กระบวนการปรับปรุงคุณภาพเส้นใยพืชด้วยกระบวนการทางเชิงกลเคมี

Keyword:     eco fibers  กระบวนการทางเชิงกลเคมี  ปรับปรุงคุณภาพเส้นใยพืช 

สาคร ชลสาคร*

 

กระบวนการทางเชิงกลเคมี  (chemical-mechanical refining) เป็นกระบวนการปรับปรุงคุณภาพเส้นใยพืชด้วยวิธีทางเชิงกลร่วมกับทางเคมี  มีส่วนสำคัญในการละลายน้ำของเฮมิเซลลูโลสและลิกนินที่ถูกแปลงโครงสร้างแล้วเป็นผลทำให้การแตกตัวของเซลลูโลสในขั้นตอนไฮโดรไลซีสเพิ่มขึ้น ซึ่งการใช้กระบวนการฟิซิโคเคมิคอล  พีทรีสเม็นท์ (physicochemical pretreatment) รวมกับกระบวนการเทอร์-โมเคมิคอล ทรีสเม็นท์ (thermochemical treatment)  เช่น วิธีการระเบิดด้วยไอน้ำ (steam explosion) การระเบิดด้วยแอมโมเนีย (ammonia fiber explosion) การระเบิดด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 explosion) และการระเบิดด้วย ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2 explosion) อุณหภูมิที่ใช้อยู่ระหว่าง 160-260 องศาเซลเซียส กระทำภายใต้ความดัน 0.69-4.83 MPa ที่มีไอน้ำอิ่มตัว เป็นเวลาหลายวินาที หรือ 2-3 นาทีก่อนที่จะปรับลดลงมาอยู่ที่ความดันปกติ  วิธีการย่อยเปียก (wet oxidation pretreatment) กระทำที่อุณหภูมิระหว่าง 200-210 องศาเซลเซียส และมีการเติมด่างหรือโซเดียมคาบอเนต (Na2CO3) ร่วมด้วย  ซึ่งจะช่วยให้สารลิกโนเซลลูโลสิกละลายได้ดีขึ้น และยังช่วยให้การผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าเพิ่ม (value-added products) โดยการใช้เอนไซม์ต่างๆ ได้ผลดีขึ้น ส่วนวิธีการย่อยสลายด้วยน้ำร้อน (Liquid hot water (LHW)) โดยการใช้น้ำร้อนที่อุณหภูมิ 170-230 องศาเซลเซียส ความดัน 5 MPa  นาน 5 นาที  จึงปรับคืนสู่ความดันปกติ ทำให้เฮมิเซลลูโลสในชานอ้อยเส้นใยข้าวโพดและฟางข้าวต่างๆ แตกตัวเป็นไซโลสได้ถึงร้อยละ 45-65

 

การระเบิดด้วยไอน้ำ

วิธีการระเบิดด้วยไอน้ำ (steam explosion) เป็นวิธีที่ได้รับความนิยมในการปรับสภาพวัตถุดิบประเภทลิกโนเซลลูโลส (McMillan, 1994) การระเบิดด้วยไอน้ำ ส่วนใหญ่แล้วจะกระทำที่อุณหภูมิช่วง 160-260 องศาเซลเซียส ภายใต้ความดัน 0.69-4.82 เมกะปาสคาล วัตถุดิบจะถูกผสมกับไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันสูง แล้วทำการลดความดันอย่างรวดเร็ว เป็นผลทำให้เกิดการแยกเซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และลิกนินออกจากกัน โดยเฮมิเซลลูโลสจะละลายในน้ำที่ควบแน่นจากไอน้ำ ปัจจัยที่มีผลในกระบวนการปรับปรุงคุณภาพเส้นใยด้วยวิธีนี้คือ เวลาที่ใช้ อุณหภูมิ ขนาดของวัตถุดิบตั้งต้นที่ใช้และปริมาณความชื้นที่อยู่ในวัสดุ (Duff and Murray, 1996) จากการศึกษาพบว่าสภาวะที่ดีที่สุดในการละลายเฮมิ-เซลลูโลสและการเกิดไฮโดรไลซิส คือ สภาวะใดสภาวะหนึ่งที่ใช้อุณหภูมิสูง และใช้เวลาน้อย อาทิ อุณหภูมิ 270 องศาเซลเซียส นาน 1 นาที และในสภาวะที่ใช้อุณหภูมิต่ำและเวลานานขึ้น อาทิ อุณหภูมิ 190 องศาเซลเซียส นาน 10 นาที เป็นต้น จากการศึกษาของ Wright (1998) พบว่าการใช้อุณหภูมิต่ำและ เวลานานกว่าให้ผลที่ดีกว่า การเติมกรด เช่น กรดซัลฟิวริก หรือการเติมซัลเฟอร์ไดออกไซค์ ในกระบวนการระเบิดด้วยไอน้ำ พบว่า มีผลทำให้มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น กระบวนการไฮโดรไลซีส  เป็นการลดสารที่จะเป็นตัวต่อต้านในการเกิดปฏิกิริยาอื่นที่สำคัญและยังเป็นการทำให้มีการกำจัดเฮมิเซลลูโลสได้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ข้อดีของวิธีการปรับปรุงคุณภาพด้วยวิธีนี้คือ มีการสูญเสียพลังงานน้อยกว่า เมื่อเทียบกับการใช้วิธีทางกล การแปลงสภาพโดยวิธีทางกลจะใช้พลังงานสูงกว่าร้อยละ 70 เป็นที่ทราบกันดีว่า วิธีการระเบิดด้วยไอน้ำนั้น จะมีผลโดยตรงกับวัสดุลิกโนเซลลูโลสที่เป็นไม้เนื้อแข็งและวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร แต่จะมีผลน้อยมากต่อวัสดุลิกโนเซลลูโลสที่เป็นไม้เนื้ออ่อน (Clark and Mackie, 1987) กระบวนการนี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการไฮโดรไลซิส แต่ข้อจำกัดของกระบวนการนี้ก็คือ ในการแยกส่วนประกอบที่เป็นลิกนินมักไม่สมบูรณ์และมักเกิดกลุ่มสารประกอบที่ไปยับยั้งการเกิดจุลินทรีย์  เพราะองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ที่ถูกย่อยออกมา จะไปยับยั้งการเจริญของจุลินทรีย์ที่ใช้ในกระบวนการเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสโดยเอนไซม์ (enzymatic hydrolysis) รวมถึงการหมักด้วยเอนไซม์  กระบวนการระเบิดด้วยไอน้ำจึงจำเป็นต้องมีการล้างด้วยน้ำเพื่อขจัดสารพิษเหล่านี้ออกไป ซึ่งมีผลทำให้น้ำตาลที่ได้ถูกชะล้างหรือสูญเสียไปด้วย

จากผลการวิจัยศึกษาเปรียบเทียบการย่อยสลายไม้เนื้ออ่อนด้วยวิธีการแยกเส้นใย 2 วิธีคือ การระเบิดไอน้ำและการหมักด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) พบว่า การย่อยสลายไม้เนื้ออ่อนด้วยการระเบิดไอน้ำ มีปริมาณลิกนินคงเหลือร้อยละ 43 ในขณะที่หมักด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ความเข้มข้นร้อยละ 1 สามารถย่อยสะลายลิกนินได้สูงกว่าคงเหลือเพียงร้อยละ 7 (Pan et al., 2005)

 

การระเบิดด้วยแอมโมเนีย

การระเบิดด้วยแอมโมเนีย (ammonia explosion) นี้ใช้แอมโมเนียเหลวที่อุณหภูมิระหว่าง 60-100 องศาเซลเซียส ภายใต้ความดัน ระยะเวลาหนึ่ง แล้วทำการลดความดันลงซึ่งมีผลต่อวัตถุดิบโดยวัตถุดิบที่ผ่านกระบวนการนี้จะมีอัตราการเปลี่ยนเป็นน้ำตาลเพิ่มมากขึ้น แต่ไม่มีผลต่อปริมาณของเฮมิเซลลูโลส ไม่เหมาะสมกับพืชที่มีลิกนินมาก ในกระบวนการนี้สามารถนำแอมโมเนียกลับมาใช้ใหม่ได้และไม่ก่อให้เกิดสารยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส เมื่อเปรียบเทียบกับการปรับปรุงคุณภาพด้วยวิธีอื่น อาทิ การระเบิดด้วยไอน้ำที่จะได้วัสดุแบบกึ่งแข็งกึ่งเหลว (slurry) สามารถทำการแยกส่วนที่เป็นของแข็งและของเหลวออกจากกันได้ ในขณะที่การระเบิดด้วยแอมโมเนีย จะให้วัสดุเป็นของแข็งเท่านั้น (Alvira et al., 2010)

 

การระเบิดด้วยคาร์บอนไดออกไซด์

วิธีการระเบิดด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 explosion) นี้ใช้คาร์บอนไดออกไซด์จากกรดคาร์บอนิกในการเพิ่มปฏิกิริยาย่อยสลายขั้นต่อไป นิยมใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ร่วมด้วย อาทิ เอทานอล ซึ่งช่วยในการกำจัดสารประเภทลิกนิน แต่วิธีการนี้ให้ผลผลิตต่ำกว่าการใช้ไอน้ำหรือแอมโมเนีย แต่ไม่เกิดสารขัดขวางการทำงานของเอนไซม์ในขั้นตอนไฮโดรไลซิสเหมือนวิธีการระเบิดด้วยไอน้ำ (Ragg and Fields, 1987)

 

การใช้ความร้อนชื้น

วิธีการนี้เป็นอีกกระบวนการที่มีการใช้ความร้อนชื้น (liquid hot water) ซึ่งจะดำเนินการอย่างช้าๆ และไม่ต้องการสารเคมีเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ต้องอาศัยความดันเพื่อควบคุมสถานะของน้ำในสภาวะของเหลวอุณหภูมิที่ใช้จะอยู่ระหว่าง 160-240 องศาเซลเซียส โดยจะส่งผลต่อเฮมิเซลลูโลส วัสดุที่ได้หลังจากการปรับสภาพจะอยู่ในรูปแบบกึ่งแข็งกึ่งเหลว โดยส่วนที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่จะเป็นเซลลูโลส ส่วนของเหลวส่วนใหญ่เป็นเฮมิเซลลูโลส และเกิดน้ำตาลบางส่วน ทั้งนี้ควรมีการปรับค่า pH ให้อยู่ในช่วง 4-7 เนื่องจากว่าในช่วงดังกล่าวทำให้เฮมิเซลลูโลสยังคงอยู่ในรูปของโอลิโกเมอร์ (oligermeric form) ช่วยลดปัญหาการเกิดการรวมตัวเป็นโพลีเมอร์ใหม่อีกครั้ง (Mosier et al., 2005)

 

การย่อยเปียก

วิธีการย่อยเปียก (wet oxidation) ใช้ออกซิเจนและอากาศเป็นตัวกลางในการทำปฏิกิริยา นิยมใช้ถังหมักชีวภาพในสภาวะอุณหภูมิต่ำภายใต้แรงดัน และเวลาสั้น โดยทั่วไปจะใช้เวลา 10-15 นาที อุณหภูมิ 170-200 องศาเซลเซียส และความดันระหว่าง 10-12 บาร์ ของออกซิเจน (Ogbonna et al., 2001) จากงานวิจัยของ Mishima et al. (2006) พบว่า วิธีนี้มีประสิทธิภาพในการแยกเฮมิเซลลูโลสและลิกนิน ทำให้ปริมาณเซลลูโลสมีค่าเพิ่มขึ้น นิยมใช้ในการผลิตเอทานอลในขบวนการย่อยให้เป็นน้ำตาลพร้อมการหมัก

 

การใช้คลื่นไมโครเวฟ

วิธีการปรับปรุงคุณภาพเส้นใยโดยใช้คลื่นไมโครเวฟ (microwave pretreatment) จัดเป็นวิธีการทางกายภาพร่วมกับทางเคมี เนื่องจากมีการใช้ความร้อนจากคลื่นไมโครเวฟ และใช้สารเคมีเจือจางในการแช่วัสดุเพื่อให้คลื่นไมโครเวฟผ่าน  ซึ่งจะแตกต่างกันไปตามชนิดของวัสดุ และใช้เวลาระหว่าง 5-20 นาที (Keshwani, 2009) จากการศึกษาเบื้องต้นของ รัชพล (2554) เวสารัช (2555)  และ Zhu et al. (2006) พบว่า การใช้คลื่นไมโครเวฟร่วมกับสารละลายด่าง  มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงคุณภาพเส้นใยมากกว่าการใช้คลื่นไมโครเวฟกับสารละลายกรด

 

การใช้คลื่นความถี่สูงอัลตร้าซาวด์

การปรับปรุงคุณภาพเส้นใยด้วยคลื่นความถี่สูงอัลตร้าซาวด์ (ultrasonic pretreatment)  ยังมีรายงานที่เกี่ยวข้องน้อย  แต่ผลที่ได้จากการใช้คลื่นความถี่สูงอัลตร้าซาวด์พบว่าส่งผลให้เกิดการย่อยสลายวัสดุลิกโนเซลลูโลสด้วยเอนไซม์ได้ดีขึ้น จากงานวิจัยของ Yachmenev et al. (2009) พบว่าคลื่นความถี่สูงอัลตร้าซาวด์  มีผลทำให้เอนไซม์เข้าทำปฏิกิริยากับพื้นที่ผิวของวัสดุได้มากขึ้น และเพิ่มประสิทธิภาพในการย่อยสลายได้          

  

 


เอกสารอ้างอิง

รัชพล พะวงศ์รัตน์. 2554. การศึกษาสภาวะที่เหมาะสมในการเตรียมไฮโดรไลเสทผักตบชวาโดยหม้อนึ่งไอน้ำ แรงดันสูงเพื่อผลิตเอทานอล. Veridian E-Journal, SU Vol. 4 No. 1, 891-901.

เวสารัช สุนทรชัยบรูณ์ และ รัชพล พะวงศ์รัตน์. 2555. การปรับสภาพผักตบชวา (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms) และ จอก (Pistia stratiotes L.) ด้วยคลื่นไมโครเวฟร่วมกับด่าง และกระบวนการ ย่อยสลายด้วยเอนไซม์ เพื่อการผลิตน้ำตาลรีดิวซ์. Sakon nakon graduate studies Journal,

         Vol. 10 No. 45, 173-184.

Alvira., P.E. Tomas-Pejo., M. Ballesteros. and M.J. Nergro. 2010. Pretreatment technology for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review. Bioresour Technology, 101, 4851-4861.

Clark, T.A., and K.L. Mackie. 1987. Steam explosion of the soft-wood .Pinus radiata with sulphur dioxide addition I. Process optimization. J. Wood Chem. Technology. 7,

         373– 403.

 

Duff, S. J. B. & Murray, W. D. 1996. Bioconversion of forest products industry waste cellulosics to fuel ethanol: a review. Bioresource Technology, 55, 1-33.

 

Keshwani, D.R. 2009. Microwave pretreatment of switchgrass for bioethanol production. Thesis Dissertation. North Carolina State University.

 

McMillan, J.D., 1994. Pretreatment of lignocellulosic biomass. In:Himmel, M.E., Baker, J.O., Overend, R.P. (Eds.), Enzymatic Conversion of Biomass for Fuels Production. American Chemical Society, Washington DC, 292–324.

 

Mishima, D., M. Tateda., M. Ike and M, Fujita. 2006. Comparative study on chemical pretreatments to   accelerate enzymatic hydrolysis of aquatic macrophyte biomass used in water purification processes. Bioresour Technol, 97, 2166-2172.

 

Mosier, N., C. Wyman, B. Dale, R. Elander, Y.Y. Lee, M. Holtzapple and M. Ladisch. 2005. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 96, 673-686.

 

Ogbonna, J. C., H. Mashima and H. Tanaka. 2001. Scale up of fuel ethanol production from sugar beet juice using loofa sponge immobilized bioreactor. Bioresources Technology, 76, 1-8.

 

Pan, X., Xie, D., Gilkes, N., David, J., Gragg and J. N. Saddler. 2005. Strategies to Enhance to Enzymatic Hydrolysis of Pretreated Softwood with High Residual Lignin Content. Humana Press Inc., 0273-2289/05/121-124, 1069-1080.

 

Ragg, P. L. and P. R. Fields. 1987. The development of a process for the hydroysis of lignocellulosic waste. Phil Trans R Soc Lond, A321, 537-547.

 

Wright, J.D. 1998. Ethanol from biomass by enzymatic hydrolysis. Chem Eng Prog, 84,
62–74.

 

Yachmenev, V., Condon, B., Klasson, T. and A. Lambert. 2009. Accerelation of enzymatic hydrolysis of corn stover and sugar cane baggasse by low intensity uniform ultrasound. J. Biobased Mater. Bioenergy, 3, 25-31.

 

Zhu, S., Wu, Y., Yu, Z., Wang, C., Yu, F., Jin, S., Ding, Y., Chi, R., Liao, J. and Y. Zhang. 2006. Comparition of three microwave / chemical pretreatment process for enzymatic hydrolysis of rice straw. Biosyt Eng, 93, 279-283.

 

*สาคร ชลสาคร

สาขาวิชาสิ่งทอและเครื่องนุ่งห่ม คณะเทคโนโลยีคหกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี

 

Share this Post:
View article: 691