การผลิต 5-ไฮดรอกซีเมทิลเฟอร์ฟูรอล (HMF) จากซังข้าวโพด

1. บทสรุปผู้บริหาร

5-ไฮดรอกซีเมทิลเฟอร์ฟิวรอล (5-hydroxymethylfurfural, HMF) เป็นสารกึ่งกลางที่มีใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมเคมีเพื่อผลิตเป็นเคมีภัณฑ์ต่างๆ เช่น กรดเลวูลินิก 2,5-ฟูรานไดคาร์บอซิลิก (FDCA) 2,5- ไดฟอร์มิลเฟอราน และ ไดโฮดรอกซีเมทิลเฟอราน (Zhou, et al., 2021) อีกทั้ง HMF ยังใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต 2,5 ไดเมทิลเฟอราน (2,5-Dimethylfuran, DMF) ที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงสังเคราะห์ซึ่งให้ความหนาแน่นพลังงานสูงกว่าแอลกอฮอล์

โดยปกติแล้ว HMF สามารถผลิตได้จากปฏิกิริยาดีไฮเดรชันของฟรุกโตสและกลูโคส ซึ่งในปัจจุบันการใช้พืชอาหารที่ให้แป้งและน้ำตาลมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงสังเคราะห์จะทำให้เกิดผลกระทบต่อห่วงโซ่อาหาร ในงานวิจัยนี้จึงมีแนวคิดที่จะผลิต HMF จากสิ่งเหลือใช้ทางการเกษตรที่หาได้ทั่วไปในประเทศและมีปริมาณมาก เช่น ซังข้าวโพด เนื่องจากซังข้าวโพดมีเฮมิเซลลูโลสและเซลลูโลสสูงจึงมีฟรุกโตสและกลูโคสอยู่มากสามารถผลิตเป็น HMF ได้ในปริมาณมาก นอกจากการพิจารณาเลือกใช้วัตถุดิบในการผลิต HMF แล้ว ในการผลิต HMF จากซังข้าวโพดเพื่อให้ได้ % ผลผลิตที่สูง ยังต้องคำนึงอิทธิพลจากปัจจัยอื่นๆ ด้วย ซึ่งทำให้การออกแบบการทดลองจำเป็นจะต้องมีการศึกษาถึงอิทธิพลของตัวแปรต่างๆ ที่มีต่อการเกิด HMF เริ่มตั้งแต่ขั้นตอนของการปรับสภาพเพื่อกำจัดพันธะลิกนิน ขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยาไฮโดรลิสิสและ ขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยาดีไฮเดรชัน ซึ่งจากการศึกษางานวิจัยที่เกี่ยวข้อง การผลิต HMF จากซังข้าวโพดภายใต้สภาวะที่กำหนดสามารถให้ % ผลผลิต HMF ได้สูงเกินกว่า 62 %

1. หลักการและเหตุผล

ในยุคที่เชื้อเพลิงฟอสซิลมีราคาผันผวน การผลิตเชื้อเพลิงสังเคราะห์เพื่อสร้างเสถียรภาพทางด้านพลังงานในประเทศจึงเป็นสิ่งที่ควรให้ความสำคัญ 5-ไฮดรอกซีเมทิลเฟอร์ฟิวรอล (5-hydroxymethylfurfural, HMF) เป็นสารกึ่งกลางที่มีใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมเคมีเพื่อผลิตเป็นเคมีภัณฑ์ต่างๆ เช่น กรดเลวูลินิก 2,5-ฟูรานไดคาร์บอซิลิก (FDCA) 2,5- ไดฟอร์มิลเฟอราน และ ไดโฮดรอกซีเมทิลเฟอราน (Zhou, et al., 2021) อีกทั้ง HMF ยังใช้ผลิตเป็นเชื้อเพลิงสังเคราะห์ เช่น 2,5 ไดเมทิลเฟอราน (2,5-Dimethylfuran, DMF) ได้อีกด้วย (Hu et al, 2021)

HMF สามารถผลิตได้จากชีวมวล ดังรูปที่ 1 หลังจากทำการปรับสภาพเพื่อทำลายพันธะลิกนินแล้วเฮมิเซลลูโลสและเซลลูโลสที่ได้จากการปรับสภาพจะถูกเปลี่ยนให้เป็นกลูโคสและฟรุกโตสด้วยปฏิกิริยาไฮโดรลิสิส หลังจากนั้นกลูโคสและฟรุกโตสจะถูกเปลี่ยนให้เป็น HMF ด้วยปฏิกิริยาดีไฮเดรชัน Jung, et al. (2021) พบว่า ฟรุกโตสให้กลไกในการเกิดปฏิกิริยาดีไฮเดรชันได้ดีกว่ากลูโคส ทำให้การใช้ฟรุกโตสสามารถผลิต HMF ได้มากกว่ากลูโคส สิ่งเหลือทิ้งทางการเกษตรจำพวก ซังข้าวโพด ชานอ้อย ที่มีองค์ประกอบของเส้นใยเฮมิเซลลูโลสมากจะมีน้ำตาลฟรุกโตสอยู่สูงจึงสามารถทำให้เกิด HMF ในปริมาณที่มากตามไปด้วย

ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นที่จะศึกษาถึงการผลิต HMF จากชีวมวลลิกโนเซลลูโลสที่มีส่วนช่วยในการสร้างมูลค่าเพิ่มให้กับผลผลิตเหลือทิ้งทางการเกษตรที่มีอยู่มาก เช่น ซังข้าวโพด อีกทั้งยังช่วยลดการพึ่งพาพืชอาหารในการผลิตน้ำตาลสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพจำพวกเอทานอล นอกจากนี้ HMF ยังสามารถใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต DMF ที่เป็นเชื้อเพลิงสังเคราะห์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงและสามารถใช้ทดแทนแอลกอฮอล์ได้อีกด้วย

​​​​​​​

รูปที่ 1 การผลิต HMF และอนุพันธุ์จากชีวมวล (Hu et al, 2021)