ศักยภาพการผลิตก๊าซมีเทนและจลนพลศาสตร์ของการหมักร่วมระหว่างเศษอาหารและผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหาร Biochemical Methane Potential and Kinetics on Anaerobic Co-digestion of Food Waste and Cellulose-based Food Packaging Product

Abstract

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

Anaerobic co-digestion is proven to be a promising technology for enhancing the production of methane. In this study, the biochemical methane potential (BMP) from anaerobic co-digestion of food waste (FW) and cellulose-based food packaging product (CFPP) was carried out under mesophilic (35 ± 2°C) condition in a batch mode for 45 days. Three mixing ratios of these two substrates (FW/CFPP 100:0, 40:60, and 0:100 based on volatile solids (VS)) were studied with a substrate-to-inoculum ratio of 0.5. Sodium bicarbonate (NaHCO₃) was also added to establish a stable anaerobic digestion process. In addition, four mathematical models (Modified Gompertz model, First-order model, Monod model, and Cone model) were employed to evaluate their suitability for predicting the methane production of the examined substrates. Based on the obtained results, it is found that the maximum cumulative methane yield was observed in FW/CFPP 100:0, followed by 40:60 and 0:100 with the values of 459.15, 381.79, and 355.60 NmL/gVS, respectively. Among all the studied kinetic models, it can be seen that the Modified Gompertz model was the most accurate and appropriate in predicting the methane production of FW/CFPP 100:0 and 0:100. However, in the case of FW/CFPP 40:60, the First-order model was found to be a better fit than the Modified Gompertz model. Besides, their kinetic parameters reveal that the co-digestion of FW/CFPP 40:60 had a faster methane production rate than the mono-digestion of FW or CFPP.

Keywords: ศักยภาพการผลิตก๊าซมีเทน; เศษอาหาร; ผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหาร; การหมักร่วม; จลนพลศาสตร์; Biochemical methane potential; Food waste; Cellulose-based food packaging product; Co-digestion; Kinetics