กระบวนการปรับปรุงคุณภาพเส้นใยพืชด้วยกระบวนการทางเคมี

Keyword:     eco fibers  กระบวนการทางเคมี  ปรับปรุงคุณภาพเส้นใยพืช 

สาคร ชลสาคร*

 

กระบวนการทางเคมี (chemical refining) เป็นกระบวนการปรับปรุงเส้นใยพืชด้วยการใช้สารเคมี ถือเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพ และสามารถทำให้เกิดการสลายตัวของลิกนินและเฮมิเซลลูโลสในเส้นใยพืชได้ วิธีนี้มีจุดเด่นคือ เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการขจัดลิกนิน และสามารถทำได้ที่อุณหภูมิห้อง แต่ผลเสียของวิธีนี้ คือ มีค่าใช้จ่ายสูง (Sun and Cheng, 2002) สารเคมีที่นิยมใช้ อาทิ สารออกซิไดร์ (oxidizing agents) กรดต่างๆ และเกลือซึ่งสามารถย่อยสลายเซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และลิกนินได้ วิธีนี้สามารถทำภายใต้ความดันและอุณหภูมิปกติได้  ด่างที่ใช้ได้แก่ ได้แก่ โซเดียมไฮดรอกไซด์ (sodium hydroxide) แอมโมเนีย (ammonia) แอมโมเนียม ซัลไฟต์(ammonium sulfite) กรดที่ใช้ได้แก่ กรดซัลฟูริก (sulphuric acid) กรดไฮโดรคลอริก (hydrochloric acid) กรดฟอสฟอริก (phospholic acid) แก๊สที่ใช้ ได้แก่ คลอรีนไดออกไซด์ (chlorine dioxide) ไนโตรเจน ไดออกไซด์ (nitrogen dioxide) ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (sulphur dioxide) สารออกซิไดซ์เพิ่มเติม ได้แก่ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (hydrogen peroxide) โอโซน (ozone) และสารทำละลายที่ใช้ ได้แก่ เอทานอล (ethanol) เบนซิน (benzene) เอทธิลีน ไกลคอล (Ethylene glycol) บิวทานอล (butanol) และสารที่ทำให้เกิดการพองบวม (swelling agents)

การใช้ด่าง

        การใช้ด่าง (alkali treatment) ในกระบวนการปรับปรุงคุณภาพเส้นใยพืชทั่วไป หรือเส้นใยพืชที่เหลือใช้ทางการเกษตร  มีผลต่อวัสดุจำพวกลิกโนเซลลูโลส และผลของด่างที่ใช้จะขึ้นอยู่กับปริมาณของลิกนินที่มีอยู่ในเส้นใยนั้น (McMillan, 1994) กลไกการทำงานของด่าง คือ ใช้ด่างเป็นสารเพิ่มการพองตัวภายในโมเลกุลของเฮมิเซลลูโลส เกิดการบวมภายในและเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัส ลดผลึกของเซลลูโลส ลดขนาดพอลิเมอร์ สามารถแยกโครงสร้างระหว่างลิกนินกับคาร์โบไฮเดรต เป็นการแยกองค์ประกอบหรือทำลายโครงสร้างของลิกนิน ด่างที่นิยมใช้ในการแยกลิกนิน ได้แก่ โซเดียมไฮดรอกไซด์ และแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งจากงานวิจัยของ Kim et al. (2008) ที่ได้ศึกษาการปรับสภาพ ข้าวบาร์เลย์ด้วยแอมโมเนียพบว่าแอมโมเนียที่ความเข้มข้นร้อยละ 15 อุณหภูมิ 75 องศาเซลเซียส เวลา 24-72 ชั่วโมง สามารถสกัดแยกเอาส่วนของลิกนิน ออกได้ร้อยละ 50-66

 

การใช้กรด

        กระบวนการปรับปรุงคุณภาพเส้นใยพืชโดยการใช้กรด (acid treatment) นั้น มีจุดประสงค์ คือ เพื่อให้ได้น้ำตาลในปริมาณที่สูงจากเส้นใย  ชนิดของกรดที่ใช้มีมากมายหลายชนิดได้แก่ กรดซัลฟูริก กรดไฮโดรคลอริก  กรดไนตริก และกรดฟอสฟอริก ในกระบวนการปรับปรุงคุณภาพเส้นใยสามารถใช้ได้ทั้งกรดเข้มข้นและกรดเจือจาง  เพื่อเพิ่มการทำงานของกระบวนไฮโดรไลซีส (Palmqvist and Hahn-Hagerdal., 2002) ในกระบวนการปรับปรุงคุณภาพเส้นใยด้วยการใช้กรดเจือจางเป็นวิธีหนึ่งที่ได้รับความสนใจศึกษากันมากและแพร่หลายที่สุด (Mussatto et al., 2005) การใช้กรดเจือจางในการปรับปรุงคุณภาพในอุณหภูมิที่เหมาะสม โดยใช้กรดซัลฟูริกหรือกรดฟอสฟอริก  มักจะถูกใช้สำหรับการเปลี่ยนวัสดุพวกลิกโนเซลลูโลส  ซึ่งประกอบด้วยเฮมิเซลลูโลสให้เป็นน้ำตาลที่ละลายได้  ตามด้วยการใช้เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสเพื่อให้เกิดเป็นกลูโคส (Silverstein et al., 2007) ในการใช้กรดเจือจางจะใช้อยู่ 2 รูปแบบ คือ (1) ปริมาณสารตั้งต้นน้อย (ร้อยละ5-10 โดยน้ำหนัก) ที่อุณหภูมิสูง (T> 433 องศาเคลวิน) และ (2) ปริมาณสารตั้งต้นมาก (ร้อยละ10-40 โดยน้ำหนัก) ที่อุณหภูมิต่ำ (T< 433 องศาเคลวิน) โดยทั่วไป พบว่าเมื่อทำการปรับปรุงคุณภาพที่อุณหภูมิสูงและใช้เวลาน้อยกว่า จะมีผลทำให้พบปริมาณไซโลสสูง และเอนไซม์สามารถทำงานได้ดีกว่าที่อุณหภูมิสูง การใช้กรดเจือจาง พบว่า มีผลต่อการเพิ่มการย่อยเซลลูโลส ซึ่งจะขึ้นอยู่กับชนิดของสารตั้งต้นและความเข้มข้นที่ใช้  โดยส่วนใหญ่ร้อยละ 80 และ 95 ของน้ำตาลในเฮมิเซลลูโลสสามารถได้คืนมาเมื่อใช้กรดเจือจางในการปรับปรุงคุณภาพเส้นใยพืช  นอกจากนั้นความเข้มข้นของกรดและอุณหภูมิที่ใช้เป็นปัจจัยที่สำคัญต่อการเกิดสารที่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม จึงควรเลือกอุณหภูมิให้เหมาะสมมากที่สุด

        นอกจากนี้ Maji et al. (2013) ได้ทำการศึกษาสมบัติของเส้นใยต้นดอกรัก โดยการนำต้นรัก  ดังตัวอย่างสายพันธุ์โปรซีรา (Calotropis procera) ดังในภาพที่ 2 มาศึกษาเปรียบเทียบวิธีการแยกสกัดเส้นใยโดยการแช่หมักในด่าง การขูดมือ และการใช้กรด ซึ่งได้ผลดังในภาพที่ 3

ภาพที่ 2 ต้นรักสายพันธุ์โปรซีรา (calotropis procera)

ที่มา: Maji et al. (2013)

(ก)                                   (ข)                               (ค)

 

ภาพที่ 3 เส้นใยต้นรักที่ผ่านการแยกสกัดโดยการ (ก) หมักด้วยด่าง (ข) ขูดด้วยมือ (ค) แช่ด้วยกรด

ที่มา: Maji et al. (2013)

        จากภาพที่ 3 ซึ่งแสดงผลการศึกษาเส้นใยจากต้นดอกรักที่นำมาแยกสกัดด้วยวิธีการแช่หมักด้วยด่าง การขูดด้วยมือและการแช่ในกรด พบว่า การแยกสกัดเส้นใยจากต้นดอกรักโดยการแช่ในกรด ให้เส้นใยที่นุ่มและเปลี่ยนแปลงสี ดังภาพที่ 3 (ค) อย่างไรก็ตามวิธีการแยกสกัดต่างกันให้ปริมาณเซลลูโลสต่างกัน ดังแสดงในตารางที่ 2

ตารางที่ 2 ปริมาณเซลลูโลสของใยต้นดอกรักและเส้นใยพืชอื่นๆ

          เส้นใยพืช

ปริมาณเซลลูโลส (%)

          ฝ้าย

85-90

          ลินิน

72-82

          ต้นดอกรัก

90.6 (ขูดมือ)     

73.5 (หมักด้วยด่าง)     

 

84.7 (หมักด้วยกรด)

ที่มา: Maji et al. (2013)

 

 


เอกสารอ้างอิง

 

Maji, S., Raesh, M. and M. Sandhya. 2013. Extraction of high quality cellulose from the stem of Calotropis procera. South Asian J Exp Biol, 3, 113-118.

 

Mussatto, S.I., G. Dragone and I.C. Roberto. 2005. Influence of the toxic compounds present in brewer’s spent grain hemicellulosic hydrolysate on xylose-to-xylitol bioconversion by Candida guilliermondi. Process Biochem, 40, 3801–3806.

 

Palmqvist, E. and B. Hahn-Hagerdal. 2002. Fermentation of Lignocel-lulosic Hydrolysates.I: Inhibition and Detoxification. Bioresource Technology, Vol. 74, 17-24.

 

Silverstein, R.A., Chen, Y., Sharma-Shivappa, R.R., Boyette, M.D., and J. Osborne. 2007. A comparison of chemical pre-treatment methods for improving saccharification of cotton stalks. Bioresource Technology, 98, 3000-3011.

 

*สาคร ชลสาคร

สาขาวิชาสิ่งทอและเครื่องนุ่งห่ม คณะเทคโนโลยีคหกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี

 

Share this Post:
View article: 334