การพัฒนาต้นแบบการผลิตไบโอไฮโดรเจนจากหญ้าเนเปียร์และทางใบปาล์ม

บทคัดย่อ

ไฮโดรเจนเป็นพลังงานสะอาด เพราะเมื่อเกิดการเผาไหม้จะได้ผลพลอยได้เป็นน้ำ ซึ่งแตกต่างจากเชื้อเพลิงฟอสซิลที่ให้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งทำให้เกิดภาวะโลกร้อน ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้จากวัสดุประเภทลิกโนเซลลูโลสที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม การใช้ลิกโนเซลลูโลสนี้ถูกขัดขวางโดยโครงสร้างที่ซับซ้อนของชีวมวลลิกโนเซลลูโลส (โพลีแซ็กคาไรด์) ซึ่งช่วยป้องกันพืชจากการย่อยสลายของจุลินทรีย์หรือเอนไซม์ ดังนั้น การเปลี่ยนชีวมวลลิกโนเซลลูโลสเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ จึงต้องมีการปรับสภาพเพื่อเพิ่มความสามารถในการย่อยของเอนไซม์และเพิ่มผลผลิตของผลิตภัณฑ์ นอกจากนี้การพัฒนากลุ่มเชื้อจุลินทรีย์ที่มีความสามารถในการผลิตเอนไซม์ย่อยชีวมวลและผลิตไฮโดรเจน ร่วมกับการพัฒนาวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่หลากหลาย จะช่วยเพิ่มผลผลิตไฮโดรเจนและสร้างความมั่นคงให้กับพลังงานทางเลือกในอนาคต ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงพัฒนาต้นแบบการผลิตไบไฮโดรเจนจากหญ้าเนเปียร์และทางใบปาล์มอย่างยั่งยืนภายใต้หลักการของเสียเป็นศูนย์” โดยแผนการวิจัยนี้แบ่งออกเป็น 3 โครงการวิจัยย่อย โครงการวิจัยย่อยที่ 1 มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนากลุ่มเชื้อย่อยสลายเซลลูโลส (modified KKU-MC1) และกลุ่มเชื้อผลิตไฮโดรเจน (H2 producer) พร้อมทั้งศึกษาประชากรจุลินทรีย์ ยีน และเอนไซม์ รวมถึงรูปแบบของกลุ่มเชื้อได้แก่ เม็ดแกรนูล (granule), เซลล์ตรึง (immobilized cell), และ เซลล์แขวนลอย (cell suspension) ที่เหมาะสมต่อการย่อยสลาย NG OPF PNG และ POPF ก่อนนำมาผลิตไฮโดรเจนในระดับห้องปฏิบัติการหรือแบบกะ ในสองรูปแบบ คือ (1) SSF ซึ่งเป็นการย่อย NG และ OPF ให้ได้น้ำตาลด้วยกลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 พร้อมกับการหมักเพื่อผลิตไฮโดรเจนด้วยกลุ่มเชื้อ H2 producer (2) Pre-HF ซึ่งเป็นการพรีไฮโดรไลซีส NG และ OPF ด้วยกลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 เป็นเวลา 5 วัน และการหมักเพื่อผลิตไฮโดรเจนด้วยกลุ่มเชื้อ H2 producer จากการทดลองพบว่า กลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 ที่ถูกเติม 10 mM BES เพื่อยับยั้งกลุ่มเชื้อผลิตมีเทน โดดเด่นด้วย Enterobacteriaceae sp. 43%, Clostridium sp. 9%, Escherichia sp. 5%, Dysgonomonas sp. 5%, และ อื่น ๆ สำหรับกลุ่มเชื้อ H2 producer โดดเด่นด้วย Clostridium sp. 49%, Paraclostridium sp. 9%, Enterococcus sp. 5% และอื่น ๆ โดยกลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 และ H2 producer มียีนที่เกี่ยวข้องกับเอนไซม์ย่อยสลายผนังเซลล์พืช โอลิโกแซ็กคาไรด์ เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และลิกนิน เช่น cellobiohydrolase, ?-galactosidase endoglucanase และ laccase เป็นต้น เมื่อนำกลุ่มเชื้อทั้งสองไปใช้ในการผลิตไฮโดรเจนแบบกะ พบว่ากระบวนการผลิตไฮโดรเจนแบบ Pre-HF จากการ co-digestion ของ NG: OPF ที่อัตราส่วน 0.50:0.50 (VS เท่ากับ 10 g-VS/L) โดยใช้กลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 และ H2 producer ในรูปแบบ cell suspension ให้ผลได้ไฮโดรเจนสูงสุด คือ 109.1 mL-H2/g-VS คิดเป็นผลได้ไฮโดรเจนต่อน้ำหนักสด คือ 20,532.0 L-H2/ton-FW และมีอัตราการผลิตไฮโดรเจนเท่ากับ 174.3 mL-H2/L.d มีผลได้พลังงานต่อปีเท่ากับ 85,309.1 MJ/ton-FW.year สามารถลดการปล่อยแก๊สเรือนกระจกต่อปีเท่ากับ 10.4 x 10-6 M ton-CO2eq/ton-FW.year และมีต้นทุนในการผลิตไฮโดรเจนเท่ากับ 1.2 Baht/L-H2 เมื่อใช้สารเคมีเกรดอุตสาหกรรม องค์ความรู้จากโครงการวิจัยนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับชีวมวลลิกโนเซลลูโลส เพื่อย่อยชีวมวลลิกโนเซลลูโสสให้ได้น้ำตาลด้วยกลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 ก่อนนำไปผลิตไฮโดรเจนโดยใช้กลุ่มเชื้อ H2 producer รวมถึงรูปแบบของกระบวนการผลิตไฮโดรเจนที่มีศักยภาพในการผลิตไฮโดรเจน โครงการวิจัยย่อยที่ 2 มีวัตถุประสงค์ เพื่อพัฒนากระบวนการหมักแบบขั้นตอนเดียวในสภาพของแข็ง (solid-state fermentation) โดยการย่อยสลายชีวมวลและหมักไฮโดรเจนในขั้นตอนเดียวในสภาวะที่ไม่มีน้ำอิสระในระบบ โดยใช้ NG และ OPF ที่ผ่านการปรับสภาพด้วย DES เป็นวัตถุดิบในการหมัก และใช้กลุ่มเชื้อ KKU-MC1 และ H2 producer (จากโครงการวิจัยย่อยที่ 1) ในการผลิตเอนไซม์ย่อยสลายชีวมวลและผลิตไฮโดรเจน ตามลำดับ วัตถุประสงค์ของโครงการวิจัยนี้ คือ (1) เพื่อศึกษาการปรับสภาพ (กำจัดลิกนิน) NG และ OPF ด้วย DES ที่เตรียมจากกรดแลกติก (Lactic acid, LA) และโคลีนคลอไรด์ (choline chloride, ChCl) (2) เพื่อศึกษาการผลิตไฮโดรเจนจากหญ้าเนเปียร์และทางใบปาล์มด้วยกระบวนการหมักแบบขั้นตอนเดียวในสภาพของแข็งแบบกะ และ (3) เพื่อสร้างต้นแบบกระบวนการปรับสภาพวัตถุดิบด้วยตัวทำละลายดีพยูเทคติก การวิจัยดำเนินการโดยการหาสภาวะที่เหมาะสมในการปรับสภาพ NG และ OPF โดยใช้วิธีพื้นผิวตอบสนอง (response surface methodology, RSM) แบบส่วนประสมกลาง (central composite design, CCD) จากนั้นศึกษาการผลิตไฮโดรเจนจากหญ้าเนเปียร์ที่ผ่านการปรับสภาพ (PNG) และทางใบปาล์มที่ผ่านการปรับสภาพ (POPF) โดยการหาสภาวะที่เหมาะสมในการหมักด้วยวิธี RSM แบบ Box-Behnken Design (BBD) นอกจากนี้ ยังได้พัฒนาต้นแบบถังปรับสภาพวัตถุดิบขนาด 100 ลิตร เพื่อใช้ในการปรับสภาพชีวมวลด้วยตัวทำละลาย DES จากการทดลองพบว่าสภาวะที่เหมาะสมในการปรับสภาพ NG คือ อัตราส่วน LA:ChCl เท่ากับ 15:1 โมลต่อโมล ชีวมวลเริ่มต้นร้อยละ 5 โดยน้ำหนัก อุณหภูมิการปรับสภาพ 100 องศาเซลเซียส และระยะเวลาในการปรับสภาพ 5 ชั่วโมง ซึ่งสามารถกำจัดลิกนินจาก NG ได้ร้อยละ 63.9 ? 1.8 โดยน้ำหนัก ในขณะที่สภาวะที่เหมาะสมในการปรับสภาพ OPF คือ อัตราส่วน LA:ChCl เท่ากับ 10.6:1 โมลต่อโมล ชีวมวลเริ่มต้นร้อยละ 5.4 โดยน้ำหนัก อุณหภูมิการปรับสภาพ 100 องศาเซลเซียส และระยะเวลาในการปรับสภาพ 8 ชั่วโมง ซึ่งสามารถกำจัดลิกนินจาก OPF ได้ร้อยละ 52.2 ? 1.7 โดยน้ำหนัก เมื่อนำ PNG และ POPF ไปใช้เป็นวัตถุดิบในการหมักแบบขั้นตอนเดียวในสภาพของแข็งภายใต้สภาวะที่เหมาะสมโดยใช้กลุ่มเชื้อ KKU-MC1 และ H2 producer ร่วมกัน สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ 0.9 ? 0.1 และ 0.6 ? 0.0 มิลลิลิตรต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย ตามลำดับ โดยมีสภาวะที่เหมาะสมต่อการหมัก PNG คือ ความชื้นเริ่มต้นของวัตุดิบร้อยละ 71 โดยน้ำหนัก อัตราส่วนกลุ่มเชื้อ KKU-MC1 ต่อชีวมวล และอัตราส่วนกลุ่มเชื้อ H2 producer ต่อชีวมวล ร้อยละ 17 และ 20 โดยปริมาตรต่อน้ำหนัก ตามลำดับ และสภาวะที่เหมาะสมต่อการหมัก POPF คือ ความชื้นเริ่มต้นของวัตุดิบร้อยละ 71.5 โดยน้ำหนัก อัตราส่วนกลุ่มเชื้อ KKU-MC1 ต่อชีวมวล และอัตราส่วนกลุ่มเชื้อ H2 producer ต่อชีวมวล ร้อยละ 30.0 และ 15.5 โดยปริมาตรต่อน้ำหนัก ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ค่าผลได้ไฮโดรเจนที่ได้จากการทดลองมีค่าค่อนข้างต่ำ จึงศึกษาเพิ่มเติมโดยใช้เอนไซม์เซลลูเลสทางการค้า (Cellic? CTec3) ทดแทนกลุ่มเชื้อ KKU-MC1 และใช้กลุ่มเชื้อ H2 producer ในการผลิตไฮโดรเจน จากการทดลองสามารถผลิตไฮโดรเจนจาก PNG และ POPF ได้เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเป็น 2.5 ? 0.2 และ 1.1 ? 0.1 มิลลิลิตรต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย ตามลำดับ และได้ศึกษาการใช้กลุ่มเชื้อ KKU-MC1 ร่วมกับกลุ่มเชื้อจุลินทรีย์ผสมที่ได้จากระบบบำบัดน้ำเสียแบบไร้อากาศ (anaerobic granules, AG) ทดแทนกลุ่มเชื้อ H2 producer แต่ไม่สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ ดังนั้น จึงศึกษาเพิ่มเติมโดยใช้เซลลูเลสทางการค้า (Cellic? CTec3) ร่วมกับกลุ่มเชื้อ AG ในการหมัก PNG และ POPF โดยศึกษาผลของความเข้มข้นชีวมวลต่อการผลิตไฮโดรเจน โดยแปรผันความเข้มข้นของ PNG และ POPF ในช่วง 100 ถึง 178 กรัมต่อลิตร จากการทดลองพบว่าการใช้เซลลูเลสทางการค้าและกลุ่มเชื้อ AG ร่วมกัน สามารถเพิ่มการผลิตไฮโดรเจนจาก PNG ได้ โดยการใช้ PNG เข้มข้น 125 กรัมต่อลิตรให้ค่าผลได้ของไฮโดรเจนสูงสุด คือ 32.6 ? 0.8 มิลลิลิตรต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย เมื่อศึกษาการใช้ POPF เป็นวัตถุดิบ สามารถผลิตไฮโดรเจนได้สูงสุดเท่ากับ 23.4 ? 0.7 มิลลิลิตรต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย เมื่อใช้ POPF เข้มข้น 100 กรัมต่อลิตร นอกจากนี้ เมื่อใช้ข้อมูลผลการปรับสภาพ NG และ OPF ในระดับห้องปฏิบัติการในการออกแบบต้นแบบถังปรับสภาพวัตถุดิบขนาด 100 ลิตร พบว่าการขยายขนาดการปรับสภาพเป็นระดับโรงงานต้นแบบ (pilot scale) ไม่ส่งผลต่อการกำจัดลิกนินจากชีวมวลทั้งสองชนิด โดยสามารถกำจัดลิกนินจาก NG และ OPF ได้ร้อยละ 58.8 ? 4.4 และร้อยละ 56.4 ? 1.0 โดยน้ำหนัก ตามลำดับ ผลการวิจัยที่ได้จากโครงการวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่า NG และ OPF เป็นวัตถุดิบที่มีศักยภาพ และการหมักแบบขั้นตอนเดียวในสภาพของแข็งมีศักยภาพในการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลทั้งสองชนิดได้ นอกจากนี้ การศึกษาการขยายขนาดการปรับสภาพชีวมวลในระดับโรงงานต้นแบบยังแสดงให้เห็นว่าตัวทำละลาย DES เป็นตัวทำละลายที่มีศักยภาพในการกำจัดลิกนินจากชีวมวล และสามารถขยายขนาดการปรับสภาพได้โดยไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการกำจัดลิกนิน อย่างไรก็ตาม การประเมินความเป็นไปได้เบื้องต้นของกระบวนการแสดงให้เห็นว่ายังไม่สามารถนำกระบวนการดังกล่าวไปใช้ในการผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้ เนื่องจากมีค่าผลได้ไฮโดรเจน ค่าผลได้พลังงาน และปริมาณการลดการปล่อยแก๊สเรือนกระจกค่อนข้างต่ำ จึงต้องศึกษาเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการ โดยเน้นการเพิ่มประสิทธิภาพในขั้นตอนการย่อยชีวมวลเป็นน้ำตาลและการหมักไฮโดรเจน เนื่องจากเป็นขั้นตอนที่ต้องใช้กลุ่มเชื้อหรือเอนไซม์ที่มีประสิทธิภาพสูงในกระบวนการเพื่อให้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้สูง โครงการวิจัยย่อยที่ 3 มีวัตถุประสงค์ เพื่อพัฒนาต้นแบบระบบการผลิตไฮโดรเจนจาก NG และ OPFด้วยกระบวนการหมักแบบอาหารเหลว (submerge state fermentation) ทำการทดลองระดับการหมักแบบกะและแบบป้อนกึ่งต่อเนื่องในระดับขยายขนาด การหมักแบบกะจะใช้กระบวนการ SSF และใช้กลุ่มเชื้อ KKU-MC1 และ กลุ่มเชื้อ H2 producer ในรูปแบบ cell suspension (จากโครงการวิจัยย่อยที่ 1) สำหรับผลิตเอนไซม์ย่อยชีวมวลและผลิตไฮโดรเจน ตามลำดับ ผลการทดลองพบว่าในกระบวนการ SSF การใช้ชีวมวลที่ไม่ผ่านการปรับสภาพให้ค่าผลได้ไฮโดรเจนสูงกว่าชีวมวลที่ปรับสภาพด้วย DES (จากโครงการวิจัยย่อยที่ 2) และการใช้ NG ที่ไม่ผ่านการปรับสภาพเพียงอย่างเดียว ณ อัตราส่วน S/I เท่ากับ 4 และความเข้มข้นของสับเสตรทเริ่มต้น 35 g-VS/L ให้ผลได้ไฮโดรเจนสูงสุดเท่ากับ 42.4 mL-H2/g-VS และเมื่อเติม FeCl2 และ NiCl2 เพื่อกระตุ้นการทำงานของเอนไซม์ไฮโดรจีเนสในการผลิตพบว่า การเติม NiCl2 ที่ความเข้มข้น 17.5 mg/L และไม่เติม FeCl2 ช่วยส่งเสริมให้การผลิตไฮโดรเจนดีขึ้น โดยให้ค่าผลได้ไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นถึง 11 % (46.9 mL-H2/g-VS) อย่างไรก็ตามค่าผลได้ไฮโดรเจนที่ได้ก็ยังค่อนข้างต่ำ ยิ่งไปกว่านั้นยังพบว่ามีการผลิตมีเทนเกิดขึ้นในระบบ เนื่องจากในกลุ่มเชื้อ KKU-MC1 มีเชื้อกลุ่มที่ผลิตมีเทนอยู่ ดังนั้นผู้วิจัยจึงได้หาแนวทางที่จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตโดยการเติมสาร BES เพื่อยับยั้งกลุ่มเชื้อผลิตมีเทนในกลุ่มเชื้อ KKU-MC1 และเพิ่มผลได้ไฮโดรเจนโดยการใช้กระบวนการพรีไฮโดรไลซีสให้ได้น้ำตาลด้วยกลุ่มเชื้อ KKU-MC1 และการหมักให้ได้ไฮโดรเจนด้วยเชื้อ H2 producer (Pre-HF) (ดำเนินการทดลองโดยโครงการวิจัยย่อยที่ 1) จากผลการทดลองของโครงการวิจัยย่อยที่ 1 พบว่าการเติม 10 mM BES ช่วยยับยั้งกลุ่มเชื้อผลิตมีเทนได้ (กลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1) และการใช้กระบวนการ Pre-HF ของ NG และ OPF ที่ไม่ผ่านการปรับสภาพ ณ อัตราส่วน (NP:OPF) 0.50:0.50 ที่ความเข้มข้นของสับสเตรทเริ่มต้น 10 g-VS/L จะให้ผลได้ไฮโดรเจนที่ดีที่สุดเท่ากับ 109.1 mL-H2/g-VS ดังนั้นในการผลิตระดับขยายขนาดในถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 100 ลิตร จึงใช้สภาวะที่ได้จากโครงการวิจัยย่อยที่ 1 ในการออกแบบ โดยผลการทดลองพบว่า การพรีไฮโดรไลซีส NG และ OPF ด้วยกลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 สามารถย่อย NG และ OPF พร้อมทั้งผลิตไฮโดรเจน โดยมีค่าอัตราการผลิตไฮโดรเจนและค่าผลได้ไฮโดรเจนเท่ากับ 37.4 ? 2.92 mL/L.d และ 22.4 ? 1.30 mL/-VS ตามลำดับ เมื่อนำไฮโดรไลเสตไปหมักเพื่อให้ได้ไฮโดรเจนด้วยกลุ่มเชื้อ H2 producer และแปรผัน HRT ที่ 4 และ 3 วัน พบว่าที่ HRT เท่ากับ 3 วัน จะให้อัตราการผลิตไฮโดรเจนสูงกว่าที่ HRT 4 วัน และเมื่อมีการหยุดระบบจนอัตราการผลิตไฮโดรเจนเป็น 0 และกู้คืนด้วยการป้อนสับสเตรทที่เติม Ni, Mo, Co และ Se ที่ความเข้มข้น 10, 0.5, 1 และ 0.5 mg/L ที่ HRT เท่ากับ 3 วัน สามารถกู้คืนระบบการผลิตไฮโดรเจนได้ โดยให้ผลได้ไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นเป็น 27.7 mL-H2/g-VS ณ สภาวะดังกล่าวได้อัตราการผลิตไฮโดรเจนเท่ากับ 90.0 mL-H2/L?d โดยสรุปการผลิตไฮโดรเจนจากการหมักร่วมของหญ้าเนเปียร์และทางใบปาล์มด้วยกระบวนการ Pre-HF ในถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 100 ลิตร ให้ค่าอัตราการผลิตไฮโดรเจนและค่าผลได้ไฮโดรเจนเท่ากับ 127.4 mL-H2/L?d และ 50.1 mL-H2/g-VS ตามลำดับ เมื่อคำนวณค่าเชิงเศรษฐศาสตร์ของระบบต้นแบบพบว่า ระบบต้นแบบขนาด 100 ลิตร มีต้นทุนในการผลิตเท่ากับ 7 Baht/L-H2 และการใช้ NG และ OPF สด 1 ตัน ในการผลิตไฮโดรเจนแบบ Pre-HF ในถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 100 ลิตร จะให้ค่าผลได้ไฮโดรเจนสูงสุดเท่ากับ 9,305 ลิตร คิดเป็นค่าพลังงานที่ผลิตได้ 119 MJ และเมื่อนำไฮโดรเจนที่ได้จากกระบวนการไปผลิตกระแสไฟฟ้าแทนการเชื้อเพลิงจากฟอสซิล พบว่าสามารถลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (GHG) ได้ถึง 4.78 x 10-6 Mton-CO2eq/year

คำสำคัญ