Deep Eutectic Solvent on Pretreatment and Delignification of Sugarcane Bagasse for Cellulose Nanofibril Production

นาโนเซลลูโลส (Nanocellulose, NC) เป็นวัสดุเส้นใยธรรมชาติซึ่งสามารถสกัดได้จากเซลลูโลส มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางระดับนาโนเมตร นาโนเซลลูโลสมีคุณสมบัติที่น่าสนใจ เช่น มีความแข็งแรง พื้นที่ผิวสูง นอกจากนี้โครงสร้างของนาโนเซลลูโลสยังประกอบด้วยกลุ่มไฮดรอกซิลจำนวนมากจึงสามารถทำปฏิกิริยาเพื่อปรับเปลี่ยนหมู่ฟังก์ชันได้ง่าย สามารถย่อยสลายได้ มีน้ำหนักเบา ความหนาแน่นต่ำ มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพ นาโนเซลลูโลสจึงถูกนำไปใช้งานได้หลาย (Nasir, Hashim, & Asim, 2017) ด้วยคุณสมบัติและความสามารถต่าง ๆของนาโนเซลลูโลส จึงทำให้ในปัจจุบันนาโนเซลลูโลสเป็นวัสดุที่กำลังได้รับความสนใจในการทำมาใช้ประโยชน์เป็นอย่างมาก อย่างไรก็ตามการผลิตนาโนเซลลูโลสแบบยั่งยืนในเชิงการค้าหรือระดับอุตสาหกรรม ยังคงเผชิญกับปัญหาคอขวด อันเนื่องมาจากความสามารถในการละลายของเซลลูโลสมีต่ำ ความยุ่งยากของกระบวนการผลิต และการสกัดนาโนเซลลูโลสแบบดังเดิมที่ใช้ตัวทำละลายและสารทำปฏิกิริยาที่เป็นอันตราย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การผลิตเซลลูโลสนาโนคริสตัล (cellulose nanocrystal, CNCs) ที่ใช้กรดซัลฟิวริกเข้มข้นในการไฮโดรไลซิล หรือแม้กระทั้งการผลิต เซลลูโลสนาโนไฟบริล (cellulose nanofibrils, CNFs) ต้องใช้วิธีการทางเคมี เพื่อปรับสภาพสารชีวมวลก่อนใช้กระบวนการทางกล (Phanthong, et al., 2018) ทั้งนี้เนื่องจากพันธะไฮโดรเจนระหว่างเส้นใยเซลลูโลสไฟบริลมีความซับซ้อนและโครงสร้างของลิกโนเซลลูโลสเป็นแบบหลายชั้นและมีความซับซ้อน ทำให้การสกัดแยกไฟบริลด้วยวิธีทางกลไม่เพียงพอ และสิ้นเปลืองพลังงานมาก จำเป็นต้องออกซิเดชันด้วยสารเคมี เช่น TEMPO ( 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl)oxy) ร่วมกับการใช้กรดเข้มข้นสูง วิธีนี้จึงมีความเป็นพิษสูง และ CNFs ที่สกัดได้ยังเกิดการเสื่อมสภาพ ความทนต่อความร้อนลดลง (Yang, et al., 2017) นอกจากนี้มีการใช้ของเหลวไอออนิก (ionic liquids, ILs) เป็นตัวทำละลายและ/หรือสารทำให้บวมตัวและ/หรือตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการผลิตนาโนเซลลูโลส แม้ว่า ILs จะถูกมองว่าเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าตัวทำละลายอินทรีย์ทั่วไป เนื่องจากความสามารถใช้การนำกลับมาใช้ใหม่ได้ แต่ ILs มีความเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตทั้งบนบกและในน้ำ และมีราคาสูงจึงอาจไม่เหมาะสำหรับการผลิตนาโนเซลลูโลสในเชิงพานิชย์ (Haron, Mahmood, Noh, Alam, & Moniruzzaman, 2021) ดังนั้นเพื่อแก้ไขข้อจำกัดที่กล่าวถึงข้างต้น นักวิจัยสนใจใช้ ตัวทำละลายดีฟยูเทคติก (deep eutectic solvent, DES) ซึ่งเป็นตัวทำละลายสีเขียว ไม่เป็นพิษ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และราคาไม่แพง DES มีประสิทธิภาพสูงในการเป็นตัวทำละลายสกัดแยกส่วนลิกนินออกจากสารชีวมวล อีกทั้งยังสามารถทำให้เส้นใยเซลลูโลสหลังการปรับสภาพเกิดการบวมตัวและ/หรือสามารถละลายเซลลูโลสได้บางส่วน โดยสามารถลดแรงกระทำระหว่างโมเลกุลและภายในโมเลกุล (ความแรงของ H-bond ลดลง) (Liu, Yuan, Fu, Peng, & Yao, 2019) (Sirviö, Hyypiö, Asaadi, Junkab, & Liimatainen, 2020) (Yu, et al., 2020) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง DES ที่เตรียมโดยใช้ Choline chloride (ChCl) เป็นสารที่มีหมู่รับพันธะไฮโดรเจน hydrogen bond acceptor, HBA) ซึ่ง ChCl เป็นสาร ไม่เป็นพิษ และมีราคาต่ำ สามารถย่อยสลายทางชีวภาพ ดังนั้น ChCl-based DES จึงเป็นตัวทำละลายที่มีศักยภาพในการปรับสภาพสารชีวมวล ก่อนที่จะนำไปผ่านกระบวนการทางกลเพื่อแยกเส้นใยไฟบริลเพื่อผลิตเป็นเซลลูโลสนาโนไฟบริล (CNFs) นอกจากอิทธิพลของ HBA แล้ว ชนิดและโครงสร้างของสารที่มีหมู่ที่ให้พันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond donor, HBD) มีผลต่อความสามารถในการละลายลิกนิน เซลลูโลส และเฮมิเซลลูโลส สำหรับโครงการวิจัยที่เสนอขอรับการสนับสนุนนี้ จึงมุ่งเน้นศึกษาการใช้สารคู่ผสม ชนิด polyol และ polyacid ที่มีจำนวน carbon แตกต่างกัน (malonic acid, oxalic acid dihydrate, succinic acid, ethanediol, propanediol, butanediol, hexanediol เป็นต้น) ผสมกับ ChCl เพื่อเตรียมเป็น DES ชนิดต่าง ๆ จากการทบทวนวรรณกรรมข้างต้น สารในกลุ่ม organic acid โดยเฉพาะอย่างยิ่ง oxalic acid เมื่อผสมกับ ChCl จะมีความสามารถในการละลายลิกนินได้ดี แต่สามารถละลายเซลลูโลสได้น้อยมากหรือไม่ละลาย (Francisco, van den Bruinhorst, & Kroon, 2012) ขณะที่สารในกลุ่ม alcohol มีความสามารถในการละลายลิกนินได้ดีมาก และยังสามารถละลายเซลลูโลสได้บางส่วน (Malaeke, Housaindokht, Monhemi, & Izadyar, 2018) ซึ่งความสามารถในการละลายองค์ประกอบของลิกโนเซลลูโลสที่แตกต่างของ สารผสม DES แต่ละคู่ จะส่งมีผลต่อปริมาณร้อยละโดยผลผลิต ความเป็นผลึก สมบัติทางกายภาพ สมบัติทางกลและสัณฐานวิทยาของ CNFs ที่สกัดได้ต่างกัน ทั้งนี้เพื่อให้สามารถผลิตนาโนเซลลูโลสชนิด CNFs ที่มีสมบัติความต้านทานความร้อนสูง มีเสถียรภาพ และได้ร้อยละโดยผลผลิตสูง ด้วยวิธีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และเพิ่มโอกาสความเป็นไปได้ในการผลิตนาโนเซลลูโลสเชิงพานิชย์