ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
BỘ MÔN LỌC - HÓA DẦU

TIỂU LUẬN
CÔNG NGỆ SINH
HỌC ĐẠI CƯƠNG
ĐỀ TÀI SỐ 42
CÔNG NGHỆ SINH KHÍ HYDRO CÓ SỬ DỤNG VI SINH VẬT
Hà nội
MỤC LỤC
1
Sinh viên: Nguyễn Văn Sơn
Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Khóa học: 2008-2013
GVHD:
TS. Tống Thị Thanh Hương
Mở đầu
Thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa
thạch. Nhiên liệu sử dụng cho các phương tiện giao thông hiện tại như: xe hơi, xe lửa,
máy bay… là từ dầu mỏ. Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện
dùng nhiên liệu dầu, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu không có nhiên liệu hóa thạch,
nền kinh tế cùng với các phương tiện giao thông liên lạc, vận tải, sẽ rơi vào khủng
hoảng, ngưng trệ. Gần như toàn bộ nền kinh tế, chính xác hơn là toàn bộ xã hội hiện
đại đã phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vài trò quan trọng trong việc đưa xã hội
đến mức phát triển như ngày nay thì nó cũng tồn tại những vấn đề nan giải lớn của thế
kỉ: ô nhiễm không khí, các vấn đề môi trường như tràn dầu, nguy hiểm và nóng bỏng
hơn cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với sự nóng lên của trái đất. Ngoài ra,
nhiên liệu hóa thạch chỉ là nguồn tài nguyên hữu hạn không thể được tái tạo, và nền
kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch còn làm cho một số nước không có nhiều tài
nguyên sẽ bị phụ thuộc vào những nước vốn có nguồn dầu dồi dào ở vùng Trung

Đông, từ đó dẫn đến nhiều hệ quả chính trị và kinh tế khác, thậm chí cả những cuộc
chiến tranh giành dầu mỏ.
Giữa bối cảnh đó, khái niệm về một nền kinh tế hydro dựa trên nguồn năng lượng
sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại xuất hiện như một
giải pháp đầy tiềm năng. “Nền kinh tế hydro” là một hệ thống lưu trữ, phân phối và
sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính hydrogen. Thuật ngữ này được tập đoàn
General Motors đặt ra năm vào 1970. Nền kinh tế hydrogen hứa hẹn đẩy lùi tất cả
những vấn đề do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra.
Ta có thể kể ra một vài lợi ích chính của nền kinh tế hydrogen là:
- Không gây ô nhiễm: khi hydrogen được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là
một công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phẩm phụ duy nhất sinh ra là nước, do đó sẽ không
làm nảy sinh những vấn đề đáng lo ngại như tràn dầu
- Không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính: quá trình điện phân nước tạo
hydrogen không hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một quá trình lý tưởng và hoàn
hảo – điện phân hydrogen từ nước, hydrogen lại tái kết hợp với oxygen để tạo ra nước
và cung cấp điện năng trong pin nhiên liệu.
- Không phụ thuộc về kinh tế: không dùng dầu mỏ cũng có nghĩa là không phải
phụ thuộc vào các thùng dầu nhập khẩu từ nước ngoài.
- Hydrogen có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: nhất là từ các
nguồn năng lượng tái sinh.
2
Như vậy, những lợi ích về mặt môi trường, kinh tế và xã hội của hydrogen là rất
đáng kể và ý nghĩa. Tất cả những thế mạnh này đã tạo nên cú hích mạnh mẽ hướng
nhân loại tiến đến nền kinh tế hydrogen.
Khoa học đã có nhiều bước phát triển lớn trong việc nghiên cứu, tìm ra các
phương pháp để sản xuất khí Hydrogen. Một trong những công nghệ được chú ý gần
đây là công nghệ “Công nghệ sinh khí Hydrogen có sử dụng vi sinh vật”. Trong bài
tiểu luận này sẽ đi sâu vào tìm hiểu về công nghệ này.
Mặc dù đã có nhiều thời gian để nghiên cứu tìm hiểu, nhưng bài tiểu luận sẽ
không thể hoàn thiện nếu không có sự chỉnh sửa và xem sét của giáo viên hướng dẫn.

Vì vậy, Em rất cám ơn nếu có sự đánh giá chỉnh sửa của Cô, Ts. Tống Thị Thanh
Hương.
3
Chưng 1: Các khái niệm chung
1.1 Khí Hydrogen và ứng dụng
1.1.1 Khí Hydrogen
Là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ
Hydro (từ tiếng Latinh: hydrogenium) là một nguyên tố hóa học trong hệ thống
tuần hoàn các nguyên tố với nguyên tử số bằng 1. Trước đây còn được gọi là khinh khí
(như trong "bom khinh khí" tức bom H); hiện nay từ này ít được sử dụng. Sở dĩ được
gọi là "khinh khí" là do hydro là nguyên tố nhẹ nhất và tồn tại ở thể khí, với trọng
lượng nguyên tử 1.00794 u. Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tạo nên
khoảng 75 % tổng khối lượng vũ trụ và tới trên 90 % tổng số nguyên tử. Các sao thuộc
dải chính được cấu tạo chủ yếu bởi hydro ở trạng thái plasma. Hydro nguyên tố tồn tại
tự nhiên trên Trái đất tương đối hiếm do khí hydro nhẹ nên trường hấp dẫn của Trái
đất không đủ mạnh để giữ chúng khỏi thoát ra ngoài không gian, do đó hydro tồn tại
chủ yếu dưới dạng hydro nguyên tử trong các tầng cao của khí quyển Trái đất.
Đồng vị phổ biến nhất của hydro là proti, kí hiệu là H, với hạt nhân là một proton
duy nhất và không có neutron. Ngoài ra hydro còn có một đồng vị bền là deuteri, kí
hiệu là D, với hạt nhân chứa một proton và một neutron và một đồng vị phóng xạ là
triti, kí hiệu là T, với hai neutron trong hạt nhân.
Hình 1: Cấu trúc nguyên
tử Hydro
Với vỏ nguyên tử chỉ
có một electron, nguyên tử
hydro là nguyên tử đơn
giản nhất được biết đến, và
cũng vì vậy nguyên tử hydro tự do có một ý nghĩa to lớn về mặt lý thuyết. Chẳng hạn,
vì nguyên tử hydro là nguyên tử trung hòa duy nhất mà phương trình Schrödinger có
thể giải được chính xác nên việc nghiên cứu năng lượng và cấu trúc điện tử của nó

đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của cả cơ học lượng tử và hóa học lượng tử.
Thuộc tính của hydro
Ở điều kiện thường, các nguyên tử hydro kết hợp với nhau tạo thành những phân
tử gồm hai nguyên tử H
2
. (Ở những nhiệt độ cao, quá trình ngược lại xảy ra.) Khí
hydro lần đầu tiên được điều chế một cách nhân tạo vào đầu thế kỉ 16 bằng cách nhúng
4
kim loại vào trong một axit mạnh. Vào những năm 1766-1781, Henry Cavendish là
người đầu tiên nhận ra rằng hydro là một chất riêng biệt và rằng khi bị đốt trong không
khí nó tạo ra sản phẩm là nước. Tính chất này chính là nguồn gốc của cái tên
"hydrogen", trong tiếng Hi Lạp nghĩa là "sinh ra nước". Ở điều kiện tiêu chuẩn, hydro
là một chất khí lưỡng nguyên tử không màu, không mùi, không vị và là một phi kim.
Trong các hợp chất ion, hydro có thể có thể tồn tại ở hai dạng. Trong các hợp chất
với kim loại, hydro tồn tại dưới dạng các anion hydrua mang một điện tích âm, kí hiệu
H
-
. Hydro còn có thể tồn tại dưới dạng các cation H
+
là ion dương sinh ra do nguyên tử
hydro bị mất đi một electron duy nhất của nó. Tuy nhiên một ion dương với cấu tạo
chỉ gồm một proton trần trụi (không có electron che chắn) không thể tồn tại được trong
thực tế do tính dương điện hay tính axit và do đó khả năng phản ứng với các phân tử
khác của H
+
là rất cao. Một cation hydro thực sự chỉ tồn tại trong quá trình chuyển
proton từ các axit sang các bazơ (phản ứng axit-bazơ). Trong dung dịch nước H
+
(do
chính nước hoặc một loại axit khác phân ly ra) kết hợp với phân tử nước tạo ra các

cation hydroni H
3
O
+
, thường cũng được viết gọn là H
+
. Ion này đóng một vai trò đặc
biệt quan trọng trong hóa học axit-bazơ.
Hydro tạo thành các hợp chất cộng hóa trị với hầu hết các nguyên tố khác. Nó có
mặt trong nước và hầu hết các hợp chất hữu cơ cũng như các cơ thể sống.
Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn hydro là một khí lưỡng nguyên tử có công thức
phân tử H
2
, không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi 20,27 K (-252,87 °C)
và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14 °C). Tinh thể hydro có cấu trúc lục phương.
Hydro có hóa trị 1 và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác.
Khả năng kết hợp của hydro
Là nhẹ nhất trong mọi chất khí, hiđrô liên kết với phần lớn các nguyên tố khác để
tạo ra hợp chất. Nó có độ điện âm 2,2 vì thế nó tạo ra hợp chất ở những chỗ mà nó là
nguyên tố mang tính phi kim loại nhiều hơn cũng như khi nó là nguyên tố mang tính
kim loại nhiều hơn. Các chất loại đầu tiên gọi là hiđrua, trong đó hiđrô hoặc là tồn tại
dưới dạng ion H
-
hay chỉ là hòa tan trong các nguyên tố khác (chẳng hạn như hiđrua
palađi). Các chất loại thứ hai có xu hướng cộng hóa trị, khi đó ion H
+
là một hạt nhân
trần và có xu hướng rất mạnh để hút các điện tử vào nó. Các dạng này là các axít. Vì
thế thậm chí trong các dung dịch axít người ta có thể tìm thấy các ion như hiđrôni
(H

3
O
+
) cũng như prôton.
Hiđrô kết hợp với ôxy tạo ra nước, H
2
O và giải phóng ra năng lượng, nó có thể nổ
khi cháy trong không khí. Ôxít đơteri, hay D
2
O, thông thường được nói đến như nước
nặng. Hiđrô cũng tạo ra phần lớn các hợp chất với cacbon. Vì sự liên quan của các
5
chất này với các loại hình sự sống nên người ta gọi các hợp chất này là các chất hữu
cơ, việc nghiên cứu các thuộc tính của các chất này thuộc về hóa hữu cơ.
Hydro có thể gây nổ
Hiđrô là một chất khí dễ bắt cháy, nó cháy khi mật độ chỉ có 4%. Nó có phản ứng
cực mạnh với clo và flo, tạo thành các axít hiđrôhalic có thể gây tổn thương cho phổi
và các bộ phận khác của cơ thể. Khi trộn với ôxy, hiđrô nổ khi bắt lửa. Hidro cũng có
thể nổ khi có dòng điện đi qua.
Điều chế khí hydro
Trong phòng thí nghiệm, hiđrô được điều chế bằng phản ứng của axít với kim
loại, như kẽm chẳng hạn. Để sản xuất công nghiệp có giá trị thương mại nó được điều
chế từ khí thiên nhiên. Điện phân nước là biện pháp đơn giản nhưng không kinh tế để
sản xuất hàng loạt hiđrô. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra những phương
pháp điều chế mới như sản xuất hiđrô sinh học sử dụng quá trình quang phân ly nước
ở tảo lục hay việc chuyển hóa các dẫn xuất sinh học như glucôda hay sorbitol ở nhiệt
độ thấp bằng các chất xúc tác mới.
Hiđrô có thể điều chế theo nhiều cách khác nhau: hơi nước qua than (cacbon)
nóng đỏ, phân hủy hiđrôcacbon bằng nhiệt, phản ứng của các bazơ mạnh (kiềm) trong
dung dịch với nhôm, điện phân nước hay khử từ axít loãng với một kim loại (có khả

năng đẩy hiđrô từ axít) nào đó, sử dụng vi sinh vật có khả năng sinh khí Hydro …
Việc sản xuất thương mại của hiđrô thông thường là từ khí tự nhiên được xử lý
bằng hơi nước nóng. Ở nhiệt độ cao (700-1.100 °C), hơi nước tác dụng với mêtan để
sinh ra mônôxít cacbon và hiđrô.
CH
4
+ H
2
O → CO + 3 H
2
Điện phân dung dịch có màng ngăn :
2NaCl + 2H
2
O → 2NaOH + H
2
+ Cl
2
Điện phân nước :
2H
2
O → 2H
2
+ O
2
Lượng hiđrô bổ sung có thể thu được từ mônôxít cacbon thông qua phản ứng
nước-khí sau:
CO + H
2
O → CO
2

+ H
2
1.1.2 Khả năng ứng dụng của khí hydro
Trong thế kỷ 21 chúng ta sẽ được chứng kiến một sự thay đổi sâu sắc trong nền
6
kinh tế thế giới và các sinh hoạt xã hội: sự chuyển đổi từ nền kinh tế dựa vào nhiên
liệu hóa thạch sang nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hyđrô nhờ năng lượng mặt trời. Nền
kinh tế hyđrô nhờ năng lượng mặt trời không còn là ý tưởng mơ hồ hoặc chỉ là viễn
tưởng khoa học, khả năng hiện thực hóa nền kinh tế hyđrô chỉ khoảng 25-35 năm nữa
thôi! Như Tổng thống Mỹ G. Bush đã hy vọng, "chiếc xe ô tô đầu tiên trong đời của
những trẻ mới sinh hôm nay ngồi cầm lái, sẽ là xe hyđrô dòng ZEV".
Hình 2: Mô hình sản xuất và phân phối Hydro
Một nguồn năng lượng mới, đó là hydro (hydrogen, H2). Hydro là một loại khí có
nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu trong thiên nhiên, đã được sử dụng
làm nhiên liệu phóng các tàu vũ trụ. Đặc điểm quan trọng của hydro là trong phân tử
không chứa bất cứ nguyên tố hóa học nào khác, như cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ
(N) nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là nước (H
2
O), được gọi là nhiên liệu sạch lý
tưởng.
Hydro được sản xuất từ nước và năng lượng mặt trời, vì vậy hydro thu được còn
gọi hydro nhờ năng lượng mặt trời (solar hydrogen). Nước và ánh nắng mặt trời có vô
tận và khắp nơi trên hành tinh. Năng lượng mặt trời được thiên nhiên ban cho hào
phóng và vĩnh hằng, khoảng 3×1024 J/ngày, tức khoảng 104 lần năng lượng toàn thế
giới tiêu thụ hằng năm. Vì vậy, hydro nhờ năng lượng mặt trời là nguồn nhiên liệu vô
tận, sử dụng từ thế kỷ này qua thế kỷ khác bảo đảm an toàn năng lượng cho loài người
mà không sợ cạn kiệt, không thể có khủng hoảng năng lượng và bảo đảm độc lập về
7
năng lượng cho mỗi quốc gia, không một quốc gia nào độc quyền sở hữu hoặc tranh
giành nguồn năng lượng hydro như từng xảy ra với năng lượng hóa thạch.

Hãy tưởng tượng một trạm xăng tạo ra khí từ nước và ánh sáng mặt trời . Một số
trạm hydro hiện nay đã được xây dựng. Bằng cách kết nối các tấm năng lượng mặt trời
với một bình điện phân, điện từ mặt trời phân tách nước thành hydro và oxy tinh khiết.
Tại các trạm như thế này , chúng ta có thể tiếp nhiên liệu vào xe chạy bằng pin nhiên
liệu hydro tái tạo và có thể chạy hàng trăm dặm mà không có khí thải. Một mô hình
thực như hình 3.
Hình 3: Trạm phân phối Hydro
Pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hoá mà trong đó biến đổi hoá năng thành điện
năng nhờ quá trình oxy hoá nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H
2
và
khí O
2
hoặc không khí. Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu ở đây là
trực tiếp từ hoá năng sang điện năng theo phản ứng H
2
+ O
2
= H
2
0 + dòng điện, nhờ có
tác dụng của chất xúc tác, thường là các màng platin nguyên chất hoặc hỗn hợp platin,
hoặc các chất điện phân như kiềm, muối Cacbonat, Oxit rắn thực chất nó là một loại
pin điện hoá. Người ta phân loại các pin nhiên liệu theo chất điện phân, điện cực và
các chất xúc tác trong pin nhưng nguồn nguyên liệu vẫn chỉ là H2 và O2/không khí.
8
Trước đây người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt năng dưới dạng đốt cháy, sau
đó từ nhiệt năng sẽ biến đổi thành cơ năng qua các tua bin khí và các tua bin đó dẫn
động các máy phát điện để biến đổi thành dòng điện, với biến đổi gián tiếp như vậy thì

hiệu suất của quá trình sẽ thấp. Từ đó ta dễ dàng so sánh quá trình biến đổi trực tiếp
trong pin nhiên liệu là có hiệu suất rất cao.
Ngoài ra một trong những sự thu hút nhất của một loại pin nhiên liệu có tên "pin
nhiên liệu dạng màng trao đổi proton" đã được phát triển trong công nghiệp ô tô vận
tải, là nguồn nguyên liệu trong xe hơi, nó đang được phát triển trong các công ty ô tô
hàng đầu thế giới như General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp),
Toyota, Nissan, Honda (Nhật bản), Hyundai (Hàn Quốc) và tiềm năng của nó
trong các ngành công nghiệp phục vụ đời sống là rất to lớn.
Pin nhiên liệu sẽ có thể nắm giữ vai trò chủ đạo trong viễn cảnh nguồn năng lượng
của thế giới trong tương lai. Những đặc điểm ưu việt của nó như hiệu suất cao, ổn định
lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường , sẽ bắt buộc pin
nhiên liệu sử dụng trong các nhà máy điện trong tương lai. Có thể nói Hydro sẽ trở
thành nguồn năng lượng của thế kỷ 21, mà như các nghiên cứu chỉ ra rằng, pin nhiên
liệu có một ưu thế không thể nghi ngờ hơn tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng khác.
Máy bay không bao giờ tiếp đất
Là một phần của một dự án của cơ quan nghiên cứu nâng cao quốc phòng Mỹ (DARPA),
Boeing đã tạo ra một chiếc máy bay có thể bay liên tục trong ánh sáng mặt trời một mình. Các
máy bay cánh rộng được bao phủ bởi các tấm thu năng lượng mặt trời. Nhưng làm thế nào nó
bay vào ban đêm? Một tế bào nhiên liệu oxit rắn từ hệ thống động cơ điện Versa của máy bay
sẽ cung cấp năng lượng vào ban đêm bằng cách sử dụng nhiên liệu sản xuất từ thế hệ mặt trời
dư thừa trong ngày. Nhiên liệu đó chính là Hydro được sản xuất từ năng lượng mặt trời vào
ban ngày.
9
Hình 3: Máy bay bay liên tục
Sử dụng làm nhiên liệu cho ô tô
Trong kỉ nguyên hướng đến một nền kinh tế với nhiên liệu sạch hơn, xe chạy bằng
pin nhiên liệu (FCEVs) được đưa ra thị trường nhiều hơn. Giống như pin xe điện
(BEVs), FCEVs sử dụng động cơ điện cho động cơ đẩy. Điều này làm cho động cơ
hoàn toàn êm, không có sự chuyển động của pittong, nó làm cho các phương tiện hoạt
động hiệu quả và tiện lợi. Một bồn chứa hydro có thể đổ đầy trong vài phút ở một trạm

tiếp nhiên liệu nào đó giống như một trạm xăng ngày nay. FCEVs có thể đi hàng trăm
dặm với một bình chứa nhiên liệu, vì thế người tiêu dùng hoàn toàn yên tâm về khả
năng cung cấp nhiên liệu cho chặng đường dài. Nhiên liệu tốt trong mọi điều kiện, từ
mùa hè tới mùa đông, và việc sử lí giống như bất kì chiếc xe nào khác mà bạn đã lái.
Kể từ khi các cell nhiên liệu được mở rộng về kích thước, chúng còn được sử dụng
cho xe buýt, tên lửa, và nhiều thứ khác. Sau nữa là, FCEVs là nhiên liệu sạch 100%,
không thải ra bất kì chất thải gì ngoại chừ nước.
Gần như tất cả các nhà máy lớn trong lĩnh vực sản xuất ô tô đều dự kiến đến năm
2015 sẽ sản xuất hàng loạt các phương tiện giao thông có khả năng chạy bằng hydro.
Hình 4 là một số mẫu xe chạy bằng nhiên liệu hydro. Về thiết kế bên ngoài của
những chiếc xe này thì giống như những chiếc xe bình thường khác chạy bằng xăng,
chỉ có một điểm khác biệt là động cơ thì giống như động cơ điện.
10
Hình 4: Một vài mẫu xe sử dụng nhiên liệu hydro.
Trong lĩnh vực quân sự
Các khoang nhiên liệu cung cấp lợi thế quân sự mà có thể làm giảm gánh nặng
cho binh sĩ và cứu sống con người trong chiến trường. Khi thiết bị quân sự đã trở nên
ngày càng điện tử, nhu cầu sử dụng năng lượng trong lĩnh vực này đã tăng lên đáng kể.
Và nếu như sử dụng các pin nhiên liệu thì những người lĩnh chỉ phải mang trên người
khoảng 5 lbs. Công nghệ này thì ngày nay và đã được sử dụng trong các trương trình
trình diễn.
Các phương tiện quân sự sử dụng nhiên liệu hydro tạo ra lợi thế vô cùng lớn, máy
bay không tạo ra tiếng ồn, các phương tiện hoạt động trên mặt đất cũng như dưới nước
sẽ hoàn toàn bí mật vì không tạo ra tiếng ồn. Hơn nữa khi trong chiến trường hoàn
toàn có thể sử dụng pin nhiên liệu tạo ra điện cho các doanh trại.
Trong hình 5 và 6 là hình ảnh về việc sử dụng pin nhiên liệu hydro và động cơ sử
dụng nhiên liệu hydro.
11
Hình 5: Sử dụng pin nhiên liệu hydro trong quân sự
Hình 6: Phương tiện quân sự sử

dụng nhiên liệu hydro
Sạc pin cho thiết bị di động
với hydro
Các nhà nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp Đài Loan
(ITRI) đã phát triển được một loại máy sạc hydro cho điện thoại di động. Thiết bị này
có thể sạc cho pin điện thoại di động trong 2 giờ mà không cần kết nối (hình 7).
TSAU Fang-Hei, một trong số các nhà nghiên cứu tham gia phát triển thiết bị này,
cho biết ITRI có thể sẽ hoàn thiện thiết bị mới này nhằm thay thế các hệ thống sạc pin
thông thường hiện nay vào năm 2012. MA Hwong-Wen, một nhà môi trường học tại
Đại học Đài Loan, cho rằng sáng chế này rất có ý nghĩa, không chỉ bởi nó sử dụng
hydro - nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ - mà còn nhờ đặc tính không gây hại môi
trường và đây chính là đặc điểm của các thiết bị điện tử tương lai.
Theo YEH Hui-Ching, Trưởng phòng Năng lượng thuộc Bộ Các vấn đề Kinh tế
Đài Loan, thành công mới này có thể mở ra những triển vọng công nghệ mới cho Đài
Loan trong lĩnh vực năng lượng và thiết bị điện tử theo xu hướng công nghệ phát triển
bền vững.
12
Hình 7: Sạc
pin hydro
Trước đó,
công ty Tensor
của Nga cũng đã
chế tạo ra bộ sạc
pin bỏ túi dùng
cho điện thoại di
động sử
dụng công nghệ
hydro. Bộ sạc pin bỏ túi này có thể sạc đủ điện cho điện thoại di động kiểu thông minh
hoạt động liên tục trong 30 giờ. Bộ sạc này có kích thước bằng khoảng 4 bao diêm và
có thể cho vừa vào túi quần hoặc túi áo. Đặc biệt bộ sạc mới này hoàn toàn không gây

ô nhiễm môi trường.
1.2 Vi sinh vật
Vi sinh vật là gì?
Vi sinh vật là những cơ thể rất nhỏ bé, mà đa số không được nhìn thấy bằng mắt
thường mà phải quan sát bằng kính hiển vi. Chúng bao gồm nhiều loại cơ thể, khác
nhau rất cơ bản về mức độ tổ chức tế bào và lịch sử tiến hóa, cũng như về ý nghĩa thực
tiễn.
Những nhóm vi sinh vật chủ yếu là: vi khuẩn (bacteria), cổ khuẩn (archaea), nấm
(fungi), tảo (algae), động vật nguyên sinh (protozoa), và virut (viruses).
Riêng virut là những thực thể chưa có cấu tạo tế bào, các vi sinh vật khác đều
thuộc một trong hai loại tế bào: tế bào chưa có nhân điển hình và tế bào có nhân điển
hình.
Những đặc tính chung của vi sinh vật
Vi sinh thường là những cơ thể đơn bào, nên khi nói về kích thước của vi sinh vật
cũng là nói về kích thước tế bào của chúng. Thông thường vi sinh vật có kích thước tế
bào từ 1 đến 10 micromet, tùy theo chúng thuộc nhóm procaryot hay eucaryot, trong
khi tế bào thực vật hay động vật có đường kích khoảng 100 µm. Tuy nhiên với phát
hiện gần đây thì có những tế bào procaryot rất nhỏ hoặc rất lớn. Mặc dù kích thước rất
nhỏ bé, vi sinh vật vẫn thực hiện rất hữu hiệu mọi chức năng mà mỗi cơ thể đa bào
13
thực hiện: hấp thụ và tiêu hoá chất dinh dưỡng, thu nhậ năng lượng, sinh tổng hợp,
tích lũy chất dự trữ, tiếp nhận và sử lý các tác động của môi trường, chuyển sang giai
đoạn nghỉ trong những điều kiện môi trường bất lợi.
Vi sinh vật do có kích thước hiển vi do có nhiều khả nắng sinh học rất đặc biệt mà
tồn tại ở hầu khắp mợi nơi trên trái đất: xung quanh chúng ta, và ngay trên bề mặt cơ
thể, trong cơ thể chúng ta. Trong tự nhiên, ở những môi trường bình thường mà nơi
các điều kiện thuật lợi cho hầu hết cơ thể sống thì có một khu hệ sinh thái phong phú
về chủng loại và đông đúc về số lượng. ở một số môi trường mà mọi động thực vật đều
không sống được thì vi sinh vật vẫn sống được.
Vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên

Vật chất trong tự nhiên luôn tuần hoàn: chuyển tù dạng vơ cơ sang dạng hữu cơ và
ngược lại. Trong quá trình tuần hoàn ấy, các cơ thể sống được chia thành ba nhóm tùy
theo vai trò của chúng:
• Toàn bộ cây xanh và các vi sinh vật quang dưỡng tổng hợp các chất hữu cơ
từ cacbondioxit nhờ sử dụng năng lượng mặt trời, nên gọi là sinh vật sản
suất
• Toàn bộ động vật thì sử dụng phần lớn sinh khối sơ cấp vào việc tạo ra
năng lượng và một phần nhỏ vào việc tổng hợp sinh khối của chúng, nên
được gọi là sinh vật tiêu thụ
• Nấm và vi khuẩn có vai trò tích cực trong sự phân hủy chất hữu cơ của
động thực vật thành vơ cơ, do đó gọi là sinh vật phân hủy. Nấm thì đóng
vai trò này trong môi trường đất, còn vi khuẩn thì cả trong môi trường nước
và môi trường đất.
Vai trò của vi sinh vật trong đời sống và sản xuất của con người
Chính nhờ sự vô cơ hóa chất hữu cơ mà các nguyên tố trong chất hữu cơ được trở
về dạng vô cơ để trả về cho khí quyển và cho đất hay hơi, do đó, sự sống không bị
ngừng trệ: nhiều khí vô cơ được trả về khí quyển, trong đó CO
2
được dùng cho cây
xanh thực hiện quang hợp, nhiều chất vô cơ được trả về đất và nước trong đó có muối
của N,P,S để cơ thể sống hấp thụ và tổng hợp trở lại các chất hữu cơ.
Cũng chình bằng sự vô cơ hóa mà vi sinh vật tham gia vào sự tự làm sạch các khu
vực bị ô nhiểm hữu cơ ở mức vừa phải, cũng như tham gia vào sự phân hủy xác sinh
vật và chất hữu cơ vẫn xảy ra tự nhiên trong đất, làm cho mặt đất chúng ta đang sống
nói chung không bị ngập tràn trong xác động thực vật thậm chí không còn chỗ cho
chúng ta sống. Mặt khác, sự vô cơ hóa nhờ vi sinh vật là cơ sở của hầu hết các quá
14
trình sử lí sinh học (bioremediation) đối với các môi trường nước và đất.
Chương 2: Các công nghệ sinh khí hydro
2.1 Công nghệ Reforming hơi nước

Nhiên liệu hóa thạch là nguồn chiếm ưu thế của ngành công nghiệp hydro. Hydro
có thể được tạo ra từ khí tự nhiên với hiệu suất khoảng 80%, hoặc từ các hydrocacbon
khác với các hiệu suất khác nhau. Ở nhiệt độ cao (700 – 1100
0
C), hơi nước phản ứng
với metan tạo ra khí tổng hợp. Trong hình 8 thể hiện sơ đồ công nghệ.
CH
4
+ H
2
O → CO + 3 H
2
+ 191.7 kJ/mol
Trong giai đoạn thứ hai, hydro được tạo ra ở khoảng 130
0
C theo phản ứng:
CO + H
2
O → CO
2
+ H
2
- 40.4 kJ/mol
15
Hình 8: Sơ
đồ công nghệ
Steam
Reforming để
sản xuất hydro
2.2 Công

nghệ khí hóa
Quá trình
này là sự kết hợp của một phản ứng nước-carbon, nước-khí, và phản ướng hấp thụ CO
2
trong một lò đơn, ở nhiệt độ khoảng 650
0
C và áp suất 3 MPa hoặc cao hơn. Như sơ đồ
hình 9, than, chất hấp thụ (CaO), và nước được cho vào lò phản ứng áp suất cao để
phân hủy than, trong thời gian đó CO
2
hình thành được chuyển thành dạng CaCO
3
.
Hỗn hợp khí sinh ra được cho đi qua thiết bị tách rắn cyclon, trao đổi nhiệt với dòng
nước lạnh, qua tháp tách và cuối cùng ta thu được khí hydro với độ tinh khiết nhất
định.
16
Hình 9: Sơ đồ công nghệ khí hóa sản xuất hydro
2.3 Sử dụng năng lượng mặt trời
Hydro và oxy có thể được sản xuất từ nước sử dụng điện với bình điện phân.
Năng lượng mặt trời tạo ra dòng điện và dòng điện được sử dụng để điện phân nước.
Hệ thống bao gồm: năng lượng mặt trời hoặc điện lưới, bộ điều khiển nguồn, bình điện
phân, hệ thống lọc hydro, hệ thống lọc oxy, thùng lưu trữ hydro và oxy, bể chứa và
bơm vận chuyển, nước. Qúa trình thể hiện như hình 10,11.
17
Hình 10:
Điện phân nước
Hình 10: Sơ đồ nguyên lí sản xuất hydro sử dụng năng lượng mặt trời
2.4 Sử dụng sinh khối hay biomass
Sinh khối bao gồm các cây nông nghiệp, gỗ, phế thải động vật, thực vật dưới nước

và phần hữu cơ của phế thải sinh hoạt và công nghiệp. Sản lượng sinh khối hàng năm
trên toàn bộ hành tinh ước tính là 170 tỷ tấn, bao gồm 75% cacbonhydrat (đường),
20% lygnhin và 5% các chất khác như dầu, mỡ, protein. Trong tổng sản lượng sinh
khối này, chỉ có 3% được dùng cho nhu cầu con người.
Phương pháp được gọi là fast-hydropyrolysis-hydrodeoxygenation (nhiệt phân
nhanh và khử oxy hóa hydro) là biện pháp thêm khí hydro vào phản ứng biến đổi sinh
khối. Sinh khối cùng hydro sẽ được đưa vào lò phản ứng áp suất cao và nhanh chóng
18
bị đốt nóng dưới nhiệt độ 900
o
F (tương đương 500
o
C) trong thời gian chưa đầy 1 giây.
Khí gas chứa hydro sẽ được sản xuất bằng cách “biến đổi” khí gas tự nhiên, với luồng
xả nóng đưa trực tiếp vào lò phản ứng sinh khối. Sinh khối sẽ bị phân chia thành các
phân tử nhỏ hơn nhờ hydro nóng và xúc tác thích hợp. Sản phẩm của phản ứng sau đó
sẽ được cô đặc thành dầu lỏng và được sử dụng làm nhiên liệu. Những khí không hóa
lỏng như metan, cacbon monoxit, hydro và cacbon dioxit sẽ bị tách ra và quay trở lại
lò phản ứng sinh khối. Và hydro sẽ được tách ra (hình 11).
Hiện việc sản xuất hyđro từ sinh khối đang ở giai đoạn R&D và theo dự báo, nó sẽ
bắt đầu nổi lên ở thị trường vào năm 2025. Nếu dự báo này diễn ra đúng như vậy thì
khi đó việc sản xuất hyđro sẽ giúp phát triển các pin nhiên liệu phục vụ ngành vận tải
và phát triển nền kinh tế hyđrô. Các công nghệ này sẽ được phát triển từ 2020 trở đi.
Hình 11: Công nghệ biomass sản xuất hydro
19
Chương 3: Công nghệ sinh khí hydro có sử dụng vi sinh vật
Như trên đã đề cập thì hiện này có khá nhiều phương pháp sinh khí hydro, mỗi
phương pháp đều có ưu nhược điểm nhất định, công nghệ phức tạp khác nhau. Và cho
tới giờ thì các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện một công nghệ
tốt nhất để sản xuất hydro với giá rẻ hơn nữa.

Một trong các phương pháp sinh khí hydro hiện đang phát triển hiện này và rất có
tiềm năng trong tương lai “công nghệ sinh khí hydro có sử dụng vi sinh vật”.
Dưới đây sẽ trình bày các phương pháp sinh khí hydro co sử dụng vi sinh vật.
3.1 Sử dụng tảo đơn bào
Tảo Chlamydomonas reinhardtii
Chlamydomonas reinhardtii là một loại tảo xanh đơn bào đường kính khoảng 10
micromet và bơi với hai roi. Nó có một tương tế bào làm bằng hydroxyproline-rich
glycoprotein, một lục lạp hình chén lớn (hình 12).
20
Hình 12:
Tảo
Chlamydomonas reinhardtii
Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này chứa enzyme hydrogenase có khả năng tách
nước thành hai thành phần hydrogen và oxygen. Các nhà khoa học đã xác định được
cơ chế quá trình, điều này có thể giúp mang lại một phương pháp gần như vô hạn để
sản xuất hydrogen sạch và tái sinh. Cơ chế này đã phát triển qua hàng triệu năm tiến
hóa giúp tảo tồn tại trong môi trường không có oxygen. Một khi ở trong chu trình này,
tảo "thở" bằng oxygen lấy từ nước và giải phóng ra khí hydrogen (hình 13).
Hình
13: Cơ chế
sinh hydro
của tảo
Chlamydomonas reinhardtii
Arthur Grossman, một nhà nghiên cứu về tảo này cho biết: “Chúng tôi thực sự
21
không biết đường lên men này tồn tại trong tảo xanh cho đến khi chúng tôi tạo ra dòng
đột biến. Phát hiện này cho thấy tính linh hoạt trong cách tảo xanh sống trong đất có
thể chuyển hóa cácbon dưới điều kiến kỵ khí. Bằng cách ngăn chặn hoặc biến đổi một
số đường trao đổi chất, chúng ta có thể thay đổi lượng electron cho hydrogenase dưới
điều kiện kỵ khí và tăng sản lượng hydro”.

Hình 14: Nuôi cấy tảo xanh trong phòng thí nghiệm
Phát hiện của nghiên cứu sẽ dẫn tới việc phát triển các phương pháp mới để chế
tạo hydro và các năng lượng sinh học có thể phục hồi, đem lại lợi ích to lớn cho chúng
ta.
3.2 Sử dụng vi khuẩn
Vi khuẩn Thermococcus Onnurineus
Vào năm 2002, Tiến sĩ Lee Jung-hyun đã ở trên con tàu Onnuri để nghiên cứu
vùng biển sâu gần Papua New Guinea thuộc biển Thái Bình Dương. Ông đã trực tiếp
đến khám phá những miệng thủy nhiệt sâu đến 1.650 m đang phun trào nước nóng do
magma tạo ra để thu thập được những vi khuẩn sống ở đó và giải mã bộ gien ADN của
chúng. Chính thời điểm đó, ông đã có một phát hiện kỳ diệu chưa từng được giới khoa
học đề cập tới. Ông phát hiện ra các vi khuẩn sống trong môi trường áp suất cao và ít
khí oxy gần các miệng thủy nhiệt với nhiệt độ hơn 80
0
C sẽ tồn tại được trong acid
fomic và thải ra cả khí hydro cùng năng lượng sinh học. Sau đây, Tiến sĩ Lee sẽ giải
22
thích rõ hơn về các khám phá của mình: “Tôi đặt tên loại vi khuẩn đó là
Thermococcus Onnurineus. Loại vi khuẩn này sống trong môi trường nhiệt độ cao đến
80
0
C và thậm chí không có khí oxy. Trong môi trường đó, các vi khuẩn tạo ra khí
hydro và đủ năng lượng hóa học để giúp chúng sinh trưởng. Các vi khuẩn được gọi là
NA1 này sẽ sử dụng bộ gien đặc biệt của chúng để chuyển năng lượng hóa học trên
thành năng lượng sinh học. Tóm lại, chúng tôi nhận ra rằng khí hydro là một phụ
phẩm thu được từ sự sinh trưởng của vi khuẩn. Vì thế càng có nhiều vi khuẩn loại này
chúng ta càng thu được nhiều khí hydro do chúng thải ra”.
Hình 15: Vi khuẩn có
khả năng sinh khí hydro
Chỉ cần cấy acid fomic

vào vi khuẩn này thì nó sẽ sinh sôi nảy nở rất nhanh, từ đó sản xuất ra nhiều khí hydro
và tạo ra nguồn năng lượng “xanh-sạch” mà con người cần. Thêm vào đó, nó còn có
tác dụng ăn khí ôxít cácbon (CO) ở những nhà máy công nghiệp nên giúp giảm lượng
khí thải cacbon.
Vi khuẩn trong ruột mối
Loại côn trùng này, với rất nhiều vi khuẩn trong ruột có thể là giải pháp cho một
nguồn nhiên liệu vô tận. Bởi mối tiêu hóa được cả những sợi Xenlulo đã bị phân huỷ
như gỗ. Xenlulo là thứ nhiên liệu thô có ở cành và thân cây
Nhà nghiên cứu Jared Leadbetter thuộc Viện công nghệ California (Mỹ) đang
nghiên cứu các enzymes có trong ruột con mối và nghiên cứu của ông cho thấy, quá
trình mà những con mối tiêu hoá gỗ có thể là nguồn ethanol cho nhiên liệu. Một dạng
năng lượng khác được tìm thấy như là sản phẩm phụ của quá trình mối tiêu hóa
Xenlulo, đó là khí Hydro (hình 16).
Hình 16:
Vi khuẩn
trong ruột
mối có khả
năng sinh khí
hydro
23
Theo Jared, các vi khuẩn sống trong ruột của mối có thể sản sinh ra khí Hydro khi
mà Xenlulo đi qua bộ máy tiêu hóa. Bằng việc nhân rộng những Enzyme này trong
phòng thí nghiệm và xây dựng một phương pháp thu hoạch, ông Jared tin rằng nó có
thể tạo ra Ethanol hay khí Hydro từ quá trình tiêu hóa.
Hiện nay, một số phòng thí nghiệm đang nghiên cứu tập trung vào các Enzymes
và làm thế nào để chuyển đổi vật liệu cây cối hay những chất thải sinh học rẻ tiền
thành các loại đường lên men và khí Hydro.
Nếu khí Hydro này được thu gom lại, hoặc quá trình sản xuất khí được nhân rộng
thì triển vọng có một nguồn nhiên liệu khí Hydro sẽ trở thành hiện thực chỉ trong vài
năm nữa. Khi đó, nguồn năng lượng cung cấp cho các phương tiện xe cộ chạy bằng

khí Hydro sẽ ngày càng dồi dào hơn so với hiện nay khi mà khí Hydro chủ yếu được
điều chế từ nước.
Sử dụng Enzym trong các ngành công nghiệp còn giảm thiểu tác hại của các hoá
chất độc hại, ô nhiễm môi trường và giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ. Tuy nhiên, các
nhà khoa học cho rằng, phải mất từ một đến hai thập kỷ nữa thì nghiên cứu của họ mới
có thể được ứng dụng rộng rãi.
Vi khuẩn có khả năng quang hóa tạo hydro
Trong năm 2000 các nhà khoa học ở Mỹ lần đầu tiên tìm thấy rằng rất nhiều vi
khuẩn biển có một gen trong DNA của chúng mã hóa cho một sắc tố hấp thu ánh sáng,
đó là proteorhodopsin. Loại vi khuẩn này tạo ra enzym là hydrogenase và nitrogenase
để tiêu hóa nito, vầ tạo ra hydro (hình 17).
Hình 17:
Qúa trình vi
khuẩn tạo ra
hydro từ quá
trình quang
hợp
Loại vi
khuẩn này
sống trên mặt
nước biển rất nhiều. Việc nghiên cứu và phát triển loại vi khuẩn này nhằm mục đích
thu khí hydro vẫn đang được tiến hành trong thời gian tương lai tới, nếu thành công về
24
mặt thương mại thì chúng ta có thể sản xuất ra hydro với khối lượng rất lớn.
Kết luận
Hydro và pin nhiên liệu là chìa khóa giải quyết vấn đề ô nhiễm bầu khí quyển và
sự biến đổi khí hậu toàn cầu đó mối lo của toàn thế giới hiện nay khi sử dụng nhiên
liệu hóa thạch.
Một nền kinh tế hydro sẽ xuất hiện như đã xuất hiện nền kinh tế dầu – khí, sẽ buộc
phải thay đổi tận gốc những hạ tầng cơ sở của nền kinh tế hóa thạch cùng các hoạt

động của con người. Phương thức sản xuất nguồn năng lượng mới không còn là tìm
kiếm, thăm dò, khai thác; phương thức tồn chứa, vận chuyển, cung ứng hydro cho các
nhu cầu tiêu thụ sẽ buộc phải cấu trúc, xây dựng hạ tầng cơ sở mới. Động cơ sẽ được
chế tạo theo nguyên lý mới phù hợp nguồn năng lượng hydro, tất nhiên sẽ khác hẳn
các động cơ xăng, dầu.
Ngày nay, nền kinh tế hydro đang trở thành một xu thế không thể đảo ngược trên
thế giới. Ở Mỹ, năm 2003 Tổng thống G. Bush đã công bố một chương trình được gọi
là “Sáng kiến nhiên liệu hydro” (Hydrogen Fuel Initiative) với quyết định dành 1,2 tỉ
USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ôtô chạy bằng pin
nhiên liệu hydro phải triển khai thương mại hóa thành công vào thực tế. Nền kinh tế
hydro nhờ năng lượng mặt trời không còn là ý tưởng mơ hồ hoặc chỉ là viễn tưởng
khoa học, khả năng hiện thực hóa nền kinh tế hydro chỉ khoảng 25-35 năm nữa thôi!
Như Tổng thống Mỹ G. Bush hi vọng “chiếc ôtô đầu tiên trong đời của những trẻ mới
sinh hôm nay ngồi cầm lái sẽ là xe hydro dòng ZEV”.
Các nhà khoa học trên thế giới đang nổ lực nghiên cứu, tìm tòi và khám phá ra
cách tốt nhất để sản xuất nhiên liệu hydro, một tương lai không phụ thuộc vào nguồn
nhiên liệu hóa thạch.
Và mặc dù hiện này hydro chủ yếu được sản xuất bằng công nghệ reforming hơi
nước khí metan và điện phân nước, giá thành sản xuất còn khá cao. Nhưng trong tương
25