การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตก๊าซไฮโดรเจนทางชีวภาพ โดยใช้ระบบเพาะเลี้ยงเชื้อแบบกึ่งต่อเนื่อง

บทคัดย่อ

ประสบความสำเร็จในการปรับปรุงระบบการผลิตพลังงานไฮโดรเจนจาก Rubrivivax gelatinosus SB24 โดยใช้ระบบการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบกึ่งต่อเนื่องทั้งแบบ repeated batch และ repeated fed batch และระบบที่ดีที่สุด คือ repeated batch ที่มีการถ่ายเทสารละลายทุกๆ 96 ชั่วโมง ปริมาตรสารละลายถ่ายเทเข้า-ออก คือ 25-50% ให้เวลาในการผลิตก๊าซนานขึ้นจาก 96 ชม.เป็น 365 ชม. การผลิตไฮโดรเจนสะสมมากขึ้น 3 เท่า ของการเพาะเลี้ยงแบบเบ็ดเสร็จ ปริมาณสารละลายเติมเข้า-เอาออก และเวลาในการถ่ายเทสารละลายมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพการผลิตก๊าซไฮโดรเจน ปัจจัยที่มีผลต่อการผลิตก๊าซไฮโดรเจนและการเจริญ ของแบคทีเรีย Rubrivivax gelatinosus SB24 ที่ใช้กำหนดค่าในการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบกึ่งต่อเนื่องทั้งแบบ repeated batch และ repeated fed batch ได้แก่ อายุเชื้อเริ่มต้นในช่วง late log phase ปริมาณเซลล์เริ่มต้น 0.21 มก.เซลล์แห้ง/มล., ความเข้มแสง 5,000-7,000 ลักส์ และปริมาณแหล่งไนโตรเจนที่จำกัด 0.5-5 mM จากการกำหนดปัจจัยต่าง ๆ ข้างต้น เมื่อเพาะเลี้ยงแบบเบ็ดเสร็จ (batch) Rubrivivax gelatinosus SB24 เริ่มผลิตก๊าซใน ชม.ที่ 24 ผลิตก๊าซได้นานเพียง 96 แล้วเริ่มช้าลงและหยุดในชม.ที่ 120 ผลิตไฮโดรเจนสะสมได้ 450-500 มล. ที่ชม.ที่ 96 ระบบการผลิตก๊าซที่ได้ผลดีที่สุด คือระบบกึ่งต่อเนื่องแบบ repeated batch โดยกำหนดปริมาณการถ่ายเทสารละลาย 50% ทุกรอบ พบว่าแบคทีเรียผลิตก๊าซได้ต่อเนื่อง ข้อได้เปรียบ คือ อัตราการผลิตคงที่ในทุกๆ รอบ แม้จะมีระยะเวลาที่ชะงักการผลิตก๊าซในแต่ละรอบหลังจากถ่ายเทสารละลายเฉลี่ย 40 ชม. ในชม.ที่ 365 ชม.(สิ้นสุดรอบที่ 3) ได้ไฮโดรเจนสะสมมากกว่า 1,300 มล.เล็กน้อย ซึ่งมากกว่าระบบเบ็ดเสร็จ 3 เท่า และยังสรุปว่า หากถ่ายเทสารละลายทุกๆ 96 ชั่วโมงโดยไม่รอให้หยุดการผลิตไฮโดรเจนในแต่ละรอบ โดยใช้ปริมาณการถ่ายเทสารละลาย 25% จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจน เนื่องจากให้ผลในการลดระยะเวลาที่ชะงักการผลิตก๊าซในแต่ละรอบลง 19 ชม. เมื่อใช้ระบบกึ่งต่อเนื่องแบบ repeated fed batch ที่อัตราการเติมอาหารใหม่ 5% ทุก 96 ชม. พบว่า แบคทีเรียสามารถผลิตก๊าซต่อเนื่อง โดยไม่มีระยะเวลาที่ชะงักการผลิตก๊าซในแต่ละรอบที่เติมอาหารใหม่ แต่อัตราการผลิตในรอบที่ 2 และ 3 ลดลงรอบละ 50% และหยุดผลิตในชม.ที่ 313 (สิ้นสุดรอบที่ 3) แม้จะเติมอาหารใหม่ในชม.ที่ 288 ก็ไม่พบการผลิตไฮโดรเจนอีกในรอบที่ 4 ได้ไฮโดรเจนสะสมทั้งหมดเฉลี่ย 800 มล. ซึ่งมากกว่าการเลี้ยงแบบ batch เกือบ 2 เท่า แต่น้อยกว่าระบบ repeated fed batch 1.6 เท่า อย่างไรก็ตาม กลุ่มผู้วิจัยได้พิจารณาถึงการศึกษาผลของการขยายขนาดการผลิตไฮโดรเจนในถัง reactor ที่ได้ออกแบบไว้ ขนาด 6-10 ลิตร ด้วยระบบกึ่งต่อเนื่อง แบบ repeated batch เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพต่อไป ประสบความสำเร็จในการปรับปรุงระบบการผลิตพลังงานไฮโดรเจนจาก Rubrivivax gelatinosus SB24 โดยใช้ระบบการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบกึ่งต่อเนื่องทั้งแบบ repeated batch และ repeated fed batch และระบบที่ดีที่สุด คือ repeated batch ที่มีการถ่ายเทสารละลายทุกๆ 96 ชั่วโมง ปริมาตรสารละลายถ่ายเทเข้า-ออก คือ 25-50% ให้เวลาในการผลิตก๊าซนานขึ้นจาก 96 ชม.เป็น 365 ชม. การผลิตไฮโดรเจนสะสมมากขึ้น 3 เท่า ของการเพาะเลี้ยงแบบเบ็ดเสร็จ ปริมาณสารละลายเติมเข้า-เอาออก และเวลาในการถ่ายเทสารละลายมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพการผลิตก๊าซไฮโดรเจน ปัจจัยที่มีผลต่อการผลิตก๊าซไฮโดรเจนและการเจริญ ของแบคทีเรีย Rubrivivax gelatinosus SB24 ที่ใช้กำหนดค่าในการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบกึ่งต่อเนื่องทั้งแบบ repeated batch และ repeated fed batch ได้แก่ อายุเชื้อเริ่มต้นในช่วง late log phase ปริมาณเซลล์เริ่มต้น 0.21 มก.เซลล์แห้ง/มล., ความเข้มแสง 5,000-7,000 ลักส์ และปริมาณแหล่งไนโตรเจนที่จำกัด 0.5-5 mM จากการกำหนดปัจจัยต่าง ๆ ข้างต้น เมื่อเพาะเลี้ยงแบบเบ็ดเสร็จ (batch) Rubrivivax gelatinosus SB24 เริ่มผลิตก๊าซใน ชม.ที่ 24 ผลิตก๊าซได้นานเพียง 96 แล้วเริ่มช้าลงและหยุดในชม.ที่ 120 ผลิตไฮโดรเจนสะสมได้ 450-500 มล. ที่ชม.ที่ 96 ระบบการผลิตก๊าซที่ได้ผลดีที่สุด คือระบบกึ่งต่อเนื่องแบบ repeated batch โดยกำหนดปริมาณการถ่ายเทสารละลาย 50% ทุกรอบ พบว่าแบคทีเรียผลิตก๊าซได้ต่อเนื่อง ข้อได้เปรียบ คือ อัตราการผลิตคงที่ในทุกๆ รอบ แม้จะมีระยะเวลาที่ชะงักการผลิตก๊าซในแต่ละรอบหลังจากถ่ายเทสารละลายเฉลี่ย 40 ชม. ในชม.ที่ 365 ชม.(สิ้นสุดรอบที่ 3) ได้ไฮโดรเจนสะสมมากกว่า 1,300 มล.เล็กน้อย ซึ่งมากกว่าระบบเบ็ดเสร็จ 3 เท่า และยังสรุปว่า หากถ่ายเทสารละลายทุกๆ 96 ชั่วโมงโดยไม่รอให้หยุดการผลิตไฮโดรเจนในแต่ละรอบ โดยใช้ปริมาณการถ่ายเทสารละลาย 25% จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจน เนื่องจากให้ผลในการลดระยะเวลาที่ชะงักการผลิตก๊าซในแต่ละรอบลง 19 ชม. เมื่อใช้ระบบกึ่งต่อเนื่องแบบ repeated fed batch ที่อัตราการเติมอาหารใหม่ 5% ทุก 96 ชม. พบว่า แบคทีเรียสามารถผลิตก๊าซต่อเนื่อง โดยไม่มีระยะเวลาที่ชะงักการผลิตก๊าซในแต่ละรอบที่เติมอาหารใหม่ แต่อัตราการผลิตในรอบที่ 2 และ 3 ลดลงรอบละ 50% และหยุดผลิตในชม.ที่ 313 (สิ้นสุดรอบที่ 3) แม้จะเติมอาหารใหม่ในชม.ที่ 288 ก็ไม่พบการผลิตไฮโดรเจนอีกในรอบที่ 4 ได้ไฮโดรเจนสะสมทั้งหมดเฉลี่ย 800 มล. ซึ่งมากกว่าการเลี้ยงแบบ batch เกือบ 2 เท่า แต่น้อยกว่าระบบ repeated fed batch 1.6 เท่า อย่างไรก็ตาม กลุ่มผู้วิจัยได้พิจารณาถึงการศึกษาผลของการขยายขนาดการผลิตไฮโดรเจนในถัง reactor ที่ได้ออกแบบไว้ ขนาด 6-10 ลิตร ด้วยระบบกึ่งต่อเนื่อง แบบ repeated batch เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพต่อไป

คำสำคัญ

DOI: 10.14457/ku.res.2010.25