Language :
EMK-C-04

เชื้อเพลิงเอทานอลโดยการแยกเอทานอลกับกระบวนการหมัก

คุณภาพมาตรฐานต้นแบบสำหรับผลิตเชื้อเพลิงเอทานอลโดยการแยกเอทานอลควบคู่กับกระบวนการหมักด้วยเทคนิคการกลั่นลำดับส่วนแบบสุญญากาศ

โดย ผศ.ดร.อภิชาติ บุญทาวัน

 

ความเป็นมาและความสำคัญของปัญหา :

เอทานอลหรือไบโอเอทานอล มีความสำคัญต่อการพัฒนาประเทศเป็นอย่างมาก เนื่องจากสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่น ในภาคการขนส่ง สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงโดยตรง โดยเฉพาะ E85, E20, E10, ไบโอดีเซล นอกจากนี้ ยังใช้เป็นสารตั้งต้นในการทำปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชั่นกับกรดอินทรีย์เช่นกรด D- หรือ L-lactic acid, succinic acid ในกระบวนการทำบริสุทธิ์กรดดังกล่าวจากน้ำหมัก สำหรับใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมการผลิตพลาสติกที่สามารถย่อยสลายได้โดยทางชีวภาพ (biodegradable plastics) ในปัจจุบันการพัฒนาการผลิตไบโอเอทานอลได้มีความก้าวหน้าเป็นอย่างมาก เช่นการพัฒนาการหมักแบบกึ่งกะ (fed-batch fermentations) เพื่อลดปัญหาการยับยั้งเนื่องจากความเข้มข้นของน้ำตาลที่มากเกินไป หรือการหาสายพันธุ์ยีสต์ที่สามารถผลิตเอทานอลได้สูงและทนทานต่ออุณหภูมิสูง (ยีสต์สายพันธุ์ทนร้อน) เป็นต้น แต่อุปสรรคที่แท้จริงของการเพิ่มผลผลิตเอทานอลจากน้ำหมักนั้น คือปัญหาความเป็นพิษของเอทานอลที่มีต่อเชื้อยีสต์ ทั้งนี้เนื่องจากระหว่างการหมักนั้น เอทานอลที่ถูกผลิตขึ้นจะสะสมอยู่ในน้ำหมัก ซึ่งจะส่งผลในด้านลบกับการเจริญของเชื้อยีสต์และความสามารถในการผลิตเอทานอล โดยเอทานอลความเข้มข้นร้อยละ 5 โดยน้ำหนักจะเริ่มเป็นพิษต่อเชื้อยีสต์ ทำให้เชื้อยีสต์ผลิตเอทานอลได้ช้าลง และความเข้มข้นเอทานอลที่ประมาณร้อยละ 12-15 จะส่งผลทำให้เชื้อยีสต์ตายทั้งหมด ถึงแม้ว่าจะมีการเติมอาหารลงไปอีก ก็จะไม่มีการผลิตเอทานอลเพิ่มขึ้น เรียกการยับยั้งแบบนี้ว่า การยับยั้งจากผลิตภัณฑ์ (product inhibition effect)

 

ข้อได้เปรียบการหมักแบบธรรมดาหลายประการ

1. ตัดขั้นตอนการกลั่นแบบ bubble-cap column ออกไปได้ เนื่องจากหอกลั่นในระดับอุตสาหกรรมนั้น เป็นสิ่งที่แพงและใช้ต้นทุนพลังงานมากที่สุด ทำให้ต้นทุนการผลิตจะลดลงเป็นอย่างมาก

2. ยีสต์สามารถผลิตเอทานอลได้มากขึ้น เนื่องจากไม่มีเอทานอลซึ่งเป็นพิษค้างอยู่ในระบบ ทำให้ยีสต์มี activity ที่ยาวนานขึ้น

3. สามารถเพิ่มอัตราการผลิตเอทานอลได้มากขึ้นจากการใช้ปริมาณของเชื้อยีสต์เริ่มต้นในปริมาณสูง ร่วมกับการเติมสารอาหารเข้มข้นสูงแบบกึ่งกะ (fed-batch) ทำให้มีปริมาณของน้ำกากส่า (thin stillage) ลดลง เป็นการลดของเสียจากระบบลงได้เป็นอย่างมาก ส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในการกำจัดน้ำเสียลดลง ซึ่งในอุตสาหกรรมนั้น จะต้องใช้ความร้อนในการระเหยน้ำกากส่าเหล่านี้ เพื่อทำเป็นน้ำกากส่าเข้มข้น ก่อนที่จะจำหน่ายให้กับเกษตรกรนำไปเป็นปุ๋ย สำหรับใช้ในไร่อ้อยต่อไป

4. ประหยัดเวลา เนื่องจากสามารถแยกเอทานอลออกจากน้ำหมักได้ ในทันทีที่เชื้อยีสต์เริ่มทำการผลิตเอทานอล ส่งผลให้ขนาดของถังหมักจะมีขนาดลดลงมากกว่า 10 เท่า เมื่อเทียบกับการหมักแบบธรรมดา

 

การพัฒนาเทคโนโลยี

ในการประดิษฐ์นี้ แสดงการออกแบบการทดลองการแยกเอทานอลควบคู่กับกระบวนการหมักด้วยการกลั่นลำดับส่วนแบบสุญญากาศ ซึ่งจะมีการออกแบบหอกลั่นในส่วนของคอลัมน์ (Column) ให้เป็นระบบที่มีการบังคับให้เกิดการสัมผัสกันระหว่างไอและของเหลวภายในหอกลั่น (mixing) ในอัตราที่สูง โดยมีเป็นการประยุกต์ใช้ใบกวนภายในหอกลั่น ทำให้เกิดสมดุลของระบบการกลั่นได้เร็ว ส่งผลให้ประสิทธิภาพของการกลั่นสูงมาก อีกทั้งยังมีการออกแบบให้ระบบสามารถทำการกลั่นเอทานอลภายใต้สุญญากาศ โดยทำการลดความดันบรรยากาศให้ต่ำลง จนกระทั่งถึงจุดเดือดของน้ำหมักที่อุณหภูมิ 35 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิปกติในการหมักโดยเอทานอลที่มีจุดเดือดต่ำกว่าจะกลายเป็นไอ และลอยขึ้นสู่ด้านบนของหอกลั่น โดยที่บริเวณคอของหอกลั่น จะมีการทำเปลือกหุ้ม (Jacket) และมีการไหลเวียนสารตัวกลางเพื่อควบคุมอุณหภูมิของไอที่ออกให้เหมาะสม โดยจะมีการควบแน่นของน้ำบางส่วน (partial condensation) ก่อนที่ไอของเอทานอลบริสุทธิ์จะถูกแยกออกโดยผ่านทางด้านท่อนำออก (outlet) และเกิดการควบแน่นด้วยการแลกเปลี่ยนความร้อน (condenser) ในขณะที่น้ำจะเกิดการควบแน่นภายในหอกลั่น จะกลายเป็นของเหลวไหลกลับลงสู่ถังหมัก ซึ่งจากการทดสอบประสิทธิภาพการกลั่นเอทานอลจากน้ำหมัก พบว่าสามารถกลั่นเอทานอลแบบต่อเนื่องได้ความเข้มข้นของเอทานอลสูงถึงร้อยละ 92 ซึ่งสามารถนำเข้าสู่ระบบการแยกน้ำได้โดยตรง ภาพ 4 แสดงเครื่องต้นแบบสำหรับทดลองการแยกเอทานอลควบคู่ไปกับกระบวนการหมักด้วยเทคนิคการกลั่นลำดับส่วนแบบสุญญากาศโดยใช้ถังหมักขนาด 200 ลิตร