Biorefinery series: การสังเคราะห์สารเคมีมากมูลค่าจาก HMF (ตอนที่ 2)

จากบทความก่อนหน้านี้ เราได้บอกเล่าความน่าสนใจของสาร 5-ไฮดรอกซีเมทิลเฟอร์ฟูรัล (5-Hydroxymehylfurfural, HMF) และเล่าถึงวิธีการสังเคราะห์ชนิดนี้ไปแล้ว มาบทความในตอนที่ 3 ของ Biorefinery series นี้เราจะขยายความการนำ HMF ไปใช้ประโยชน์ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไม HMF จึงเป็นหนึ่งในสารเคมีพื้นฐาน (Platform chemical) ที่สำคัญ ดังที่ได้เกริ่นพอเป็นน้ำจิ้มไปแล้วในบทความก่อนหน้า

ในปัจจุบัน HMF ได้ถูกใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์สารเคมีชีวภาพมูลค่าสูงได้หลากหลายชนิด ได้แก่ 5-furandicarboxylic acid (FDCA), levulinic acid (LA), 5-ethoxymethyfurfural (EMF), 2,5-dimethylfuran (DMF), γ-valerolactone (GVL), 2,5-dimethyltetrahydrofuran (DMTHF), 2-hexanol, 2,5-bis(hydroxymethyl)furan (BHMF), 2,5-bis(hydroxymethyl)-tetrahydrofuran (BHMTHF), furan-2,5- dimethylcarboxylate (FDMC) และ 5‐hydroxymethyl‐2‐furoic acid (HMFA) เป็นต้น [1,2] ในบทความนี้จะขอยกตัวอย่างสารเคมีชีวภาพมูลค่าสูงที่สามารถสังเคราะห์จาก HMF เพื่อนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ และได้รับความสนใจสูง อาทิเช่น FDCA, adipic acid, 1,6-Hexanediol และ DMF โดยผ่านกระบวนการทางเคมีที่ต่างกันไป

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.

 

อ้างอิง
[1] Journal of Energy Chemistry 36 (2019) 74–86, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.12.376
[2] Chemical Engineering Journal 429 (2022) 132325, https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132325
[4] Polymers 14 (2022) 943. https://doi.org/10.3390/polym14050943
[5] Frontiers in Chemistry 8 (2020) Article 185. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00185
[6] European Journal of Sustainable Development Research, 2022, 6(2), em0184. https://doi.org/10.21601/ejosdr/11904
[7] Energy 214 (2021) 118974. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118974
[8] Frontiers in Chemistry 10 (2022) Article 925603. https://doi.org/10.3389/fchem.2022.925603
[9] Materials Today: Proceedings 62 (2022) 6978–6984. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.12.376
[10] Fuel 324 (2022) 124474. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124474
[11] Nature 447 (2007) 982–985. https://doi.org/10.1038/nature05923
[12] New Journal of Chemistry 45(46) (2021) 21543-21552. https://doi.org/10.1039/D1NJ04154A

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