ตัวอย่างแรกคือ FDCA ซึ่งเป็นสารเคมีมูลค่าสูง ที่ได้จากปฏิกิริยาออกซิเดชันของ HMF โดยสารเคมีชนิดนี้ได้รับความสนใจมากและจัดเป็น 1 ใน 12 สารเคมีชีวภาพที่มีมูลค่าเชิงการตลาดสูงโดย US Department of Energy ในปี 2004 [3] FDCA เป็นโมโนเมอร์ในการผลิต polyethylene furanoate (PEF) พลาสติกชีวภาพ (bioplastic) ที่มีคุณสมบัติหลายอย่างที่ดีกว่า Polyethylene terephthalate (PET) ดังที่ได้กล่าวไปแล้วในบทความก่อนหน้า PEF ยังสามารถนำไปรีไซเคิลได้ในระบบเดียวกันกับ PET ข้อดีดังกล่าวจึงทำให้ PEF เหมาะกับการนำไปใช้เป็นบรรจุภัณฑ์ในอุตสาหกรรมอาหาร เครื่องดื่ม เครื่องสำอาง และอุตสาหกรรมอื่นๆ ทั้งนี้ FDCA ถือว่าเป็นหนึ่งใน ‘ยักษ์ที่หลับใหล’ (‘sleeping giant’) ที่หากถูกปลุกขึ้นมา จะมีมูลค่าทางการตลาดสูง แต่ยักษ์ที่ว่านี้ยังคงรอคอยการปลุกให้ตื่นอยู่ เพราะยังมีข้อจำกัดในขยายขนาดการผลิตสู่ระดับอุตสาหกรรม ถึงแม้จะมีการวิจัยและมาเป็นร้อยปีแล้วก็ตาม [4] ปัจจุบันบริษัท Avantium ประเทศเนเธอแลนด์ ได้พยายามผลักดันเทคโนโลยีการผลิตโมโนเมอร์ FDCA จากน้ำตาลจากพืชเพื่อเป็นแหล่งทดแทนโมโนเมอร์จากกระบวนการทางปิโตรเคมี จากระดับโรงงานต้นแบบ (pilot plant) ไปสู่ระดับอุตสาหกรรม [4]

สารเคมีตัวถัดมาคือกรดอะดิพิก (Adipic acid หรือ AA) เป็นอีกหนึ่งในสารเคมีมีมูลค่าสูงที่สามารถผลิตได้จาก HMF โดย AA เป็นสารที่ใช้ในการสังเคราะห์โพลิเมอร์ เช่น nylon-66 nylon-6 เรซินพวกโพลียูริเทน สารเติมแต่งพลาสติก จำพวกพลาสติไซเซอร์ (plasticizer) รวมไปถึงน้ำมันหล่อลื่น (lubricant) อีกด้วย [5, 6] โดย AA เป็นสารเคมีพื้นฐานอีกชนิดที่มีมูลค่าทางการตลาดเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องทุกปี เฉลี่ยปีละ 4.4% ตั้งแต่ปี 2018 โดยมีการคาดการณ์ว่าจะเติบโตสูงถึง 6.7 พันล้านเหรียญสหรัฐในปี 2025 ในปัจจุบันการสังเคราะห์ AA เชิงพาณิชย์ได้จากกระบวนการทางปิโตรเคมีซึ่งก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกกลุ่ม nitrogen oxide ดังนั้นการสังเคราะห์ AA จากชีวมวลในโรงกลั่นชีวภาพจึงเป็นอีกทางเลือกที่ยั่งยืนขึ้น ทั้งนี้การสังเคราะห์ AA จาก HMF เกิดผ่านปฏิกิริยาไฮโดรจีโนไลซิส (hydrogenolysis) ของ FDCA โดยตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์กลุ่ม Pt Au และ Ru บนวัสดุรองรับประเภทต่างๆ อย่างไรก็ตามยังมีความท้าทายในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีราคาถูกลง รวมไปถึงการใช้ตัวทำละลายที่มีความเป็นพิษน้อยลงอีกด้วย [6]

สารที่น่าสนใจตัวถัดมาคือ 1,6-Hexanediol (1,6-HDO) เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์ polyester และ polyurethane ที่มีราคาขายประมาณ 4,400 เหรียญสหรัฐต่อตัน และมีการคาดการณ์ว่าจะโตจาก 0.9 เป็น 1.4 พันล้านเหรียญสหรัฐในปี 2025 หรือเติบโตเฉลี่ย 8%ต่อปี [7] โดยการสังเคราะห์ 1,6-HDO จาก HMF ต้องผ่านหลายขั้นตอนคือกระบวนการไฮโดรจีเนชัน (hydrogenation) ไปเป็น BHMF และ BHMTHF ตามด้วยปฏิกิริยาการเปิดวง (ring-opening) และไฮโดรดีออกซีจีเนชัน (hydrodeoxygenation) ตามลำดับ จึงทำให้การสังเคราะห์ 1,6-HDO จาก HMF โดยตรงบนตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ยังให้ yield ที่ต่ำ ปัจจุบันการสังเคราะห์ 1,6-HDO โดยเริ่มจาก BHMF ที่ได้จากปฏิกิริยาไฮโดรจีเนชันของ HMF ก่อนจึงเป็นทางเลือกที่ดีกว่า [8]

ตัวอย่างสุดท้ายคือ DMF ซึ่งถูกใช้ประโยชน์ในเชิงเชื้อเพลิงชีวภาพ (biofuel) [9-11] โดย DMF มีคุณสมบัติในเชิงพลังงานที่ดีโดยมีจุดเดือดในช่วง 92–94 oC มี พลังงานต่อหน่วย (energy density) ที่สูง (30 kJ/cm3) รวมทั้งค่าออกเทนโดยวิธีวิจัย (Research Octane Number หรือ RON) ที่สูงถึง 119 [11] ซึ่งทำให้ DMF มีคุณสมบัติที่ใกล้เคียงกับก๊าซโซลีน (gasoline) นอกจากนี้ DMF ยังถูกนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารอื่นๆต่อได้อีก เช่น p-xylene ทั้งนี้ DMF สามารถสังเคราะห์ผ่านปฏิกิริยา hydrogenolysis เพื่อกำจัดออกซิเจนสองอะตอมออกจาก HMF [10] ในงานวิจัยที่ผ่านมาพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์กลุ่มโลหะมีตระกูล (noble metal-based catalyst) และโลหะผสม bimetallic ของโลหะมีตระกูลชนิด Ru Pt และ Pd ให้ yield ของ DMF มากกว่า >90% ทั้งนี้โลหะไม่มีตระกูลเช่น Ni ก็ได้ถูกนำมาทดสอบใช้ในปฏิกิริยานี้เช่นกัน อย่างไรก็ตามยังมีความท้าทายหลายด้าน ได้แก่การพัฒนาระบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงแต่มีราคาเหมาะสม สภาวะที่ใช้ในการเร่งปฏิกิริยาที่ปลอดภัยขึ้นรวมไปถึงยืดอายุการใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยาและการนำกลับไปใช้ใหม่ [9]

จากตัวอย่างเพียงไม่กี่ตัวที่ยกมาในบทความนี้ก็เห็นได้ชัดแล้วว่า HMF และสารเคมีมีมูลค่าที่ได้จากปฏิกิริยาของ HMF น่าสนใจขนาดไหน ในปัจจุบันการพัฒนาระบบเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงและมีราคาที่เหมาะสมเพื่อตอบโจทย์ความคุ้มทุนในระดับอุตสาหกรรมเป็นโจทย์ที่ท้าทายมาก การพัฒนาระบบเร่งปฏิกิริยาเพื่อสังเคราะห์สารเคมีชีวภาพมูลค่าสูงจาก HMF จึงเป็นอีกหนึ่งในโจทย์วิจัยที่กลุ่มวิจัยการเร่งปฏิกิริยาและการคำนวณระดับนาโน (NCAS) กำลังพัฒนาอย่างแข็งขัน ซึ่งนอกจากการวิจัยและพัฒนาในห้องปฏิบัติการแล้วทางกลุ่ม NCAS ได้ประยุกต์ใช้การคำนวณด้วยระเบียบวิธีฟังก์ชันนอลความหนาแน่น (Density Functional Theory, DFT) มาเป็นเครื่องมือศึกษาคุณสมบัติเชิงลึกของ active site บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา รวมไปถึงกลไกการเกิดปฏิกิริยาในระดับอะตอม ทำให้เข้าใจการเกิดพันธะเคมีระหว่าง active site และสารตั้งต้นรวมไปถึงสารมัธยันต์ (intermediate) ที่เกิดขึ้นระหว่างการเกิดปฏิกิริยาซึ่งยากที่จะทดสอบได้โดยการใช้เครื่องมือจากการทดลอง โดยคุณสมบัติที่ทำนายได้จากการคำนวณทาง DFT สามารถนำไปประยุกต์ใช้ร่วมกับทฤษฎีอื่นๆ เพื่ออธิบายคุณสมบัติทาง thermodynamics และ kinetics ของระบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่สนใจได้ สามารถเชื่อมโยงไปถึงความว่องไวและความจำเพาะเจาะจงต่อการเร่งปฏิกิริยาของตัวเร่งต่อปฏิกิริยาที่ศึกษา ซึ่งเป็นข้อมูลที่จำเป็นต่อการพัฒนาและปรับปรุงคุณสมบัติตัวเร่งปฏิกิริยาให้ดีขึ้นได้ ในปัจจุบันทางทีมวิจัยได้ศึกษาปฏิกิริยาไฮโดรจีเนชันของ HMF ซึ่งข้อมูลจาก DFT สามารถอธิบายผลของชนิดตัวเร่งปฏิกิริยาและชนิดพื้นผิวที่มีผลต่อการเกิดแรงอันตรกิริยา (interaction) ของโมเลกุลทำให้ตัวเร่ง Ni และ Cu มีความจำเพาะต่อการให้ผลิตภัณฑ์ที่ต่างกัน [12] และเรายังได้ใช้ DFT มาศึกษาปฏิกิริยาออกซิเดชันของ HMF ไปเป็น FDCA ด้วย และไม่เฉพาะแค่ HMF และสารที่ยกตัวอย่างในบทความนี้เท่านั้น ยังมีสารเคมีพื้นฐานและผลิตภัณฑ์ที่น่าสนใจอื่นๆอีกมากมายที่น่าสนใจจาก Biorefinery

ติดตามอ่านบทความในหัวข้อ Biorefinery series ในตอนถัดไปของพวกเรา และเรื่องราวที่น่าสนใจอื่นๆอีกมากมายได้ที่เพจ Nanocatalysis and Molecular Simulation (NCAS)

บทความโดย ดร. อัญชลี จันทร์แก้ว

ภาพโดย ดร. อัญชลี จันทร์แก้ว และ ดร.ปองกานต์ จักรธรานนท์

ความเดิมตอนที่แล้ว

https://www.facebook.com/photo/?fbid=195544616337665&set=pb.100076463822982.-2207520000.