí của Clostridium acetobutyricum 23

3.4.1.3 Đặc điểm hình thái 23

3.4.1.4 Đặc điểm sinh lý 24

3.4.2 Phương pháp sản xuất Biohydrogen 28

3.4.2.1 Phương pháp lên men liên tục 28

3.4.2.2 Phương pháp cố định tế bào vi khuẩn 33

3.4.2.3 Ưu nhược điểm của vi sinh vật cố định so với vi sinh vật tự do 38

3.4.2.4 Chất mang trong kỹ thuật cố định tế bào vi sinh vật 39

3.4.3 Sản xuất Biohydrogen từ những vi sinh vật khác 42

3.4.3.1 Sản xuất Biohydrogen từ Rhodobacter 42

3.4.3.2 Sản xuất Biohydrogen từ E.coli biến đổi gen 44

3.4.3.3 Sản xuất Biohydrogen từ tảo xanh 45

Chương 4: ỨNG DỤNG CỦA BIOHYDROGEN 47

4.1 Pin nhiên liệu 47

4.2 Các loại pin nhiên liệu 50

4 3 Những nghiên cứu và ứng dụng của biohydrogen tại Việt Nam 52

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 54

Tài Liệu Tham Khảo 55

ĐAMH Chuyên Ngành

Danh mục Bảng

Bảng 2.1 Các nguồn năng lượng tái sinh 9

Bảng 2.2 Những lợi ích của nhiên liệu sinh học 13

Bảng 3.1 Ưu và nhược điểm của quá trình sản xuất hydrogen 21

Bảng 3.2 Các enzyme hoạt động trong pha tạo ra acid 25

Bảng 3.3 Các enzyme hoạt động trong pha tạo ra dung môi 26

Danh mục Hình

Hình 2.1 Nhiên liệu hóa thạch: Than đá, khí đốt và dầu mỏ 2

Hình 2.2 Tỉ lệ các loại năng lượng được sử dụng tại Mỹ và Iceland 3

Hình 2.3 Biến động hàm lượng CO2 trong thời gian 400.000 năm gần đây 4

Hình 2.4 Sự thay đổi giá dầu thô qua từng thời kì 5

Hinh 2.5 Một số dạng năng lượng tái sinh 6

Hình 2.6 Mô hình năng lượng địa nhiệt 8

Hình 2.7 Mô hình máy phát điện dựa vào năng lượng thủy triều 8

Hình 2.8 Nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học 11

Hình 3.1 Các đồng vị của hydrogen 12

Hình 3.2 Mô hình sản xuất Biohydrogen từ phế phẩm 13

Hình 3.3 Phương pháp sản xuất hydrogen từ quá trình điện phân nước 16

Hình 3.4 Chu trình sản xuất hydrogen từ tảo xanh 17

Hình 3.5 Dự báo thị trường dầu khí vào năm 2040 so với hiện tại 19

Hình 3.6 Sơ đồ sản xuất hydrogen từ sinh khối bằng sinh học và nhiệt hóa học 20

Hình 3.7 Hình thái của vi khuẩn C.acetobutyricum 24

Hình 3.8 Chu kỳ sinh trưởng và phát triển của C.acetobutylicum 25

Hình 3.9 Con đường tổng hợp Biohydrogen và các sản phẩm khác 27

Hình 3.10 Sơ đồ đơn giản mô tả nguyên tắc lên men liên tục 29

Hình 3.11 Rhodobacter chuyển hóa hydro 43

Hình 3.12 Sản xuất biohydrogen từ Rhodobacter 44

Hình 3.13 Chlamydomonas reinhardtii dưới kính hiển vi 45

Hình 4.1 Cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu 48

Hình 4.2 Hệ thống pin tích hợp 52

Chương 1: Mở Đầu

Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng rất quan trọng và cần thiết cho con người khắp nơi trên thế giới Hiện nay con người hầu như đều phụ thuộc vào nguồn năng lượng không có khả năng tái tạo như dầu, than và khí tự nhiên Đó là những nguồn năng lượng có nhiều bất lợi và một trong những điều quan trọng nhất là dẫn đến tình trạng thay đổi khí hậu toàn cầu có ảnh hưởng đến sức khỏe con người và gây ra những thiên tai như hạn hán, lũ lụt, nước biển dâng

Dân số thế giới tăng với tốc độ 1,4% mỗi năm, với tỷ lệ này trong 50 năm tới dân

số sẽ đạt khoảng 9 tỷ người Những dự đoán thực tế còn nhận định dân số sẽ vượt con

số 10 tỷ vào thời điểm đó Vì vậy, ảnh hưởng của tốc độ tăng trưởng đó sẽ đi kèm với việc gia tăng nhu cầu về năng lượng Điều này sẽ làm tăng phát thải khí CO2 toàn cầu Lượng CO2 con người tạo ra phụ thuộc vào dân số và cách sử dụng năng lượng Ngày nay, gần như tất cả những dạng năng lượng đến từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch đều làm tăng CO2 trong khí quyển.[19]

Với tốc độ này, tỉ lệ CO2 trong khí quyển sẽ tăng lên ở mức 2 ppm mỗi năm Ngày càng thấy rõ hơn những biến đổi khí hậu do hiệu ứng nhà kính và trữ lượng nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt Các nguồn năng lượng tái tạo và ít thải CO2 đang được nghiên cứu Một trong những nguồn năng lượng thay thế là hydrogen, có thể được sử dụng để tạo ra điện và nhiệt trong pin tế bào nhiên liệu có hiệu quả cao Hiện nay, pin tế bào nhiên liệu đang tăng cường và có rất nhiều tiềm năng trong giao thông vận tải cũng như trong các thiết bị di động (máy tính xách tay, điện thoại…).[19]

Hai vấn đề quan trọng nhất cần được giải quyết là sản xuất và lưu trữ hydrogen Hydrogen đã có thể được sản xuất bằng nhiều cách mà hầu hết đều tác động xấu đến môi trường Do đó việc sản xuất hydrogen bằng phương pháp sinh học thân thiện với môi trường là rất cần thiết

1.2 Nội dung

- Giới thiệu các dạng năng lượng trên thế giới và xu hướng tất yếu của việc năng lượng tái tạo thay thế nguồn năng lượng hóa thạch

- Giới thiệu biohydrogen, các vi sinh vật và enzyme có khả năng tổng hợp hydro

- Các nghiên cứu gần đây về biohydrogen trên thế giới và ở Việt Nam

Chương 2: CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG 2.1 Năng lượng hóa thạch

2.1.1 Giới thiệu

Nhiên liệu hóa thạch là các loại nhiên liệu được tạo thành bởi quá trình phân hủy kỵ khí của các sinh vật chết bị chôn vùi và được hình thành dựa trên các quá trình địa chất dài hàng triệu năm xảy ra đối với xác động thực vật, như một dạng hóa thạch Các nguyên liệu này chứa hàm lượng cacbon và hydrocacbon cao Một số nhiên liệu hóa thạch như: than, dầu mỏ, khí thiên nhiên, đá phiến dầu và cát chứa dầu…

Hình 2.1 Nhiên liệu hóa thạch: Than đá, khí đốt và dầu mỏ

Các nhiên liệu hóa thạch là tài nguyên không tái tạo bởi vì trái đất mất hàng triệu năm để tạo ra chúng và con người không thể can thiệp vào, các năng lượng này không thể phục hồi Hiện nay lượng tiêu thụ các loại nhiên liệu này đang diễn ra nhanh hơn tốc độ được tạo thành điều này cho thấy rằng chúng không thể đáp ứng đủ trong tương lai đồng thời còn làm tăng các mối quan tâm về môi trường [9]

2.1.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Sự khám phá ra dầu mỏ đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử phát triển của xã hội loài người Dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ đã đóng góp trong tất

cả các lĩnh vực đời sống nói chung và các ngành năng lượng nói riêng Hai thập niên vừa qua các nền kinh tế trên thế giới phát triển mạnh mẽ dẫn đến nhu cầu sử dụng dầu

mỏ ngày càng tăng làm cho nền kinh tế toàn cầu cân bằng một cách mong manh Thế giới đã bị lệ thuộc quá nhiều vào dầu mỏ vì tính dễ sử dụng của nó Bên cạnh đó

Chương 2: Các dạng năng lượng

chúng ta không thể không nói đến những vấn đề tồn tại do quá trình khai thác và sử dụng dầu mỏ gây ra, đáng kể nhất là sự ô nhiễm môi trường do khí thải của quá trình đốt cháy nhiên liệu

Dầu mỏ, than và khí thiên nhiên không phải là nguồn năng lượng có thể tái tạo và

dự toán đã được chính xác khi cho rằng sản lượng dầu sẽ cao điểm vào đầu thế kỷ 21 Ước tính này dựa trên một số xu hướng: 90 % dầu mỏ trong tất cả lớp vỏ trái đất đã được phát hiện

Từ năm 1970, lượng dầu sử dụng mỗi năm đã cao hơn lượng dầu được tìm thấy cùng trong năm đó, 4/5 lượng dầu đến từ các nguồn đã được phát hiện trước 1973, và trữ lượng dầu trên trái đất đang giảm đi nhanh chóng, dự kiến sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm tới [4]

Hình 2.2 Tỉ lệ các loại năng lượng được sử dụng tại Mỹ và Iceland

2.1.3 Các vấn đề khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Việc đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra khoảng 21,3 tỉ tấn CO2 hằng năm nhưng người

ta ước tính các quá trình tự nhiên chỉ có thể hấp thu được một nửa lượng khí thải trên vì vậy lượng CO2 sẽ tăng 10,65 tỉ tấn mỗi năm trong khí quyển và khí thải là nguyên nhân trực tiếp gây ra những biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và hàng loạt các vấn đề về môi trường [9]

Hình 2.3 Biến động hàm lượng CO2 trong thời gian 400.000 năm gần đây Người ta ước tính khí thải từ các hoạt động có liên quan các sản phẩm dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 70% tổng lượng khí thải trên toàn thế giới Sản lượng và tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch làm tăng các mối quan tâm về môi trường Ở Hoa

Kỳ hơn 90% lượng khí nhà kính thải vào môi trường từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch Việc đốt nhiên liệu hóa thạch cũng tạo ra các chất ô nhiễm không khí khác như các ôxít nitơ, điôxít lưu huỳnh, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các kim loại nặng Đồng thời còn tạo ra các axít như axit sulfuric, axit cacbonic và axit nitric, các chất có nhiều khả năng tạo thành mưa axít và ảnh hưởng đến các vùng tự nhiên hủy hoại môi trường Bên cạnh đó nhiên liệu hóa thạch cũng chứa các chất phóng xạ chủ yếu như urani và thori, chúng được phóng thích vào khí quyển

Các phương pháp khai thác than cũng gây những ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, và các hoạt động khai thác dầu khí ngoài khơi là hiểm họa đối với sinh vật thủy sinh Các nhà máy lọc dầu có những tác động tiêu cực đến môi trường như ô nhiễm nước và không khí

Mặt khác dầu mỏ lại tập trung chủ yếu ở các khu vực luôn có tình hình chính trị bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi đợt khủng hoảng dầu mỏ, giá dầu tăng làm lay chuyển nền kinh tế của nhiều nước, nhất

là các nước nghèo Một nhân tố khác làm giá ngày càng tăng là do nhu cầu ngày sử

Chương 2: Các dạng năng lượng

dụng ngày càng cao và sự thay đổi khí hậu, giá dầu tăng làm thay đổi giá lương thực cần thiết cho cuộc sống của chúng ta [15] Kết quả khảo sát của các tổ chức quốc tế cho thấy, tốc độ phát triển công nghiệp toàn cầu đang suy giảm do giá dầu tăng như ở Mỹ,

EU, các nước Châu Á Nước ta cũng không đứng ngoài xu thế này

Trữ lượng dầu hoả ở các mỏ dầu có giới hạn và sẽ kiệt quệ trong tương lai (khoảng năm 2100)

Hình 2.4 Sự thay đổi giá dầu thô qua từng thời kì

Quy định của thỏa hiệp Kyoto (1997) về việc giảm lượng khí CO2 sa thải đã tạo nên áp lực về chính trị đòi hỏi phài tìm được nguồn nhiên liệu thay thế [10]

2.2 Năng lƣợng tái sinh

Trong cách nói thông thường, năng lượng tái sinh hay năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu

đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn Vô hạn có hai nghĩa: hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế IEA (International Energy Agency), năng lượng tái sinh được định nghĩa là năng lượng có nguồn gốc từ quá trình tự nhiên và được bổ sung liên tục Năng lượng tái sinh xuất phát trực tiếp từ mặt trời, hay từ nhiệt sinh ra sâu bên trong trái đất Có nghĩa là điện và nhiệt sinh ra từ gió, mặt trời, biển, thuỷ điện, sinh khối, các nguồn địa nhiệt, nhiên liệu sinh học và hydro thu được từ các

Hinh 2.5 Một số dạng năng lượng tái sinh

 Các dạng năng lƣợng tái sinh

Năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ bức xạ Mặt Trời [20]

Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện

từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất Trái Đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5

tỷ năm nữa

Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời

Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa

Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương

Chương 2: Các dạng năng lượng

lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn [20]

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này

Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối

có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển

Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng

để xay ngũ cốc Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển [20]

Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển

Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển

Năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ nhiệt năng của Trái Đất [20]

Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái Đất, gây ra hiện tượng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng trái Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của mặt Trời

Hình 2.6 Mô hình năng lượng địa nhiệt

Địa nhiệt dù sao vẫn có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, trong các lĩnh vực như: nhà máy điện địa nhiệt, sưởi ấm địa nhiệt

Năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ hệ động năng Trái Đất – Mặt Trăng [20]

Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái Đất) Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt Trăng và Trái Đất, trong khi Trái Đất

tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái Đất dâng lên

hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều

Hình 2.7 Mô hình máy phát điện dựa vào năng lượng thủy triều

Chương 2: Các dạng năng lượng

Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủy triều Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt về phía Mặt Trăng Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy triều cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt Trời Tuy nhiên nguồn năng lượng này cũng được coi là vô hạn đối với con người.[1], [4]

Bảng 2.1 Các nguồn năng lượng tái sinh

Nguồn năng

lƣợng

Quy mô tiềm năng

Mặt trời 12.000 – 40.000

Quang điện Nhiệt điện Máy nước nóng năng lượng mặt trời Gió 20.000 – 40.000 Phát điện quy mô lớn, nhỏ

Máy bơm nước Sóng biển 2.000 – 4.000 Nhiều dạng thiết kế

Sóng thủy triều Địa nhiệt 4.000 – 40.000 Nước nóng

Nham thạch Sinh khối 8.000 – 20.000 Đốt, khí hóa, nhiệt phân, cho nhiệt

và điện nhiên liệu sinh học

2.3 Tầm quan trọng của nhiên liệu sinh học

Ngày nay thế giới đang phải đối mặt với 3 vấn đề quan trọng đó là giá nhiên liệu ngày càng tăng, khí hậu thay đổi và ô nhiễm không khí Trong đó có vài vấn đề quan trọng cần được giải quyết trên phương diện toàn cầu là sự khủng hoảng về năng lượng, nguồn năng lượng tái tạo ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trường toàn cầu

Những thảo luận về nhiên liệu sinh học bao gồm những nguyên nhân ổn định năng lượng, mối quan tâm về môi trường, những vấn đề kinh tế xã hội có liên quan đến vùng nông thôn Sự khác biệt lớn nhất giữa nhiên liệu sinh học và xăng dầu là hàm lượng oxi, các loại nhiên liệu sinh học có mức oxy từ 10% đến 45% trong khi xăng, dầu về bản chất không có, những tính chất hóa học của nhiên liệu sinh học rất khác biệt so với xăng, dầu

Gần đây sự thay đổi của khí hậu và việc bảo vệ nguồn năng lượng cùng một số vấn đề khác đang được quan tâm nên những nghiên cứu về nhiên liệu sinh học ngày càng tăng

Nhiên liệu sinh học có khả năng làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch

Nó cũng có khả năng làm giảm khí nhà kính trong khí quyển mặc dù khả năng này vẫn

có nhiều tranh cãi và phụ thuộc vào các nhân tố khác bao gồm loại cây trồng sử dụng và lựa chọn quá trình lên men Nhưng nhiên liệu sinh học có khả năng phát triển trong tương lai

Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá ) [10]

2.4 Tổng quan về nhiên liệu sinh học

2.4.1 Giới thiệu

Nhiên liệu sinh học là một nguồn năng lượng tái tạo bao gồm các nhiên liệu được sản xuất từ những nguyên liệu tự nhiên (sinh khối) Thuật ngữ này bao gồm sinh khối rắn, nhiên liệu lỏng và các loại gas sinh học khác nhau

Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động - thực vật và một số sản phẩm phụ của chúng (sinh học) Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ), ngũ cốc (lúa mỳ,ngô, đậu tương ), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân, ), sản phẩm thải

Chương 2: Các dạng năng lượng

Hình 2.8 Nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học

2.4.2 Phân loại

 Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất

Nhiên liệu này được chế biến từ đường (mía, củ cải đường, sorgho-đường) và tinh bột của nông phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v., hay từ củ như khoai tây, khoai mì, v.v.) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa-dầu, đậu nành, đậu phộng, v.v.)

để biến chế diesel-sinh-học Kỹ thuật chế biến đơn giản và đem lại hiệu quả kinh tế

 Diesel sinh học : diesel sinh học nói riêng, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng tái tạo Nhìn theo phương diện hóa học thì diesel sinh học là methyl este của những axít béo và thường được điều chế bằng phản ứng hóa học giữa lipid và một alcohol Các nguyên liệu dùng sản xuất diesel sinh học bao gồm dầu thực vật, mỡ động vật hay các loại dầu tái chế Ở Mĩ diesel sinh học thông thường được tinh chế từ dầu đậu nành và ở Châu Âu được sản xuất từ dầu cải [11]

 Ethanol sinh học: Ethanol sinh học là một dạng năng lượng tái tạo có thể được sản xuất từ nguyên liệu như đường, tinh bột, và các vật liệu lignocellulose khác nhau … Loại nhiên liệu này có thể được sản xuất từ những loại cây rất phổ biến như: mía, khoai, sắn, ngô hay từ rơm, gỗ và chất thải…Với nguyên liệu là tinh bột và đường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật có thể sản xuất ra ethanol, sau đó tách nước bổ sung các chất phụ gia thành ethanol biến tính gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu [11]

 Gas sinh học: Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ khi không

có mặt của oxi Loại khí sinh học được sản xuất bằng quá trình lên men hay phân hủy trong điều kiện kỵ khí các nguyên liệu như: sinh khối, phân, nước thải, rác thải sinh hoạt, chất thải xanh, cây trồng dùng sản xuất năng lượng Đây là loại khí sinh học có thành phần chủ yếu là N2, H2 và CO với một lượng lớn khí metan Các loại khí N2, H2 và CO có thể cháy hay bị oxi hóa bởi oxi không khí Điều này cho thấy khí sinh học có thể được sử dụng như một loại nhiên liệu và thường được dùng để làm khí đốt, sưởi

ấm, nấu ăn…[11]

Chương 2: Các dạng năng lượng

 Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai

Nghiên cứu sản xuất nhiên liệu thế hệ thứ hai từ cây phi lương thực như chất thải sinh khối, thân cây, gỗ…được cho là khả thi hơn Loại nhiên liệu này sử dụng công nghệ Kỹ thuật này hiện nay chưa hoàn hảo, năng suất còn kém, quá trình lên men chưa hữu hiệu và giá đắt, chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol, nên giá thành sản xuất còn cao

 Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba

Công nghệ nhiên liệu sinh học thế hệ 3: từ tảo (algae), nguồn năng lượng do tảo sinh ra gấp 30 lần so với các cây trồng khác, cấu tạo tế bào đơn giản, hàm lượng lipid cao và tốc độ sinh sản nhanh, đồng thời những chất thải của tảo không ảnh hưởng đến môi trường Kỹ thuật sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo đang phát triển và hứa hẹn hiệu quả kinh tế cao do nguồn nguyên liệu dễ tìm, rẻ tiền và năng suất sản xuất nhiên liệu rất cao

Bảng 2.2 Những lợi ích của nhiên liệu sinh học

Khi con người bắt đầu biết được nguồn dự trữ dầu thô đang bắt đầu cạn kiệt và khí hậu thay đổi theo chiều hướng xấu họ đã sử dụng nhiên liệu sinh học như là một nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch trong vận chuyển Việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học có thể là lựa chọn cho việc làm giảm khí nhà kính và cải thiện năng lượng

Sự phát triển nhiên liệu sinh học có tiềm năng trong việc ổn định năng lượng và thực phẩm, trong sự thay đổi khí hậu, và phát triển vùng nông thôn Trước tiên nhiên liệu sinh học có tiềm năng để trở thành nguồn nguyên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch trong tương lai Thứ hai nhiên liệu sinh học được sản xuất từ cây trồng mà nó có thể góp phần làm giảm khí nhà kính Thứ ba việc sản xuất nhiên liệu sinh học thường được gắn liền với những người nông dân ở những vùng nông thôn hay những khu vực nghèo khó, nó có thể đem lại nguồn thu nhập mới cho những người nông dân [10]

Chương 3: Tổng quan Biohydrogen

Chương 3: TỔNG QUAN BIOHYDROGEN 3.1 Tổng quan Biohydrogen

Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo trọng lượng) Mặt Trời, hầu hết các ngôi sao và một số hành tinh như Jupiter ( sao Mộc - hành tinh lớn nhất Thái Dương hệ) được tạo nên chủ yếu bởi hydrogen Phản ứng tổng hợp hạt nhân giữa các đồng vị của hydrogen, deuterium và tritium đã cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ cho mặt trời và các ngôi sao, nhờ đó duy trì sự sống

Hình 3.1 Các đồng vị của hydrogen

Hydrogen là thành viên nhỏ nhất và có cấu trúc đơn giản nhất trong gia đình các nguyên tố hóa học, chỉ gồm một proton và một electron Phân tử hydrogen chứa hai nguyên tử hydrogen, là khí không màu, không mùi, không vị, rất dễ cháy Hydrogen

có trọng lượng nhỏ nhất trong các loại khí và hydrogen dạng nguyên chất gần như không tồn tại trong tự nhiên

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 hydrogen 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 hydrogen từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn năng lượng tái sinh

Hình 3.2 Mô hình sản xuất Biohydrogen từ phế phẩm

 Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydrogen:[1]

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

+ Phương pháp điện phân nước (Electrolysis) + Phương pháp sinh học (Biological method) 3.1.1 Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon

a) Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)

Quá trình này gồm hai bước chính Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách carbon và chuyển hóa thành hydrogennhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt độ khoảng 900°C

CH4 + H2O => CO + 3 H2Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen

CO + H2O => CO2 + H2Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen Tuy nhiên phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để

Chương 3: Tổng quan Biohydrogen

b) Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon)

Thuật ngữ “hydrocarbon nặng” là để nói đến dầu mỏ và than đá Than đá trước khi khí hóa phải được nghiền thành dạng bột rồi hòa trộn với nước Thông thường, nhiên liệu được hóa nhiệt ở khoảng 14000 oC với oxygen hay không khí (oxygen hóa không hoàn toàn), tạo ra hỗn hợp gồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vài sản phẩm phụ CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen, tương tự như bước thứ hai của quá trình hóa nhiệt khí thiên nhiên

Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho quá trình Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên hữu hạn, thêm vào đó, việc đốt chúng tạo ra khí carbonic gây hiệu ứng nhà kính Do đó phương pháp này xét về lâu dài không bền vững

Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn chiếm ưu thế trong tương lai gần Lý do chính yếu là do trữ lượng nhiên liệu hóa thách còn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên Hơn nữa, những công nghệ này (phương pháp sản xuất hydrogen công nghiệp từ khí thiên nhiên nói riêng và nhiên liệu hóa thạch nói chung) đã khá quen thuộc trong công nghiệp hóa chất, trong khi cơ sở hạ tầng cho việc phát triển sản xuất hydrogen từ các nguồn khác còn thiếu thốn Vì vậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn còn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp nhất Thêm vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này của nhiên liệu hóa thạch, ta

có thể dùng công nghệ tách khí carbonic rồi thu hồi và chôn lấp chúng

c) Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiên nhiên mà không thải ra khí

Từ những năm 1980, Kværner - một tập đoàn dầu khí của Na Uy đã phát triển công nghệ mang tên "Kværner Carbon Black and Hydrogen Process" (KCB&H) Nhà máy đầu tiên dựa trên quy trình Kværner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xuất vào tháng 6 năm 1999 Quy trình plasma - Kværner ở nhiệt độ cao (16000 oC) tách hydrogen và than hoạt tính từ hợp chất hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiên nhiên mà không thải ra CO2

Than đen tinh khiết này được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong công nghiệp luyện kim Nhờ một số tính chất đặc biệt mà chúng còn có thể dùng để lưu trữ hydrogen (ống carbonnano)

d) Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis)

Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydrogen Đầu tiên, sinh khối được 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… Do các chất thải sinh học được sử dụng làm nguyên liệu như vậy, phương pháp sản xuất hydrogen này hoàn toàn tái tạo được (renewable) và bền vững

3.1.2 Điện phân nước

Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và oxygen ở điện cực dương:

Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2 OH-

Phản ứng trên anode: 2 OH- => H2O + ½ O2 + 2e-

Tổng quát: 2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2

Sau đây là một số các dạng điện phân phổ biến:

 Điện phân thông thường: quá trình tiến hành với chất điện phân là nước

hay dung dịch kiềm Hai phần ode và cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion (microporous) để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra

 Điện phân nước áp suất cao: điện phân nước áp suất cao có thể sinh ra

hydrogen ở áp suất đến 5 MPa Quá trình vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện dần

 Điện phân nước ở nhiệt độ cao: ưu điểm của phương pháp này là đưa

một phần năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân ở dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800-10000 oC

Chương 3: Tổng quan Biohydrogen

Do đó có thể hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ Nhiều nghiên cứu đã hướng đến việc thu nhiệt từ các chảo parabol tập trung năng lượng mặt trời hay tận dụng nhiệt thừa từ các trạm năng lượng

 Quang điện phân (photoelectrolysis): các panel mặt trời, chất bán dẫn

(ứng dụng hiện tượng quang điện), chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng Khí hydrogen được sinh ra khi dòng quang điện chạy

qua thiết bị điện phân đặt trong nước

Sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện dùng trong điện phân nước Tương tự, chúng ta cũng có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra hydrogen Như thế việc sản xuất hydrogen sẽ là một quá trình sạch

(không khí thải), tái sinh và bền vững

3.1.3 Phương pháp sinh học

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 hydrogen và oxygen Hiện tại, phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu

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 enzyme

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

Hình 3.4 Chu trình sản xuất hydrogen từ tảo xanh

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… 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

3.2 Nguồn nguyên liệu tạo biohydrogen

Các nguồn nguyên liệu và phương pháp sau đây hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng để sản xuất hydrogen:[6]

Chương 3: Tổng quan Biohydrogen

 Khí đốt thiên nhiên

 Than đá

 Nguồn năng lượng hạch nhân

 Phương pháp điện giải

 Năng lượng gió

 Năng lượng mặt trời

 Năng lượng sinh khối

Trong những nguồn nguyên liệu trên, sinh khối chính là nguồn nguyên liệu sản xuất biohydrogen Nguồn sinh khối dùng để cung cấp cho vi sinh vật sử dụng để tạo

ra hydrogen có thể chia thành 4 nhóm chính:[6]

 Cây trồng

 Chất thừa, chất thải nông nghiệp

 Chất thừa, chất thải lâm nghiệp

 Chất thải công nghiệp và đô thị

Sinh khối là nguồn năng lượng sẵn có trong tự nhiên Sinh khối dồi dào sẵn có

và phân bố đồng đều hơn trên thế giới khi so sánh với nhiên liệu hóa thạch Đó là năng lượng mặt trời được lưu trữ trong vật liệu sống và cũng là nguồn năng lượng lâu đời nhất được biết đến cho nhân loại

Khi nhiên liệu hóa thạch đóng vai trò chính trong việc tạo ra năng lượng cho các hoạt động của con người thì vai trò của sinh khối không được chú trọng Tuy nhiên, hiện nay, đứng trước thực trạng nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm tới và hiện tượng ấm lên toàn cầu thì việc nghiên cứu năng lượng tái tạo,

cụ thể là sinh khối đang ngày càng phát triển

Các nguồn sinh khối có thể sản xuất trong tự nhiên là lignocellulose, tinh bột, dầu thực vật, terpene, tảo Hiện tại, Hoa Kỳ có lượng sinh khối lignocellulose trên 500 tấn/năm, có tiềm năng sản xuất 40 – 50 tấn hydrogen, đủ để cung cấp cho 150.000.000 phương tiện giao thông dùng tế bào nhiên liệu.[6]

Vào giữa thế kỷ 20, có 890.000.000 ha hay 10% diện tích thế giới là đất canh tác, rừng, đồng cỏ vĩnh viễn và có thể được đặt vào sản xuất sinh khối để thu hồi năng lượng Nếu sản lượng thu hoạch bình quân 15 tấn / ha thì kết quả, tỷ lệ năng lượng sản xuất toàn cầu sẽ vượt quá 260 EJ, được hơn 80% năng lượng sử dụng thương mại

Theo nghiên cứu của Johansson và cộng sự, năng lượng tái tạo đóng vai trò cung cấp 25% năng lượng vào năm 2025 và 40% vào năm 2050, mà hầu hết các đóng góp từ nhiên liệu nguồn gốc từ sinh khối: methanol, ethanol, hydro và khí sinh học Các tác giả này chỉ ra rằng hydrogen và methanol có thể cũng chứng minh được các nhiên liệu sinh học của tương lai vì khả năng cung cấp năng lượng được sử dụng dễ dàng nhất và hiệu quả cao trong vận chuyển.[6]

 Quá trình chuyển hóa sinh khối

Quy trình sản xuất hydro dựa trên sinh khối có thể là nhiệt hóa hoặc sinh học

và có thể sản xuất trực tiếp hoặc thông qua những chất trung gian Ngoài ra, việc sử dụng những sản phẩm phụ cũng giúp cải thiện kinh tế và tính bền vững của việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên.[6]

Hình 3.5 Dự báo thị trường dầu khí vào năm 2040 so với hiện tại

Chương 3: Tổng quan Biohydrogen

Hình 3.6 Sơ đồ sản xuất hydrogen từ sinh khối bằng sinh học và nhiệt hóa học

3.3 Vi sinh vật có khả năng tạo biohydrogen

Có một vài nhóm vi sinh vật có thể sản xuất hydro Một số là vi khuẩn dị dưỡng không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời nhưng cần có nguồn cung cấp năng lượng từ liên kết hóa học dưới dạng chất thải, từ các hộ gia đình và các ngành công nghiệp,… Một sản phẩm cuối của quá trình lên men chính là hydro Một số vi sinh vật quang dưỡng cũng có khả sản xuất H2, do đó có thể được sử dụng cho sản xuất hydro từ năng lượng mặt trời

Tế bào Eukaryote tảo xanh đã được chứng minh có enzyme sản xuất hydrogen

và có thể được sử dụng để sản xuất lượng lớn hydrogen khi chuyển hóa trong quá trình tăng trưởng nhất định Một nhóm các vi sinh vật quang hợp là những vi khuẩn

cyanobacteria là vi khuẩn quang hợp và có khả năng cố định đạm và do đó có thể

sống trên không khí, nước và khoáng chất, với ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng

duy nhất của chúng Các enzyme của vi khuẩn cyanobacteria có nhiệm vụ cố định

đạm, enzyme nitrogenase sản xuất khí hydro như sản phẩm phụ

Vi sinh vật quang dưỡng có khả năng tạo ra hydro từ nước thông qua trao đổi chất của chúng bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời Quang hợp gián tiếp được

green-algae, cyanophyceae, hoặc cyanophytes) là một nhóm vi khuẩn gram dương lớn

và đa dạng với cùng cách quang hợp giống như thực vật bậc cao Chúng tồn tại trong môi trường hệ sinh thái biển cũng như trong các vùng đất và nước ngọt khác nhau Chúng là một nhóm hình thái đa dạng bao gồm các đơn bào, dạng sợi và các loài thuộc địa

Vi khuẩn cyanobacteria có khả năng cố định - N2 và quang hợp, sử dụng ánh sáng mặt trời tách nước thành hydro và oxy, trong 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 carbon dioxide như một hợp chất trung gian sản xuất H2 Những lợi ích chính và hạn chế của việc sản xuất H2 thông qua quang

hợp gián tiếp cyanobacteria được tóm tắt trong Bảng: [4]

Bảng 3.1 Ưu và nhược điểm của quá trình sản xuất hydrogen

+ Cần ánh sáng mặt trời

Khoảng 30% O2 trong không khí kết hợp vớiH2

+ O2 ức chế hoạt động của enzyme nitrogenase

Lẫn CO2 trong sản phẩm khí

Vi khuẩn

quang hợp

Có thể sử dụng các vật liệu là các chất thải khác nhau như sữa, nước thải của quá trình chưng cất…

Có thể sử dụng quang phổ rộng của ánh sáng

Cần ánh sáng để sản xuất H2 Dịch sau lên men gây ô nhiễm nước

Lẫn CO2 trong sản phẩm khí

Vi khuẩn lên

men

Có thể sản xuất H2 cả ngày mà không cần ánh sáng

Có thể sử dụng các nguồn carbon khác nhau như: tinh bột, , đường xylose… và các loại nguyên liệu thô khác nhau

Dịch sau lên men cần phải xử

lý thêm trước khi xả thải, nếu không sẽ gây ô nhiễm nước

Lẫn CO2 trong sản phẩm khí

Chương 3: Tổng quan Biohydrogen

Vi tảo như tảo xanh và cyanobacteria (prokaryote) là vi sinh vật quang tự dưỡng,

bởi vì chúng có thể sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng và carbon dioxide làm nguồn carbon duy nhất Khả năng sản xuất H2 của tảo và vi khuẩn đã được biết đến hơn một thế kỷ

Vi tảo có thể sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển hóa khí carbon dioxide thành năng lượng giàu các hợp chất hữu cơ, với nước là một chất nền bổ sung Trong điều kiện kỵ khí, vi tảo có thể sản xuất H2 bằng cách phân tách nước, sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng Chất xúc tác là hydrogenase, một loại enzyme đó là cực kỳ nhạy cảm với O2 Oxy cũng là một sản phẩm phụ quang hợp, và thậm chí cả số lượng nhỏ được tạo ra trong quá trình phản ứng có thể ức chế sự phát triển H2

 Biohydrogen sản xuất bởi các vi sinh vật

Sản xuất hydro sinh học đã được nghiên cứu rộng rãi từ những năm 1970, nhưng công nghệ đã tiến triển tương đối chậm Levin và cộng sự phân loại các phương pháp sinh học sản xuất hydro thành bốn nhóm sau:[4]

 Phân giải quang sinh học trực tiếp: nước được tách thành H2 và O2 bởi năng lượng ánh sáng Một ví dụ của việc này là tảo xanh:

 Lên men tối: Hydrogen sản xuất bằng phương tiện của sự thoái hóa kỵ khí

của chất hữu cơ Vi khuẩn như Clostridium, Enterobacter và Bacillus được

ứng dụng để sản xuất bằng phương pháp này

3.4 Những nghiên cứu sản xuất Biohydrogen từ vi sinh vật

3.4.1 Sản xuất Biohydrogen từ Clostridium acetobutyricum

3.4.1.1 Tổng quan về Clostridium acetobutyricum

Vi khuẩn Clostridium acetobutyricum phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên , nhất là trong bùn ruộng, bùn ao

Chúng có thể lên men đối vớ i các đ ường arabinose, xilose, ramnose, glucose, galactose, mannit, fructose, lactose, rafinose, tinh bột, dextrin, inulin, glycogen, mannitol…[12]

3.4.1.2 Vị trí của Clostridium acetobutyricum

Giới : Bacteria Nhóm : Firmicutes

Lớp : Clostridia

Bộ : Clostridiale

Họ : Clostridiaceae Giống : Clostridium Loài : Clostridium acetobutyricum

3.4.1.3 Đặc điểm hình thái

Clostridium acetobutyricum là vi khuẩn gram dương, có khả năng sinh bào

tử Hình que, có khả năng di động, kích thước khoảng 0,6–0,72 x 2,6–4,7 μm

Trong suốt chu kì sinh trưởng, Clostridium acetobutyricum có rất nhiều

hình đặc điểm thái khác nhau: