การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตแก๊สมีเทนจากหญ้าเนเปียร์และหญ้าเนเปียร์หมักโดยการปรับสภาพด้วยน้ำร้อน
คำสำคัญ:
การปรับสภาพ, ลิกโนเซลลูโลส, การย่อยสลายแบบไร้อากาศ, แก๊สชีวภาพบทคัดย่อ
หญ้าเนเปียร์เป็นหญ้าที่เจริญเติบโตได้รวดเร็วและมีองค์ประกอบของสารอินทรีย์ที่สามารถย่อยสลายได้ในปริมาณมาก โดยเฉพาะโครงสร้างคาร์โบไฮเดรต ด้วยสมบัติดังกล่าว หญ้าเนเปียร์และหญ้าเนเปียร์หมักจึงได้รับความสนใจในการนำมาเป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตแก๊สมีเทนในระบบการย่อยสลายแบบไร้อากาศ อย่างไรก็ตาม หญ้าเนเปียร์เป็นวัตถุดิบจำพวกลิกโนเซลลูโลสซึ่งย่อยสลายได้ยากด้วยเชื้อจุลินทรีย์ในระบบไร้อากาศ จึงจำเป็นต้องมีการปรับสภาพวัตถุดิบเพื่อเพิ่มความสามารถในการผลิตแก๊สชีวภาพก่อนนำเข้าสู่กระบวนการย่อยสลายแบบไร้อากาศ การปรับสภาพด้วยน้ำร้อนเป็นวิธีที่สามารถทำลายพันธะและละลายน้ำตาลโมเลกุลใหญ่ โดยเฉพาะเฮมิเซลลูโลสได้ ส่งผลต่อการเพิ่มปริมาณของน้ำตาลไซโลสและลดปริมาณของสารพิษ เช่น เฟอฟูรอลและไฮดรอกซีเมทิลเฟอฟูรอล จากผลการทดลองพบว่า ปริมาณน้ำตาลไซโลส เฟอฟูรอลและไฮดรอกซีเมทิลเฟอฟูรอล เพิ่มสูงขึ้นตามอุณหภูมิ (140–200 องศาเซลเซียส) และระยะเวลาในการทำปฏิกิริยา (0–30 นาที) โดยสภาวะที่เหมาะสมที่ให้ปริมาณน้ำตาลไซโลสสูงสุดและปริมาณเฟอฟูรอลและไฮดรอกซีเมทิลเฟอฟูรอลต่ำสุดคือการปรับสภาพด้วยน้ำร้อนที่อุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 15 นาที สภาวะดังกล่าวส่งผลให้ปริมาณเฮมิเซลลูโลสในตัวอย่างถูกกำจัดออกไปมากกว่า 90% จากการศึกษาศักยภาพในการผลิตแก๊สมีเทนของหญ้าเนเปียร์และหญ้าเนเปียร์หมักที่ถูกปรับสภาพด้วยน้ำร้อนที่สภาวะดังกล่าว พบว่า มีปริมาณสูงกว่าตัวอย่างที่ไม่ปรับสภาพ 16% และ 23% ตามลำดับ
References
Department of Renewable Energy Development and Energy Efficiency, Ministry of Energy, 2015, Alternative Energy Development Plan: AEDP2015 [Online], Available http://www.eppo.go.th/images/POLICY/ENG/AEDP2015ENG.pdf [1 September 2020]
Zhou, X., Li, Q., Zhang, Y. and Gu, Y., 2017, “Effect of Hydrothermal Pretreatment on Miscanthus Anaerobic Digestion,” Bioresource Technology, 224, pp. 721-726.
Zhang, Y., Li, L., Kang, X., Sun, Y., Yuan, Z., Xing, T. and Lin, R., 2019, “Improving Methane Production from Pennisetum Hybrid by Monitoring Plant Height and Ensiling Pretreatment,” Renewable Energy, 141, pp. 57-63.
Amon, T., Amon, B., Kryvoruchko, V., Zollitsch, W., Mayer, K. and Gruber, L., 2007, “Biogas Production from Maize and Dairy Cattle Manure—Influence of Biomass Composition on the Methane Yield,” Agriculture, Ecosystems and Environment, 118 (1-4), pp. 173-182.
Kreuger, E., Nges, I.A. and Björnsson, L., 2011, “Ensiling of Crops for Biogas Production: Effects on Methane Yield and Total Solids Determination,” Biotechnology for Biofuels, 4 (1), pp. 44.
Wells, J.M., Drielak, E., Surendra, K.C. and Khanal, S.K., 2020, “Hot Water Pretreatment of Lignocellulosic Biomass: Modeling the Effects of Temperature, Enzyme and Biomass Loadings on Sugar Yield,” Bioresource Technology, 300, 122593.
Pardang, P., Sonwai, A., Pholchan, P., Nuntaphan, A., Juangjandee, P. and Totarat, N., 2020, “Potential of Lignin-Rich Grass, Pennisetum purpureum× Pennisetum typhoideum, as a Feedstock for Biogas Production,” Journal of Environmental Engineering, 146 (8).
Neshat, S.A., Mohammadi, M., Najafpour, G.D. and Lahijani, P., 2017, “Anaerobic Co-Digestion of Animal Manures and Lignocellulosic Residues as a Potent Approach for Sustainable Biogas Production,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 79, pp. 308-322.
Janke, L., Weinrich, S., Leite, A.F., Terzariol, F.K., Nikolausz, M., Nelles, M. and Stinner, W., 2017, “Improving Anaerobic Digestion of Sugarcane Straw for Methane Production: Combined Benefits of Mechanical and Sodium Hydroxide Pretreatment for Process Designing,” Energy Conversion and Management, 141, pp. 378-389.
Zheng, Y., Zhao, J., Xu, F. and Li, Y., 2014, “Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Enhanced Biogas Production,” Progress in Energy and Combustion Science, 42, pp. 35-53.
Sawanon, S., Sangsri, P., Leungprasert, S. and Sinbuathong, N., 2017, “Methane Production from Napier Grass by Co-digestion with Cow Dung,” Proceeding of the Global Conference on Global Warming, GCGW 2014, Beijing, China, pp. 169-180
Kongjan, P., Reungsang, A., Phasukarratchai, N. and Sittijunda, S., 2019, “Biogas Production from Single Digestion of Napier Grass Hydrolysate and Co-Digestion of Solid Fraction of Microwave Acid Pretreated Napier Grass with Swine Manure,” Chiang Mai Journal of Science, 46 (4), pp. 639-652.
Kang, X., Zhang, Y., Song, B., Sun, Y., Li, L., He, Y., Kong, X., Luo, X. and Yuan, Z., 2019, “The Effect of Mechanical Pretreatment on the Anaerobic Digestion of Hybrid Pennisetum”, Fuel, 252, pp. 469-474.
Kang, X., Zhang, Y., Li, L., Sun, Y., Kong, X. and Yuan, Z., 2020, “Enhanced Methane Production from Anaerobic Digestion of Hybrid Pennisetum by Selectively Removing Lignin with Sodium Chlorite,” Bioresource Technology, 295.
Panichnumsin, P., Nopharatana, A., Ahring, B. and Chaiprasert, P., 2010, “Production of Methane by Co-digestion of Cassava Pulp with Various Concentrations of Pig Manure,” Biomass and Bioenergy, 34 (8), pp. 1117-1124.
Wyman, C.E., 2007, “What is (and is not) Vital to Advancing Cellulosic Ethanol,” TRENDS in Biotechnology, 25 (4), pp. 153-157.
Ahmad, F., Silva, E.L. and Varesche, M.B.A., 2018, “Hydrothermal Processing of Biomass for Anaerobic Digestion – A Review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 98, pp. 108-124.
Alvira, P., Tomás-Pejó, E., Ballesteros, M. and Negro, M.J., 2010, “Pretreatment Technologies for an Efficient Bioethanol Production Process Based on Enzymatic Hydrolysis: a Review,” Bioresource Technology, 101 (13), pp. 4851-4861.
Hames, B., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, A., Sluiter, J. and Templeton, D., 2008, Preparation of Samples for Compositional Analysis, Laboratory Analytical Procedure (LAP) NREL/TP-510-42620, National Renewable Energy Laboratory, Colorado.
Sluiter, A., Hames, B., Hyman, D., Payne, C., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, J., Templeton, D. and Wolfe, J., 2008, Determination of Total Solids in Biomass and Total Dissolved Solids in Liquid Process Samples, Laboratory Analytical Procedure (LAP) NREL/TP-510-4261, National Renewable Energy Laboratory, Colorado.
Thiex, N.J., Manson, H., Anderson, S., Persson, J.Å. and Collaborators: Anderson, S., Bogren, E., Bolek, G., Budde, D., Ellis, C., Eriksson, S., Field, G., Frankenius, E., Henderson, C., Henry, C., Kapphahn, M., Lundberg, L., Manson, H., Moller, J., Russell, M., Sefert-Schwind, J. and Spann, M., 2002, “Determination of Crude Protein in Animal Feed, Forage, Grain, and Oilseeds by Using Block Digestion with a Copper Catalyst and Steam Distillation into Boric Acid: Collaborative Study,” Journal of AOAC International, 85 (2), pp. 309-317.
Thiex, N.J., Anderson, S. and Gildemeister, B., 2003, “Crude Fat, Diethyl Ether Extraction, in Feed, Cereal Grain, and Forage (Randall/Soxtec/Submersion method): Collaborative Study,” Journal of AOAC International, 86 (5), pp. 888-898.
Xiao, Z., Storms, R. and Tsang, A., 2006, “A Quantitative Starch? Iodine Method for Measuring Alpha-amylase and Glucoamylase Activities,” Analytical Biochemistry, 351 (1), pp. 146-148.
Van Soest, P.V., Robertson, J.B. and Lewis, B.A., 1991, “Methods for Dietary Fiber, Neutral Detergent Fiber, and Nonstarch Polysaccharides in Relation to Animal Nutrition,” Journal of Dairy Science, 74 (10), pp. 3583-3597.
Hossner, L.R., 1996, “Dissolution for Total Elemental Analysis”, pp. 49-64, in D.L. Sparks, A.L. Page, P.A. Helmke, R.H. Loeppert, P.N. Soltanpour, M.A. Tabatabai, C.T. Johnston and M.E. Sumner (Eds.) Methods of Soil Analysis: Part 3 Chemical Methods, Vol. 5, SSA and ASA, Madison, Wisconsin.
Sluiter, A., Hames, B., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, J., Templeton, D. and Crocker, D., 2010, Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass, Laboratory Analytical Procedure (LAP) NREL/TP-510-42618, National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado.
A Sluiter, A., Hames, B., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, J. and Templeton, D., 2006, Determination of Sugars, Byproducts, and Degradation Products in Liquid Fraction Process Samples, Laboratory Analytical Procedure (LAP) NREL/TP-510-42623, National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado.
Paepatung, N., Nopharatana, A. and Songkasiri, W., 2009, “Bio-methane Potential of Biological Solid Materials and Agricultural Wastes,” Asian Journal on Energy and Environment, 10 (1), pp. 19-27.
Lo, H.M., Kurniawan, T.A., Sillanpää, M.E.T., Pai, T.Y., Chiang, C.F., Chao, K.P., Liu, M.H., Chuang, S.H., Banks, C.J., Wang, S.C. and Lin, K.C., 2010, “Modeling Biogas Production from Organic Fraction of MSW Co-digested with MSWI Ashes in Anaerobic Bioreactors,” Bioresource Technology, 101 (16), pp. 6329-6335.
Klimiuk, E., Pokoj, T., Budzyński, W. and Dubis, B., 2010, “Theoretical and Observed Biogas Production from Plant Biomass of Different Fibre Contents,” Bioresource Technology, 101 (24), pp. 9527-9535.
Rodriguez, C., Alaswad, A., Benyounis, K.Y. and Olabi, A.G., 2017, “Pretreatment Techniques Used in Biogas Production from Grass,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 68, pp. 1193-1204.
Murphy, J., Braun, R., Weiland, P. and Wellinger, A., 2011, Biogas from Crop Digestion, IEA Bioenergy Task Vol. 37 [Online], Available: https://www.ieabioenergy.com/wp-content/uploads/2011/10/Update_Energy_crop_2011.pdf. [20 November 2020]
Desta, S.T., Yuan, X., Li, J. and Shao, T., 2016, “Ensiling Characteristics, Structural and Nonstructural Carbohydrate Composition and Enzymatic Digestibility of Napier Grass Ensiled with Additives,” Bioresource Technology, 221, pp. 447-454.
Zhuang, X., Yuan, Z., Ma, L., Wu , C., Xu, M., Xu, J., Zhu, S. and Qi, W., 2009, “Kinetic Study of Hydrolysis of Xylan and Agricultural Wastes with Hot Liquid Water,” Biotechnology Advances, 27 (5), pp. 578-582.
Yu, Y. and Wu, H., 2010, “Significant Differences in the Hydrolysis Behavior of Amorphous and Crystalline Portions within Microcrystalline Cellulose in Hot-compressed Water,” Industrial and Engineering Chemistry Research, 49 (8), pp. 3902-3909.
Barakat, A., Monlau, F., Steyer, J.P. and Carrere, H., 2012, “Effect of Lignin-derived and Furan Compounds Found in Lignocellulosic Hydrolysates on Biomethane Production,” Bioresource Technology, 104, pp. 90-99.
Shanmugam, S.R., Chaganti, S.R., Lalman, J.A. and Heath, D.D., 2014, “Effect of Inhibitors on Hydrogen Consumption and Microbial Population Dynamics in Mixed Anaerobic Cultures,” International Journal of Hydrogen Energy, 39 (1), pp. 249-257.
Hu, F. and Ragauskas, A., 2012, “Pretreatment and Lignocellulosic Chemistry,” Bioenergy Research, 5 (4), pp. 1043-1066.
Li, W., Khalid, H., Zhu, Z., Zhang, R., Liu, G., Chen, C. and Thorin, E., 2018, “Methane Production through Anaerobic Digestion: Participation and Digestion Characteristics of Cellulose, Hemicellulose and Lignin,” Applied Energy, 226, pp. 1219-1228.
Zhang, J., Xu, J.Y., Wang, D Q. and Ren, N.Q.J.B., 2016, “Anaerobic Digestion of Cassava Pulp with Sewage Sludge Inocula,” BioResources, 11 (1), pp. 451-465.
Dioha, I.J., Ikeme, C.H., Nafi’u, T., Soba, N.I. and Yusuf, M.B.S., 2013, “Effect of Carbon to Nitrogen Ratio on Biogas Production,” International Research Journal of Natural Sciences, 1 (3), pp. 1-10.
Downloads
เผยแพร่แล้ว
How to Cite
ฉบับ
บท
License
Copyright (c) 2021 มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
เนื้อหาของบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science and Engineering Connect ในทุกรูปแบบ รวมถึงข้อความ สมการ สูตร ตาราง ภาพ ตลอดจนภาพประกอบในรูปแบบอื่นใด เป็นลิขสิทธิ์ของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี การนำเนื้อหา ไม่ว่าจะในรูปแบบใด ของบทความไปใช้ประโยชน์ในเชิงพาณิชย์ ต้องได้รับอนุญาตจากบรรณาธิการวารสารอย่างเป็นลายลักษณ์อักษรก่อนเท่านั้น
