ridm@nrct.go.th   ระบบคลังข้อมูลงานวิจัยไทย   รายการโปรดที่คุณเลือกไว้

การพัฒนาแบบจำลองทางจลนศาสตร์ในกระบวนการหมักแบบไร้อากาศและผลิตก๊าซชีวภาพ

หน่วยงาน สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ

รายละเอียด

ชื่อเรื่อง : การพัฒนาแบบจำลองทางจลนศาสตร์ในกระบวนการหมักแบบไร้อากาศและผลิตก๊าซชีวภาพ
นักวิจัย : อรรณพ นพรัตน์ , Annop Nopharatana
คำค้น : Anaerobic degradation , Biochemistry , Biological sciences , Biology and biochemistry , BT-B-07-XG-B5-4503 , Mathematical models , กรดอินทรีย์ระเหยได้ , กลูโคส , การยับยั้ง , การย่อยสลาย , การย่อยสลายในสภาวะไร้อากาศ , การหมักแบบไร้อากาศ , ศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ , สาขาวิศวกรรมศาสตร์และอุตสาหกรรมวิจัย , แบบจำลองทางคณิตศาสตร์
หน่วยงาน : สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ
ผู้ร่วมงาน : -
ปีพิมพ์ : 2547
อ้างอิง : http://www.nstda.or.th/thairesearch/node/2125
ที่มา : -
ความเชี่ยวชาญ : -
ความสัมพันธ์ : -
ขอบเขตของเนื้อหา : -
บทคัดย่อ/คำอธิบาย :

การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเข้าใจ และอธิบายการย่อยสลายของสารอินทรีย์ประเภทคาร์โบไฮเดรตในสภาวะไร้อากาศ โดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ซึ่งการพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์แบ่งเป็น 3 ขั้นตอนตามขั้นตอนการย่อยสลายแบบไร้อากาศ คือขั้นตอนการหมัก การผลิตกรดอินทรีย์ และการผลิตมีเทน โดยจุลินทรีย์ที่ใช้ในการศึกษาเป็นจุลินทรีย์หลักที่แยกมาจากถังหมักก๊าซ ชีวภาพจากเปลือกสับปะรดที่อุณหภูมิปานกลาง อาทิเช่น Bacillus macerans แบคทีเรียที่ใช้ กรดแลคติค แบคทีเรียที่ผลิตมีเทน เป็นต้น ในขั้นตอนการหมักเริ่มต้นใช้ กูลโคสเป็นสารตั้งต้น โดยทำการศึกษาผลของความเข้มข้นของสับสเตรท (กลูโคส) pH และความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ต่ออัตราการย่อยสลายกลูโคส เพื่อนำข้อมูลมาพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการย่อยสลายกลูโคสในสภาวะไร้ อากาศ จากการศึกษาผลของสภาวะแวดล้อมต่ออัตราการย่อยสลายกลูโคส พบว่าอัตราการย่อยสลายกลูโคสขึ้นกับความเข้มข้นของกลูโคส pH และความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ เมื่อให้ของความเข้มข้นเริ่มต้นของกลูโคสเป็น 2, 5, 8, 12 และ 20 กรัม/ลิตร พบว่าเมื่อความเข้มข้นของกลูโคสสูงจะทำให้อัตราเร็วในการย่อยสลายกลูโคสสูง ขึ้น จนสูงสุดที่ 13 มิลลิโมลาร์/ชั่วโมง และอัตราการผลิต เอธานอลลดลงเมื่ออัตราการย่อยสลายกลูโคสเพิ่มขึ้น เมื่อศึกษาถึงผลของ pH ต่ออัตราการย่อยสลายกลูโคส ที่ค่า pH เริ่มต้นเป็น pH 4, 5, 6 และ 7 จากการศึกษาอัตราการย่อยสลายกลูโคสลดลงเมื่อลดค่าของ pH และอัตราการย่อยสลายกลูโคสที่เปลี่ยนไปเป็นกรดแลคติคและเอธานอลเพิ่มขึ้น เมื่อทำการลดค่าของ pH ของสารอาหารลง และเมื่อศึกษาถึงผลของผลิตภัณฑ์ที่ได้ต่อการย่อยสลายกลูโคส ซึ่งผลิตภัณฑ์หลักที่ได้จากการย่อยสลายกลูโคสคือ กรดแลคติค กรดอะซิติก และเอธานอล พบว่าผลิตภัณฑ์หลักที่ได้จากการทดลองทั้ง 3 ชนิดมีผลต่ออัตราการย่อยสลายกลูโคส โดยเมื่อทำการเติมกรดแต่ละชนิดร่วมกับการเติมกลูโคสมีผลทำให้อัตราเร็วในการ ย่อยสลายกลูโคสลดลง และเมื่อศึกษาการเติมกรดแลคติคร่วมกับกลูโคส นั่นคือเมื่อความเข้มข้นของกรดแลคติคเพิ่มขึ้นทำให้การผลิตกรดแลคติคเพิ่ม ขึ้น เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของกรดอะซิติกมีผลทำให้มีการผลิตกรดแลคติคเพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับผลของความเข้มข้นของกรดแลคติค และเมื่อเพิ่มความเข้มข้นของเอธานอล ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการย่อยสลายกลูโคสเป็นเอธานอล กรดแลคติค กรดอะซิติก เพิ่มสูงขึ้น และนอกจากนี้ยังมีการผลิตกรดโพรพิออนิกเพิ่มขึ้นเป็น 0.03 มิลลิโมลาร์คาร์บอน/มิลลิโมลาร์คาร์บอนของกลูโคสที่ถูกใช้ไป เมื่อทำการเพิ่มความเข้มข้นของเอธานอล แบบจำลองในการศึกษานี้ใช้แบบจำลองของ Michaelis-Menten มาดัดแปลงโดยการเพิ่มพจน์การยับยั้งของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เข้าไปในแบบ จำลอง และในการหาค่าของการยับยั้งทำโดยการ เปรียบเทียบสมการทางจลน์ศาสตร์ให้สอดคล้องกับผลการทดลอง ทำให้ได้ค่าของการยับยั้งอัตราการย่อยสลายกลูโคส ซึ่งจากค่าคงที่ที่ได้ทำให้ทราบว่ากรดแลคติคและเอธานอลมีผลในการยับยั้งการ ย่อยสลายกลูโคส มากกว่ากรดอะซิติก เนื่องจากค่าคงที่ของการยับยั้งของกรดแลคติคและเอธานอลมีสูงกว่ากรดอะซิติก นั่นคือที่ความเข้มข้นของกรดแลคติค (KLAi) 44.39 มิลลิโมลาร์ พบผลของการยับยั้งการย่อยสลายกลูโคสแล้ว รวมถึงมีดีกรีของการยับยั้งเท่ากับ 1.12 ในขณะผลของการยับยั้งโดยเอธานอลพบที่ความเข้มข้น (KEtOHi) เท่ากับ 97.67 มิลลิโมลาร์ และมีดีกรีของการยับยั้งเท่ากับ 2.66 และกรดอะซิติกพบผลของการยับยั้งที่ความเข้มข้น (KAai) เท่ากับ 1*105 มิลลิโมลาร์ และมีดีกรีของการยับยั้งเท่ากับ 0.13 ซึ่งเป็นความเข้มข้นของกรดอะซิติกที่สูงมาก ที่แสดงผลการยับยั้งต่อการย่อยสลายกลูโคส และแบบจำลองที่พัฒนาได้สามารถบอกถึงวิถีทางในการย่อยสลายกลูโคสและค่าคงที่ ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับกลไกการย่อยสลายด้วย ในขั้นตอนการผลิตกรดอินทรีย์นั้น กรดตัวกลางชนิดแรก คือกรดแลคติคได้ถูกทำการศึกษาหาค่าคงที่ทางจลนศาสตร์ ในการย่อยสลาย กรดแลคติคถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์หลักคือ กรดอะซิติก กรดโพรพิโอนิค และกรดบิวทิริค โดยแบบค่าคงที่ทางจลนศาสตร์แสดงให้เห็นว่า การย่อยสลายกรดแลคติคมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนเป็นกรดอะซิติกและโพรพิโอนิคได้ เร็วกว่า ถูกเปลี่ยนไปเป็นกรดบิวทิริก ในด้านผลของความเข้มข้นของกรดแลคติคมีผลยับยั้งการย่อยสลายกรดแลคติคค่อน ข้างน้อย แต่จะถูกยับยั้งอัตราการย่อยสลายกรดแลคติคโดยโดยกรดโพรพิโอนิคและกรดอะซิติ คมากกว่า นอกจากนี้การศึกษาถึงการยับยั้งการทำงานของกลุ่มแบคทีเรียอันเนื่องมาจาก ความเข้มข้นผลิตภัณฑ์ของการย่อยสลายซึ่งในแบบจำลอง กรดอะซิติคเป็นตัวแปรที่สำคัญในกระบวนการย่อยสลายแบบไร้อากาศของกูลโคส โดยมีผลไปยับยั้งการทำงานของกลุ่มจุลินทีย์ต่างๆ ในระบบการย่อยสลายแบบไร้อากาศของกูลโคส ทั้งทางตรงและทางอ้อม เช่น ในกรณีที่ถ้ามีความเข้มข้นของกรดอะซิติคในถังปฏิกรณ์สูง (หรือกรดอะซิติคถูกเปลี่ยนเป็นมีเทนไม่ทัน) จะทำให้กรดอะซิติคไปยับยั้งการใช้กรดโพรพิโอนิค ซึ่งเป็นเหตุให้ความเข้มข้นของกรดโพรพิโอนิคสูงขึ้นและไปมีผลต่อการย่อย สลายกรดแลคติค เป็นเหตุให้มีกรดสะสมในระบบมากขึ้น และระบบเกิดการล้มเหลวได้ นอกจากนี้ปัจจัยด้านการควบคุมความเข้มข้นของกรดอะซิติคในระดับที่ไม่ให้เกิด ผลยับยั้งต่อปฏิกริยาในขั้นการผลิตกรดอินทรีย์ แล้วพบว่า กลุ่มจุลินทรีย์ประเภท Sulphate reducing bacteria (SRB) ก็แสดงบทบาทที่สำคัญในการช่วยเหลือและแข่งขันการทำงานกลุ่มจุลินทรีย์ที่ ผลิตมีเทนด้วย โดยพบว่า กลุ่มจุลินทรีย์ SRB จะทำหน้าที่เป็นกลุ่มที่ผลิตกรดอะซิติกในสภาวะที่มีซัลเฟตต่ำแต่เมื่อมี ซัลเฟตสูงก็จะหันกลับมาใช้ กรดอะซิติก ดังนั้นการที่มีแบบจำลองที่สามารถอธิบายการทำงานทั้งในเชิงช่วยเหลือกันและ แข่งขันกันของกลุ่มจุลินทรีย์ต่างๆ สำหรับกระบวนการย่อยสลายแบบไร้อากาศนั้น ทำให้สามารถปรับปรุงการดำเนินการของระบบย่อยสลายในสภาวะไร้อากาศได้ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการให้สูงขึ้นต่อไป

บรรณานุกรม :
อรรณพ นพรัตน์ , Annop Nopharatana . (2547). การพัฒนาแบบจำลองทางจลนศาสตร์ในกระบวนการหมักแบบไร้อากาศและผลิตก๊าซชีวภาพ.
    ปทุมธานี : สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ.
อรรณพ นพรัตน์ , Annop Nopharatana . 2547. "การพัฒนาแบบจำลองทางจลนศาสตร์ในกระบวนการหมักแบบไร้อากาศและผลิตก๊าซชีวภาพ".
    ปทุมธานี : สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ.
อรรณพ นพรัตน์ , Annop Nopharatana . "การพัฒนาแบบจำลองทางจลนศาสตร์ในกระบวนการหมักแบบไร้อากาศและผลิตก๊าซชีวภาพ."
    ปทุมธานี : สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ, 2547. Print.
อรรณพ นพรัตน์ , Annop Nopharatana . การพัฒนาแบบจำลองทางจลนศาสตร์ในกระบวนการหมักแบบไร้อากาศและผลิตก๊าซชีวภาพ. ปทุมธานี : สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ; 2547.