สารหล่อลื่นชีวภาพ (bio-lubricant) เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์จากอุตสาหกรรม Biorefinery ที่กำลังเป็นที่ต้องการมากขึ้นในอุตสาหกรรม ในบทความตอนที่ 5 ของ Biorefinery series นี้ เราจะขอเล่าเกร็ดความรู้เพื่อแนะนำให้ผู้อ่านรู้จักกับ “สารหล่อลื่นชีวภาพ” กัน

สารหล่อลื่น (lubricant) คือสารลดแรงเสียดทาน และลดความร้อนระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุที่ต้องเสียดสีกันจึงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในเครื่องจักรกลและเครื่องยนต์ เพราะจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานและลดการสึกกร่อนของเครื่องจักร คุณสมบัติสำคัญของสารหล่อลื่นคือ ความหนืดที่เหมาะสม จุดวาบไฟ (flash point) ที่สูงกว่าอุณหภูมิในการใช้งานเพื่อความปลอดภัย จุดไหลเท (pour point) ที่ต่ำกว่าอุณหภูมิในการใช้งานเพื่อป้องกันการเป็นไข และคุณสมบัติที่ต่อต้านออกซิเดชันซึ่งจะยืดอายุการใช้งานของเครื่องจักรกล

ในปัจจุบัน สารหล่อลื่นที่ใช้ในอุตสาหกรรมกว่า 95% เป็นปิโตรเคมีภัณฑ์ ทั้งในกลุ่มอุตสาหกรรมยานยนต์ที่ครองตลาดกว่าครึ่ง เช่น น้ำมันเครื่องยนต์ น้ำมันเกียร์ และกลุ่มอุตสาหกรรมหนักอื่นๆ ที่ใช้น้ำมันและจาระบีในการหล่อลื่นอุปกรณ์และเครื่องจักรต่างๆ ในภาคการผลิตตั้งแต่ขนาดเล็กไปจนถึงขนาดใหญ่ สารหล่อลื่นเหล่านี้ผลิตได้จากการกลั่นน้ำมันดิบโดยตรง หรือผ่านการสังเคราะห์ขึ้นด้วยกระบวนการทางปิโตรเคมี กลุ่มผลิตภัณฑ์สารหล่อลื่นเป็นที่ต้องการใช้งานในประเทศไทยมากถึง 600 ล้านลิตรในปี 2018 คิดเป็นมูลค่าสูงถึง 6 หมื่นล้านบาท [1] ซึ่งเทียบเท่ากับ 0.37% ของมูลค่า GDP ของประเทศในปีนั้น และยังมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ทุกปี เช่น ในปี 2021 ปริมาณการใช้งานกลุ่มผลิตภัณฑ์สารหล่อลื่นในไทยได้เพิ่มขึ้นถึง 720 ล้านลิตร [2]

สารหล่อลื่นชีวภาพรุ่นแรกที่มีการใช้งานก็คือ “น้ำมันพืช” ซึ่งเริ่มมีการวิจัยพัฒนาให้เหมาะสมกับอุตสาหกรรมมาตั้งแต่ต้นยุค 1990s ควบคู่ไปกับการพัฒนาเทคโนโลยีเชื้อเพลิงชีวภาพจากน้ำมันพืช เช่น ไบโอดีเซล (biodiesel) หรือ เมทิลเอสเทอร์ของกรดไขมัน (Fatty acid methyl ester, FAME) จากความตื่นตัวในผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อม ประกอบกับเป้าหมายในการลดการใช้ทรัพยากรปิโตรเลียมอันเป็นที่มาของการปลดปล่อย CO2 ทำให้สารหล่อลื่นชีวภาพที่มีคุณสมบัติทัดเทียมปิโตรเคมีภัณฑ์แต่ย่อยสลายได้โดยไม่ตกค้างในสิ่งแวดล้อม ได้รับความสนใจและเป็นที่ต้องการมากขึ้นในตลาดโลก
ประเทศไทยมีศักยภาพในการเป็นผู้ผลิตน้ำมันหล่อลื่นชีวภาพ โดยเฉพาะจากน้ำมันปาล์ม เพราะมีห่วงโซ่การผลิตปาล์มน้ำมันอย่างครบวงจรภายในประเทศ ซึ่งประกอบด้วยเกษตรกร โรงสกัด และโรงกลั่น ทั้งยังมีอุตสาหกรรมไบโอดีเซลและปิโตรเคมีที่เข้มแข็ง การพัฒนาน้ำมันหล่อลื่นชีวภาพจากน้ำมันปาล์ม นอกจากจะขับเคลื่อนอุตสาหกรรมเคมีชีวภาพในประเทศให้เกิดขึ้นแล้ว ยังจะเป็นการเพิ่มมูลค่าให้กับน้ำมันปาล์มเพื่อปรับสมดุลตลาดปาล์มน้ำมันที่มีความผันผวนสูงอีกด้วย [3]

ความท้าทายของการนำน้ำมันปาล์มมาใช้เป็นน้ำมันหล่อลื่น คือ น้ำมันปาล์มมีองค์ประกอบเป็นกรดไขมันอิ่มตัว (saturated fatty acid) ได้แก่ กรดปาล์มิติก (C16, 43.5%) และสเตียริก (C18, 4.3%) และกรดไขมันไม่อิ่มตัว (unsaturated fatty acid) ได้แก่ กรดโอเลอิค (C18:1, 36.6%) ลิโนเลอิค (C18:2) และ ลิโนเลนิค (C18:3) ในอัตราส่วนใกล้เคียงกัน ทำให้ตกตะกอนหรือเป็นไขได้ง่ายที่อุณหภูมิต่ำ (เช่น ในช่วงฤดูหนาว หรือบริเวณแถบภูมิประเทศยอดดอย) และมีความหนืดที่ค่อนข้างสูง จึงเป็นสารหล่อลื่นได้ไม่ดีนัก จึงต้องอาศัยกระบวนการทางเคมีเพื่อเพิ่มปริมาณกรดโอเลอิค ซึ่งเป็นไขมันไม่อิ่มตัวให้สูงขึ้น หรือที่เรียกกว่า high oleic acid vegetable oil (HOVO) ทำให้ความหนืดลดลงอยู่ในช่วงที่เหมาะสมสำหรับการใช้เป็นสารหล่อลื่นได้
นอกจากการปรับความหนืดแล้ว HOVO ยังต้องมีการปรับคุณสมบัติอื่นๆ อีกหลากหลายเพื่อให้เหมาะสมกับสภาวะการใช้งานที่มีความจำเพาะสูง ตัวอย่างเช่น การเพิ่มคุณสมบัติการต้านทานออกซิเดชันเพื่อเพิ่มความเสถียรทางกายภาพและเคมีของน้ำมันหล่อลื่น ซึ่งสามารถทำได้โดยการเติมสารเติมแต่ง (additives) เข้าไปเพียงเล็กน้อย เพื่อให้สมบัติดีขึ้นหรือผ่านเกณฑ์ที่จะไปใช้งานเชิงพาณิชย์ได้ในฐานะสารหล่อลื่นสำเร็จพร้อมใช้งาน (finished lubricant)
ในปัจจุบัน HOVO สามารถนำไปใช้งานเป็นสารหล่อลื่นในกลุ่มอุปกรณ์และเครื่องจักรทางการเกษตรขนาดเล็ก ไปจนถึงการใช้เป็นน้ำมันหม้อแปลงไฟฟ้าได้ (transformer oil) หากมีการปรับปรุงคุณสมบัติทางเคมีและการเติมสารเติมแต่งที่เหมาะสม ซึ่งล้วนแต่เป็นสูตรลับของแต่ละบริษัท (ตัวอย่างบริษัทที่เป็นผู้พัฒนาสารหล่อลื่นชีวภาพจนเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ได้ช่วงยุค Y2K คือ บริษัท ABB เป็นต้น [4]) อย่างไรก็ตาม ความต้องการใช้สารหล่อลื่นภายใต้สภาวะที่หลากหลาย เช่น อุณหภูมิสูง-ต่ำ ความดัน สภาพอับอากาศ สภาวะกัดกร่อน ทั้งบนบก ในทะเล หรือบนฟากฟ้า (และการใช้งานนอกโลกในอนาคต) รวมถึงคุณสมบัติรองอื่นๆ ที่ผู้ใช้งานคาดหวังเพิ่มเติมจากสารหล่อลื่น ทำให้ยังต้องมีการพัฒนาสูตรสารหล่อลื่นชีวภาพเพิ่มเติมต่อไป เพื่อให้สามารถใช้งานแทนที่สารหล่อลื่นจากปิโตรเลียมที่มีมาอย่างยาวนานหลายร้อยปีและมีโครงสร้างเคมีและสมบัติแตกต่างกันตามการใช้งาน เพราะเราต้องการทางเลือกใหม่ๆ ที่เหมาะสมกับเครื่องจักรกลยุคใหม่ที่ถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่องและไม่หยุดหย่อน สารหล่อลื่นชีวภาพแห่งอนาคตที่ยั่งยืนจึงต้องถูกคิดค้นและพัฒนาต่อเนื่องเรื่อยไปเช่นเดียวกัน

ติดตามอ่านบทความในหัวข้อ Biorefinery series ได้ในตอนถัดไป จากเพจ Nanocatalysis and Molecular Simulation (NCAS) ของพวกเรา
เรียบเรียงโดย
ดร. วรนุช อิทธิเบญจพงศ์
#NCASresearch #Biolube #BCG #Biorefinery

อ้างอิง
[1] หนังสือพิมพ์ฐานเศรษฐกิจ ปีที่ 38 ฉบับที่ 3,330 วันที่ 11 – 13 มกราคม พ.ศ. 2561
[2] https://www.mordorintelligence.com/…/thailand… [accessed date: 12/2/2023]
[3] https://www.krungsri.com/…/IO/Oil-palm-industry-2022-2024
[4] https://new.abb.com/chemical/chemical/lubricants-and-greases
Image credit: www.autocar.co.uk