การพัฒนาหัวเชื้อที่มีประสิทธิภาพในการผลิตไบโอไฮโดรเจนจากชีวมวลลิกโนเซลลูโลส

บทคัดย่อ

ไฮโดรเจนเป็นพลังงานสะอาด เพราะเมื่อเกิดการเผาไหม้จะได้ผลพลอยได้เป็นน้ำ ซึ่งแตกต่างจากเชื้อเพลิงฟอสซิลที่ ให้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งทำให้เกิดภาวะโลกร้อน ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้จากวัสดุประเภทลิกโนเซลลูโลสที่ หลากหลาย อย่างไรก็ตามการใช้วัสดุลิกโนเซลลูโลสเพื่อผลิตไฮโดรเจนโดยไม่ผ่านการปรับสภาพจะให้ผลผลิตไฮโดรเจนต่ำ เนื่องจากมีโครงสร้างของลิกนินห่อหุ้มโครงสร้างของเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลส จึงทำให้การย่อยสลายด้วยเอนไซม์หรือ จุลินทรีย์เป็นไปได้ยาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับสภาพวัสดุประเภทลิกโนเซลลูโลสเพื่อกำจัดลิกนินและลดผ ลึกของ เซลลูโลส ทำให้เอนไซม์สามารถเข้าถึงเซลลูโลสได้ง่ายขึ้นและถูกย่อยสลายไปเป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวเพื่อผลิตไฮโดรเจน โครงการวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ คือ เพื่อพัฒนากลุ่มเชื้อย่อยสลายเซลลูโลส (modified KKU-MC1) และกลุ่มเชื้อผลิต ไฮโดรเจน (H2 producer) และรูปแบบของกลุ่มเชื้อที่เหมาะสมต่อการย่อยสลายหญ้าเนเปียร์ (Napier grass: NG) และ ทางใบปาล์ม (Oil palm frond: OPF) ที่ไม่ผ่านการปรับสภาพ และหญ้าเนเปียร์ (Pretreated Napier grass: PNG) และ ทางใบปาล์ม (Pretreated Oil palm frond: POPF) ที่ผ่านการปรับสภาพด้วยสารละลายดีพยูเทคติกก่อนนำมาผลิต ไฮโดรเจนแบบกะ โดยกระบวนการผลิตไฮโดรเจนสองรูปแบบ คือ 1) Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) ซึ่งเป็นการย่อย NG และ OPF ให้ได้น้ำตาลด้วยกลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 พร้อมกับการหมัก เพื่อผลิตไฮโดรเจนด้วยกลุ่มเชื้อ H2 producer 2) การพรีไฮโดรไลซีส NG และ OPF ด้วยกลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 เป็นเวลา 5 วัน และการหมักเพื่อผลิตไฮโดรเจนด้วยกลุ่มเชื้อ H2 producer (Prehydrolysis and fermentation: PreHF) จากการทดลองพบว่า กลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 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 KKUMC1 และ H2 producer มียีนที่เกี่ยวข้องกับเอนไซม์ย่อยสลายผนังเซลล์พืช โอลิโกแซ็กคาไรด์ เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และลิกนิน เช่น cellobiohydrolase, ?-galactosidase endoglucanase และ laccase เป็นต้น เมื่อนำกลุ่มเชื้อทั้งสอง ไปใช้ในการผลิตไฮโดรเจนพบว่า กระบวนการผลิตไฮโดรเจนแบบ Pre-HF จากการ co-digestion ของ NG: OPF ที่ อัตราส่วน 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 LH2/ton-FW และมีอัตราการผลิตไฮโดรเจนเท่ากับ 174.3 mL-H2/L.d มีผลได้พลังงานต่อปีเท่ากับ 85,309.1 MJ/tonFW.year สามารถลดการปล่อยแก๊สเรือนกระจกต่อปีเท่ากับ 10.4 x 10-6 Mton-CO2eq/ton-FW.year และมีต้นทุนใน การผลิตไฮโดรเจนเท่ากับ 1.2 Baht/L-H2 เมื่อใช้สารเคมีเกรดอุตสาหกรรม องค์ความรู้จากโครงการวิจัยนี้สามารถนำไป ประยุกต์ใช้กับชีวมวลลิกโนเซลลูโลส เพื่อย่อยชีวมวลลิกโนเซลลูโสสให้ได้น้ำตาลด้วยกลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 ก่อน นำไปผลิตไฮโดรเจนโดยใช้กลุ่มเชื้อ H2 producer รวมถึงรูปแบบของกระบวนการผลิตไฮโดรเจนที่มีศักยภาพในการผลิต ไฮโดรเจน

คำสำคัญ