การผลิตแอลกอฮอล์

          กระบวนการผลิตแอลกอฮอล์สามารถผลิตจากกระบวนการทางธรรมชาติ โดยการหมักและกลั่น และการสังเคราะห์ทางปิโตรเคมี โดยการสังเคราะห์จากเอทิลีน ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

การผลิตแอลกอฮอล์โดยใช้วัตถุดิบจากธรรมชาติ

          การผลิตแอลกอฮอล์โดยใช้วัตถุดิบจากธรรมชาติ ทางชีวเคมี หรือเรียกอีกอย่างว่าการผลิตไบโอเอทานอล (Bio Ethanol) เป็นการผลิตโดยใช้วัตถุดิบจากทางการเกษตรจาพวกน้ำตาล แป้ง เซลลูโลส สามารถแบ่งวัตถุดิบได้ 3 ประเภท ดังนี้

          - วัตถุดิบประเภทแป้ง ได้แก่ ธัญพืช ข้าวเจ้า ข้าวสาลี ข้าวโพด ข้าวบาร์เลย์ ข้าวฟ่าง และพวก พืชหัว เช่น มันสำปะหลัง มันฝรั่ง มันเทศ

          - วัตถุดิบประเภทน้ำตาล ได้แก่ อ้อย กากน้ำตาล บีตรูต ข้าวฟ่างหวาน

          - วัตถุดิบประเภทเส้นใย ส่วนใหญ่เป็นผลพลอยได้จากผลผลิตทางการเกษตร เช่น ฟางข้าว ชานอ้อย ซังข้าวโพด ราข้าว เศษไม้ เศษกระดาษ ขี้เลื่อย วัชพืช รวมทั้งของเสียจากโรงงานอุตสาหกรรม เช่น โรงงานกระดาษ

กระบวนการผลิตแอลกอฮอล์จากวัตถุดิบจากธรรมชาติ โดยการหมักวัตถุดิบด้วยจุลินทรีย์ โดยมีสมการการย่อย ดังนี้

1) การผลิตแอลกอฮอล์จากวัตถุดิบประเภทแป้ง (Conventionnal Process) การผลิตแอลกอฮอล์จากวัตถุดิบประเภทแป้งนิยมใช้มันสำปะหลังหรือมันสำปะหลังชนิดเส้น ในบางประเทศใช้ข้าวโพดเป็นวัตถุดิบ เช่น ประเทศในแถบทวีปยุโรป สหรัฐอเมริกา และตอนเหนือของประเทศจีน วัตถุดิบที่นามาใช้ต้องผ่านการย่อยแป้งให้เป็นน้ำตาลด้วย การใช้กรดหรือเอ็นไซม์เพื่อให้แป้งกลายเป็นน้ำตาล ปรับความเข้มข้น ความเป็นกรด-ด่าง (ค่า pH ) และควบคุมอุณหภูมิให้เหมาะสม เพื่อเตรียมเข้าสู่กระบวนการหมัก การผลิตแอลกอฮอล์โดยใช้มันสำปะหลังที่จะใช้เป็นวัตถุดิบต้องผ่าน 4 ขั้นตอน ดังนี้

ขั้นตอนที่ 1 การเตรียมวัตถุดิบ (Preparation of Feedstock) มันสำปะหลังที่ใช้เป็นวัตถุดิบสาหรับ การผลิตแอลกอฮอล์ต้องผ่านกระบวนการการแยกเหง้า การทำความสะอาด การบดให้ละเอียดเป็นแป้ง การผสมน้ำ และนำเข้าสู่ กระบวนการย่อยแป้ง ดังแสดงในรูป

ขั้นตอนที่ 2 การย่อยแป้ง (Liquefaction and Saccharification) การย่อยแป้งคือการเปลี่ยนแป้งให้เป็นน้ำตาลกลูโคส เพื่อให้มีสภาพพร้อมที่จะเข้าสู่การหมักแอลกอฮอล์ด้วยยีสต์ในขั้นต่อไป การย่อยแป้งแบ่งได้ 2 ลักษณะตามสารที่นำมาใช้ย่อย ได้แก่

          - การย่อยแป้งด้วยกรด (Acid Hydrolysis) วิธีนี้ไม่ค่อยได้รับความนิยมเนื่องจากการใช้กรดจะเกิดการกัดกร่อนของเครื่องจักรและอุปกรณ์ในกระบวนการได้ง่าย

          - การย่อยแป้งด้วยเอนไซม์ (Enzymatic Hydrolysis) วิธีนี้ได้รับความนิยมมากกว่าการย่อยแป้งด้วยกรดเนื่องจากสะดวก ประหยัดต้นทุน ช่วยรักษาเครื่องมือและเครื่องจักรของกระบวนการผลิต และเป็นการช่วยอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมอีกด้วย การย่อยแป้งด้วยเอนไซม์ประกอบด้วยการย่อย 2 ครั้ง ดังแสดงรูป

- การย่อยแป้งครั้งที่ 1 การย่อยแป้งครั้งนี้เป็นการทำให้แป้งมีโมเลกุลเล็กลง หรือทำให้เหลว (Liquefaction) ทำโดยต้มน้ำแป้งมันสาปะหลังด้วยเอนไซม์แอลฟา-อะไมเลส (Alfa-amylase / α-Amylase) ต้มโดยใช้หม้อต้ม (Cookers) รักษาอุณหภูมิ การต้มไว้ที่ 120-140 องศาเซลเซียส จากนั้นลดอุณหภูมิลงมาที่ 95 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง การทำเช่นนี้จะย่อยแป้งได้เร็วขึ้นและยังเป็นการลดปริมาณแบคทีเรียในน้าแป้ง (Mash) ได้อีกด้วย

          - การย่อยแป้งครั งที่ 2 การย่อยแป้งครั้งนี้ทาให้แป้งกลายเป็นกลูโคสหรือน้ำตาล (Saccharification)

โดยนำน้ำแป้งสุกจากหม้อต้มมาให้เย็นลงก่อนนาไปผสมกับเอนไซม์-อะไมเลส (Glucoamylase / β-Amylase) ในถังย่อยแป้ง เพื่อทำให้แป้งสุกเปลี่ยนสภาพเป็นน้ำตาล ก่อนเข้าสู่การหมักในขั้นต่อไป

ขั้นตอนที่ 3 การเตรียมหัวเชือและการหมัก (Yeast proliferation and Fermentation) การเตรียมหัวเชื้อสาหรับการหมักแอลกอฮอล์ต้องคำนึงถึงชนิดของคาร์โบไฮเดรตหรือวัตถุดิบที่ใช้ เช่น วัตถุดิบประเภทแป้งหรือน้ำตาลทั่วไปจะใช้ยีสต์จำพวก Saccharomyces sp. ซึ่งมีลักษณะเป็นรูปไข่ ทรงกลม หรือทรงกระบอก เช่น S. cerevisiae, S. ellipsoideus, S. uvarum โดยทั่วไปนิยมใช้ S. cerevisiae เนื่องจากสามารถเปลี่ยนน้ำตาลเป็นแอลกอฮอล์ได้ดี และทนต่อความเข้มข้นน้ำตาลที่สูงได้ การเตรียมหัวเชื้อ (Inoculum) เพื่อให้ได้จุลินทรีย์ที่แข็งแรงและมีปริมาณมากเพียงพอสำหรับใช้ในการหมัก

ประกอบด้วย 4 ขั้นตอน ดังแสดงในรูปที่ 1 - 8 ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้

          - การเตรียมอุปกรณ์ จะต้องทาความสะอาดอุปกรณ์ทุกชนิดด้วยความร้อน รวมถึงการเลี้ยงเชื้อและการขยายเชื้อที่ต้องใช้ไอน้ำอบฆ่าเชื้อที่อุณหภูมิ 115-125 องศาเซลเซียส นาน 30-40 นาที

          - การเตรียมเชื้อจากห้องปฏิบัติการ เริ่มจากทำในขวดวัดปริมาตร (Flask) เพิ่มจำนวนจนได้ปริมาณเชื้อเพียงพอสาหรับการนำไปเลี้ยงในถังเลี้ยงเชื้อ (Starter)

          - การเลี้ยงเชื้อในถังเลี้ยง ต้องเตรียมอาหารให้เพียงพอ และป้องกันการติดเชื้ออื่นๆ จากภายนอกถัง จากนั้นกวนส่วนผสมในถังแล้วจึงเติมอากาศที่ผ่านการฆ่าเชื้อแล้ว เพื่อเร่งการทำงานของยีสต์ Succharomyces cerevisiae SC90 เป็นเวลา 24 ชั่วโมง และควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในช่วง 29-32 องศาเซลเซียส เนื่องจากเป็นช่วงที่ยีสต์เจริญเติบโตได้ดี

          - การเก็บตัวอย่างเพื่อตรวจสอบ เนื่องจากต้องมีการตรวจสอบปริมาณยีสต์ก่อนการหมักเพื่อให้ได้สัดส่วนที่เหมาะสม

          การหมัก (Fermentation) การหมักจะเริ่มดำเนินการหลังจากที่เตรียมหัวเชื้อเรียบร้อยแล้ว เชื้อยีสต์ Saccaromyces cerevisiae ถูกนำมาใช้ในการหมักในถังหมัก (Fermanter) ที่ได้เตรียมไว้ และใช้เครื่องควบคุมการหมัก (Biosata B) นอกจากนี้การหมักยังต้องควบคุมอัตราการให้อากาศ อัตราการกวน ค่าความเป็นกรดด่าง และอุณหภูมิ ใช้เวลาหมัก 48-72 ชั่วโมง ที่ pH 4-5 การหมักจะได้แอลกอฮอล์ประมาณร้อยละ 8-12 และมีผลพลอยได้เป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งแอลกอฮอล์ที่ได้เรียกว่าน้ำกากส่า (Mash) น้ำส่าจะถูกปั๊มเข้าเครื่องกรอง (Filtration) ที่มีตะเกรงขนาด 70 เมช เพื่อแยกกากส่าออกและส่งผล

ให้การกลั่นมีประสิทธิภาพสูงสุด มีขั้นตอนดังแสดงในรูปที่ 1 – 9

          ลักษณะของยีสต์ที่ดีควรลักษณะสามารถเปลี่ยนน้ำตาลเป็นแอลกอฮอล์ได้สูง ทนต่อฤทธิ์ของแอลกอฮอล์ได้ดี ทนต่อสภาวะความเป็นกรด สามารถรวมตัวและตกตะกอนได้ดียีสต์ รวมถึงทนต่อสภาวะต่างๆ ในการหมักได้ดี ตัวอย่างเช่นยีสต์สายพันธุ์ Saccaromyces cerevisiae ที่สามารถผลิตเอทานอลได้สูงและทนสภาพเอทานอลได้ดีกว่าสายพันธุ์อื่น

ขั้นตอนที่ 4 การกลั่นแอลกอฮอล์ (Distillation) การกลั่นแอลกอฮอล์เป็นขั้นตอนที่ทาให้แอลกอฮอล์มีความบริสุทธิ์ และแยกแอลกอฮอล์ที่มี

ความเข้มข้นร้อยละ 8-12 โดยปริมาตร ออกจากน้ำส่า หากใช้การกลั่นลำดับส่วนจะแยกแอลกอฮอล์ให้บริสุทธิ์ได้ถึงร้อยละ 95.6 โดยปริมาตร ในกรณีที่จะแอลกอฮอล์ที่ได้จากการกลั่นไปใช้เป็นเชื้อเพลิง (แก๊สโซฮอล์) ต้องทำให้แอลกอฮฮล์มีความบริสุทธิ์ไม่ต่ำกว่าร้อยละ 99.5 โดยปริมาตร ซึ่งต้องกลั่นแยกน้ำออกจากแอลกอฮอล์ (Anhydrous, Absolute alcohol) ตัวอย่างเทคโนโลยีที่ใช้กลั่นแยกน้ำออกจากแอลกอฮอล์ เช่น

          - การดูดซับด้วย Molecular sieve

          - การกลั่นด้วยอะซีโอโทรป (Azeotropic distillation)

          - เทคโนโลยีแผ่นเยื่อบาง (Membrane technology)

          - การสกัด (Countercurrent Extraction)

          - การดูดน้าโดยตรง (Quicklime Process)

2) การผลิตแอลกอฮอล์จากวัตถุดิบประเภทน้ำตาล (Molasses) ประเทศไทยเพาะปลูกอ้อยเป็นจำนวนมาก ผลิตน้ำตาลเพื่อการส่งออกเป็นอันดับ 3 ของโลกรองจากบราซิลและออสเตรเลีย การผลิตน้ำตาลจากอ้อย 1 ตันจะเกิดกากน้ำตาลประมาณ 50-58 กิโลกรัม ส่งผลให้ไทยเป็นผู้ส่งออกกากน้ำตาลรายใหญ่ของโลก แต่ก็ยังมีความเสี่ยงต่อการขาดแคลนวัตถุดิบ เพราะมีตลาดรองรับทั้งภายในและต่างประเทศ ทั้งยังขึ้นอยู่กับปริมาณอ้อยและการผลิตกากน้ำตาลในแต่ละปีอีกด้วย กากน้ำตาลที่ได้จากการผลิตถูก

นามาใช้เป็นวัตถุดิบสาหรับผลิตแอลกอฮอล์ เพื่อใช้เป็นส่วนผสมในแก๊สโซฮอล์ การผลิตแอลกอฮอล์จากกากน้ำตาล (Molasses) จะคล้ายกับการผลิตแอลกอฮอล์จากมันสำปะหลัง เพียงแต่ไม่ต้องผ่านขั้นตอนการเตรียมวัตถุดิบ ขั้นตอนการผลิตเริ่มจากนำกากน้ำตาลมาเจือจางด้วยน้ำ หมักไว้ประมาณ 48 ชั่วโมง จึงได้แอลกอฮอล์ แอลกอฮอล์ที่ได้จะถูกส่งเข้าสู่กระบวนการกลั่นเพื่อให้ได้เอทานอลร้อยละ 95 สุดท้ายจึงนำไปผ่านกระบวนการแยกน้ำเพื่อให้ได้แอลกอฮอล์บริสุทธิ์ ดังแสดงในรูป

การใช้กากน้ำตาลเป็นวัตถุดิบในการผลิตแอลกอฮอล์มีข้อดี คือ ไม่ต้องผ่านขั้นตอน การเตรียม เพียงแต่ต้องทำการเจือจางกากน้ำตาลให้มีความเข้มข้นที่เหมาะสมเท่านั้น ทำให้ต้นทุนการผลิตต่ำ ส่วนข้อเสีย คือ ทำให้เกิดตะกรันในหอกลั่น ส่งผลให้ต้องทำความสะอาดบ่อยครั้ง และแอลกอฮอล์ที่ได้จากการผลิตด้วยกากน้ำตาลยังมีสีเข้ม ซึ่งยากแก่การกำจัดสีให้หมดไป

3) การผลิตแอลกอฮอล์จากวัตถุดิบประเภทเส้นใยเซลลูโลส วัตถุดิบที่ประเภทเส้นใยที่จะใช้ผลิตแอลกอฮอล์ต้องผ่านกระบวนการย่อยเซลลูโลสเพื่อให้กลายเป็นน้ำตาลก่อนด้วยการใช้กรดหรือเอนไซม์ ปรับความเข้มข้น ความเป็นกรด-ด่าง และ

ควบคุมอุณหภูมิ ซึ่งขั้นตอนการผลิตจะคล้ายกับการผลิตแอลกอฮอล์จากมันสำปะหลัง แต่การใช้วัตถุดิบประเภทเซลลูโลสเป็นวัตถุดิบในการผลิตเป็นแอลกอฮอล์ยังไม่คุ้มค่าต่อการลงทุน เนื่องจากอยู่ระหว่างการวิจัยและพัฒนาเชิงการค้าอยู่

การผลิตแอลกอฮอล์โดยการสังเคราะห์ทางปิโตรเคมี

          การผลิตแอลกอฮอล์จากการสังเคราะห์ทางปิโตรเคมีหรือการสังเคราะห์แอลกอฮอล์จากเอทิลีน แอลกอฮอล์ที่ได้จากกระบวนการนี้เรียกว่า แอลกอฮอล์สังเคราะห์ (Synthetic Alcohol) แอลกอฮอล์ที่ได้จากการสังเคราะห์ทางปิโตรเคมีไม่นิยมนำมาบริโภค เนื่องจากมีการปนเปื้อนสารเคมีบางชนิด เช่น ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ จึงนิยมนำมาใช้สำหรับเป็นตัวทำละลาย สารสกัด Antifreeze และสารตัวกลางในการสังเคราะห์สารเคมีชนิดอื่น การผลิตแอลกอฮอล์โดยการสังเคราะห์ทางปิโตรเคมีประกอบด้วย 2 วิธี ดังนี้

          1) Indirect Hydration (Esterification-Hydrolysis) Process การผลิตแอลกอฮอล์แบบ Indirect Hydration จากเอทิลีนที่มีความเข้มข้นร้อยละ 35-95 โดยปริมาตร โดยใช้กรดซัลฟูริก (Sulfuric acid: H2SO4) ประกอบด้วย 3 ขั้นตอน ดังแสดงในรูป

ขั้นตอนที่ 1 การดูดซึมเอทิลีน (Absorption) การดูดซึมระหว่างเอทิลีนเข้มข้นร้อยละ 35-95 โดยปริมาตร กับกรดซัลฟูริกเข้มข้นร้อยละ 95-98 โดยปริมาตร จะเกิดขึ้นแบบสวนทางกัน (Countercurrent passage) ภายในเครื่องปฏิกรณ์ที่อุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียส ความดัน 180-200 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psig) ซึ่งเป็นระบบบายความร้อน และมีระบบหล่อเย็นเพื่อควบคุมอุณหภูมิและควบคุมปัญหาการกัดกร่อน สมการปฏิกิริยาเคมีทีเกิดขึ้นในขั้นตอนนี้ มีดังนี้

ขั้นตอนที่ 2 การไฮโดรไลซิสเอทิลซัลเฟต (Hydrolysis) การไฮโดรไลซิสเอทิลซัลเฟต เป็นการแยกแอลกอฮอล์จากเอทิลซัลเฟตโดยการเติมน้ำเข้าไปในปฏิกิริยา สมการปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้ มีดังนี้

ขั้นตอนที่ 3 การเพิ่มความเข้มข้นของกรดซัลฟูริก (Reconcentration) การเพิ่มความเข้มข้นของกรดซัลฟิวริกที่ได้หลังจากทำปฏิกิริยาประมาณร้อยละ 50-60 โดยปริมาตร จะเพิ่มความเข้มข้นกรดซัลฟูริกได้เป็นร้อยละ 90 โดยปริมาตร เพื่อสามารถนำกลับไปใช้ใหม่ ซึ่งขั้นตอนนี้เป็นขั้นตอนที่มีต้นทุนสูง สำหรับการผลิตแอลกอฮอล์ด้วยวิธีการนี้

2) Direct Hydration of Ethylene กระบวนการ Direct Hydration เป็นกระบวนการไฮโดรไลซิสเอทิลีนด้วยนำเป็นแอลกอฮอล์ที่อุณหภูมิ 250-300 องศาเซลเซียส ความดัน 5-8 ปาสคาล โดยใช้กรดฟอสฟอริก-ซิลิกาเจล และทังสเตนออกไซด์-ซิลิกาเจลเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ดังแสดงในรูป และ มีปฏิกิริยาเคมีดังนี้

          กระบวนการนี้สามารถสังเคราะห์แอลกอฮอล์ที่มีความบริสุทธิ์ถึงร้อยละ 95 โดยปริมาตร ซึ่งมีการกลั่นแยกน้าทาให้แอลกอฮอล์มีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้น

          การผลิตแอลกอฮอล์โดยการสังเคราะห์ทางปิโตรเคมีไม่เป็นที่นิยมในประเทศไทย เนื่องจากมีต้นทุนในการผลิตสูง ไม่คุ้มค่ากับการลงทุน ดังนั้นการผลิตแอลกอลกอฮอล์โดยใช้วัตถุดิบทางการเกษตรที่มีอยู่ในปริมาณมาก จะทำให้ต้นทุนในการผลิตลดลงทั้งยังได้แอลกอฮอล์ที่มีความบริสุทธิ์สูง

          ข้อดีของการผลิตแอลกอฮอล์ด้วยวิธี Direct Hydration คือการรีไซเคิลน้ำของกระบวนการกลั่นสู่ระบบปฏิกิริยา ปฏิกิริยานี้ช่วยลดปริมาณของน้ำที่ป้อนเข้าไปในหม้อน้ำ ให้น้อยกว่าหนึ่งในห้าของปริมาณน้ำทั้งหมดที่ป้อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์ ลดค่าใช้จ่ายในการลงทุน