การเพิ่มมูลค่าของชานอ้อยด้วยการผลิตพอลิแลคติกแอซิด: การขยายขนาดการผลิตและการใช้ประโยชน์ของเสียที่เกิดขึ้น

บทคัดย่อ

การวิจัยและพัฒนาเพื่อผลิตพอลิเมอร์กรดแลคติกจากชานอ้อยและน้ำตาลดิบสามารถแบ่งเป็น 5 ส่วนหลัก โดยในส่วนที่ 1) การปรับสภาพ ไฮโดรไลชิสและหมักกรดแลคติกจากชานอ้อยแบบคู่ควบ พบว่า การปรับสภาพที่เหมาะสมที่สุดเพื่อให้ได้ปริมาณเซลลูโลสสูงสุดจากชานอ้อยคือการปรับสภาพสองขั้นตอน 6.125%w/V H2SO ./ alkali H.202 โดยเมื่อทำการหมักกรดแลคติกแบบคู่ควบด้วยระบบ Simultaneous Fed- batch Hydrolysis and Fermentation โดยการเติมชานอ้อยที่ปรับสภาพ 5% ทุก 48 ชั่วโมง ในระดับฟ ลาสก์ พบว่าสามารถผลิตกรดแลคติกได้สูงถึง 29.8 g/L ที่ 216 ชั่วโมง ด้วย Lactobacillus delbruecki และเมื่อขยายขนาดการผลิตในถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 20 ลิตร พบว่าสามารถผลิตกรดแลคติกได้ที่ความ เข้มข้น 18.88 g/L ที่ 192 ชั่วโมง ส่วนที่ 2) เป็นการผลิตกรดแลคติกจากน้ำตาลดิบในถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 10 ลิตรร่วมกับแยกกรด แลคติกด้วยเมมเบรน โดยพบว่า สามารถผลิตกรดแลคติกเข้มข้น 80 9/L ที่ระยะเวลา 96 ชั่วโมง เมื่อใช้ น้ำตาลดิบเริ่มต้น 100 g/L และจุลินทรีย์ . delbruecki ร่วมกับเอนไซม์อินเวอเตส 0.12 กรัมต่อกิโลกรัม น้ำตาลดิบ และเมื่อแยกกรดแลคติกออกจากน้ำหมักด้วยไมโครฟิลเตรชันที่ความดัน 4 bar และนาโนฟิลเตร ชันที่ความดัน 5 บาร์ จะได้แลคติกที่เข้มข้น 42.4 g/L โดยมีน้ำตาลกลูโคสและฟรุคโตสเจือปนที่ความเข้มข้น 6.3 และ 5.7 9/L ตามลำดับ ในส่วนที่ 3 เป็นผลการทำบริสุทธิ์กรดแลคติก โดยพบว่าเมื่อใช้โครมาโทกราฟีแลกเปลี่ยนประจุเพื่อ กำจัดไอออนที่เจือปน ตามด้วยวิธี Reactive distillation โดยทำปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันระหว่างกรดแล คติกและเมทานอลควบคู่กับการไฮโดรไลซิสเมธิลแลคเตทโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา amberlyst-15 ในเครื่อง ปฏิกรณ์ Reactive distillation สองคอลัมน์เป็นวิธีที่เหมาะสมที่สุด โดยเมื่อทำบริสุทธิ์กรดแลคติกจากการ หมักชานอ้อยจะได้ 41.229 recovery ที่ความบริสุทธิ์กรดแลคติก 96.24% และได้กรดแลคติกบริสุทธิ์จาก การหมักน้ำตาลดิบที่ 61.7896 recovery ความบริสุทธิ์กรดแลคติก 99.30%จากการศึกษาความเป็นไปได้และการวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์ในส่วนของการผลิตกรดแลคติก เข้มข้น (1 โมลาร์ หรือ 85*w/w) และมีความบริสุทธิ์สูง (>9886) จากชานอ้อยและน้ำตาลดิบ พบว่าการผลิต กรดแลคติกจากน้ำตาลดิบมีความคุ้มคำทางเศรษฐศาสตร์สูงกว่าจากชานอ้อยอย่างมีนัยสำคัญ โดยเมื่อใช้ อุปกรณ์ในขั้นตอนการหมักและทำบริสุทธิ์ชุดเดียวกัน พบว่าการผลิตกรดแลคติกจากน้ำตาลดิบที่ 0.4 ตันต่อ กะ สามารถผลิตกรดแลคติกเข้มข้นได้ 1825 ลิตรและมีระยะเวลาคืนทุนไม่เกิน 1 ปี ในขณะที่การผลิตกรดแล คติกจากชานอ้อย 1 ตันต่อกะ สามารถผลิตกรดแลคติกเข้มข้นได้เพียง 372 สิตรและมีระยะเวลาคืนทุน 9 ปี อย่างไรก็ตาม การจำลองกระบวนการข้างต้นไม่รวมการวิเคราะห์ผลได้จากการนำลิกนินและเฮมิเชลลูโลสจาก การปรับสภาพไปใช้ประโยชน์ และไม่มีการคิดการนำสารละลายที่ใช้ในการปรับสภาพกลับไปใช้ซ้ำ สำหรับส่วนที่ 4) เป็นการสังเคราะห์ PLA จากกรดแลคติก โดยพบว่าวิธีการที่เหมาะสมในการ สังเคราะห์เพื่อให้ได้ PLA ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง (55.4 Da) จากกรดแลคติกเชิงพาณิชย์ ได้แก่ การระเหยน้ำ ที่อุณหภูมิ 110C ตามด้วยการสังเคราะห์ PLA ที่ 180C ในสภาวะสูญญากาศร่วมกับการเติมตัวเร่งปฏิกิริยา SnClh2 และ p-toluenesulfonic acid monohydrate (TSA) ในช่วง melt-polymerization โดย PLA สังเคราะห์ได้สามารถรับค่าพลังงานจลน์ได้ที่ 14.0 J/mm อย่างไรก็ตาม การสังเคราะห์ด้วยกรดแลคติกที่ได้จากการหมักและผ่านระบบเยื่อเลือกผ่านระดับ nanofiltration เบื้องต้นยังพบว่ามีความเข้มข้นกรดแลคติกที่ ต่ำทำให้ต้องมีขั้นตอนการระเหยน้ำที่ใช้ระยะเวลานานและอุณหภูมิสูง ส่งผลให้มีการระเหยของกรดแลคติก จึงทำให้สังเคราะห์ได้เพียง oligomer ของ PLA โดยหากพัฒนากระบวนการทำบริสุทธิ์หรือเพิ่มความเข้มข้น กรดแลคติกที่เหมาะสม คาดว่าจะสามารถสังเคราะห์ PLA ที่มีคุณสมบัติเหมือนกัน PLA ที่สังเคราะห์ได้จาก กรดแลคติกเชิงพาณิชย์ ในส่วนที่ 5) เป็นการผลิตถ่านชีวภาพและน้ำมันชีวภาพจากลิกนินที่เป็นของเสียของการผลิตพอลิแล คติกแอชิดจากชานอ้อยด้วยกระบวนการไพโรไลซิส จากการหาค่ที่เหมาะสมที่สุดด้วยการออกแบบการ ทดลองแบบ Central composite design (CCD) พบว่า สามารถผลิตน้ำมันชีวภาพจากลิกนินได้ที่ร้อยละ 30.3 เมื่อใช้อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยา 668.20C อัตราการไหลของไนโตรเจนเท่ากับ 468.2 m/min และ อัตราส่วนตัวเร่งปฏิกิริยาต่อลิกนินเป็น 1.5 ที่อัตราการให้ความร้อน 20*C/min

คำสำคัญ