ไบโอรีไฟเนอรี่ (Biorefinery) หรือ อุตสาหกรรมพลังงานและเคมีชีวภาพ คือ อุตสาหกรรมการผลิตแห่งอนาคตที่นำชีวมวล หรือวัตถุดิบที่ได้จากพืช มาใช้เป็นสารตั้งต้น (feedstock) ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ สารเคมี และพลาสติกชีวภาพ ด้วยกระบวนการทางเทคโนโลยีชีวภาพ เช่น กระบวนการหมัก การเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ หรือกระบวนการทางวิศวกรรมเคมี เช่น กระบวนการทางเคมีความร้อน เคมีไฟฟ้า หรือ ปฏิกิริยาเชิงแสง ซึ่งต้องอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี 

ประเทศไทยมีศักยภาพในการพัฒนาอุตสาหกรรมเคมีชีวภาพอย่างมาก เนื่องจากมีวัตถุดิบทางการเกษตรที่หลากหลาย มีอุตสาหกรรมเกี่ยวเนื่องในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ และมีอุตสาหกรรมปิโตรเคมีที่เข้มแข็ง ในทางทฤษฎี กระบวนการไบโอรีไฟเนอรี่นั้นสามารถผลิตสารเคมีชีวภาพ ที่นำมาใช้ทดแทนผลิตภัณฑ์จากปิโตรเลียมที่ผลิตจากอุตสาหกรรมปิโตรเคมีได้โดยง่าย แต่ในทางปฎิบัติ สารตั้งต้นชีวภาพนั้นมีความหลากหลาย แตกต่างกันตามแหล่งที่มา ทั้งยังมีองค์ประกอบที่เป็นน้ำและออกซิเจนสูงกว่าปิโตรเลียม ทำให้การเปลี่ยนชีวมวลเป็นสารเคมีนั้นต้องอาศัยองค์ความรู้ด้านการเร่งปฏิกิริยาชั้นสูง และการออกแบบกระบวนการให้เหมาะกับพืชพันธุ์ในท้องถิ่น องค์ความรู้เหล่านี้จะต้องมีการพัฒนาขึ้น เพื่อเป็นรากฐานสำคัญในการรองรับการขยายตัวของอุตสาหกรรมไบโอรีไฟเนอรี่ไทยในอนาคต

ในบทความภายใต้ Biorefinery series นี้ เราจะมาไฮไลต์สารเคมีฐานที่สำคัญของอุตสาหกรรมไบโอรีไฟเนอรี่ในประเทศไทย ซึ่งสารเคมีตัวแรกที่เราอยากแนะนำให้รู้จัก คือ

กรดแลคติก (Lactic acid) อันเป็นสารเคมีชีวภาพที่ผลิตได้จากน้ำตาล และสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลายในอุตสาหกรรมต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น 

1. อุตสาหกรรมอาหาร ในกระบวนการหมักอาหาร อาทิ นมเปรี้ยว โยเกิร์ต ขนมปัง เบียร์ เนยเทียม ผักผลไม้ดอง ไส้กรอก และเครื่องดื่มบางชนิด เป็นต้น นอกจากนั้นยังใช้เติมในอาหารเพื่อให้มีกลิ่น และรสเปรี้ยวให้น่ารับประทาน หรือเพื่อป้องกันการเติบโตของเชื้อจุลินทรีย์อื่นที่ทำให้อาหารบูดเน่า และใช้ผสมในเครื่องดื่มในรูปแคลเซียมแลคเตทเพื่อเสริมเกลือแร่ และแคลเซียม 

2. อุตสาหกรรมเครื่องสำอาง เป็นส่วนประกอบในการผลิตเครื่องสำอางและยา เช่น ผลิตภัณฑ์บำรุงผิวและทำความสะอาดร่างกาย เพื่อเป็นสารเร่งการผัดผิวใหม่ ให้ความชุ่มชื้น ลดการเกิดสิว ผลิตภัณฑ์สำหรับช่องปาก เช่น แคลเซียมแลคเตท เพื่อป้องกันฟันผุ และยับยั้งการก่อตัวของหินปูน ในรูปของส่วนผสมของยาสีฟัน และน้ำยาบ้วนปาก และผลิตภัณฑ์บำรุงเส้นผม ทำหน้าที่เคลือบให้เส้นผมเงางาม เป็นต้น และ 

3. อุตสาหกรรมพลาสติกชีวภาพ โดยเฉพาะ พอลิแลคติกแอซิด (PLA) ซึ่งเป็นพลาสติกที่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ใช้ทดแทนพลาสติกที่ผลิตจากปิโตรเคมี ซึ่งต้องใช้เวลานานในการย่อยสลายและก่อให้เกิดปัญหาทางสิ่งแวดล้อม

ตลาดของกรดแลคติกโลกนั้นมีมูลค่าสูงถึง 3.2 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2564 และคาดว่าจะเกิน 6.9 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2573 โดยมีอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี (CAGR) 8.91% ในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ โดยกรดแลคติกเป็นกรดที่ผลิตได้จากกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมี หรือกระบวนการหมักด้วยจุลินทรีย์ มีลักษณะเป็นของเหลวไม่มีสี ละลายในน้ำ และตัวทำละลายทั่วไปได้ดี มีชื่อทางเคมี คือ 2-hydroxypropanoic acid เนื่องจากกรดแลกติกนั้นเป็นไครัลโมเลกุล (Chiral molecule) มีโครงสร้าง 2 แบบ ได้แก่ L+ และ D- ที่เป็นภาพสะท้อนในกระจก (mirror image) ของกันและกัน กรดแลกติกเชิงพาณิชย์จึงแบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ ชนิด L+ ล้วน ชนิด D- ล้วน และชนิด DL (ผสม) 

ประเทศไทยมีแหล่งวัตถุดิบชีวมวลเหลือทิ้งจากภาคการเกษตรมากมาย อาทิเช่น ชานอ้อย ซังข้าวโพด จุกสับปะรด เป็นต้น ชีวมวลเหล่านี้สามารถนำมาย่อยให้เป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว เช่น น้ำตาลไซโลส และ กลูโคส ซึ่งเป็นสารตั้งต้นของกรดแลกติกได้ โดยทั่วไปแล้วกรดแลคติกมักจะผลิตจากกระบวนการหมักน้ำตาลโดยใช้จุลินทรีย์ ซึ่งต้องใช้ระยะเวลานานและต้นทุนสูง แต่อีกหนึ่งทางเลือกที่น่าสนใจที่ทำได้รวดเร็วกว่า คือกระบวนการเชิงเคมีผ่านการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์ ซึ่งสามารถผลิตกรดแลคติกได้ภายในระยะเวลาไม่กี่ชั่วโมง และยังสามารถแยกสารผลิตภัณฑ์ของเหลวออกได้ง่ายดาย และยังสามารถตัวเร่งปฏิกิริยากลับมาใช้งานซ้ำได้อีกหลายครั้ง ทำให้ลดต้นทุนในการผลิตได้เป็นอย่างมาก

ทีมวิจัย NCAS ของพวกเรา ได้พัฒนากระบวนการเปลี่ยนน้ำตาลไซโลสเป็นกรดแลคติกด้วยกระบวนการทางเคมีความร้อนร่วมกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยากลุ่มอะลูมินา ซึ่งเป็นวัสดุราคาถูกและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาสูง จากการทดลอง ประกอบการศึกษาพื้นผิวของตัวเร่งด้วยเครื่องมือวิเคราะห์ขั้นสูง และการประยุกต์ใช้เคมีเชิงคำนวณมาอธิบายกลไกการเกิดปฏิกิริยาเชิงลึกในระดับนาโน ทีมวิจัยพบว่า คุณสมบัติความเป็นกรดและเบสของตัวเร่งปฏิกิริยามีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตกรดแลคติก โดยอะลูมินาในเฟสแกมมาเป็นตัวเร่งที่ดีที่สุดเมื่อเทียบกับเฟสอื่นๆ เช่น อัลฟาหรือเบต้า และดีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทั่วไปอื่นๆ เช่น ซีโอไลต์และซิลิกา เพราะพื้นผิวของแกมมาอะลูมินามีตำแหน่งทำปฏิกิริยาที่เป็นกรดลิวอิส (Lewis acid site) สูง ซึ่งเอื้อต่อการดูดซับของสารตั้งต้นและการแตกพันธะของ C-C ของน้ำตาลเป็นกรดแลคติก 

งานวิจัยของพวกเรายังไม่หยุดเพียงเท่านี้ ทีมวิจัยได้พัฒนาการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตกรดแลคติกจากน้ำตาลอีกขั้น ด้วยการเติมออกไซด์ของโลหะลงบนอะลูมินาเฟสแกมมาด้วยวิธีการเอิบชุ่ม (impregnation) ซึ่งเป็นวิธีการที่สามารถยกระดับการผลิตได้ในปริมาณมากสำหรับการใช้ในอุตสาหกรรม จากออกไซด์ของโลหะ 5 ชนิดที่ศึกษา ได้แก่ Cu, Co, Ni, Cr และ Sn พบว่าตัวเร่งปฏิกิริยา Cr/Al2O3 และ Sn/Al2O3 ให้ผลการเร่งปฏิกิริยาที่โดดเด่นกว่าตัวเร่งอื่นๆ คือ สามารถเปลี่ยนน้ำตาลไซโลสไปเป็นกรดแลคติกได้ในปริมาณสูงที่สุดถึง 70% ทั้งนี้ทีมนักวิจัยได้ทำการวิเคราะห์คุณสมบัติต่างๆ ของตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าว ทั้งคุณสมบัติเชิงกายภาพและเชิงเคมี และพบว่าคุณสมบัติความเป็นกรดได้เพิ่มขึ้นจากการเติมออกไซด์ของโลหะ และเป็นตัวแปรสำคัญที่ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งสองชนิดให้ผลการเร่งปฏิกิริยาที่ดีขึ้น เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งสองนี้มีปริมาณ weak acid site สูง ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการเปลี่ยนโมเลกุลน้ำตาลให้เป็นกรดแลคติกได้อย่างดีเยี่ยม 

การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาอะลูมินาราคาถูกและประสิทธิภาพสูงนี้ ทำให้ทีมวิจัยของเราสามารถขยายการผลิตกรดแลคติกด้วยระบบปฏิกรณ์แบบกะขนาด 13 ลิตร ได้ที่ 300 กรัมต่อวัน และในระบบการไหลแบบต่อเนื่อง (continuous system) ได้ที่ 3 กรัมต่อกรัมตัวเร่งปฏิกิริยาต่อวัน ซึ่งสามารถนำไปต่อยอดการขยายสเกลไปยังระดับเชิงอุตสาหกรรมต่อไปในอนาคต

ติดตามอ่านบทความในหัวข้อ Biorefinery series ได้ในตอนถัดไป จากเพจ Nanocatalysis and Molecular Simulation (NCAS) ของพวกเรา 

อ้างอิง

[1] Roles of acidic sites in alumina catalysts for efficient D-xylose conversion to lactic acid, Kiatphuengporn S. et al., Green Chemistry 2020, 22, 8572-8583, https://doi.org/10.1039/D0GC02573A

[2] Selective conversion of xylose to lactic acid over metal-based Lewis acid supported on γ-Al2O3 catalysts, Kosri C. et al., Catalysis Today 2021, 367, 205-212, https://doi.org/10.1016/j.cattod.2020.04.061

เรียบเรียงโดย นส. สุฑารัตน์ ทองรัดแก้ว, นส. ชนกภรณ์ โกศรี, ดร. พงษ์ธนวัฒน์ เข็มทอง และดร. ศิรภัสสร เกียรติพึ่งพร

ภาพโดย ชาคริต ยิ้มสุขอนันต์