การผลิตกรดอินทรีย์จากวัสดุเหลือใช้มวลชีวภาพ

1. s)
ทที่ 1้มวลชีวภาพ (Biom
e
ass Residu
บ ช
ือใ
วัสดุเหล
การใช้ประโยชน์จากวัสดุเหลือใช้ หรือกากทางการเกษตร (agricultural residues) รวมทั้ง
ของเสีย (wastes) และผลิตผลพลอยได้ (by-product) จากโรงงานอุตสาหกรรมเพื่อผลิตเป็น
ผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ โดยกระบวนการทางชีวภาพ เช่น เอทานอล กรดอินทรีย์ สารให้ความหวาน และ
ตัวทำละลายอินทรีย์ชนิดต่าง ๆ ปัจจุบันเป็นวิทยาศาสตร์ที่ได้รับการศึกษากันอย่างกว้างขวาง ทั้งนี้
เนื่องจากผลิตภัณฑ์เหล่านี้บางชนิดแต่เดิมสังเคราะห์โดยกระบวนการทางเคมี (มีกระบวนการผลิต
ที่ใช้ต้นทุนต่ำ และใช้เวลาในการผลิตสั้น) โดยใช้วัตถุดิบหรือสารตั้งต้นจากผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม
แต่ปัจจุบันนี้โลกประสบปัญหาการขาดแคลนปิโตรเลียมทำให้ต้นทุนในการผลิตโดยกระบวนการ
ทางเคมีสูงขึ้น นอกจากนี้กระบวนการผลิตทางเคมียังก่อให้เกิดสารพิษส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
เช่น ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ก่อให้เกิดปัญหาแก๊สเรือนกระจก
(greenhouse gases) ในบรรยากาศ เป็นผลให้โลกมีอุณหภูมิสูงขึ้น (global warming) ซึ่งสภาวะที่
เกิดขึ้นนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อสิ่งมีชีวิต
_10-038 (001-016)P3.indd 1 5/5/11 9:23:04 PM

2. การผลิตกรดอินทรีย์จากวัสดุเหลือใช้มวลชีวภาพ
ดังนั้น การผลิตโดยกระบวนการหมักทางชีวภาพ (biological fermentation) จึงเข้ามา
มีบทบาท โดยในระยะแรกใช้วัตถุดิบเป็นน้ำตาลที่ได้จากพืชซึ่งมีน้ำตาลสูง เช่น อ้อย หัวบีท และ
ข้าวฟ่างหวาน แต่ปัจจุบันน้ำตาลที่ได้จากพืชมีราคาสูงมาก ดังนั้น จึงมีการเปลี่ยนแหล่งวัตถุดิบ
ที่ใช้ในกระบวนการหมักมาเป็นน้ำตาลที่ได้จากการย่อยแป้งชนิดต่าง ๆ เช่น แป้งมันสำปะหลัง
แป้งข้าวโพด และแป้งมันฝรั่ง เป็นต้น และน้ำตาลที่ได้จากทรัพยากรที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่
ได้ (renewable resources) ซึ่งเป็นแหล่งวัตถุดิบทดแทน โดยใช้ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ชีวภาพ
รวมกับกระบวนการทางพันธุวิศวกรรม เพื่อให้กระบวนการผลิตมีต้นทุนต่ำ ได้ผลคุ้มค่าทาง
เศรษฐศาสตร์ใช้ผลิตในเชิงพาณิชย์ได้ นำไปสู่ความต้องการที่จะพัฒนาเทคโนโลยีสีเขียว (green
technology) เพื่ อ ผลิ ต วั ต ถุ ดิ บ สี เ ขี ย ว (green feedstock) ใช้ ใ นกระบวนการหมั ก ให้ ไ ด้
ผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ที่ไม่เป็นพิษต่อผู้บริโภค (green product) ซึ่งคาดว่ากระบวนการผลิตทาง
ชีวภาพจะมีบทบาทสูงมากในอนาคตอันใกล้นี้ รูปที่ 1.1 แสดงสารเคมีวัตถุดิบที่สำคัญ (key
feedstock chemical) โดยกระบวนการทางชีวภาพ
_10-038 (001-016)P3.indd 2 5/5/11 9:23:04 PM

3. es)
ีวภาพ (Biomass Residu
วัสดุเหลือใช้มวลช
รูปที่ 1.1 สารเคมีวัตถุดิบที่สำคัญซึ่งผลิตจากทรัพยากรทดแทนโดยกระบวนการทางชีวภาพ
(ที่มา : ดัดแปลงจาก Glazer และ Nikaido, 2007 : 78)
_10-038 (001-016)P5.indd 3 5/23/11 9:36:38 PM

4. การผลิตกรดอินทรีย์จากวัสดุเหลือใช้มวลชีวภาพ
วัตถุดิบที่มีราคาถูก เช่น วัสดุเหลือใช้จากอุตสาหกรรมอาหาร การเกษตร ฟาร์มปศุสัตว์
ป่าไม้ ของเสียที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์ในเขตบ้านเรือนต่าง ๆ รวมทั้งกระดาษและของเสีย
จากอุตสาหกรรมเยื่อกระดาษซึ่งเป็นขยะที่ถูกทิ้งในสิ่งแวดล้อม ส่วนมากเป็นสารอินทรีย์ไม่มีพิษ
และสามารถย่อยสลายได้โดยจุลินทรีย์ในดิน ของเสียเหล่านี้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่เพื่อผลิต
พลังงาน และผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ต่าง ๆ ได้ เช่น ในประเทศญี่ปุ่นมีการพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อ
ผลิตไฟฟ้าจากขยะเทศบาล โดยแหล่งที่ผลิตของเสียและชนิดของของเสียรวมทั้งวัสดุเหลือใช้
ทางการเกษตรแสดงดังตารางที่ 1.1
ตารางที่ 1.1 แหล่งที่ผลิตของเสียและชนิดของวัสดุเหลือใช้รวมทั้งของเสีย
แหล่งที่ผลิตของเสีย ชนิดของเสีย สถานะของเสีย
(source producing (type of wastes) (nature of waste)
wastes)
กระดาษและอุตสาหกรรม เซลลูโลส, เฮมิเซลลูโลส, ของแข็ง, ของเหลว และ
เยื่อกระดาษ ลิกโนซัลโฟเนต และไบซัลเฟต ส่วนมากเป็นสารอินทรีย์
(paper and pulp
industry)
ของเสียเทศบาล ขยะบ้านเรือน, ขยะกระดาษ, ผลไม้ ของแข็ง, ของเหลว และ
(municipal wastes) และเปลือกผัก, ของเสียโรงงานฆ่าสัตว์, ส่วนมากเป็นสารอินทรีย์
หนังสัตว์, น้ำเสีย และพลาสติก
โรงงานน้ำตาล และโรงกลัน ชานอ้อย และกากน้ำตาล
่ ของแข็ง และของเหลว
(sugar mills and
distilleries)
ผลิตภัณฑ์นม และสัตว์ปีก ผลิตภัณฑ์นมที่ไม่ใช้, มูลวัว, เปลือกไข่ ของแข็ ง และเป็ น สาร
(dairy and poultry) และมูลนก อินทรีย์
การเกษตร ฟางข้าว, ข้าวเปลือก, พืชหัว, ข้าว ของแข็ ง และเป็ น สาร
(agriculture) โพด, เมล็ดพืช, ใบไม้, เส้นใยและก้าน อินทรีย์
ต้นฝ้าย, เปลือกถั่ว, เปลือกมะพร้าว
และรำข้าว
อุตสาหกรรมอาหาร เปลือกผลไม้และส่วนเยื่อ, กระดูก และ ของแข็ ง และเป็ น สาร
(food industry) หนังสัตว์ อินทรีย์
ป่าไม้ เศษไม้, ใบไม้, ขี้เลื่อย, ฟืน, เมล็ด ของแข็ ง และเป็ น สาร
(forestry) และเปลือกไม้ เป็นต้น อินทรีย์
ที่มา : ดัดแปลงจาก Rastogi, 2007 : 36.2.
_10-038 (001-016)P3.indd 4 5/5/11 9:23:05 PM

5. s)
ีวภาพ (Biomass Residue
วัสดุเหลือใช้มวลช
วัตถุดิบที่กล่าวมาข้างต้นนี้ มีองค์ประกอบของลิกโนเซลลูโลส (lignocellulose) เป็น
องค์ประกอบหลัก ซึ่งลิกโนเซลลูโลสประกอบด้วยพอลิเมอร์ 3 ชนิด คือ เซลลูโลส (cellulose)
เฮมิเซลลูโลส (hemicellulose) และลิกนิน (lignin) ตารางที่ 1.2 แสดงปริมาณของเซลลูโลส
เฮมิเซลลูโลส และลิกนินในวัสดุเหลือใช้หรือกากทางการเกษตร
ตารางที่ 1.2 ปริ ม าณของเซลลู โ ลส เฮมิ เ ซลลู โ ลส และลิ ก นิ น ในวั ส ดุ เ หลื อ ใช้ ห รื อ กากทาง
การเกษตร
เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส ลิกนิน
วัสดุลิกโนเซลลูโลส
(%) (%) (%)
ลำต้นไม้เนื้อแข็ง 40-55 24-40 18-25
ลำต้นไม้เนื้ออ่อน 45-50 25-35 25-35
เปลือกถั่ว 25-30 25-30 30-40
แกนฝักข้าวโพด 45 35 15
หญ้า 25-40 35-50 10-30
กระดาษ 85-99 0 0-15
ฟางข้าวสาลี 30 50 15
ขยะ หรือเศษของที่ใช้แล้วแยกประเภท 60 20 20
ใบไม้ 15-20 80-85 0
ใยเมล็ดฝ้าย 80-95 5-20 0
กระดาษหนังสือพิมพ์ 40-55 25-40 18-30
เศษกระดาษจากหนังสือ 60-70 10-20 5-10
ของแข็งจากน้ำเสียขั้นแรก 8-15 NA 24-29
ของเสียจากโรงเลี้ยงหมู (มูลหมู) 6.0 28 NA
มูลวัว ควาย ปศุสัตว์ 1.6-4.7 1.4-3.3 2.7-5.7
หญ้าพันธุ์ Coastal Bermuda 25 35.7 6.4
หญ้าพันธุ์ Switch 45 31.4 12.0
NA : ไม่มี
ที่มา : ดัดแปลงจาก Sun และ Cheng, 2002 : 2.
_10-038 (001-016)P3.indd 5 5/5/11 9:23:05 PM

6. การผลิตกรดอินทรีย์จากวัสดุเหลือใช้มวลชีวภาพ
องค์ประกอบที่สำคัญของมวลชีวภาพ
พืชที่มีเนื้อเยื่อระบบท่อลำเลียง ในผนังเซลล์ประกอบด้วยเซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และ
ลิกนินเป็นส่วนประกอบหลัก พอลิเมอร์ทั้ง 3 ชนิดในแต่ละชนิดจะยึดกันด้วยแรงของพันธะ
ไฮโดรเจนและแรงแวนเดอวาลล์ (Van der Waals) เป็นต้น ทำให้ผนังเซลล์พืชมีความแข็งแรง
รวมกันเป็นลิกโนเซลลูโลสซึ่งมีมากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแห้งของเซลล์พืช ปริมาณ
ของพอลิเมอร์แต่ละชนิดจะเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับชนิด อายุ และส่วนต่าง ๆ ของพืช โดยทั่วไป
ในพืชไม้เนื้ออ่อน (softwood) มีลิกนินเป็นส่วนประกอบมากกว่าไม้เนื้อแข็ง ดังแสดงในตาราง
ที่ 1.3 ในพืชตระกูลหญ้าพบเฮมิเซลลูโลสในปริมาณสูงที่สุด ในไม้ยืนต้นลิกโนเซลลูโลสประกอบ
ด้วยเซลลูโลสประมาณ 45 เปอร์เซ็นต์ เฮมิเซลลูโลสประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ และลิกนิน
ประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์ ตารางที่ 1.4 แสดงส่วนประกอบของลิกโนเซลลูโลสในไม้ชนิดต่าง ๆ
ตารางที่ 1.3 แสดงส่วนประกอบของลิกโนเซลลูโลสในพืชที่มีระบบท่อลำเลียง
แหล่งลิกโนเซลลูโลส ลิกนิน (%) เซลลูโลส (%) เฮมิเซลลูโลส (%)
หญ้า (Grasses) 10-30 25-40 25-50
ไม้เนื้ออ่อน (Softwoods) 25-35 45-50 25-35
ไม้เนื้อแข็ง (Hardwoods) 18-25 45-55 24-40
ที่มา : ดัดแปลงจาก Glazer และ Nikaido, 2007 : 434.
_10-038 (001-016)P3.indd 6 5/5/11 9:23:05 PM

7. s)
ีวภาพ (Biomass Residue
วัสดุเหลือใช้มวลช
ตารางที่ 1.4 แสดงส่วนประกอบของลิกโนเซลลูโลสในไม้ชนิดต่าง ๆa
กลูโคแมน เฮมิเซลลูโลส
b
เซล- แนน กลูคูโรโนไซแลนC
สปีชีส์ ชื่อสามัญ ลิกนิน ลูโลส (glucoman- (hemicellulose
nan) glucuronoxylan)
ไม้เนื้ออ่อน
Pseudotsuga Douglas fir 29.3 38.8 17.5 5.4
menziesii
Tsuga canadensis Eastern hemlock 30.5 37.7 18.5 6.5
Juniperus Commom juniper 32.1 33.0 16.4 10.7
communis
Pinus radiata Monterey pine 27.2 37.4 20.4 8.5
Picea abies Norway spruce 27.4 41.7 16.3 8.6
Larix sibirica Siberian larch 26.8 41.4 14.1 6.8
ไม้เนื้อแข็ง
Acer saccharum Sugar maple 25.2 40.7 3.7 23.6
Fagus sylvatica Common beech 24.8 39.4 1.3 27.8
Betula verrucosa Silver birch 22.0 41.0 2.3 27.5
Alnus incana Gray alder 24.8 38.3 2.8 25.8
Eucalyptus Blue gum 21.9 51.3 1.4 19.9
globules
Ochroma lagopus Balsa 21.5 47.7 3.0 21.7
a
ค่าทั้งหมดได้จากน้ำหนักแห้งของไม้ (%)
b
แทนที่ด้วยกาแล็กโทส และหมู่แอซีทิลในไม้เนื้ออ่อน
c
แทนที่ด้วยอะราบิโนส และหมู่แอซีทิลในไม้เนื้อแข็ง
ที่มา : ดัดแปลงจาก Glazer และ Nikaido, 2007 : 435.
เซลลูโลส
เซลลูโลส [C6(H2O)5]n คือ สารประกอบอินทรีย์ที่มีปริมาณมากที่สุดบนโลก ทุก ๆ ปีจะมี
การผลิตเซลลูโลสจากพืชมากกว่า 1011 เมตริกตัน พอลิเมอร์เซลลูโลสคือสายของกลูโคสที่จับ
_10-038 (001-016)P3.indd 7 5/5/11 9:23:06 PM

8. การผลิตกรดอินทรีย์จากวัสดุเหลือใช้มวลชีวภาพ
กันด้วยพันธะ β-(1,4)-glycosidic หรือ β-(1,4) glucopyranosyl ต่อกันเป็นสายยาวตรง
ดังรูปที่ 1.2 มีระดับการเกิดพอลิเมอร์ (degree of polymerization; DP) ประมาณ 500-
10,000 ขึ้นกับชนิดของพืช โดยมีหน่วยซ้ำ ๆ เรียกว่าเซลโลไบโอส (cellobiose) ซึ่งทำหน้าที่
เป็นหน่วยโครงสร้าง (building block) ของเซลลูโลส และทุก ๆ หน่วยที่สองของกลูโคสที่ต่อกัน
ในโมเลกุลของเซลลูโลสหมุนได้ 180 องศา ทำให้สายเซลลูโลสเกิดพันธะไฮโดรเจนระหว่างหมู่
ไฮดรอกซิลในโมเลกุลของกลูโคส และระหว่างสายของพอลิเมอร์ ดังรูปที่ 1.3
OH HOH2C OH HOH2C
HO O HO O
O O O HO O
O O HO O
HOH2C OH HOH2C OH
เซลโลไบโอส
รูปที่ 1.2 โครงสร้างของเซลลูโลส (ที่มา : ดัดแปลงจาก Pu และคณะ, 2008 : 59)
H H H
H
H O H O CH2
H O H O
O O
O H O O
O CH2 H H O H
H
H H H
กลูโคส
(D-glucose)
รูปที่ 1.3 แสดงหน่วยของเซลโลไบโอสซึ่งเป็นน้ำตาลโมเลกุลคู่ หน่วยซ้ำของสายเซลลูโลส เกิด
จากน้ำตาลกลูโคส (D-glucose) ต่อกันด้วยพันธะ β-(1,4)-glycosidic แสดงความ
เสถียรของการเกิดพันธะไฮโดรเจนภายในโมเลกุลในแต่ละสาย และพันธะไฮโดรเจน
ระหว่างโมเลกุลเพื่อทำปฏิกิริยากับสายที่อยู่ใกล้กันใน microfibril (ที่มา : ดัดแปลงจาก
Glazer และ Nikaido, 2007 : 434)
_10-038 (001-016)P3.indd 8 5/5/11 9:23:06 PM

9. s)
ีวภาพ (B iomass Residue
วัสดุเหลือใช้มวลช
โครงสร้ า งของสายพอลิ เ มอร์ เ ซลลู โ ลสมี ลั ก ษณะราบไม่ มี กิ่ ง ก้ า น รู ป ร่ า งคล้ า ยริ บ บิ้ น
(ribbon type) มีความแข็งแรงและเสถียรเกิดจากพันธะไฮโดรเจนทั้งภายใน และระหว่าง
โมเลกุลโดยหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) ที่อยู่บนสาย พันธะไฮโดรเจนระหว่างสายที่อยู่ใกล้กันทำให้
มีความแข็งแรง แต่ละสายมีการเรียงตัวคู่ขนานกันจำนวนมาก ซึ่งทุกสายจะมีคุณสมบัติของ
ขั้วเหมือนกัน แต่ละสายเรียกว่า microfibrils ซึ่งมีความกว้าง 250 อังสตรอม และ microfibirls
แต่ละสายจะเชื่อมกันเพื่อสร้างเป็น fibrils ขนาดใหญ่
Cellulose fibrils มีส่วนที่เป็นบริเวณเกิดผลึก (crystalline region) หรือบริเวณสร้าง
micelles เป็นบริเวณที่มีโครงสร้างของส่วนที่เป็นระเบียบ (region of high order) และส่วนที่
เป็น amorphous region เป็นบริเวณที่ไม่มีระเบียบ (region of less order) การรวมกันของ
โครงสร้างที่เป็นผลึกเส้นใยมี 2 แบบ คือ Iα และ Iβ Iα พบในผนังเซลล์ของสาหร่ายบางชนิด
และในแบคทีเรีย Iβ พบในฝ้าย ไม้ และป่าน โครงสร้างของผลึกแตกต่างกันตามแหล่งหรือ
วิถีทางวัสดุที่นำมาสร้าง เป็นส่วนที่ไม่ละลายน้ำและทนต่อการย่อยสลายมากกว่าพอลิเมอร์ของ
กลูโคสชนิดอื่น ๆ เช่น แป้ง เซลลูโลสที่ได้จากธรรมชาติส่วนใหญ่จะมีปริมาณ amorphous
cellulose ต่างกัน ซึ่ง amorphous cellulose มีความไวกับสารเคมีและเอนไซม์มากกว่า
ดังนั้น จึงเป็นส่วนที่ง่ายต่อการถูกย่อยด้วยปฏิกิริยาของกรด เบส หรือเอนไซม์
เฮมิเซลลูโลส
เฮมิเซลลูโลส [C5(H2O)4]n หรือ [C6(H2O)5]n ประกอบด้วยพอลิแซ็กคาไรด์ที่มีความ
ซั บ ซ้ อ น เป็ น โครงสร้ า งที่ เ หมื อ นกั บ เซลลู โ ลสเพราะว่ า มี ส ายโซ่ ห ลั ก ต่ อ กั น ด้ ว ยหน่ ว ยของ
1,4- β-D-pyranosyl แต่ มี ร ะดั บ การเกิ ด พอลิ เ มอร์ (degree of polymerization; DP)
ต่ำกว่าเซลลูโลส คือ ประมาณ 50-300 มีโครงสร้างที่เป็นสายกิ่งมาก ขณะที่เซลลูโลสเป็น
โฮโมพอลิเมอร์ (homopolymer) เส้นตรงซึ่งจะแตกต่างกันเล็กน้อยในแต่ละชนิด เฮมิเซลลูโลส
เป็นเฮเทอโรพอลิแซ็กคาไรด์ (heteropolysaccharide) ไม่เป็นผลึก (noncrystalline) โดย
ธรรมชาติจะมีโครงสร้างเป็นแบบ amorphous
น้ำตาลที่พบในเฮมิเซลลูโลสประกอบด้วยน้ำตาลเพนโทส ได้แก่ ไซโลส (D-xylose) และ
อะราบิโนส (L-arabinose) น้ำตาลเฮกโซส ได้แก่ กาแล็กโทส (D-galactose, L-galactose),
แมนโนส (D-mannose), แรมโนส (L-rhamnose) และฟิวโคส (L-fucose) และมีกรดยูโรนิก
_10-038 (001-016)P3.indd 9 5/5/11 9:23:06 PM

10. 10 การผลิตกรดอินทรีย์จากวัสดุเหลือใช้มวลชีวภาพ
(uronic acid) ได้แก่ กรดกลูคูโรนิก (D-glucuronic acid) น้ำตาลเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงโดย
ปฏิกิริยาแอซีทิเลชัน (acetylation) หรือเมทิลเลชัน (methylation) องค์ประกอบที่สำคัญ
ของเฮมิเซลลูโลสในไม้เนื้ออ่อนและไม้เนื้อแข็งแสดงดังตารางที่ 1.5 และโครงสร้างอย่างง่ายของ
เฮมิเซลลูโลส 3 ชนิดแสดงในรูปที่ 1.4 และรูปที่ 1.5
ตารางที่ 1.5 แสดงองค์ประกอบหลักของเฮมิเซลลูโลสในไม้เนื้ออ่อน และไม้เนื้อแข็ง
ส่วนประกอบ
จำนวน
ชนิด ระดับ
ชนิดไม้ (% อัตราส่วน
เฮมิเซลลูโลส หน่วย พันธะ การเกิด
ของไม้) (โมลาร์)
พอลิเมอร์
ไม้ กาแล็กโท- β-D-Manp
4 1--4
10-15
เนื้ออ่อน กลูโคแมนแนน β-D-Glcp
1 1--4
100
(galacto- β-D-Galp
0.1 1--6
glucomannan) Acetyl 1
อะราบิโน- β-D-Xylp
10 1--4
7-10
กลูคูโรโนไซแลน 4-O-Me-α-D- 2 1--2
100
(arabino- GlcpA
glucuronoxylan) β-L-Araf 1.3 1--3
ไม้ กลูคูโรโนไซแลน β-D-xylp
10
15-30
เนื้อแข็ง (glucuronoxylan) 4-O-Me-α-D- 1 1--4
200
GlcpA
7 1--2
Acetyl
กลูโคแมนแนน β-D-Manp
1-2 1--4
2-5 200
(glucomannan) β-D-Glcp 1 1--4
ที่มา : ดัดแปลงจาก Pu และคณะ, 2008 : 60.
_10-038 (001-016)P3.indd 10 5/5/11 9:23:07 PM

11. es)
ีวภาพ ( Biomass Residu 11
วัสดุเหลือใช้มวลช
รูปที่ 1.4 แสดงเฮเทอโรพอลิแซ็กคาไรด์ของเฮมิเซลลูโลส กาแล็กโทกลูโคแมนแนน และกลูคูโรโนอะราบิโน-
ไซแลนเป็นเฮมิเซลลูโลสในไม้เนื้ออ่อน กลูคูโรโนไซแลนเป็นเฮมิเซลลูโลสที่สำคัญในไม้เนื้อแข็ง
Ac: acetyl, GlcpA: D-glucuronopyranose, Araf: L-arabinofuranose, Manp:
D-mannopyranose, Glcp: D-glucopyranose, Me: O-methyl และ Xylp: D-xylopyranose
(ที่มา : ดัดแปลงจาก Glazer และ Nikaido, 2007 : 435)
รูปที่ 1.5 (a) โครงสร้างของกาแล็กโทกลูโคแมนแนนในไม้เนื้ออ่อน
(b) โครงสร้างของอะราบิโนกลูคูโรโนไซแลนในไม้เนื้ออ่อน
(c) โครงสร้างของกลูคูโรโนไซแลนในไม้เนื้อแข็ง
(ที่มา : ดัดแปลงจาก Pu และคณะ, 2008 : 60)
_10-038 (001-016)P4.indd 11 5/15/11 8:13:00 PM

12. 1 การผลิตกรดอินทรีย์จากวัสดุเหลือใช้มวลชีวภาพ
ชื่ อ เฮมิ เ ซลลู โ ลส ตั้ ง โดย E. Schultze ใน ค.ศ. 1891 ได้ อ ธิ บ ายส่ ว นประกอบของ
พอลิแซ็กคาไรด์ของผนังเซลล์พืชที่สกัดด้วยด่างเจือจาง พอลิแซ็กคาไรด์ทั้ง 2 ชนิด คือ β-(1,4)
-xylan เป็นแกนหลัก และกาแล็กโทกลูโคแมนแนน ซึ่ง 2 ส่วนนี้มีความสามารถในการละลายใน
ด่างเจือจาง (KOH) แต่กลูโคแมนแนนซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของเฮมิเซลลูโลสในไม้เนื้ออ่อน
(ดังแสดงในตารางที่ 1.4) ไม่ละลายในสภาวะนี้ และยังคงจับอยู่กับเส้นใยเซลลูโลส ดังแสดงในรูป
ที่ 1.6 ดังนั้น อาจสรุปได้ว่า เฮมิเซลลูโลสคือพอลิแซ็กคาไรด์ที่เชื่อมกันด้วยแรงนอนโคเวเลนซ์
(แรงของพันธะไฮโดรเจน และแรงแวนเดอวาลล์ เป็นต้น) กับเซลลูโลส
ไม
การสลายลิกนินโดยปฏิกิริยาออกซิเดชันดวยโซเดียมคลอไรต
(sodium chlorite) และสกัดดวย alcoholic ethanolamine
โฮโลเซลลูโลส (holocellulose)
เป็นสวนที่ไมละลายน้ำ ประกอบดวยเซลลูโลส และเฮมิเซลลูโลส
โพแทสเซียมไฮดรอกไซด (KOH)
ละลาย ไมละลาย
อะราบิโนกลูคูโรโนไซแลน เซลลูโลส, กลูโคแมนแนน
(arabinoglucuronoxylan) (cellulose, glucomannan)
กาแล็กโทกลูโคแมนแนน
(galactoglucomannan) โซเดียมไฮดรอกไซด (NaOH)
โซเดียมบอเรต (Na-borate)
ไมละลาย ละลาย
เซลลูโลส กลูโคแมนแนน
รูปที่ 1.6 แผนภาพแสดงการแยกส่วนประกอบพอลิแซ็กคาไรด์ของไม้เนื้ออ่อนโดยวิธีสกัดด้วยด่างเจือจาง
(dilute alkali extraction method) ของ Schultze เฮมิเซลลูโลส กลูโคแมนแนนหลังจากสกัด
ด้วยด่างเจือจาง (KOH) จะอยู่ในส่วนที่ไม่ละลาย โดยจับอยู่กับเส้นใยเซลลูโลส สามารถแยกกลูโค-
แมนแนนออกจากเซลลูโลสได้โดยการสกัดด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์หรือโซเดียมบอเรต
(ที่มา : ดัดแปลงจาก Glazer และ Nikaido, 2007 : 436)
_10-038 (001-016)P3.indd 12 5/5/11 9:23:08 PM

13. es)
ีวภาพ (Biomass Residu 13
วัสดุเหลือใช้มวลช
เฮมิเซลลูโลสของไม้เนื้ออ่อน มีส่วนประกอบหลักที่สำคัญอยู่ 3 ชนิด คือ กลูโคแมนแนน
กาแล็กโทกลูโคแมนแนน และอะราบิโนกลูคูโรโนไซแลน พอลิเมอร์ที่มีแมนโนสเป็นส่วนประกอบ
2 ชนิด (กลูโคแมนแนน และกาแล็กโทกลูโคแมนแนน) แตกต่างกันมากที่ส่วนประกอบของ
กาแล็กโทส ซึ่งส่วนประกอบของน้ำตาลในพอลิเมอร์ทั้ง 2 ชนิด มีสัดส่วนโดยประมาณ ดังนี ้
กาแล็กโทส : กลูโคส : แมนโนส คือ 0.1 : 1 : 4 และ 1 : 1 : 3 ตามลำดับ สายโซ่หลักประกอบด้วย
หน่วยของ 1,4-β-D-glucopyranose และหน่วยของ β-D-mannopyranose ส่วนหน่วย
ของ α-D-galactopyranose เชือมต่อกับสายโซ่หลักด้วยพันธะ 1, 6 น้ำตาลสายโซ่หลักถูกเติม
่
หมูแอซีทลที C-2 หรือ C-3 โดยหมูแอซีทล 1 หมู จะเข้าจับทุก ๆ 3-4 หน่วย (รูปที 1.4)
่ ิ ่ ่ ิ ่ ่
อะราบิโนกลูคูโรโนไซแลนมีสายโซ่หลักของหน่วย 1,4-β-D-xylopyranose บางส่วน
ที่ตำแหน่ง C-2 จะจับกับ 4-O-methyl-α-D-glucuronic acid และที่ C-3 จับกับหน่วยของ
α-L-arabinofuranose ดังแสดงในรูปที่ 1.4
เฮมิเซลลูโลสของไม้เนื้อแข็ง มีส่วนประกอบหลัก คือ กลูคูโรโนไซแลน มีสายโซ่หลัก
ต่อกันด้วยหน่วยของ 1,4-β-D-xylopyranose ซึ่งส่วนมากจะถูกเติมหมู่แอซีทิลที่ C-2 หรือ
C-3 โดย 4-O-methyl-α-D-glucuronic acid จับกับสายโซ่หลักที่ C-2 และพบที่น้ำตาล
ไซโลสทุก ๆ 10 หน่วย ดังรูปที่ 1.4
ลิกนิน
ลิกนิน (C10H12O4)n พบในผนังเซลล์พืชชั้นสูง (ทั้งพืชใบเลี้ยงเดี่ยวและพืชใบเลี้ยงคู่) เฟิร์น
และ club moss มี ป ริ ม าณมากในส่ ว นของเนื้ อ เยื่ อ บริ เ วณท่ อ ลำเลี ย งโดยเฉพาะส่ ว นที่ ม
ี
การลำเลียงของเหลว ลิกนินไม่พบในมอส ไลเคนส์ และสาหร่าย ซึ่งไม่มีเทรคีด (tracheids)
ลิกนินทำให้เนื้อเยื่อไม้มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นโดยกระบวนการลิกนิฟิเคชัน (lignifications) พบ
ในต้นไม้ใหญ่ที่สูงหลายร้อยฟุต
ลิกนิฟิเคชัน คือ กระบวนการเจริญเพิ่มจำนวนลิกนินเพื่อเติมเต็มช่องว่างระหว่างเส้นใย
เซลลูโลส และสายเฮมิเซลลูโลสของผนังเซลล์พืช
ลิกนินเป็น aromatic polymer ที่มีมากที่สุดบนพื้นโลก มีโมเลกุลที่ซับซ้อนมาก รูปร่าง
เป็น amorphous สร้างจากหน่วยของฟีนิลโพรเพน [phenylpropane (C9)] หรือ ฟีนิลโพร-
พิโอนิกแอลกอฮอล์ (phenylpropionic alcohol) เชื่อมต่อกันเป็นโครงสร้าง 3 มิติ ลิกนิน
_10-038 (001-016)P4.indd 13 5/15/11 8:15:27 PM

14. 14 การผลิตกรดอินทรีย์จากวัสดุเหลือใช้มวลชีวภาพ
เป็นตัวเชื่อมเพื่อยึดให้เส้นใยเซลลูโลสมารวมกัน ทำให้แยกลิกนินได้ยากมาก ลิกนินเป็นส่วน
ที่ทำให้เซลล์แข็ง เป็นเกราะป้องกันการทำลายจากจุลินทรีย์ เพราะว่าโมเลกุลของลิกนินมี
พันธะทางเคมีชนิดต่าง ๆ มากมาย และโดยเฉพาะวิธีสกัดจะบอกถึงชนิดของลิกนิน
สารตั้งต้นโดยตรงของลิกนินคือแอลกอฮอล์ 3 ชนิด เรียกว่า mono-lignol ได้จาก
กรด p-hydroxycinnamic ประกอบด้ ว ย coniferyl alcohol (guaiacyl propanol),
p-coumaryl alcohol (p-hydroxyphenyl propanol) และ sinapyl alcohol (syringyl
alcohol) ดังรูปที่ 1.7 โดยทั่วไปในพืชสมุนไพรหรือพืชลำต้นไม้อ่อน เช่น หญ้า มีลิกนินเป็นส่วน
ประกอบน้อยที่สุด ขณะที่ไม้เนื้ออ่อนมีลิกนินเป็นส่วนประกอบมากที่สุด ดังตารางที่ 1.3
ในไม้ เ นื้ อ อ่ อ น (พื ช ใบเลี้ ย งเดี่ ย ว) ลิ ก นิ น ประกอบด้ ว ยหน่ ว ยโครงสร้ า งหลั ก ที่ ม าจาก
coniferyl alcohol บางชนิดมาจาก p-coumaryl alcohol แต่ไม่มีมาจาก sinapyl alcohol
ในไม้เนื้อแข็ง (พืชใบเลี้ยงคู่) ลิกนินประกอบด้วยหน่วยของ coniferyl และ sinapyl
alcohol แต่ ล ะส่ ว นเท่ า ๆ กั น ประมาณ 46 เปอร์ เ ซ็ น ต์ และมี ส่ ว นย่ อ ย คื อ p-hydro-
xyphenyl propanol ซึ่งได้จาก p-coumaryl alcohol มีประมาณ 8 เปอร์เซ็นต์
ลิกนินในพืชตระกูลหญ้าประกอบด้วยหน่วยของ coniferyl alcohol, sinapyl alcohol
และ p-hydroxyphenyl propanol กับ p-coumaric acid (ประมาณ 5-10 เปอร์เซ็นต์
ของลิกนิน) ส่วนใหญ่จะถูกเอสเทอริไฟด์ (esterified) ด้วยหมู่ไฮดรอกซิลที่ส่วนปลายของ
p-coumaryl alcohol ที่สายด้านข้าง
_10-038 (001-016)P4.indd 14 5/15/11 8:15:27 PM

15. s)
ีวภาพ (Biomass Residue 1
วัสดุเหลือใช้มวลช
CH2OH CH2OH CH2OH
CH CH CH
CH CH CH
OCH3 CH3O OCH3
OH OH OH
p-Coumaryl Coniferyl Sinapyl
alcohol alcohol alcohol
พบในไมเนื้อออน
พบในไมเนื้อแข็งและหญา
mono-lignol
รูปที่ 1.7
แสดงสารตั้งต้นโดยตรงของการสังเคราะห์ลิกนิน ประกอบด้วย p-hydroxycin-
namyl alcohol 3 ชนิด (ทีมา : ดัดแปลงจาก Glazer และ Nikaido, 2007 : 436)
่
เอกสารอ้างอิง
1. Glazer, A.N. and Nikaido, H. 2007. Microbial Biotechnology: Fundamentals of
Applied Microbiology. 2nd ed. Cambridge University Press.
2. Jacques, K., Lyons, T.P. and Kelsall, D.R. 1999. The Alcohol Textbook. 3rd ed.
Nottingham University Press.
3. Kumar, P., Barrett, D.M., Delwiche, M.J. and Stroeve, P. 2009. Methods for
pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel
production. Industrial and Engineering Chemistry Research 48: 3713-
3729.
4. Pu, Y., Zhang, D., Singh, P.M. and Ragauskas, J. 2008. The new forestry biofuels
sector. Biofuels Bioproducts and Biorefining 2: 58-73.
_10-038 (001-016)P3.indd 15 5/5/11 9:23:09 PM

16. 1 การผลิตกรดอินทรีย์จากวัสดุเหลือใช้มวลชีวภาพ
5. Rastogi, S.C. 2007. Biotechnology: Principles and Applications. Oxford, UK:
Alpha Science International Ltd.
6. Sanchez, C. 2009. Lignocellulosic residues: Biodegradation and bioconversion
by fungi. Biotechnology Advances 27: 185-194.
7. Sun, Y. and Cheng, J. 2002. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol
production: a review. Bioresource Technology 83: 1-11.
_10-038 (001-016)P3.indd 16 5/5/11 9:23:09 PM