โรงเรียนร่มเกล้า
สำนักงานเขตพื้นที่การศึกษาประถมศึกษาสระแก้ว เขต 2

ศูนย์การเรียนรู้เศรษฐกิจพอเพียง ร่มเกล้าประชารักษ์ ฐานการเรียนรู้ แก๊สชีวภาพ
แก๊สชีวภาพ แก๊สชีวภาพ (อังกฤษ: Biogas หรือ digester gas) หรือ ไบโอแก๊ส คือ แก๊สที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติจากการหมักย่อยสลายของสารอินทรีย์ภายใต้สภาวะที่ปร

ความเป็นมาของการผลิตแก๊สชีวภาพ

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบแก๊สที่เกิดจากการย่อยสลายผุพังของสารอินทรีย์ครั้งแรกในศตวรรษที่ 17 โดย Robert Boyle และ Stephen Hale โดยทั้งสองได้พูดถึงการกวนตะกอนในลำธารและทะเลสาบซึ่งทำให้มีแก๊สที่สามารถติดไฟได้ลอยขึ้นมา ในปี 1859 Sir Humphrey Davy ได้กล่าวไว้ว่าในแก๊สที่เกิดจากขี้วัวนั้นมีแก๊สมีเทนอยู่ด้วย ในอินเดียในปี1859 ได้มีการสร้างถังหมักแก๊สในสภาวะไร้อากาศ(anaerobic digester)ขึ้นเป็นครั้งแรก และต่อมาในปี 1985 ในอังกฤษได้มีการคิดค้นนวัตกรรมใหม่ขึ้นมาโดยใช้ถังสิ่งปฏิกูลผลิตแก๊สแล้วนำแก๊สไปจุดไฟส่องสว่างตามถนน พอถึงปี1907 ก็ได้มีการออกสิทธิบัตรสำหรับถังหมักแก๊สชีวภาพในเยอรมนี

ในช่วงทศวรรษที่ 1930 การหมักแก๊สในสภาวะไร้อากาศก็เริ่มเป็นที่รู้จักในแวดวงนักวิชาการกันมากขึ้น ได้มีการวิจัยค้นคว้าและพบจุลินทรีย์ที่เป็นตัวทำให้เกิดปฏิกิริยาและมีการศึกษาถึงสภาวะแวดล้อมที่เอื้อต่อการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์เหล่านี้

ในชนบทในประเทศกำลังพัฒนา การใช้แก๊สชีวภาพจากขยะทางการเกษตรหรือเศษอาหารจากครัวเรือน สามารถเป็นทางเลือกสำหรับพลังงานราคาถูก ไม่ว่าจะเพื่อแสงสว่างหรือการทำอาหาร ในช่วง 30 ปีทีผ่านมา ทั้งรัฐบาลของอินเดียและจีนต่างก็ได้ให้การสนับสนุนการผลิตแก๊สชีวภาพระดับครัวเรือนซึ่งนอกจากจะลดค่ายังชีพแล้ว ยังเป็นการลดภาระของโครงข่ายพลังงานของชาติด้วย ในประเทศพัฒนาแล้ว การนำเทคโนโลยีการผลิตแก๊สชีวภาพไปใช้ ยังเป็นการลดการปล่อยมลภาวะรวมถึงแก๊สเรือนกระจกสู่สิ่งแวดล้อมที่นับวันจะยิ่งเสื่อมโทรมลง นอกจากนี้ยังมีผลผลิตพลอยได้ต่างๆ เช่นปุ๋ยอินทรีย์

ยิ่งในทุกวันนี้โลกกำลังเผชิญวิกฤติปัญหาสิ่งแวดล้อมและวิกฤติพลังงาน แก๊สชีวภาพจึงยิ่งมีความสำคัญมากขึ้น เพราะเป็นการช่วยแก้ทั้งสองปัญหา ปัจจุบันรัฐบาลของหลายๆ ประเทศรวมถึงประเทศไทยต่างก็ให้การส่งเสริมการผลิตแก๊สชีวภาพ และสนับสนุนผู้ที่ทำการผลิตแก๊สชีวภาพในรูปแบบต่างๆ

การส่งเสริมการผลิตแก๊สชีวภาพในประเทศไทย

ประเทศไทยมีการส่งเสริมเทคโนโลยีแก๊สชีวภาพมานานกว่า 20 ปีแล้ว แต่ในระยะแรกจำกัดอยู่ในระดับครัวเรือนหรือเกษตรกรรายย่อย ต่อมาในปี พ.ศ. 2531 คณะทำงานของมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ร่วมกับกรมส่งเสริมการเกษตร กระทรวงเกษตรและสหกรณ์ โดยการสนับสนุนจากองค์การ GTZ (Gesellschaft fur Technische Zusammenarbeit) ประเทศเยอรมนี ได้จัดตั้ง "โครงการแก๊สชีวภาพไทย-เยอรมัน" ขึ้น เพื่อศึกษาปัญหาการใช้ระบบแก๊สชีวภาพในช่วงเวลาที่ผ่านมา พร้อมทั้งปรับปรุงและพัฒนาเทคโนโลยีแก๊สชีวภาพให้มีความเหมาะสมในการประยุกต์ใช้กับฟาร์มเลี้ยงสัตว์ในประเทศไทยมากขึ้น

ปี พ.ศ. 2534 ได้มีการจัดตั้งหน่วยบริการแก๊สชีวภาพ สังกัดสถาบันวิจัยและพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ เพื่อดำเนินการส่งเสริมเทคโนโลยีแก๊สชีวภาพ ต่อเนื่องจากโครงการแก๊สชีวภาพไทย-เยอรมัน รวมทั้งเพื่อดำเนินการศึกษาวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีให้สามารถประยุกต์ใช้ในฟาร์ม เลี้ยงสัตว์ได้อย่างกว้างขวางมากยิ่งขึ้น และในปลายปี พ.ศ. 2538 กองทุนเพื่อส่งเสริมการอนุรักษ์พลังงาน สำนักงานคณะกรรมการนโยบายพลังงานแห่งชาติ หรือ สพช. (ปัจจุบัน คือ สำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน หรือ สนพ. กระทรวงพลังงาน) ได้ให้การสนับสนุนแก่หน่วยบริการแก๊สชีวภาพ ดำเนินงาน "โครงการส่งเสริมการผลิตแก๊สชีวภาพในฟาร์มเลี้ยงสัตว์ ระยะที่ 1" จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2551 หน่วยบริการแก๊สชีวภาพได้รับการจัดตั้งเป็น "สถาบันวิจัยและพัฒนาพลังงาน มหาวิทยาลัยเชียงใหม่" และต่อมา ในปี พ.ศ. 2553 สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารีได้พระราชทานชื่อหน่วยงานใหม่ เป็น "สถาบันวิจัยและพัฒนาพลังงานนครพิงค์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่" ซึ่งได้ดำเนินโครงการส่งเสริมการผลิตแก๊สชีวภาพต่อเนื่องมาจวบจนปัจจุบัน

กระบวนการย่อยสลายสารอินทรีย์ในสภาวะปราศจากออกซิเจน(Anaerobic digestion)

แก๊สชีวภาพเกิดจากการหมักของสารอินทรีย์โดยมีจุลินทรีย์จำพวกแบคทีเรียเช่นจุลินทรีย์กลุ่มสร้างมีเทน (methane-producing bacteria)หรือเมทาโนเจน และจุลินทรีย์กลุ่มสร้างกรด (acid-producing bacteria) มาช่วยย่อยในสภาวะไร้อากาศ ในกระบวนการย่อยในสภาวะไร้อากาศ เป็นการที่จุลินทรีย์ต่างๆ ทำปฏิกิริยาย่อยสลายสารอินทรีย์ ลงจากสิ่งมีชีวิตซึ่งมีโครงสร้างที่ซับซ้อนลงเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนน้อยลงเป็นขั้นๆ ไป

กระบวนการหมักย่อยในสภาวะไร้อากาศแบ่งเป็น 4 ขั้นดังนี้

  1. ไฮโดรลิซิส(Hydrolysis): สารอินทรีย์(เศษพืชผัก เนื้อสัตว์) มีองค์ประกอบสำคัญคือ คาร์โบไฮเดรต ไขมัน และโปรตีน แบคทีเรียจะปล่อยเอ็นไซม์เอกซ์ตราเซลลูลาร์ (extra cellular enzyme) มาช่วยละลายโครงสร้างโมเลกุลอันซับซ้อนให้แตกลงเป็นโมเลกุลเชิงเดี่ยว (monomer) เช่นการย่อยสลายแป้งเป็นน้ำตาลกลูโคส การย่อยสลายไขมันเป็นกรดไขมัน และการย่อยโปรตีนเป็นกรดอะมิโน
  2. แอซิดิฟิเคชั่น หรือ แอซิโดเจเนซิส(Acidification/ Acidogenesis):การย่อยสลายสารอินทรีย์เชิงเดี่ยว (monomer)เป็นกรดระเหยง่าย  (volatile fatty acid)   กรดคาร์บอน- แอลกอฮอลล์ คาร์บอนไดออกไซด์ แอมโมเนีย และไฮโดรเจน
  3. อะซิโตเจเนซิส (Acetogenesis) เปลี่ยนกรดระเหยง่ายเป็น   กรดอะซิติก  หรือ    เกลืออะซิเทต  ซึ่งเป็นสารตั้งต้นหลักในการผลิตมีเทน
  4. เมทาไนเซชั่น หรือ เมทาโนเจเนซิส (Methanization/Methanogenesis): กรดอะซิติก และอื่นๆ จากขั้น 2 รวมถึงคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจนบางส่วน จะเข้าสู่กระบวนการเปลี่ยนเป็นมีเทนโดยเมทาโนเจน (methanogen)
    CH3COOH --> CH4 + CO2
    กรดอะซิติก มีเทน คาร์บอนไดออกไซด์
    2CH3CH2OH + CO2 --> CH4 + 2CH3COOH
    เอทานอล คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน กรดออะซิติก
    CO2 + 4H2 --> CH44 + 2H2O
    คาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรเจน มีเทน น้ำ

แบคทีเรียเมทาโนเจนิคหรือเมทาโนเจน(Methanogenic bacteria หรือ methanogens)

เมทาโนเจน คือแบคทีเรียที่ดำรงชีวิตภายใต้สภาวะไร้อากาศ(anaerobic) ในวงจรชีวิตของมัน เมทาโนเจน จะย่อยสารอาหารและปล่อยก๊าซต่างๆ ซึ่งรวมถึงมีเทนด้วย เมทาโนเจน มีอยู่หลายชนิดโดยแบ่งออกเป็นสี่ประเภทหลักๆ ตามลักษณะทางเซลล์วิทยา (cytology) (Alexander, 1961).

  • A. Rod-shaped Bacteria
    • (a) Non-sporulating, Methanobacterium
    • (b) Sporulating, Methanobacillus
  • B. Spherical
    • (a) Sarcinae, Methanosarcina
    • (b) Not in Sarcinal groups, Methanococcus

Methanogenนั้นพัฒนาและเพิ่มจำนวนได้ช้า ทั้งยังค่อนข้างอ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันทั้งทางกายภาพ หรือทางเคมี ซึ่งหากมีการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันเกิดขึ้นก็จะส่งผลกระทบต่อการเพิ่มจำนวนและการเกิดแก๊ส อย่างไรก็ตามเมทาโนเจนนั้นสามารถอยู่ได้โดยไม่มีอาหารเพิ่มเติมได้นานเป็นเดือน

ปัจจัยและสภาพแวดล้อมต่างๆที่มีผลต่อการผลิตแก๊สชีวภาพ

การย่อยสลายสารอินทรีย์และการผลิตแก๊สมีปัจจัยต่าง ๆ เกี่ยวข้องดังต่อไปนี้

1. อุณหภูมิในการเดินระบบ (operating temperature)เมทาโนเจน ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิที่ต่ำมากหรือสูงมากได้ ถ้าหากอุณหภูมิลดลงต่ำกว่า10 °Cแบคทีเรียจะหยุดทำงาน

2.  อุณหภูมิในการเดินระบบแบ่งเป็นสองระดับตามสปีชีส์ของเมทาโนเจน ได้แก่เมโซฟิลิก(Mesophilic)และเทอร์โมฟิลิก(Thermophilic)

3. อุณหภูมิที่เหมาะที่เมโซฟิลิก ทำงานได้ดีคือประมาณ 20 °C – 45 °C แต่ที่เหมาะสมที่สุดคือ ช่วง 37 °C – 41 °C โดยในช่วงอุณหภูมิระดับนี้แบคทีเรียส่วนใหญ่ในถังหมักจะเป็นเมโซฟิลิก4. เทอร์โมฟิลิก ทำงานได้ดีในช่วงอุณหภูมิที่สูงกว่า โดยอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดคือประมาณ 50 °C – 52 °C แต่ก็สามารถทำงานในอุณหภูมิที่สูงขึ้นไปถึง 70 °C

แบคทีเรีย M เมโซฟิลิกนั้นมีจำนวนสปีชีส์มากกว่าเทอร์โมฟิลิก นอกจากนี้ยังสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมได้ดีกว่าเทอร์โมฟิลิกอีกด้วย ทำให้ระบบหมักแก๊สชีวภาพที่ใช้เมโซฟิลิก เสถียรกว่า แต่ขณะเดียวกันอุณหภูมิซึ่งสูงกว่าในระบบที่ใช้เทอร์โมฟิลิกก็เป็นการช่วยเร่งปฏิกิริยาส่งผลให้อัตราการผลิตแก๊สสูงกว่า    ข้อเสียอีกข้อของ        ระบบ  เทอร์โมฟิลิก คือการที่ต้องใช้พลังงานจากภายนอกมาเพิ่มความร้อนให้ระบบ ทำให้อาจได้พลังงานสุทธิที่ต่ำกว่า

ความเป็นกรด-ด่าง (pH Value) ค่าpH ที่เหมาะสมที่สุดในการผลิตแก๊สชีวภาพคือระหว่าง 7.0 – 7.2 ค่าpHในถังหมักขึ้นอยู่กับช่วงของการหมักด้วย เพราะในช่วงแรกแบคทีเรียที่สร้างกรดจะสร้างกรดเป็นจำนวนมากและทำให้ค่า pH ลดลง ซึ่งถ้าหาก pH ลดลงต่ำกว่า 5 ก็จะหยุดกระบวนการย่อยและหมักทั้งหมดหรืออีกนัยหนึ่งก็คือแบคทีเรียตาย Methanogen นั้นอ่อนไหวต่อความเป็นกรดด่างมาก และจะไม่เจริญเติบโตหาก pH ต่ำกว่า 6.5 ในช่วงท้ายของกระบวนการ ความเข้มข้นของ NH4 จะมากขึ้นตามการย่อยสลายไนโตรเจนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะส่งผลให้ค่า pH เพิ่มโดยอาจเกิน 8 จนกระทั่งระบบผลิตเริ่มมีความเสถียร pH จะอยู่ระหว่าง  6.8 – 8

 
ส่งข่าวโดย : ร่มเกล้า  เมื่อวันที่ : 31 กรกฎาคม 2556 10.15 น. เปิดอ่าน: 475 ครั้ง ไอพี:: 118.172.187.32 [ปิดหน้าต่าง]
Comments with Facebook
5 ข่าวล่าสุดในหมวดเดียวกัน
ศูนย์การเรียนรู้เศรษฐกิจพอเพียง ร่มเกล้าประชารักษ์ ฐานการเรียนรู้ คนเอาถ่าน [31 กรกฎาคม 2556 10.21 น.] [อ่าน 1476 ครั้ง]
ศูนย์การเรียนรู้เศรษฐกิจพอเพียง ร่มเกล้าประชารักษ์ ฐานการเรียนรู้ คนหัวหมอ มีน้ำยา [31 กรกฎาคม 2556 10.20 น.] [อ่าน 577 ครั้ง]
ศูนย์การเรียนรู้เศรษฐกิจพอเพียง ร่มเกล้าประชารักษ์ ฐานการเรียนรู้ แก๊สชีวภาพ [31 กรกฎาคม 2556 10.15 น.] [อ่าน 475 ครั้ง]
ระบบสารสนเทศเพื่อการบริหารการศึกษา 
กลุ่มสารสนเทศ สำนักนโยบายและแผนการศึกษาขั้นพื้นฐาน สำนักงานคณะกรรมการการศึกษาขั้นพื้นฐาน
Ⓒ Copyright 2017 พัฒนาระบบโดย:: นายสัมพันธ์ พันธ์พิมพ์ ITEC สพป.หนองคาย เขต 2 [ติดต่อทีมพัฒนา]