ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG CỦA VI SINH VẬT ĐỂ SẢN SUẤT BIOGAS

Sau đây chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về nhóm vi sinh vật sản xuất biogas qua bài tiểu luận “ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất biogas” để cùng tìm hiểu xem bằng cách nào mà vi sinh vậ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

GVHD: NGUYỄN THỊ QUỲNH MAI

1.PHẠM THỊ MỸ PHÚ: 2008100231

2 NGUYỄN THỊ CHI: 2008100096

3 TRƯƠNG THỊ MỸ LUÔN: 2008100261

4 LÊ THẠCH KỲ: 2008100197

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 2

1 KHÁI NIỆM BIOGAS 2

1.1Khái niệm 2

1.2Sự tham gia của các vi sinh vật trong bể Biogas 3

1.2.1Nhóm vi sinh vật thuỷ phân và lên men các hợp chất hữu cơ 3

1.2.2 Nhóm vi khuẩn tạo acid 4

1.2.3 Nhóm vi khuẩn sinh khí metan 4

2 CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH TẠO THÀNH KHÍ BIOGAS NHỜ VI SINH VẬT 4

2.1Cơ chế 4

2.2Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí 9

3 CÁC NGHIÊN CỨU KHÁC VỀ NHÓM VI SINH VẬT SẢN XUẤT BIOGAS VÀ ỨNG DỤNG CỦA BIOGAS 12

3.1Ứng dụng của nhóm vi sinh vật 12

3.2 Xử lý biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 13

KẾT LUẬN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

đã tạo ra các sản phẩm được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Đằng sau những con vi sinh vật nhỏ bé này có gì bí ẩn mà có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đến thế Sau đây chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về nhóm vi sinh vật sản xuất biogas qua bài tiểu luận “ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất biogas” để cùng tìm hiểu xem bằng cách nào mà vi sinh vật đã biến những hợp chất hữu cơ phức tạp thành khí sinh học tạo ra nguồn năng lượng mới đồng thời làm giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường.

Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas Thành phần của Biogas như sau:

CH4 có số lượng lớn và là khí chủ yếu tạo ra năng lượng khí đốt Khí CH4 là

1 chất khí không màu, không mùi nhẹ hơn không khí CH4 ở 200C, 1atm, 1 m3 khí

CH4 có trọng lượng 0,716 kg Khí đốt hoàn toàn 1 m3 khí CH4 cho ra khoảng 5500 – 6000 kcal Lượng CH4 chịu ảnh hưởng bởi quá trình phân hủy sinh học Phụ thuộc loại phân, tỉ lệ phân nước, nhiệt độ môi trường, tốc độ dòng chảy… trong hệ thống phân hủy khí sinh học kỵ khí

Khí biogas có trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94 Kg/ m3 trọng lượng riêng này thay đổi do tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp lượng H2S chiếm 1 lượng ít, có mùi hôi, tạo thành acid H2SO4 khi tác dụng với nước gây độc cho người và làm hư dụng cụ đun nấu

2.2 Sự tham gia của các vi sinh vật trong bể Biogas

Sự tăng trưởng của vi khuẩn và các vi khuẩn trong bể tùy thuộc loại phân

sử dụng và điều kịên nhiệt độ Có 3 nhóm vi sinh vật tham gia trong bể biogas như sau: Nhóm vi khuẩn thuỷ phân và lên men các hợp chất hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo acid và nhóm vi sinh vật sinh khí metan

2.2.1 Nhóm vi sinh vật thuỷ phân và lên men các hợp chất hữu cơ

Những vi khuẩn này đều có enzym cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử (spore) Theo A.R.Prevot, chúng có

mặt trong các họ: Clostridium, Bacillus, Staphylococus, Chúng thuỷ phân và lên

men trong điều kiện yếm khí cho ra các hợp chất đơn giản hơn như monosacarit, amino axit hoặc các muối khác

Bacteriodes là vi khuẩn gram âm, kị khí, có dạng hình

que, có lớp màng bên ngoài, 1 lớp peptidoglycan

và màng tế bào Là vi khuẩn trong đường ruột

Là một chi của vi khuẩn Gram dương, thường xuất hiện từng cụm

2.2.2 Nhóm vi khuẩn tạo acid

Chủ yếu là Bacillus cereus, Bacillus knolkampi, Clostridium spp, Bifidobacterium spp, Lactobacillus, E.coli,Corynebacterium,

Bifidobacterium spp là vi khuẩn gram

dương, kị khí, có dạng hình que nhánh Trong ruột, lên men đường để sản xuất acid lactic

Vi khuẩn Gram dương, có dạng hình que.

2.2.3

Nhóm vi khuẩn sinh khí metan

Nhóm này rất chuyên biệt và đã được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi W.E.Balch và cộng tác viên ở USA (1997), được xếp hạng thành 3 bộ (Order), 4 họ (Family), 17 loài (Genus)

Họ Methanobacteriaceae có thành tế bào

cấu tạo từ pseudomurein, vì thế bắt mầu Gram

dương Họ Methanobacteriaceae gồm có ba chi là

Methanobacterium, Methanobrevibacter và

Methanosphaera Các loài thuộc chi

Methanobacteriumcó tế bào hình que hoặc hình

sợi, đôi khi tạo nhóm gồm nhiều tế bào Tất cả các

loài thuộc chi này đều có khả năng sinh methane từ

H2+CO2

Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ có thể sử dụng

một số chất nhất định Do đó việc lên men kỵ khí bắt

buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn metan Có như

vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để

Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển mạnh là phải có lượng CO2 đầy đủ trong môi trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 1:20 tốt nhất là cung cấp nitơ từ cacbonnat amon, clorua amon

Trong quá trình lên men kỵ khí các loài VSV gây bệnh bị tiêu diệt không phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh dinh dưỡng, Mức độ tiêu diệt các VSV gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80 đến 100%

3 CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH TẠO THÀNH KHÍ BIOGAS NHỜ VI SINH VẬT

Sự tạo thành khí sinh học là một quá trình lên men phức tạp xảy ra rất nhiều phản ứng, cuối cùng tạo ra khí CH4 và CO2 và một số chất khác Quá trình này được thực hiện theo nguyên tắc phân huỷ kỵ khí, dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí đã phân huỷ từ những chất hữu cơ dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản, một lượng đáng kể chuyển thành khí và dạng chất hoà tan Sự phân huỷ kỵ khí diễn ra qua nhiều giai đoạn với hàng ngàn sản phẩm trung gian với sự tham gia của các loại vi sinh vật đa dạng Đó là sự phân huỷ protein, tinh bột, lipit để tạo thành axitamin, glyein, acid béo, acid béo bay hơi, methylamine, cùng các chất độc hại như: tomain (độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi như: indol, scatol Và cuối cùng là liên kết cao phân tử mà nó không phân huỷ được dễ dàng bởi vi khuẩn yếm khí như lignin, cellulose

Quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ là một quá trình phản ứng sinh hoá rất phức tạp bao gồm những phản ứng và sự tham gia của các hợp chất khác nhau, mỗi một hợp chất được thuỷ phân bởi một enzym cụ thể hoặc một chất xúc tác riêng biệt phản ứng đơn giản của quá trình này là:

Giai đoạn 1: Bẻ gãy những liên kết polymer hay sự hoá lỏng

• Chất thải hữu cơ có những hợp chất polymer hữu cơ như protein, chất béo, carbohydrate, cellulose, lignin, và một số khác tồn tại ở những dạng rắn không hoà tan Trong giai đoạn này, các polymer bị bẻ gãy các liên kết do các enzym đặc biệt được hình thành bởi các vi khuẩn thuỷ phân

• Thông thương rất khó phân biệt giai đoạn 1 và giai đoạn 2 bởi vì một số loại tế bào được hấp thụ và phân huỷ ngay trong nội tại tế bào

• Phản ứng thuỷ phân trong giai đoạn này sẽ biến đổi protein thành mono acid, carbohydrate thành đường đơn giản và các chất béo thành acid dạng chuỗi quá trình hoá lỏng xenlulose và một số hợp chất phức tạp khác thành monomer đơn giản chỉ xảy ra chậm tại giai đoạn 1 và diễn ra nhanh trong giai đoạn 2 và 3 Tốc

độ thuỷ phân phụ thuộc vào chất dinh dưỡng và nồng độ vi sinh vật cũng như các yếu tố khác là nhiệt độ và pH

2: hình thành acidCác monomer

thành trong quá trình thuỷ phân trong giai đoạn 1 sau đó được biến đổi thành

CH3COOH ( acid acetic, acetats), H2, CO2, bằng các vi sinh vật hình thành acid Các acid béo bay hơi hình thành được coi là sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất của vi sinh vật đối với protit, chất béo, carbohydrate, mà các acid như acetic, propionic, lactic là sản phẩm chính Khí CO2 thải trong quá trình dị hoá carbohydrate, với các rượu CH3OH2 và các rượu đơn giản và các sản phẩm trung gian trong việc phá vỡ carbohydrate

CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH + CO2 + 3H2Axit prifionic

CH3CH2CH2COOH + 2H2O → 2CH3COOH + 2H2Axit butinic

• Giai đoạn 3: hình thành CH4

• Các sản phẩm trong giai đoạn hai cuối cùng biến đổi thành CH4 do nhóm vi sinh vật gọi là methogen thực hiện Vi khuẩn methogen phát triển trong điều kiện yếm khí, tốc độ tăng trưởng chậm so với các vi khuẩn trong giai đoạn 1 và giai đoạn 2

• Vi khuẩn methogen sử dụng các acid acetic, CH3OH (methanol), hoặc CO2 và H2

để sản xuất CH4 Acid acetic đóng vai trò quan trọng như là chất dinh dưỡng để hình thành CH4, khoảng 70% hình thành từ acid acetic, còn lại được sản xuất từ

CO2 và H2 Một số chất cũng tham gia hình thành CH4 như acid focmic nhưng đóng vai trò không quan trọng trong quá trình lên men yếm khí

• Vi khuẩn methogen cũng phụ thuộc vào vi khuẩn trong giai đoạn 1 và 2 vì chúng cần nguồn dinh dưỡng thích hợp ví dụ, hợp chất nitơ phải được khử thành ammonia và thích hợp cho việc sử dụng hữu dụng của vi khuẩn lên men CH4

• Các nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc lên men kiềm (chủ yếu là các loại vi khuẩn lên men metan như methanosarcina và methanothrix) đã chuyển hóa axit axetic và hydro thành CH4, CO2

• Cơ chế của sự tạo thành khí metan

Cơ chế 2 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ phân hủy thành các axit hữu cơ, CO2, H2 và các sản phẩm khoáng hóa khác dưới tác dụng của enzym cellulosase:

CxHyOz → các axit hữu cơ, CO2, H2

• Giai đoạn 2: Các axit hữu cơ, CO2, H2 tiếp tục bị tác động bởi các vi khuẩn metan:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

CO + 3H2 → CH4 + H2O4CO + 2H2 → CH4 + 3CO24HCOOH → CH4 + 3CO2 + 3H2O4CH3OH → 3CH4 + 2H2O + CO2

CH3COOH → CH4 + H2ONhư vậy biogas được hình thành trong môi trường kỵ khí dưới tác dụng của enzym cellulosase và nhóm vi khuẩn metan, trong đó vai trò của enzym cellulosase là phân hủy các chất hữu cơ thành các chất có phân tử thấp hơn, các chất này nhờ nhóm vi khuẩn metan tác dụng với nhau tạo thành khí metan có khả năng đốt cháy sinh năng lượng

3.2 Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí

Quá trình lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanh chóng nếu như chất thải của một hầm ủ đang hoạt động được dùng để làm chất mồi (đưa

vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ ủ) Hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 5 → 10%, 90 → 95% còn lại là nước

• Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ Thông thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đến trong quá trình xử lý yếm khí:

25 → 400C: đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa ấm

50 → 650C: nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa nhiệt

Nói chung khi nhiệt độ tăng tốc

độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ

trong khoảng 40→450C thì tốc độ sinh

khí giảm vì khoảng nhiệt độ này

không thích hợp cho cả hai loại vi

khuẩn, nhiệt độ trên 600C tốc độ sinh

khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kềm hãm hoàn toàn ở 650C trở lên

• Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ

Ở các nước vùng ôn đới nhiệt độ môi trường thấp; do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10oC thể tích khí sản xuất được giảm mạnh Để cải thiện tốc độ sinh khí người ta có thể dùng Biogas đun nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt qua các ống hình xoắn ốc lắp đặt sẵn trong lòng hầm

ủ Ngoài ra người ta còn dùng các tấm nhựa trong để bao hầm ủ lại, nhiệt độ bên trong tấm nhựa trong sẽ cao hơn nhiệt độ môi trường từ 5  10oC, hoặc thiết kế cho phần trên hầm ủ chứa nước và lượng nước này được đun nóng lên bằng bức

xạ mặt trời, hoặc tạo lớp cách nhiệt với môi trường bằng cách phủ phân compost hoặc lá cây lên hầm ủ

• Ảnh hưởng của pH và độ kiềm

pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,6 → 7,6 tối ưu trong khoảng

7 → 7,2 vì tuy rằng vi khuẩn tạo acid có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng

vi khuẩn tạo methane bị ức chế ở pH đó pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn methane Trong trường hợp này người ta lập tức ngưng nạp cho hầm ủ để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết các acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí bình thường trở lại người ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định Ngoài ra người ta có thể dùng vôi để trung hòa pH của hầm ủ

• Ảnh hưởng của độ mặn

Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu là nước Người ta đã tìm hiểu khả năng sinh Biogas của hầm ủ tùy thuộc nồng độ muối trong nước Kết quả cho thấy vi khuẩn tham gia trong quá trình sinh khí methane có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí không bị giảm đáng kể Như vậy việc vận hành các hệ thống xử lý yếm khí tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp trở ngại nhiều

• Các chất dinh dưỡng

Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt được tỉ số C/N từ 25/1 → 30/1 bởi vì các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn

sử dụng đạm từ 25 → 30 lần Các nguyên tố khác như P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định.

• Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp

Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau:Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng kg COD/m3/ngày hay VS/m3/ngàyThời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ HRT

Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giai đoạn 3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane

• Ảnh hưởng của các chất khóang trong nguyên liệu nạp

Các chất khóang trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình sinh khí methane Ví dụ ở nồng độ thấp Nikel làm tăng quá trình sinh khí Các chất khóang này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt một nguyên tố khác Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác

• Khuấy trộn

Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình sinh khí Nó còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ

4 CÁC NGHIÊN CỨU KHÁC VỀ NHÓM VI SINH VẬT SẢN XUẤT BIOGAS VÀ ỨNG DỤNG CỦA BIOGAS

4.1 Ứng dụng của nhóm vi sinh vật

Trong điều kiện tự thoáng khí Xenlulose có thể bị phân giải dưới tác dụng của nhiều vi sinh vật hiếu khí Ngoài ra, còn có một số vi khuẩn kỵ khí có khả năng tham gia tích cực vào quá trình phân giải xenlulose Các loài vi sinh vật như: Cytophaga, Cellulomonas, giống Bacillus, giống Clostridium, Aspergillus,…

• Các nhà khoa học thuộc Trung tâm nghiên cứu và phát triển bền vững (Đại học Nông nghiệp Hà Nội) đã sản xuất thành công phân hữu cơ sinh học từ rác thảii sinh hoạt và rác thải nông nghiệp

Theo quy trình này, để sản xuất ra 1 tấn phân ủ hữu cơ sinh học cần từ 2 - 2,5 tấn rác thài sinh hoạt hoặc phế thải nông nghiệp, 250 - 300 lít nước và 5 lít chế phẩm vi sinh Sau thu gom rác thải, tiến hành phân loại, lựa chọn các vật liệu hữu cơ như các phần loại bỏ từ rau, hoa quả, thân cây, rơm rạ, giấy loại…rồi đem chúng đến bể ủ.

• Sản xuất phân bón và xử lý môi trường nhờ các vi sinh vật thuỷ phân và lên men

kỵ khí:

+Xử lý chất thải hữu cơ

+Men xử lý hầm cầu (bể phốt)

• Vi khuẩn Clostridium góp phần vào quá trình cố định nito

Vi khuẩn Clostridium đồng hóa tốt tất cả các nguồn thức ăn nitơ vô cơ và hữu cơ,

cứ 1 gam đường gluco thì đồng hóa được 5 – 12 mgN

Quá trình cố định nitơ phân tử là quá trình đồng hóa nitơ của không khí thành đạm amôn dưới tác dụng của một số nhóm vi sinh vật có hoạt tính Nitrogenaza

Là quá trình đồng hóa nitơ của không khí dưới tác dụng của các chủng giống vsv Thuộc về nhóm này có tới hàng nghìn chủng vsv khác nhau

• Vi khuẩn lên men lactic thuộc họ Lactobacterium Đây là những thực khuẩn, cầu

khuẩn không tạo bào tử và hầu hết không di động, hô hấp tuỳ tiện Chúng có khả năng lên men nhiều loại đường đơn và đường đôi nên người ta sử dụng chúng để làm sữa chua

Trong trường hợp này acid pyruvic được tạo thành theo sơ đồ Sau đó pyruvic sẽ tạo thành acid lactic dưới tác dụng của enzyme lactatdehydrogenase