Chuyển hóa sợi tre thành hydro bằng phương pháp lên men và ứng dụng - NCS. Đái Huệ Ngân

Tên đề tài luận án: Chuyển hóa sợi tre thành hydro bằng phương pháp lên men và ứng dụng trong pin nhiên liệu vi sinh vật
Ngành: Hóa lý thuyết và Hóa Lý
Mã số ngành: 622440119
Họ tên nghiên cứu sinh: Đái Huệ Ngân
Khóa đào tạo: 2015
Người hướng dẫn khoa học: CBHD 1: PGS.TS. Trần Văn Mẫn, CBHD 2: TS. Nguyễn Dương Tâm Anh
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG.HCM 
1. Tóm tắt luận án 
Trong luận án này, sinh khối tre Bambusa stenostachya Hack. được nghiên cứu chuyển hóa thành khí hydro và điện sinh học bằng công nghệ pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC). Các phương pháp tiền xử lý tre được sử dụng gồm nổ hơi nước, thủy nhiệt bởi tác nhân hóa học là acid (H2SO4 và H3PO4) và base (NaOH và NH3). Trong đó, phương pháp nổ hơi nước là phương pháp tiền xử lý hiệu quả nhất đối với sinh khối tre. Khi nổ hơi nước kết hợp với acid H2SO4 loãng ở 230 oC, hiệu suất tiền xử lý sinh khối lên đến 72% và hàm lượng đường khử trong dịch gần 25 g/L. Hiệu quả tiền xử lý thấp hơn khi thủy nhiệt trong acid và thấp nhất trong base. Tuy nhiên, khả năng loại bỏ lignin trong sinh khối trong môi trường base đến 79%, cao hơn trong môi trường acid và nổ hơi nước. Chuyển hóa dịch tiền xử lý sinh khối tre trực tiếp thành hydro bằng phương pháp lên men tối kỵ khí có hiệu suất cao và dễ thực hiện, mà bỏ qua giai đoạn thủy phân bằng enzyme. Ghi nhận vi sinh vật từ bùn kị khí BPH hoạt động lên men sinh H2 hiệu quả trong môi trường Chen cải biên sinh ra 34% H2 trong hỗn hợp khí và hàm lượng hydro tích lũy là 1055,8 mL H2/L trong 48 giờ lên men tối kỵ khí. Tích hợp chuyển đổi năng lượng trực tiếp từ cơ chất trong nước thải lên men sinh hydro thành điện bằng MFC được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh, được hỗ trợ của vi khuẩn hoạt động điện hóa mạnh là Shewanella oneidensis MR1, thu được năng lượng điện với mật độ dòng đoản mạch cao nhất là 2700 mA/m2 và mật độ công suất đến 578 mW/m2, tăng khoảng 1,9 lần so với MFC không bổ sung S. oneidensis. Ngoài ra, MFC cũng thể hiện hiệu quả xử lý nước thải khi làm giảm từ 75% đến 83% hàm lượng COD của nước thải đầu vào. Màng sinh học của vi khuẩn Shewanella oneidensis MR1 hình thành trên điện cực anode có độ dày không lớn, khoảng 16 m nhưng có dây pili hình thành xen kẽ đã tăng cường chuyển điện tử đến điện cực làm tăng hiệu suất sinh điện của MFC. 
2. Những kết quả mới của luận án 
Bên cạnh năng lượng hydro sinh học, năng lượng điện cũng được thu nhận từ nước thải quá trình lên men sinh hydro với hệ thống pin nhiên liệu vi sinh vật có vi khuẩn Shewanella oneidensis MR-1 chưa được công bố trước đây.
Tre Bambusa stenostachya Hack. là đối tượng nghiên cứu mới, có hàm lượng carbohydrate khá cao là 72%, hàm lượng 24% lignin thấp nhất trong các loại gỗ cứng được xem là đối tượng tiềm năng cho sản xuất nhiên liệu sinh học. 
Phương pháp tiền xử lý sinh khối tre có hiệu quả khi kết hợp dung dịch H2SO4 loãng 0,8% và nổ hơi hơi nước ở 230 oC đã phá vỡ mạnh mẽ liên kết trong cấu trúc sinh khối, giúp giải phóng carbohydrate hòa tan lên đến 72%. Dung dịch NH3 có khả năng loại bỏ đến 79% lignin trong sinh khối tre. 
Hỗn hợp vi sinh vật thu từ bùn kị khí BPH hoạt động hiệu quả và phù hợp với môi trường dịch tiền xử lý sinh khối tre. Với điều kiện lên men theo mẻ, hàm lượng hydro thu được chiếm 34% H2 và tích lũy 1055,8 mL H2/L trong 48 giờ. Lượng furfural hình thành trong dịch tiền xử lý không làm ảnh hưởng đến vi sinh vật lên men sinh hydro. 
Sự hỗ trợ của S. oneidensis đã làm tăng hiệu năng của MFC tăng 1,9 lần. MFC cũng thể hiện hiệu quả xử lý nước thải khi làm giảm từ 75% đến 83% hàm lượng COD.
3. Các ứng dụng/ khả năng ứng dụng trong thực tiễn hay những vấn đề còn bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu làm tăng tính sử dụng sinh khối tre, vận dụng cho sinh khối tre phế phẩm trong chuyển đổi hoàn toàn thành năng lượng sinh học. Phương pháp tiền xử lý sinh khối tre bằng acid và nổ hơi nước có tính khả thi khi áp dụng ở khối lượng và quy mô lớn sinh khối tre. Lên men tối là một phương pháp sinh hydro hiệu quả và có hiệu suất cao.
Cần nghiên cứu lên men tối sinh hydro và pin nhiên liệu vi sinh vật bổ sung Shewanella oneidensis MR-1  bằng hệ thống vận hành liên tục.