Sản xuất đường là ngành công nghiệp quan trọng phổ biến rộng rãi trên toàn thế giới. Trong quá trình sản xuất đường nhiều loại chất thải khác nhau như mật đường, bã mía, và nước thải được tạo ra. Các loại rác thải là môi trường thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật.
Trong môi trường chất thải từ nhà máy sản xuất đường bổ sung Acid L- malic và Natri glutamate cho sản lượng hydro là 4,63L H2 mỗi lít chất thải. (Yetis et al. 2000) Môi trường chất thải bổ sung hỗn hợp malate và glutamate sản lượng sản xuất hydro tối đa 8,6L H2 mỗi lít chất thải
1.7.2. Chất thải sản phẩm sữa
Chất thải sản phẩm sữa, trong đó có sữa hoặc dư lượng pho mát và sữa, được biết là có một lượng lớn các chất hữu cơ có giá trị COD dao động từ 5 và 50g/L (Seifert et al. 2010a).
Nước thải nhà máy sữa có thêm malate 30% (v/v) hydro được sản xuất với tốc độ và năng suất 5,5 ml H2/L/h và 2,0L H2/ L chất thải tương ứng. Sản lượng sản
24
xuất Hydro cao nhất 16,9L H2/L chất thải tương ứng là từ nước thải sản xuất sữa vô trùng (Seifert et al. 2010a).
1.7.3. Bã đậu
Ở quy mô phòng thí nghiệm thì việc nuôi cấy chủng T. neapolitana với nguồn Carbon đơn giản như glucose, xylose hay glycerol không bộc lộ nhiều hạn chế về mặt kinh tế. Nhưng nếu như chúng ta muốn ứng dụng phương pháp sản xuất hydro sinh học bởi chủng T. neapolitana trên quy mô công nghiệp thì điều này sẽ bộc lộ nhược điểm về mặt kinh tế bởi vì giá thành đắt của nguồn cơ chất [28]. Vì vậy, một nguồn cơ chất là phụ phẩm rẻ tiền rất cần được tìm ra để thay thế nếu chúng ta muốn tiến hành sản xuất trên quy mô công nghiệp.
Đậu tương là một cây lương thực được trồng nhiều ở các nước châu Á trong đó có Việt Nam vì đây là một cây lương thực có thể trồng được ở những vùng đất không cần màu mỡ, cho năng suất cao và hàm lượng chất dinh dưỡng đáng kể. Phần lớn đậu tương được sử dụng để chế biến ra các loại thực phẩm dùng trong đời sống hàng ngày của con người như: sữa đậu nành, bột đậu nành và đậu phụ…Trong đó, phần lớn đậu phụ được sử dụng như một món ăn thường xuyên của người dân. Mà trong quá trình sản xuất đậu phụ thì ước tính có đến 30% đậu tương bị mất đi, vào khoảng 8.105 tấn / năm ở Hàn Quốc và Nhật Bản [13]. Tuy nhiên, bởi nguồn bã đậu có chứa hàm lượng các chất hữu cơ rất cao, lên đến 40 - 60% lượng carbohydrate [35]. Do đó, bã đậu được xem là một nguồn nguyên liệu dồi dào và lí tưởng để thực hiện việc sản xuất H2 sinh học.
Chính vì vậy, chúng ta có thể thu bã đậu với số lượng lớn ở các nhà máy sản xuất và chế biến các sản phẩm từ đậu tương để phục vụ cho việc nuôi cấy trên quy mô lớn. Ở Việt Nam hiện nay đã có nhà máy chế biến đậu nành với trị giá khoảng 100 triệu USD ở khu phức hợp cảng Phú Mỹ. Nhà máy có khả năng nghiền đậu tương với công suất 3.000 tấn/ngày. Ở miền Bắc, tập đoàn Quang Minh cũng đã xây dựng nhà máy nghiền đậu tương với công suất 1.000 tấn/ngày tại tỉnh Hưng Yên.
Đây là những tiền đề to lớn để phát triển sản xuất H2 từ cơ chất là bã đậu trong tương lai.
Bởi vì bã đậu thô có khả năng hòa tan thấp, lượng carbohydrate hòa tan được chỉ nhỏ hơn 15% [13], do đó, bước tiền xử lí bã đậu là vô cùng quan trọng để tăng khả năng phân giải sinh học của nó và góp phần làm tăng sản lượng H2. Có nhiều phương pháp tiền xử lí cơ chất như xử lí bằng kiềm, acid hay ionic liquid [24],
25
nhưng trong nghiên cứu này, sự acid hóa đã được lựa chọn làm phương pháp tiền xử lí bã đậu vì nó giúp biến thể trạng thái hydrophobic của bã đậu thành dạng hydrophilic để có thể dễ dàng bị enzym ngoại bào của vi khuẩn phân giải, đồng thời dễ thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm [8, 13, 29].
1.7.4. Glycerol
Trong những năm gần đây, chất thải chứa glycerol từ các nhà máy sản xuất dầu sinh học đã trở thành một nguồn nguyên liệu cho sản xuất hydro sinh học dồi dào và đầy hứa hẹn. Nó được sản xuất ngày càng nhiều hơn như một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất dầu sinh học với tỉ lệ 10%. Người ta ước tính rằng, cứ 100kg biodiesel được sản xuất thì 10kg glycerol sẽ được tạo ra. Nguồn chất thải hữu cơ dồi dào này đã được ứng dụng trong các ngành sản xuất thuốc, công nghiệp nhựa, xà phòng, kem đánh răng, sơn và một số sản phẩm khác cũng như là nguyên liệu đích để chuyển đổi thành các sản phẩm có giá trị khác như lipid, 1,3- propanediol và các sắc tố bởi quá trình lên men vi sinh. Do đó, glycerol được coi như là một nguồn carbon chính cho sản xuất hydro sinh học thông qua con đường lên men kị khí [2, 6, 7].
Một số tính chất của glycerol
Glycerol là một rượu đa chức, gồm 3 nhóm - OH gắn vào gốc hydrocacbon C3H5 (công thức hóa học là C3H5(OH)3). Glycerol là một chất lỏng không màu, không mùi, nhớt, có vị ngọt (có 3 nhóm - OH), sôi ở 290oC, nóng chảy ở 17oC.
Phân tử khối 92,09382 g/ mol, độ nhớt 1,2 Pa °.
1.7.5. Rơm, rạ
Có thể nhấn mạnh rằng hydro sinh học là một nguồn năng lượng xanh với rất nhiều ưu thế nhằm thay cho nhiên liệu dầu trong tương lai du nhu cầu ngày càng cao của thế giới. Hơn nữa hyro là nguồn nhiên liệu dồi dào dễ có được từ các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau và đặc biệt là các nguồn phụ phẩm sinh học. Với lợi thế là một quốc gia cố nền nông ngiệp và lâm ngiệp phát triền, nguồn lignocellulose từ rơm, rạ, gỗ, chất thải hữu cơ, bùn, phân động vật vv… Nếu biết tận dụng hợp lý thì đây sẽ là một nguồn cung cấp nguyên liệu đầu vào dồi dào cho việc tạo ra hydro, nguồn năng lượng xanh trong tương lai. Cứ 1kg hạt lúa thu được tương ứng 1- 1,5 kg rơm (Maiorella, 1985). Ước tính khoảng 650- 975 triệu tấn rơm rạ được sản xuất mỗi năm trên toàn Thế giới và phần lớn chúng được dùng làm thức ăn gia súc và phần còn lại là lãng phí. Trong rơm có một số đặc điểm mà làm cho nó có tiềm năng
26
để trở thành nguyên liệu cho sản xuất hydro. Chúng chứa cellulose cao và hemicellulose, có thể được thủy phân để lên men đường. Về thành phần hóa học, rơm chủ yếu chứa cellulose 32- 47%, hemicellulose 19- 27%, và lignin 5- 24%, (Garrote et al, 2002). Trong hemicellulose các pentose chiếm ưu thế, trong đó xylose là đường quan trọng nhất chiếm 14,8- 20,2% (Roberto và cộng sự, 2003).
Chính vì thế, việc nghiên cứu quá trình thuỷ phân các hợp chất chứa cellolose để tận dụng nguồn phế thải sau thu hoạch của quá trình sản xuất nông nghiệp là việc làm hết sức cần thiết. Trong phần nghiên cứu này, chúng tôi mới chỉ dừng lại ở việc khảo sát ban đầu xem khả năng sử dụng của chủng Thermotoga neapolitana DSM 4359 các nguồn nguyên liệu tái tạo đó như thế nào trong quá trình sản xuất hydro sinh học.
27