บทท 2 หลกการและทฤษฎ

2.1 กาซชวภาพ (Biogas)

กาซชวภาพ คอกาซทเกดขนจากกระบวนการยอยสลายสารอนทรยตามธรรมชาต ทอาศยการท างานของจลนทรยกลมทไมใชออกซเจน ซงม 2 พวก คอพวกทไมสรางมเทน (Non-methanogenic bacteria) และพวกทสรางมเทน (Methanogenic bacteria) โดยจลนทรยประเภทไมสรางมเทนจะยอยสลายสารเคมทซบซอนใหมขนาดเลกลงสวนจลนทรยประเภทสรางมเทน จะใชสารอนทรยทมโครงสรางไมซบซอนเปนสารอาหาร และใหผลผลตเปนกาซมเทน (CH4) ประมาณ 50-70% และ กาซคารบอนไดออกไซด (CO2) ประมาณ 25-45 % สวนทเหลอเปนกาซชนดอน ๆ เชน ไฮโดรเจน (H2) ไฮโดรเจนซลไฟด (H2S) ไนโตรเจน (N2) ในปรมาณเลกนอย

ปฏกรยาในการยอยสลายสารอนทรยแบบไมใชออกซเจนโดยรวม แสดงอยางงาย ดงน สารอนทรย มเทน + คารบอนไดออกไซด+กาซอนๆ

(Organic Matter) (CH4+ CO2+ H2+ N2+ H2S)

คณสมบตทวไป ของกาซชวภาพม ดงน คาความรอนประมาณ 21.5 MJ/m3 (CH4 60 %) ความเรวเปลวไฟ 25 cm/s อตรา A/F ในทางทฤษฎ 6.19 m3-air/m3-gas อณหภมเผาไหมในอากาศ 650 OC อณหภมจดตดไฟของ CH4 600 OC คาความจความรอน (Cp) 1.6 kJ/m3 – OC ความหนาแนน 1.15 kg/m3

2.2 กระบวนการเกดกาซชวภาพ (มนสน, 2542)

ปฏกรยาชวเคมของการยอยสลายสารอนทรยในสภาพไรออกซเจนอาศยจลนทรย 3 กลม แบงได 4 ขนตอน ดงภาพท 2.1 ตามล าดบ ดงน

anaerobic microorganisms

6

ขนตอนท 1ไฮโดรไลซส (Hydrolysis) เปนขนตอนการยอยสลายสารอนทรยโมเลกลใหญทมโครงสรางซบซอน เชน คารโบไฮเดรต โปรตน และไขมน ใหกลายเปนสารประกอบโมเลกลเลก เชน น าตาล กรดอะมโน และกรดไขมนชนดยาว ตามล าดบ ขนตอนนสามารถเกดขนไดภายนอกเซลลแบคทเรย โดยอาศยเอนไซมทแบคทเรยพวก Hydrolytic Microorganisms ปลอยออกมาภายนอกเซลล (extracellular enzyme) เพอใชยอยสลายสารดงกลาวใหมโมเลกลเลกลง

ภาพท 2.1 ขนตอนของการยอยสลายสารอนทรยเปนกาซมเทนในสภาพไรออกซเจน ขนตอนท 2 การผลตกรดอนทรย (Acidogenesis)ผลผลตของขนตอนท 1 จะถกแบคทเรย

พวกสรางกรด (acid former) ดดซมผานเยอหมเซลลเขาสเซลล เพอใชเปนแหลงคารบอนและแหลงพลงงานโดยกระบวนการหมก ผลของปฏกรยาจะไดกรดไขมนระเหย (Valatile Fatty acid) เชน กรดอะซตค (Acetic acid) กรดโพรพโอนค (Propionic acid)และกรดบวทรค (Butyric acid) เปนตน นอกจากนยงได แอลกอฮอล กาซไฮโดรเจนและกาซคารบอนไดออกไซดออกมาดวย กระบวนการทางชวเคมทเกดขนในระหวางการยอยสลายสารประกอบโมเลกลเลกและชนดของผลผลตทได ขนอยกบปจจย 2 ประการ คอ ชนดของสารตงตนและความดนพาหเชยลของไฮโดรเจนทเกดขน

ขนตอนท 3 การสรางกรดอะซตคจากกรดไขมนระเหยอนๆ (Acetogenesis) แบคทเรย อะซโตจนก (แบคทเรยทสรางอะซเตท) มบทบาทส าคญในการเปนตวเชอมระหวางขนตอนการ

ไขมน โปรตน คารโบไฮเดรต

Acetogenic bact.

Hydrolysis

Acidogenesis

Acetogenesis

Methanogen forming

LCFA AA Sugar

Pyruvic acid

Acetic Butyric Propionic

Acetogenic bact.

Acetoclastic Methanogen H2 Utilizer Methanogen

CH4

Acetic + O2 H2 + CO2

CH4 CH4

CH4

7

สรางกรดและข นตอนการสราง ม เทน การผลตก าซม เทนโดยแบคท เ รย ทส ราง ม เทน (Methanogenesis) มความตองการสารตงตนเฉพาะเจาะจงมากไดแก กรดอะซตค กรดฟอรมค ไฮโดรเจน เมทานอลและเมทธลามน (Methylamine) กรดไขมนระเหย ทมคารบอนมากกวา 2 อะตอม ไมอาจใชเปนสารต งตนในการผลตมเทนไดโดยตรง แบคทเรยอะซโตจนก (ทผลตไฮโดรเจนไดดวย) มความสามารถในการยอยสลายกรดไขมนระเหย ทมคารบอนมากกวา 2 อะตอม ใหกลายเปนกรดอะซตค กาซไฮโดรเจนและกาซคารบอนไดออกไซด ภายใตสภาวะทไฮโดรเจนมความดนพารเชยลต ากวา 9 x 10-3 บรรยากาศ และต ากวา 2 x 10-3 บรรยากาศ ส าหรบการยอยสลายกรดโพรพโอนคและกรดบวทรค ตามล าดบ

CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + CO2+ 3H2 CH3CH2 CH2COOH+ 2H2O 2CH3COOH + 2H2 ขนตอนท 4 การผลตกาซมเทน (Methanogenesis) กรดอะซตคและไฮโดรเจนจะถก

แบคทเรยใชสรางมเทนภายใตสภาวะไรออกซเจนอยางเดดขาด CH3COOH + H2O CH4 + H2CO3 4H2 + H2CO3 CH4 + 3 H2O นอกจากกรดอะซตคและไฮโดรเจนแลว แบคทเรยอาจใชสารตงตนอยางงายอนๆในการ

ผลตมเทน ไดแก เมทานอลและกรดฟอรมค (HCOOH) 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O 4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O ปรมาณของมเทนสามารถค านวณไดจากสมการเคมทวไปของการยอยสลายสารอนทรย

ภายใตสภาวะไรออกซเจน ดงน

2 2 44 2 2 2 4 2 8 4

n a b

a b n a b n a bC H O n H O CO CH

8

ในกระบวนการยอยสลายสารอนทรยภายใตสภาวะไรออกซเจนน ถาการยอยสลายเกดสมบรณ 1 กโลกรมของ COD จะไดกาซมเทน 0.348 ลกบาศกเมตร ท อณหภมและความดนมาตรฐาน (ศวศา, 2538)

2.3 จลนทรยทเกยวของในกระบวนการยอยสลายสารอนทรยภายใตสภาวะไรออกซเจน

แบคทเรยพวกทไมสรางมเทน 1. Hydrolytic Bacteria แบคทเรยประเภทนประกอบดวยเซลลทไมตองการออกซเจนอยางเดดขาด

(Obligate Anaerobes) และพวกทใชออกซเจนไดบาง (Facultative Anaerobes) ซงประเภทแรกมจ านวนมากกวาชนดหลงหลายสบเทา เนองจากเมตาบอลซมของแบคทเรยประเภทไมสรางมเทนมไดหลายแบบ ผลจากปฏกรยาทไดจากการยอยสลายสารอนทรยโมเลกลใหญ เชน โปรตน เซลลโลส และไขมน โดย Extracellular Enzyme ไดแก โปรตเอส เซลล-เลส และไลเปส ไปเปนสารโมเลกลเดยวทมขนาดโมเลกลเลกลงซงละลายน าได จงมหลากหลาย เชน กรดอะมโน กรดไขมน กลโคส และกลเซอรอล การยอยสลายสารอนทรยในขนตอนนเปนไปไดชาโดยเฉพาะสารอนทรยประเภทเซลลโลสทมลกนนเปนองคประกอบในปรมาณมาก

2. Fermentative Acidogenic Bacteria แบคทเรยกลมน ไดแก Acidogenic หรอ acid forming bacteria สามารถยอยสลาย

สารอนทรยโมเลกลเดยว เชน กรดอะมโน น าตาล และกรดไขมน ซงผลปฏกรยาทไดจะเปนโมเลกลอยางงาย เชน คารบอนไดออกไซด ไฮโดรเจน กรดฟอรมค กรดอะซตคและ เมทานอล เปนตน

3. Acetogegenic Bacteria หรอ Acetate-H2 Producing Bacteria แบคทเรยกลมนสามารถยอยสลายกรดอนทรยระเหยไดและแอลกอฮอล ผลของ

ปฏกรยาทเกดขนจะถกเปลยนเปน กรดอะซตค ไฮโดรเจน คารบอนไดออกไซด หรอสารโมเลกลอยางงายตวอน ในสภาวะทมความดนยอยของไฮโดรเจน (H2 partial pressur) ต า การยอยสลายกรดอนทรยระเหยไดจะถกเปลยนเปนกรดอะซตค ซงถกน าไปใชในการสรางมเทนไดงายกวา แตภายใตสภาวะทมความดนยอยของไฮโดรเจนสง จะท าใหการยอยสลายเปลยนเปนกรดอะซตคไดลดลง และสารตงตนจะถกเปลยนไปเปนกรดโพรพโอนค บวทรคและเอทานอล ท าใหเกดการสะสมกรดอนทรยขนภายในระบบ ท าใหคาพเอชของระบบลดลง เกดสภาวะไมเหมาะสมตอการเจรญของแบคทเรยกลมทสรางมเทน แตพบวา

9

แบคทเรยทงสองกลมมความสมพนธกนแบบพงพาอาศยกน (Symbiosis Relationship)คอแบคทเรยกลมทสรางมเทนจะดงไฮโดรเจนไปใช ท าใหความดนยอยของไฮโดรเจนต าลง ซงมความเหมาะสมตอการเจรญตอแบคทเรยในกลมทสรางกรด

แบคทเรยพวกทสรางมเทน แบคทเรยประเภทนเจรญไดชามากและมความไวตอการเปลยนแปลงของ

สภาพแวดลอม เชนไมสามารถทนอยไดในสภาวะทมออกซเจนเพยงเลกนอยหรอสภาวะทมการเปลยนแปลงของพเอชทเหมาะแกการเจรญ เปนตน

แบคทเรยพวกทสรางมเทนสามารถแบงไดเปน 3 ประเภท คอ 1.Obligate Acetoclastic Methanogen เปนแบคทเรยทสามารถใชกรดอะซตค เปน

แหลงพลงงานไดเพยงอยางเดยว 2.Obligate Hydrogenotrophic Methanogen (H2 Utilizer) เปนแบคทเรยทสามารถ

ผลตมเทนไดจากไฮโดรเจนเพยงอยางเดยว โดยใชไฮโดรเจนเปนแหลงพลงงานและมคารบอนไดออกไซดเปนแหลงคารบอน

3. Hydrogenotrophic/ Acetoclastic Methanogen เปนแบคทเรยทสรางมเทนไดจากกรดอะซตค หรอไฮโดรเจนแตชอบไฮโดรเจนมากกวา

2.4 ปจจยทมผลตอประสทธภาพของการผลตกาซชวภาพ 2.4.1 ปจจยดานสงแวดลอม

ก. อณหภม (Temperature) อณหภมเปนปจจยทส าคญมากชนดหนงในกระบวนการยอยสลายแบบไมใช

ออกซเจน เนองจากแบคทเรยสรางกาซมเทนเปนแบคทเรยทมความไวตอการเปลยนแปลงของอณหภมมาก ดงนนอณหภมของน าเสยทเขาสระบบควรมความผนแปรไมเกน ± 5 องศาเซลเซยส ชวงของอณหภมทเหมาะสมส าหรบการเจรญเตบโตของแบคทเรยแบบไมใชอากาศสามารถแบงออกไดเปน 3 ชวง คอ

- ชวงเทอรโมฟลก (Thermophilic) จะมอณหภมประมาณ 50-65 องศาเซลเซยส โดยเรยกแบคทเรยทท างานในชวงอณหภมนวา Thermophilic Bacteria

- ชวงมโซฟลก (Mesophilic) จะมอณหภมประมาณ 20-45 องศาเซลเซยส โดยเรยกแบคทเรยทท างานในชวงอณหภมนวา Mesophilic Bacteria

10

- ชวงไซโครฟลก (Psychrophillic) จะมอณหภมประมาณ 5-15 องศาเซลเซยส โดยเรยกแบคทเรยทท างานในชวงอณหภมนวา Psychrophillic Bacteria

ข. ความเปนกรด-ดาง (pH) ความเปนกรด-ดาง เปนอกปจจยหนงทมความส าคญในกระบวนการยอยสลาย

แบบไมใชออกซเจน โดยเฉพาะอยางยงแบคทเรยกลมทผลตมเทน (Methanogens) จะมความไวตอคา ความเปนกรด-ดาง มากทสด โดยขนตอนของการสรางมเทนจะเกดขนไดท pH 6.5-7.2 ซงคา pH ทเหมาะสมเทากบ 7.0 ดงนนเพอเปนการควบคม ความเปนกรด-ดาง อาจจะตองเตมสารเคม เชน ปนขาวหรอโซดาไฟหรอโซเดยมคารบอเนต

ค. สารพษและสารยบยงปฏกรยา (Toxic and Inhibitory Factors) สารพษทปนเปอนในน าเสยมหลายชนด เชนซลไฟดมผลยบย งการท างานของ

แบคทเรยกลมสรางมเทน การสะสมของสารบางชนด เชน สารอนทรยทมฟนอลเปนองคประกอบ หรอคลอโรฟอรม สามารถท าใหการยอยสลายในสภาพไรออกซเจนหยดชะงกได สารอนทรยบางชนดเชนไซยาไนด และโลหะหนกมความเปนพษตอจลนทรยมาก โลหะบางตว เชน โซเดยม โปแตสเซยม แคลเซยม แมงกานส กมผลตอการเจรญของจลนทรยบาง ดงนนของทจะน ามาใชเปนวตถดบในการผลตกาซชวภาพไมควรมสารทเปนพษตอการด ารงชวตของแบคทเรยอย หากจะน ามาใชควรมการก าจดสารทเปนพษออกกอน

ง. ความเขมขนของกรดไขมนระเหย (Volatile Fatty Acid, VFA) กรดไขมนระเหยนเกดจากการท างานของแบคทเรยพวกสรางกรด ซงจะถก

น าไปใชโดยแบคทเรยพวกสรางกาซมเทน แตถาปรมาณของกรดไขมนระเหย มอยในปรมาณทสงกวาปกต จะเปนตวบงชถงความไมสมดลของกระบวนการยอยสลายในระบบ การสะสมของกรดไขมนระเหย สงผลใหคา pH ลดลงท าใหเกดอนตรายตอแบคทเรยกลมทสรางกาซมเทน โดยทวไปปรมาณกรดไขมนระเหย ในระบบจะอยในชวง 200 ถง 400 มลลกรม/ลตร (ในรปของกรดอะซตค)

จ. สภาพดาง (Alkalinity) คาอลคาลนต หมายถง ความสามารถในการรกษาระดบความเปนกรด - ดาง ถา

คาอลคาลนตต า จะตองเพมความระมดระวงในการควบคมการท างานของระบบหมกเพราะมแนวโนมจะเปนกรดไดงาย ระดบคาอลคาลนตทเหมาะสมตอระบบก าหนดตายตวไดยากเพราะขนอยกบลกษณะสมบตและความเขมขนของวตถดบ ถาระบบหมกมความเขมขนสงกมโอกาสทจะผลตกาซคารบอนไดออกไซดไดมาก ความตองการบฟเฟอรของระบบจะ

11

เพมขน โดยทวไประบบหมกควรมคาอลคาลนตประมาณ 1,000 - 5,000 มลลกรม/ลตร ในรปของแคลเซยมคารบอเนต (CaCO3)

ฉ. ลกษณะสารอนทรยทเหมาะสมตอการยอยสลาย ถาหากวาสารอนทรยอยในสภาพทแบคทเรยยอยงายทสดจะท าใหประสทธภาพ

ของถงหมกเพมขน อาจจะท าโดยการบดวตถดบส าหรบหมกใหละเอยด เจอจางดวยน าแลวจงกรองเอาตะกอนออกโดยน าสารละลายเขาสระบบหมกตอไป

ช. สารอาหาร (Nutrients) โดยปกตสารอาหารตางๆ เชน ไขมน โปรตน เยอใย และคารโบไฮเดรต จะพบใน

วตถดบทใชหมก ซงมสดสวนแตกตางกนไปตามประเภทของวตถดบ อตราสวนระหวางคารบอนตอไนโตรเจนทเหมาะส าหรบการผลตกาซมเทนควรอยระหวาง 10-16 : 1 และอตราสวนนอาจเพมเปน 30 : 1 ได ถาวตถดบทใชมสารอนทรยคารบอนสงมากๆ ในขณะทอตราสวนระหวางไนโตรเจนและฟอสฟอรสทเหมาะสมคอ 7 : 1 นอกจากนอตราสวนทเหมาะสมในระบบเพอใหประสทธภาพการยอยสลายสารอนทรยและผลตกาซชวภาพไดด ควรมอตราสวนของคาบโอดตอไนโตรเจนตอฟอสฟอรสเทากบ 100 : 0.5 : 0.1 หรออตราสวนระหวางคาซโอดตอไนโตรเจนตอฟอสฟอรสควรอยในชวง 42-150 : 0.7 : 0.1 (Gray,1981) 2.4.2 ปจจยดานการท างานของระบบ

ก. ระยะเวลาเกบกก (Retention Time, HRT) เปนระยะเวลาทสารอนทรยอยในถงหมกจนกระทงออกมาจากระบบ หมายถง

เวลาเกบกกจลชพ (Solid Retention Time, SRT) หรอเวลาเกบกกน า (Hydraulic Retention Time, HRT) อยในถงหมก โดยระยะเวลาเกบกกทเหมาะสมเปนคาทขนอยกบปจจยสภาพแวดลอมภายในระบบและลกษณะของของเสยทปอนเขาสระบบ รวมไปถงชนดของแบคทเรยในระบบดวย การเลอกระยะเวลาในการหมกทพอดจะชวยใหการหมกมการยอยสลายวตถดบไดสมบรณและการออกแบบขนาดถงหมกไดอยางเหมาะสม ในการทดลองนเลอกใชระบบหมกชนดถงปฏกรณแบบกวนตอเนอง (CSTR) ซงเปนระบบหมกแบบทไมมการหมนเวยนตะกอน เนองจากระบบนสามารถรองรบอตราการปอนสารอนทรยไดสง เมอสารอนทรยถกปอนเขาสระบบ จะถกกวนใหกระจายภายในถงปฏกรณท าใหสมผสกบจลนทรยไดทวถง จงเกดการยอยสลายไดอยางรวดเรว โดยระบบจะมระยะเวลาเกบกกจลชพเทากบระยะเวลาเกบกกน า (SRT=HRT)

12

HRT = SRT = volume/flow rate (V/Q)

เมอ SRT = ระยะเวลากกเกบของแขง (ชวโมง) HRT = ระยะเวลากกเกบของเหลว (ชวโมง)

V = ปรมาตรใชงาน (ลกบาศกเมตร) Q = อตราการไหล (ลกบาศกเมตร/ชวโมง)

ข. อตราการปอนสารอนทรย (organic loading rate, OLR) เปนปจจยทมความส าคญทใชในการก าหนดความสามารถในการยอยสลาย

สารอนทรยภายใตสภาวะไรออกซเจน การปรบอตราการปอนสารอนทรยใหมคาแตกตางกน ท าไดโดยเปลยนอตราการไหลของของเสยทไหลผานถงหมก หรอเปลยนคาความเขมขนของของแขงหรอความเขมขนของสารอนทรยทใสเขาไป ซงการเปลยนอตราการปอนสารอนทรยจะมผลตอระยะเวลาเกบกกดวย ค. การกวน (Mixing)

การกวนผสมในถงหมกมความส าคญเพราะจะท าใหจลนทรยทอยในระบบมการไหลเวยน เพมโอกาสสมผสสารอาหารไดดยงขนและสารตางๆทจลนทรยขบออกมาเกดการกระจายตวอยางทวถง

2.5 ระบบการผลตกาซชวภาพ สามารถแบงระบบการหมกกาซชวภาพไดเปน 2 แบบ คอ

2.5.1 แบงแบบการเตมสารหมก - แบบเตมครงคราว (Batch Operation) โดยการเตมอนทรยสารครงเดยวแลวปลอยให

อนทรยสารถกยอยสลายจนหมดแลวจงเอาออก และเตมสารอนทรยลงใหม - แบบกงตอเนอง (Semi - Continuous Operation) โดยการเตมอนทรยสารเปนประจ า วน

เวนวน หรอวนเวน สองวน ขนอยกบสภาพสารอนทรยทมและขนาดของบอหมก ผลทไดประสทธภาพสงกวาแบบแรก ปรมาณกาซทไดคอนขางคงท

- แบบตอเนอง (Continuous Operation) เปนการเตมสารอนทรยเขาและเอาสารอนทรยทถกยอยสลายแลวออกอยตลอดเวลา ดวยอตราการไหลเขาและออกคงท ประสทธภาพของระบบนจะสงสด เหมาะสมกบโรงงานอตสาหกรรม ปรมาณกาซทเกดขนคอนขางคงทอยตลอดเวลา

13

2.5.2 แบงตามโครงสรางของบอหมกกาซชวภาพ กลมบอหมกไรออกซเจนแบบชา (Low rate anaerobic digester)

เปนบอหมกทออกแบบทอาศยกลมของแบคทเรยชนดทไมตองการใชออกซเจนในการยอยสลายสารอนทรยในน าเสยโดยบอหมกจะท าหนาทควบคมใหเกดสภาวะแวดลอมทเหมาะสมปฏกรยาเคมแบงเปน 3 ขนตอนคอ Hydrolysis, Acidogenesis และ Methanogenesis กลาวคอปฏกรยาทง 3 ขนตอนเกดในถงหมกถงเดยว ประสทธภาพในการบ าบด COD และผลตกาซชวภาพต าตองใชเวลาในการเกบกก (HRT) นานประมาณ 30-50 วนซงท าใหบอหมกมขนาดใหญ กลมบอหมกไรออกซเจนแบบชามรปแบบบอดงน

-บอหมกชาแบบถงลอย (Floating drum digester) - บอหมกชาแบบถงเกบกาซอยกบท หรอ แบบจน (Fixed Dome or Chinese type) - บอหมกชาแบบสารหมกไหลไปตามราง (Plug flow or Channel) - บอหมกชาแบบคลมบอหมก (Cover lagoon)

กลมบอหมกไรออกซเจนแบบเรว (High rate anaerobic digester) เปนบอทเหมาะส าหรบใชบ าบดน าเสยประเภททมปรมาณ สารอนทรยสวนใหญอยในรปท

ละลายน าได บอหมกแบบนจะมประสทธภาพในการยอยสลายคอนขางเรวระยะเวลาเกบกก (HRT) ประมาณ 0.5-3 วน ประสทธภาพการก าจด COD สงถงรอยละ 80-90 จากประสทธภาพของบอหมก จงท าใหบอหมกมขนาดเลกแตสามารถรบปรมาณของเสยไดมากกวา สวนใหญจะไมนยมใชกบมลสตว เนองจากตะกอนจากมลสตวจะสรางปญหาแกระบบ มรปแบบบอดงน

- บอหมกเรวแบบ UASB (Up-Flow Anaerobic Sludge Blanket) - บอหมกเรวแบบ H-UASB (High suspension solid-Up-Flow Anaerobic Sludge Blanket) - บอหมกเรวแบบ ตวกลางกรอง (Anaerobic Filter) - บอหมกเรวแบบ ลกผสม (Hybrid digester)

ระบบบอหมกไรออกซเจนแบบกวนตอเนอง (Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR) ระบบถงกวนตอเนองแบบไมใชอากาศนน จดอยในกลมบอหมกไรออกซเจนแบบเรวท

เรยกตามลกษณะภายในถงทมความเขมขนของสารละลายเทากนทกจด ถงปฏกรณแบบนถอเปนถงปฏกรณอดมคต (Ideal Reactor) แบบหนงและเปนระบบบ าบดน าเสยแบบไมใชอากาศทเกาแกทสดดวย โดยถงกวนตอเนองนถกพฒนาขนมาจากถงยอยสลดจ ซงเปน Conventional Anaerobic Digester ทมประสทธภาพต า เนองจากการกวนผสมไมด ท าใหระยะเวลายอยสลายยาวนาน จงไดมการพฒนาเพอเพมประสทธภาพการสมผสกนของสารอาหารในน าเสยภายในถงยอยสลดจ โดยมการตดตงใบกวน เชน แบบ Paddle สกร (Screw) หรอ Gas Diffuser ในการกวนผสมจลนทรยและ

14

สารอาหารในถงปฏกรณ ซงจะท าใหประสทธภาพในการยอยสลายสารอนทรยในน าเสยดขน ถงปฏกรณแบบนระยะเวลากกเกบของแขง (Solid Retention Time) เทากบระยะเวลากกเกบน าเสย (Hydraulic Retention Time ) ท าใหถงปฏกรณจะมขนาดใหญหากของเสยหรอน าเสยทเปนวตถดบยอยสลายไดยาก ใชเวลานาน ถงปฏกรณ CSTR นจงเหมาะกบน าเสยทมความเขมขนสง (High Concentration) มสารแขวนลอยสง หรอแมกระทงมสารพษปนอย (Toxic Wastewater) ทงนเนองจากถงปฏกรณมการกวนอยตลอดเวลา ท าใหเมอสารพษถกปอนเขาระบบจะถกเจอจางทนท จงไมกอใหเกดผลเสยตอจลนทรยเหมอนระบบอน ระบบบอหมกไรออกซเจนแบบสองขนตอน (Two-stage anaerobic digester)

ระบบการยอยสลายสารอนทรยภายใตสภาวะไรอากาศสองขนตอนคอ ระบบทแบงขนตอนการยอยสลายทท าใหเกดกรด และขนตอนการยอยสลายทท าใหเกดกาซมเทน ออกจากกน เนองจากอตราการยอยสลายในขนตอนการสรางมเทนชามากเมอเทยบกบขนตอนการยอยสลายทท าใหเกดกรด ในระบบบ าบดแบบไรอากาศแบบทวไปซงเปนแบบขนตอนเดยว กระบวนการทางชวเคมทงสองขนตอนจะเกดขนในถงปฏกรณเดยวกน ระบบโดยรวมจงถกควบคมดวยขนตอนการยอยสลายเพอใหเกดกาซมเทน คอระบบจะถกควบคมใหมสภาวะแวดลอมทเหมาะตอการเจรญของแบคทเรยในกลมทสรางมเทน โดยควบคมอตราการปอนสารอนทรยไมใหสงเกนไป เพอใหแบคทเรยกลมทสรางมเทนสามารถใชกรดอนทรยทเกดจากขนตอนการยอยสลายเพอสรางกรดไดทน เนองจากถามการสรางกรดทมากเกนไป กรดสวนเกนจะไประงบการเจรญของแบคทเรยทสรางมเทนท าใหไมสามารถยอยสลายในขนตอนทสองได ซงจะท าใหระบบการผลตกาซโดยรวมลมเหลว

ระบบการยอยสลายสารอนทรยภายใตสภาวะไรอากาศสองขนตอนจะแบงถงปฏกรณเปนสองถง โดยถงแรกจะถกควบคมใหมสภาวะแวดลอมทเหมาะสมตอการสรางกรดและถงปฏกรณทสองจะถกควบคมใหมสภาวะแวดลอมทเหมาะสมตอการสรางมเทน ซงเปนการเพมประสทธภาพการท างานของระบบโดยรวมใหสงขน ดงภาพท 2.2

15

mixing

mixing

gas

gas

Acid reactorMethane reactor

Separator I Separator II

feed

effluent

Solid recycle Solid recycleWaste solid Waste solid

ภาพท 2.2 ระบบบอหมกไรออกซเจนแบบสองขนตอน

2.6 ขาวโพดเลยงสตว ขาวโพด (Maize) เปนพชตระกลหญา (Family Gramineae) จดอยใน Tribe Maydeae มชอ

วทยาศาสตรวา Zea mays. L. ขาวโพดเปนพชลมลกทมชอดอกตวผและชอดอกตวเมยแยกอยคนละสวนบนตนเดยวกน (monoecious annual) ชอดอกตวผ (tassel) จะปรากฏอยทสวนยอดของล าตน ชอดอกตวเมยเรยกวา ฝก (ear) ปรากฏอยบรเวณกลางๆของความสงของล าตนจ านวน 1 ฝก หรอมากกวา ขาวโพด 1 ฝกจะมเมลดได 400 ถง 1,000 เมลด ใบของขาวโพดประกอบดวย กาบใบ (leaf sheath) ทหมล าตนและม แผนใบ (leaf blade) ทกางสลบกน บนสวนของล าตน ตนขาวโพดสวนใหญจะมล าตนเดยวตงตรง สวนระบบรากจะเปนแบบรากฝอย (fibrous หรอ adventitious root system) การใชประโยชนจากขาวโพดสวนใหญไดจากเมลด เมลดขาวโพดประกอบดวยแปง (starch) ในสวนของ endosperm และน ามนในสวนของ embryo นอกจากเมลดแลวขาวโพดยงสามารถน าสวนของตนไปใชเปนอาหารสตวไดอก (ราเชนทร, 2539)

ขาวโพดเลยงสตว หมายถงขาวโพดทเพาะปลกเพอน าเอาเมลดไปใชเปนสวนประกอบของอาหารสตว เปนพชเศรษฐกจทจดอยในกลมพชทผลตเพอใชภายในประเทศ จากผลการส ารวจเนอทเพาะปลกขาวโพดเลยงสตวของส านกงานสถตการเกษตรปเพาะปลกท 2551/52 พบวามเนอทเพาะปลกขาวโพดเลยงสตวรวมทงประเทศ ประมาณ 6.6 ลานไร ดงตารางท 2.1 มผลผลตทงประเทศประมาณ 4.1 ลานตน แหลงผลตทส าคญ 5 อนดบแรก ไดแก เพชรบรณ นครราชสมา

16

ลพบร นครสวรรค และตาก โดยผลผลตทไดเกอบทงหมดประมาณรอยละ 95 จะใชเปนวตถดบหลกในการผลตอาหารสตว และใชเลยงสตวภายในประเทศ ซงมอตราการขยายตวสงขนเปนล าดบ ตารางท 2.1 เนอทเพาะปลก ผลผลต และผลผลตตอไร ของขาวโพดเลยงสตว ปเพาะปลก 2551/52

เนอทเพาะปลก (ไร) ผลผลต (ลานตน) ผลผลตตอไร (กก.) ในเขตชลประทาน 67,949 53,588 789 นอกเขตชลประทาน 6,533,618 4,068,551 623

รวม 6,601,567 4,122,139 624 ทมา ดดแปลงจากส านกงานเศรษฐกจการเกษตร (2551) 2.6.1 ตนขาวโพด หลงจากการเกบเกยวเมลดขาวโพดเพอเลยงสตวแลว ตนขาวโพด (Corn Stover) เปนวสดท

เหลอหลงจากการเกบเกยวซงมองคประกอบทางเคม ดงตารางท 2.2 สามารถน ามาเปนอาหารหยาบส าหรบเลยงสตวเคยวเอองได เนองจากในสตวเคยวเอองมระบบการยอย ทสามารถยอยสลายพชทมเซลลโลสเปนองคประกอบได ตารางท 2.2 องคประกอบทางเคมของตนขาวโพด

รายการ ตนขาวโพด Total solids (TS) (% ) 95.2 ± 3.9 Volatile solids (VS) (% of TS) 94.3 ± 4.2 Ash (% of TS) 5.7 ± 0.3 Neutral detergent fiber (NDF) (% of TS) 70.8 ± 9.2 Acid detergent fiber ADF (% of TS) 45.5 ± 5.3 Hemi cellulose (% of TS) 25.3 ± 2.5 Cellulose (% of TS) 28.4 ± 2.8 Lignin (% of TS) 17.1 ± 2.1

ทมา Hu and Yu (2005)

17

2.6.2 ขาวโพดหมก ขาวโพดหมก (corn silage) เปนรปแบบการเกบรกษาพชอาหารสตวเพอน าไปใชในชวง

ขาดแคลนอาหารหรอยามตองการ เชน การน าขาวโพดท งตนรวมฝกมาหมกไวในสภาพไรออกซเจน ( anaerobic condition) ซงกระบวนการท าพชหมก เรยกวา เอนไซเลจ (ensilage) หลกส าคญของการท าพชหมก คอการหมกในสภาพไรออกซเจน มคารโบไฮเดรตทยอยงายเพยงพอ การอดแนนเปนวธปฏบตทจะท าใหเกดสภาพไรออกซเจน จลนทรยทอยภายในระบบหมกจะสรางกรด ท าให pH ของระบบต าลงจนสามารถยบย งการเนาเสยของวตถดบ ท าใหสามารถเกบรกษาไวไดนานขน สามารถท าไดดหากพชทน ามาหมกมปรมาณวตถแหงประมาณ 25 – 35 เปอรเซนต และควรสบใหมขนาด 1- 2.5 เซนตเมตร (บญเสรม, 2539) 2.7 สตวเคยวเออง

สตวเคยวเอองจดอยใน Order Artiodactyla (ซงเปนสตวเลยงลกดวยนม กบค) และใน suborder ruminantia ค าวา ruminant มาจากภาษาลาตน ruminare แปลวา น ามาเคยวใหม (chew over again) เราจงเรยกสตวพวกนวา สตวเคยวเออง (cud chewing) สตวเคยวเอองทนยมเลยงกนโดยทวไปเชน โค กระบอ แพะ แกะ เปนตน สตวเคยวเอองมระบบ การยอยอาหาร ทแตกตางจากสตวกระเพาะเดยวมาก ท าใหสามารถใชอาหารทมคณภาพต าทมนษยหรอสตวอนไมสามารถกนได เชน หญา ฟางขาว มาสรางเปนพลงงานในการด ารงชวตและสรางผลผลตของตวเองได โดยอาหารทววกนเขาไปจะมของแขงทงหมดประมาณ 10-15 เปอรเซนต ระยะเวลาทอาหารอยในกระเพาะ หมกของววจะอยในชวง 12-24 ชวโมง ในการกนอาหารของสตวเคยวเอองจะมการผลตน าลายเพอชวยในการเคยวและกลนอาหาร นอกจากนยงเปนแหลงอาหารส าหรบจลนทรยรวมทงตานการเกดฟองในกระเพาะหมกดวย น าลายววมคา pH ประมาณ 8.4-8.7 ในววมการผลตน าลายในชวงระหวาง 70-117 ลตรตอวน สตวเคยวเอองเปนสตวทมการเปลยนแปลงทางเดนอาหารมากทสด โดยมกระเพาะถง 4 สวนดวยกน ดงภาพท 2.3 เมอสตวโตเตมทแลว แตละกระเพาะจะมขนาดดงน

สวนท 1 Rumen (กระเพาะผาขรว) เปนกระเพาะหมก มขนาดประมาณ 80 เปอรเซนตของเนอทกระเพาะรวมทงหมด สวนท 2 Reticulum (กระเพาะรงผง) มขนาดประมาณ 5 เปอรเซนตของเนอทกระเพาะรวมทงหมด

สวนท 3 Omasum (กระเพาะสามสบกลบ) มขนาดประมาณ 7-8 เปอรเซนตของเนอทกระเพาะรวมทงหมด

18

สวนท 4 Abomasum (กระเพาะแท) มขนาดประมาณ 7-8 เปอรเซนตของของเนอทกระเพาะรวมทงหมด (บญลอม, 2527)

ภาพท 2.3 ทางเดนอาหารสวนตางๆ ภายในรางกายของโค

ทมา http://www.nicksnowden.net [Online,ต.ค.2552]

2.7.1 การยอยคารโบไฮเดรตในกระเพาะรเมน อาหารประเภทคารโบไฮเดรตของสตวเ คยวเ อองแบงออกไดเปน 2 ประเภทคอ

คารโบไฮเดรตทเปนโครงสรางของพช (Structural carbohydrate) ไดแก เซลลโลส (Cellulose) เฮมเซลลโลส (Hemicellulose) และเพกตน (Pectin) ซงมโครงสรางทางเคม ดงภาพท 2.4 และคารโบไฮเดรตทไมใชโครงสราง (Non – structural carbohydrate) ไดแกแปงและน าตาล เมออาหารประเภทคารโบไฮเดรตเขาสกระเพาะรเมนจะถกยอยโดยเอนไซมทผลตจากจลนทรย ในขนแรกน าตาลเชงซอน (Polysaccharide) จะถกเอนไซมยอยพนธะทเชอมหนวยของน าตาลโมเลกลเดยว (Monosaccharide) ใหเปนน าตาลขนาดตางๆ สวนใหญจะไดน าตาลโมเลกลค (Disaccharides) กอน และสดทายไดเปนน าตาลโมเลกลเดยว ขนทสองน าตาลโมเลกลเดยว ทยอยไดจะถกเปลยนเปน ไพรเวท (Pyruvate) อยางรวดเรวโดยน าตาลทมคารบอน 6 ตว (Hexose) จะถกเปลยนโดย Embden Meyerhof pathway สวนน าตาลทมคารบอน 5 ตว (Pentose) จะถกเปลยนโดย Pentose phosphate pathway และในขนตอนสดทายไพรเวททไดจะถกเปลยนเปนกรดไขมนระเหย (VFA) ไดแกกรดอะซตค (Acetic acid ; C2) กรดโพรพโอนค ( Propionic acid ; C3 ) และกรดบวทรค (Butyricacid ; C4 ) นอกจากนจะไดคารบอนไดออกไซด (Carbon dioxide ; CO2) ซงจะถก

19

เปลยนไปเปนมเทน (Methane) ตอไป กรดไขมนระเหยเหลานสวนหนงจะถกจลนทรยน าไปใชสงเคราะหโปรตนจลนทรย และสวนหนงจะดดซมผานผนงกระเพาะรเมนไปยงตบโดยกรดอะซตคและกรดบวทรคจะถกใชเปนแหลงพลงงานโดยผานกระบวนการ ออกซเดชน (oxidation) และสงเคราะหเปนไขมน สวนกรดโพรพโอนคจะเปนวตถดบในการสงเคราะหกลโคสโดยกระบวนการ gluconeogenesis (เทอดชย, 2548)

ภาพท 2.4 โครงสรางเซลลโลส เฮมเซลลโลสและเพคตน 2.7.2 จลนทรยในกระเพาะรเมน

ภายในกระเพาะรเมนของสตวเคยวเอองมจลนทรยอาศยอยหลายชนด ในซงมลกษณะเฉพาะตวแตกตางกนไป แตจ านวนประชากรและชนดของจลนทรย จะมการเปลยนแปลงอยตลอดเวลา ขนอยกบอาหารทสตวเคยวเอองไดรบ ภายในกระเพาะรเมนมสภาพทเหมาะสมมากตอการเจรญเตบโตของจลนทรย เชน ระดบ pH 5.5-7.0 และอณหภม 39-40 องศาเซลเซยส ซงเปนอณหภมทเอนไซมสวนใหญท างานไดด นอกจากนการทมอาหารเขามาอยางสม าเสมอ ประกอบกบการบบตวเปนจงหวะของกระเพาะรเมน ท าใหอาหารเคลอนทหมนเวยนอยภายในกระจายตวไดด ผลผลตทเกดขน มการดดซมเอาไปใชประโยชน ท าใหมการหมนเวยนหรอระบายวตถทอยภายในใหออกไปอยางมประสทธภาพ แตถงแมวา สภาพภายในกระเพาะรเมนจะเหมาะสมกบการด ารงชวตของจลนทรยกตาม พบวาจ านวนประชากรของจลนทรยในกระเพาะรเมนมการเปลยนแปลงอยตลอดเวลา ซงจะแปรผนไปตามชนดของอาหารทกน

จลนทรยทมมากในกระเพาะรเมนมอย 2 ชนด ดวยกน คอ แบคทเรย (Bacteria) และโปโตซว ประเภท Ciliated protozoa อาจพบ Fungi หรอจลนทรยทคลายยสต (Yeast) ปะปนอยบาง

20

เนองจากสภาพภายในกระเพาะรเมนเปนสภาพ Anaerobic จงท าใหจลนทรยเกอบทงหมดเปนพวก Anaerobes หรอ Facultative anaerobes

แบคทเรยในกระเพาะรเมนมความหลากหลายท าใหมการผลตเอนไซมหลายชนดท างานรวมกน แบคทเรยแตละชนดจะใหผลผลตในการหมกภายในกระเพาะรเมนแตกตางกนไปขนอยกบอาหารและชนดของแบคทเรย ซง Hungate (1966) อางโดย เทอดชย (2548) ไดแยกชนดของแบคทเรยตามผลผลตจากการหมก ดงตารางท 2.3 ผลผลตทได เกดจากการเลยงแบคทเรยในหองปฏบตการ ซงจะแตกตางจากผลผลตทเกดขนจรงภายในกระเพาะรเมน เนองจากภายในกระเพาะรเมนผลผลตทเกดจากแบคทเรยชนดหนง อาจถกแบคทเรยอกชนดหนงน าไปใชประโยชน ท าใหไมสามารถตรวจพบได

ตารางท 2.3 จ านวนชนดของแบคทเรยทแยกตามผลผลตจากการหมก

ผลผลต ผลตโดย (จ านวนชนด) Formate 16 Acetate 21 (2 species may use acetate)

Propionate 6 Butyrate 7

Higher acid 1 Lactate 13

Succinate 12 Ethanol 8

Carbon dioxide 9 (8 used CO2) Hydrogen 10 (1 used hydrogen) Methane 1

H2S 9 ทมา Hungate (1966) อางโดย เทอดชย (2548) ในการศกษาเกยวกบจลนทรยในกระเพาะรเมน สามารถกระท าไดในหองปฏบตการ โดย

การเพาะเลยงแบคทเรยในสภาวะแวดลอมทเหมาะสม แลวแยกเชอใหบรสทธ ตวอยางจลนทรยในกระเพาะรเมนทพบไดบอย เชน Bacteroides succinogenes, Ruminococcus flavefaciens,

21

Ruminococcus albus, Bacteroides amylopilus, Lactobacilli sp. เปนตน ซง Church (1973) อางโดย เทอดชย (2548) ไดรวบรวมไว ดงตารางท 2.4 ตารางท 2.4 ชนดและลกษณะของแบคทเรยบางชนดภายในกระเพาะรเมนทน ามาเลยงในหองทดลอง Organism Shape of cells Gram

Stain Important function

Bacteroides succinogenes rods - Attacks resistant cellulose Ruminococcus flavefaciens cocci ± Fiber digestion Ruminococcus albus cocci ± Fiber digestion Bacteroides amylopilus rods to irregular - Starch digestion Succinimonas amylolytica coccoid to rods - Starch digestion Veillonella alcalescens cocci - Lactate fermenter Methanobacterium ruminantium curved rods + Methane production Anareovibrio lypolytica rods Lipolytic Peptostreptococcus elsdenii cocci to chains - Lactate fermenter Clostridium lochheadii rods Cellulose digester poor forage Clostridium longisporum rods ? Bonelia sp. spirochete ? Lachnospira multiparus curved rods + Pectin digester Cillobacterium cellulosolvens coccoid to rods Cellulose digestion Butyrivibrio fibrisolvens curved rods - Starch digestion to widely adapted Butyrivibrio alactacidigens curved rods Starch digestion to widely adapted Bacteroides ruminicola coccoid to rods to

irregular widely adapted

Selenomonas ruminantium crescentic - widely adapted Selenomonas lactilytica crescentic Lactate fermenter to widely adapted Succinivibrio dextrinosolvens spiral - Dextran fermenter Streptococcus bovis cocci Starch digestion to various Eubacterium ruminantium coccoid to rods - Sugar, xylan Sarcina bakeri cocci ? Lactobacilli sp. rods + Widely adapted under acidic conditions

ทมา Church (1973) อางโดย เทอดชย (2548)

22

โปรโตซวในกระเพาะรเมนมหลายชนด มขนาดใหญกวา แบคทเรย มองเหนไดงายดวยกลองจลทรรศนทก าลงขยายต า แตเพาะเลยงโปรโตซวในหองทดลองเพอการศกษาท าไดยาก โปรโตซวตายไดงายและภายในตวโปรโตซวสวนใหญจะมแบคทเรยอาศยอยท าหนาทผลตเอนไซมและสารอนทรยบางอยางทจ าเปนตอการด ารงชวตของโปรโตซว โปรโตซวสวนใหญเปนประเภท Ciliated protozoa ทมขน (Cilia) รอบล าตว ตวอยางโปรโตซวในกระเพาะรเมนทพบไดบอย เชน Isotricha porstoma, Isotricha intestinalis, Dasytricha ruminantium, Eudiplodinium magi เปนตน 2.8 สรปสาระส าคญจากเอกสารทเกยวของ

Gijzen et al. (1986) ไดท าการศกษาการเพาะเลยงจลนทรยทไดจากกระเพาะรเมนแบบตอเนองในหองทดลอง เพอประยกตใชส าหรบระบบการยอยสลายวสดเหลอทงซงมลกโนเซลลโลสเปนองคประกอบในสภาวะไรออกซเจน ท าการทดลองโดยใชเมลดหญาเปนแหลงวตถดบส าหรบการเจรญของจลนทรย ท าการหมกในถงปฏกรณเลยนแบบสภาวะในกระเพาะรเมนโดยใชถงปฏกรณขนาด 3 ลตร ซงมปรมาตรใชงานท 1.5 ลตร ท าการควบคมอณหภมระบบท 39 องศาเซลเซยส ระบบมการควบคมการเตมสารละลายบฟเฟอรและสารอาหารอยางตอเนองดวยปมมการกรองกอนน าของเหลวออกจากระบบและภายในถงปฏกรณมการกวนเปนครงคราวชวงละ 45 วนาท ทกๆ 30 นาท เปนเวลา 65 วน พบวาระบบสามารถด าเนนเขาสสภาวะคงทไดภายในระยะเวลา 5-7 วน โดยเปรยบเทยบ จ านวนโปรโตซว การยอยสลายของเยอใย และการผลตกรดไขมนระเหย กบระบบทเกดภายในตวสตว นอกจากนยงพบวาทระยะเวลากกเกบ 11 ถง 14 ชวโมง การยอยสลายของเยอใยและการสรางกรดไขมนระเหยอยในชวงทเหมาะสม โดยมจ านวนโปรโตซว ประมาณ 8.5 x 104 เซลลตอมลลลตร ซงจ านวนโปรโตซวจะลดลงเมอระยะเวลากกเกบมากกวา 14 ชวโมง

Gijzen et al. (1987) ไดท าการศกษาผลการสรางกรดจากการยอยสลายเซลลโลสและการผลตกาซชวภาพโดยกระบวนการยอยแบบอตราสงสองขนตอน (High-rate Two-Phase Process ) ดวยจลนทรยจากกระเพาะรเมน ทดลองโดยใชถงปฏกรณสรางกรด ขนาด 3 ลตร เลยนแบบกระเพาะรเมน (artificial rumen) เรมตนระบบโดยเตมจลนทรยจากกระเพาะรเมนของแกะ จ านวน 250 มลลลตร เตมสารละลายบฟเฟอรจนถงปรมาตรใชงานคอ 1.5 ลตร ปรบอตราการไหลเขาออกของสารละลายเปนสองเทาของปรมาตรใชงานตอวน ใชกระดาษกรองเซลลโลส ( Whatman® , grade 91) ตดใหมขนาด 5-10 มลลเมตร เปนวตถดบตงตน (substrate) รวมกบตนถวอลฟาลฟาปน (alfalfa hay) เตมวนละสองครง กวนถงปฏกรณดวยความเรว 125 รอบตอนาท เปนเวลา 45 วนาท ทกๆ ครงชวโมง ท าการหมกโดยไมมการน ากากออกระหวางชวงการทดลอง ท าการทดลองโดย

23

เปลยนอตราการปอนสารอนทรยท 11.9 16.6 21.2 และ25.8 กรมของของแขงระเหยตอลตรตอวน ปรมาณกรดไขมนระเหยโดยรวมในถงปฏกรณผลตกรดมปรมาณเพมขนตามการเพมของอตราการปอนสารอนทรยทเพมขนแตลดลงเลกนอยทอตราการปอนสารอนทรยสงสด โดยมสดสวนการสรางกรดไขมนระเหย ของกรดอะซตค กรดโพรพโอนค และกรดบวทรค ประมาณ 68 25 และ 7 เปอรเซนตโดยโมลลาร ตามล าดบ ท าการตอถงปฏกรณผลตกรดเขากบถงปฏกรณผลตกาซชวภาพแบบ UASB ซงมปรมาตรเทากบ 2.5 ลตร ของเหลวจากถงหมกกรดถกสงสถงหมกกาซชวภาพ ดวยอตรา 3 ลตรตอวน ท าการควบคมอณหภมถงปฏกรณทงสองท 39 องศาเซลเซยส ผลการทดลองพบวาการเพมอตราการปอนสารอนทรย (Organic Loading Rate, OLR) จาก 11.9 กรม ของของแขงระเหยตอปรมาตรถงปฏกรณ (ลตร) ตอวน ถง 25.8 กรม ของของแขงระเหยตอปรมาตรถงปฏกรณ (ลตร) ตอวน ไมมผลตอประสทธภาพของถงปฏกรณผลตกรด สารตงตนถกยอยสลายจนสมบรณในทกการทดลอง ในขณะทถงปฏกรณผลตกาซชวภาพไมสามารถรองรบอตราภาระบรรทกสารอนทรย ทอตราสงสดได จากการทดลองพบวาสามารถผลตมเทนได 0.438 ลตรตอกรมของของแขงระเหย เทากบ 98 เปอรเซนต ของคาตามทฤษฎ ซงถอวาการใชจลนทรยจากกระเพาะรเมนรวมกบกระบวนการยอยแบบอตราสงสองขนตอน เปนวธทมประสทธภาพในการยอยสลายเซลลโลสเปนกาซชวภาพ

Hu and Yu (2005) ไดศกษาการหมกยอยตนขาวโพด โดยใชจลนทรยจากกระเพาะรเมนของแกะ ท าการหมกแบบไรอากาศโดยแบงเปนการหมกแบบเตมครงคราว (Batch Operation) โดยการเตมอนทรยสารครงเดยวแลวปลอยใหอนทรยสารถกยอยสลายจนหมดแลวจงเอาออก โดยใชน าจากกระเพาะรเมน 20 มลลลตรตอสารละลายบฟเฟอร 80 มลลลตรในถงปฏกรณขนาด 250 มลลลตร เตมวตถดบทมความเขมขนตางกนคอ 5, 10 และ15 กรมของของแขงระเหย (g.VS l-1) ท าการบมเปนเวลา 240 ชวโมง ทอณหภมแตกตางกนคอ 25, 30, 35 และ40 องศาเซลเซยส กวนผสมดวยแทงแมเหลกทความเรว 130 รอบตอนาทและการหมกแบบเตมกงตอเนอง (Semi - Continuous Operation) โดยการเตมอนทรยสารเปนประจ า วนละครง โดยใชถงปฏกรณ ขนาด 3 ลตร ซงมปรมาตรใชงาน 2 ลตร ท าการหมกโดยบมทอณหภม 35 และ40 องศาเซลเซยส และมอตราการปอนวตถดบท 10, 20 และ30 กรมของของแขงระเหยตอวน (g.VS l-1 d-1) พบวาในการหมกยอยแบบเตมครงคราว มประสทธภาพในการยอยสลายของแขงระเหย (Volatile solids ;VS) 65 ถง 70 เปอรเซนต โดยใชเวลาในการหมก 240 ชวโมง ใชอณหภมในการหมกท 25 ถง 40 องศาเซลเซยส มกรดไขมนระเหย (Volatile fatty acid ; VFA) เกดขน 0.59 ถง 0.71 กรมตอกรมของของแขงระเหย (g.g-1VS) ผลผลตทเกดขนในสารละลายคอ อะซเตท โพรพโอเนท และบวทเรท โดยพบ ไอโซบว-ทเรทและวาเลเรท เกดในปรมาณเลกนอย ในสวนผลผลตทเปนกาซชวภาพประกอบดวย

24

คารบอนไดออกไซดและมเทน ส าหรบในการหมกแบบกงตอเนองทอตราการปอนสารอนทรย(Loading rate) 10 ถง 30 กรมของของแขงระเหยไดตอวน อณหภมในการหมกท 40 องศาเซลเซยส พบวามประสทธภาพในการยอยสลายของแขงระเหยได 65 เปอรเซนต โดยใชเวลาเกบกกจลชพ (Solid Retention Time, SRT) 96 ชวโมงและเวลาเกบกกน า (Hydraulic Retention Time, HRT) 18 ชวโมง มกรดไขมนระเหยเกดขน 0.56 ถง 0.59 กรมตอกรมของของแขงระเหยได ในสวนทเปนกาซชวภาพประกอบดวย คารบอนไดออกไซด และ ไฮโดรเจน แตไมพบมเทน จากผลการศกษาชใหเหนวาการหมกยอยตนขาวโพด โดยใชจลนทรยจากกระเพาะรเมนของแกะ มประสทธภาพการหมกยอยสลายตนขาวโพดทรวดเรวและใหผลผลตเปนกรดไขมนระเหยในปรมาณทสง

Kivaisi and Eliapenda (1995) ท าการศกษาการหมกซงขาวโพดและชานออย แบบเตมครงคราวและแบบตอเนอง โดยใชจลนทรยจากกระเพาะรเมน ท าการควบคม pH ใหอยในชวงเดยวกบในกระเพาะรเมน หมกทอณหภม 39 องศาเซลเซยส ในการหมกแบบเตมครงคราว ความเขมขนของของแขงทงหมด (Total solid; TS) เทากบ 20 กรมตอลตร หลงการหมก 168 ชวโมง พบวาซงขาวโพดถกยอยไดสงสด 49 เปอรเซนตตอปรมาณเยอใยทงหมด สามารถผลตกรดไขมนระเหย 10.38 มลลโมล และกาซมเทน ปรมาตร 0.064 ลตรตอกรมของของแขงระเหย ส าหรบการยอยชานออยถกยอยไดสงสด 52 เปอรเซนตตอปรมาณเยอใยทงหมด สามารถผลตกรดไขมนละเหยได 11.85 มลลโมล และกาซมเทน ปรมาตร 0.077 ลตรตอกรมของของแขงระเหย เมอท าการหมกแบบตอเนองโดยอตราการปอนสารอนทรย (Loading rate) 20 ถง 35 กรมตอลตรตอวน ใชระยะเวลาเกบกกจลชพ (Solid Retention Time, SRT) 60 ชวโมงและเวลาเกบกกน า (Hydraulic Retention Time, HRT) 19 ชวโมง พบวาเยอใยทงหมด (Total Fiber) ถกยอยสลายได 40 ถง 69 เปอรเซนต สวนทเหลอเปนลกนนประมาณ 30 เปอรเซนต มกรดไขมนระเหยเกดขน 6.45 ถง 7.76 มลลโมลตอกรมของของแขงระเหยตอวน และสามารถผลตกาซชวภาพไดประมาณ 0.06 ถง 0.19 ลตรตอกรมของของแขงระเหยตอวน จากผลการศกษาชใหเหนวาการใชจลนทรยจากกระเพาะรเมนหมกยอยวตถดบทางดานการเกษตรดวยระบบการหมกแบบตอเนองมประสทธภาพดกวาระบบการหมกแบบเตมครงคราวและใหผลผลตเปนกรดไขมนระเหย ซงเปนสารต งตนส าหรบเชอจลนทรยในกลม Methanogenic bacteria ในการสรางกาซมเทนตอไป

Hu and Yu (2006) ไดศกษาการหมกยอยตนธปฤๅษ เพอใชเปนแหลงพลงงานทดแทนและลดปรมาณของเสย ท าการหมกโดยใชจลนทรยจากกระเพาะรเมนของแกะ ใชถงปฏกรณขนาด 5 ลตร ซงมปรมาตรใชงาน 2 ลตร บมทอณหภม 40 ± 1 องศาเซลเซยส ท าการควบคม pH โดยอตโนมตดวยสารละลาย โซเดยมไฮดรอกไซด 4 N และท าการกวนผสมทความเรว 120 รอบตอนาท pH ของระบบกอนการหมก เทากบ 6.7 ใชวตถดบทมของแขงระเหย (Volatile solids; VS)

25

เทากบ 12.4 กรมตอลตรของของแขงระเหย ใชน ารเมน 200 มลลลตร ในการเรมตนระบบ พบวาสามารถยอยสลายวตถดบไดสงสด 66 เปอรเซนต เมอใชเวลาในการหมก 125 ชวโมง อยางไรกตาม เมอ pH ลดลงจาก 6.7 เปน 5.8 มผลใหการยอยสลายลดลง ผลตภณฑทไดจากการหมกยอยคอ กรดไขมนระเหย 0.56 กรมตอกรมของของแขงระเหย ซงกรดไขมนระเหยโดยสวนใหญประกอบดวย อะซเตท และโพรพโอเนท โดยพบบวทเรท ไอโซบวทเรทและวาเลเรท เกดในปรมาณเลกนอย ในสวนทเปนกาซชวภาพประกอบดวย คารบอนไดออกไซด มเทนและไฮโดรเจน

O’Sullivan et al. (2006) ไดศกษาเปรยบเทยบขอมลจากเอกสารทตพมพวาระบบหมกทแตกตางกน การจดการทแตกตางกนมผลตอการอตราการยอยสลายของเซลลโลสอยางไรและไดท าการทดลองเพอเปรยบเทยบอตราการยอยสลายเซลลโลสตางชนดกนและการใชเชอตงตนแตกตางกนโดยการทดลองสวนท 1 ใชถงปฏกรณขนาด 2 ลตร ซงมปรมาตรใชงานเทากบ 1 ลตร ท าการทดลองแบบเตมครงคราว ใชเซลลโลสบรสทธสองชนด คอ Microcrystalline cellulose และ α-cellulose ความเขมขน 1 เปอรเซนต (W/V) เปนวตถดบ ท าการบมแบบไรออกซเจนทอณหภม 37 องศาเซลเซยส พบวาระบบหมกทเหมอนกนและใชเชอตงตนจากระบบบ าบดของเสยจากชมชนเหมอนกน ระบบมอตรายอยสลายเซลลโลสไดใกลเคยงกนคอ 0.12 กรม SCOD ตอลตรตอวน และ0.10 กรม SCOD ตอลตรตอวน ตามล าดบ การทดลองสวนท 2 ใชถงปฏกรณขนาด 2 ลตร ซงมปรมาตรใชงานเทากบ 1 ลตร ท าการทดลองแบบเตมครงคราวโดยใชเชอตงตนแตกตางกนคอจากระบบบ าบดของเสยจากชมชนและเชอตงตนจากกระเพาะรเมน ใช Microcrystalline cellulose ความเขมขน 1 เปอรเซนต (W/V) เปนวตถดบ ท าการบมแบบไรออกซเจนทอณหภม 37 องศา-เซลเซยส ซงผลการทดลอง พบวามอตรายอยสลายเซลลโลสคอ 0.15 กรม SCOD ตอลตรตอวน และ0.52 กรม SCOD ตอลตรตอวน ตามล าดบ ซงมความแตกตางกน และเมอเปรยบเทยบกบงานทดลองทตพมพอนไดแก Song (2003) การทดลองท 1 ท าการทดลองแบบเตมครงคราวโดยใชเชอตงตนจากระบบบ าบดของเสยจากชมชน ใช Microcrystalline cellulose ความเขมขน 1 เปอรเซนต (W/V) เปนวตถดบ ซงผลการทดลอง พบวามอตรายอยสลายเซลลโลสคอ 0.125 กรม SCOD ตอลตรตอวน การทดลองท 2 ท าการทดลองแบบเตมตอเนองใชอตราการปอนสารอนทรย 10 กรมตอลตร HRT = 5 วน; SRT = 5 วน โดยใชเชอตงตนจากระบบบ าบดของเสยจากชมชน ใช Microcrystalline cellulose เปนวตถดบ ซงผลการทดลอง พบวามอตรายอยสลายเซลลโลสคอ 0.118 กรม SCOD ตอลตรตอวน การทดลองท 3 ท าการทดลองแบบเตมครงคราวโดยใชเชอตงตนจากกระเพาะรเมนใช Microcrystalline cellulose ความเขมขน 1 เปอรเซนต (W/V) เปนวตถดบ ซงผลการทดลอง พบวามอตรายอยสลายเซลลโลสคอ 0.57 กรม SCOD ตอลตรตอวน Desvaux et al. (2000) ไดท าการทดลองแบบเตมครงคราว ท าการควบคม pH ของระบบท 7.2 โดยใชเชอบรสทธ

26

Clostridium cellulolyticum (แยกจากหญา) ความเขมขน 1.27 กรมตอลตรเปนเชอตงตน ใช Cellulose (MN301-Machery-Nagel) เปนวตถดบ ซงผลการทดลอง พบวามอตรายอยสลายเซลลโลสคอ 0.17 กรม SCOD ตอลตรตอวน Rani et al. (1998) ไดท าการทดลองแบบเตมครงคราว โดยใชเชอบรสทธ Clostridium thermocellum (แยกจากถงหมกแบบไรออกซเจน) ความเขมขน 8 กรมตอลตรเปนเชอตงตน ใช Cellulose (Solka floc) เปนวตถดบ ซงผลการทดลอง พบวามอตรายอยสลายเซลลโลสคอ 0.24 กรม SCOD ตอลตรตอวน Barnes และ Keller (2003) ท าการทดลองแบบเตมตอเนองดวยระบบ rumen simulation เตมวตถดบทก 4 ชวโมง ใชอตราการปอนสารอนทรยเทากบ 10 กรมตอลตรตอวน HRT = 16 ชวโมง; SRT = 168 ชวโมง โดยใชเชอตงตนจากกระเพาะรเมน ใช α-cellulose เปนวตถดบ ซงผลการทดลอง พบวามอตรายอยสลายเซลลโลสคอ 0.5 กรม SCOD ตอลตรตอวน Blasig et al. (1992) ท าการทดลองแบบเตมตอเนองดวยระบบ rumen simulation ใชอตราการปอนสารอนทรยเทากบ 14.1 กรมตอลตรตอวน HRT = 11 ชวโมง; SRT = 44 ชวโมง โดยใชเชอตงตนจากกระเพาะรเมน ใชหนงสอพมพ AFEX เปนวตถดบ ซงผลการทดลอง พบวามอตรายอยสลายเซลลโลสคอ 0.422 กรม SCOD ตอลตรตอวน Gijzen et al. (1987) ท าการทดลองแบบเตมตอเนองดวยระบบ rumen simulation ใชอตราการปอนสารอนทรยเทากบ 14.1 กรมตอลตรตอวน HRT = 12 ชวโมง ; SRT = 60 ชวโมง โดยใชเชอตงตนจากกระเพาะรเมน ใชกระดาษกรองเซลลโลส เปนวตถดบ ซงผลการทดลอง พบวามอตรายอยสลายเซลลโลสคอ 0.52 กรม SCOD ตอลตรตอวน Gijzen et al. (1988) ท าการทดลองแบบเตมตอเนองดวยระบบ rumen simulation ใชระบบหมกแบบสองขนตอน อตราการปอนสารอนทรยเทากบ 16.6 กรมตอลตรตอวน HRT = 12 ชวโมง; SRT = 60 ชวโมง โดยใชเชอตงตนจากกระเพาะรเมน ใชกระดาษกรองเซลลโลส เปนวตถดบ ซงผลการทดลอง พบวามอตรายอยสลายเซลลโลสคอ 0.63 กรม SCOD ตอลตรตอวน และ Hu et al. (2004) ท าการทดลองดวยระบบหมกแบบเตมครงคราว ใช Cellulose – Avicel PH 102 ความเขมขน 1 เปอรเซนต (W/V) เปนวตถดบ ควบคม pH ท 7.3 ควบคมอณหภมของระบบหมกท 40 องศาเซลเซยส โดยใชเชอตงตนจากกระเพาะรเมน ซงผลการทดลอง พบวามอตรายอยสลายเซลลโลสคอ 0.57 กรม SCOD ตอลตรตอวน จากการรวบรวบเอกสารทตพมพพบวาระบบหมกทแตกตางกนไมมผลตออตราการยอยสลายของเซลลโลสโดยรวมของระบบ เนองมาจากเซลลโลสมพนทผวจ ากดในการท าปฏกรยา แตพบวาชนดของจลนทรยผสมทอยในระบบมผลตอการยอยสลายเซลลโลสมากกวา โดยในรายงานพบวาจลนทรยทมาจากกระเพาะรเมนมประสทธภาพในการยอยสลายเซลลโลสไดดกวาแหลงอน

27

ไพเชษฐ (2541)ไดศกษาผลของระยะเวลากกเกบของถงปฏกรณสรางกรดตอการบ าบดน าเสยมลสกรโดยกระบวนการบ าบดแบบไรออกซเจนสองขนตอน ในระดบหองปฏบตการ โดยแบงการทดลองเปน 2 ชวง ในชวงท 1 ท าการศกษาการเปลยนแปลงความเขมขนของสารอนทรยในรป TCOD ของน าเสยมลสกรทแตกตางกน 4 คา คอ 1,055, 1,530, 2,108 และ 2,472 มลลกรมตอลตร เขาสถงปฏกรณสรางกรดทมระยะเวลากกเกบน าคงท เทากบ 6 ชวโมง พบวาเมอระบบเขาสสภาวะคงท ในการทดลองทคาความเขมขนของสารอนทรยในรป TCOD มคาเทากบ 2,108 มลลกรมตอลตร ถงปฏกรณสรางกรดมอตราสวนของปรมาณกรดไขมนระเหยทเปลยนแปลงตอปรมาณสารอนทรยในรป FCOD ทลดลงมคาสงสดเทากบ 0.637 กโลกรมCH3COOH ตอ กโลกรมFCOD และในการทดลองชวงท 2 ศกษาการใชความเขมขนของสารอนทรยในน าเสยมลสกรในรป TCOD มคาประมาณ 2,400 มลลกรมตอลตร เขาสถงปฏกรณสรางกรดทมคาระยะเวลากกเกบน าทแตกตางกน 6 คา คอ 3, 6, 9, 12, 15 และ 18 ชวโมง ทตออนกรมเขากบถงปฏกรณสรางมเทนทภายในบรรจตวกรองชวภาพเตมถง ทมระยะเวลากกเกบน าคงทเทากบ 24 ชวโมง เมอระบบเขาสสภาวะคงท พบวาการทดลองทระยะเวลากกเกบน าของถงปฏกรยาสรางกรดเทากบ 3, 6 และ 9 ชวโมง ถงปฏกรณสรางกรดมการสรางกรดไขมนระเหย ไดใกลเคยงกน และมคาสงกวาการทดลองทระยะเวลากกเกบน าของถงปฏกรณสรางกรด ท 12, 15 และ 18 ชวโมง โดยทระยะเวลากกเกบทเทากบ 3, 6 และ 9 ชวโมงน มอตราสวนของปรมาณกรดไขมนระเหยทเปลยนแปลง ตอปรมาณสารอนทรยในรป FCOD ทลดลงประมาณ 0.536 กโลกรมCH3COOH ตอ กโลกรมFCOD และทระยะเวลากกเกบดงกลาว เมอพจารณาสมรรถนะการท างานของโดยรวมของระบบในการลดสารอนทรยและสารแขวนลอย พบวาน าเสยทผานการบ าบดมคาสารอนทรยในรป TCOD และสารแขวนลอยในรป SS ลดลง ประมาณ 87.5 เปอรเซนต และ 92.8 เปอรเซนต ตามล าดบ

อารยา (2546) ไดท าการศกษาการผลตกาซชวภาพจากเศษอาหารโดยการยอยสลายภายใตสภาวะไรออกซเจนแบบสองขนตอนในระดบหองปฏบตการ ระบบประกอบดวย ถงหมกกรด มปรมาตรการหมก 27.73 ลตร และถงหมกกาซ มปรมาตรการหมก 52.83 ลตร ซงถงปฏกรยาทงสองนมการกวนผสมกนอยางสมบรณ ท าการด าเนนระบบดวยสารละลายเศษอาหารทมคาของแขงทงหมดประมาณ 4 เปอรเซนต (น าหนกตอปรมาตร) ทระยะเวลากกเกบ เทากบ 20, 25, 30 และ 35 วน ผลการศกษาพบวาประสทธภาพการก าจดซโอดมคาอยระหวาง 82.11 - 90.13 เปอรเซนต ประสทธภาพการก าจดของแขงทงหมดมคาอยระหวาง 75.29 - 84.34 เปอรเซนต และประสทธภาพการก าจดของแขงแขวนลอยมคาอยระหวาง 61.75 – 83.93 เปอรเซนต โดยทระยะเวลากกเกบท 35 วน มประสทธภาพการก าจดซโอดสงทสด เทากบ 90.13 เปอรเซนต ปรมาณกาซชวภาพทงหมดทเกดขน 31.19 ลตรตอวน โดยมองคประกอบของกาซมเทน 57.32 เปอรเซนต สวนทระยะเวลากก

28

เกบท 20 วน มประสทธภาพการก าจดซโอด เทากบ 82.11 เปอรเซนต แตมปรมาณกาซชวภาพเกดขนสงสดคอ 54.35 ลตรตอวน โดยมองคประกอบของกาซมเทน 61.26 เปอรเซนต

ชลลดา และคณะ (2554)ไดท าการศกษาผลของเวลาเกบกกตอการผลตกาซชวภาพจากตนขาวโพดหมกโดยกระบวนการหมกไรออกซเจนแบบสองขนตอนทประกอบดวยถงสรางกรดในสภาวะเทอรโมฟลกและถงสรางมเทนทอณหภมหองในระดบหองปฏบตการ ท าการทดลองโดยก าหนดใหระยะเวลาเกบกกรวมเทากบ 20 วน โดยการแปรคาระยะเวลากกเกบ 3 คาทแตกตางกนในถงสรางกรด คอ 1,2 และ 3 วน รวมกบถงสรางมเทน คอ 19,18 และ 17 วนตามล าดบ ผลการทดลองพบวาถงสรางกรดมความสามารถในการสรางกรดกรดไขมนระเหยไมแตกตางกนโดยมคาเทากบ 2.91 ± 0.61, 2.90 ± 0.66 และ 2.98 ± 0.61 g/l ทเวลากกเกบ 1, 2 และ 3 วนตามล าดบ ส าหรบถงสรางมเทน ปรมาณกาซมเทนทไดจากถงสรางมเทนทเวลาเกบกก 19 วน (0.211±0.007 NlCH4/gVSadded ) มคามากกวาคาทไดจากถงสรางมเทนทเวลากกเกบ 18 วน (0.172±0.023 NlCH4/gVSadded ) และ 17 วน (0.128±0.011 NlCH4/gVSadded ) อยางมนยส าคญ จากผลการทดลอง ระยะเวลากกเกบทเหมาะสมคอ 1 วนในถงสรางกรดและ 19 วนในถงสรางมเทน

จากการศกษางานวจยทเกยวของกบการเพมประสทธภาพในการยอยสลายวตถดบทเหลอ

จากการผลตในภาคการเกษตรซงมเซลลโลสเปนองคประกอบ โดยจดใหมสภาวะทเหมาะสมตอการเจรญของจลนทรยและน าจลนทรยจากกระเพาะรเมนมาหมกรวมกบวสดทางดานการเกษตร สามารถเพมผลผลตกาซชวภาพได ในการวจยนจงไดท าการศกษาผลกระทบของระยะเวลากกเกบสารอนทรยจากตนขาวโพดหมกทมตอการผลตกรดไขมนระเหย โดยใชจลนทรยจากกระเพาะหมกของโคนม ท าการศกษาถงปฏกรณผลตกรดของระบบการยอยสลายภายใตสภาวะไรออกซเจนแบบสองขนตอน ทมการแยกกนระหวางถงปฏกรณผลตกรดและถงปฏกรณผลตกาซมเทน โดยศกษาผลกระทบของระยะเวลากกเกบในถงปฏกรณผลตกรด เพอเปนแนวทางส าหรบการประยกตใชในการยอยสลายตนขาวโพดหมกใหเปนกาซชวภาพ ชวยเพมมลคาใหกบของเหลอทง ทงยงชวยลดผลกระทบทางดานสงแวดลอม ลดการปลดปลอยกาซเรอนกระจกซงเปนสาเหตใหเกดภาวะโลกรอนและยงไดพลงงานทดแทนอกรปแบบดวย