Hiện tại, trong điều kiện thực tế, hiệu suất chuyển hóa năng lượng của vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào chỉ đạt 10-30%. Trong môi trường phòng thí nghiệm, hiệu suất này có thể lên tới 60-70%.

Hơn nữa, cần đặc biệt lưu ý một tình huống. Đó chính là lượng chất hữu cơ trong môi trường nuôi cấy không hoàn toàn tương đồng với lượng chất hữu cơ mà vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào tiêu thụ. Vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào chỉ có khả năng phân giải một phần nhỏ chất hữu cơ.

Chẳng hạn, một số vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào, ví dụ như *Pseudomonas aeruginosa*, chỉ có thể tiêu thụ: Carbohydrate (gồm glucose, xylose và tinh bột); các hợp chất hóa học chứa nitơ (như axit amin, urê); các chất béo (bao gồm Triglyceride, Phospholipid); và các hợp chất hydrocarbon thơm.

Từ đây có thể thấy, rất nhiều vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào không thể trực tiếp tiêu hóa cellulose, hemicellulose và lignin có trong phân dê bò. Nếu có thể phân giải cellulose, hemicellulose, lignin thành glucose, đường đơn và các hợp chất hydrocarbon thơm, chúng sẽ có thể được một số vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào trực tiếp sử dụng.

Trên thực tế, một phần nhỏ vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào vẫn có khả năng phân giải cellulose, hemicellulose và lignin, nhưng hiệu suất phân giải của chúng tương đối thấp.

Việc Giang Miểu cần làm bây giờ là nghiên cứu ra loại vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào có khả năng phân giải cellulose, hemicellulose và lignin với hiệu suất cao. Thực tế, Liên minh châu Âu (EU) đã có các nhóm nghiên cứu khoa học liên quan, thông qua kỹ thuật biến đổi gen, cải tạo trực khuẩn *E. coli* để chúng có chức năng phát điện, đồng thời có thể phân giải một phần hemicellulose.

Với hướng nghiên cứu này, việc nghiên cứu của Giang Miểu cũng không quá khó khăn. Sàng lọc và nuôi cấy các chủng vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào đặc hiệu có hiệu suất cao lại là sở trường của Giang Miểu. Anh ấy thậm chí không cần sử dụng kỹ thuật biến đổi gen. Chỉ cần dùng các loại áp lực môi trường nhân tạo để buộc vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào biến dị là đủ, bởi vì vi khuẩn có tốc độ sinh sản và biến dị rất nhanh. Điều này cực kỳ có lợi cho việc nuôi cấy các chủng vi khuẩn đặc hiệu.

Sử dụng các biện pháp như dòng điện, điều chỉnh độ pH, hóa chất, làm lạnh, nhiệt độ cao, tia tử ngoại, kết hợp với các môi trường nuôi cấy mô phỏng khác nhau, chỉ trong ba ngày, Giang Miểu đã thu được một loại vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào đặc hiệu.

Loại vi khuẩn điện sinh ngoài tế bào này thuộc chủng *Erwinia billingiae QL-Z3*. Với đặc tính nguyên thủy, nếu lignin là nguồn carbon duy nhất, tỷ lệ phân giải lignin có thể đạt 25,24%.

Mà trải qua nhiều lần đột biến và nuôi cấy chọn lọc, chủng vi khuẩn này không chỉ có thể phân giải lignin, mà còn cả cellulose và hemicellulose, với tỷ lệ phân giải tối đa có thể đạt xấp xỉ 97%.

Đương nhiên, để đạt được tỷ lệ phân giải tối ưu này không hề dễ dàng. Nói chính xác hơn, để chủng vi khuẩn mới được Giang Miểu đặt tên là "Erwinia" đạt được tỷ lệ phân giải tối ưu, cần phải thỏa mãn bốn điều kiện vô cùng hà khắc, cụ thể như sau:

Thứ nhất, nhiệt độ môi trường sống phải đạt từ 20 đến 28 độ C.

Thứ hai, cần cộng sinh với một loại vi khuẩn Gram âm chuyên biệt. Loại vi khuẩn Gram âm này trong quá trình sinh trưởng sẽ tiết ra các phân tử tín hiệu cảm ứng quần thể. Khi mật độ vi khuẩn đạt đến một ngưỡng nhất định, các phân tử tín hiệu này sẽ kích hoạt một loạt gen biểu hiện, thúc đẩy sự sinh sôi của cả chính nó và Erwinia, tạo nên mối quan hệ hỗ trợ lẫn nhau.

Thứ ba, cần bổ sung một lượng Genistein từ đậu nành (một loại estrogen thực vật) với liều lượng đặc biệt mới có thể kích thích Erwinia tiếp tục sinh sôi và phân giải lignin, cellulose, hemicellulose.

Thứ tư, nồng độ oxy trong môi trường phải đạt 32%.

Thực ra, trong quá trình thí nghiệm, Giang Miểu cũng tìm thấy những chủng vi khuẩn đột biến có điều kiện phân giải ít hà khắc hơn. Song, chính vì những điều kiện đó quá dễ dàng mà Giang Miểu không dám sử dụng. Bởi vì điều kiện sinh sôi càng ít bị hạn chế sẽ đồng nghĩa với khả năng khuếch tán rộng rãi trong tự nhiên càng mạnh.

Trong khi đó, vi khuẩn Erwinia lại là vi khuẩn hoại sinh thực vật. Nếu chúng có khả năng phân giải lignin, cellulose, hemicellulose mạnh mẽ như vậy mà không bị hạn chế bởi điều kiện sinh sôi, thì chỉ trong vài năm, chúng có thể tiêu diệt toàn bộ cây cỏ trên thế giới.

Nếu một trong các điều kiện kể trên không được thỏa mãn, hiệu suất phân giải của Erwinia sẽ giảm sút nghiêm trọng. Hơn nữa, chủng vi khuẩn này không có khả năng chống chịu với các loại trực khuẩn sinh bào tử phổ biến trong đất, đặc biệt là *Bacillus subtilis*. Sự hiện diện của chúng có thể trực tiếp khiến Erwinia không thể sinh sôi, dẫn đến chết hàng loạt.

Chính những điều kiện sống khắc nghiệt này đã khiến Giang Miểu có thể chọn lọc ra chủng vi khuẩn này từ hàng ức vạn vi khuẩn đột biến.

Trong điều kiện tối ưu, Erwinia được dự kiến chỉ mất 143 giờ để phân giải hết 97% cellulose, hemicellulose và lignin có trong phân dê bò với độ ẩm khoảng 80%. Công suất phát điện tối đa đạt 473 Watt/mét khối, tương đương 67 kWh điện.

Tuy nhiên, điều kiện phân giải tối ưu này lại không phải là điều kiện phát điện tối ưu. Ở 23 độ C, với một liều lượng Genistein đậu nành đặc biệt và nồng độ oxy trong không khí là 26,4%, công suất phát điện của Erwinia sẽ giảm xuống còn 320 Watt/mét khối. Tuy nhiên, thời gian phát điện ổn định lại đạt tới 360 giờ, và lượng điện sản xuất ra có thể đạt khoảng 115 kWh.

Thế nhưng, trong tình huống này, lignin, cellulose và hemicellulose sẽ không được phân giải hoàn toàn, còn sót lại khoảng 20-30%.

Hiện tại, Giang Miểu đang nghiên cứu một pin nhiên liệu dung dịch phân dê bò đơn giản. Để đảm bảo quá trình truyền electron trong pin dung dịch đạt hiệu suất cao, trong những ngày tiếp theo, anh đã thử nghiệm nhiều loại vật liệu điện cực dương và âm, với mục đích tìm ra vật liệu vừa rẻ vừa hiệu quả.

Sau một loạt thử nghiệm, anh nhận thấy vật liệu có hiệu suất truy���n dẫn tốt nhất là cực âm bằng tấm vàng và cực dương bằng thép không gỉ, hiệu suất truyền electron có thể đạt khoảng 98%.

Tuy nhiên, khi thép không gỉ được dùng làm cực dương của pin nhiên liệu vi sinh vật, nó gặp một vấn đề chí mạng: trong quá trình sử dụng, thép không gỉ sẽ bị ăn mòn nhẹ. Cùng với thời gian vận hành, hiệu suất truyền electron của cực dương thép không gỉ sẽ giảm dần, dự kiến chỉ có thể sử dụng 500-600 giờ là cần phải thay thế.

Do đó, Giang Miểu đã chọn tấm than chì không bị tiêu hao làm vật liệu cực dương. Vật liệu này có hiệu suất di chuyển electron là 92%.

Đối với tấm vàng, vật liệu này cũng không bị ăn mòn. Mặc dù việc sử dụng vàng làm cực âm cho pin có phần xa xỉ, nhưng đây không phải là vật liệu hao mòn. Cùng lắm là sau một thời gian dài, lớp vàng tiếp xúc với dung dịch pin sẽ xuất hiện một lượng nhỏ nguyên tố vàng bị dịch chuyển. Tuy nhiên, lượng dịch chuyển này cực kỳ nhỏ. Dựa trên số liệu Giang Miểu quan sát từ bảng giám định, ước tính phải mất hàng trăm năm mới có thể dịch chuyển một phần mười lượng vàng ban đầu.

Vì điều kiện phản ứng phát điện tối ưu của Erwinia tương đối hà khắc, cộng thêm việc cần cực âm bằng tấm vàng đắt đỏ, nên nó chắc chắn không thể dùng làm nguồn điện di động. Tuy nhiên, nếu dùng làm thiết bị phát điện cố định thì không có vấn đề gì lớn.

Năm điều kiện hạn chế này trong môi trường cố định đều khá dễ giải quyết. Nhiệt độ có thể được điều tiết và kiểm soát thông qua các thiết bị điều hòa không khí trung tâm. Hàm lượng oxy trong không khí có thể được điều chỉnh thông qua cảm biến lượng oxy, kết hợp với thiết bị tách khí để tạo ra oxy tinh khiết, sau đó định lượng đưa vào buồng pin. Để tránh tiếp xúc với trực khuẩn sinh bào tử, nguyên vật liệu cần được khử trùng ở nhiệt độ cao. Vi khuẩn Gram âm chuyên biệt có thể được nuôi cấy quy mô lớn. Genistein từ đậu nành có thể được tinh luyện từ bã đậu, và lượng sử dụng không nhiều nên không làm tăng đáng kể chi phí. Tuy nhiên, đây là một vật tư tiêu hao.

Vi khuẩn Gram âm và Genistein từ đậu nành là những nguyên vật liệu tương đối then chốt của toàn bộ hệ thống, bởi vì hai yếu tố này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất phân giải của Erwinia, từ đó ảnh hưởng đến công suất phát điện. Điều này giúp công suất phát điện của loại pin nhiên liệu vi sinh vật này trở nên có thể kiểm soát ở mức độ cao.

Giang Miểu ước tính, trại chăn nuôi của công ty con tại Mạc Nam hiện tại mỗi ngày sẽ sản xuất khoảng 300 tấn phân dê bò tươi (độ ẩm 60-85%). Sau khi khử độc, lượng phân này có thể được cấy Erwinia, vi khuẩn Gram âm chuyên biệt và bổ sung định lượng Genistein từ đậu nành, từ đó chế tạo ra 300 mét khối pin nhiên liệu vi sinh vật.

300 mét khối pin nhiên liệu vi sinh vật này có thể sản xuất xấp xỉ 31.700 kWh điện. Chỉ cần thiết lập được một chu trình tuần hoàn, mỗi ngày có thể sản xuất 31.700 kWh điện, tương đương 11,41 triệu kWh điện mỗi năm.

Đương nhiên, để thực hiện chu trình tuần hoàn, cần phải chuẩn bị ít nhất 4.500 mét khối dung tích pin. Tính cả vỏ ngoài và các công trình phụ trợ khác, dung tích bên trong phòng máy phát điện ít nhất phải đạt 30.000 mét khối, tương đương một nhà máy chiếm diện tích 5.000 mét vuông với chiều cao khoảng 6 mét.

Chưa đến 8 mẫu đất công nghiệp thì cũng không thành vấn đề lớn.

Tuy nhiên, điều thực sự khiến Giang Miểu cảm thấy khó giải quyết là tấm vàng dùng làm cực âm cho pin. Anh đã điều chỉnh nhiều lần, ngay cả khi đã cải tiến để lượng sử dụng là ít nhất, mỗi mét khối pin vẫn cần 0,4 kg vàng. Với 4.500 mét khối pin, sẽ cần tới 1.800 kg vàng.

Đương nhiên, không sử dụng vàng cũng có thể dùng bạch kim. Bạch kim thì rẻ hơn một chút, khoảng 227 triệu mỗi tấn. Dù phải cắn răng, nhưng với tài lực của công ty Hải Lục Phong thì vẫn có thể chi trả được.

Giang Miểu đã cân nhắc kỹ lưỡng và quyết định từ bỏ việc sử dụng vàng và bạch kim làm cực âm. Thay vào đó, anh chọn vật liệu tấm mangan oxit có độ tinh khiết cao hơn nhưng hiệu suất di chuyển electron thấp hơn một chút, chỉ còn 86%.

Hoàn thành những thí nghiệm này, Giang Miểu đã ở lại Mạc Nam gần một tháng. Anh đã tiêu hủy tất cả ghi chép thí nghiệm và các thiết bị phát điện tạm thời đã chế tạo, chỉ giữ lại 10 phần chủng vi khuẩn Erwinia.

Trong đó, 4 phần được anh cất giữ trong két sắt chuyên dụng của chủ tịch tại căn cứ Tamin Chagan. Sáu phần còn lại, anh đã chỉ thị công ty hậu cần sử dụng ba tuyến đường khác nhau để vận chuyển về Sán Mỹ. Hơn nữa, để đề phòng bất trắc, anh đã thiết lập một thiết bị đơn giản bên trong dụng cụ lưu trữ chủng vi khuẩn. Nếu không có bảng giám định hỗ trợ của anh, bất kỳ ai cố gắng mở ra sẽ khiến hỗn hợp axit clohydric và axit nitric bên trong biến thành axit cực mạnh, từ đó tiêu hủy chủng vi khuẩn Erwinia đang được lưu trữ.

Bốn phần được lưu trữ tại căn cứ Tamin Chagan cũng được thiết lập tương tự. Đương nhiên, ngay cả khi vô tình mở được vật chứa một cách an toàn, chủng vi khuẩn bên trong cũng cần điều kiện đặc thù để được kích hoạt. Nếu không, người ta sẽ chỉ nhận được một lọ bột vi khuẩn vô dụng.

Toàn bộ kỹ thuật của hệ thống pin nhiên liệu vi sinh vật này đã được ghi nhớ kỹ lưỡng trong tâm trí Giang Miểu. Tuy nhiên, anh biết rằng những kỹ thuật liên quan đến vi sinh vật như thế này, khả năng lớn là phải giao cho Thư Nhã đứng ra xử lý, bao gồm cả kỹ thuật khai thác quặng bằng sinh vật trước đây cũng vậy.

Kỹ thuật này thực chất vẫn còn tiềm năng phát triển hơn nữa. Ví dụ như cải tiến vật liệu cực dương và cực âm để tăng hiệu suất di chuyển electron. Hoặc là tiếp tục cải tiến công suất phát điện của vi khuẩn. Theo tiến độ hiện tại của Giang Miểu, trong quá trình phân giải chất hữu cơ, Erwinia sinh ra khoảng 300 kWh năng lượng mỗi mét khối. Thế nhưng, chỉ có khoảng 115 kWh năng lượng điện này có thể chuyển hóa thành điện năng, tức hiệu suất xấp xỉ 38%.

Bản biên tập này thuộc về truyen.free, xin hãy trân trọng bản quyền.