การผลิตไบโอไฮโดรเจนจากหญ้าเนเปียร์และทางใบปาล์มด้วยกระบวนการย่อยให้เป็นน้ำตาลพร้อมกับการหมัก

บทคัดย่อ

โครงการวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาต้นแบบระบบการผลิตไฮโดรเจนจากหญ้าเนเปียร์และทางใบปาล์มด้วยกระบวนการหมักแบบอาหารเหลว (submerge state fermentation) เริ่มต้นทำการทดลองในกระบวนการหมักแบบกะด้วยกระบวนการ SSF ใช้กลุ่มเชื้อ KKU-MC1 และกลุ่มเชื้อ H2 producer ในรูปแบบ cell suspension (จากโครงการวิจัยย่อยที่ 1) เป็นกลุ่มเชื้อเริ่มต้น ใช้หญ้าเนเปียร์ (NG) และทางใบปาล์ม (OPF) ที่ไม่ผ่านการปรับสภาพ และหญ้าเนเปียร์ (PNG) และทางใบปาล์ม (POPF) ที่ผ่านการปรับสภาพด้วยตัวทำละลายดีพยูเทคติก ผลการทดลองพบว่าในกระบวนการ SSF การใช้ชีวมวลที่ไม่ผ่านการปรับสภาพให้ค่าผลได้ไฮโดรเจนสูงกว่าชีวมวลที่ปรับสภาพ 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 ร่วมกับ OPF ณ อัตราส่วน (NP:OPF) 1:1 ที่ความเข้มข้นของสับสเตรทเริ่มต้น 10 g-VS/L จะให้ผลได้ไฮโดรเจนที่ดีที่สุดเท่ากับ 109.1 mL-H2/g-VS ดังนั้นในการผลิตระดับขยายขนาดในถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 100 ลิตร จึงใช้สภาวะที่ได้จากโครงการวิจัยย่อยที่ 1 ในการออกแบบ ผลการทดลองพบว่าการพรีไฮโดรไลซีส NG ร่วมกับ OPF ด้วยกลุ่มเชื้อ modified KKU-MC1 สามารถย่อย NG และ OPF พร้อมทั้งผลิตไฮโดรเจน โดยให้ค่าอัตราการผลิตไฮโดรเจนและค่าผลได้ไฮโดรเจนเท่ากับ 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 และเมื่อมีการหยุดระบบจนอัตราการผลิตไฮโดรเจนเป็นศูนย์ 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 โดยสรุปค่าอัตราการผลิตไฮโดรเจนและค่าผลได้ไฮโดรเจนของระบบต้นแบบ Pre-HF ขนาด 100 ลิตร มีค่าเท่ากับ 127.4 mL-H2/L?d และ 50.1 mL-H2/g-VS ตามลำดับ เมื่อคำนวณค่าเชิงเศรษฐศาสตร์ของต้นแบบพบว่า การใช้หญ้าเนเปียร์และทางใบปาล์มสด 1 ตัน ในการผลิตไฮโดรเจนแบบ Pre-HF ในถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 100 ลิตร จะให้ค่าผลได้ไฮโดรเจนสูงสุดเท่ากับ 9,305 ลิตร คิดเป็นค่าพลังงานเท่ากับ 119 MJ และเมื่อนำไฮโดรเจนที่ได้ไปผลิตกระแสไฟฟ้าแทนการเชื้อเพลิงจากฟอสซิล พบว่าสามารถลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (GHG) ที่เทียบเท่าคาร์บอนไดออกไซด์เท่ากับ 4.78 x 10-6 Mton-CO2eq/year

คำสำคัญ