Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất năng lượng tái tạo hydro sinh học từ vi khuẩn kị khí phân lập tại Việt Nam

Hiện nay nền kinh tế toàn cầu và nhu cầu năng lượng chủ yếu dựa vào nhiên liệu hóa thạch. Việc phụ thuộc nặng nề và sử dụng quá mức dẫn đến sự cạn kiệt nguồn tài nguyên không thể tái tạo này và làm tăng nồng độ các khí carbon dioxide, carbon monoxide, oxi của lưu huỳnh và nitơ (SOx và NOx). Điều này dẫn đến nhiều mối lo ngại về môi trường do như sự ấm lên toàn cầu và những ảnh hưởng bất lợi đối với sức khỏe của con người. Để giảm những mối nguy hại này, việc tìm ra những nguồn nhiên liệu thay thế cho năng lượng tái tạo là vấn đề hết sức cấp bách và là vấn đề toàn cầu. Hydro được coi là một nguồn nhiên liệu thay thế đầy hứa hẹn cho nhiên liệu hóa thạch thông thường bởi vì chúng có khả năng loại bỏ hầu hết các vấn đề do nhiên liệu hóa thạch gây ra. Bản thân hydro cũng được đề xuất làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông như xe ô tô, xe tải và xe bus. Sản xuất hydro sinh học thu hút sự quan tâm của toàn cầu vì được coi là năng lượng vô hạn, giá thành thấp và có thể tái tạo. Lên men sản xuất hydro từ vi sinh vật là phương pháp đang được các nhà khoa học quan tâm bởi vi sinh vật có khả năng sử dụng các chất thải hữu cơ để tạo ra các khí sinh học, trong đó có hydro, tốc độ sản xuất nhanh và sản lượng khí sinh học sinh ra từ vi sinh vật tương đối cao. Đồng thời đây là phương pháp đơn giản và dễ thực hiện.

Nhằm phân lập các chủng Clostridium sp. và nghiên cứu khả năng sản xuất khí hydro sinh học từ vi sinh vật kỵ khí, xác định điều kiện tối ưu để thu được sản lượng hydro cao nhất, PGS.TS. Bùi Thị Việt Hà, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất năng lượng tái tạo hydro sinh học từ vi khuẩn kị khí phân lập tại Việt Nam”.

Sau một thời gian thực hiện, Đề tài đã đạt được 03 mục tiêu đề ra:

- Phân lập được các chủng vi khuẩn kị khí ưa ấm tại Việt nam có khả năng sinh hydro và sàng lọc, tuyển chọn một số chủng có hiệu suất sinh hydro cao nhất.

- Xây dựng được quy trình sản xuất hydro sử dụng những nguyên liệu thế hệ đầu tiên (các nguồn đường và tinh bột sẵn có) từ một số chủng vi khuẩn kị khí được lựa chọn.

- Bước đầu thiết lập và chuẩn hóa được quy trình kỹ thuật cho việc sản xuất hydro từ vi khuẩn kị khí tại Việt Nam. Các kết quả đạt được bám sát theo đăng ký trong thuyết minh và hợp đồng của đề tài.

Về cơ bản, có 04 kết quả chính như sau:

- Đã phân lập, tuyển chọn và nghiên cứu các đặc điểm sinh học, đặc điểm sinh lý sinh hoá, đặc điểm hình thái và đặc điểm sinh học phân tử của gen 16S rRNA 09 chủng có khả năng sinh khí 17 hydro cao thuộc vê 2 chi Clostridium và Enterobacter và được đặt tên như sau: C. beijerinckii ST1, C. bifermetans ST4, C. butyricum ST5, Enterobacter cloacae ST8, C. beijerinckii CB3, Clostridium sp. CB2, C. bifermentans CT4 và C. bifermentans BT5, Enterobacter cloacae CB1.

- Đã xây dựng được quy trình sản xuất hydro sử dụng những nguyên liệu thế hệ đầu tiên (các nguồn đường và tinh bột sẵn có) từ một số chủng vi khuẩn kị khí được lựa chọn. Trong đó đã nghiên cứu về khả năng sử dụng một loạt các cơ chất bao gồm sucrose, glucose, lactose, xylose, và rỉ đường. Phương pháp phản ứng bề mặt với thiết kế Box-Behnken được sử dụng để tối ưu hóa thành công các điều kiện hoạt động, bao gồm nhiệt độ, thời gian và nồng độ cơ chất để cho sản lượng H2 cao khi kết hợp nuôi cấy cả 3 chủng C. beijerinckii ST1, C. bifermetans ST4, C. butyricum ST5. và xác định được điều kiện tối ưu cho sản xuất H2 tối đa là nồng độ sucrose là 11,63 g/L, thời gian lên men là 51,13 h và nhiệt độ lên men là 36,09°C tạo ra 1,130 ± 0,015 L H2/L môi trường tương đương với thể tích khí đạt 61,8 %.

- Đã nghiên cứu một số nguồn cơ chất như là sản phẩm phụ của công nghiệp thực phẩm: tinh bột gốc sắn và bỗng rượu, bã đậu, bột ngô như một nguồn thay thế cho glucose trong sản xuất H2 với các mô hình lên men riêng rẽ và kết hợp chủng. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự kết hợp của ba chủng phân lập C. beijerinckii ST1, C. bifermentans ST4 và C. butyricum ST5, lượng H2 tạo thành đạt cao nhất 959 ± 8,8 mL/L tương đường với lượng H2 chiếm 54,5% thể tích khí đạt được khi sử dụng tinh bột từ gốc sắn làm nguồn cơ chất.

- Đã bước đầu thiết lập được quy trình sản xuất hydro với sự kết hợp lên men của cả 3 chủng phân lập trên nguồn cơ chất là sucrose, sau 52 giờ lên men, tốc độ khuấy 200 rpm, nhiệt độ 370C, pH 6.5, điều kiện kị khí bắt buộc mô hình lên men 5L đạt được hàm lượng hydro tạo thành chiếm 62%.

Việc nghiên cứu sản xuất hydro theo phương pháp sinh học nhờ quá trình lên men tối là một hướng đi có triển vọng vì tạo ra được nguồn năng lượng tái tạo có thể thay thế cho nhiên liệu hoá thạch. Phân lập các chủng vi khuẩn ưa ấm kỵ khí có khả năng sinh hydro tại Việt Nam để xây dựng quy trình lên men sản xuất hydro sinh học từ chính các chủng vi khuẩn đó.

Mặc dù lượng hydro được tạo ra khi sử dụng nguồn bã thải làm cơ chất có hiệu quả chưa cao bằng khi sử dụng với nguồn cacbon là glucose và sucrose, nhưng mới chỉ là những nghiên cứu ban đầu, đề tài sẽ tiếp tục tối ưu điều kiện lên men để có hiệu suất tạo hydro cao hơn trong những nghiên cứu tiếp theo.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15774/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)