กระบวนการผลิต “ไบโอดีเซล” ที่มีอยู่ในปัจจุบัน

        ปัจจุบันประเทศไทยกำลังประสบกับปัญหาวิกฤติราคาน้ำมันโลกที่ผันผวน ทำให้ทุกภาคส่วนของระบบเศรษฐกิจของประเทศได้รับผลกระทบ ค่าสินค้าและบริการต่างๆปรับตัวสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องซึ่งส่งผลให้ค่าครองชีพของประชาชนเพิ่มสูงขึ้น อีกทั้งประเทศไทยเองก็มีอัตราการใช้ถึงแม้ว่าราคาน้ำมันจะลดลงมากในช่วงนี้เนื่องจากวิกฤตการณ์การเงินที่นำไปสู่ภาวะเศรษฐกิจถดถอยแต่ในไม่ช้าภาวะราคาน้ำมันแพงก็จะหวนกลับคืนอีกครั้งหนึ่งเมื่อเศรษฐกิจฟื้นตัวและน้ำมันเพิ่มมากขึ้นตามสภาพเศรษฐกิจและอุตสาหกรรมที่เจริญเติบโตขึ้นอย่างรวดเร็ว น้ำมันเชื้อเพลิงส่วนใหญ่ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันได้มาจากแหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งมีอยู่อย่างจำกัดและต้นทุนการผลิตจะสูงขึ้นเรื่อยๆ ประเทศไทยจึงมีการรณรงค์ให้มีการผลิตและใช้เชื้อเพลิง “ไบโอดีเซล” เพื่อทดแทนน้ำมันดีเซลที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน โดยทั่วไปแล้วไบโอดีเซลสามารถผลิตได้จากน้ำมันพืชหรือไขมันสัตว์ โดยอาศัยปฏิกิริยาทางเคมีที่เรียกว่า “ทรานส์เอสเทอร์ริฟิเคชัน (แอลกอฮอล์ไลซิส)” และ “เอสเทอร์ริฟิเคชัน” โดยมีสารตั้งต้นเป็นน้ำมัน (ไตรกลีเซอร์ไรด์) หรือกรดไขมันซึ่งทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์ (ทั้งเมทานอล หรือเอทานอล แต่ส่วนใหญ่ใช้เมทานอลเนื่องจากให้ประสิทธิภาพการผลิตที่สูงกว่า) ได้ผลิตภัณฑ์เป็นแอลคิลเอสเทอร์หรือไบโอดีเซล อนึ่งเมื่อไม่นานมานี้ได้มีการค้นพบเทคโนโลยีในการเลี้ยงสาหร่ายเกรียวทองเพื่อผลิตกรดไขมัน ซึ่งกรดไขมันดังกล่าวสามารถใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตไบโอดีเซลได้เช่นกันจากกระบวนการเอสเทอร์ริฟิเคชัน ในทางทฤษฎีแล้วปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอร์ริฟิเคชัน และปฏิกิริยาเอสเทอร์ริฟิเคชัน สามารถดำเนินการได้ 2 ลักษณะคือ การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าช่วยในกระบวนการ และไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในกระบวนการผลิตไบโอดีเซลแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทคือ ตัวเร่งปฏิกิริยาด่าง และตัวเร่งปฏิกิริยากรด ส่วนอีกประเภทหนึ่งคือ ตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพอันได้แก่ ตัวเร่งจำพวกเอนไซม์ โดยรายละเอียดคุณลักษณะและข้อดีข้อเสียของตัวเร่งปฏิกิริยาแต่ละชนิดมีดังนี้

        ตัวเร่งด่าง(เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ หรือโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์) ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดนี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาพื้นฐานที่มีการใช้มาเป็นเวลานานแล้ว โดยข้อดีของการใช้ตัวเร่งประเภทนี้คือผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีปริมาณมากและมีความบริสุทธิ์สูง อีกทั้งใช้เวลาในการทำปฏิกิริยาน้อย อย่างไรก็ตามข้อจำกัดของการใช้ตัวเร่งประเภทนี้นี้คือ สารตั้งต้นที่ใช้ต้องบริสุทธิ์ โดยหากสารตั้งต้นที่นำมาใช้มีปริมาณกรดไขมันอิสระปนอยู่จะส่งผลให้เกิดสบู่ในระหว่างการผลิตไบโอดีเซล ทำให้ยากต่อการแยกกลีเซอรอล (ซึ่งเป็นผลผลิตร่วม) ออกจากผลิตภัณฑ์

        ตัวเร่งกรด(เช่น กรดไฮโดรคลอริก หรือกรดซัลฟิวริก) ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ไขข้อจำกัดของตัวเร่งด่าง โดยข้อดีของการใช้ตัวเร่งประเภทกรดคือ ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีปริมาณผลได้สูงและยังสามารถใช้กับสารตั้งต้นที่มีคุณภาพด้อยกว่าน้ำมันบริสุทธิ์ได้ (เช่น มีกรดไขมันอิสระปนอยู่) อย่างไรก็ตาม ตัวเร่งดังกล่าวจะส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนของอุปกรณ์ที่ใช้ อีกทั้งต้องใช้ระยะเวลาในการทำปฏิกิริยานานกว่าวิธีแรก 

        อนึ่งเมื่อไม่นานมานี้ได้มีการพัฒนากระบวนการผลิตไบโอดีเซลแบบสองขั้นตอน เพื่อที่จะเปลี่ยนสารตั้งต้นที่มีกรดไขมันอิสระปนอยู่ไปเป็นไบโอดีเซลได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดระยะเวลาในการทำปฏิกิริยาให้สั้นลง โดยกระบวนการเริ่มต้นจะใช้ตัวเร่งกรดเพื่อลดปริมาณกรดไขมันในสารตั้งต้น จากนั้นจึงใช้ตัวเร่งด่างเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้นส่งผลให้ได้ผลิตภัณฑ์มากขึ้นและหลีกเลี่ยงการเกิดสบู่ อย่างไรก็ดี ข้อเสียของการใช้กระบวนการที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นด่างและกรดที่เป็นของเหลวคือ ผลิตภัณฑ์ที่ได้ต้องผ่านกระบวนการล้างด้วยน้ำเพื่อให้มีฤทธิ์เป็นกลาง ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาน้ำเสียตามมา ในปัจจุบันประเทศพัฒนาแล้วหลายประเทศทั่วโลกกำลังทำการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งขึ้นเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาในการแยกผลิตภัณฑ์และยังสามารถนำตัวเร่งปฏิกิริยากลับมาใช้ใหม่ได้ โดยชนิดของตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งที่สำคัญคือ ตัวเร่งปฏิกิริยาซัลเฟตเซอร์โคเนีย อย่างไรก็ดี ขณะนี้ตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวยังประสบปัญหาเรื่องประสิทธิภาพและความคงทนภายใต้สภาวะดำเนินการ อีกทั้งยังคงต้องใช้เวลาในการทำปฏิกิริยาที่ค่อนข้างนาน

        ตัวเร่งจำพวกเอนไซม์ (เช่น ไลเปส) ในรายละเอียดแล้วไลเปสที่ใช้ในอุตสาหกรรมจะมาจากจุลินทรีย์หลายชนิด และมีการใช้หลายลักษณะเช่น ในรูปของเอนไซม์อิสระ (Free enzyme) และในรูปของเอนไซม์ที่ถูกตรึง (Immobilized enzyme) โดยกระบวนการตรึงสามารถทำได้หลากหลายรูปแบบ อาทิ การตรึงบนตัวรองรับของแข็ง (เช่น บน Polymer) การตรึงโดยอาศัยกระบวนการ Sol-Gel และการตรึงโดยใช้กระบวนการ Cross Link Enzyme Aggregates (CLEA) ซึ่งการเร่งปฏิกิริยาโดยใช้เอนไซม์จะมีข้อดีเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมีหลายประการอันได้แก่ มีความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม และไม่จำเป็นต้องมีกระบวนการบำบัดของเสีย อีกทั้งยังสามารถผลิตไบโอดีเซลได้จากทั้งไตรกลีเซอไรด์ และกรดไขมันอิสระ ดังนั้นจึงสามารถใช้กับสารตั้งต้นที่มีคุณภาพด้อยกว่าน้ำมันบริสุทธิ์ได้ (เช่น มีกรดไขมันอิสระปนอยู่ในปริมาณที่มาก) อย่างไรก็ดีข้อเสียของตัวเร่งดังกล่าวคือ มีราคาแพง และปฏิกิริยาใช้เวลานาน

        สำหรับกรณีของการผลิตไบโอดีเซลแบบไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยานั้น ปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอร์ริฟิเคชัน และเอสเทอร์ริฟิเคชันสามารถเกิดขึ้นได้ในสภาวะวิกฤติยิ่งยวดของแอลกอฮอล์ (อุณหภูมิ 350-400 เซลเซียสและความดัน 45-65 เมกกะพาสคาล หรือประมาณ 450-650 เท่าของความดันบรรยากาศ) โดยข้อดีของกระบวนการดังกล่าว คือผลิตภัณฑ์ที่ได้ง่ายต่อการทำให้บริสุทธิ์และเวลาที่ใช้สั้นกว่าวิธีอื่นๆ นอกจากนี้ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในสภาวะวิกฤติยิ่งยวดของเมทานอลจะไม่เกิดสบู่และปัญหาน้ำเสียเนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีฤทธิ์เป็นกรดหรือด่าง ดังนั้นวิธีนี้จึงเป็นที่น่าสนใจที่จะนำมาใช้ในการผลิตไบโอดีเซลในระดับอุตสาหกรรม อย่างไรก็ดี ข้อจำกัดของการผลิตไบโอดีเซลโดยวิธีนี้คือ ต้องใช้สภาวะที่รุนแรง (อุณหภูมิและความดันที่สูง) ซึ่งส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในการผลิตนั้นสูงตามไปด้วย

         กล่าวโดยสรุป ขณะนี้ยังไม่มีกระบวนการผลิตไบโอดีเซลในเชิงพาณิชย์ที่สมบูรณ์แบบทั้งด้านประสิทธิภาพการผลิตค่าใช้จ่ายในการดำเนินการและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม จึงยังต้องมีการลงทุนวิจัยเพื่อพัฒนานวัตกรรมกระบวนการที่ดีที่สุดต่อไป

        หมายเหตุ บัณฑิตวิทยาลัยร่วมด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม ได้รับการสนับสนุนจากสำนักพัฒนาบัณฑิตศึกษาและวิจัยด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี สำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา และจากสำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน บทความนี้ เป็นความเห็นของผู้เขียน ซึ่งไม่จำเป็นต้องสอดคล้องกับความเห็นของหน่วยงานที่เกี่ยวข้อง

โดย ผศ.ดร. นวดล เหล่าศิริพจน์
บัณฑิตวิทยาลัยร่วมด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม
มหาวิทยาลันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

ผศ.ดร. อาทิวรรณ โชติพฤกษ์
ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

ที่มา : วิชาการ.คอม