เอาแป้งมันไปทำอะไรดี MO Memoir : Saturday 26 May 2555

ในช่วงที่ผ่านมานั้นในบ้านเราได้นำผลิตผลทางการเกษตรได้แก่อ้อยและแป้งมันสำปะหลังไปเข้ากระบวนการหมักเพื่อผลิตเป็นสารละลายเอทานอล จากนั้นจึงนำสารละลายเอทานอลที่ได้ไปกลั่นแยกให้ได้เอทานอลความบริสุทธิ์สูงเพื่อนำไปผลิตเป็นน้ำมันแก๊สโซฮอล์ แต่ก็เป็นที่ทราบกันว่าต้นทุนแอลกอฮอล์ที่ได้จากวิธีการนี้มีราคาสูงแม้ว่าจะใช้ผลิตผลทางการเกษตรที่มีราคาถูกคือแป้งมันสำปะหลัง เมื่อโดนบังคับให้ต้องขายเอทานอลในราคาที่ถูกกว่าการขายในรูปของแป้งมันสำปะหลังจึงทำให้หลายโรงงานไม่ประสงค์ที่จะผลิตเอทานอล

ผมก็เลยลองคิดเล่น ๆ ว่าถ้ามีแป้งมันสำปะหลังอยู่ในมือ จะเอาไปทำอะไรดีที่ไม่ใช่เอทานอล ก็เลยลองคิดโครงการเล่น ๆ ที่ยังไม่รู้ว่าจะทำได้จริงหรือเปล่า คิดว่าถ้ามีเวลาว่างและ (สำคัญมากคือ) มีคนให้ทุนทำวิจัย ผมก็อยากจะลองทำดูเหมือนกัน

๑. จากแป้งเป็นน้ำตาลกลูโคส

โมเลกุลแป้งประกอบด้วยน้ำตาลกลูโคสหลายโมเลกุลมาต่อเข้าด้วยกันเป็นสารโซ่ ซึ่งสามารถแยกออกเป็นโมเลกุลกลูโคสเดี่ยว ๆ ได้ด้วยปฏิกิริยา hydrolysis

เนื่องจากโมเลกุลกลูโคสประกอบด้วยหมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl -OH) ดังนั้นอาจอาศัยการทำปฏิกิริยาของหมู่ -OH นี้กับหมู่ฟังก์ชันอื่น ปฏิกิริยาหนึ่งของหมู่ -OH ที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปคือปฏิกิริยา Esterification กับหมู่ carboxyl (-COOH) ของกรดอินทรีย์กลายเป็นโครงสร้าง ester (R-O-CO-R') หรือทำปฏิกิริยา dehydration กับหมู่ -OH ของอีกโมเลกุลหนึ่งกลายเป็นโครงสร้างอีเทอร์ R-O-R'

ตัวอย่างหนึ่งของการทำปฏิกิริยาระหว่างหมู่ -OH ของน้ำตาลกับกรดอินทรีย์คือการเปลี่ยนน้ำตาลทราย (ชื่อทางเคมีของน้ำตาลทรายคือซูโครส (sucrose) ซึ่งเกิดจากโมเลกุล glucose รวมกับโมเลกุล fructose) ให้กลายเป็นสารทดแทนไขมันที่เรียกว่า "Olestra" ดังรูปที่ ๑

เมื่อ H อะตอมของหมู่ -OH ถูกแทนที่ด้วยหมู่ -CO-R ซึ่งเป็นหมู่ไม่มีขั้ว จีงทำให้ Olestra มีคุณสมบัติเป็นสารไม่มีขั้วเช่นเดียวกับไขมันหรือน้ำมันที่ใช้ปรุงอาหาร Olestra จึงถูกนำมาใช้ในการปรุงอาหารเพื่อลดปริมาณไขมันในอาหาร

รูปที่ ๑ (ซ้าย) โมเลกุลน้ำตาลกลูโคส (กลาง) โมเลกุลน้ำตาลกลูโคสที่หมู่ -OH บางหมู่ทำปฏิกิริยา esterification กับกรดไขมัน (หมู่ R) ทำให้ได้โมเลกุลที่มีส่วนไม่มีขั้ว (หมู่ R ของกรดไขมัน) กับส่วนที่มีขั้ว (หมู่ -OH ที่หลงเหลืออยู่) (ขวา) รูปร่างโมเลกุล Olestra ซึ่งได้จากการนำเอาน้ำตาลซูโครส (sucrose ซึ่งเป็น disaccharide ระหว่าง glucose กับ fructose) มาทำปฏิกิริยา esterification กับกรดไขมันจนหมู่ -OH ทุกหมู่ทำปฏิกิริยาหมด

(รูป olestra นำมาจาก http://www.scientificpsychic.com/fitness/fattyacids1.html)

ในกรณีของกลูโคสนั้นเนื่องจากมีหมู่ -OH อยู่มาก จึงทำให้กลูโคสละลายน้ำได้ดีมาก แต่ถ้าให้หมู่ -OH ทำปฏิกิริยากับสารอื่นเช่นกรดอินทรีย์ดังแสดงในรูปข้างบนจนหมู่ -OH หายไปหมด จะได้สารประกอบที่มีคุณสมบัติแบบไขมัน (ในทำนองเดียวกันกับ Olestra)

ประเด็นที่น่าสนใจคือถ้าทำการแทนที่หมู่ -OH เพียงส่วนหนึ่งด้วยสายโซ่ไฮโดรคาร์บอน (อาจทำโดยใช้ปฏิกิริยา esterification) ก็จะทำให้ได้โมเลกุลที่มีทั้งส่วนที่มีขั้วและไม่มีขั้วอยู่ในโมเลกุลเดียวกัน โมเลกุลที่มีโครงสร้างดังกล่าวสามารถทำหน้าที่เป็นสารลดแรงตึงผิว (surfactant) หรือสารช่วยในการประสานเฟสระหว่างโมเลกุลมีขั้วและโมเลกุลไม่มีขั้วได้ ซึ่งถ้าสังเคราะห์โมเลกุลดังกล่าวได้ก็คงต้องหาทางใช้ประโยชน์กันต่อไป

ปัญหาหนึ่งของการบำบัดน้ำเสียคือระยะเวลาที่แบคทีเรียต้องใช้ในการกำจัดสารอินทรีย์ ถ้าหากน้ำเสียมีสารอินทรีย์ที่แบคทีเรียกำจัดได้รวดเร็ว ระบบบำบัดน้ำเสียก็จะทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

สาร surfactant ที่เราใช้กันมากในปัจจุบันคือ linear alkyl benzene sulfonate ที่ใช้กันในผงซักฟอก น้ำยาล้างจาน โฟมล้างหน้า สบู่เหลว แชมพู ฯลฯ นั้นประกอบด้วยโครงสร้างที่เป็น วงแหวน หมู่อัลคิล และหมู่ฟังก์ชันที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ โครงสร้างโมเลกุลนี้จะมีปัญหาตรงที่แบคทีเรียไม่ค่อยอยากจะย่อยสลายส่วนที่เป็นวงแหวน (ส่วนที่เป็นโซ่ตรงไม่ค่อยมีปัญหา) และการย่อยสลายกำมะถันยังทำให้เกิดแก๊ส H₂S ที่มีกลิ่นไม่พึงประสงค์

สาร surfactant ที่ไม่มีโครงสร้างวงแหวนเบนซีนในโมเลกุล จะมีข้อดีตรงที่แบคทีเรียสามารถย่อยสลายได้สมบูรณ์มากกว่า และการที่ไม่มี S เป็นองค์ประกอบในโมเลกุลทำให้ไม่เกิดแก๊ส H₂S ในระหว่างการย่อยสลาย ซึ่งเป็นแก๊สที่ทำให้เกิดกลิ่นเหม็น

เท่าที่จำได้งานวิจัยทำนองคล้าย ๆ กันนี้ดูเหมือนจะมีอาจารย์ทางสงขลานครินทร์ทำวิจัยเรื่องการเปลี่ยนน้ำมันพืชให้กลายเป็น surfactant เพื่อใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร คือแทนที่จะนำน้ำมันพื้นมาทำเป็นไบโอดีเซลด้วยการแยกโมเลกุลกรดไขมันออกจนหมดจนได้เป็นเมทิลเอสเทอร์กับกลีเซอรีน ก็ทำการแยกโมเลกุลกรดไขมันออกจากโมเลกุลกลีเซอรีนเพียง ๑ หรือ ๒ โมเลกุลเท่านั้น ตำแหน่งหมู่เอสเทอร์ที่ถูกแยกโมเลกุลกรดไขมันออกมาก็จะกลายเป็นหมู่ -OH ที่มีขั้ว ในขณะที่ส่วนของกรดไขมันที่ไม่ถูกแยกออกมาก็ยังคงเป็นส่วนที่ไม่มีขั้ว ทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นสามารถทำหน้าที่เป็นตัวประสานระหว่างเฟสมีขั้วและเฟสไม่มีขั้วได้

๒. Acetone-Butanol-Ethanol

กระบวนการหมักนั้นแม้ว่าจะใช้สารอาหารเดียวกัน แต่ถ้าเปลี่ยนชนิดเชื้อที่ใช้ในการหมักก็สามารถทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันออกไปได้

การหมักแป้งให้กลายเป็นสารผสมระหว่าง acetone, 1-butanol และ ethanol เป็นที่รู้จักกันมานานตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ ๒๐ มีการพัฒนาอย่างเป็นล่ำเป็นสันในอังกฤษในช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๑ (ตอนแรกเรียก Great War แล้วค่อยมาเรียกเป็น World War I กันภายหลัง) เพื่อผลิต acetone ไปใช้ในอุตสาหกรรมผลิต cordite ของกองทัพอังกฤษ

ดังนั้นแทนที่จะเน้นไปที่การผลิตเอทานอลก็อาจเปลี่ยนแนวทางเป็นการงผลิต 1-butanol (H₃C-CH₂-CH₂-CH₂-OH) แทน และหาทางใช้ประโยขน์จาก 1-butanol ที่เป็นสารโมเลกุลใหญ่

1-butanol เป็นแอลกอฮอล์ปฐมภูมิ (primary alcohol) คือพวกที่มีหมู่ -OH อยู่ที่ปลายโซ่ การผลิตแอลกอฮอลประเภทนี้ไม่สามารถทำได้โดยการเติมน้ำไปที่พันธะคู่ C=C ของโมเลกุลโอเลฟินส์ เพราะมันจะได้แอลกอฮอล์ทุติยภูมิ (secondary alcohol) เสมอ ถ้าอยากรู้ว่าทำไปเป็นเช่นนั้นก็ลองไปอ่านเรื่อง Markovnikov's rule เอาเองก็แล้วกัน

ถ้าเรานำ 1-butanol ไปดึงไฮโดรเจนออกตรงหมู่ C-OH (หรือออกซิไดซ์แบบเบา ๆ ไม่แรงนัก) เราก็จะได้สารประกอบอัลดีไฮด์ butanal (H₃C-CH₂-CH₂-COH) แต่ถ้าออกซิไดซ์แรงขึ้นไปอีกก็จะกลายเป็นกรดอินทรีย์ butyric acid (H₃C-CH₂-CH₂-COOH)

แต่ถ้าเรานำ 1-butanol ไปทำปฏิกิริยา dehydration ก็จะได้ 1-butene (H₃C-CH₂-CH=CH₂) หรือ dibutyl ether (H₉C₄-O-C₄H₉) ที่เป็นสารประกอบอีเทอร์ที่มีจุดเดือดสูงตัวหนึ่ง (จุดเดือด 142.4ºC) และละลายน้ำได้น้อย

ปัจจุบันมีงานวิจัยที่หาทางนำ CH₄ มาใช้ประโยชน์เป็นเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์ดีเซล สิ่งที่ทำกันอยู่ในปัจจุบันคือใช้ระบบเชื้อเพลิงผสมระหว่าง CH₄ กับน้ำมันดีเซล (ใช้น้ำมันดีเซลเป็นตัวจุดระเบิดแล้วค่อยป้อน CH₄ เข้าไปผสม) หรือไม่ก็ทำการดัดแปลงเครื่องยนต์ดีเซลให้กลายเป็นเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

อีกแนวทางหนึ่งคือทำปฏิกิริยา oxidative coupling ของ CH₄ ให้กลายเป็น dimetyl ether (H₃C-O-CH₃) ซึ่งเป็นสารที่มีเลขซีเทน (cetane no.) ประมาณ 55 ซึ่งอยู่ในระดับน้ำมันดีเซลที่ใช้กันทั่วไป จึงสามารถนำมาผสมกับน้ำมันดีเซลและใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลได้โดยต้องทำการดัดแปลงเครื่องยนต์ดีเซลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

แต่การเปลี่ยนมีเทนเป็น dimethyl ether เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลผมว่ามันคงไม่น่าจะเหมาะสมเท่าไรนักด้วยเหตุผลต่อไปนี้คือ

(ก) พันธะ C-H ของมีเทนแข็งแรงมาก แข็งแรงกว่าพันธะ C-H หรือพันธะอื่นของสารอินทรีย์ การทำให้พันธะ C-H ของมีเทนแตกออกได้นั้นต้องใช้พลังงานสูงมาก ซึ่งระดับพลังงานดังกล่าวมากพอที่จะทำให้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นสลายตัวจนหมดได้ ดังนั้นถ้าต้องการให้เหลือ dimethyl ether ในการทำปฏิกิริยา ก็ต้องทำที่ค่า conversion ต่ำมาก หรือไม่ก็ไปทำปฏิกิริยาบนคอมพิวเตอร์ (ใส่เฉพาะปฏิกิริยาที่เกิด dimethyl ether และอย่าใส่ปฏิกิริยาที่ทำให้ dimetyl ether สลายตัว หรือปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงตัวอื่น)

(ข) dimethyl ether เป็นสารที่มีจุดเดือดต่ำ (-24ºC) ดังนั้นถ้าผสมเข้ากับน้ำมันดีเซลก็จะระเหยออกมาได้ง่าย และยิ่งบ้านเราเป็นเมืองร้อนด้วยคงจะยิ่งไม่เหมาะสมมาก แต่ที่ต่างประเทศเขาศึกษาตัวนี้ก็คงเป็นเพราะอากาศบ้านเขามันหนาว ในฤดูหนาวอุณหภูมิติดลบหลายสิบองศาเซลเซียสต่ำกว่าจุดเดือดของ dimethyl เสียอีก และอาจอาศัยข้อดีของ dimethyl ether ตรงที่มันไม่เกิดเป็นสารประกอบ peroxide ได้ง่ายเหมือนอีเทอร์ตัวอื่น

จุดที่น่าสนใจคือ dibutyl ether มี cetane no. เท่ากับ 100 ซึ่งสูงกว่า dimethyl ether และยังมีจุดเดือดที่สูงกว่า น่าจะใช้ประโยชน์เป็นสารเพิ่มเลขซีเทนให้กับน้ำมันดีเซลได้ โดยที่ไม่เพิ่มความดันไอของน้ำมันดีเซล

แต่ก็ต้องพึงระวังว่า dibutyl ether นั้นสามารถเกิดปฏิกิริยา autoxidation กับออกซิเจนในอากาศกลายเป็นสารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่ไม่เสถียรและระเบิดได้ง่าย (ถ้ามีความบริสุทธิ์สูงในปริมาณที่มากพอ) ดังนั้นถ้าจะนำ dibutyl ether มาใช้ผสมเป็นสารเพิ่มเลขซีเทนในน้ำมันดีเซล ก็ต้องพิจารณาด้วยว่าจะหาทางป้องกัน/ลดการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ได้อย่างไรด้วย.

๓. การนำสารละลายจากการหมักไปทำปฏิกิริยาโดยตรง

ปัญหาของการนำผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการหมักไปใช้คือผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีความเข้มข้นต่ำ โดยมีน้ำเป็นส่วนประกอบหลัก การแยกผลิตภัณฑ์ดังกล่าวออกมาเป็นสารบริสุทธิ์แต่ละชนิดก่อน แล้วค่อยนำสารบริสุทธิ์ที่ได้นั้นมาเปลี่ยนเป็นสารอื่น ซึ่งสิ้นเปลืองพลังงานในขั้นตอนการแยกมาก

ทางเลือกที่น่าจะดีกว่าคือการหาทางเปลี่ยนสารผสมที่เป็นสารละลายในน้ำนั้นให้กลายเป็นสารอื่นโดยไม่ต้องทำการแยกสารแต่ละชนิดออกมา ปฏิกิริยาหนึ่งที่น่าจะลองพิจารณาคือปฏิกิริยาการเปลี่ยนแอลกอฮอล์ให้กลายเป็นอีเทอร์

เช่นอาจนำสารละลายที่ได้จากการหมักที่ประกอบด้วย acetone-butanol-ethanol ละลายอยู่และของแข็งต่าง ๆ (สารอาหาร เชื้อที่ใช้หมัก ฯลฯ) ไปกรองแยกของแข็งออกก่อน จากนั้นจึงนำสารละลายที่ได้จากการกรองไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการทำปฏิกิริยาโดยไม่จำเป็นต้องทำการแยกสารทั้งสามชนิดออกจากกันก่อน

ในกรณีของสารผสมระหว่าง 1-butanol กับ ethanol นั้น (จากข้อ ๒.) ถ้าทำให้เกิดปฏิกิริยา dehydration เพื่อผลิตอีเทอร์จะมีโอกาสได้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นอีเทอร์ 3 ตัวด้วยกันคือ dibutyl ether, diethyl ether และ butyl ethyl ether

ปฏิกิริยาดังกล่าวควรดำเนินในเฟสของเหลว (โดยใช้การเพิ่มความดันเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำเดือด) เพราะการทำให้น้ำที่เป็นของเหลวมีอุณหภูมิสูงขึ้นนั้นใช้พลังงานน้อยกว่าการทำให้น้ำที่เป็นของเหลวกลายเป็นไอน้ำ

dibutyl ether เป็นของเหลวที่เบากว่าน้ำและละลายน้ำได้น้อย ดังนั้นมันควรจะแยกชั้นออกมาจากน้ำได้โดยไม่ต้องไปผ่านกระบวนการกลั่น

แต่ด้วยระบบการทำปฏิกิริยาเดียวกันนี้ ถ้าเราควบคุมอุณหภูมิให้เหมาะสมก็อาจจะทำให้ 1-butanol เปลี่ยนไปเป็น 1-butene และ ethanol เปลี่ยนไปเป็น ethylene โดยไม่ต้องทำการแยกสารทั้งสองตัวออกจากสารละลายในน้ำ เพราะโอเลฟินส์ที่เป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจะระเหยออกจากน้ำได้เองอยู่แล้ว และระบบนี้ก็อาจจะเหมาะสมที่จะใช้ในการผลิตเอทิลีนจากสารละลายเอทานอลที่ได้จากการหมักโดยตรง (ถ้าต้องการทำ) โดยไม่จำเป็นต้องทำการกลั่นแยกเอทานอลออกมาเป็นสารบริสุทธิ์ หรืออาจทำเพียงแค่กลั่นเพื่อให้ได้ความเข้มข้นสูงขึ้นบ้างเท่านั้นเองก็ได้

ในขณะนี้ในกลุ่มของเราก็พอจะมีประสบการณ์ทำการทดลองในเฟสของเหลว โดยใช้ autoclave ที่มีการความดันเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวทำละลาย/สารตั้งต้นเดือดกลายเป็นไอ (ปฏิกิริยา hydroxylation) ถ้าต้องการทำการทดลองที่อุณหภูมิ/ความดันสูงขึ้นไปอีก ก็คงต้องมีการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์กันใหม่ (ปัญหาของตัวปัจจุบันที่มีอยู่ไม่ได้อยู่ที่ความแข็งแรงของโลหะที่ใช้ แต่อยู่ตรงที่ระบบป้องกันการรั่วไหลของสารในระบบ ซึ่งเราใช้ o-ring ที่เป็นยาง ทำให้ทำอุณหภูมิการทดลองถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิสูงสุดที่ o-ring ทนได้

ที่เขียนมาข้างต้นเป็นเพียงความฝันที่ยังไม่รู้ว่าจะมีโอกาสเป็นจริงหรือเปล่า ก็ต้องคอยดูกันต่อไป :)