Conversion of glycerol from biodiesel production process to high value PDO-based products

อุตสาหกรรมการผลิตไบโอดีเซลจัดเป็นหนึ่งในอุตสาหกรรมเชื้อเพลิงชีวภาพหลักที่มีความสำคัญของประเทศไทย โดยคาดว่าจะมีปริมาณการใช้ไบโอดีเซลในปี 2563-2565 ในระดับ 5.8-6.5 ล้านลิตรต่อวัน ในปี 2563-2565 หรือเติบโตในช่วง 5-10 % ต่อปี [1] จากการเติบโตของภาคการขนส่งทางบกจากความเชื่อมโยงของเศรษฐกิจในภูมิภาค และนโยบายของภาครัฐในการส่งเสริมการใช้ B10 เป็นน้ำมันดีเซลมาตรฐานและการผลักดันการใช้ B20 ในรถบรรทุก โดยปัจจุบันประเทศไทยเป็นผู้ผลิตไบโอดีเซลในลำดับ 5 ของโลก โดยใช้น้ำมันปาล์มดิบ (Crude palm oil) เป็นวัตถุดิบหลัก อย่างไรก็ตามปัญหาของอุตสาหกรรมไบโอดีเซลในปัจจุบันคือความผันผวนของราคาน้ำมันปาล์มดิบซึ่งมีความสัมพันธ์กับราคาในตลาดโลกและเป็นปัจจัยหลักที่มีสัดส่วน 70% ของต้นทุนการผลิต ซึ่งส่งผลในด้านความสามารถในการแข่งขันและความยั่งยืนเชิงธุรกิจของอุตสาหกรรม การใช้ประโยชน์จากวัสดุเหลือใช้และผลิตภัณฑ์พลอยได้ในกระบวนการผลิตเป็นแนวทางหลักที่อุตสาหกรรมการผลิตไบโอดีเซลให้ความสนใจอย่างมาก กลีเซอรอลจัดเป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้หลักในกระบวนการผลิตไบโอดีเซล โดยการผลิตไบโอดีเซลในรูปเมทิลเอสเทอร์ 1 ตันจะเกิดกลีเซอรอลเป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้ 100 กิโลกรัม ซึ่งทำให้มีปริมาณกลีเซอรอลมากกว่า 400,000 ตันต่อปี ในรูปของกลีเซอรอลดิบ (Crude glycerol) ซึ่งสามารถนำมาเพิ่มมูลค่าได้ในรูปแบบต่างๆ เช่นการผลิตเป็นกลีเซอรอลบริสุทธิ์สำหรับอุตสาหกรรมสุขภาพและเครื่องสำอาง ซึ่งปัจจุบันมีตลาดที่เริ่มอิ่มตัวจากความต้องการในระดับโลกที่ชะลอตัว และการแข่งขันจากผู้ผลิตในต่างประเทศที่มีจำนวนมากขึ้นจากการเติบโตของอุตสาหกรรมไบโอดีเซลในระดับโลก การเปลี่ยนกลีเซอรอลให้เป็นผลิตภัณฑ์เคมีในรูปแบบของอุตสาหกรรมไบโอรีไฟเนอรี เป็นแนวทางหนึ่งที่มีความน่าสนใจและเป็นการตอบโจทย์ยุทธศาสตร์ BCG (Bio/ Green/ Circular-Economy) ของประเทศ ที่ผ่านมามีรายงานการใช้กลีเซอรอลเป็นวัตถุดิบในการผลิตสารเคมีภัณฑ์ต่างๆ ด้วยกระบวนการทางเคมีและการใช้จุลินทรีย์ โดยสารในกลุ่มโพรเพนไดออลจัดเป็นหนึ่งในสารเคมีภัณฑ์ที่มีศักยภาพทางการตลาดสูงที่สามารถผลิตได้จากกลีเซอรอล โดยมีการใช้ 1,2-โพรเพนไดออล (1,2-PDO) ในการผลิตพอลิเมอร์ และเป็นสารเติมแต่งในผลิตภัณฑ์อาหาร ในขณะที่มีการใช้ 1,3-โพรเพนไดออล (1,3-PDO) เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมเส้นใย พอลิเมอร์ และใช้เป็นสารเติมแต่งในเครื่องสำอาง [2] ซึ่งส่งผลให้ตลาดสารในกลุ่มนี้มีมูลค่ารวมถึง 3.8 พันล้าน USD ในปี 2019 โดยมี CAGR 4.4% (1,2-PDO) และ 401 ล้าน USD ในปี 2020 โดยมี CAGR 11.4% (1,3-PDO) โดยมีอัตราการเติบโตของตลาด 11.4% [3]

ในปัจจุบันการผลิต 1,2-PDO และ 1,3-PDO ในระดับอุตสาหกรรมผลิตจากปฏิกิริยาไฮเดรชั่น (Hydration) ของโพรพิลีนออกไซด์และอะโครเลอีน ตามลำดับ ซึ่งจัดเป็นอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ขณะที่การผลิต 1,3-PDO ในอุตสาหกรรมไบโอรีไฟเนอรีนั้นพบว่า บริษัท Dupont สหรัฐอเมริกา ทำการผลิต 1,3-PDO จากวัตถุดิบชีวมวลประเภทแป้งและน้ำตาลร่วมกับการใช้จุลินทรีย์ โดยปัจจุบันสถานภาพอุตสาหกรรมการผลิตโพรเพนไดออลของประเทศไทยนั้น พบว่าไม่มีการผลิตสารกลุ่มดังกล่าวในเชิงพาณิชย์ภายในประเทศ มีเพียงการวิจัยและพัฒนาในระดับห้องปฎิบัติการเท่านั้น โดยในโครงการวิจัยนี้จะได้ทำการพัฒนาเทคโนโลยีและระบบต้นแบบในการผลิตสารในกลุ่มโพรเพนไดออลทั้ง 1,2-PDO และ 1,3-PDO จากกลีเซอรอลดิบ โดยการใช้กระบวนการเร่งปฏิกิริยาทางเคมีซึ่งมีจุดได้เปรียบกว่าการใช้กระบวนการหมักด้วยเชื้อจุลินทรีย์ซึ่งมีข้อจำกัดในด้านความบริสุทธิ์ของกลีเซอรอลดิบที่ใช้ รวมทั้งระยะในการสังเคราะห์ที่นาน มีกากตะกอนและสารตกค้างเป็นจำนวนมากภายหลังจากกระบวนการหมัก ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นในการออกแบบและพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีในกลุ่มโลหะแทรนซิชั่นที่มีประสิทธิภาพสูง ต้นทุนการผลิตต่ำ และสามารถผลิตได้ในปริมาณมาก เพื่อนำไปใช้ในระบบปฏิกรณ์ต้นแบบที่จะออกแบบและสร้างขึ้น รวมถึงการพัฒนากระบวนการปลายน้ำเพื่อแยกผลิตภัณฑ์  โดยมีการประเมินกระบวนการต้นแบบและระบบปฏิกรณ์ที่พัฒนาขึ้นร่วมกับภาคเอกชนที่เป็นพันธมิตรที่มีความสนใจในการรับถ่ายทอดเทคโนโลยี