การประยุกต์ใช้เทคนิคการห่อหุ้มเซลล์จุลินทรีย์เพื่อการย่อยสลายพลาสติกชีวภาพเป็นพลังงานทดแทน

เพื่อศึกษาวิธีการห่อหุ้มเซลล์ที่เหมาะสมต่อเพื่อนำไปประยุกต์ใช้ในการย่อยสลายพลาสติกชีวภาพชนิด PLA โดยงานวิจัยนี้ได้นำจุลินทรีย์จำนวน 2 สายพันธุ์ คือ คือ Bacillus thuringiensis EM409 และ Geobacillus kaustophilus ET701 ซึ่งเป็นสายพันธุ์ที่มีความสามารถในการย่อยสลายพลาสติกชีวภาพชนิด PLA ภายใต้สภาวะมีอากาศที่อุณหภูมิปานกลาง (35 องศาเซลเซียส) และอุณหภูมิสูง (60 องศาเซลเซียส) ตามลำดับ มาทดสอบห่อหุ้มเซลล์ด้วยเทคนิคเอ็กทรูชั่น (extrusion) และอิมัลชั่น (emulsion) พร้อมทั้งศึกษาชนิดและวัสดุพยุงที่เหมาะสมต่อการขึ้นรูปเม็ดเจล และตรวจวัดคุณสมบัติต่างๆของเม็ดเจลที่ผ่านการขึ้นรูปจากแต่ละเทคนิค เช่น รูปร่าง ขนาดอนุภาคของเม็ดเจล ประสิทธิภาพการกักเก็บเซลล์ เป็นต้น จากนั้นนำเซลล์ที่ผ่านการห่อหุ้มทั้งสองเทคนิคมาทดสอบประสิทธิภาพในการย่อยสลายผลิตภัณฑ์พลาสชีวภาพชนิด PLA (แก้วน้ำสำหรับเครื่องดื่มเย็น) ในสภาวะมีอากาศที่อุณหภูมิปานกลางและอุณหภูมิสูงตามการเจริญของจุลินทรีย์ทั้งสองสายพันธุ์ข้างต้น และเปรียบเทียบประสิทธิภาพการย่อยสลายกับเซลล์จุลินทรีย์ที่ไม่ผ่านการห่อหุ้มเซลล์ (free cell)  จากนั้นนำตัวอย่างพลาสติกชีวภาพที่ผ่านการย่อยสลายด้วยเซลล์ที่ผ่านการห่อหุ้มมาหมักย่อยต่อในสภาวะไม่มีอากาศเพื่อผลิตเป็นก๊าซชีวภาพ  เพื่อศึกษาศักยภาพการผลิตก๊าซชีวภาพจากพลาสติกชีวภาพที่ผ่านการย่อยสลายด้วยเซลล์จุลินทรีย์ที่ผ่านกระบวนการห่อหุ้มเซลล์ ซึ่งผลจากการดำเนินงาน สามารถสรุปได้ดังนี้ 

1. จากการคัดเลือกชนิดและความเข้มข้นของวัสดุพยุงที่เหมาะสมต่อการขึ้นรูปเม็ดเจล พบว่าวัสดุพยุงผสมระหว่างโซเดียมอัลจิเนตและเจลาตินที่อัตราส่วนเท่ากับ 60:40 มีเหมาะสมที่สุดต่อการขึ้นรูปเม็ดเจลทั้งเทคนิคเอ็กทรูชั่นและเทคนิคอิมัลชั่น  

2. เมื่อนำเซลล์แบคทีเรียทั้งสองสายพันธุ์ที่ผ่านการห่อหุ้มทั้งสองเทคนิคมาทดสอบประสิทธิภาพการอยู่รอดของเซลล์ที่อุณหภูมิ 25, 4 และ -20 องศาเซลเซียส เป็นระยะเวลา 30 วัน พบว่าการห่อหุ้มเซลล์ด้วยเทคนิคเอ็กทรูชั่น ช่วยปกป้องเซลล์ได้ดีที่สุด และทำให้มีเซลล์แบคทีเรียมีอัตราการอยู่รอดมากที่สุด 

3. จากการทดสอบความสามารถของเซลล์ B. thuringiensis EM409 ที่ผ่านการห่อหุ้มต่อประสิทธิภาพการย่อยสลายพลาสติกชีวภาพชนิด PLA ภายใต้สภาวะมีอากาศที่อุณหภูมิปานกลาง พบว่าการใช้เม็ดเจลเอ็กทรูชั่นมีประสิทธิภาพในการย่อยสลายแผ่น PLA ได้ดีที่สุด โดยทำให้น้ำหนักแผ่น PLA ลดลงร้อยละ 25.86±1.77 จากการย่อยเป็นระยะเวลา 45 วัน และพบการเปลี่ยนแปลงของแผ่น PLA คือ แผ่นมีความขรุขระและเปราะขาดง่าย มีรูพรุนขนาดเล็กและใหญ่กระจายทั่วทั้งพื้นผิวแผ่น PLA และพบการแทรกตัวของเซลล์แบคทีเรียเข้าไปในแผ่น PLA รวมทั้งน้ำหนักโมเลกุลแผ่น PLA มีค่าลดลง ส่วนการทดสอบการย่อยที่อุณหภูมิสูงพบว่า เซลล์ G. kaustophilus ET701 ที่ผ่านการห่อหุ้มแบบเอ็กทรูชั่นและอิมัลชั่น มีประสิทธิภาพในการย่อยสลายแผ่น PLA ไม่แตกต่างกัน โดยมีผลให้น้ำหนักของแผ่น PLA  ลดลงเท่ากับร้อยละ 16.64±1.19 และ 15.02±1.27 ตามลำดับ และทำให้แผ่น PLA เกิดรูพรุน ร่องลึก และรอยแตกทั่วพื้นผิวของแผ่น PLA รวมทั้งมีผลให้น้ำหนักโมเลกุลของแผ่น PLA ลดลงอย่างชัดเจน 

4. แผ่น PLA และสารละลายส่วนใสที่ได้จากการทดลองย่อยสลายด้วยเซลล์ที่ผ่านการห้อหุ้มถูกนำมาหมักย่อยต่อ โดยเป็นการหมักย่อยแบบเติมของเสียครั้งเดียวในสภาวะไม่มีอากาศเพื่อผลิตเป็นก๊าซชีวภาพ ซึ่งจากหมักย่อยเป็นเวลา 40 วัน พบว่า แผ่น PLA ที่ผ่านการย่อยด้วย B. thuringiensis EM409 ในรูปแบบเม็ดเจล อิมัลชั่นให้ผลผลิตก๊าซชีวภาพและมีเทนสูงที่สุด เท่ากับ 118.36±10.23 และ 16.49±0.46 มิลลิลิตรต่อกรัมของแข็งระเหย ตามลำดับ ส่วนแผ่น PLA ที่ผ่านการย่อยด้วย G. kaustophilus ET701 ในรูปแบบเม็ดเจลอิมัลชั่นให้ผลผลิตก๊าซชีวภาพและมีเทนสูงที่สุดเท่ากับ 121.68±8.13 และ 24.62±1.60 มิลลิลิตรต่อกรัมของแข็งระเหย ตามลำดับ แต่อย่างไรก็ตามเมื่อพิจารณาศักยภาพของ PLA ในการนำมาใช้ผลิตก๊าซชีวภาพพบว่าการย่อยสลาย PLA ในสภาวะไร้อากาศเกิดขึ้นได้ยาก ใช้ระยะเวลาในการหมักย่อยนาน และให้ผลผลิตมีเทนค่อนข้างน้อย จึงไม่เหมาะสมที่จะนำมาผลิตก๊าซชีวภาพ