โรงกลั่นชีวภาพสำาหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ...

logylogyTechno

February-March 2014, Vol.40 No.233 49 <<<

Hot New

s

กระบวนการแปรรปชวมวล (biomass) ใหกลายเปนเชอเพลง และสารเคมทมมลคาสงขนนน เปนกระบวนการทไดรบความสนใจเพมมากขน และเปนเทคโนโลยหนงทจะมบทบาทส�าคญในอนาคต โดยเฉพาะอยางยงในกลมประเทศเกษตรกรรม เนองจากสามารถน�าของเหลอทงจากการเกษตรมาใชประโยชนได เพอใหเหนภาพของการใชประโยชนจากชวมวลไดชดเจนขน บทความนจงไดน�าเสนอ รายละเอยดเกยวกบการใชประโยชนจากชวมวลส�าหรบการผลต เชอเพลง โดยเรมจากการอธบายความหมายของชวมวล การจ�าแนกประเภทของเชอเพลงชวภาพ โรงกลนชวภาพ (biorefinery) กระบวนการแปรรปชวมวลเปนเชอเพลงตาง ๆ รวมไปถงขอจ�ากดของการพฒนาเชอเพลงจากชวมวล

>> ชวมวลคออะไร

ชวมวล เปนผลตภณฑทไดจากพชหรอสตว เชน แกลบ ฟางขาว ชานออย ขเลอย เศษไม เปลอกไม มลสตว รวมทงของเหลอทง

และขยะจากครวเรอน เปนตน เมอน�าไปเผาไหมแลว ไมท�าใหปรมาณกาซคารบอนไดออกไซดในบรรยากาศเพมขน เนองจากกาซคารบอน-ไดออกไซดทปลดปลอยออกมาจะถกน�าไปใชในขนตอนการเจรญ-เตบโตของพช นอกจากนกาซพษอน ๆ ทอาจเกดขนกมปรมาณนอยกวาเมอเทยบกบการเผาไหมเชอเพลงชนดอน ดงนนการน�าชวมวลมาใช นอกจากจะชวยลดปญหาการขาดแคลนพลงงานแลว ยงชวยลดผลกระทบตอสงแวดลอมไดอกทางหนง ปจจบนการน�าสวนประกอบของพช เชน ล�าตน กง ราก มาใชเปนเชอเพลงโดยตรงกพบไดอยางแพรหลาย องคประกอบพนฐานของชวมวลทไดจากสวนประกอบของพชจะมสามสวนหลก ๆ คอ เซลลโลส เฮมเซลลโลส และลกนน มสตรโครงสรางเปน CH1.67O0.83, CH1.64O0.78 และ C10H11O3.5 ตามล�าดบ ชวมวลตางชนดกนจะมองคประกอบทแตกตางกนดวย เมอเปรยบเทยบระหวางไมเนอแขงกบไมเนอออน พบวา ไมเนอแขงจะมปรมาณเซลลโลสและเฮมเซลลโลสสงกวา ขณะทไมเนอออนจะพบปรมาณ ลกนนสงกวา จากผลการวเคราะหองคประกอบโดยทวไปพบวา ใน ไมเนอแขงและไมเนอออนจะมเซลลโลส เฮมเซลลโลส และลกนน อยรอยละ 43, 22, 35 และ 43, 29, 28 ตามล�าดบ เมอเปรยบเทยบ

การเตบโตทางดานเศรษฐกจและการเพมขนของประชากรโลก

ในปจจบน เปนผลท�าใหความตองการใชพลงงานทไดจากการ

เผาไหมเชอเพลงฟอสซล ประเภท น�ามน ถานหน และกาซธรรมชาต เพม

ขนอยางตอเนองทงในภาคครวเรอน ภาคขนสง และภาคอตสาหกรรม

ปจจยเหลานท�าใหเกดภาวะขาดแคลนเชอเพลง สงผลใหราคาเชอเพลง

ฟอสซลเพมสงขน นอกจากนการเผาไหมเชอเพลงดงกลาวยงปลอยกาซ

เรอนกระจกทเปนสาเหตของภาวะโลกรอนอกดวย จากเหตผลดงกลาว

ท�าใหมความพยายามพฒนาและสงเสรมการใชพลงงานทางเลอกอน ๆ

ทดแทน เชน พลงงานแสงอาทตย พลงงานลม พลงงานน�า และพลงงาน

จากชวมวล เปนตน [1]

ดร.อมรชย อาภรณวชานพ และคณะ*

(Biorefineries for biofuel production)โรงกลนชวภาพสำาหรบการผลตเชอเพลงชวภาพ

(Biorefineries for biofuel production)โรงกลนชวภาพสำาหรบการผลตเชอเพลงชวภาพ

logylogyTechno Energy & Environment

>>> 50 February-March 2014, Vol.40 No.233

ระหวางวตถดบจากชวมวลและจากปโตรเลยม พบวา มองคประกอบทางเคมแตกตางกน โดยในชวมวลจะมปรมาณออกซเจนมาก ขณะทมปรมาณคารบอนและไฮโดรเจนนอยกวาสารปโตรเลยม ดงนนการจะใชเชอเพลงชวมวลเพอทดแทนเชอเพลงฟอสซลไดอยางมประสทธภาพนน จ�าเปนตองมชวมวลในปรมาณทมากพอ และตองออกแบบกระบวนการแปรรปเชอเพลงชวมวลใหมประสทธภาพสงทสด โดยใหมการเชอมโยงกนระหวางระบบยอยหลาย ๆ หนวยปฏบตการในกระบวนการผลตเขาดวยกน เพอใหมประสทธภาพเชงพลงงานสงทสด และไดผลตภณฑทหลากหลาย เชน เชอเพลงกาซทใชส�าหรบภาคอตสาหกรรม เชอเพลงเหลวส�าหรบภาคขนสง และสารตงตนส�าหรบเปนวตถดบในการผลตเปนเคมภณฑชนดตาง ๆ เปนตน

>> เชอเพลงชวภาพ (biofuel)

เชอเพลงชวภาพเปนเชอเพลงทผลตจากชวมวล มทงสถานะของแขง ของเหลว และกาซ ปจจบนมการใชเชอเพลงไบโอเอทานอลและไบโอดเซล ทดแทนการใชน�ามนเบนซนและดเซลในภาคการขนสงเพอลดปญหาการขาดแคลนเชอเพลงฟอสซลและลดผลกระทบตอ สงแวดลอม ปจจบนเชอเพลงชวภาพสามารถจ�าแนกออกเปน 4 ประเภท ดงน

1. เชอเพลงชวภาพรนแรก (First Generation Biofuels:FGBs) เปนเชอเพลงทผลตจากผลตผลทางการเกษตรทสามารถใชเปนอาหาร ไดแก น�าตาล แปง น�ามนพช และไขมนสตว เปนตน การใชวตถดบทไดจากพชจะมขอจ�ากดในเรองของการควบคมปรมาณเชอเพลงทผลตได เนองจากองคประกอบของพชอาจเปลยนแปลงไปตามสภาพแวดลอม และนอกจากนปญหาการขาดแคลนอาหารทเกดจากการน�าพชทใชเปนแหลงอาหารไปผลตเปนพลงงานกเปนอกปจจยหนงทตองค�านงถง

2. เชอเพลงชวภาพรนทสอง(SecondGenerationBiofuels:SGBs) เปนเชอเพลงทผลตจากพชทไมใชอาหาร หรอจากผลผลตทเหลอทงจากการเกษตร เชน ฟางขาว ชานออย และเยอไม เปนตน การพฒนาเชอเพลงชวภาพรนทสองน สามารถแกปญหาทพบใน การผลตเชอเพลงชวภาพรนแรกทงในดานการลดตนทนการผลต และการลดปญหาการขาดแคลนอาหาร

3. เชอเพลงชวภาพรนทสาม(ThirdGenerationBiofuels:TGBs) เปนเชอเพลงทผลตจากสาหรายทใหน�ามน (algae fuel) โดยระบบการเลยงสาหรายจะใชเครองปฏกรณชวภาพ (bioreactor) ไมจ�าเปนตองใชทดนการเกษตรส�าหรบเพาะปลก มผลผลตตอพนทสงมาก และสาหรายบางชนดสามารถเพาะเลยงไดในน�าเคม ท�าใหชวยลดคาใชจายในการผลต เชอเพลงทผลตจากสาหรายสามารถน�าไปผลตเปนเชอเพลงไดหลากหลาย เชน น�ามนดเซล น�ามนเบนซน และน�ามนอากาศยาน เปนตน

4. เชอเพลงชวภาพรนทส (Fourth Generation Biofuels)

เปนเชอเพลงทผลตจากกระบวนการแปรรปน�ามนพชและไบโอดเซลใหเปนไบโอแกสโซลน โดยอาศยเทคโนโลยขนสง ปจจบนยงอยในขนตอนของการศกษาและวจย

อยางไรกตามการพฒนาเชอเพลงชวภาพยงคงมขอจ�ากดในดานเทคโนโลย เงนลงทน การขนสง การจดเกบ ความปลอดภย และนโยบายรฐ การทจะสามารถพฒนาเชอเพลงจากชวมวลใหประสบความส�าเรจทางการคาไดนน จ�าเปนอยางยงทจะตองไดรบการสนบสนนจากทางภาครฐอยางจรงจง

>> โรงกลนชวภาพ (biorefineries)

โรงกลนชวภาพเปนกระบวนการทใชเปลยนชวมวลใหกลายเปนสารผลตภณฑทมคณสมบตใกลเคยงกบผลตภณฑทไดจากปโตรเลยม ผลตภณฑจากโรงกลนชวภาพ ประกอบดวย เชอเพลงชวภาพ เคมภณฑจากธรรมชาต (bio-based chemical) ความรอน และไฟฟา ในอนาคตโรงกลนชวภาพดงกลาวสามารถออกแบบระบบใหมความเชอมโยงระหวางหนวยการผลตแตละหนวย เพอใหม การใชพลงงานอยางมประสทธภาพสงสด พรอมกบไดผลตภณฑทหลากหลายคลายกบโรงกลนปโตรเลยมในปจจบน

ขอจ�ากดเชงเทคนคของการน�าพชมาใชเปนพลงงาน ไดแก ตนทนการผลตและการขนสงสง ตองการวธการเกบเกยวและการจดเกบวตถดบทเหมาะสม และระหวางการเพาะปลกตองมการควบคมโรคระบาดและวชพชตาง ๆ อยางสม�าเสมอ นอกจากนปรมาณ เชอเพลงทผลตไดตอหนงหนวยวตถดบยงต�ากวากรณทใชวตถดบปโตรเลยม ปญหาอน ๆ ทพบ ไดแก การจดสรรพนทใชประโยชน (พนทส�าหรบการเพาะปลก การอยอาศย และอตสาหกรรม) ผลกระทบ ตอสงแวดลอมและระบบนเวศ ความตองการของตลาดทมจ�ากด และการออกกฎหมายควบคมตาง ๆ ดงนนการสงเสรมการน�าพชและผลตผลทางการเกษตรมาใชเปนแหลงพลงงานจงตองค�านงถง ขอจ�ากดดงกลาวดวย ตวอยางเชน น�ามนพชทนอกจากจะใชเพอประกอบอาหารแลว ยงเปนแหลงพลงงานสะอาดทสามารถใหพลงงานไดใกลเคยงกบน�ามนดเซล แตยงมขอจ�ากดในการน�าไปใชเปนแหลงพลงงานทดแทน เนองจากมราคาสง และขณะเดยวกนยงอาจกอใหเกดภาวะการขาดแคลนอาหารอกดวย เปนตน

>> การแปรรปชวมวลดวยกระบวนการทางความรอน

ภาพท 1 แสดงกระบวนการแปรรปชวมวลประเภทตาง ๆ เปนเชอเพลง ซงสามารถด�าเนนการไดหลายวธ เชน ชวมวลประเภทแปงและน�าตาล (sugar/starch crops) แปรรปเปนเอทานอลผานกระบวนการทางชวเคม ชวมวลลกโนเซลลโลส (lignocellulosic bio-mass) แปรรปเปนน�ามนเชอเพลงเหลวผานกระบวนการลเคอแฟคชน

logylogyTechnoEnergy & Environment

February-March 2014, Vol.40 No.233 51 <<<

(liquefaction) และชวมวลประเภทพชน�ามน (oil plants) แปรรปเปนไบโอดเซลผานกระบวนการสกดน�ามนและปฏกรยาเอสเทอรรฟเคชน

กระบวนการเปลยนรปเชงความรอน (thermal conversion process) เปนกระบวนการหนงทไดรบความนยมเนองจากสามารถใชไดกบชวมวลหลายชนดและมขนตอนทไมซบซอนเมอเปรยบเทยบกบกระบวนการอน ๆ ปจจบนพบวาม 3 กระบวนการหลก ไดแก ไพโรไลซส (pyrolysis) แกสซฟเคชน (gasification) และลเคอแฟคชน ผลตภณฑทไดจะอยในรปของเชอเพลงเหลวและกาซทสามารถน�าไปใชผลตกระแสไฟฟา ความรอน สารเคม หรอผลตเปนเชอเพลงเหลวทมมลคาสงขน กระบวนการแปรรปทางความรอน แสดงดงภาพท 2

ไพโรไลซส เปนกระบวนการเปลยนแปลงองคประกอบทางเคมของชวมวลโดยการใหความรอนในสภาวะทไมมอากาศ ผลตภณฑทไดจากกระบวนการมทงทอยในสถานะของแขง ของเหลว และกาซ แสดงดงภาพท 3 นอกจากนกระบวนการไพโรไลซสอยางเรว (fast pyrolysis) สามารถใหผลตภณฑทเปนเชอเพลงเหลวไดโดยตรง ท�าใหวธดงกลาวไดรบความนยม เนองจากเชอเพลงทไดสามารถขนสง และจดเกบไดสะดวก

แกสซฟเคชน เปนกระบวนการผลตกาซเชอเพลงจากชวมวลทเปนของแขงโดยการเผาไหมในสภาวะทจ�ากดปรมาณออกซเจน ผลตภณฑทไดจะประกอบดวย คารบอนมอนอกไซด คารบอน-

ไดออกไซด ไอน�า ไฮโดรเจน มเทน ไฮโดรคารบอน ทาร ชาร และขเถา ภาพท 4 แสดงผลตภณฑทไดจากกระบวนการแกสซฟเคชน

ลเคอแฟคชน เปนกระบวนการแปรรปชวมวลใหเปนเชอเพลงเหลวโดยการแตกโมเลกลของสารโมเลกลใหญใหเปนโมเลกลเลกโดยใชตวเรงปฏกรยา สารโมเลกลขนาดเลกทเกดขนเปนโมเลกลทไมเสถยร สามารถเกดปฏกรยาโพลเมอไรเซชนกลายเปนน�ามนเชอเพลงเหลวทมการกระจายตวของโมเลกลอยในชวงกวาง

>> การสงเคราะหเชอเพลงเหลวจากกาซสงเคราะหผานกระบวนการฟชเชอรโทรป (Fischer-Tropsch Synthesis, FTS)

ฟชเชอรโทรป เปนกระบวนการสงเคราะหน�ามนเชอเพลงเหลวทมองคประกอบเปนสารไฮโดรคารบอนสายโซยาวจากกาซสงเคราะห (synthesis gas) ทมกาซคารบอนมอนอกไซดและไฮโดรเจนเปนองคประกอบหลก ตวอยางกระบวนการผลตน�ามนดเซลจากกาซสงเคราะหทไดจากชวมวลแสดงดงภาพท 5 ปฏกรยาทเกด

▲ ภาพท 1 กระบวนการแปรรปชวมวลเปนเชอเพลงชวภาพ [2]

▲ ภาพท 2 กระบวนการแปรรปชวมวลดวยความรอน [2]

▲ ภาพท 4 ผลตภณฑจากกระบวนการแกสซฟเคชน [2]

▲ ภาพท 3 ผลตภณฑทไดจากกระบวนการไพโรไลซส [2]

logylogyTechno Energy & Environment

>>> 52 February-March 2014, Vol.40 No.233

ขนเปนปฏกรยาคายความรอนทมการใชตวเรงปฎกรยาชวยในการเกดปฏกรยา ผลตภณฑหลกทไดจะเปนสารไฮโดรคารบอนทมสายโซยาว (โซตรงและโซกง) และสารโอเลฟนส ตวอยางผลตภณฑทเกดขน ไดแก สารไฮโดรคารบอนโมเลกลเบา มเทน (CH4) เอทลน (C2H4) อเทน (C2H6) แอลพจ (C3-C4) แกสโซลน (C5-C12) น�ามนดเซล (C13-C22) และสารพวกแวก (C23-C33) เปนตน

การกระจายตวของผลตภณฑทเกดขนจะขนอยกบชนดของตวเรงปฏกรยา สภาวะการด�าเนนการตาง ๆ ไดแก อณหภม ความดน และเวลาของการเกดปฏกรยา เมอเปรยบเทยบกบผลตภณฑทไดจากปฏกรยาการแตกโมเลกลของน�ามนดบ (catalytic cracking) พบวา กระบวนการฟชเชอรโทรปใหผลตภณฑทมลคาสงกวา และไมเกดสารประกอบซลเฟอร ซงเปนสารทกอใหเกดมลพษตอสงแวดลอม โดยจะมสดสวนของน�ามนดเซลประมาณรอยละ 70 ซงมากกวาทไดจากน�ามนดบ [3] ภาพท 6 แสดงแผนภาพเปรยบเทยบสดสวน องคประกอบระหวางผลตภณฑจากกระบวนการแตกโมเลกลของน�ามนดบ

▲ ภาพท 5 กระบวนการผลตน�ามนดเซลจากกาซสงเคราะหดวยกระบวนการฟชเชอรโทรป [2]

▲ ภาพท 6 การเปรยบเทยบผลตภณฑทไดจากกระบวนการแตกโมเลกลของน�ามนดบกบ กระบวนการฟชเชอรโทรป [2]

logylogyTechnoEnergy & Environment

February-March 2014, Vol.40 No.233 53 <<<

logylogyTechno

และสามารถน�ามาใชเพอทดแทนเชอเพลงฟอสซลได กระบวนการแปรรปชวมวลเปนเคมภณฑทมมลคาสงหรอเชอเพลงสะอาดนน สามารถด�าเนนการไดหลากหลายวธ เชน กระบวนการทางความรอน กระบวนการฟชเชอรโทรป และกระบวนการทางชวเคม

นอกจากนการออกแบบระบบใหหนวยการผลตแตละสวนมความเชอมโยงกน สามารถใชทรพยากรรวมกน จะท�าใหมการใชวตถดบและพลงงานอยางมประสทธภาพสงสด พรอมกบไดผลตภณฑทหลากหลาย ชวยลดตนทนในการผลตและเพมความสามารถในการแขงขนทางการตลาดของผลตภณฑทไดจากชวมวล ปจจบนการใชประโยชนจากชวมวลสวนใหญยงคงเปนไปในรปของการใชเปนแหลงอาหาร และเปนแหลงใหความรอนโดยตรง ประเทศในภมภาคเอเชยตะวนออกเฉยงใตจดวาเปนกลมทมศกยภาพในการพฒนากระบวน-การผลตเชอเพลงจากชวมวลเนองจากเปนประเทศเกษตรกรรม ท�าใหมความไดเปรยบทางวตถดบ และประเทศไทยกเปนประเทศหนงทมความไดเปรยบดงกลาว ดงนนหากมการศกษาและพฒนาอยางตอเนองแลว ยอมสามารถผลตพลงงานจากชวมวลเพอใชภายในประเทศไดอยางมประสทธภาพ ลดการพงพาพลงงานจากตางประเทศ

เอกสารอางอง

1. Omer, A. M. Green energies and the environment. Renewable

and Sustainable Energy Reviews 12 (2008): 1789-1821.

2. Demirbas, M. F. Biorefineries for Biofuel Upgrading: A Critical

Review. Applied Energy 86 (2009): 151-161.

3. Wood, D. A., et al. Gas-to-liquid (GTL): A Review of an Indus-

try Offering Several Routes for Monetizing Natural Gas. Journal of natural

gas science and engineering 9 (2012): 196-208.

4. Datar, R. P., et al. Fermentation of Biomass-generated Pro-

ducer Gas to Ethanol. Biotechnology and bioengineering 86 (2004): 587-

594.

* ครษฐา อมเอบ, กลนนทน วรณรงคกร และ ดร.อมรชย อาภรณวชานพ

กล มการวจยวศวกรรมกระบวนการเชงค�านวณ ภาควชาวศวกรรมเคม

คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย

>> การแปรรปชวมวลดวยวธทางชวเคม

กระบวนการแปรรปชวมวลดวยวธทางชวเคมนน เกดขน ทอณหภมต�าและมอตราการเกดปฏกรยาชา แตมคาการเลอกเกดเปนผลตภณฑสง เชน กระบวนการผลตไบโอเอทานอลจากชวมวลทมสวนประกอบของสารเซลลโลส การใชเชอเพลงไบโอเอทานอลนอกจากจะชวยลดการใชเชอเพลงฟอสซลแลว ยงช วยลดผลกระทบตอ สงแวดลอมอกดวย ภาพท 7 แสดงกระบวนการผลตไบโอเอทานอลจากชวมวลซงประกอบดวยหนวยปรบสภาพวตถดบ (pretreatment) ซงเปนขนตอนการลดขนาดวตถดบเพอเพมพนทท�าใหเซลลโลสและเฮมเซลลโลสทอยขางในเกดการยอยสลายไดมากขน จากนนเซลลโลสและเฮมเซลลโลสจะท�าปฏกรยากบกรดหรอเอนไซม เพอท�าใหเกดการแตกตวของโมเลกลขนาดใหญจ�าพวกแปงเปนโมเลกลขนาดเลก ไดแก กลโคส หลงจากนนกลโคสทไดจากเซลลโลสและเฮมเซลลโลสจะผานกระบวนการหมก ไดผลตภณฑเปนเอทานอลทสามารถน�าไปใชเปนเชอเพลงไดโดยตรง หรอน�าไปผสมกบน�ามนเบนซน (เรยก น�ามนแกสโซฮอล) เชน น�ามน E10 ท ประกอบดวย เอทานอล และน�ามนเบนซน รอยละ 10 และ 90 ตามล�าดบ การใชน�ามน E10 จะชวยลดการปลอยกาซคารบอนมอนอกไซด ไดถงรอยละ 25-30 อกทงยงชวยลดการปลอยกาซคารบอนไดออกไซด และไนโตรเจน ไดออกไซด ไดรอยละ 10 และ 20 ตามล�าดบ นอกจากนเอทานอลยงถกน�ามาใชแทนสาร MTBE (Methyl Tertiary Butyl Ether) เพอ เพมคาออกเทนในน�ามนเบนซน ชวยลดผลกระทบตอสงแวดลอม อกทางหนง [4]

จากขอมลทกลาวมาขางตนจะเหนไดวา กระบวนการผลต เชอเพลงจากชวมวล เชน กาซสงเคราะห น�ามนเชอเพลงเหลว และ ไบโอเอทานอล เปนเรองทส�าคญ และมแนวโนมทจะเขามามบทบาทในอนาคต เนองจากเชอเพลงชวภาพทได เปนแหลงพลงงานสะอาด

▲ ภาพท 7 กระบวนการผลตไบโอเอทานอลดวยการสลายโมเลกลดวยวธทางชวเคม [2]