3.2 Các công nghệ màng sản xuất hydro sinh học
3.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất hydro sinh học trong lò
ứng màng kỵ khí
a. Các tác dụng của chất rắn và thời gian lưu thủy lực trong AnHPMBRs
Sản xuất hydro sinh học liên tục được thực hiện thường xuyên trong các mạch trộn lẫn trong đó sự phát triển của vi sinh vật được xác định bằng việc áp dụng tỷ lệ pha loãng của chúng, thể hiện nguy cơ tiềm ẩn cho việc rửa trơi sinh khối. Do đó, tách thủy lực (HRT) và chất rắn / thời gian lưu sinh khối (SRT) trong màng kỵ khí, lị phản ứng sinh học sản xuất hydro mang lại nhiều lợi ích.
Tế bào lưu trữ trong lị phản ứng liên tục có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau như các hoạt động và tái chế của các tế bào bị ngừng hoạt động. Tuy nhiên, trước đây có thể bị hạn chế chuyển đổi khối lượng do mức độ khuếch tán chậm của chất qua màng sinh học hoặc các ma trận sóng mang (ví dụ như hạt alginate) mà đại diện cho một giới hạn rõ ràng trong quá trình này. Tuy nhiên, tái chế lại các tế bào có thể giúp tránh được những hạn chế khuếch tán. Ngày nay, các thiết bị di động lưu giữ đảm bảo một SRT đủ dài được thiết kế hấp dẫn bằng cách sử dụng màng và tham khảo phản ứng sinh học màng kỵ khí sản xuất hydro.
Trước đây, đã được chứng minh rằng việc duy trì SRT lâu hơn và HRT ngắn hơn có thể nâng cao hiệu quả sản xuất hệ H2 sinh học. Điều này là bởi vì trong hệ thống một lượng lớn hơn của các chủng vi sinh vật sản xuất H2 hoạt động có thể được cung cấp và có kết quả dự kiến bề mặt chuyển đổi khí sinh học cao hơn đặc biệt khi nguyên liệu kém tan và mục tiêu của quá trình lên men là từ từ phân hủy sinh học.
Mặc dù có vẻ như thời gian lưu chất rắn độc lập và thủy lực là các biến số quá trình quan trọng cho sản xuất hydro hứa hẹn hơn giá trị của chúng, một cách cẩn thận nên được lựa chọn vì nó có thể là một thời gian lưu chất rắn dài quá làm giảm khả năng hình thành hydro. Hơn nữa, nói chung, mức độ của HRT và SRT đã được chứng minh là có ảnh hưởng xấu đến sản lượng hydro và năng suất thể tích, nghĩa là giá trị cao nhất có thể xảy ra trong hoạt động (thời gian lưu) các điều kiện khác nhau. Bên cạnh đó, những tác động của SRT có mối tương quan với sự hình thành các chất cao phân tử ngoại bào (EPS) là tốt. Việc tạo thành của EPS thường là mạnh hơn ở SRTs cao và sự tích tụ của các sản phẩm như vậy trong trao đổi chất bên trong lị phản ứng có thể giải thích cho sự ức chế H2 tiến hóa. Tuy nhiên, tài liệu khảo sát là không phù hợp liên quan đến các thiết lập tối ưu của SRT. Ví dụ, một nghiên cứu tìm thấy thời gian SRT hoạt động 90 ngày đã khơng thuận lợi, trong khi đó một AnHPMBR với thời gian đào thải chất rắn có giới hạn chừng 450 ngày đã có thể hoạt động mà khơng cần quan sát bất kỳ sự mất mát hiệu suất không mong muốn về thế hệ hydro. Những kết quả này thể hiện một sự cần thiết phải xác định cụ thể hệ thống hoặc trường hợp của SRT thích hợp nhất, tương tự như trường hợp của HRT là một chỉ số khác cho phép làm rõ ràng các hoạt động của một AnHPMBR. Ví dụ, thay đổi độ HRT có thể thay đổi tỷ lệ các chất dinh dưỡng tốc độ nạp liệu và do đó nó có khả năng làm thay đổi hiệu quả sử dụng của các cơ chất nguyên liệu và đồng thời hiệu suất phản ứng sinh học có thể đạt được.
Hơn nữa, sự thay đổi trong SRT có thể dẫn đến một sự thay đổi đáng kể trong sự đa dạng của vi sinh vật mà có thể trực tiếp và chuyển hướng hồn tồn các hoạt động phản ứng với một trạng thái mới có thể được đi kèm theo mơ hình sản xuất sinh học hydro khác nhau. Điều này thực tế là do kéo dài thời gian lưu sinh khối khơng chỉ có thể đẩy nhanh sự phát triển của vi khuẩn phát triển H2 mà còn của các vi sinh vật cạnh tranh và tiêu thụ hydro (ví dụ như methanogenes, homoacetogenes, …), hay nói cách khác, thành phần sản phẩm có thể thay đổi do sự xuất hiện của các sinh vật chủ đạo mới. Tuy nhiên, khơng có nghiên cứu có liên quan trong các tài liệu có xuất hiện hoạt động vi sinh methanogenic, ngay cả khi giá trị SRT được duy trì cao. Vì vậy, việc giải quyết các cộng đồng vi khuẩn già hóa cùng với độ lệch SRT có thể là một đối tượng thú vị của các nghiên cứu trong tương lai.
Từ đó có thể kết luận rằng mặc dù phản ứng sinh học màng được sử dụng khá thường xuyên ví dụ như với mục đích xử lý nước thải sinh học như đã nêu ở trên, khả năng ứng dụng của nó trong lĩnh vực hydro sinh học đã không đạt được kết quả
cao cho đến nay. Do đó, các ứng dụng này cần phải phát triển đến một sự nhận thức rộng rãi hơn.
b. Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng trong AnHPMBR
Tính khả dụng của các chất dinh dưỡng bao gồm các nguồn carbon và các chất khác như muối khoáng là một vấn đề rất quan trọng không chỉ trong tế bào chuẩn tự do mà cong trong màng sinh học. Nhóm đầu tiên thường mất vai trị đó là chuyển đổi sinh học thành khí hydro phân tử.
Các hệ thống sinh học hình thành hydro trong AnMBRs thiết kế được xây dựng với mục đích nâng cao hiệu quả thế hệ so với CSTRs cả về sản lượng H2 và giá sản xuất trong điều kiện linh hoạt như hoạt động với tỷ lệ chất nền tải khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu có liên quan về chủ đề này đã khơng cung cấp câu trả lời dứt khoát cho đến nay dù việc triển khai các AnHPMBRs có thể dẫn đến khả năng hình thành hydro nổi bật khi thử nghiệm với trọng lượng chất hữu cơ khác nhau (OLR). Trong thực tế, một số tác giả thấy rằng giảm sản lượng H2 hầu như đều giảm tốc độ tiến hóa H2 ở chế độ AnMBR. Ngược lại, báo cáo khác phản ánh sự vượt trội của hoạt động AnHPMBR trên một phạm vi rộng của tải trọng chất hữu cơ mặc dù nó đã cho thấy sự phụ thuộc nhất định của chất. Ngoài ra, thấy rằng khi tăng dần OLR (4-22 g COD/Ld) có thể hỗ trợ sản xuất H2 nhưng mức độ quá cao (30 g COD/Ld) gây ra sự suy giảm đáng chú ý (20%) trong hiệu suất khí.
Hơn nữa, hiệu quả sự suy thối của chất nền đưa đến các phản ứng sinh học đã được chứng minh là có ảnh hưởng đáng kể bởi các SRT được áp dụng, một cách đầy đủ duy trì chất rắn kéo dài có thể là một yếu tố then chốt cho sự hấp thu vi sinh tốt hơn và chuyển đổi các chất hữu cơ. Hơn nữa, Shen et al. (2010) đã nghiên cứu tác động của OLR trên các tính năng (nồng độ, đường kính) của dạng keo chất hữu cơ (polysaccharides và protein) trong AnHPMBRs, tuy nhiên, được xác định khơng có tương quan rõ ràng giữa các yếu tố.
Như đã nêu ở phần đầu của mục này, nguyên tố thứ yếu hiện nay trong dung mơi có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự thành cơng của quá trình lên men hydro trong AnMBRs, tùy thuộc vào nồng độ của chúng. Theo đó, mức độ sắt của các thiết bị được thiết kế như là một biến quan trọng vì nó có thể cải thiện hoặc ngăn chặn quá trình lên men này. Thực tế rằng hầu hết các enzyme Evolver H2 được đặc trưng với cấu tử Fe trong phần lõi/vị trí hoạt động của chúng. Qua đó, q trình sản xuất H2 bền vững trong AnHPMBRs cần hàm lượng sắt thích hợp, q trình để Fe
có thể được sử dụng như một yếu tố xây dựng sinh khối hydro. Tuy nhiên, Fe cần được cung cấp trên một nồng độ nhất định, dung nạp các dòng nếu khơng nhận được sức căng q tải và sau đó bị ngộ độc mà dễ dẫn đến giảm hiệu quả hình thành hydro.
Mặc dù một số kết luận được đưa ra liên quan đến tác động của các chất dinh dưỡng trong AnHPMBRs, nghiên cứu thêm cần thiết với các một số thành phần khác, hiện nay chưa được kiểm tra và các tài liệu ưu tiên phức tạp nhằm nâng cao kiến thức về các chất lượng và số lượng chất nền, các hoạt động phụ thuộc vào các hệ thống sinh học lên men sử dụng màng để sản xuất hydro.
c. Các vấn đề của cặn bám màng trong AnHPMBR
Q trình các vi sinh vật lên men có một tác động đáng kể về hiệu suất tổng thể của màng áp dụng trong AnHPMBRs mà là một hệ quả của việc tạo thành sản phẩm trao đổi chất của các chủng loại vi sinh vật hiện nay.
Về vấn đề này, sự hình thành của EPS như protein, charides polysac,… và cụm polymer sinh học có thể làm tăng q trình lên men dung dịch có độ nhớt và thúc đẩy sự hình thành màng sinh học trên bề mặt của màng tế bào. Do đó, nó có thể dẫn đến một sự gia tăng cặn bám đồng thời kháng quá trình màng vận chuyển và dẫn đến hoạt động của hệ phản ứng sẽ không ổn định. Mặt khác, EPS thể hiện một hiệu ứng đặc biệt thuận lợi khi đóng một vai trị chính trong các hạt của các vi sinh vật, trong đó có thể chi phối các hệ thống sinh học sản xuất hydro đối với sự ổn định tốt hơn và hiệu suất khả thi hơn .
Cường độ của EPS có thể là một chức năng của SRT áp dụng. Do đó, mức độ thu chất rắn lơ lửng bên trong các phản ứng sinh học, hay nói cách khác, nồng độ tích lũy các chất nhất định (bao gồm khối tế bào) được gọi là một yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sử dụng tiềm năng của màng. Đó là bởi vì (keo) hợp chất cũng như các vi sinh vật có thể được chuyển và tuân thủ trên bề mặt của màng đó có khả năng giảm bớt thơng lượng thấm qua có thể đạt được trong AnHPMBRs. Khi lắng của các tế bào sống trên bề mặt của màng, màng sinh học có thể bắt đầu phát triển và làm tăng nguy cơ cặn bám sinh học. Tương tự như vậy đối với vi khuẩn, EPS thường không được phép đi qua các đơn vị của màng lọc chất lỏng và có thể được liên kết với các mặt của các pha, gây cặn bám sinh học nghiêm trọng.
Hơn nữa, nó đã được giải thích rằng EPS - bởi vì các nhóm chức mặt dây chuyền của chúng có thể có thể tạo thành phức hợp với các cation kim loại hoặc các
phối tử khác có trong nước dùng lên men. Hiện tượng này có thể khơng chỉ ảnh hưởng sẵn có vi chất dinh dưỡng mà cịn làm giảm thơng lượng thấm trong các lò phản ứng sản xuất biohydrogen của màng dựa trên. Ngoài sự tập trung của EPS, chất hữu cơ lơ lửng và khối tế bào vi khuẩn, của màng thấm nhập thông lượng trong AnHPMBRs phản ánh sự phụ thuộc vào các thơng số như áp suất màng, vận tốc dịng ngang và đường kính lỗ màng.