ปิยะวดี รักหนองแซง และ อลิศรา เรืองแสง การผลิตไฮโดรเจนจากน้ำบีบของเหลือทิ้งสับปะรดโดยแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสายพันธุ์ Rhodospirillum rubrum โดย ปิยะวดี รักหนองแซง และ อลิศรา เรืองแสง

เกิดมลภาวะน้อยกว่าการใช้ เชื้อเพลิงจากซากดึกดำบรรพ์ Why hydrogen? เป็นแก๊สในอุดมคติ เกิดมลภาวะน้อยกว่าการใช้ เชื้อเพลิงจากซากดึกดำบรรพ์ หลังการเผาไหม้เกิดไอน้ำ

ประโยชน์ของไฮโดรเจน เซลล์เชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ เซลล์เชื้อเพลิงในการผลิตกระแสไฟฟ้า ตัวทำปฏิกิริยาในกระบวนการผลิตไฮโดรเจน กำจัดออกซิเจนป้องกันการเกิดออกซิเดชัน เซลล์เชื้อเพลิงจรวด สารหล่อเย็นในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

การผลิตไฮโดรเจน การเกิด gasification ของถ่านหิน การเกิด steam reforming ของแก๊สธรรมชาติ การใช้ไฟฟ้าผลิตไฮโดรเจนจากน้ำ กระบวนการ photoelectrolysis การแตกตัวของน้ำโดยอาศัยความร้อน การผลิตไฮโดรเจนจากกระบวนการทางชีวภาพ

การผลิต H2 จากกระบวนการทางชีวภาพ เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ผลิตได้จากทรัพยากรประเภทที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ เป็นกระบวนการที่ไม่ใช้ออกซิเจน ผลิตได้โดยจุลินทรีย์หลากหลายประเภท เช่น แบคทีเรียสังเคราะห์แสง, สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน, สาหร่ายสีเขียว และ fermentative bacteria

กระบวนการหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจน กลูโคสเปลี่ยนเป็น H2 และ VFAs โดยแบคทีเรียที่ไม่ต้องการ O2 C6H12O6 CH3CH2CH2COOH + 2CO2 + 2H2 C6H12O6 + 2H2O 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2 VFAs เปลี่ยนเป็น H2 โดยแบคทีเรียสังเคราะห์แสง CH3COOH + 2 H2O 4H2 + 2CO2 CH3(CH2)COOH + 2 H2O 2H2 + 2CH3COOH + 2CO2

ทำไมต้องเป็นแบคทีเรียสังเคราะห์แสง ? เปลี่ยนสารตั้งต้นไปเป็น H2 yield สูง ปราศจาก O2 ซึ่งเป็นตัวยับยั้งกระบวนการหมักทางชีวภาพ รับพลังงานจากแสงได้หลายความยาวคลื่น ใช้สารตั้งต้นซึ่งเป็นสารอินทรีย์ประเภทของเสียและน้ำเสียร่วมกับการบำบัด

ทำไมต้องเป็นของเหลือทิ้งสับปะรด? เป็นของเหลือทิ้งประเภทแกนและเปลือกจากอุตสาหกรรมผลไม้กระป๋อง น้ำบีบจากของเหลือทิ้งสับปะรดประกอบด้วยน้ำตาลและกรดอินทรีย์ในปริมาณสูง

ปัจจัยที่มีผลต่อการผลิตไฮโดรเจน แหล่งคาร์บอนและแหล่งไนโตรเจน แสง รูปแบบการให้แสง ความเป็นกรด-ด่าง (pH) อุณหภูมิ

วัตถุประสงค์ของการวิจัย เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการใช้ของเสียสับปะรดเพื่อผลิตไฮโดรเจนโดยแบคทีเรียสังเคราะห์แสง สายพันธุ์ R. rubrum - ปัจจัยที่ใช้ในการผลิตไฮโดรเจน ได้แก่ (1) total N (3 and 11 mM) (2) initial conc. of acetate and propionate (5, 10 and 20 mM) (3) light patterns continuous illumination (24 hours of light, 6000 lux) periodic illumination (12 hours light, 12 hours dark)

วิธีการทดลอง 40 ml (pH 7.0) Sterile at 110 oC for 10 min Illumination patterns continuous illumination periodic illumination Acetate and propionate: 5, 10 and 20 mM Total N: 3 and 11 mM

วิธีวิเคราะห์ข้อมูล VFAs (acetate, propionate, butyrate) by GC-FID Gas compositions (H2, CH4, CO2) by GC-TCD Glucose concentration by Somogi-Nelson method COD by closed reflux titrimetric method The total volume of biogas by water displacement in a burette Calculate the volume of H2 by using the mass balance eq. The cumulative H2 analyzed by the modified Gompertz eq.

ผลการวิจัย Compositions Values Glucose (mg/l) COD (mg/l) Acetate (mM) Table 1 The compositions of squeezed juice of pineapple waste Compositions Values Glucose (mg/l) COD (mg/l) Acetate (mM) Propionate (mM) Butyrate (mM) Lactate (mM) 63,600 34,000 5.28 1.92 5.33 22.45

Table 2 Kinetic parameters for hydrogen production from Table 2 Kinetic parameters for hydrogen production from squeezed juice of pineapple waste added with various initial acetate concentration at continuous light illumination Total N conc. (mM) Initial HAc  (h) Rm (ml/h) P (ml) Ps (ml H2/g COD) H2 yield (ml H2/g glucose) 3 11 5 10 20 0.25 0.42 0.80 0.70 2.20 0.90 4.29 4.2 3.78 4.7 6.65 5.31 121 177 149 218 211 278 89 130.25 109.5 160.25 155.25 204.5 44.25 64.75 54.5 79.75 77.25 101.75

Table 3 Kinetic parameters for hydrogen production from squeezed juice of pineapple waste added with various initial acetate concentration at periodic light illumination Total N conc. (mM) Initial HAc  (h) Rm (ml/h) P (ml) Ps (ml H2/g COD) H2 yield (ml H2/g glucose) 3 11 5 10 20 3.50 0.70 0.65 0.20 0.71 0.39 11.00 10.50 9.50 7.87 7.17 7.18 271 309 302 337 287 303 184.75 227.25 222 247.75 211 222.75 98.25 112 109.25 122 104 109.75

Table 4 Kinetic parameters for hydrogen production from squeezed juice of pineapple waste added with various initial propionate concentration at continuous light illumination Total N conc. (mM) Initial HPr  (h) Rm (ml/h) P (ml) Ps (ml H2/g COD) H2 yield (ml H2/g glucose) 3 11 5 10 20 2.50 0.83 0.10 7.30 3.80 3.90 5.01 2.65 4.20 3.20 181 225 125 111 194 133 165.5 92 81.5 142.25 66.25 82.5 45.75 40.75 71

Table 5 Kinetic parameters for hydrogen production from squeezed juice of pineapple waste added with various initial propionate concentration at periodic light illumination Total N conc. (mM) Initial HPr  (h) Rm (ml/h) P (ml) Ps (ml H2/g COD) H2 yield (ml H2/g glucose) 3 11 5 10 20 0.53 0.20 0.05 4.00 0.50 2.00 7.30 7.40 6.70 10.42 8.11 305 279 303 217 252 322 224.25 205.25 222.75 159.5 185.25 236.75 110.5 101 109.75 78.5 91.25 116.2

H2 H2 acetate propionate butyrate H2 accumulation glucose No. of cells H2 Figure 1 Effect of low level of total nitrogen (3 mM) and initial concentrations of propionate on hydrogen production by R. rubrum under periodic illumination.

H2 H2 acetate propionate butyrate H2 accumulation glucose No. of cells H2 Figure 2 Effect of high level of total nitrogen (11 mM) and initial concentrations of propionate on hydrogen production by R. rubrum under periodic illumination.

สรุปผลการวิจัย ระดับความเข้มข้นของไนโตรเจน(low 3 mM or high 11 mM) ไม่มีผลต่อการผลิตไฮโดรเจน จากน้ำบีบของเสียสับปะรดโดยแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสายพันธุ์ R. rubrum แหล่งไนโตรเจน (ammonium sulfate) และแหล่งคาร์บอน (acetate and propionate) ที่เติมลงไปในน้ำบีบของเสียสับปะรดไม่ได้ถูกใช้ในการผลิตไฮโดรเจนโดยแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสายพันธุ์ R. rubrum

สรุปผลการวิจัย (ต่อ) รูปแบบการให้แสงแบบ periodic illumination เกิดไฮโดรเจนมากกว่ารูปแบบการให้แสงแบบ continuous illumination น้ำบีบของเสียสับปะรดสามารถนำมาใช้ในการผลิตไฮโดรเจนโดยแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสายพันธุ์ R. rubrum ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องเติมแหล่งไนโตรเจนและแหล่งคาร์บอนอื่น

รศ.ดร.อลิศรา เรืองแสง อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ ACKNOWLEDGEMENTS รศ.ดร.อลิศรา เรืองแสง อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ บัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยขอนแก่น กองทุนส่งเสริมการอนุรักษ์พลังงาน สำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน