การผลิตไฮโดรเจนจากหญ้าเนเปียร์และทะลายปาล์มเปล่าด้วยกระบวนการหมักแบบขั้นตอนเดียวในสภาพของแข็ง

บทคัดย่อ

โครงการวิจัยย่อยที่ 2 มีวัตถุประสงค์ เพื่อพัฒนากระบวนการหมักแบบขั้นตอนเดียวในสภาพของแข็ง (solid-state fermentation) โดยการย่อยสลายชีวมวลและหมักไฮโดรเจนในขั้นตอนเดียวในสภาวะที่ไม่มีน้ำ อิสระในระบบ โดยใช้NG 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) เพื่อศึกษาการผลิตไฮโดรเจนจากหญ้าเนเปียร์และทางใบปาล์มด้วยกระบวนการหมักแบบขั้นตอน เดียวในสภาพของแข็งในระดับห้องปฏิบัติการ และ (3) เพื่อสร้างต้นแบบกระบวนการปรับสภาพวัตถุดิบด้วย ตัวทำละลายดีพยูเทคติก การวิจัยดำเนินการโดยการหาสภาวะที่เหมาะสมในการปรับสภาพ NG และ OPF โดยใช้วิธีพื้นผิวตอบสนอง (response surface methodology, RSM) แบบส่วนประสมกลาง (central composite design, CCD) จากนั้นศึกษาการผลิตไฮโดรเจนจากหญ้าเนเปียร์ที่ผ่านการปรับสภาพ (PNG) และ ทางใบปาล์มที่ผ่านการปรับสภาพ (POPF) โดยการหาสภาวะที่เหมาะสมในการหมักด้วยวิธี RSM แบบ BoxBehnken Design (BBD) นอกจากนี้ ยังได้พัฒนาต้นแบบถังปรับสภาพวัตถุดิบขนาด 100 ลิตร เพื่อใช้ในการ ปรับสภาพชีวมวลด้วยตัวทำละลาย 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 และระยะเวลา ในการปรับสภาพ 8 ชั่วโมง ซึ่งสามารถกำจัดลิกนินจาก OPF ได้ร้อยละ 52.2 ? 1.7 โดยน้ำหนัก เมื่อนำ PNG และ POPF ไปใช้เป็นวัตถุดิบในการหมักแบบขั้นตอนเดียวในสภาพของแข็งภายใต้สภาวะที่เหมาะสมโดยใช้ กลุ่มเชื้อ KKU-MC1 และ H2 producer ร่วมกัน สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ 0.9 ? 0.1 และ 0.6 ? 0.0 มิลลิลิตรต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย ตามลำดับ โดยมีสภาวะที่เหมาะสมต่อการหมัก PNG คือ ความชื้นเริ่มต้น ของวัตุดิบร้อยละ 71 โดยน้ำหนัก อัตราส่วนกลุ่มเชื้อ KKU-MC1 ต่อชีวมวล และอัตราส่วนกลุ่มเชื้อ H2 producer ต่อชีวมวล ร้อยละ 17 และ 20 โดยปริมาตรต่อน้ำหนัก ตามลำดับ และสภาวะที่เหมาะสมต่อการ หมัก POPF คือ ความชื้นเริ่มต้นของวัตุดิบร้อยละ 71.5 โดยน้ำหนัก อัตราส่วนกลุ่มเชื้อ KKU-MC1 ต่อชีวมวล และอัตราส่วนกลุ่มเชื้อ H2 producer ต่อชีวมวล ร้อยละ 30.0 และ 15.5 โดยปริมาตรต่อน้ำหนัก ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ค่าผลได้ไฮโดรเจนที่ได้จากการทดลองมีค่าค่อนข้างต่ำ จึงศึกษาเพิ่มเติมโดยใช้เอนไซม์เซลลูเลส ทางการค้า (Cellic? CTec3) ทดแทนกลุ่มเชื้อ KKU-MC1 และใช้กลุ่มเชื้อ H2 producer ในการผลิต ไฮโดรเจน จากการทดลองสามารถผลิตไฮโดรเจนจาก PNG และ POPF ได้เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเป็น 2.5 ? 0.2 และ 1.1 ? 0.1 มิลลิลิตรต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย ตามลำดับ และได้ศึกษาการใช้กลุ่มเชื้อ KKU-MC1 ร่วมกับ กลุ่มเชื้อจุลินทรีย์ผสมที่ได้จากระบบบำบัดน้ำเสียแบบไร้อากาศ (anaerobic granules, AG) ทดแทนกลุ่มเชื้อ H2 producer แต่ไม่สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ ดังนั้น จึงศึกษาเพิ่มเติมโดยใช้เซลลูเลสทางการค้า (Cellic? CTec3) ร่วมกับกลุ่มเชื้อ AG ในการหมัก PNG และ POPF โดยศึกษาผลของความเข้มข้นชีวมวลต่อการผลิต ไฮโดรเจน โดยแปรผันความเข้มข้นของ PNG และ POPF ในช่วง 100 ถึง 178 กรัมต่อลิตร จากการทดลอง พบว่าการใช้เซลลูเลสทางการค้าและกลุ่มเชื้อ AG ร่วมกัน สามารถเพิ่มการผลิตไฮโดรเจนจาก PNG ได้ โดย การใช้ PNG เข้มข้น 125 กรัมต่อลิตรให้ค่าผลได้ของไฮโดรเจนสูงสุด คือ 32.6 ? 0.8 มิลลิลิตรต่อกรัมของแข็ง ระเหยง่าย เมื่อศึกษาการใช้ POPF เป็นวัตถุดิบ สามารถผลิตไฮโดรเจนได้สูงสุดเท่ากับ 23.4 ? 0.7 มิลลิลิตร ต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย เมื่อใช้ POPF เข้มข้น 100 กรัมต่อลิตร นอกจากนี้ เมื่อใช้ข้อมูลผลการปรับสภาพ NG และ OPF ในระดับห้องปฏิบัติการในการออกแบบต้นแบบถังปรับสภาพวัตถุดิบขนาด 100 ลิตร พบว่าการ ขยายขนาดการปรับสภาพเป็นระดับโรงงานต้นแบบ (pilot scale) ไม่ส่งผลต่อการกำจัดลิกนินจากชีวมวลทั้ง สองชนิด โดยสามารถกำจัดลิกนินจาก NG และ OPF ได้ร้อยละ 58.8 ? 4.4 และร้อยละ 56.4 ? 1.0 โดย น้ำหนัก ตามลำดับ ผลการวิจัยที่ได้จากโครงการวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่า NG และ OPF เป็นวัตถุดิบที่มีศักยภาพและการหมักแบบขั้นตอนเดียวในสภาพของแข็งมีศักยภาพในการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลทั้งสองชนิดได้ นอกจากนี้ การศึกษาการขยายขนาดการปรับสภาพชีวมวลในระดับโรงงานต้นแบบยังแสดงให้เห็นว่าตัวทำ ละลาย DES เป็นตัวทำละลายที่มีศักยภาพในการกำจัดลิกนินจากชีวมวล และสามารถขยายขนาดการปรับ สภาพได้โดยไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการกำจัดลิกนิน อย่างไรก็ตาม การประเมินความเป็นไปได้ เบื้องต้นของกระบวนการแสดงให้เห็นว่ายังไม่สามารถนำกระบวนการดังกล่าวไปใช้ในการผลิตในระดับ อุตสาหกรรมได้ เนื่องจากมีค่าผลได้ไฮโดรเจน ค่าผลได้พลังงาน และปริมาณการลดการปล่อยแก๊สเรือนกระจก ค่อนข้างต่ำ จึงต้องศึกษาเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการ โดยเน้นการเพิ่มประสิทธิภาพใน ขั้นตอนการย่อยชีวมวลเป็นน้ำตาลและการหมักไฮโดรเจน เนื่องจากเป็นขั้นตอนที่ต้องใช้กลุ่มเชื้อหรือเอนไซม์ ที่มีประสิทธิภาพสูงในกระบวนการเพื่อให้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้สูง

คำสำคัญ