แนวทางการเพิ่มมูลค่าและใช้ประโยชน์ของเหลือทิ้งทางการเกษตรและวัสดุชีวมวล

บทคัดย่อ

ปัจจุบัน การเพิ่มมูลค่าลิกโนเซลลูโลสโดยการใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตพลังงานเอธานอลกำลังได้รับความนิยมอย่างสูง โดยทั่วไป กระบวนการดังกล่าวประกอบด้วยขั้นตอนหลัก 3 ขั้นตอน ได้แก่ (1) การเตรียมวัตถุดิบเพื่อย่อยสลายลิกนินและเปิดโครงสร้างเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลส (2) การไฮโดรไลซ์เซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสด้วยเอนไซม์ให้ได้กลูโคสและไซโลส และ (3) การหมักกลูโคสและไซโลสให้ได้เอธานอล กระบวนการเตรียมวัตถุดิบเป็นขั้นตอนที่มีความสำคัญมากเพื่อเพิ่มความสามารถในการเข้าถึงเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสของเอนไซม์ วิธีการเตรียมวัตถุดิบที่เป็นที่รู้จักแล้วต้องการพลังงานสูงและถังปฏิกรณ์ที่มีความทนทานต่อความดันสูง เนื่องจากสภาวะที่ใช้ในการเตรียมเป็นการดำเนินการที่สภาวะรุนแรง เช่น การระเบิดด้วยไอน้ำ การใช้สารละลายกรดหรือด่างความเข้มข้นสูง หรือการออกซิเดชัน นอกจากนี้ กระบวนการดังกล่าวยังมีผลเสียต่อเอนไซม์และจุลินทรีย์ที่ใช้ในขั้นตอนการไฮโดรไลซ์และการหมักต่อไปด้วย ในการทดลองนี้ ได้คัดเลือกราเส้นใยสีขาวที่สามารถผลิตเอนไซม์ย่อยสลายลิกนินได้สูงในสภาวะที่มีทะลายปาล์มน้ำมัน ได้แก่ Lentinus strigosus ทำการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตเอนไซม์ย่อยสลายลิกนินให้สูงขึ้นโดยการหาสูตรอาหารที่เหมาะสม ซึ่งประกอบด้วยเซลโลไบโอส 15 กรัม/ลิตร peptone 0.3125 กรัม/ลิตร L-asparagine 0.9375 กรัม/ลิตร และ CuSO4 0.002 กรัม/ลิตร โดยมีค่ากิจกรรมเอนไซม์แลคเคสเท่ากับ 33,955.83 ยูนิต/ลิตร จากนั้น เปรียบเทียบวิธีการเตรียมทะลายปาล์มน้ำมันโดยใช้เชื้อราและการระเบิดด้วยไอน้ำก่อนการนำไปหมักเอธานอลโดยยีสต์ S. cerevisiae TISTR 5339 พบว่าทะลายปาล์มน้ำมันที่เตรียมโดยวิธีเชื้อราสามารถผลิตเอธานอลได้เพียง 2.31 กรัม/ลิตร คิดเป็น 11.68% เมื่อเทียบกับค่าทางทฤษฎีที่ควรจะเป็นเท่านั้น ในขณะที่ทะลายปาล์มน้ำมันที่เตรียมโดยวิธีระเบิดด้วยไอน้ำให้ผลผลิตเอธานอลในปริมาณที่ค่อนข้างสูงถึง 12.39 กรัมต่อลิตร คิดเป็น 62.57% เมื่อเทียบกับค่าทางทฤษฎีที่ควรจะเป็น ทะลายปาล์มน้ำมันประกอบด้วยโฮโลเซลลูโลส 65.15% แอลฟาเซลลูโลส 39.56% เพนโตซาน 17.26% และลิกนิน 15.87% ปริมาณของแอลฟาเซลลูโลสและเพนโตซานดังกล่าวมีค่าสูงมากพอที่จะเปลี่ยนไปเป็นเอธานอลได้ ในการศึกษานี้ ได้ทำการเปรียบเทียบผลผลิตเอธานอลจากกลูโคสและไซโลสที่ได้จากทะลายปาล์มน้ำมันระเบิดด้วยไอน้ำ ในส่วนของเซลลูโลสจะถูกนำไปไฮโดรไลซ์ด้วยเอนไซม์ Celluclast 1.5L และ Novozyme 188 ทางการค้าให้ได้กลูโคส ในขณะที่เฮมิเซลลูโลสถูกไฮโดรไลซ์ด้วยกรดภายใต้สภาวะความดันให้ได้ไซโลส จากนั้น จึงผ่านกลูโคสและไซโลสเข้ากระบวนการหมักแบบสองขั้นตอน (SHF) ด้วยยีสต์ Saccharomyces cerevisiae TISTR5339 และ Pichia stipitis 10 ตามลำดับ ให้ได้เอธานอล โดยใช้สารละลายกลูโคสและไซโลสมาตรฐานเป็นสารตั้งต้นอ้างอิงเปรียบเทียบ ตามลำดับ พบว่าภายหลังการหมักเป็นเวลา 48 ชม.ได้ผลผลิตเอธานอลใกล้เคียงกันที่ 16.37 และ 18.90 กรัม/ลิตร จากสารละลายกลูโคสมาตรฐานและกลูโคสจากทะลายปาล์มน้ำมัน ตามลำดับ คิดเป็น 46.77 และ 53.72% ของปริมาณกลูโคสเริ่มต้น หรือ 100.35 และ 91.71% เมื่อเทียบกับผลผลิตเอธานอลตามทฤษฎีที่ควรได้ ตามลำดับ เมื่อพิจารณาการผลิตเอธานอลจากไซโลส พบว่าสามารถผลิตเอธานอลได้ 16.23 กรัม/ลิตร จากสารละลายไซโลสมาตรฐาน คิดเป็น 46.37% ของปริมาณไซโลสเริ่มต้น หรือ 92.74% เมื่อเทียบกับผลผลิตเอธานอลตามทฤษีที่ควรได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ไซโลสจากทะลายปาล์มน้ำมันเป็นสารตั้งต้นในการผลิตเอธานอล พบว่าสามารถผลิตเอธานอลได้สูงสุดเพียง 4.87 กรัม/ลิตร เท่านั้น ที่ 72 ชม. คิดเป็น 14.13% ของปริมาณไซโลสเริ่มต้น และคิดเป็น 28.26% ของค่าเอธานอลทางทฤษฎีที่ได้จากการคำนวณเท่านั้นการศึกษานี้มีความประสงค์ในการผลิตเอนไซม์แทนเนสจากส่วนเหลือทิ้งของอุตสาหกรรมน้ำมันปาล์ม โดยกระบวนการหมักในสภาวะแห้ง (solid state fermentation, SSF) ผลการศึกษาพบว่าเชื้อรา Aspergillus niger SOI017 ในสภาวะอาหารเหลว ระยะเวลา 10 วัน มีค่ากิจกรรมของเอนไซม์แทนเนสสูงสุด เมื่อเปรียบเทียบสภาวะการหมักพบว่า เอนไซม์ที่ผลิตได้จากเชื้อราในสภาวะแห้งจะมีค่ากิจกรรมของเอนไซม์แทนเนสสูงกว่าสภาวะอาหารเหลว ดังนั้นจึงจะผลิตเอนไซม์แทนเนสในสภาวะแห้งโดยการหาสภาวะที่เหมาะ สมด้วยเทคนิคทากุชิ ใช้แผน L12(211) Orthogonal array แปรผันระดับของปัจจัยที่มีต่อผลผลิตเอนไซม์แทนเนสทั้งหมด 12 ปัจจัย ปัจจัยละ 2 ระดับ ได้สภาวะที่เหมาะสมในการผลิตเอนไซม์แทนเนสสูงสุด 6.03 หน่วย/ ทะลายปาล์ม แห้ง 5 กรัม คือใช้เชื้อ Aspergillus niger SOI017 ในการเพาะเลี้ยงที่อุณหภูมิ 37?ซ pH 5.5 ความชื้น 1:1 แหล่งฟอสเฟต 0.15% กรดแทนนิค 1% สปอร์เริ่มต้น 33x109 สปอร์/สับสเทรต 5 กรัม ระยะเวลา 10 วัน และทดสอบสภาวะที่ได้ว่าสามารถผลิตเอนไซม์แทนเนสได้จริง เมื่อได้สภาวะที่เหมาะสมแล้วจึงขยายกำลังการผลิตในฟลาสก์ขนาด 2 ลิตร และในถุงเพาะเห็ด ผลที่ได้มีค่ากิจกรรมแทนเนสทั้งหมด 30.56 และ 55.72 หน่วย ตามลำดับ โดยมีผลผลิตเพิ่มขึ้น 7 และ 10 เท่า ตามลำดับ จากนั้นจึงนำเอนไซม์แทนเนสที่ผลิตได้ไปทำให้บริสุทธิ์โดยการตกตะกอนด้วยเกลือแอมโมเนียมซัลเฟตเข้มข้นอิ่มตัว 0-85% พบว่าที่ความเข้มข้นอิ่มตัว 40, 80 และ 85 % ทำให้เอนไซม์บริสุทธิ์ขึ้น 3.05, 7.31 และ 6.06 เท่า ตามลำดับ และนำไปทำให้บริสุทธิ์เพิ่มขึ้นโดยการแยกในคอลัมน์ DEAE–Sepharose A-50 แยกได้สองพีค (P1และ P2) ทำให้เอนไซม์บริสุทธิ์ขึ้น 11.07 และ 10.51 เท่า ตามลำดับ ตรวจสอบความบริสุทธิ์ด้วยเทคนิค SDS-PAGE โดยแทนเนสบริสุทธิ์บางส่วนที่ได้มีอุณหภูมิ และ pH เหมาะสมที่ 60?ซ pH 8 ตามลำดับ และ แทนเนสเสถียรที่อุณหภูมิ 50?ซ และ pH 7 ทั้ง P1 และ P2 จะเห็นได้ว่าสามารถนำทะลายปาล์มที่เป็นของเหลือทางการเกษตรมาใช้ผลิตเอนไซม์แทนเนสที่สร้างมูลค่าได้ สามารถพัฒนากระบวนการผลิตโดยการหมักแบบแห้งที่ใช้ต้นทุนต่ำผลผลิตเอนไซม์สูงจากวัตถุดิบที่เป็นของเหลือทางการเกษตรชนิดต่างๆ และศึกษาการนำแทนเนสที่ผลิตได้ไปใช้ประโยชน์ ทั้งในการลดความฝาดและการทำให้น้ำผลไม้ใส รวมทั้งการผลิตกรดแกลลิคด้วย

คำสำคัญ