การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตก๊าซชีวภาพเพื่อใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม และชุมชน

Abstract

Rice straw, a common agricultural residue, is abundant in Thailand and can be converted to biogas to reduce dependence on fossil resources for energy. Biological degradation of rice straw followed by anaerobic digestion for biomethane production was investigated. Thermophilic lignocellulolytic bacteria for biological degradation were isolated from soil samples collected from Dong Han and Kok Soong National Forest around Roi-Et Rajabhat University, Roi-Et Province, Thailand. Cellulase and ligninolytic enzymes were assayed using standard microbiological methods. Isolate(s) with high cellulolytic and ligninolytic activities were then used to degrade rice straw in basal medium at 50 ± 2 °C. A total of 106 thermophilic bacterial isolates were sampled from soil, out of which 96 (90.6%) and 16 (15.1%) isolates tested positive for cellulolytic and ligninolytic activities, respectively. Unlike laccase and manganese peroxidase, lignin peroxidase activity was not detected. Isolate RUFR60 showed both high cellulolytic and ligninolytic activities. Total broth was anaerobically digested with rumen microorganisms in 1.2-m3 digester at 39 ± 0.5 °C for 30 days. Rice straw degraded for 15 days recorded significantly p < 0.05 higher biogas yield of 4,633.84 mL/day on day 1. Maximum methane yield 1,779.30 mL was recorded from 20 days degraded rice straw which was not significantly p > 0.05 different from that 1717.21 mL recorded from 15 days degraded rice straw. Optimal degradation period of 15 days with thermophilic lignocellulolytic bacteria was efficient and economical for from rice straw.

ฟางข้าวเป็นวัตถุดิบเหลือทิ้งทางการเกษตรพบได้ทั่วทุกภาคในประเทศไทย และสามารถนำมาผลิตก๊าซชีวภาพ เพื่อลดการพึ่งพาทรัพยากรฟอสซิล โดยในงานวิจัยนี้ศึกษาการย่อยสลายทางชีวภาพของฟางข้าวด้วยกระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน สำหรับการผลิตก๊าซชีวภาพ และแยกแบคทีเรียลิกโนเซลลูโลไลติกที่ชอบอุณหภูมิสูง สำหรับการย่อยสลายทางชีวภาพจากตัวอย่างดินที่เก็บจากป่าสงวนแห่งชาติดงฮัน และป่ากกสูง บริเวณมหาวิทยาลัยราชภัฏร้อยเอ็ด จังหวัดร้อยเอ็ด ในประเทศไทย นำมาทดสอบเอนไซม์เซลลูเลส และลิกนิโนไลติกใช้วิธีทางจุลชีววิทยามาตรฐาน จากนั้นใช้ไอโซเลทที่มีกิจกรรมเซลลูโลไลติก และลิกโนไลติกที่สูงในการย่อยสลายฟางข้าวที่อุณหภูมิ 50 ± 2 °C เก็บตัวอย่างแบคทีเรียที่ทนความร้อนได้ทั้งหมด 106 ตัวอย่างจากดิน โดยสามารถแยกไปทดสอบผลของกิจกรรมเซลลูโลไลติก และลิกนิโนไลติก ไอโซเลท 96 คิดเป็น 90.6 เปอร์เซ็นต์ และไอโซเลท 16 คิดเป็น 15.1เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ และไม่พบกิจกรรมของลิกนินเปอร์ออกซิเดส ซึ่งแตกต่างจากแลคเคส และแมงกานีสเปอร์ออกซิเดสโดยพบว่าไอโซเลท RUFR60 แสดงกิจกรรมเซลลูโลไลติกและลิกนิโนไลติกสูง จากนั้นนำน้ำตาลที่ย่อยสลายได้จากฟางข้าวมาผลิตก๊าซชีวภาพแบบไม่ใช้ออกซิเจน เติมจุลินทรีย์ของเหลวในกระเพาะสัตว์เคี้ยวเอื้องลงในบ่อหมักขนาด 1.2 ลูกบาศก์เมตร ที่อุณหภูมิ 39 ± 0.5 °C เป็นเวลา 30 วัน บันทึกผลการทดลองพบว่าที่เวลาในการหมัก 15 วัน แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญที่ค่า p < 0.05 ผลการทดลองพบว่าในวันที่ 1 สามารถผลิตก๊าซชีวภาพได้สูงที่สุด 4,633.84 มิลลิลิตร/วัน ในการผลิตก๊าซมีเทนวันที่ 20 สามารถผลิตก๊าซมีเทนได้สูงสุด 1,779.30 มิลลิลิตร และวันที่ 15 สามารถผลิตก๊าซมีเทนได้ 1,717.21 มิลลิลิตร ซึ่งไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญที่ค่า p > 0.05 จึงทำให้ระยะการผลิตก๊าซชีวภาพ 15 วัน เป็นระยะเวลาการย่อยสลายที่เหมาะสมที่สุดด้วยแบคทีเรียลิกโนเซลลูโลไลติกช่วงเทอร์โมฟิลิก โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาของเหลวในกระเพาะสัตว์เคี้ยวเอื้องช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตก๊าซชีวภาพ และลดระยะเวลาการผลิตก๊าซชีวภาพได้