ก๊าซชีวภาพ (Biogas)

4611

ก๊าซชีวภาพ (Biogas) คือ ก๊าซที่เกิดจากกระบวนการย่อยสลายสารอินทรีย์ ด้วยแบคทีเรียชนิดไม่อาศัยออกซิเจน (Anaerobic) ทำให้เกิดกลุ่มก๊าซขี้นขณะเกิดการย่อยสลาย กลุ่มก๊าซนี้ เรียกว่า ก๊าซชีวภาพ

advertisement

ก๊าซชีวภาพ ประกอบด้วย ก๊าซมีเทน (CH4) ประมาณร้อยละ 60 – 70 คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ประมาณร้อยละ 30 – 40 ทีเหลือจะเป็นก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) และก๊าซไนโตรเจน (N2) ซึ่งก๊าซมีเทนมีคุณสมบัติติดไฟได้จึงสามารถนำมาเป็นพลังงานทดแทนเชื้อเพลิง ต่างๆ เช่น การหุงต้ม เชื้อเพลิงรถยนต์ เชื้อเพลิงในภาคอุตสาหกรรม เป็นต้น

การย่อยสลายอินทรีย์วัตถุสามารถให้ก๊าซชีวภาพ แต่จะเกิดก๊าซมากน้อยเพียงใด ขึ้นอยู่กับชนิดของอินทรีย์วัตถุที่ย่อยสลาย เช่น พืชสดจะเกิดก๊าซยากกว่ามูลสัตว์ เนื่องจากมูลสัตว์มีการย่อยสลายมาบ้างแล้วจากสัตว์ ทำให้แบคทีเรียสามารถย่อยสลายได้รวดเร็วขึ้น

ดังนั้น การนำพืชสดมาใช้กระบวนการหมักให้ได้ก๊าซชีวภาพจะต้องทำการสับให้มีขนาดเล็ก และหมักทิ้งไว้ก่อน สำหรับวัสดุที่นำมาหมัก นอกจากจะมีพืชสด และมูลสัตว์แล้ว ยังสามารถนำของเสียหรือน้ำเสียจากกระบวนการต่าง ๆมาใช้หมักได้ด้วย เช่น น้ำเสียจากโรงงานแป้งมันสำปะหลัง น้ำเสียจากฟาร์มสุกร เศษอาหารตามบ้านเรือน เป็นต้น

บ่อหมักก๊าซชีวภาพ

องค์ประกอบของก๊าซชีวภาพ
– ก๊าซมีเทน: 50-60%
– ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์: 25-35%
– ก๊าซไนโตรเจน: 2-7%
– ก๊าซไฮโดรเจน: 1-5%
– ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์: มีน้อย
– ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์: มีน้อย
– ก๊าซอื่น ๆ: มีน้อย

ประโยชน์ก๊าซชีวภาพ
– เป็นก๊าซใช้สำหรับการหุงต้มแทนเตาแก๊ส
– ใช้สำหรับเป็นแสงสว่าง และให้ความร้อน
– ใช้เป็นเชื้อเพลิงเครื่องยนต์ดูดน้ำ เครื่องยนต์รถยนต์
– ใช้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อให้ความร้อนสำหรับการอบแห้งผลิตภัณฑ์ หรือให้ความอบอุ่นแก่ลูกสัตว์ตามฟาร์มต่างๆ เช่น ไก่ สุกร เป็นต้น
– ใช้เป็นเชื้อเพลิงให้ความร้อนในภาคอุตสาหกรรม เช่น หม้อไอน้ำ
-ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับโรงงานผลิตไฟฟ้า

ไฟฟ้าจากก๊าซชีวภาพ

ฉะนั้น ก๊าซชีวภาพจึงสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้หลายประการ นอกจากนี้ยังมีการนำก๊าซชีวภาพมาใช้ร่วมกับ Dual Fuel Engine คือ การนำก๊าซชีวภาพมาใช้ร่วมกับน้ำมัน หรืออาจกล่าวได้ว่าใช้ส่วนผสมของก๊าซชีวภาพและอากาศผ่านเข้าไปตามท่อไอดีไป ยังกระบอกสูบ เมื่ออัดได้อุณหภูมิและความดันก็ฉีดน้ำมันเข้าไปทำการเผาไหม้กับเครื่องยนต์ ดีเซลต่าง ๆ เมื่อก๊าซ ชีวภาพมีประโยชน์ต่อชีวิตประจำวันอย่างมาก เราจึงควรมีการศึกษาทางด้านนี้อย่างจริงจัง ประกอบกับพยายามนำมาประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้

ซึ่ง กระบวนการหมักเพื่อผลิตก๊าซชีวภาพ เป็นปฏิกิริยาการย่อยสลายสารอินทรีย์ในสภาวะไร้ออกซิเจนโดยจุลินทรีย์หลาย ชนิดผลิตภัณฑ์ที่ได้ในขั้นตอนสุดท้ายเป็นก๊าซมีเทนและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เป็นส่วนใหญ่ กระบวนการย่อยสลายในสภาวะไร้ออกซิเจนเป็นกระบวนการหมุนเวียนคาร์บอนและธาตุ อื่น ๆ ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่สะอาด ปลอดภัย มีการเจริญเติบโตของเซลล์น้อย ทำให้ลดการกำจัดตะกอนจุลินทรีย์ ขั้นตอนกระบวนการเกิดก๊าซชีวภาพ มีดังนี้

กระบวนการเกิดก๊าซชีวภาพ
1. การย่อยสลายในสภาวะไร้ออกซิเจน (Anaerobic Digestion)
การย่อยสลายสารอินทรีย์ในสภาวะไร้ออกซิเจนเป็นกระบวนการเปลี่ยนสารอินทรีย์เป็นก๊าซชีวภาพ ในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน ดังสมการ

อินทรีย์สาร + จุลินทรีย์ = CH4+ CO2+ NH3 + H2+ H2S

ปริมาณก๊าซมีเทนที่เกิดโดยประมาณจากทฤษฎี
1. สารคาร์โบไฮเดรต เกิดก๊าซมีเทน 50% คาร์บอนไดออกไซด์ 50%

C6H12O6 = 3CO2 + 3CH4

2. โปรตีน เกิดก๊าซมีเทน 70-71% คาร์บอนไดออกไซด์ 29-30%

C13H25O7N3S + 6H2O = 6.5CO2 + 6.5CH4 + 3NH3 + H2S

3. ไขมัน เกิดก๊าซมีเทน 67-68% คาร์บอนไดออกไซด์ 32-33%

C12H24O6 + 3H2O = 4.5CO2 + 7.5CH4

advertisement

กระบวนการย่อยสลาย
ขั้นตอนที่ 1 กระบวนการย่อยสลายสารอินทรีย์ (Hydrolysis)
เป็นขั้นตอนการย่อยสารโมเลกุลใหญ่ให้มีขนาดเล็กลง เช่น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน และไขมัน ไปเป็น กรดอะซิติก กรดโพรพิโอนิก กรดบิวทีริก กรดแลกติก และเอทธานอล เป็นต้น ปฏิกิริยานี้จะขึ้นมีปัจจัยหลายอย่างมากเกี่ยวข้อง เช่น ความเข้มข้นของสารอินทรีย์ จำนวนแบคทีเรีย ค่าความเป็นกรดด่าง อุณหภูมิ สารพิษต่างๆ เป็นต้น

คาร์โบไฮเดรต = น้ำตาล + แอลกอฮอล์
โปรตีน = เพปไทด์ + กรดอะมิโน
ไขมัน = กลีเซอรอล + กรดไขมัน

ขั้นตอนที่ 2 เป็นกระบวนการหมักกรดอินทรีย์ต่างๆ ไปเป็นกรดอะซิติคหรือฟอร์เมท และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์  เช่น ปฏิกิริยานการเปลี่ยนกรดอินทรีย์ และแอลกอฮอล์ไปเป็นกรดอะซิติก และไฮโดรเจน ดังสมการ

CH3CH2OH (ethanol) + H2O = CH3COOH (acetic acid) + 2H2
CH3CH2COOH (propionic acid) + 2H2O = CH3COOH (acetic acid) + 3H2 + CO2
CH3CH2CH2COOH (butyric acid) + 2H2O = 2CH3COOH (acetic acid) + 2H2

ขั้นตอนที่ 3 การสร้างมีเทน (Methanogenesis)
เป็นขั้นสุดท้ายของกระบวนการย่อยสลาย โดยจุลินทรีย์จะย่อยอะซิเตทฟอร์เมทเป็นก๊าซมีเทน ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซไฮโดรเจนบางส่วน โดยปริมาณก๊าซมีเทนที่เกิดขึ้นทั้งหมดจะมาจากกระบวนการนี้ ปฏิกิริยาอื่นๆที่เกิด ได้แก่ ปฏิกิริยารีดักชั่นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
มีเทนบางส่วนสามารถเกิดได้จากปฏิกิริยาการแตกตัวของกรดอะซิติก ได้ก๊าซมีเทน และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ดังสมการ

CH3COOH (acetic) CH4 + CO2

รวมถึงปฏิกิริยารีดักชั่นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กับก๊าซไฮโดรเจนไปเป็นก๊าซมีเทน ดังสมการ

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

2. การเกิดมีเทนจากสับสเตรท
ปฏิกิริยาการเกิดมีเทน แบ่งออกเป็น 3 ปฏิกิริยา (ภาวินี ชัยประเสริฐ, 2541 : 9) คือ
– การเกิดมีเทนจากกระบวนการ Decarboxylation ของกรดอินทรีย์ระเหยง่าย
– การเกิดมีเทนจากคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจน
– การเกิดมีเทนจากสารประกอบอินทรีย์เชิงเดี่ยวอื่น ๆ

2.1 มีเทนจากกระบวนการ Decarboxylation ของกรดอินทรีย์ระเหยง่าย

กรดอินทรีย์ระเหยง่ายทุกชนิดจะถูกย่อยสลายเป็นกรดอะซิติกแล้วเปลี่ยนเป็นมีเทน ดังสมการ

CH3COOH (acetic) = CH4 + CO2

โดย 1 โมลของกรดอะซิติกจะได้ 1 โมลของมีเทน และคาร์บอนไดออกไซด์ 1 โมล

การย่อยสลายกรดโพรพิโอนิกไปเป็นกรดอะซิติกและมีเทน

CH3CH2COOH + 0.5 H2O = CH3COOH + 0.25 CO2 + 0.75CH4
CH3COOH = CH4 + CO2

แต่กรดโพรพิโอนิกมีความสามารถยับยั้งการทำงานของจุลินทรีย์ทั้งชนิด Methanogenic และ Fermentative Bacteria

2.2 มีเทนจากปฏิกิริยาของคาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรเจน
การเกิดมีเทนจากสารเหล่านี้ แสดงดังสมการ
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

2.3 มีเทนจากสารอินทรีย์เชิงเดี่ยวชนิดอื่น
การเกิดมีเทนของรูปแบบนี้เกิดจากสารอินทรีย์เชิงเดี่ยวอื่น ๆ ยกตัวอย่าง เช่น Methanol

4CH3OH = 3CH4 + CO2 + 2H2O

แบคทีเรียผลิตก๊าซชีวภาพ
1. Hydrolytic Bacteria
เป็นแบคทีเรียกลุ่มที่ไม่ใช้ออกซิเจนที่สามารถย่อยสลายสารอินทรีย์โมเลกุลใหญ่ให้เล็กลง เช่น ย่อยสลายโปรตีน เซลลูโลส ลิกนิน และไขมัน ไปเป็นสารโมเลกุลเดี่ยวที่ละลายน้าได้ เช่น กรดอะมิโน กรดไขมัน กลูโคส และกลีเซอรอล สำหรับสารอินทรีย์ที่มีองค์ประกอบของลิกนิน เช่น พืชต่างๆ จะเกิดการย่อยสลายได้ช้ากว่าสารอินทรีย์ที่ได้จากมูลสัตว์

2. Acidogenic Bacteria
Acidogenic หรือ acid foming bacteria เป็นแบคทีเรียที่ย่อยสลายสารย่อยสลายสารจำพวกน้ำตาล กรดอะมิโน และกรดไขมันให้เป็นกรดอะซิเตท ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซไฮโดรเจน

3. Acetogenic Bacteria
แบคทีเรียชนิดนี้สามารถย่อยสลายกรดอินทรีย์ระเหยง่าย และแอลกอฮอล์ได้เป็นอะซิเตท ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซไฮโดรเจน แบคทีเรียกลุ่มนี้ต้องการสภาวะที่มีความดันย่อยของไฮโดรเจน (H2 partial pressure) ความดันย่อยของก๊าซไฮโดรเจนที่สูงมีผลทำให้ปริมาณการเกิดกรดอะซิเตทลดลง โดยสารอินทรีย์จะถูกเปลี่ยนเป็นกรดโพรไพโอนิก บิวทีริก และเอทานอลเพิ่มขึ้น ทำให้ระบบมีค่าพีเอชลดลงไม่เหมาะสมสำหรับ Acetogenic แต่แบคทีเรีย Methanogens สามารถดึงไฮโดรเจนไปใช้งานได้ ทำให้มีค่าความดันย่อยของไฮโดรเจนลดลง

4. Methanogenic Bacteria
แบคทีเรียกลุ่ม methanogenic Bacteria เป็นกลุ่มที่พบได้ที่ชั้นตะกอนของแม่น้ำลำคลอง หรือกระเพาะสัตว์เคี้ยวเอื้อง มีทั้งชนิดแกรมบวก และแกรมลบ แบ่งเป็น 2 กลุ่มคือ

– Hydrogenotrophic Methanogens หรือ hydrogen utilizing chemolithotrophs เป็นกลุ่มที่สามารถเปลี่ยนไฮโดรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์เป็นก๊าซมีเทน ดังสมการ ถือเป็นกลุ่มที่ทำหน้าที่ลดความดันย่อยของก๊าซไฮโดรเจนในระบบเพื่อให้เอื้อต่อแบคทีเรียกลุ่มอื่นๆ

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

– Acetotrophic Methanogens หรือ acetate splitting bacteria เป็นกลุ่มที่ทำหน้าที่เปลี่ยนอะซิเตทเป็นก๊าซมีเทน และคาร์บอนไดออกไซด์ ดังสมการ

CH3COOH CH4 + CO2 (2.10)

 

advertisement