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
TRƢỜNG 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 TP HỒ CHÍ MINH 6/2011 ĐAMH Chuyên Ngành i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đồ án môn học chuyên ngành, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của: Kỹ sư Huỳnh Nguyễn Anh Khoa – Bộ môn Công Nghệ Sinh Học, Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã hướng dẫn tận tình và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành đồ án. Các bạn tập thể lớp HC06BSH và HC07BSH – Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã cùng trao đổi kinh nghiệm và giúp đỡ tôi trong quá trình làm việc. Xin gởi đến những người kể trên lời chân thành cảm ơn! ĐAMH Chuyên Ngành ii MỤC LỤC Trang Danh mục Bảng iv Danh mục Hình v Chƣơng 1: MỞ ĐẦU 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài . 1 1.2 Nội dung . 1 Chƣơng 2: CÁC DẠNG NĂNG LƢỢNG 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 Chƣơng 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 ĐAMH Chuyên Ngành iii 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 Chƣơng 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 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN . 54 Tài Liệu Tham Khảo 55 ĐAMH Chuyên Ngành iv 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 ĐAMH Chuyên Ngành v 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 CO 2 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 1 Chƣơng 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 CO 2 toàn cầu. Lượng CO 2 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 CO 2 trong khí quyển. [19] Với tốc độ này, tỉ lệ CO 2 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 CO 2 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 Chƣơng 2: CÁC DẠNG NĂNG LƢỢNG 2.1 Năng lƣợng 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 3 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] Chương 2: Các dạng năng lượng 4 Hình 2.3 Biến động hàm lượng CO 2 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 . . 12 Chƣơng 3: TỔNG QUAN BIOHYDROGEN 12 3.1 Tổng quan Biohydrogen . 5 2.3 Tầm quan trọng của nhiên liệu sinh học 10 2.4 Tổng quan về nhiên liệu sinh