Biorefinery series: HMF สารเคมีพื้นฐานจากน้ำตาล สู่วัสดุชีวภาพมากมูลค่า

ในตอนที่ 2 ของ Biorefinery series นี้ เราจะมาเล่าถึงสาร 5-ไฮดรอกซีเมทิลเฟอร์ฟูรัล (5-Hydroxymehylfurfural, HMF) ซึ่งถูกจัดให้เป็น 1 ใน 10 สารเคมีพื้นฐาน (Platform chemical) ที่สำคัญ โดย U.S. Department of Energy [1] เนื่องจาก HMF เป็นโมเลกุลตัวกลางระหว่างชีวมวลและสารเคมีชีวภาพมูลค่าสูงในทางอุตสาหกรรม [2]

โมเลกุล HMF ประกอบด้วยวงฟูราน และหมู่ฟังก์ชันไฮดรอกซีเมทิล และหมู่อัลดีไฮด์ ที่ตำแหน่ง 5 และ 2 ของวงฟูรานตามลำดับ โดยการมีหมู่ฟังก์ชันทั้งสองอยู่ในโมเลกุล ทำให้สามารถผลิตวัสดุและผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ จาก HMF ได้หลากหลาย ผ่านกระบวนการทางเคมีต่างๆ เช่น

ปฏิกิริยาออกซิเดชัน เพื่อเปลี่ยน HMF เป็นกรดฟูรานไดคาร์บอกซิลิก (2,5-furandicarboxylic acid, FDCA) ซึ่งสามารถนำไปใช้แทนกรดเทเรฟทาลิกที่เป็นสารตั้งต้นของขวด PET (Polyethylene terephthalate) พลาสติกยอดนิยมที่ใช้ทำขวดเครื่องดื่ม [3] เมื่อใช้ FDCA แทน จะได้พลาสติกชีวภาพที่มีชื่อว่าพอลิเอทิลีนฟูราโนเอท (polyethylene furanoate, PEF) ที่มีความแข็งแรงเชิงกลสูงกว่า PET และมีคุณสมบัติป้องกันการแพร่ผ่านของแก๊สออกซิเจน แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ สูงกว่า PET ถึง 6, 3 และ 2 เท่า [4] ตามลำดับ

ปฏิกิริยารีดักชันสำหรับการเปลี่ยนโมเลกุล HMF เป็นไดเมทิลฟูราน (DMF) ซึ่งมีคุณสมบัติเหมาะสมสำหรับใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ เนื่องจากมีความหนาแน่นเชิงพลังงาน (Energy density) เทียบเท่าแก๊สโซลีน และสูงกว่าเอทานอลถึง 40% [5] เป็นต้น

นอกเหนือไปจากการประยุกต์ใช้งาน HMF ข้างต้นแล้ว ยังมีการนำ HMF ไปใช้แทนฟอร์มัลดีไฮด์บางส่วนในการผลิตวัสดุเรซิน กลุ่มฟีนอล-ฟอร์มัลดีไฮด์ (PF resin) เพื่อเพิ่มการ cross-link ในโครงสร้างของเรซิน จึงสามารถลดการปลดปล่อยสารฟอร์มัลดีไฮด์อันเป็นพิษ ออกจากวัสดุเรซินได้อย่างมีนัยสำคัญ

อีกหนึ่งการประยุกต์ใช้งาน HMF คือ การใช้งานในด้านการแพทย์และสุขภาพ จากการศึกษาพบว่า HMF มีสมบัติต้านอนุมูลอิสระ (Antioxidant activity) สมบัติการป้องกันการขาดออกซิเจนของเซลล์ (Protection activity against hypoxic injury) สมบัติต้านสารก่อภูมิแพ้ (Anti-allergen activity) และมีศักยภาพสำหรับใช้เป็น anti-sickling agent ในการรักษาโรค sickle cell anaemia [6, 7]

สารเคมีมากประโยชน์เช่น HMF สามารถสังเคราะห์ได้โดยตรงจากน้ำตาลฟรุกโตส ผ่านปฏิกิริยาการสูญเสียน้ำ (dehydration) ในสภาวะที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทกรดบรอนสเตด (Brønsted acid) ทั้งในรูปแบบเอกพันธุ์และวิวิธพันธุ์ [8] แต่สารตั้งต้นที่ใช้งานได้นั้นไม่ได้จำกัดอยู่แค่ฟรุกโตสเท่านั้น ชีวมวลที่มีน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวประเภท C6 (กลูโคส และฟรุกโตส) เป็นส่วนประกอบ เช่น ซูโครส อินูลิน เซลลูโลส หรือแม้แต่ชีวมวลเหลือใช้ทางการเกษตร ก็สามารถนำมาใช้ผลิต HMF ได้ ภายใต้กระบวนการทางเคมีที่เหมาะสม

ยกตัวอย่างเช่น หากจะเปลี่ยนเซลลูโลสเป็น HMF ขั้นตอนแรกจะต้องทำปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส เพื่อแตกเซลลูโลสเป็นกลูโคส ตามด้วยปฏิกิริยาไอโซเมอร์ไรเซชันเพื่อเปลี่ยนกลูโคสเป็นฟรุกโตส และปฏิกิริยาดีไฮเดรชันของฟรุกโตสเป็น HMF ตามลำดับ กลไกปฏิกิริยาที่ซับซ้อนเช่นนี้ ต้องอาศัยการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาและระบบทำปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น การนำตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีหมู่ฟังก์ชันผสมผสาน ทั้งชนิดกรดลิวอิส (Lewis acid) กรดบรอนสเตด (Brønsted acid) ในตัวเร่งปฏิกิริยาเดียวกันเข้ามาใช้งาน เพราะกรดลิวอิสจะทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาไอโซเมอร์ไรเซชันของกลูโคสเป็นฟรุกโตส ส่วนกรดบรอนสเตดจะทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของเซลลูโลส และปฏิกิริยาดีไฮเดรชันของฟรุกโตสเป็น HMF ได้พร้อมๆ กันนั่นเอง [9]

ความยากของการสังเคราะห์คือการหาสภาวะในการทำปฏิกิริยาที่สมดุลที่จะทำให้ได้ร้อยละผลได้ของ HMF สูง เนื่องจาก HMF เป็นสารเคมีที่ว่องไวต่อการกลายรูปไปเป็นสารอื่นได้ง่าย หากใช้สภาวะในการทำปฏิกิริยาที่รุนแรงเกินไป อาจจะเปลี่ยนฟรุกโตสได้มาก แต่ HMF มักจะสลายตัวไปเป็นสารอื่น ในขณะที่หากใช้สภาวะที่อ่อนโยนเกินไป อัตราการเปลี่ยนแปลงฟรุกโตสก็จะต่ำ ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์น้อย

ทีมวิจัย NCAS ของพวกเรา ได้ออกแบบระบบการทำปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงเคมีความร้อนแบบเอกพันธุ์และวิวิธพันธุ์ที่มีประสิทธิภาพสูง [8-12] โดยเคล็ดลับของกระบวนการคือการใช้ตัวทำละลายแบบสองเฟส ทั้งเฟสน้ำซึ่งจำเป็นต่อการละลายน้ำตาล และตัวทำละลายอินทรีย์ที่ทำหน้าที่สกัด HMF ที่ผลิตจากเฟสน้ำทันที เพื่อไม่ให้ HMF เกิดการเสื่อมสลายไปเป็นสารอื่น กระบวนการของเราสามารถใช้ผลิต HMF ที่มีร้อยละผลได้สูง จากสารตั้งต้นหลากหลายประเภท ไม่ว่าจะเป็น น้ำตาลฟรุกโตส น้ำตาลกลูโคส และน้ำเชื่อม high fructose corn syrup เชิงพาณิชย์ ซึ่งเป็นของผสมระหว่างกลูโคสและฟรุกโตสที่หาได้ง่ายทั่วไป และเมื่อนำผลิตภัณฑ์ที่ได้มาผ่านกระบวนการแยกและทำให้บริสุทธิ์ จะได้ HMF ที่มีความบริสุทธิ์สูงกว่า 99%

ในขณะนี้ทีมวิจัยของเราอยู่ระหว่างการศึกษาการขยายกำลังการผลิตของกระบวนการต้นแบบ ผ่านการใช้เตาปฏิกรณ์ที่ใหญ่ขึ้น การปรับเปลี่ยนกระบวนการจากแบบกะเป็นแบบต่อเนื่อง และการเพิ่มความทนทานของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อให้สามารถนำกลับมาใช้ซ้ำได้หลายๆ รอบ เพื่อเพิ่มความคุ้มทุนของกระบวนการ รวมไปถึงการนำ HMF ไปใช้งานเป็นสารตั้งต้นสำหรับผลิตภัณฑ์ทางชีวภาพอื่นๆ ไม่ว่าจะเป็นพลาสติก สารเคมีเติมแต่งเชื้อเพลิง ฯลฯ ตามที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น

ในอนาคต เราจะมาเล่าให้ฟังต่อว่าเราสามารถนำสาร HMF จากน้ำตาลไปผลิตอะไรได้บ้าง ติดตามอ่านบทความในหัวข้อ Biorefinery series ได้ในตอนถัดไป จากเพจ Nanocatalysis and Molecular Simulation (NCAS) ของพวกเรา

บทความโดย ดร. อนิวัฒน์ เพ็งสว่าง
ภาพโดย ชยพัทธ์ ธรรมพินิท

#NCASresearch #NCASnewarticle #Biomass #HMF #BCG #Biorefinery

อ้างอิง

References
[1] Bozell, J. J.; Petersen, G. R. Technology development for the production of biobased products from biorefinery carbohydrates—the US Department of Energy’s “Top 10” revisited. Green Chemistry 2010, 12 (4), 539-554,

[2] Yao, Y.; Chen, S.; Zhang, M. Sustainable Approaches to Selective Conversion of Cellulose Into 5-Hydroxymethylfurfural Promoted by Heterogeneous Acid Catalysts: A Review. Frontiers in Chemistry 2022, 10, Review.

[3] Steinbach, D.; Kruse, A.; Sauer, J.; Vetter, P. Sucrose Is a Promising Feedstock for the Synthesis of the Platform Chemical Hydroxymethylfurfural. In Energies, 2018; Vol. 11.

[4] FCAD – The Fine Chemical Expert. Advantages of PEF Over PET. https://www.fcad.com/advantages-of-pef-over-pet/. Accessed on 29/11/2022.

[5] Román-Leshkov, Y.; Barrett, C. J.; Liu, Z. Y.; Dumesic, J. A. Production of dimethylfuran for liquid fuels from biomass-derived carbohydrates. Nature 2007, 447 (7147), 982-985. DOI: 10.1038/nature05923.

[6] AVA BIOCHEM. Bio-based 5-HMF as an economically and ecologically interesting substitute in formaldehyde resins. https://ava-biochem.com/…/AVA_Biochem_Fact_Sheet…. Accessed on 29/11/2022.

[7] Sarika, P. R.; Nancarrow, P.; Khansaheb, A.; Ibrahim, T. Bio-Based Alternatives to Phenol and Formaldehyde for the Production of Resins. In Polymers, 2020; Vol. 12.

[8] Songtawee, S.; Kraithong, W.; Klaysom, C.; Faungnawakij, K. The Efficient Conversion of D-Fructose to 5-Hydroxymethylfurfural Using Organic Acids as Catalytic Promoters. Biomass Conversion and Biorefinery 2021, 1–10.

[9] Songtawee, S.; Rungtaweevoranit, B.; Klaysom, C.; Faungnawakij, K. Tuning Brønsted and Lewis Acidity on Phosphated Titanium Dioxides for Efficient Conversion of Glucose to 5-Hydroxymethylfurfural. RSC Adv. 2021, 11 (47), 29196–29206. https://doi.org/10.1039/D1RA06002C

[10] Thunyaratchatanon, C.; Sinsakullert, W.; Luengnaruemitchai, A.; Faungnawakij, K. 5-Hydroxymethylfurfural Production from Hexose Sugars Using Adjustable Acid- and Base-Functionalized Mesoporous SBA-15 Catalysts in Aqueous Media. Biomass Conv. Bioref. 2019. https://doi.org/10.1007/s13399-019-00553-8.

[11] Khemthong, P.; Daorattanachai, P.; Laosiripojana, N.; Faungnawakij, K. Copper Phosphate Nanostructures Catalyze Dehydration of Fructose to 5-Hydroxymethylfufural. Catal. Commun. 2012, 29, 96–100. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2012.09.025.

[12] In-noi, O.; Daorattanachai, P.; Rungnim, C.; Prasitnok, K.; Rungtaweevoranit, B.; Faungnawakij, K.; Khemthong, P. Insight into Fructose Dehydration over Lewis Acid α-Cu2P2O7 Catalyst. ChemNanoMat 2021, 7 (3), 292–298. https://doi.org/10.1002/cnma.202000634.

See less

โพสต์ที่คุณน่าจะสนใจ

CCUS เทคโนโลยีกำจัดคาร์บอน สู่ทางรอดของประเทศไทย?

สวัสดีปีใหม่ 2567 ผู้อ่านทุกท่าน ปีเก่าผ่านไปปีใหม่เข้ามาพร้อมกับความท้าทายโจทย์ใหญ่โจทย์เดิม คือ สภาวะโลกร้อน ที่ทำให้เกิดสภาพอากาศแปรปรวน อันส่งผลกระทบต่อชีวิตมนุษย์และระบบนิเวศของโลก สภาวะโลกร้อนนี้มีสาเหตุหลักมาจากกิจกรรมของมนุษย์ที่เพิ่มปริมาณก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ โดยก๊าซเรือนกระจกหลักก็คือคาร์บอนไดออกไซด์

CARBANO เทคโนโลยีผลิตถ่านกัมมันต์ประสิทธิภาพสูงจากวัสดุคาร์บอน

ประเทศไทยขึ้นชื่อว่าเป็นประเทศแห่งอุตสาหกรรมเกษตรและมีวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรที่มากมายหลายหลาก การนำวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรมาแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์มูลค่าสูงจึงเป็นหนึ่งในแนวคิดสำคัญที่จะช่วยเพิ่มรายได้ให้กับอุตสาหกรรมเกษตรของประเทศไทย หนึ่งในผลิตภัณฑ์มูลค่าสูงที่สามารถผลิตได้จากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร คือ ถ่านกัมมันต์ (activated carbon) ซึ่งเป็นถ่านที่มีรูพรุนปริมาณมาก สามารถนำไปใช้ดูดซับและกำจัดสิ่งปนเปื้อนเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่สะอาดเหมาะกับการนำไปใช้อุปโภคและบริโภคในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น

รางวัลโนเบล สาขาเคมี 2023 ผู้ปลูกควอนตัมดอทส์ เมล็ดพันธุ์แห่งวงการนาโนเทคโนโลยี

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2023 ได้มอบรางวัลให้กับการค้นพบและการพัฒนาควอนตัมดอทส์(Quantum Dots, QTDs) หรือ “จุดควอนตัม” ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากในระดับ 1-10 นาโนเมตร

รู้จักกับ “ลิกนิน” สารธรรมชาติที่แสนจะไม่ธรรมดา

ลิกนิน (Lignin) เป็นพอลิเมอร์ธรรมชาติ ที่สามารถพบได้ในพืชทั่วไปสูงถึง 30% ทำหน้าที่เปรียบเสมือนกาวประสานช่วยยึดโครงสร้างพืชให้มีความแข็งแรง นอกจากนี้ยังช่วยลดการระเหยของน้ำ และช่วยป้องกันการถูกทำลายของเนื้อเยื่อจากจุลินทรีย์ได้อีกด้วย ลิกนินมีโครงสร้างแบบอะโรมาติก (Aromatic

หมวดหมู่

โพสต์ยอดนิยม

Biorefinery series: การผลิตกรดแลคติกจากน้ำตาล ด้วยกระบวนการเชิงเคมีความร้อน

ไบโอรีไฟเนอรี่ (Biorefinery) หรือ อุตสาหกรรมพลังงานและเคมีชีวภาพ คือ อุตสาหกรรมการผลิตแห่งอนาคตที่นำชีวมวล หรือวัตถุดิบที่ได้จากพืช มาใช้เป็นสารตั้งต้น (feedstock) ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ

Biorefinery series: น้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพจากน้ำมันปาล์ม

น้ำมันปาล์มเป็นน้ำมันพืชที่ได้จากผลของต้นปาล์มน้ำมันซึ่งเป็นพืชเศรษฐกิจที่หมุนเวียนได้ น้ำมันปาล์มนั้นสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลาย ตั้งแต่นำมาใช้ได้โดยตรงเพื่อการปรุงอาหาร นำมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง หรือนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมโอลีโอเคมี (oleochemical industry) เช่น ผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพ (biolubricant)

โพสต์ล่าสุด

นาโนสารสนเทศและปัญญาประดิษฐ์ ใน ยุค Web 3.0

เราคงคุ้นเคยกับคำว่า ปัญญาประดิษฐ์ หรือ AI เป็นอย่างดี ว่าจะมาช่วยมนุษย์ทำงาน คิดวิเคราะห์ข้อมูล และช่วยในการตัดสินใจ ทำให้เราทำงานได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น เนื่องจาก

การคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์ภายใต้กลุ่มวิจัย NCAS (ตอนที่ 1)

การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีใหม่ๆ เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเคมี โดยหลักการนั้นไม่ต่างจากการออกแบบรถยนต์ ที่ต้องอาศัยความรู้ความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องยนต์ แต่ในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี เครื่องยนต์กลไกที่เป็นหัวใจของการเกิดปฏิกิริยานั้น เป็นผลมาจากแรงอันตรกิริยาที่เป็นแรงดูดหรือแรงผลักระหว่างพื้นผิวของตัวเร่งและโมเลกุลของสาร ซึ่งปรากฎการณ์ดังกล่าวนั้นเกิดขึ้นในระดับนาโนเมตรหรือเล็กกว่า การวิเคราะห์วัสดุที่มาตราส่วนดังกล่าวนั้นมีความซับซ้อนและมักมีข้อกำจัดด้านเครื่องมือ หรือในบางกรณีสมบัติที่สำคัญนั้นยังไม่สามารถวัดได้โดยเครื่องมือที่มีอยู่ในปัจจุบัน