การผลิตแก๊สไฮโดรเจนและมีเทนโดยการย่อยสลายร่วมแบบไร้อากาศสองขั้นตอน ของน้ำเสียจากโรงงานสกัดน้ำมันปาล์มกับสาหร่ายพุงชะโด

Abstract

โครงการวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ประโยชน์จากน้ำทิ้งจากโรงงานสกัดน้ำมันปาล์มสำหรับผลิตแก๊สไฮโดรเจนและมีเทน โดยการย่อยสลายร่วมกับสาหร่ายพุงชะโดด้วยกระบวนการไร้อากาศสองขั้นตอน ซึ่งมีการดำเนินงานทั้งแบบแบทช์และแบบต่อเนื่อง ในกระบวนการแบบแบทช์สองขั้นตอนที่อุณหภูมิเทอร์โมฟิลิก (55°C) สำหรับขั้นตอนที่หนึ่งและที่อุณหภูมิเมโซฟิลิก (35°C) สำหรับขั้นตอนที่สอง เมื่อใช้น้ำทิ้งจากโรงงานสกัดน้ำมันปาล์มร่วมกับสาหร่ายพุงชะโดที่ความเข้มข้นรวมเริ่มต้น 10 g-VS/Lsubstrate และมีอัตราส่วนผสมโดยปริมาณของของแข็งระเหยได้ (VS Basis) ต่าง ๆ (10:0, 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, 3:7, 2:8, 1:9 และ 0:10) ผลผลิตไฮโดรเจนสูงสุด 65.35±3.37 mL-H2/g-VSadded ได้จากการหมักที่อัตราส่วนการผสมของน้ำทิ้งจากโรงงานสกัดน้ำมันปาล์มและสาหร่ายพุงชะโด เท่ากับ 9:1 (VS Basis) ผลผลิตไฮโดรเจนดังกล่าวเพิ่มขึ้นร้อยละ 19 และร้อยละ 58 เมื่อเทียบกับการหมักเฉพาะน้ำทิ้งจากโรงงานสกัดน้ำมันปาล์มและสาหร่ายพุงชะโดตามลำดับ และน้ำหมักจากขั้นตอนที่หนึ่งที่อัตราส่วนการผสม 9:1 ให้ผลผลิตมีเทนเท่ากับ 360.7±18.0 mL-CH4/g-VSadded การศึกษาการผลิตไฮโดรเจนและมีเทนแบบต่อเนื่องด้วยกระบวนการไร้อากาศสองขั้นตอนในถังปฏิกรณ์กวนต่อเนื่องที่สภาวะอุณหภูมิ เมโซฟิลิก (35°C) และถังปฏิกรณ์ชนิดท่อไหลที่สภาวะอุณหภูมิบรรยากาศตามลำดับ พบว่าถังปฏิกรณ์กวนต่อเนื่องที่ควบคุมระยะเวลากักเก็บน้ำ 4 วัน โดยใช้ความเข้มข้นของสาหร่ายร้อยละ 10 (VS Basis) ของซับสเตรทรวมให้ผลผลิตไฮโดรเจนได้ 81±1.2 mL-H2/g-VSadded และถังปฏิกรณ์ชนิดท่อไหลที่ระยะเวลากักเก็บ 30 วัน ที่มีการป้อนน้ำหมักจากขั้นตอนการผลิตไฮโดรเจน สามารถผลิตมีเทนได้ 424±4.6 mL-CH4/g-VSadded น้ำหมักในขั้นตอนการผลิตไฮโดรเจนประกอบไปด้วยกลุ่มจุลินทรีย์หลักได้แก่กลุ่มแบคทีเรีย Clostridium sp., Enterobacter sp. ซึ่งเป็นกลุ่มแบคทีเรียผลิตไฮโดรเจนและกลุ่มแบคทีเรีย Weissella sp., Leuconostoc sp. และ Lactobacillus sp. ซึ่งเป็นกลุ่มแบคทีเรียผลิต แลคติกส่งผลให้ผลผลิตไฮโดรเจนลดลงได้ สำหรับน้ำหมักของขั้นตอนผลิตมีเทนพบกลุ่มจุลินทรีย์ อาเคียร์ Methanocorpusculum sp., Methanothrix sp. และ Methanoregula sp. ซึ่งเป็นกลุ่มอาเคียร์ผลิตมีเทน กระบวนการย่อยสลายร่วมไร้อากาศสองขั้นตอนในงานวิจัยนี้ให้ผลผลิตไฮโดรเจน 4.13 L-H2/ Lsubstrate และมีเทน 23.15 L-CH4/Lsubstrate ซึ่งเป็นค่าที่เป็นไปได้สำหรับการขยายขนาดกระบวนการย่อยสลายร่วมไร้อากาศสองขั้นตอนของน้ำทิ้งจากโรงงานสกัดน้ำมันปาล์มและสาหร่ายไปเป็นระดับอุตสาหกรรม งานวิจัยนี้ได้แสดงให้เห็นถึงแนวทางนวัตกรรมที่เป็นไปได้สำหรับการใช้น้ำทิ้งจากโรงงานสกัดน้ำมันปาล์มร่วมกับสาหร่ายพุงชะโดอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อผลิตแก๊สเชื้อเพลิงชีวภาพซึ่งเป็นแก๊สผสมระหว่างไฮโดรเจนและมีเทน The aim of this research project was to utilize palm oil mill effluent (POME) co-digesting with Ceratophyllum demersum for hydrogen and methane production by using the two-stage anaerobic process in both batch and continuous mode. In batch cultivation at the initial organic concentration of 10 g-VS/L, various POME: C. demersum mixing ratios (VS Basis) of 10:0, 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, 3:7, 2:8, 1:9 and 0:10 were investigated under thermophilic (55°C) and mesophilic (35°C) conditions for the first stage and the second stage, respectively. Highest hydrogen production yield of 65.35±3.37 mL-H2/g-VSadded was obtained from POME: C. demersumratio of 9:1 (VS basis), which is 19% and 58% higher than that from single fermentation of POME and C. demersum, respectively. Subsequent methane production yield of 360.7±18.0 mL-CH4/g-VSadded was achieved from hydrogenogenic effluent from POME: C. demersum ratio of 9:1 (VS basis). The two-stage anaerobic process for continuous hydrogen and methane production was subsequently investigated in the Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) operated under thermophilic (55°C) conditions and Plug Flow Reactor (PFR) operated at ambient condition, respectively. Specific hydrogen yield of 81±1.2 mL-H2/g-VSadded using 10% of VS from C. demersum concentration in a mixed-substrate was obtained by operating at hydraulic retention time (HRT) of 2 days and methane yield of 424±4.6 mL-CH4/g-VSadded was obtained by operating PFR at a hydraulic retention time (HRT) of 30 days. Dominant hydrogen-producing bacteria in CSTR were Clostridium sp. and Enterobacter sp. Existance of Weissella sp., Leuconostoc sp. and Lactobacillus sp. could possibly cause lowering hydrogen production. Meanwhile, PFR broth was dominated with methanogens of Methanocorpusculum sp., Methanothrix sp. and Methanoregula sp. Hydrogen and methane yields of 4.13 L-H2/ Lsubstrate and 23.15 L-CH4/Lsubstrate satisfactory obtained from the continuous two-stage anaerobic process could be enable potentially for scale-up this two-stage process to the industrial scale. This research work thus demonstrated a novel and feasible approach for co-digesting POME with C. demersumto generate valuable gaseous biofuel, mixed hydrogen-methane gas, efficiently.