NGHIÊN cứu QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT HYDRO SINH HỌC từ RÁC THẢI NÔNG NGHIỆP NHỜ CHỦNG VI KHUẨN KỊ KHÍ ưa NHIỆT thermotoga neapolitana DSM 4359

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Hoàng Ngọc Huyền NGHIÊN CỨ U QUÁ TRÌNH SẢ N XUÂT́ HYDRO SINH HỌ C TỪ RÁ C THẢ I NÔNG NGHIỆP NHỜ CHỦ NG VI KHUẨN KỊ KHI ́ ƯA NHIỆT Thermotoga Neapolitana DSM 4359 Chuyên ngành: Vi sinh vật họ c Mã số: 60420107 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Bùi Thị Việt Hà Hà Nội - Năm 2014 MỞ ĐẦU Thế giới vào năm đầu kỷ thứ 21 đứng trước nhiều vấn đề cần phải đối mặt Trong vấn đề thiếu lượng vấn đề cấp bách mang tính toàn cầu cần phải sớm có biện pháp giải Những nguồn lượng hóa thạch than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên vô tận Với phát triển ngành công nghiệp giới hiện nguồn lượng nhanh chóng cạn kiệt gây ảnh hưởng đến phát triển xã hội đời sống người Hơn nữa, đặc điểm tài nguyên hóa thạch thành phần hóa học có chứa nguyên tố cacbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huznh, đặc biệt than có kèm theo chất phóng xạ urani thori, sử dụng nguồn nhiên liệu gây ảnh hưởng lớn môi trường *1+ Trong việc khai thác nhiên liệu sinh học phương thức tạo lượng quan tâm hiện hiệu suất cao, tốn thân thiện với môi trường *4+ Điển hình việc khai thác nguồn lượng hydro sinh học - nguồn lượng thay vô cùng ưu tương lai từ chủng vi sinh vật kị khí ưa nhiệt cao Thermotoga neapolitana DSM 4359[20] Đây hướng mẻ đầy triển vọng không phần khó khăn nhiều thách thức Do tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu trình sản xuất hydro sinh học từ rác thải nông nghiệp nhờ chủng vi khuẩn ưa nhiệt Thermotoga neapolitana DSM 4359” với mục tiêu sau: Xây dựng quy trình sản xuất hydro sinh học từ số chất khác (glycerol, xylose, glucose…) Đưa kết thăm dò số nguồn phế thải nông nghiệp làm nguyên liệu đầu vào cho trình sản xuất hydro sinh học nhờ lên men vi khuẩn kị khí ưa nhiệt Thermotoga neapolitana DSM 4359 CHƢƠNG - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thực trạng nguồn lƣợng giới nhu cầu tìm nguồn lƣợng thay 1.1.1 Dầu mỏ Nguồn tài nguyên thiên nhiên từ biển trở thành tiêu điểm cạnh tranh quốc tế Dầu mỏ coi nguồn lượng cho toàn giới tới năm 2025 1.1.2 Khí tự nhiên Cùng với dầu mỏ, gần đây, khí thiên nhiên coi nguồn nhiên liệu có nhu cầu tiêu thụ lớn giới với nhu cầu hàng năm tăng nhanh 1.1.3 Than Là nguồn nhiên liệu hóa thạch sử dụng từ lâu giới Tổng trữ lượng than toàn giới ước tính khoảng 1.083 tỷ tấn, đủ cung cấp cho khoảng 170 năm với mức tiêu thụ hiện 1.2 Hydro nguồn lƣợng ƣu việt Hydro nguyên tố hóa học hệ thống tuần hoàn nguyên tố với nguyên tử khối Ở trạng thái tự điều kiện bình thường, hydro không màu, không mùi không vị, tỉ trọng 1/14 tỉ trọng o không khí Nhiệt độ cháy hydro lên đến 3.000 C cháy ôxy, cao so với tất loại khí o o khác khí methane (CH4) đạt 2.148 C, propane (C3H8) đạt 2.385 C [32, 34] 1.3 Một số phƣơng pháp sản xuất hydro sinh hoc 1.3.1 Sản xuất hydro điện Sản xuất H2 điện cách cho dòng điện qua điện dẫn điện nước (kiềm polyme), kết tách phân tử H2O thành H2 oxy (O2) Hydro sản xuất điện có chất lượng tương đối cao, carbon, lưu huznh, hợp chất tạo trình 1.3.2 Sản xuất hydro khí metan (SMR) Quá trình SMR thường sử dụng nước nhiệt độ cao (800oC) phản ứng với khí mêtan (CH4), tạo thành H2 carbonmonoxide (CO) Sau khí CO phản ứng với nước để tạo thành carbondioxide (CO2) bổ sung H2 1.3.3 Sản xuất Hydro nước oxy hóa hydrocacbon Hydro sản xuất cách oxy hóa nước dung dịch nhiều hydrocacbon khác methanol, ethanol, glycerol, glucose sử dụng nhiệt độ chất xúc tác 1.3.4 Lên men sinh hydro phụ thuộc ánh sáng Như biết, ánh sáng nước nguồn tài nguyên phong phú, đó, vấn đề sản xuất hydro quang phân sinh học nước thành H2 O2 giải pháp đầy hứa hẹn 1.3.5 Lên men tối sinh hydro Trái ngược với lên men sáng sinh hydro, lên men không phụ thuộc ánh sáng hay lên men tối sinh hydro trình sản xuất sinh học thực hiện khoảng thời gian ngắn để tạo thành khí hydro, khí CO2, acid acetic acid lactic cùng vài chất khác *5, 15+ 1.4 Sản xuất H2 sinh học theo đƣờng lên men tối H2 sản xuất sinh học vi sinh vật, yêu cầu đề cập cho nguồn lượng mới, số vi sinh vật sản xuất H2 phân lập nghiên cứu vài năm gần *10, 33+ Tất phương pháp biết đến việc sản xuất H2 sinh học dựa enzym xúc tác cho phản ứng hóa học + 2H + e ↔ H2 1.5 Một số loài vi khuẩn sản xuất hydro thông qua đường lên men tối 1.5.1 Vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt 1.5.2 Vi khuẩn kị khí không bắt buộc 1.5.3 Vi khuẩn hiếu khí 1.6 Giới thiệu Thermotoga neapolitana 1.6.1 Lịch sử Thermotoga neapolitana phân lập lần đầu vào năm 1986, trầm tích núi lửa biển nông gần Lucrino, vịnh Naples, Italia *35+ 1.6.2 Phân loại Thermotoga neapolitana thuộc: Siêu giới: Vi khuẩn; Ngành: Thermotogae; Lớp: Thermotogae; Bộ: Thermotogale; Họ: Thermotogaceae; Chi: Thermotoga [33] 1.6.3.Đặc điểm hình thái sinh thái • Tế bào hình que, Gram âm, tồn riêng biệt theo cặp; dài: 1,1 - 1,5 μm, rộng: 0,6 μm 1.6.4 Đặc điểm hệ gen • NST dạng tròn • Hệ gen có 1800 kb • Tỉ lệ G + C 41,3 % *35+ Đặc điểm tế bào chuyển hóa 1.6.5 Hydrogenase Thermotoga + Enzyme chịu trách nhiệm sản xuất hydro (H2) kết hợp hydro proton tương đương (2H + 2e-) hydrogenase (EC 1.12.99.6 EC1.12.7.2) tác động ngược lại vào trình oxy hoá phân tử hydro 1.6.6 Những đặc điểm phù hợp với việc sản xuất hydro Trong chi Thermotoga, Thermotoga neapolitana coi “mạnh” thích nghi với điều kiện khác nhau, nguồn cacbon khác sản sinh lượng hydro cao 1.7 Các nguồn nguyên liệu tái sinh 1.7.1 Chất thải sản xuất đường Sản xuất đường ngành công nghiệp quan trọng phổ biến rộng rãi toàn giới Trong trình sản xuất đường nhiều loại chất thải khác mật đường, bã mía, nước thải tạo Các loại rác thải môi trường thích hợp cho phát triển vi sinh vật 1.7.2 Chất thải sản phẩm sữa Chất thải sản phẩm sữa, có sữa dư lượng mát sữa, biết có lượng lớn chất hữu có giá trị COD dao động từ 50g/L (Seifert et al 2010a) 1.7.3 Bã đậu 1.7.4 Glycerol 1.7.5 Rơm, rạ CHƢƠNG - NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 2.1 Chủng giống Chủng lựa chọn để tiến hành nghiên cứu Thermotoga neapolitana DSM 4359 mua Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ), Đức 2.2 Các thiết bị và dụng cụ thực thí nghiệm 2.2 Các thiết bị - Máy đo OD - Hệ thống sắc kí khí GC - Hệ thống sắc kí lỏng cao áp - Nồi lên men 5L 2.2.2 Các dụng cụ Bình serum 30ml, nắp cao su nắp nhôm, kim tiêm để nuôi cấy kị khí Gas-tight syringe (P/N 008160; 1MRVLL-GT; C04-A1831- Australia) để lấy mẫu khí cho GC, dụng cụ kẹp nắp nhôm Handy crimper for aluminum seal 2.3 Môi trƣờng nuôi cấy 2.3.1 Môi trường nuôi cấy với nguồn chất đơn giản 2.3.2 Môi trường nuôi cấy với nguồn chất bã đậu Tiền xử lí bã đậu: • Bã đậu mang xử lí nhiệt 90o 15 phút để tiêu diệt vi khuẩn tiêu thụ Hydro • Các chỉ tiêu COD , tổ ng Nitơ, tổ ng Photpho đươ ̣c phân tích ta ̣i Viê ̣n Hoá bản - Trường Đa ̣i ho ̣c Bách khoa Hà Nội 2.3.3 Môi trường nuôi cấy với nguồn chất glycerol 2.3.4 Môi trường nuôi cấy với chất rơm, rạ 2.4 Phương pháp sục khí nitơ và kiểm soát pH làm tăng hiệu suất tạo thành hydro Dòng khí nitơ tinh khiết sục với tốc độ 50ml/phút sau sản lượng hydro môi trường nuôi cấy đạt mức tối đa 2.5 Sản xuất hydro quy mô lớn sử dụng nồi lên men 5L - 100ml chủng vi khuẩn Thermotoga neapolitana DSM nuôi cấy 900ml môi trường tinh khiết điều kiện nhiệt độ 75°C, pH7.5 sử dụng hệ thống điều khiển biotron pH giữ ổn định việc thêm NaOH 2N 2.7 Các phƣơng pháp phân tích Sự phát triển tế bào đánh giá khối lượng tế bào khô (dry cell weight - DCW) mật độ tế bào (opical density - OD600) đo máy đo OD Khí H2 headspace lấy gas-tight syringe, thể tích lần hút 100 µL (Australia) xác định phương pháp sắc kí khí GC Acid acetic acid lactic xác định hệ thống sắc kí lỏng cao áp Kế t quả thu đươ ̣c đươ ̣c xử lý bằ ng phương pháp thố ng kê sinh ho ̣c CHƯƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu tạo thành hydro chủng Thermotoga neapolitana DSM 4359 từ nguồn đường đơn 3.1.1 Hoạt hóa, nuôi cấy chủng Thermotoga neapolitana DSM 4359 Dựa vào kết đo OD đo lượng khí hydro máy GC, nhận thấy chủng vi khuẩn Thermotoga neapolitana DSM 4359 sinh trưởng tốt sinh khí hydro 3.1.2 Ảnh hưởng nồng độ chất đơn giản đến sản sinh hydro chủng Thermotoga neapolitana DSM 4359 Có thể thấy: hàm lượng hydro cao thu nồng độ chất glucose, xylose 5g/L, với hàm lượng là: 19.68 20.01(mmol/L) 3.1.3 Khảo sát số nguồn nitơ phổ biến cho sản xuất hydro sinh học từ chủng vi khuẩn kỵ khí ưa nhiệt DSM 4359 đánh giá khả sinh hydro Do đó, thấy hàm lượng hydro cao thu nồng độ nguồn nitơ cao nấm men, peptone NH4 NO3 2g/L, với hàm lượng là: 20.01; 19.27; 13.16 (mmol/L) 3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ tới trình sản xuất hydro DSM 4359 o Khi nhiệt độ nuôi cấy tăng từ 50 đến 75 C lượng hydro sinh phát triển tế bào tăng dần đạt o giá trị cực đại 75 C, với sản lượng hydro thu tăng từ 9.82 đến 20.09 (mmol/L) giá trị OD tăng từ 0.15 đến 0.39 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng pH tới trình sản xuất hydro chủng vi khuẩn Thermotoga neapolitana DSM 4359 Khi giá trị pH tăng từ đến 7.5 cho thấy có tăng tích lũy hydro nhanh chóng từ 6.56 đến 20.13 mmol/L Sự phát triển vi khuẩn đạt giá trị cực đại OD600 = 0.39 giá trị pH 3.4 Nghiên cứu phƣơng pháp sục khí nitơ làm giảm áp suất khí bình nuôi cấy để tăng hàm lƣợng hydro Hơn nữa, điều kiện sục khí nitơ kiểm soát pH, sản xuất hydro cao nhiều so với sục khí nitơ không bao gồm kiểm soát pH Lượng khí hydro thu áp dụng phương pháp sục khí nitơ kiểm soát pH tăng lên đến 2.98±0.1 mol hydro/mol glucose tiêu thụ sau nuôi cấy 3.5 Hàm lƣợng acid hữu đƣợc tạo trình sản xuất hydro T neapolitana Sau 24h nuôi cấy, pH môi trường giảm nhanh xuống mức tối ưu (7-6.8), cùng với đó, tốc độ sinh hydro giảm dần Các acid hữu acid lactic acid acetic tạo liên tục song song với việc tạo hydro tốc độ sản xuất chúng tăng nhanh từ 12 đến 36h nuôi cấy 3.6 Nghiên cứu ảnh hƣởng chất vô tới trình sản xuất hydro T neapolitana Vậy nồng độ tối ưu KH2PO4, MgCl2.6H2O, Na2HPO4.12H2O, NaCl 150mg/L, 20mg/L, 400mg/L 20g/L, cách riêng rẽ 3.7 Bước đầu thăm dò, nghiên cứu tạo thành hydro từ nguồn rác thải nông nghiệp và nguồn phụ phẩm trình sản xuất bio-diezel nhờ lên men kị khí chủng vi khuẩn DSM 4359 3.7.1 Khảo sát lựa chọn loại nguyên liệu đầu vào-phụ phẩm trình sản xuất bio-diezel cho tạo thành hydro Hiệu suất hydro tạo sau 49h glycerol tinh khiết phụ phẩm glycerol 1.02 ± 0.05 mol H2/mol glycerol tiêu thụ 1.28± 0.06 mol H2/mol glycerol tiêu thụ 3.7.2 Xác định thành phần dinh dưỡng khác cần bổ sung cho trình sinh trưởng trình tạo thành H Khảo sát lựa chọn loại nguyên liệu đầu vào - phụ phẩm trình sản xuất sản xuất đậu phụ Với chất bã đậu thô, sản lượng hydro thu tương đối thấp, đạt giá trị cao 5.2 mmol/L thời điểm 42h đến 48h Giá trị pH giảm dần từ 7.5 đến 5.7 sau 48h nuôi cấy Khi sử dụng bã đậu qua xử l{ làm chất cho thấy sản lượng hydro cao nhiều so với lượng hydro sử dụng bã đậu thô làm chất Lượng hydro thu tăng lên khoảng 2.8 lần đạt giá trị cao 14.6 mmol/L thời điểm 48h nuôi cấy 3.7.3 Khảo sát lựa chọn loại nguyên liệu đầu vào chế phẩm phân hủy lignocellulose từ rơm rạ cho tạo thành hydro 3.7.3.1 Nghiên cứu điều kiện thích hợp cho tiền xử lý rơm rạ o o o Ở nhiệt độ trung bình từ 80 C đến 100 C/30 phút loại bỏ 3,0 - 7,0% lignin Ở nhiệt độ 121 C loại bỏ đượ c tỷ lệ lignin cao nhât́ là 55,79% o Tăng thời gian tiền xử lý bằng dung di ̣ch ammoniac 10% từ 10 phút đến 60 phút 121 C thu kết 60 phút loại bỏ đượ c 65,21 % lignin Hàm lượng glucose xử l{ 57,07 % o Tiền xử lý vớ i axit sulfuric 1% nhiệt độ 121 C thờ i gian 50 phút cho hiệu quả cao nhât́ xử l{ đượ c 65,97% xylose 3.7.3.2 Thành phần rơm rạ sau tiền xử lý Theo phương pháp 2.3.4, có kết phân tích thành phần rơm rạ sau: 41% cellulose; 17.8% lignin; số chất khác 3.7.3.3 Sản lượng hydro sử dụng chất rơm rạ qua xử lý Để xác định ảnh hưởng chất rơm rạ đến sản lượng hydro, chủng nghiên cứu nuôi cấy thời gian từ 24 đến 120 sử dụng chất rơm rạ thô rơm rạ qua tiền xử l{ với nồng độ 5g/L tiền xử l{ rơm rạ giúp làm tăng sản lượng hydro cách đáng kể so với không qua tiền xử l{ Sản lượng hydro đạt mức cao nhất11.52 mmol/L, cao gần lần so với sử dụng rơm rạ thô làm chất (3.28 mmol/L), với 85.4% chất tiêu thụ, mức độ chuyển hóa đường 95.7% xylose 73% với glucose 3.8 Nghiên cứu trình sản xuất hydro phương pháp lên men theo mẻ có bổ sung (fed-batch culture) sử dụng nồi lên men L Để sản xuất hydro liên tục làm tăng sản lượng hydro Phương pháp lên men theo mẻ có bổ sung sử dụng nồi lên men 5L thực hiện sử dụng 5g/L glucose làm chất, pH trì mức 7.0 2N NaOH, tốc độ lắc 400rpm, với đợt bổ sung chất thời điểm 39, 57, 78 99h nuôi cấy Tổng kết lại sau pha nuôi cấy liên tục với lần bổ sung chất, tốc độ sản xuất hydro trung bình đạt 3.15 mmol/L/h 3.9 Đánh giá khả sử dụng nguyên liệu đầu vào trình sản sinh hydro chủng vi khuẩn nghiên cứuTrên quy mô nhỏ, tiến hành thí nghiệm sử dụng bình với thể tích 120mL Với pH tối ưu ban đầu đưa vào 7.5 nhiệt độ trì mức 70°C KẾT LUẬN Đã hoạt hóa nuôi cấy chủng Thermotoga neapolitana DSM 4359 - chủng vi khuẩn kí khí ưa nhiệt dùng để nghiên cứu sản xuất hydro sinh học Đã xác định nồng độ chất ban đầu phù hợp Đã nghiên cứu khảo sát nguồn nitơ phù hợp 2g/L cao nấm men, cho sản lượng hydro đạt 20.01 mmol/L Đã xác định điều kiện nuôi cấy tối ưu cho chủng Thermotoga neapolitana DSM 4359 nhiệt độ 75°C, pH7.5, tốc độ lắc 100rmp Đã bước đầu tìm hiểu số nguồn chất tái tạo, sẵn có bã đậu, phụ phẩm glycerol từ trình sản xuất dầu diezel sinh học, từ rơm, rạ Hàm lượng hydro đạt là: 15mmol/L; 20mmol/L; 11.5mmol/L, từ nguồn tương ứng Đã nghiên cứu sản xuất hydro quy mô 5L phòng thí nghiệm nghiên cứu trình sản xuất hydro phương pháp nuôi cấy theo mẻ có bổ sung (fed-batch), hiệu suất thu trung bình 3.15 mmol hydro/mol chất KIẾN NGHỊ Tiếp tục sâu tìm hiểu điều kiện nuôi cấy chủng Thermotoga neapolitana DSM 4359 để tối ưu hóa môi trường nuôi cấy nhằm thu nguồn hydro lớn Phát triển quy mô nuôi cấy từ nuôi cấy mẻ sang nuôi cấy liên tục thời gian dài để tìm hiểu khả sản sinh hydro có ứng dụng thiết thực quy mô công nghiệp INTRODUCTION World in the early years of the 21st century is facing many problems that must be faced In this issue of energy shortage is a pressing issue globally and measures are needed urgentlyaddressed Fossil energy sources such as coal, oil, natural gas, it is not endless With the evelopment of industry in the world as it is currently the source of this energy will be depleted rapidly and will influence the development of society and human life Furthermore, the characteristics of the fossil resources in the chemical composition contain the elements carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur, particularly in the coal also accompanied by uranium and thorium radioactive substance, so using this fuel source will cause a big impact on the environment [1] In which the exploitation of biofuels as a way to generate energy is of particular concern now because of the high performance, low cost and environmentally friendly [4] Typically, the exploitation of bio-energy hydrogen - a clean alternative energy source is extremely dominant in the future of anaerobic microorganisms Thermotoga neapolitana DSM high thermophilic 4359 [20] This is a new direction and promising but equally difficult and challenging So I proceed to implement the project, "the study of biological hydrogen production from agricultural waste by thermophilic bacteria Thermotoga neapolitana DSM 4359" with the following objectives: Develop a process of biological hydrogen production from a number of different substrates (glycerol, xylose, glucose ) Given the results of exploration a source of agricultural waste as raw material for the process of biological hydrogen production by fermentation of thermophilic anaerobic bacteria Thermotoga neapolitana DSM 4359 CHAPTER - OVERVIEW 1.1 Current status of the world's energy resources and the need to find alternative energy sources 1.1.1.Oil Natural resources from the sea has become the focal point of international competition Oil is still considered the main energy source for the world by 2025 1.1.2.NaturalGas Along with oil, recently, natural gas has been regarded as one of the fuels have a huge demand in the world with annual demand rising fastest 1.1.3.Coal As fossil fuels are used in the world for a long time Total coal reserves worldwide are estimated at 1,083 billion tons, enough for about 170 years at current consumption 1.2 Hydrogen is an energy source strengths Vietnam Hydrogen is a chemical element in the periodic system of elements with atomic mass by In the free state and in the normal conditions, hydrogen colorless, odorless and tasteless, density is equal to / 14 air density Combustion temperature of hydrogen can be up to 3.000oC if burning in oxygen, the highest compared to all other gases such as methane (CH4) reached 2.148oC, propane (C3H8) reached 2.385oC [32, 34] 1.3 Some methods of biological hydrogen production 1.3.1 Production of hydrogen by electricity H2 production by electricity by an electric current through the conductive water (alkaline or polymer), resulting in separation of H2 and H2O molecules into oxygen (O2) Hydro electricity is produced by a relatively high quality, not carbon, sulfur, or compounds that are created in the process 1.3.2 Hydrogen production by methane (SMR) SMR process usually uses steam at high temperature (800oC) reacts with methane (CH4), forming H2 and carbonmonoxide (CO) Then carbon monoxide reacts with steam to form carbon dioxide (CO2) and additional H2 1.3.3 Hydrogen production by steam reforming of hydrocarbon oxidation Hydrogen can be produced by oxidation of water vapor or solution of many different hydrocarbons such as methanol, ethanol, glycerol, glucose, or use heat and catalysts 1.3.4 Dependent hydrogen fermentation light As we all know, light, and water resources are abundant, so the problem is the hydrogen production photolysis of water into H2 and biological O2 is a promising solution 1.3.5.Darkfermentationhydrogen In contrast to the bright hydrogen fermentation, fermentation regardless of light or dark fermentation hydrogen production is a biological process can be done over a short period of time to form hydrogen gas, CO2 , acetic acid and lactic acid and some other substances 1.4 Biological H2 production under dark fermentation pathway H2 can be produced by biological organisms, and because of the requirements mentioned above for new energy sources, a number of microbial H2 production has been isolated and studied in a few years here [10, 33] All known methods of producing bio-based H2 enzymes catalyze chemical reactions ↔ 2H + + e-H2 1.5 Some bacteria produce hydrogen through dark fermentation pathway 1.5.1.Strictanaerobes 1.5.2 Anaerobic bacteria are not required 1.5.3.Aerobicbacteria 1.6.About Thermotoga neapolitana 1.6.1.History Thermotoga neapolitana was first isolated in 1986, in shallow marine sediments near Lucrino volcano, Bay of Naples, Italy [35] 1.6.2.Classification Thermotoga neapolitana under: Super Men: Bacteria; Industry: Thermotogae; Grade: Thermotogae; Ministry: Thermotogale They are: Thermotogaceae; Sub: Thermotoga [33] 1.6.3.Dac morphological and ecological • Cells rod-shaped, Gram-negative, exist separately or in pairs; Length: 1.1 to 1.5 micron, width: 0.6 micron 1.6.4 Features genome • NST circular form • 1800 kb genome • G + C ratio was 41.3% [35] Features and cell metabolism 1.6.5 Hydrogenase of Thermotoga Enzyme responsible for the production of hydrogen (H2) and hydrogen protons combine equivalent (2H + + 2e-) is the hydrogenase (EC 1.12.99.6 and EC1.12.7.2) and opposite effects on the oxidation of molecular hydrogen 1.6.6 These characteristics suitable for the production of hydrogen In spending Thermotoga, Thermotoga neapolitana is considered "strong" because most adapted to the different conditions, different carbon sources and produces the highest amount of hydrogen 1.7 The recycled materials 1.7.1 Waste production line Sugar production is an important industry spread worldwide During production lines of different types of waste, such as molasses, bagasse and waste water is generated These wastes are suitable environment for the growth of microorganisms 1.7.2 Waste milk products Waste milk products, including milk or cheese and milk residues, is known to have a large amount of organic matter COD values ranged between and 50 g / L (Seifert et al 2010a) 1.7.3 Soybean Meal 1.7.4.Glycerol 1.7.5 Straw Chapter - MATERIALS AND METHODS 2.1.Strains Isolates were selected to conduct the study was Thermotoga neapolitana DSM 4359 and was purchased at Deutsche Sammlung von und Mikroorganismen Zellkulturen (DSMZ), Germany 2.2 The equipment and instruments performed experiments 2.2.1.Thedevice -GaugeOD -GCgaschromatographsystem -Ahigh-pressureliquidchromatography -Cooker5Lfermentation 2.2.2.Tools Average serum 30ml, rubber stopper and aluminum cap, needles for anaerobic culture Gas-tight syringe (P / N 008 160; 1MR-VLL-GT; C04-A1831- Australia) to sample gas for GC, Handy tools crimper for aluminum clamp aluminum lid seal 2.3 Culture medium 2.3.1 Culture medium with simple carbon sources 2.3.2 Culture medium with carbon sources as bean dregs Preprocessorbeangrounds: • Soybean Meal will be bringing the heat treatment 90 ° for 15 minutes to kill the bacteria consume hydrogen • The target COD, total nitrogen, total phosphorus concentrations were analyzed at the Institute of Basic Chemistry Polytechnic University of Hanoi 2.3.3 Culture medium with glycerol as carbon sources 2.3.4 Culture medium with the substrate straw 2.4 Aeration method to control nitrogen and pH increase performance form hydrogen Pure nitrogen gas flow rate is bathed with 50ml / immediately after the production of hydrogen in the culture medium reached maximum 2.5 Production of hydrogen on a large scale using 5L fermentor - 100ml Thermotoga neapolitana DSM strains were grown in 900ml pure environment under temperature conditions of 75 ° C, pH7.5 using Biotron control system pH is kept constant by the addition of 2NNaOH 2.7.Theanalyticalmethod The growth of cells was assessed by cell dry weight (dry cell weight - DCW) and cell density (density opical - OD600) was measured by a OD H2 gas in the headspace was obtained by gas-tight syringe, a suction volume of 100 uL (Australia) and is determined by means of gas chromatography GC Acetic acid and lactic acid system is determined by high pressure liquid chromatography The results obtained were processed by means of biostatistics TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Bùi Thanh Huyền, “Bức tranh lượng giới”, Chuyên đề lượng- VnGG, Chương 11 vật Nguyễn Lân Dũng, Bùi Thị Việt Hà (2009), Sinh trưởng phát triển vi sinh Trần Vạn Thọ, “Phân loại sơ lược”, Chuyên đề lượng- VnGG, Chương Tài liệu tiếng Anh Tien Anh Ngo, Ha Thi Viet Bui, (2011), “Study on biohydrogen production from various substrates by Thermotoga neapolitana DSM 4359”, VNU, J Scen Nat Sci & Tech, 27 (2S), 292-296 Chieh-Lun Cheng, Yung-Chung Lo, Kuo-Shing Lee, Duu-Jong Lee, Chiu-Yue Lin, Jo-Shu Chang (2011), “Biohydrogen production from lignocellulosic feedstock”, Bioresource Technology102, pp 8514–8523 Duu-Jong Lee, Kuan-Yeow Show, Ay Sud (2011), “Dark fermentation on biohydrogen production: Pure culture”, Bioresource Technology 102, pp 8393–8402 Elsayed Elbeshbishy, Hisham Hafez, Bipro Ranjan Dhar, George Nakhl, (2011), “Single and combined effect of various pretreatment methods for biohydrogen production from food waste”, International journal of hydrogen energy 36, pp 1379 - 1387 Guwy A.J., R.M Dinsdale, J.R Kim, J Massanet-Nicolau, G Premier, (2011), “Fermentative biohydrogen production systems integration”, Bioresource Technology 102, pp 8534–8542 Jannesh, H.W., R Huber, S Belkin, K.O Stetter, (1988),“sp nov of the extremely thermophilic, eubacterial genus Thermotoga”, Arch Microbiol.,150 10 Lars G Ljungdahl, Michael W Adams Larry L Barton, James G Ferr, Michael K Johnson, Biochemistry and Physiology of Anaerobic Bacteria 11 Li´vian Ribeiro Vasconcelos de Sa´, Marcone Augusto Leal de Oliveir, Magali Christe Cammarota, Andrea Matos, Viridiana Santana Ferreira, (2011), “Simultaneous analysis of carbohydrates and volatile fatty acids by HPLC for monitơring fermentative biohydrogen production”, International journal of hydrogen energy, 36, pp 5177 – 5186 12 Mi-Sun Kim, Dong-Yeol Lee, Dong-Hoon Kim, (2011), “Continuous hydrogen production from tofu processing waste using anaerobic mixed microflora under hermophilic conditions”, International journal of hydrogen energy, 36, pp 8712 – 8718 13 Nima Nasirian, Morteza Almassi, Saeid Minaei, Renatus Widmann, (2011), “Development of a method for biohydrogen production from wheat straw by dark fermentation”, International journal of hydrogen energy, 36, pp 411 – 420 14 Reith J.H., R.H Wijffels and H Barten, Bio- methane & bio – hydrogen, pp 103 121 15 Pallavi Sinha, Anjana Pandey, (2011), “An evaluative report and challenges for fermentative biohydrogen production”, International journal of hydrogen energy36, pp 7460 – 7478 16 Patrik R Jones (2008), “Improving fermentative biomass-derived H2-production by engineering microbial metabolism”, International journal of hydrogen energy, 33, pp 5122 – 5130 17 S.Van Ooteghem, P H Yue, S Beer, Thermotoga neapolitana: A microaerophile producing hydrogen in the presence of oxygen, National Energy Technology Laboratory 18 Shinsuke Sakai, Tatsuo Yagishita, (2007), “Microbial Production of Hydrogen and Ethanol From Glycerol-Containing Wastes Discharged From a Biodiesel Fuel Production Plant in a Bioelectrochemical Reactor With Thionine”, Biotechnology and Bioengineering, 98 (2) 19 Suellen A Van Ooteghem, Stephen K Beer, Paul C Yue, (2001), Hydrogen Production by the Thermophilic Bacterium, Thermotoga neapolitana, National Energy Technology Center, U.S Department of Energy 20 Susan E Childers, Madeline Vargas, Kenneth M Noll, (1992), “Improved Methods for Cultivation of the Extremely Thermophilic Bacterium Thermotoga neapolitana”, American Society for Microbiology, 58 (12), pp 3949-3953 10 21 Takesi Ito, Yutaka Nakashimada, Koichiro Senba, Tomoaki Masui, Naomichi Nishio (2005), “Hydrogen and ethanol production from Glycerol –containing wastes discharged after biodiesel manufacturing process”, Journal of Bioscience and Bioengineering, 100 (3), pp 260-265 22 Tam Anh D Nguyen, Jun Pyo Kim, Mi Sun Kim, You Kwan Oh, Sang Jun Sim (2008), “Optimization of hydrogen production by hyperthermophilic eubacteria, Thermotoga maritima and Thermotoga neapolitana in batch fermentation”, International journal of hydrogen energy 33, pp.1483 – 1488 23 Tam-Anh D Nguyen, Se Jong Han, Jun Pyo Kim, Mi Sun Kim, You Kwan Oh, Sang Jun Sim (2008), “Hydrogen production by the hyperthermophilic eubacterium, Thermotoga neapolitana, using cellulose pretreated by ionic liquid”, International journal of hydrogen energy, 33, pp 5161 – 5168 24 Tatsuo Yagishita, ShinsukeSakai, Bioelectrochemical Hydrogen and Ethanol Production from Glycerol as a By-Product of BDF Production, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) 25 Thauer, R.K., K Jungerman, K Decker (1977), “Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteria”, Bacteriol Rev., 41 26 Thiruchitrambalam Valliyappan (2004), Hydrogen or Syn Gas Production from Glycerol Using Pyrolysis and Steam Gasification Processes, University of Saskatchewan Saskatoon, Saskatchewan, Master thessis 27 You-Kwan Oh, Subramanian Mohan Raj, Gyoo Yeol Jung, Sunghoon Park, (2011), “Current status of the metabolic engineering of microorganisms for biohydrogen production”, Bioresource Technology, 102, pp 8357–8367 28 Yung-Chung Lo, Yi-Chen Su, Chieh-Lun Cheng, Jo-Shu Chang, (2011), “Biohydrogen production from pure and natural lignocellulosicfeedstock with chemical pretreatment and bacterial hydrolysis”, International journal of hydrogen energy, 36, pp 3955 – 3963 29 Chieh-Lun Cheng, Yung-Chung Lo, Kuo-Shing Lee, Duu-Jong Lee, Chiu-Yue Lin, Jo-Shu Chang “Biohydrogen production from lignocellulosic feedstock”, Bioresource Technol, (2011), 102, (18), 8514 – 8523 30 Reith J.H., R.H Wijffels and H Barten (2003), “Bio-methane &Bio-hydrogen”, Dutch Biological Hydrogen Foundation 31 David B Levin, Richard Chahine, (2010), “Challenges for renewable hydrogen production from biomass”, Inter J of Hydrogen Energy, 35, (10), 4962 – 4969 32 Suellen A Van Ooteghem, Stephen K Beer Paul C Yue, (2001), “Hydrogen Production by the Thermophilic Bacterium, Thermotoga neapolitana”Proceeding of 2001 of Hdrogen program review 11 33 Tam-Anh D Nguyen, Kyoung, , Mi Sun Kim, , Sang Jun Sim, (2008), “Thermophilic hydrogen fermentation from Korea rice straw by Thermotoga neapolitana”, International journal of hy drogen energy 35 (2009) 13392–13398 34 Patrik R Jones (2008), “Improving fermentative biomass-derived H2-productionby engineering microbial metabolism”, International journal of hydrogen energy 33 (2008) 5122–510 35 Barry D Solomon, Abhijit Banerjee “A global survey of hydrogen energy research, development and policy”, Energy Policy 34 (2006) 781 – 792 36 Pallavi Sinha, Anjana Pandey, (2011) “An evaluative report and challenges for fermentative biohydrogen production, International Journal of hydrogen energy 36(13), 7460–7478 37 Duu-Jong Lee, Kuan-Yeow Show, AySu (2012) “Dark fermentation on biohydrogen production: Pure culture”, Bioresource Technology 102 (2011) 8393–8402 38 Show K.Y , D.J Lee, J.H Tay, C.Y Lin, J.S Chang (2012), “Biohydrogen production: Current perspectives and the way forward”, International journal of hydrogen energy, 37(20), 14983-15840 39 Angela A Abreu, Dimitar Kara kashev, Irini Angelidak, Diana Z Sousa and M Madalena Alves (2012) “Biohydrogen production from arabinose andglucose using extreme thermophilic anaerobicmixed cultures”, Biotechnology for Biofuels, 5(6) 40 Martina Cappelletti, Giacomo Bucchi, Jocelia De Sousa Mendes, Andrea Alberini, Stefano Fedi, Lorenzo Bertin and Dario Frascari, (2012) “Biohydrogen production from glucose, molasses and cheese whey by suspended and attached cells of four hyperthermophilic Thermotoga strains, Chemical Technology & Biotechnology, 87 (9), 1291-1301 41 Kuan-Yeow Show, Duu-Jong Lee, Jo-Shu Chang (2012) “Bioreactor and process design for biohydrogen production”, Bioresource Technology 42 Hui Wang, Zelun Zhi, Jian Wang, Shenghua Ma (2012) “Comparison of various pretreatment methods for biohydrogenproduction from cornstalk”, Bioprocess Biosyst Eng (2012) 35:1239–1245 43 Chin-Chao Chen, Biswarup Sen, Yeong-Song Chuang, Chia-Jung Tsai, Chyi-How Lay (2012) “Effect of enfluent recycle ratio in a continuous anaerobic biohydrogen production system”, Journal of Cleaner Production, 32, 236-243 44 Cortright RD Hydrogen generation from biomass – derived Compounds Utilizing aqueous – phasere forming In:Vehicle Power and propulsion, 2005 IEEE conference; September 2005.doi:10.1109/VPPC.2005.1554603 12 45 Chornet E, Czernik S Renewable fuels: harnessing hydrogen Nature 2002; 418; 964-7 46 Kumar A, Jain SR, Sharma CB, Joshi AP, Kalia VC (1995); Increased H2 production by immobilized microorganisms, World J Microbiol Biotechnol 11, 156-159 13 [...]... “Bio-methane &Bio-hydrogen”, Dutch Biological Hydrogen Foundation 31 David B Levin, Richard Chahine, (2010), “Challenges for renewable hydrogen production from biomass”, Inter J of Hydrogen Energy, 35, (10), 4962 – 4969 32 Suellen A Van Ooteghem, Stephen K Beer Paul C Yue, (2001), “Hydrogen Production by the Thermophilic Bacterium, Thermotoga neapolitana Proceeding of 2001 of Hdrogen program review 11 33... International journal of hydrogen energy 33, pp.1483 – 1488 23 Tam-Anh D Nguyen, Se Jong Han, Jun Pyo Kim, Mi Sun Kim, You Kwan Oh, Sang Jun Sim (2008), “Hydrogen production by the hyperthermophilic eubacterium, Thermotoga neapolitana, using cellulose pretreated by ionic liquid”, International journal of hydrogen energy, 33, pp 5161 – 5168 24 Tatsuo Yagishita, ShinsukeSakai, Bioelectrochemical Hydrogen and Ethanol... (2008), “Thermophilic hydrogen fermentation from Korea rice straw by Thermotoga neapolitana , International journal of hy drogen energy 35 (2009) 13392–13398 34 Patrik R Jones (2008), “Improving fermentative biomass-derived H2-productionby engineering microbial metabolism”, International journal of hydrogen energy 33 (2008) 5122–510 35 Barry D Solomon, Abhijit Banerjee “A global survey of hydrogen energy... 792 36 Pallavi Sinha, Anjana Pandey, (2011) “An evaluative report and challenges for fermentative biohydrogen production, International Journal of hydrogen energy 36(13), 7460–7478 37 Duu-Jong Lee, Kuan-Yeow Show, AySu (2012) “Dark fermentation on biohydrogen production: Pure culture”, Bioresource Technology 102 (2011) 8393–8402 38 Show K.Y , D.J Lee, J.H Tay, C.Y Lin, J.S Chang (2012), “Biohydrogen production:... Naomichi Nishio (2005), “Hydrogen and ethanol production from Glycerol –containing wastes discharged after biodiesel manufacturing process”, Journal of Bioscience and Bioengineering, 100 (3), pp 260-265 22 Tam Anh D Nguyen, Jun Pyo Kim, Mi Sun Kim, You Kwan Oh, Sang Jun Sim (2008), “Optimization of hydrogen production by hyperthermophilic eubacteria, Thermotoga maritima and Thermotoga neapolitana in batch... Yung-Chung Lo, Yi-Chen Su, Chieh-Lun Cheng, Jo-Shu Chang, (2011), “Biohydrogen production from pure and natural lignocellulosicfeedstock with chemical pretreatment and bacterial hydrolysis”, International journal of hydrogen energy, 36, pp 3955 – 3963 29 Chieh-Lun Cheng, Yung-Chung Lo, Kuo-Shing Lee, Duu-Jong Lee, Chiu-Yue Lin, Jo-Shu Chang “Biohydrogen production from lignocellulosic feedstock”, Bioresource... Stefano Fedi, Lorenzo Bertin and Dario Frascari, (2012) “Biohydrogen production from glucose, molasses and cheese whey by suspended and attached cells of four hyperthermophilic Thermotoga strains, Chemical Technology & Biotechnology, 87 (9), 1291-1301 41 Kuan-Yeow Show, Duu-Jong Lee, Jo-Shu Chang (2012) “Bioreactor and process design for biohydrogen production”, Bioresource Technology 42 Hui Wang, Zelun... “Comparison of various pretreatment methods for biohydrogenproduction from cornstalk”, Bioprocess Biosyst Eng (2012) 35:1239–1245 43 Chin-Chao Chen, Biswarup Sen, Yeong-Song Chuang, Chia-Jung Tsai, Chyi-How Lay (2012) “Effect of enfluent recycle ratio in a continuous anaerobic biohydrogen production system”, Journal of Cleaner Production, 32, 236-243 44 Cortright RD Hydrogen generation from biomass – derived... Rev., 41 26 Thiruchitrambalam Valliyappan (2004), Hydrogen or Syn Gas Production from Glycerol Using Pyrolysis and Steam Gasification Processes, University of Saskatchewan Saskatoon, Saskatchewan, Master thessis 27 You-Kwan Oh, Subramanian Mohan Raj, Gyoo Yeol Jung, Sunghoon Park, (2011), “Current status of the metabolic engineering of microorganisms for biohydrogen production”, Bioresource Technology,... Lee, J.H Tay, C.Y Lin, J.S Chang (2012), “Biohydrogen production: Current perspectives and the way forward”, International journal of hydrogen energy, 37(20), 14983-15840 39 Angela A Abreu, Dimitar Kara kashev, Irini Angelidak, Diana Z Sousa and M Madalena Alves (2012) “Biohydrogen production from arabinose andglucose using extreme thermophilic anaerobicmixed cultures”, Biotechnology for Biofuels, 5(6)