3.2 Các công nghệ màng sản xuất hydro sinh học
3.2.2.2 Cấu tạo lò phản ứng liên tục sản xuất hydro
Sơ đồ của hệ thống lên men được mô tả trong Hình 3.11.
Tổng thể tích CSTR là 7 L, với một thể tích buồng làm việc là 5 L. Độ pH trong nước được giữ ở mức 5,5± 0,1 sử dụng một cảm biến pH và điều khiển, và với sự
bổ sung của 3N KOH. Tốc độ khuấy là 100 rpm, và nhiệt độ được duy trì ở 60 0C± 0.1 bằng cách cài đặt các lò phản ứng trong một buồng kiểm sốt nhiệt độ.
Hình 3.11. Sơ đồ hệ thống hoạt động
(A) Bể nguyên liệu (B) Máy bơm nhu động (C) Lò phản ứng
(D) Khuấy từ
(E) Thiết bị điều chỉnh pH (F) Đồng hồ đo khí
(G) Khí sinh ra
(H) Màng lọc
(I) Tuần hoàn
(J) Nguyên liệu vào của thiết bị màng lọc (K) Thiết bị điều chỉnh áp suất
(L) Bề chứa
Nguyên liệu sau khi được xử lý sơ bộ tại bể nguyên liệu được bơm vào thiết bị phản ứng và được đặt trên máy khuấy từ với tốc độ khuấy là 100 rpm. Tại thiết bị phản ứng xảy ra quá trình lên men theo phương trình phản ứng sau:
Glucose → 2 Lactate (1)
Glucose +¿ 2H2 → 2Propionate +¿ 2H2O (2) Glucose +¿ 2H2O → 2Acetate +¿ 2CO2 +¿ 4H2 (3) Glucose → Butyrate +¿ 2CO2 +¿ 2H2 (4)
Khí hydro sinh ra một phần sẽ thu được ở đỉnh của thiết bị phản ứng, một phần sẽ được bơm vào thiết bị màng lọc. Dòng chất thải sẽ được đưa ra tại đáy của lò phản ứng. Màng lọc để tăng thời gian lưu của các chất nền rắn và nồng độ của các vi sinh vật, do đó nâng cao hiệu suất sử dụng chất nền để sản xuất H2. Sản phẩm hydro sau khi qua thiết bị màng lọc được bơm vào bể chứa, một phần được tuần hoàn lại thiết bị phản ứng.
Để tăng cả nồng độ sinh khối và thời gian lưu của các chất nền rắn, một bộ phận lọc màng được ghép với CSTR. Hỗn hợp rượu được bơm vào các đơn vị lọc màng bên ngoài, và chỉ có thấm được bơm ra, trong khi các thành phần rắn được tái lưu thông đến CSTR. Đối với các màng, sử dụng một mô-đun rỗng sợi vi lọc màng với một diện tích bề mặt của 0,025 m2. Thời gian hút, và rửa ngược trong quá trình rửa ngược được tiến hành bằng khí sinh học sparging với tốc độ dòng chảy của 5,0 L/m2/h. Thơng lượng được kiểm sốt ở mức 4,32 L/h/m2. Khi nồng độ VS trong lò phản ứng vượt quá 50 g VS /L, hỗn hợp rượu đã bị đẩy ra khỏi lò phản ứng.
Trong mười ngày đầu tiên của q trình lên men, một mơi trường tổng hợp có chứa 1% glucose với một số lượng thích hợp các chất dinh dưỡng (mơ tả trong Kim et al.) [10] đã được đưa vào các lị phản ứng để thích nghi, và sau đó axit xử lý sơ bộ TPW đã được bổ sung tại nồng độ 50% (v / v) cho đến ngày 19. Từ ngày 20 trở đi, chỉ có axit xử lý sơ bộ TPW đã được đưa tới lò phản ứng. Vào ngày 30, các đơn vị lọc màng đã được kết nối với các lò phản ứng, và HRT đã dần dần giảm xuống 8- 2 h.
Nghiên cứu quá trình sản xuất H2 liên tục từ quá trình lên men đậu hũ (đậu phụ đậu tương) xử lý chất thải (TPW) sử dụng hỗn hợp vi sinh vật yếm khí ở điều kiện ưa nhiệt (60 0C) và so sánh tốc độ và sản lượng sản xuất H2 trong bể khuấy lò phản ứng liên tục (CSTR) kết hợp với một lị phản ứng sinh học màng (MBR), trong đó
thiết bị lọc màng được ghép với CSTR. Các TPW được pha lỗng với nước máy và sau đó được thủy phân bằng cách pha trộn với HCl. Phương pháp này làm tăng đáng kể lượng chất hòa tan trong hỗn hợp. Nhu cầu oxy hóa học hịa tan (SCOD), COD (TCOD) tăng từ 14% đến 60%, và nồng độ carbohydrate hòa tan đã tăng gấp ba lần. Theo đó, tiềm năng sản xuất H2 được tăng lên 2,8 lần. Trong quá trình sử dụng CSTR xử lý sơ bộ TPW như các chất nền, thể tích tốc độ sản xuất H2 ổn định và tốc độ tạo thành H2 cũng tăng đáng kể. Năng suất H2 thu được trong VHPR với các CSTR đã được quan sát trong các hoạt động MBR. Vai trò của MBR là để tăng thời gian lưu của các chất nền rắn và nồng độ của các vi sinh vật, do đó nâng cao hiệu suất sử dụng chất nền để sản xuất H2. Axetic và axit butyric là những chất chuyển hóa trạng thái lỏng chính được sản xuất trong q trình lên men. Do đó các hoạt động điều kiện chịu nhiệt được thuận lợi cho sản xuất H2 từ TPW. Một lượng H2 gia tăng tối đa 1,87 mol H2 /mol hexose đã đạt được AT8-h HRT và sau đó dần dần giảm xuống 1,00 mol H2 / mol hexose tương đương tại 2-h HRT. Trong khi đó, các VHPR liên tục tăng lên đến tối đa là 19,86 L H2/L/d lúc 4h HRT và sau đó giảm xuống với một tốc độ pha lỗng cao như HRT đã được hạ xuống đến 2 h (tối thiểu). Vào lúc 2-h HRT, sự xuống cấp của carbohydrate hòa tan rất hạn chế.
Bởi vì tốc độ sản xuất của nó nhanh chóng, kỹ thuật đơn giản, và khơng cần u cầu cho thêm năng lượng ánh sáng [1], sản xuất H2 sinh học thơng qua q trình lên men trong bóng tối cũng nhận được sự chú ý của các nhà nghiên cứu hiện nay. Lên men trong bóng tối được cho là có nhiều thực tế, dễ áp dụng và thương mại hơn so với quá trình sinh học phụ thuộc vào ánh sáng và cho phép việc sử dụng các chất thải và nước thải làm chất nền, do đó có khả năng tăng cường các lợi ích kinh tế được tăng lên đáng kể.