เรื่องของนักวิจัย นักวิทยาศาตร์

ลำดับตอนที่ #7 : พลาสติกจากข้าวโพด1 : ดร.ปกรณ์ โอภาประกาสิต

พลาสติกจากข้าวโพด



**ผู้เขียน : ดร.ปกรณ์ โอภาประกาสิต **





********************************************************************





ประวัติโดยย่อ



ดร.ปกรณ์ โอภาประกาสิต เริ่มชีวิตนักวิทยาศาสตร์ โดยรับทุน พสวท เรียน ม.ปลาย

ที่โรงเรียนยุพราชวิทยาลัย หลังจากสำเร็จปริญญาตรีด้วยเกียรตินิยมอันดับหนึ่งจาก

คณะวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ก็ไปเรียนต่อปริญญาโทโพลิเมอร์

จากมหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนีย สเตท (The Pennsylvania State University, Pennsylvania, USA)

และ สำเร็จปริญญาเอก สาขา Materials Science and Engineering จากมหาวิทยาลัยเดียวกัน

ปัจจุบัน รับตำแหน่ง เป็นอาจารย์ ประจำสถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์





*********************************************************************





เนื้อหาย่อ : พลาสติกเป็นพอลิเมอร์ที่ปกติจะไม่สามารถย่อยสลายได้

มีประโยชน์แต่ก็เป็นขยะ การจะทำให้พลาสติกย่อยสลายได้โดยกระบวนชีวภาพ

ไม่ใช่เรื่องง่าย บทความนี้อธิบายเรื่องพอลิแล็คไทด์ผลิตได้จากวัตถุดิบทางการเกษตร

โดยใช้การหมักด้วยจุลินทรีย์ ดังนั้นจึงถูกย่อยสลายได้...





บทความนี้อ้างอิงมาจาก http://www.vcharkarn.com



************************************************************************



พลาสติกจากข้าวโพด



  

เมื่อกล่าวถึงพลาสติก น่าจะเป็นที่แน่ชัดว่าทุกคนคงรู้จัก และเคยสัมผัสกับวัสดุชนิดนี้

เนื่องจากพลาสติกเป็นวัสดุที่ถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างแพร่หลายในเกือบจะทุกกิจกรรมในชีวิตประจำวัน

พลาสติกเป็นสารพอลิเมอร์ (polymer) ซึ่งสังเคราะห์ได้จากการที่นำเอาหน่วยเล็กๆ

ของสารประกอบที่มีโครงสร้างเหมือนกัน ที่เรียกว่ามอนอเมอร์ (monomer) มาเรียงต่อเป็นสายโซ่ยาว

ซึ่งหากเปลี่ยนชนิดของมอนอเมอร์ที่ใช้ ก็จะได้สารพอลิเมอร์ที่มีชื่อ และคุณสมบัติแตกต่างกันไป

เช่น หากใช้สไตรีน (styrene) เป็นมอนอเมอร์

ก็สามารถสังเคราะห์เป็นพอลิสไตรีน (polystyrene) ที่ใช้ผลิตโฟม หรือแก้วกาแฟ เป็นต้น







พลาสติก





นอกจากนี้ยังมีสารมอนอเมอร์ชนิดอื่นอีกมากมายที่นิยมนำมาผลิตเป็นพลาสติก

ตัวอย่างเช่น ethylene และ propylene (ถุงพลาสติก), vinyl chloride (ท่อประปา), ethylene terephthalate

(ขวด PET) ซึ่งสารมอนอเมอร์เหล่านี้เป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปิโตรเลียมหรือน้ำมันดิบ

ทั้งจากการกลั่นแยกปิโตรเลียมโดยตรง หรือนำมาผ่านกระบวนการทางเคมีอื่นก็ได้

เนื่องจากพลาสติกมีคุณสมบัติที่หลากหลาย และสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างกว้างขวาง

จึงทำให้อัตราการผลิตและบริโภควัสดุชนิดนี้มีสูงมาก





แต่อย่างไรก็ตามพลาสติกที่ผลิตได้เหล่านี้ก็กำลังก่อให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมขึ้น

เนื่องจากอัตราการกำจัดพลาสติกที่ใช้แล้วไม่สมดุลกับอัตราการผลิตนั่นเอง

สืบเนื่องจากกระบวนการกำจัดวัสดุเหล่านี้หลังการใช้งานนั้นทำได้ยาก

เพราะพลาสติกสามารถย่อยสลายได้ยากมาก หรือบางชนิดก็ไม่สามารถสลายตัวได้เลย

แม้ในปัจจุบันจะมีการรณรงค์ให้นำพลาสติกบางชนิดกลับมาใช้ใหม่ โดยกระบวนการ recycle

แต่นั่นก็ยังไม่เพียงพอกับอัตราการผลิตและการบริโภค

นอกจากนี้วิธีการอื่นๆที่สามารถนำมาใช้เพื่อจัดการกับวัสดุเหล่านี้ เช่น การฝังกลบ การเผา

ก็ก่อให้เกิดปัญหาอื่นตามมาอีก เช่น การรั่วไหลของสารพิษลงสู่แหล่งน้ำ

หรือการเกิดก๊าซจากการเผาไหม้ที่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ และสิ่งแวดล้อมอีกด้วย





คุณค่าทางทางเศรษฐกิจก็เป็นปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องพิจารณา นอกจากปัญหาด้านอัตราการบริโภค

และการกำจัดขยะพลาสติกดังที่กล่าวมาแล้ว ราคาของปิโตรเลียมเพิ่มสูงขึ้นอย่างมากในปัจจุบัน

และมีแนวโน้มว่าจะสูงขึ้นต่อไปอีกในอนาคต อันเนื่องมาจากหลักการตลาดของอุปสงค์และอุปทาน

เพราะปริมาณปิโตรเลียมสำรองในธรรมชาติลดลง

แต่กระบวนการเกิดขึ้นใหม่ตามธรรมชาติต้องใช้เวลานับร้อยๆปีในการทับถมของซากสิ่งมีชีวิต

ซึ่งไม่สมดุลกับอัตราการบริโภคที่เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดด

ดังนั้น จึงมีการคาดหมายว่าปิโตรเลียมและผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องจะหมดไปจาก

โลกภายในแวลาอีกไม่เกิน 100 ปีข้างหน้า สาเหตุเหล่านี้

จึงเป็นปัจจัยที่ผลักดันให้เกิดการศึกษาค้นคว้าเพื่อผลิตวัสดุที่มีสมบัติทางกายภาพเทียบเคียงกับพลาสติก

แต่สามารถผลิตได้จากวัตถุดิบที่ไม่ได้มาจากปิโตรเลียม และมีสมบัติที่สำคัญคือ

สามารถย่อยสลายเองได้ตามธรรมชาติ ซึ่งในปัจจุบันมีการ ผลิตพอลิเมอร์ตามวัตถุประสงค์นี้ได้หลายชนิด







ในโอกาสนี้จะนำเสนอรายละเอียดเกี่ยวกับพอลิแล็คติก แอสิด (polylactic acid)

หรือพอลิแล็คไทด์ (polylactide) ก่อน เนื่องจากเป็นวัสดุที่ได้รับความสนใจผลิตเป็นผลิตภัณฑ์

ทางการค้าอย่างแพร่หลายในขณะนี้ โดยพอลิเมอร์ชนิดนี้สังเคราะห์ได้จากวัตถุดิบ

ทางการเกษตรจำพวกแป้งและน้ำตาล เช่น ข้าวโพด มันสำปะหลัง หรืออ้อย เป็นต้น

ซึ่งในปัจจุบันนิยมใช้ข้าวโพดเป็นหลัก กระบวนการสังเคราะห์พอลิแล็คติก

แอสิดถูกคิดค้นขึ้นครั้งแรกโดยนักวิจัยจากบริษัท Dupont ในสหรัฐอเมริกา

ที่ชื่อ W.H. Carothers เมื่อปี ค.ศ. 1932 หลังจากนั้นก็มีการศึกษาและพัฒนากระบวนการผลิตอย่างต่อเนื่อง

จนถึงปัจจุบันมีบริษัทที่ผลิตพอลิเมอร์ชนิดนี้ทางการค้าหลายบริษัท

ที่สำคัญ คือ บริษัท Cargill Dow ประเทศสหรัฐอเมริกา และบริษัท Mitsui Chemical ประเทศญี่ปุ่น เป็นต้น  





กระบวนการผลิตพอลิแล็คติก แอสิด เริ่มต้นจากขั้นตอนการเตรียมวัตถุดิบ

โดยการปลูกข้าวโพดซึ่งใช้ก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์ (CO2) และน้ำเป็นวัตถุดิบ

ผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช ได้ผลผลิตเป็นแป้ง

จากนั้นจึงนำเอาแป้งข้าวโพดมาผ่านกระบวนการหมักบ่มโดยใช้จุลินทรีย์เฉพาะ

เพื่อย่อยโมเลกุลขนาดใหญ่ของแป้งและน้ำตาลเป็นกรดแล็คติก (Lactic acid, C3H6O3)

ซี่งใช้เป็นมอนอเมอร์ในขั้นตอนการสังเคราะห์พอลิเมอร์ โดยสามารถจำแนกได้เป็น 2 กระบวนการ

ที่แตกต่างกัน คือ จากกระบวนการควบแน่น (polycondensation)

หรือกระบวนการเปิดวง (ring-opening polymerization)

ถึงแม้ว่าพอลิเมอร์ที่ผลิตได้จากทั้งสองกระบวนการนี้จะมีโครงสร้างและสมบัติต่างๆ

เหมือนกันทุกประการ แต่รายละเอียดของขั้นตอนกระบวนการสังเคราะห์ที่ต่างกัน

เป็นที่มาของการเรียกชื่อพอลิเมอร์ที่ได้แตกต่างกัน กล่าวคือ

ผลิตภัณฑ์พอลิเมอร์ที่ได้จากกระบวนการแรกมักจะเรียกว่า พอลิแล็คติก แอสิด

ทั้งนี้เนื่องจากกระบวนการนี้เริ่มต้นจากการใช้กรดแล็คติกโดยตรงจนได้พอลิเมอร์ในขั้นตอนสุดท้าย







ในกระบวนการที่สองจะมีการเปลี่ยนกรดแล็คติก โดยปฏิกิริยาการรวมตัวของกรดแล็คติก 2 โมเลกุล

แล้วเกิดเป็นสารประกอบแบบวงที่มีชื่อว่าแล็คไทด์ (Lactide) ก่อน

จากนั้นจึงนำเอาวงแหวนแลคไทด์นี้ มาสังเคราะห์เป็นสายโซ่ยาวพอลิเมอร์ในขั้นตอนต่อมา

ด้วยเหตุนี้จึงเรียกชื่อผลิตภัณฑ์พอลิเมอร์จากกระบวนการนี้ว่า พอลิแล็คไทด์

อย่างไรก็ตามพอลิเมอร์ที่ได้จากทั้งสองกระบวนการก็คือสารชนิดเดียวกันนั่นเอง

ซึ่งเมื่อสังเคราะห์ได้แล้วก็สามารถนำมาขึ้นรูปเพื่อใช้ประโยชน์ต่อไป

ในการนี้เพื่อความสะดวกจะใช้พอลิแล็คไทด์ เป็นชื่อเรียกของพอลิเมอร์จากทั้งสองกระบวนการ





ดังที่กล่าวมาแล้ว ข้อได้เปรียบของพอลิแล็คไทด์ เมื่อเปรียบเทียบกับพลาสติกทั่วๆไป คือ

ไม่ต้องใช้ปิโตรเลียมเป็นวัตถุดิบ แต่สามารถผลิตได้จากผลิตผลทางการเกษตร

ซึ่งใช้เวลาในการผลิตที่ไม่ยาวนาน ดังนั้นจึงสามารถขจัดปัญหาการขาดแคลนวัตถุดิบออกไปได้

นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมราคาและต้นทุนการผลิตได้ง่ายกว่าอีกด้วย

ถึงแม้ว่าในขณะนี้เทคโนโลยีในการผลิตยังคงถูกจำกัดอยู่ในวงแคบ

ทำให้ต้นทุนการผลิตยังคงสูงกว่าพลาสติกทั่วๆไปอยู่เล็กน้อย แต่คาดว่าแนวโน้มราคาจะลดลงเมื่อมีผู้ผลิตเข้าสู่ตลาดมากขึ้น









เมื่อพิจารณาถึงสมบัติด้านความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

การลดอัตราการปลดปล่อยของเสียสู่สิ่งแวดล้อมนับว่าเป็นจุดเด่นที่ทำให้พอลิแล็คไทด์

ได้รับความสนใจอย่างยิ่ง นอกจากจะสามารถลดอัตราการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์

ในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์และขึ้นรูปเพื่อนำมาใช้ประโยชน์แล้ว

เมื่อพิจารณาตั้งแต่ขั้นตอนเริ่มต้นในกระบวนการผลิตพอลิแล็คไทด์ จะเห็นว่าในขั้นการผลิตวัตถุดิบ

คือ แป้งข้าวโพดนั้น ต้นข้าวโพดจะดูดซับก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์จากบรรยากาศมาใช้ในการสังเคราะห์แสง

เป็นปริมาณมาก ดังนั้น ผลที่ได้จากทั้งสองปัจจัยนี้จึงสามารถกล่าวได้ว่ากระบวนการผลิตพอลิแล็คไทด์

ช่วยลดปริมาณของก๊าซดังกล่าวในชั้นบรรยากาศได้ ซึ่งเป็นที่ทราบดีแล้วว่าก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์นี้

เป็นหนึ่งในเป็นต้นเหตุสำคัญ ที่ทำให้เกิดสภาวะเรือนกระจก (Greenhouse effect)

หรือสภาวะที่ทำให้อุณหภูมิของชั้นบรรยากาศโลกสูงขึ้น





จุดเด่นในด้านความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกประการหนึ่งของพอลิแล็คไทด์

คือสมบัติการย่อยสลายได้เองทางชีวภาพ เนื่องจากพอลิแล็คไทด์ผลิตได้จากวัตถุดิบทางการเกษตร

ตามที่กล่าวมาข้างต้นโดยใช้การหมักด้วยจุลินทรีย์ ดังนั้นพอลิเมอร์ชนิดนี้

จึงถูกย่อยสลายได้โดยจุลินทรีย์ หรือใช้เอนไซม์เฉพาะบางชนิด





ผลจากการย่อยสลายทำให้เกิดการแตกตัวของสายโซ่ยาว ได้เป็นกรดแล็คติกกลับมาดังเดิม

ซึ่งกระบวนการย่อยสลายนี้เกิดขึ้นได้ทั้งในร่างกายของสิ่งมีชีวิต หรือในสภาวะนอกร่างกาย

เช่นในดินก็ได้ โดยเวลาที่ใช้ในการย่อยสลายจะแตกต่างกันไป ซึ่งจากสมบัติการย่อยสลายทางชีวภาพนี้เอง

จึงมีการนำเอาพอลิแล็คไทด์ และอนุพันธ์มาใช้ประโยชน์อย่างแพร่หลาย ยกตัวอย่างเช่น

ทางด้านการแพทย์ สามารถนำมาใช้เป็นวัสดุนำพาและปลดปล่อยยาไปยังอวัยวะเป้าหมาย

ซึ่งจะสามารถควบคุมอัตราและระยะเวลาในการปลดปล่อยยาได้อย่างมีประสิทธิภาพ

หรือใช้เป็นวัสดุปิดแผล และไหมเย็บแผลที่สลายตัวได้เองโดยไม่เป็นพิษต่อร่างกาย เป็นต้น





ส่วนทางด้านการผลิตเป็นวัสดุพลาสติกนั้น ก็นิยมนำมาใช้ผลิตเป็นอุปกรณ์ใช้แล้วทิ้ง เช่น ภาชนะบรรจุอาหาร

หรืออุปกรณ์ทางการเกษตร เช่น ภาชนะปลูกพืชที่ย่อยสลายได้

หรือใช้เป็นวัสดุห่อหุ้มและปลดปล่อยปุ๋ยตามช่วงเวลาที่กำหนด เป็นต้น นอกจากนี้

ในปัจจุบันมีการค้นคว้าและวิจัยอย่างกว้างขวางเพื่อพัฒนาและปรับปรุงคุณภาพของพอลิเมอร์ชนิดนี้

และนำมาเป็นส่วนประกอบในการผลิตอุปกรณ์อื่นๆ ดังจะเห็นได้จากตัวอย่างการผลิตเป็นแผ่นซีดี เป็นต้น

เราจะมาติดตามรายละเอียดเรื่องการใช้ประโยชน์ และกระบวนการสลายตัวทางชีวภาพของพอลิแล็คไทด์ในตอนต่อไป