เซลลูโลส (cellulose) คือ เส้นใยพอลิเมอร์ทางธรรมชาติที่เกิดจากการเชื่อมต่อกันของกลูโคส เป็นวัสดุที่พบได้ในผนังเซลล์ของพืช สาหร่าย และในแบคทีเรียบางประเภท เซลลูโลสเป็นองค์ประกอบสำคัญของชีวมวลกลุ่มลิกโนเซลลูโลส (lignocellulosic biomass) โดยพืชแต่ละชนิดจะมีปริมาณเซลลูโลสที่ต่างกัน เช่น กลุ่มพืชเส้นใย (ฝ้าย ปอ ป่าน ฯลฯ) มีเซลลูโลสเป็นองค์ประกอบกว่า 90% ไม้เนื้ออ่อน-เนื้อแข็ง มีเซลลูโลสประมาณ 50-70% ในขณะที่กลุ่มของเหลือทิ้งทางการเกษตร (กากชานอ้อย ใบสับปะรด ฟางข้าว ผักตบชวา ฯลฯ) จะมีปริมาณเซลลูโลสต่ำกว่ากลุ่มเส้นใยและไม้ ในช่วง 30 – 40%

เซลลูโลสมีคุณสมบัติย่อยสลายได้เองตามธรรมชาติ (biodegradable) เซลลูโลสตามธรรมชาติจะเกาะตัวกันขนาดใหญ่ระดับมิลลิเมตรจนถึงไมโครเมตร (microfibril) และมีความแข็งแรงพอประมาณ ตัวอย่างเช่น เส้นใยในผลิตภัณฑ์กระดาษ แต่ถ้าถูกเปลี่ยนให้เป็นเส้นใยนาโน (nanocellulose) จะมีคุณสมบัติที่ดีขึ้นหลายประการ เช่น นาโนเซลลูโลสมีค่าโมดูลัสซึ่งแสดงถึงความแข็งแรงเชิงกล (mechanical strength) มากกว่าเส้นใยของกระดาษเป็นร้อยเท่า ทั้งยังมีสมบัติการป้องกันการซึมผ่านของก๊าซ (gas barrier) ที่ดีขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งก๊าซออกซิเจน และไอน้ำ เป็นต้น

การสังเคราะห์นาโนเซลลูโลส (nanocellulose) สามารถทำได้โดยกระบวนการ top down คือ การใช้กระบวนการทางกายภาพ เคมี หรือเชิงกล เพื่อเปลี่ยนเซลลูโลสขนาดใหญ่จากพืชให้เล็กลงอยู่ในระดับนาโน [1] หรือกระบวนการ bottom up คือการใช้แบคทีเรียเปลี่ยนน้ำตาลกลูโคสให้เป็นเซลลูโลส โดยนาโนเซลลูโลสสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ใหญ่ๆ คือ

(1) Cellulose nanocrystal (CNC) หรือ บางทีเรียกกันว่า nanocrystalline cellulose (NCC) นาโนเซลลูโลสที่ประเภทนี้มีความเป็นผลึกสูง เมื่อดูผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) จะเห็นรูปร่างเป็นแท่งสั้นๆ ความยาวประมาณ 200-500 nm และขนาดเส้นใยเล็กกว่า 50 nm ดูแล้วคล้ายเมล็ดข้าว ทำให้ CNC มีคุณสมบัติใกล้ไปทางอนุภาคนาโน (nanoparticles) ที่มีสภาพขั้วสูงและมีสมบัติชอบน้ำ (hydrophilic) จึงนิยมใช้เป็นวัสดุเสริมแรงในกลุ่ม biodegradable plastic [2] วัสดุนำส่งหรือเก็บกัก-ปลดปล่อยสารในผลิตภัณฑ์เวชสำอาง [3] เป็นต้น

(2) Cellulose nanofiber (CNF) หรือ nanofibrillated cellulose (NFC) คือ นาโนเซลลูโลสที่ยังคงมีโครงสร้างผลึกร่วมกับ amorphous ผสมกันอยู่ โดยมักมีความยาวมากกว่า 1 ไมโครเมตร และขนาดเส้นใยเล็กกว่า 50 nm ทำให้ CNF มี aspect ratio สูงกว่า CNC และดูมีรูปร่างคล้ายเส้นสปาเกตตี้ หรือเส้นหมี่ CNF มีพื้นผิวที่ชอบน้ำสูงเช่นเดียวกันกับ CNC การใช้งานของ CNF จึงเหมาะกับการทำคอมพอสิตกับวัสดุกลุ่มอื่นๆ เช่น พอลิเมอร์ที่มีสภาพขั้วสูง เพื่อใช้เป็นนาโนคอมพอสิตที่มีความแข็งแรงและน้ำหนักเบา รวมถึงการขึ้นรูปเป็นฟิล์ม เมมเบรน หรือ กระดาษนาโน (nanopaper) ที่จะเป็น substrate ให้วัสดุนาโนชนิดอื่นๆ ได้เกาะหรือกระจายตัวได้ดีมากขึ้น ตัวอย่างการใช้งาน เช่น วัสดุคอมพอสิตในกลุ่มบรรจุภัณฑ์ [2] และชิ้นส่วนยานยนต์ [4] แผ่นกรองฝุ่นและอนุภาคไอสารเคมี [5]

(3) Bacterial cellulose (BC)
เป็นนาโนเซลลูโลสที่มีสมบัติคล้าย CNF และ CNC โดยผลิตจากปฏิกิริยาชีวเคมีระหว่างกลูโคสและแบคทีเรียกลุ่ม Acetobacter xylinum ทั้งนี้ BC ที่ผลิตได้มักจะมีความบริสุทธิ์ของเซลลูโลสสูง และมีสิ่งเจือปนน้อยเมื่อเทียบกับนาโนเซลลูโลสที่สังเคราะห์ได้จากชีวมวลหรือพืช จึงนิยมใช้ในงานทางการแแพทย์ เช่น วัสดุปิดแผล [6]

ทางหน่วยวิจัย NCAS ได้มีงานวิจัยด้านกระบวนการแยกเซลลูโลสจากชีวมวลกลุ่มของเหลือทิ้งทางการเกษตร กระบวนการผลิต CNF และ CNF ที่ดัดแปลงหมู่ฟังก์ชัน รวมถึงการใช้ประโยชน์ CNF ในกลุ่มงานด้านพลังงาน เช่น การผลิตเยื่อเลือกผ่านจาก CNF ที่ดัดแปลงหมู่ฟังก์ชันเคมีเพื่อใช้เป็นแผ่นกั้น (separator) ในอุปกรณ์เก็บกักพลังงาน [7] และ การประยุกต์ใช้ CNF ในผลิตภัณฑ์เยี่อเลือกผ่านก๊าซ (gas selective membrane) สำหรับระบบแยกแก๊ส-ดักจับ CO2 [8]

เรียบเรียงโดย
ดร. วรนุช อิทธิเบญจพงศ์
ภาพโดย
ดร. ปองกานต์ จักรธรานนท์
#NCASresearch #Nanocellulose #BCG #Biorefinery

อ้างอิง
[1] https://doi.org/10.1002/anie.201001273
[2] https://doi.org/10.1021/bm801065u
[3] https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.01.020
[4] https://robbreport.com/…/japans-ministry-of-the…/
[5] https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.09.039
[6] https://doi.org/10.1021/acs.biomac.5b00188
[7] https://doi.org/10.1016/j.electacta.2023.142355
[8] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.3c04800