ศักยภาพการผลิตก๊าซมีเทนและจลนพลศาสตร์ของการหมักร่วมระหว่างเศษอาหารและผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหาร: DOI: 10.14416/j.ind.tech.2023.11.001

ณัฐพล  เสวตบุตร; ดาวรุ่ง  สังข์ทอง; นภวรรณ  รัตสุข; อุมารัจน์  สันติสุขเกษม

ผู้แต่ง

ณัฐพล เสวตบุตร ภาควิชาวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม, คณะวิทยาศาสตร์, มหาวิทยาลัยศิลปากร
ดาวรุ่ง สังข์ทอง ภาควิชาวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม, คณะวิทยาศาสตร์, มหาวิทยาลัยศิลปากร
นภวรรณ รัตสุข ภาควิชาวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม, คณะวิทยาศาสตร์, มหาวิทยาลัยศิลปากร
อุมารัจน์ สันติสุขเกษม ภาควิชาวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม, คณะวิทยาศาสตร์, มหาวิทยาลัยศิลปากร

คำสำคัญ:

ศักยภาพการผลิตก๊าซมีเทน, เศษอาหาร, ผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหาร, การหมักร่วม, จลนพลศาสตร์

บทคัดย่อ

การย่อยสลายภายใต้สภาวะไร้อากาศโดยการหมักร่วมได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นอีกเทคโนโลยีหนึ่งที่ช่วยเพิ่มปริมาณการผลิตก๊าซมีเทนให้สูงขึ้นได้ การศึกษานี้จึงทำการตรวจสอบถึงศักยภาพในการผลิตก๊าซมีเทนโดยการหมักร่วมระหว่างเศษอาหาร (Food Waste, FW) และผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหาร (Cellulose-based Food Packaging Product, CFPP) ที่อุณหภูมิระดับปานกลาง (35 ± 2 องศาเซลเซียส) ในรูปแบบกะ (Batch Experiment) เป็นระยะเวลา 45 วัน โดยอัตราส่วนระหว่างวัสดุตั้งต้นทั้ง 2 ชนิดที่ทำการศึกษามี 3 อัตราส่วน (FW/CFPP 100:0, 40:60 และ 0:100 (โดยน้ำหนักของแข็งระเหยง่าย)) และมีการใช้อัตราส่วนระหว่างวัสดุตั้งต้นและหัวเชื้อจุลินทรีย์เท่ากับ 0.5 รวมทั้งมีการเติมโซเดียมไบคาร์บอเนต (NaHCO₃) เพื่อให้กระบวนการย่อยสลายภายใต้สภาวะไร้อากาศอยู่ในสภาวะสมดุล นอกจากนี้ได้มีการนำโมเดลทางคณิตศาสตร์ จำนวน 4 โมเดล (Modified Gompertz Model, First-order Model, Monod Model และ Cone Model) มาใช้ในการประเมินความเหมาะสมของการทำนายผลผลิตก๊าซมีเทนที่เกิดขึ้นจากวัสดุตั้งต้นอัตราส่วนต่าง ๆ ด้วย ผลการศึกษา พบว่า อัตราส่วน FW/CFPP 100:0 ให้ผลผลิตก๊าซมีเทนสะสมสูงที่สุด รองลงมาคือ 40:60 และ 0:100 โดยมีค่าผลผลิตก๊าซมีเทน เท่ากับ 459.15, 381.79 และ 355.60 มิลลิลิตรมาตรฐานต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย ตามลำดับ และจากโมเดลทางคณิตศาสตร์ที่ทำการศึกษาทั้งหมด พบว่า Modified Gompertz Model เป็นโมเดลที่มีความแม่นยำและเหมาะสมมากที่สุดในการใช้ทำนายผลผลิตก๊าซมีเทนของอัตราส่วน FW/CFPP 100:0 และ 0:100 แต่สำหรับอัตราส่วน FW/CFPP 40:60 พบว่า First-order Model เป็นโมเดลที่มีความแม่นยำและเหมาะสมมากกว่า Modified Gompertz Model นอกจากนี้ พารามิเตอร์ทางจลนพลศาสตร์ ได้แสดงให้เห็นว่า การหมักร่วมระหว่างเศษอาหารและผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหาร (FW/CFPP 40:60) มีการผลิตก๊าซมีเทนในอัตราที่เร็วกว่าการหมักโดยใช้เศษอาหารหรือผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหารเพียงอย่างเดียว

References

Q. Yang, B. Wu, F. Yao, L. He, F. Chen, Y. Ma, X. Shu, K. Hou, D. Wang, and X. Li, Biogas production from anaerobic co-digestion of waste activated sludge: co-substrates and influencing parameters, Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2019, 18(4), 771-793.

K. Hagos, J. Zong, D. Li, C. Liu, and X. Lu, Anaerobic co-digestion process for biogas production: Progress, challenges and perspectives, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 76, 1485-1496.

R. Abbas, A. Agha, and S. Rahman, Enhancement anaerobic digestion and methane production from kitchen waste by thermal and thermo-chemical pretreatments in batch leach bed reactor with down flow, Research in Agricultural Engineering, 2018, 64, 128-135.

T. Radu, R. Blanchard, V. Smedley, A. Wheatley, P. Abdul Salam, and C. Visvanathan, Community scale, decentralised anaerobic digestion for energy and resource recovery, 2016 International Conference on Cogeneration, Small Power Plants and District Energy, Proceeding, 2016.

J. Wang, M. Gao, Q. Wang, W. Zhang, and Y. Shirai, Pilot-scale Open Fermentation of Food Waste to Produce Lactic Acid without Inoculum Addition, RSC Advances, 2016, 6, 104354-104358.

J. Ariunbaatar, A. Panico, L. Frunzo, G. Esposito, P. N. L. Lens, and F. Pirozzi, Enhanced anaerobic digestion of food waste by thermal and ozonation pretreatment methods, Journal of Environmental Management, 2014, 146, 142-149.

I. Angelidaki, M. Alves, D. Bolzonella, L. Borzacconi, J. L. Campos, A. J. Guwy, S. Kalyuzhnyi, P. Jenicek, and J. B. van Lier, Defining the biomethane potential (BMP) of solid organic wastes and energy crops: a proposed protocol for batch assays, Water Science and Technology, 2009, 59(5), 927-34.

T. L. Hansen, J. E. Schmidt, I. Angelidaki, E. Marca, J. Jansen, H. Mosbaek, and T. H. Christensen, Method for determination of methane potentials of solid organic waste, Waste Management, 2004, 24(4), 393-400.

P. L. McCarty, Anaerobic Waste Treatment Fundamentals, Public Work, 1964, 95, 91-126.

APHA, AWW, and WEF, Standard methods for the examination of water and wastewater. American Public Health Association, Washington, D.C., 2017.

USEPA, METHOD 1684: Total, Fixed, and Volatile Solids in Water, Solids, and Biosolids. United States Environment Protection Agency, D.C., USA, 2001.

D.W. Nelson and L.E. Sommers, Total carbon, organic carbon, and organic matter: Methods of soil analysis part 3: Chemical Methods (SSSA Book Series 5), Soil Science Society of America, American Society of Agronomy, WI, USA, 1996.

J. Fagbenro and B. Oyeleye, Relationships between four methods of organic carbon determination in leaves of nitrogen‐fixing trees and lignite‐based organic fertilizers, Communications in Soil Science & Plant Analysis, 1999, 30, 2345-2362.

ASTM E778-87(2004), Standard Test Methods for Nitrogen in the Analysis Sample of Refuse-Derived Fuel, ASTM International, PA, USA, 2006.

R. Bedoić, A. Špehar, J. Puljko, L. Čuček, B. Ćosić, T. Pukšec, and N. Duić, Opportunities and challenges: Experimental and kinetic analysis of anaerobic co-digestion of food waste and rendering industry streams for biogas production, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020, 130, 109951.

Y. Li, S. Y. Park, and J. Zhu, Solid-state anaerobic digestion for methane production from organic waste, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(1), 821-826.

M. O. L. Yusuf and N. L. Ify, The effect of waste paper on the kinetics of biogas yield from the co-digestion of cow dung and water hyacinth, Biomass and Bioenergy, 2011, 35(3), 1345-1351.