View
1
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
หนา 1
บทท 5
เทคโนโลยการแปรรปพลงงานชวมวล
พลงงานชวมวล หรอ พลงงานมวลชวภาพ (Biomass Energy) คอ พลงงานทถกเกบสะสมอยใน
สงมชวตหรอสารอนทรยทวๆ ไปตามธรรมชาตหรอในชวมวล (Biomass) ทสามารถนามาผลตเปนพลงงาน
ทดแทนได เชน ตนหญา ตนไม กงไม หรอเศษวสดทเหลอจากการเกษตรหรอการอตสาหกรรม เชน ฟาง ข
เลอย แกลบ ชานออย เศษไม เปลอกไม มลสตว รวมทงของเหลอหรอขยะจากครวเรอน โดยอาจจะไมตอง
ผานหรอตองผานกระบวนการแปรรปเพอนามาใชเปนพลงงานในรปแบบทสามารถใชได การไมผานการ
แปรรปเลย เชน การเผาเพอใหไดพลงงานความรอน สวนการตองผานการแปรรป เชน ทาใหเปนกลายเอทา
นอล เปนตน ทงนขนอยกบประสทธภาพ ความสะดวกและความตองการจะใชงานรปแบบใดมากกวากน
องคประกอบและรายละเอยดของพลงงานชวมวลมดงน
5.1 องคประกอบของวตถดบลกโนเซลลโลส
ไมไผจดเปนวตถดบประเภทลกโนเซลลโลส มองคประกอบทางเคมทสาคญคอ เซลลโลส เฮม
เซลลโลส และลกนน ซงสามารถแปลงสภาพเปนนาตาลโมเลกลเดยวทนาไปผลตเปนเชอเพลงเอทานอลได
เนอเยอของพชแตละชนดจะมความแตกตางกนทงทางดานโครงสรางและองคประกอบทางเคม โดยทวไป
แลวเซลลโลสจะเปนสวนทอยโดยรอบสวนอนๆ คอ เฮมเซลลโลสและลกนน ซงมการจดเรยงตวกนอยาง
ใกลชด โดยจะมพนธะโควาเลนตเชอมตอระหวางลกนนและโพลแซคคาไรด สวนของเฮมเซลลโลสจะมการ
เรยงตวขนานไปกบเสนใยเซลลโลส แสดงดงรปท 74
รปท 74 ตวอยางโครงสรางวตถดบลกโนเซลลโลสในไมเนอออน (วไลวรรณ, 2552)
หนา 2
5.1.1 เซลลโลส (cellulose)
เซลลโลส (cellulose) เปนสารประกอบพอลแซคคาไรด ( polysaccarides) เชงเสนตรงท
ประกอบดวยหนวยซาๆ กน มสตรโมเลกลทวไปคอ C6H12O6 เปนโครงสรางในเนอเยอพช เซลลโลส
ประกอบดวยหนวยของนาตาลโมเลกลเดยว D-glucopyranose เชอมตอกนดวยพนธะ β-1-4-glycosidic ซง
มความยาวตางกนไป จบกบลกโซขางเคยงดวยพนธะไฮโดรเจนทาใหเกดเปนลกษณะทเรยกวา ไฟบรล
(fibrils) แตละไฟบรลจะเรยงตอกนดวยพนธะไฮโดรเจน ซงเกดการทาใหตดกนขนมา เซลลโลสจะฝงตวอย
ในของเหลวทมรปรางไมแนนอน เรยกวา แมทรกซโพลแซคคาไรด โดยพบรวมกบลกนน เพนโตแซนกม
แทนนน ไขมน สารททาใหเกดส เปนตน เซลลโลสมหมไฮดรอกซลถง 3 หม สามารถเกดพนธะไฮโดรเจนได
แรงดงดดระหวางโมเลกลของเซลลโลสจงมมากและโครงสรางของเซลลโลสยงจดเรยงตวอยางเปนระเบยบ
จงทาใหเซลลโลสมความเปนผลกสงมาก อณหภมการหลอมตวจงสงมาก มกจะเกดการสลายตวกอนถง
อณหภมหลอมตว และมความสามารถในการละลายตา เซลลโลสธรรมชาตจะมนาหนกโมเลกลเฉลยตางกน
การกระจายนาหนกโมเลกลของเซลลโลสมความสาคญตอสมบตทางกายภาพ สวนทมนาหนกโมเลกลตาจะ
สงผลใหคณสมบตทางกายภาพไมด ในทางอตสาหกรรมจะหานาหนกโมเลกลโดยประมาณไดโดยการวด จง
จาเปนทจะตองมการนาวตถดบไปผานกระบวนการตางๆ เพอเปลยนสภาพวตถดบใหเหมาะตอการนาไป
ยอยใหเปนนาตาลดวยการใชกรดหรอเอนไซม (นายอย) แลวเขาสกระบวนการหมกตอไป
โครงสรางทางกายภาพของผนงเซลลพช มเซลลโลสเปนสวนประกอบสาคญ ซงเปนหนวย
เลกๆ ทประกอบรวมเปนเนอเยอพช ในเซลลพชมโปรโตปลาสซมและสารหลอเลยงในเซลล โดยมผนงบางๆ
ทไมมส เรยกวา เซลลเมมแบรนหอหมอย เซลลโลสเปนนาตาลโมเลกลใหญทแตกตางกบแปง คอการ
จดเรยงตวทตางกน เอนไซมทยอยใหกลายเปนนาตาลจะไมเหมอนกน เอนไซมทยอยเซลลโลสใหกลายเปน
นาตาลเชงเดยว คอ เซลลเลส (cellulese) ลกษณะทางกายภาพของเซลลโลส โครงสรางทางเคม การเรยง
ตวของกลโคส และเซลลโลสในโครงสรางพช แสดงดงรปท 2.2-2.5
รปท 75 ลกษณะเซลลโลสทไดมาจากพช (นคร, 2552)
หนา 3
รปท 76 แสดงลกษณะสตรโครงสรางโมเลกลของเซลลโลส (นคร, 2552)
รปท 77 ลกษณะการจดเรยงตวของโมเลกลกลโคสในเซลลโลส (นคร, 2552)
หนา 4
5.1.2 เฮมเซลลโลส
เฮมเซลลโลส (Hemicellulose) เปนสารประกอบพอลแซคคาไรดชนดหนง โดยจะ
รปท 78 เซลลโลสในโครงสรางของพชและลกษณะผลก (นคร, 2552)
5.1.3 เฮมเซลลโลส (hemicellulose)
เฮมเซลลโลส (hemicellulose) เปนสารประกอบพอลแซกคาไรดในผนงเซลลพช โดยจะทา
หนาทเปนตวเชอมประสานกลมเสนใยเซลลโลสรวมกบลกนนและเพกตนประกอบเปนผนงเซลลทาใหเซลลม
ความแขงแรง สามารถคงรปอยไดและมความคลายคลงกบเซลลโลส โดยทวไปแลวเฮมเซลลโลส
ประกอบดวยนาตาลโมเลกลเดยวหลายชนด คอ ไซแลน (xylans) ซงมนาตาลไซโลส ( xylose) แมนแนน
(mannans) ซงมนาตาลแมนโนส ( mannose) และกาแลกแตน (galactan) ซงมนาตาลกาแลกโตส
(galactose) นอกจากนยงมกลโคแมนแนน (glucomannan) ซงประกอบดวยนาตาลกลโคส (glucose) และ
นาตาลแมนโนส (mannose) ไซโลกลแคน (xyloglucans) ประกอบดวยนาตาลไซโลส (xylose) และนาตาล
กลโคส (glucose) และแคลโลส (callose) จดเปนเฮมเซลลโลส ซงประกอบไปดวยนาตาลกลโคสทเกาะกน
แบบ β-1, 3-glucosidics bond ซงจะพบบรเวณปลายเซลลทออาหาร มโครงสรางแสดงดงรปท 2.6 เฮม
เซลลโลสพบในเนอเยอของพชโดยรวมอยกบสารอนๆ เชน ลกนน ลกโนเซลลโลส เปนโครงสรางของผนง
เซลล พบมากในแกลบ ซงขาวโพด เฮกโซแซน สตรทางเคมคอ (C6H12O5)2n
หนา 5
รปท 79 แสดงลกษณะสตรโครงสรางโมเลกลของเฮมเซลลโลส (นคร, 2552)
5.1.3 ลกนน
ลกนน ( Lignin) เปนสารประกอบเชงซอนมนาหนกโมเลกลสง มกพบอยรวมกบเซลลโลส
ลกนนเปนสารทประกอบดวย คารบอน ไฮโดรเจน และออกซเจนรวมกนเปนหนวยยอยหลายชนดซงเปน
สารอะโรมาตก ลกนนไมละลายนา ไมมสมบตทางการยดหยน เพราะฉะนนจงทาใหพชทมลกนนมากมความ
แขงแรงทนทาน เมอพชตายลกนนจะถกยอยดวยเอนไซมลกเนส ( Lignase) หรอลกนนเนส ( Ligninase) ซง
เปนจลนทรยทสาคญในรา ลกนนมกพบในผนงเซลลทตยภมซงตายแลว การมลกนนทาใหเซลลแขงแรงและ
ทาใหไฟบรลไมเคลอนท ชวยปองกนอนตรายใหไฟบรลไดดวย และมความตานทานตอสารเคม และการ
กระทบกระแทกตางๆ มโครงสรางแสดงดงรปท 2.7
หนา 6
รปท 80 โครงสรางของลกนน (นคร, 2552)
5.2 กระบวนการเปลยนวสดประเภทลกโนเซลลโลสใหเปนนาตาล
5.2.1 การปรบสภาพวตถดบ (pretreatment)
วตถดบประเภทลกโนเซลลโลสเปนวตถดบทประกอบดวยเสนใยธรรมชาต เซลลโลส เฮมเซลลโลส
ลกนน และสารอนๆ แลวแตละชนดของวตถดบ การเตรยมวตถดบนนตองทาดวยกน 2 กระบวนการ คอ
การปรบสภาพ (pretreatment) และการไฮโดรไลซส (hydrolysis) ซงในกระบวนการปรบสภาพนจะทาเพอ
ลดเฮมเซลลโลสและลกนนใหเหลอเซลลโลสใหมากทสด นอกจากนยงชวยทาใหลดความเปนผลกของเซลล
และเพมความพรนในเนอวตถดบอกดวย ทาใหสงผลดตอกระบวนการไฮโดรไลซสในการยอยดวยเอนไซม
นอกจากนการปรบสภาพตองการปรบปรงการสรางตวของนาตาล ชวยในการเหลกเลยงการเสอมสภาพของ
คารโบไฮเดรตในวตถดบและลดการสรางสารยบยงทจะทาใหเกดการขดขวางการทางานของเอนไซมได ซง
หนา 7
กระบวนการปรบสภาพวตถดบแสดงดงรปท 81 สามารถแบงไดเปน 4 วธหลกๆ ซงแตละวธมวธยอยลงไป
อก ดงน
รปท 81 แสดงขนตอนการปรบสภาพของวตถดบประเภทไมเนอแขง
5.2.1.1 การปรบสภาพดวยวธทางกายภาพ (physical pretreatment)
(i) การใชแรงทางกล (mechanical communition)
คอวธการทาใหวตถดบมขนาดเลกลงสามารถทาไดหลายวธ เชน การทบ การบด การโม
การเขยาวตถดบ เปนตน ซงจะ มผลทาใหเกดการลดผลก (cellulose crystallinity) และเพมพนทผวในการ
เกดปฏกรยาใหมากขน ความสามารถในการลดขนาดจะขนอยกบขนาดสดทายของวสดและคณสมบตของ
วสดนน ซงปกตขนาดของเศษวตถดบจะทาใหมขนาดประมาณ 0.2-2 mm
(ii) การไพโรไลซส (pyrolysis)
คอวธการอบทใชความรอนทอณหภมสง ใหวตถดบกลายสภาพเปนแกสหรอของแขง
กระบวนการจะทาไดชาและการระเหยจะตาถาใชอณหภมตา จากการวจยพบวา การใชอณหภมมากไปหรอ
นอยไปจะไมเปนผลด จงตองมการวจยทเหมาะสม ซงสาหรบงานวจยนยงมขอมลทคอนขางนอย
(iii) การใชความรอน (thermal heat treatment)
คอการปรบสภาพของวตถดบเพอทาลายเนอเยอของเซลลโลส ซงโดยสวนใหญมกจะใช
อณหภมมากกวา 150-180 องศา แตตองทาใหวสดมขนาดทเลกลงกอนเขาสกระบวนการยอยวตถดบทาง
ความรอน ซงมวธการทนาสนใจและนยมนามาปรบสภาพคอ Liquid hot water : LHW วธนมความแตกตาง
ตรงทใชความรอนในรปแบบของของเหลว โดยม pH ในการปรบสภาพวสดอยในชวง 4-7 ใชอณหภมทสง
การปรบสภาพ
วธทางชวภาพ วธทางเคม
การตด
การไพโรไลซส
การใชความรอน
ยอยหรอ
ไฮโดรไลซส
กรด
ดาง
วธทางกายภาพ
ระเบดดวยไอนา
ระเบดดวยแอมโมเนย
ระเบดดวย CO2
วธทางเคมกายภาพ
โอโซน
หนา 8
กวาการระเบดดวยไอนา คอมากกวา 200 องศาขนไป และมการทาปฏกรยาไดนาตาลมากกวาการระเบด
ดวยไอนาอกดวย เนองจากของเหลวมความรอนสงมากๆ ทาใหสามารถทาลายโครงสรางและองคประกอบ
สวนตางๆ ของวตถดบไดดกวา
5.2.1.2 การปรบสภาพดวยวธทางเคมกายภาพ (physical-chemical pretreatment)
(i) การระเบดดวยไอนา (steam explosion)
คอวธการทนาวตถดบผสมกบไอนาอมตวทความดนสง ซงเปนวธทไดรบความนยมใน
การปรบสภาพวตถดบประเภทลกโนเซลลโลส (นคร , 2552) การระเบดดวยไอนาโดยสวนใหญแลวจะทาท
อณหภมชวง 160-260 องศาเซลเซยส ความดน 0.69-4.83 เมกะปาสคาล จากการศกษาพบวาการใช
อณหภมทตาและการใชเวลาทนานขนจะทาใหเกดการละลายเฮมเซลลโลสและการเกดกระบวนการไฮโดรไล
ซสไดคาทดทสด โดยทวตถดบจะถกผสมกบไอนาอมตวทสภาวะความดนสง หลงจากนนจะทาการลดความ
ดนอยางรวดเรว สงผลทาใหเซลลโลส เฮมเซลลโลสและลกนนเกดการแตกตวออกจากกนทอณหภมสง โดย
สวนของเฮมเซลลโลสจะละลายในนาทเกดจากการควบแนนของไอนา ซงปจจยทสงผลตอกระบวนการปรบ
สภาพดวยวธนคอ เวลา อณหภม ขนาดของวสดและปรมาณความชนทอยในวตถดบ ซงบางครงอาจจะม
การเตมกรด เชน กรดซลฟวรกหรอการเตมซลเฟอรไดออกไซคกอนเขาสการระเบดดวยไอนา เพอใหเขาไป
ทาปฏกรยาภายในสวนโครงสรางของวตถดบตงตนกอน ขอดของกระบวนการระเบดดวยไอนาคอ มการ
สญเสยพลงงานนอยกวา เมอเทยบกบการใชดวยวธทางกล การแปลงสภาพโดยวธทางกลจะใชพลงงานสง
กวา 70 เปอรเซนต สามารถแยกองคประกอบทใชการแยกแบบเชงกล เชงความรอน และเชงเคมไวดวยกน
มผลกระทบตอสงแวดลอมนอยลงเนองจากไอนาไมเปนพษตอสงแวดลอม แตขอเสยคอในการทาลายแยก
สวนประกอบออกจากกนของลกนนมกเกดไมสมบรณ และมกเกดเปนกลมของสารประกอบทไปเปนตว
ยบยงการเกดจลชพในการใชเอนไซมในการเกดปฏกรยาไฮโดรไลซส (Enzymatic hydrolysis) และ
กระบวนการหมก (Fermentation) ดวย
(ii) การระเบดดวยแอมโมเนย (ammonia fiber explosion)
วธการนใชแอมโมเนยทอณหภมสงใหความดนสงระยะหนง แลวทาการลดความดนลง
ซงมผลตอวตถดบ วตถดบทผานกระบวนการนจะมอตราการเปนนาตาลเพมมากขน แตไมมผลตอปรมาณ
ของเฮมเซลลโลส ไดผลไมดกบพชทมลกนนอยมาก ในกระบวนการนสามารถนาแอมโมเนยกลบมาใชได
ใหม และไมกอใหเกดตวยบยงการเกดปฏกรยาไฮโดรไลซส
(iii) การระเบดดวยคารบอนไดออกไซค (CO2 explosion)
วธการนใชคารบอนไดออกไซคจากกรดคารบอนกในการเพมปฏกรยาไฮโดรไลซสขน
ตอไป แตวธนไดผลผลตตากวาการใชไอนาหรอแอมโมเนย แตไมเกดตวขดขวางการทางานของเอนไซมใน
ขนตอนการไฮโดรไลซสเหมอนวธการระเบดดวยไอนา
หนา 9
5.2.1.3 การปรบสภาพวธการทางชวภาพ (biological pretreatment)
วธการนใชเอนไซมจากจลนทรยเพอชวยในการยอยวตถดบ เชน ราขาว รานาตาล ใน
การลดเฮมเซลลโลสและลกนน เพอเปลยนโครงสรางทซบซอนของเซลลโลสใหอยในรปโซตรงและชวยลด
ความเปนผลก จดเดนของวธนคอมการใชพลงงานตา ไมเปนพษตอสงแวดลอม แตมจดดอยคอมอตราการ
เกดไฮโดรไลซสตามาก ซงเชอราจลนทรยแตละชนดจะมคณสมบตไมเหมอนกน บางตวอาจจะมผลทาลาย
เซลลโลสดวย ดงนนควรเลอกตวทสามารถทาลายเฮมเซลลโลสและลกนนเทานน
5.2.1.4 การปรบสภาพวธทางเคม (chemical pretreatment)
(i) การทาปฏกรยากบโอโซน (ozonolysis)
วธการนสามารถทาไดทอณหภมหองและนบวาเปนวธทมประสทธภาพในการเอาลกน
นออกไดด เนองจากสามารถทาใหเกดการแตกตวของลกนนและเฮมเซลลโลสในวตถดบได เชน ฟางขาว
เปนตน นอกจากนยงไมมสารพษทจะไปยบยงการทาปฏกรยาในสวนตางๆ ของวตถดบดวย แตผลเสยของ
วธนคอมราคาสงมาก
(ii) การทาปฏกรยาดวยการใชดาง (alkaline hydrolysis)
การใชดางเจอจางในวตถดบลกโนเซลลโลสจะมผลทาใหเกดการบวมภายในโครงสราง
ของวตถดบ เปนการเพมพนทผวสมผสและเพมความพรนในการทาปฏกรยา โดยทความพรนของวตถดบจะ
สามารถเพมขนไดนนตองกาจดสายโซทเชอมตอภายในโครงสราง ทาใหลดความเปนโครงสรางผลกของ
เซลลโลสและลดระดบความเปนพอลเมอรขนาดใหญ สามารถแยกสายโครงสรางระหวางลกนนและ
คารโบไฮเดรต และเปนการแยกองคประกอบหรอทาลายโครงสรางของลกนน อยางไรกตามการใชดางเพอ
ปรบสภาพมกจะไมมผลตอวสดพวกไมเนอออนเทาไมเนอแขง นอกจากนมงานวจยทศกษาเกยวกบไมไผ
โดยมการนาดางมาปรบสภาพรวมกบวธการระเบดดวยไอนา พบวาไดปรมาณกลโคสและไซโลส 456 mg/g
และ 460/g ตามลาดบ (Yamashita และคณะ, 2010) ดงนนจงควรใชดางรวมกบวธการอนเพราะไดปรมาณ
นาตาลทมากกวาดวยการใชดางปรบสภาพเพยงอยางเดยว
(iii) การทาปฏกรยาดวยการใชกรด (acid hydrolysis)
กระบวนการปรบสภาพโดยการใชกรดนนมจดประสงคคอเพอใหไดนาตาลในปรมาณท
สงจากวตถดบจากชวมวลลกโนเซลลโลส เนองจากสามารถเขาไปทาลายพนธะของโครงสรางวตถดบได
ดกวาและนยมกนอยางแพรหลายเพราะราคาไมสงมากนก ซงชนดของกรดทนยมนามาปรบสภาพวตถดบม
หลายประเภทดวยกนไดแก กรดซลฟวรก ไฮโดรคลอรก ไนตรกหรอฟอสฟอรก ในการใชกรดเจอจางจะมอย
2 รปแบบทใชคอ (ก) ปรมาณสารตงตนนอย ( 5-10 % [w/w]), ทอณหภมสง (T> 433 K) และ (ข) ปรมาณ
สารตงตนมาก ( 10-40 % [w/w]), ทอณหภมตา (T< 433 K) แตการปรบสภาพวตถดบโดยการใชกรดทม
ความเขมขนสงจะมอนตรายเพราะมความเปนพษสง ซงมผลตอการเกดการยบยงกระบวนการเกดนาตาล
หนา 10
และยสต ดงนนการใชกรดเจอจางจงเปนวธหนงทไดรบความนยมและสนใจทจะศกษากนแพรหลายทสด
(Ballesteros และคณะ, 2008)
ซงในงานวจยนจะใชการปรบสภาพดวยกรดซลฟวรกเจอจางและตามดวยการใชเอนไซม
เปนตวเรงในปฏกรยาไฮโดรไลซสเพอใหเกดเปนนาตาลกลโคส ซงเลอกใชปรมาณสารตงตนนอย คอ 5-10
% w/w ทอณหภมตากวา 160 oC เนองจากพบวาสามารถทาใหเกดปฏกรยาไฮโดรไลซสของเฮมเซลลโลส
ไดเพยงพอ และถามการใชอณหภมทสงกวา 160 oC จะมผลตอเซลลโลสมากกวา ซงพบวาจะมการเกด
ปรมาณนาตาลทสงและมการสลายสวนประกอบของลกนน โดยทวไปแลวการใชกรดเจอจางผสมกบวสดชว
มวลกอนไปสกระบวนการไฮโดรไลซสพบวาไดผลผลตมากกวา 90 % และวสดชวมวลทไมผานการปรบ
สภาพวตถดบกอนพบวาผลผลตทไดมคานอยกวา 20% (Hamelinck และคณะ, 2008)
5.2.2 ระดบความรนแรงของการปรบสภาพ (combined severity factor-pretreatment)
การปรบสภาพดวยกรดเจอจางทระดบความรนแรงมากขนจะทาใหวสดเกดการแยกตวออกจากกน
มากขนเพราะโครงสรางของวสดถกทาลาย สงผลใหกระบวนการไฮโดรไลซสทางานดขน จากการวเคราะห
ดวยวธการ HPLC พบวาไดปรมาณนาตาลทเพมมากขน เนองจากเอนไซมสามารถเขาไปยอยสลายวสดได
ด แตอยางไรกตามกมขอเสยคอการปรบสภาพทรนแรงทมากเกนไปจะเปนการทาลายวสดอกทางหนง ทา
ใหเกดการสญเสยนาตาลบางสวนทจะออกมาไดเชนกน ดงนนจงตองหาสภาวะทเหมาะสมกบวสดนนดวย
เพอเปนการรกษาสภาพวสดในการยอยสลายใหไดนาตาลออกมาใหมากทสด
Combined severity factor (CSF) คอตวแปรทบงบอกระดบวามรนแรงของการปรบสภาพวสดซงม
ความแมนยาทชวยใหการเปรยบเทยบสงทรวมกนงายขน ของปรมาณขอมลในชวงกวางๆ โดยแสดง
ความสมพนธภายใตเงอนไขคอการทาปฏกรยาของเวลา อณหภม และความเขมขนของกรด รวมไวในตว
แปรเพยงตวเดยว (Wyman และ Lloyd, 2005) ซงแสดงดงสมการ (5.1) ดงน
R0 = t.exp[(TH-TR)/14.75] (5.1)
โดย
R0 คอตวแปรรวมของกระบวนการ
t คอเวลาในการทาปฏกรยา (นาท)
TH คออณหภมของการทา hydrolysis (องศาเซลเซยส)
TR คออณหภมอางอง (สวนใหญใชท 100 องศาเซลเซยส)
เมอรวมผลกระทบของกรดเจอจาง คาแฟคเตอรความแมนยาจะใช : log(CS) = log(R0) – pH
ดงนนหาคา Combined severity factor (CSF) จากสมการ (5.2) ดงน
หนา 11
CSF = log {t.exp[(TH-TR)/14.75]}- pH (5.2)
โดย
CSF คอตวแปรบอกระดบความรนแรงในการปรบสภาพ
pH คอความเขมขนของกรด
5.2.3 การไฮโดรไลซสดวยเอนไซม (enzymatic hydrolysis)
กระบวนการไฮโดรไลซสคอการททาใหโมเลกลเซลลโลสแตกตวออกโดยอาศยการใชนาเปนตวชวย
ทาปฏกรยาแสดงดงสมการท 3 โดยหลงจากผานกระบวนการไฮโดรไลซสแลวจะทาใหเซลลโลสเกดการ
สลายตวกลายเปนนาตาลกลโคส (Vessia และคณะ, 2005) ซงปฏกรยาดงกลาวอาจจะถกเรงดวยกรดเจอ
จางหรอกรดเขมขน ดางและเอนไซมกได แลวแตการพจาณาในการเลอกใชตามวตถดบทเปนสารตงตนดวย
แตในสวนคาใชจายแลวกระบวนการไฮโดรไลซสดวยเอนไซมจะมคาใชจายทตากวาการไฮโดรไลซสดวย
กรดหรอดาง เพราะวาจะทาในสภาวะทเปนกลางคอ pH = 4.8 และอณหภม 318-323 K อกทงมกจะไมเกด
ปญหาการกดกรอนตามมาดวย และเนองจากพบวางานวจยทเกยวของกบไมไผนยมใชเอนไซมเซลลเลส
(cellulase) เปนตวทาปฏกรยาในวตถดบและใชเบตากลโคซเดส (β-glucosidase) เพอเตมตอปฏกรยาของ
เอนไซมอกทางดวย โดยการใชเอนไซมในปฏกรยาไฮโดรไลซสนนจะตองมความเฉพาะเจาะจงสงจงจะมผล
ทดและความเขมขนของปรมาณเอนไซมทมมาก 15 FPU สามารถทาใหไดปรมาณนาตาลกลโคสและนาตาล
ไซโลสไดมากถง 86% และ 82.6% ตามลาดบ (Noppadon และคณะ, 2009) ดงนนในงานวจยนจงเลอกการ
ไฮโดรไลซสดวยเอนไซมดวยปจจยดงกลาว
(C6H12O5)n + nH2O → nC6H12O6 (5.3)
การไฮโดรไลซสในปจจบนมเทคโนโลยทางชววทยาอย 2 แบบดวยกน คอ การใชเอนไซมโดยตรง
และวธการเปลยนจลนทรยใหเปนตวยอยสลาย ซงแตละวธมขอดและขอเสยแตกตางกนคอ หากเทยบ
ทางดานตนทนแลวการใชเอนไซมโดยตรงจะมคาใชจายทคอนขางสงกวาและไมคมทนสาหรบการยอยสลาย
วตถดบทมปรมาณมาก แตจะมประสทธภาพการยอยสลายวตถดบไดดกวาการใชจลนทรยจากพช และ
ในทางตรงกนขามการใชวธการเปลยนดวยจลนทรยจะเหมาะกบการใชในการยอยสลายในปรมาณทมากและ
จากดในเรองของตนทน ทงนตองพจารณาถงวตถดบตงตนทนามายอยสลายดวยและทง 2 แบบนนบวาเปน
ขนตอนทชามาก โดยเฉพาะการไฮโดรไลซสดวยเอนไซมของวสดประเภทลกโนเซลลโลส เนองจากวามการ
ไฮโดรไลซสเซลลโลสเปนตวขดขวาง โดยโครงสรางของวตถดบสารตงตนเอง เชน ลกนนและสวนของเฮม
เซลลโลส พนทผว และความเปนผลก เปนตน ดงนนกระบวนการปรบสภาพภายใตสภาวะทเหมาะสมจะ
ชวยทาใหเพมปรมาณนาตาลจากกระบวนการไฮโดรไซสดวยเอนไซมได ซงรายละเอยดเกยวกบเอนไซมจะ
ไดกลาวถงในหวขอตอไปน
หนา 12
5.2.3.1 เอนไซม
เอนไซม คอตวเรงปฏกรยาทางชวภาพทเกดขนภายในเซลลและเนอเยอของสงมชวต
(biocatalyst) เอนไซมจะเรงเฉพาะชนดของปฏกรยาและชนดของสารทเขาทาปฏกรยา โดยจะสามารถลด
พลงงานกอกมมนตทาใหเกดปฏกรยาไดเรวขนและทาใหมอตราเรวของปฏกรยาไดภายใตสภาวะทไมรนแรง
ซงเอนไซมจะเขาไปทาปฏกรยากบสารทเรยกวา สบสเตรต (substrate)
รปท 82 แสดงลกษณะโมเลกลของเอนไซม
ทมา : http://www.geocities.com/yon_lap/lprotein.htm
ลกษณะของเอนไซมโดยสวนใหญแลวจะมลกษณะรปรางมวนเปนกอน อาจมมวลโมเลกล
10,000 ถงมากกวา 1 ลาน ซงเปนสารประกอบโปรตน หรอพอลเพปไทด บางชนดประกอบดวยพอลเพป
ไทดเพยงสายเดยว บางชนดประกอบดวยพอลเพปไทดหลายสายและมกมไอออนของโลหะหรอโมเลกลท
ไมใชโปรตนอยดวย จะสามารถทางานไดดนนกขนอยกบลกษณะโครงรปของโปรตน ( conformation) ทม
การขดตวแบบจาเพาะและเรยงลาดบของกรดอะมโนนนดวย เอนไซมบางชนดไมสามารถทางานไดหากขาด
สวนประกอบอนๆทจาเปนนอกเหนอจากโปรตน (มนตร และคณะ, 2543) เอนไซมททางานเมอมไอออนของ
โลหะเรยกวา แฟกเตอร เชน Fe2+, Mg3+
และ Mn2+
หรออาจเปนสารประกอบอนทรยเรยกวาโคเอนไซม
(coenzyme) สวนของเอนไซมทประกอบไปดวยโคเอนไซมหรอไอออนของโลหะจะเรยกวาโฮโลเอนไซม
(holoenzyme) และสวนทเปนโปรตนจะเรยกวาอะโพเอนไซม ( apoenzyme) โดยสวนใหญของโคเอนไซม
เปนสารอนทรยหรออนพนธของวตามน
หนา 13
5.2.3.2 กลไกการทางานเอนไซม
เอนไซมเปนโปรตนลกษณะกลม ทาใหมบรเวณเรง ( active site) ซงมลกษณะเปนรองบนผว
ของโมเลกล โดยเอนไซมสามารถจบกบสารตงตนทเรยกวา สบสเตรต ไดพอดกบบรเวณเรง มความจาเพาะ
เจาะจงจนกลายเปนสารเชงซอนทเรยกวา เอนไซมกบสเตรตคอมเพลกซ (enzyme-substrate complex) ดง
รปท 2.10 เปนผลใหโมเลกลของสบเสรตมความวองไวมากขน ตองการพลงงานเรมตนนอยลง เกดปฏกรยา
ไดอยางรวดเรว เมอปฏกรยาสนสด ทาใหมการแปรสภาพของสบสเตรตเปลยนเปนผลผลต เชน มการสลาย
พนธะ หรอมการสรางพนธะของสบสเตรตขนมาใหม แลวเกดสารผลตภณฑขน ตามทฤษฎแมกญแจและลก
กญแจ ( lock-and-key model) ของอมล ฟชเชอร ( Emil Fischer) หลงจากนนเอนไซมกจะหลดออกจาก
โมเลกลและเขาไปจบกบสบเสรตตวอน กระตนใหเกดปฏกรยาเชนนอก
รปท 83 แสดงกลไกการทางานเอนไซม
ทมา : http://www.geocities.com/yon_lap/lprotein.htm
หนา 14
ทฤษฎแมกญแจและลกกญแจ ( lock-and-key model) ของอมล ฟชเชอร ( Emil Fischer) ไดอธบาย
กลไกการทางานของเอนไซมคอ เอนไซมเปรยบเสมอนลกกญแจและสบสเตรตเปรยบเสมอนแมกญแจ ซง
จะเกดการเปลยนแปลงเมอไขดวยลกกญแจ และลกกญแจจะตองมโครงสรางทเขากนไดกบแมกญแจจงจะใช
ไขกนไดลกกญแจแตละดอก แสดงดงรปท 84 ตอมาเดเนยล โคชแลนด (Daniel Koshland) ไดเสนอทฤษฎ
เหนยวนาใหพอด (induced fit model) โดยเสนอวาบรเวณเรงของเอนไซมไมจาเปนตองอยในลกษณะขนาด
และรปรางทางเลขาคณตทลงตว แตสามารถยดหยนไดดวยการเรยงตวของหมอลคล ( R-group) ของกรดอะ
มโนใหม และเมอถกชกนาดวยโมเลกลของสบสเตรต บรเวณหมเอนไซมจบกบหมตางๆบนสบสเตรตได
พอด
รปท 84 ทฤษฎแมกญแจและลกกญแจ
ทมา : http://www.geocities.com/yon_lap/lprotein.htm
ปจจยทมผลตอการทางานของเอนไซม
(i) ความเขมขนของเอนไซม
เมอมสบสเตรตจานวนมากพอ ปฏกรยาเคมทเกดขนจะเปนสดสวนกบความเขมขนของ
เอนไซม คอ เมอความเขมขนของเอนไซมมเพมขน จะทาใหอตราเรวของปฏกรยาเพมมากขนดวย
หนา 15
รปท 85 ผลของความเขมขนของเอนไซมตออตราเรวของปฎกรยา
ทมา: http://www.geocities.com/yon_lap/lprotein.htm
(ii) อณหภม
อตราการทางานของเอนไซมจะเพมขนเมออณหภมสงขน จนถงระดบหนงการทางานของ
เอนไซมจะมอตราการทางานสงสด แตเมออณหภมสงกวานอตราการทางานกลบลดลง เพราะมการ
เปลยนแปลงรปรางของโปรตนทเปนองคประกอบของเอนไซม อณหภมทเหมาะสมตอเอนไซมทวไป
ประมาณ 25-50 ᵒC แสดงดงรปท 86
รปท 86 ผลของอณหภมทมตออตราเรวของปฎกรยา
ทมา: http://www.geocities.com/yon_lap/lprotein.htm
Temperature (ᵒC)
Rate of enzyme- Catalysed reaction (velocity ν)
Rate of enzyme- Catalysed reaction (velocity ν)
20 50
หนา 16
(iii) ความเปนกรด-เบสหรอ pH
pH มผลตอการทางานของเอนไซม เพราะเอนไซมจะคงสภาพอยไดในชวง pH ทจากดเทานน
เอนไซมโดยทวไปทางานไดดสภาวะเปนกลางคอ 4.8 แสดงดงรปท 87
รปท 87 ผลของความเปนกรด-เบสทมตออตราเรวของปฎกรยา
ทมา: http://www.geocities.com/yon_lap/lprotein.htm
5.2.3.3 การเพมประสทธภาพกระบวนการไฮโดรไลซสดวยเอนไซม
กระบวนการไฮโดรไลซสดวยเอนไซมมปจจยเกยวของกบวตถดบตงตน การทางานของ
เอนไซมเซลลเลส สภาวะเงอนไขทใช (อณหภม ความเปนกรด-เบส และปจจยอนๆ) การเพมผลผลตหรอ
อตราการเกดกระบวนการไฮโดรไลซสดวยเอนไซม มรายละเอยดคอ
(i) สารตงตน
ความเขมขนของสารตงตนมผลตอผลผลตทไดและอตราเรมตนของปฏกรยาเอนไซมไฮโดรไล
ซสของเซลลโลส การเพมความเขมขนของสารตงตนมผลตออตราการเกดปฏกรยาไฮโดรไลซสดวยเอนไซม
โดยทระดบความเขมขนตา จะมผลผลตทตาและอตราการเกดปฏกรยาสงมาก และทระดบความเขมขนสง
มากๆ จะสามารถยบยงตวมนเองได โดยปรมาณของสารทเปนตวยบยงจะขนอยกบอตราสวนระหวางสารตง
ตนตอเอนไซม ทาใหเกดอตราการเกดปฏกรยาตา
(ii) เอนไซมเซลลเลส
การเพมปรมาณเอนไซมเซลลเลสมผลทาใหอตราการเกดกระบวนการไฮโดรไลซสดวยเอนไซม
ทางานไดดมากขน แตการใชเอนไซมมากกสงผลตอความไมคมทน สวนประกอบของเอนไซมเซลลเลสคอ
cellulolytic enxyme ทยอยเซลลโลสใหไดปรมาณนาตาลโมเลกลใหเลกลงได โดยสวนใหญแลวมกจะมการ
ใชปรมาณเอนไซมท 7-33 FPU ตอกรมสารตงตน และเวลาทใช 48-72 ชวโมง เชน ปรมาณสาร 15 FPU
pH
Rate of enzyme- Catalysed reaction (velocity ν)
4.8-7.0 1.0 14
หนา 17
เวลา 72 ชวโมง ทงนการเปลยนแปลงเซลลโลสของเอนไซมเซลลเลสทใชจะสามารถทางานไดดนนจะขนอย
กบเปนสงแวดลอม เชน ความชน ปรมาณออกซเจน ไนโตรเจน อณหภม pH องคประกอบของคารบอน
ชนดอน ความเปนผลกของเซลลโลส พนทผว และทสาคญคอปรมาณของลกนน เพราะการมลกนนจะมผล
ทาใหเกดการกนการทางานของเซลลโลส ดงนนการกาจดลกนนจะมผลทาใหเอนไซมทางานไดดยงขน
กระบวนการไฮโดรไลซสดวยเอนไซมมการทางานอย 3 ขนตอนคอ ขนตอนแรกจะเกดการดดซบ
เอนไซมเซลลเลสบนพนผวของเซลลโลส ขนตอนทสองจะเกดการยอยสลายทางชววทยาเพอใหเกดการหมก
ของนาตาล และขนตอนทสามจะมการดดซบของเซลลเลสจนกวาจะไมสามารถทางานไดอก การทางานของ
เซลลเลสจะลดลงระหวางทเกดกระบวนการไฮโดรไลซส การใชเซลลเลสผสมกบเอนไซมอนมผลทาใหเกด
การยอยเซลลโลสไดดขน เชน การเตม β-glucosidase ทนยมนามาใชคกนกบเอนไซมเซลลเลส แตขอเสย
คอถามมากเกนไปจะทาใหเกดสารทเปนตวยบยงการทางานขนได สงผลใหอตราการเกดผลผลตทไดนอย
ตามมาดวย
(iii) ผลขางเคยงจากผลตภณฑสดทาย
ผลตภณฑทเกดขนจากปฏกรยาอาจจะมผลในการยบยงกจกรรมของเอนไซมหรอปฏกรยาได
เชน จากเซลลบโอสหรอเซลลโลสทเพมมากขน มหลายวธทชวยไมใหเกดการยบยงขน เชน การใชเอนไซม
ทมความเขมขนสงขน การเตมเอนไซมบางชนดเขาไปเพอเพมกจกรรมการแปลงสภาพเซลลบโอส การเอา
นาตาลเชงเดยวทไดออกทนทโดยใชเยอกรอง การเปลยนแปลงเซลลโลสไปเปนนาตาลและเอทานอลอยาง
รวดเรวในเวลาอนสน เชน กระบวนการ simultaneous saccharification and fermentation
53 การวเคราะหองคประกอบของนาตาลดวยวธ HPLC
High Performance Liquid Chromatography (HPLC) คอวธการแยกของผสมเพอหาชนดและ
ปรมาณขององคประกอบแตละตวของวตถดบ เปน วธการตรวจสอบองคประกอบของสารทมความถกตอง
และแมนยา ดวยการใชของเหลวเปนเฟสในการเคลอนทในระหวาง 2 เฟส คอ Stationary phase กบ
mobile phase ในสวน Station phases นนเปนสารทอยนงในคอลมน สวน mobile phase คอ สารทเคลอน
ผานคอลมนและเกดแรงดงดดระหวางสารประกอบกบ Stationary phase และยงมอกวธหนงทนยมใชใน
กรณทมปรมาณทนอยคอเทคนค Gas Chromatography (GC) ซงจะเปนการใชแกสเปนเฟสในการเคลอนท
วตถประสงคงานวจยเลอกใชวธน เพอวเคราะหหาองคประกอบของนาตาลของหนอไมและไมไผ ซง
ไดแก กลโคส กาแลกโตส ไซโลส แมนโนส และอะราบโนส รวมไปถงนาตาลองคประกอบอนๆ ดวย โดยจะ
แบงการวเคราะหเปน 2 ประเภท คอการวเคราะหจากกระบวนการปรบสภาพดวยสารละลายกรดซลฟวรก
เจอจางทสภาวะตางๆ ซงสามารถวเคราะหจากสารละลายโมโนแซกคาไรดทไดจากการยอยสลายเฮม
เซลลโลสดวยกรดไดโดยตรง และการวเคราะหจากกระบวนการไฮโดรไลซสดวยเอนไซมเซลลเลสรวม
กบเบตากลโคซเดสตามลาดบ
หนา 18
5.3.1 หลกการและทฤษฎของ HPLC
Liquid Chromatography จะใชของเหลวเปนเฟสในการเคลอนท โดยสารแตละชนดจะเคลอนทดวย
ทศทางทตางกนภายใน stationary phase ซงเปนอนภาคเลกๆ (โดยทวไปประมาณ 5-50 mm) บรรจใน
คอลมนทมเสนผานศนยกลาง 1-5 มลลเมตร โดยขนอยกบ equilibrium distribution ของสารนนๆ ระหวาง
stationary phase กบ mobile phase เพมอตราการไหลใหได 1-2 มลลลตร/นาท ป มจะเปนตวใหความดน
กบวฎภาคเคลอนทหรอตวทาละลาย ผานคอลมนระหวางป มกบระบบฉดสาร ซงตอกบคอลมนเพอรบสารท
ฉดเขาไปโดยป มฉดหรอวาลว ระบบสญญาณตอทปลายคอลมน วดการแยกของสารโดยโครมาโตแกรม
บนทกโดยระบบบนทกสญญาณ ดงรปท 88
รปท 88 การเคลอนทในทศทางตางๆกน (differential migration) ของสาร A, B และ C
ทมา : คมอหลกสตรเขมขนการวเคราะหโดยใชเครอง HPLC
จากรปท 88 พบวาการเคลอนทของสาร A จะออกจากคอลมนกอนสาร B และ C ตามลาดบ และถา
พจารณาเฉพาะอนภาคเดยวๆ ของ packing (stationary phase ทบรรจอยในคอลมน) กบสาร A และ C
(รปท 88) สาร C ท equilibrium สวนใหญจะอยใน stationary phase มเพยงสวนนอยของโมเลกลทอยใน
mobile phase ซงตรงขามกนกบสาร A สวนใหญจะอยใน mobile phase มากกวา และเคลอนทออกจาก
คอลมนไดเรวกวาสาร C แตโมเลกลของ solvent หรอ mobile phase (S) จะเคลอนทผานคอลมนไดเรวสด
ลกษณะทสองของการแยกคอ การแพรกระจายของโมเลกลไปตามความยาวของคอลมนซงเปนลกษณะทาง
กายภาพ จากรปท 89 แสดงถงภาพตดขวางทตอนบนของคอลมนอนประกอบดวยอนภาคตงแตหมายเลข
1-10 และโมเลกลของตวอยางคอรป X อยทสวนบนของคอลมน ในระยะแรกนโมเลกลจะรวมตวกนอย
ในชวงแคบๆซงเมอวดความกวางในแนวตงจะเรยกเปน initial band width
ขบวนการท 2 ของการแพรกระจายของโมเลกลในรป 89 (c) คอ mobile phase mass transfer ซง
หมายถง ความแตกตางของอตราการไหลไปยงสวนตางๆรอบๆบรเวณอนภาค ในรป (c) ระหวางอนภาค 1
และ 2 จะพบวาของเหลวทอยตดกบอนภาคจะเคลอนทไดชามากหรอไมเคลอนทเลย ขณะทของเหลว
Stationary phase column
หนา 19
บรเวณตรงกลางจะไหลไดเรวทสด อนเปนผลใหโมเลกลของตวอยางทอยใกลอนภาคเคลอนทไดระยะทาง
สนๆ แตโมเลกลทอยตรงกลางเคลอนทไปไดระยะทางมากกวา
รปท 2.16 (d) แสดงถง stagnant mobile phase mass transfer ทเกดขนในรพรนของอนภาคทอย
ในคอลมน ซงจะม mobile phase เขาไปอยและไมเคลอนท หรอ stagnant ใน (d) แสดงถงรพรนของ
อนภาค 5 ทมโมเลกลของตวอยางเคลอนทเขาออกโดยการแพร โมเลกลเหลานถาแพรไปในระยะทางสนๆ
ในรและแพรออกมาจะกลบส mobile phase ไดเรว หลงจากนนจะเคลอนทลงมาตามคอลมน แตถาโมเลกล
ใดเคลอนทเจาไปอยในรนานจะกลบเขาส mobile phase ชา ทาใหเคลอนทไปในคอลมนไดระยะทางทส น
กวา
หนา 20
mobile phase mass transfer
(c)
Stagnant mobile phase mass transfer
(d)
stationary phase mass transfer
(e)
start Eddy diffusion
(a) (b) แสดงการเกด retention ใน LC
Initial band width
Final band width
Stationary phase (s)
Mobile phase (m)
Differential migration
Cm Am
Cs As
A C
รปท 89 แสดงการแพรกระจายของโมเลกลใน LC
ทมา : คมอหลกสตรเขมขนการวเคราะหโดยใชเครอง HPLC
หนา 21
รปท 90 แสดงถงผลของขนาดอนภาคทมตอ eddy diffusion
ทมา : คมอหลกสตรเขมขนการวเคราะหโดยใชเครอง HPLC
รป 91 ผลของชองวางใน packing ทมตอ eddy diffusion
ทมา : คมอหลกสตรเขมขนการวเคราะหโดยใชเครอง HPLC
Result
หนา 22
รปท 90 (e) แสดงถงผลของ stationary phase mass transfer หลงจากโมเลกลของตวแพรเขาไป
ในร พวกมนจะเคลอนทผาน stationary phase หรอบางครงจะตดอยกบ stationary phaseเลย ถาโมเลกล
เหลานเคลอนทผานเขาไปใน stationary phase ลกมากๆกจะใชเวลานาน และเคลอนทไปในคอลมนได
ระยะทางสนเชนเดยวกบใน ( d) สวนโมเลกลใดทผานเขาและออกจาก stationary phase โดยใชเวลาเพยง
เลกนอยกจะกลบเขาส mobile phase เรว และเคลอนทไปในคอลมนไดมากกวา
รป 92 ผลของขนาดของอนภาคตอ mass transfer
ทมา : คมอหลกสตรเขมขนการวเคราะหโดยใชเครอง HPLC
ในรป 92 จะเหนไดวาถาลดขนาดของอนภาคลงแลว ผลของ mass transfer จะลดลงดวย ทาใหได
พคทแคบ และสงสดทายทเกยวของกบการแพรกระจายของโมเลกล longitudinal diffusion หรอ random
molecular diffusion ซงหมายถงการแพรของโมเลกลของตวอยางไปในทกทศทกทางตลอดเวลาไมวา
mobile phase จะหยดนงหรอเคลอนทกตาม longitudinal diffusion (รปท 93) นมผลเลกนอยใน LC ทวไป
แตจะมผลมากถาอตราการไหลของ mobile phase ตาและอนภาคในคอลมนมขนาดเลก
หนา 23
รปท 93 แสดงการแพรกระจายของโมเลกลแบบ longitudinal diffusion
ทมา : คมอหลกสตรเขมขนการวเคราะหโดยใชเครอง HPLC
5.3.2 สวนประกอบของ HPLC
HPLC สารละลายทเปน mobile phase ซงกรองแลวจาก solvent supply ถกดดโดยป มเขาส
คอลมน ขณะเดยวกนกพาเอาสารผสมทฉดเขาบรเวณ injector เขาสคอลมนเพอแยกดวย สารประกอบแต
ละชนดทแยกออกมาจากคอลมนสามารถตรวจวดไดโดยใชตวตรวจวดและบนทกผลออกมาเปนพท
recorder ดงนนสวนประกอบทสาคญอยางนอยทสดทเครอง HPLC ควรจะมไดแก
- Mobile phase (solvent supply)
- Pump (solvent delivery system)
- Injection
- Column
- Detector
- Recorder
และสวนทแสดงเปนเสนประในรปท 94 หมายถง สวนประกอบพเศษอนๆทใชเพมเตมเพอความ
สะดวกสบายมากขน
Random molecular diffusion- longtitutinal diffusion
-Small effect in LC - significant at low flow rates
หนา 24
รปท 94 สวนประกอบของเครอง HPLC
ทมา : คมอหลกสตรเขมขนการวเคราะหโดยใชเครอง HPLC
-Mobile phase เปนสารละลายทใชนาสารทตองการวเคราะหผานเขาไปในคอลมนเพอทาการแยก การเลอก
ชนดของ mobile phase ขนกบสงตอไปนคอ
1) System compatibility หมายถง ความสามารถในการละลายซงกนและกนระหวาง Mobile phase
นนคอ ระบบของ mobile phase อนใหมตองเขากนไดกบ Mobile phase เกา ถาเขากนไมไดกตองลาง
ระบบเกาดวย Mobile phase ทเปนตวกลาง (intermediate solvent) กอนซงเปน mobile phase ทละลาย
ไดทงใน Mobile phase เกาและใหม สาเหตทตองทาเชนนกเพอปองกน การเกด colloid ของ detector ซง
จะทาใหเกด drift หรอ noise
2) คอลมน การเลอกชนดของ Mobile phase ขนกบสารทใชบรรจในคอลมน ถาสารทบรรจใน
คอลมนเปน bonded phase เชน RP-18 mobile phase ทใชกตองม polarity สงกวาเชน นา acetonitrile
และ methanol เปนตน แตถาสารทใชบรรจคอลมนม polarity สงควรใช Mobile phase ทเปนสาร non-
polar
3) Solubility with the sample Mobile phase ทใชควรละลายตวอยางเพราะถาไมละลายสวนทเปน
ตะกอนจะตดอยท syringe หรอ injection valve หรอทสวนบนของคอลมนทาให Mobile phase ไหลผานไป
ไมไดเนองจากความดนกลบสงมาก (HPLC ควรมความดนไมเกน 3,000 psi) ถาตวอยางไมสามารถละลาย
ใน Mobile phase กควรเลอกละลายในสารละลายทละลายไดดทสดและเตรยมใหมความเขมขนสงๆจากนน
จงดดมาเพยงเลกนอยและทาใหเจอจางดวย Mobile phase
4) Solvent quality มกม stabilizers รวมอยดวย เชน ใน chlorinated solvent หรอ chloroform ม
methanol หรอ ethanol อยมากกวา 1.0%(v/v) เพอปองกนการเกดกรด HCI และ phosgene เมอ
Solvent supply programmer
Solvent supply
recorder
column
pump
injector(s)
detector(s) recycle
Collect or waste
หนา 25
chloroform ระเหยไป เพราะกรด HCI ทเกดขนสามารถกดกรอนสวนทเปน stainless steel ได ใน
สารละลาย tetrahydrofuran (THF) ม butylated hydroxytoluene (BHT)เปน stabilizer เพอปองกนการเกด
peroxide ดงนนสารละลายแตละชนดและของแตละบรษทจะมสวนประกอบแตกตางกนไป จงควรบนทกไว
ดวยวาใช solvent และม stabilizers อยในปรมาณเทาใด เพอใหผลการทดลองแตละครงเหมอนเตม solvent
เหลานโดยมากมกบรรจภายใตบรรยากาศของกาซไนโตรเจน นอกจากนน stabilizers ทยงปนอยนยงมผล
ตอ chromatography อกดวย ดงในรป 95 (a) และ (b) ซงเปรยบเทยบระหวาง chromatogram ทไดจาก
การใช และ โดยพบวาเมอใช แลว เวลาทใชในการวเคราะหจะสนลง
4) นา นากลนทใชโดยทวไปถาไมสะอาดจะมเชอจลนทรยปนอย จงตองกรองดวยแผนกรองทม
ขนาดของรพรน 2 ไมโครเมตรหรอเตมรอยละ 0.02 ไปในนา และควรเกบไวในภาชนะทเปนแกวมากกวา
เปนพลาสตก
รปท 95 (a) (b) chromatogram ทไดจากการใช unstabilized chloroform และ stabilized
Chloroform ทมา : คมอหลกสตรเขมขนการวเคราะหโดยใชเครอง HPLC
Mobile phase preparation
การเตรยม mobile phase preparation กอนนาไปใชควรกรองไลฟองอากาศออก (degas) สาเหตท
ตองกรองกเพอปองกนอนภาคขนาดใหญไมใหไปอดตนอยในคอลมน ซงจะทาใหความ
ดนกลบสงตวคอลมนจะเสยหรอเสอมประสทธภาพลง และป มเสอมทางานได flow rate ไมคงท
นอกจากนนยงทาใหทฉดตวอยางสกและรวได การกรองสามารถทาไดโดยการผานสารละลายไป
บนแผนกรองทขนาดรพรน 0.45-0.5 ไมโครเมตร และใชป มทมความดนประมาณ 25 Hg เปนเครองมอชวย
ในการดดสารละลาย ชนดของแผนกรองทใชม 2 แบบ แบบทเปน Teflon ซงกรองสารไดทกชนดรวมทงนา
หนา 26
แตตองใสเมทานอลลงบนแผนกรองกอน อกแบบหนงคอทาดวย cellulose acetate ซงกรองไดเฉพาะ
สารละลายทเปนนาหรอทมนาเปนสวนประกอบเทานน ในการกรองควรทงสารละลายสวนแรกไป เพราะอาจ
มสารจาพวก surfactant, glycerin หรออนๆปนอย และควรใชแผนกรอง 1 แผน ตอ solvent 1 ชนด
สวนสาเหตทตอง degas กเพอปองกนการเกดฟองอากาศใน cell ของ detector ซงตองระวงอยาง
มากกบสารละลายจาพวกทละลายกบนาได วธ degas ทาไดหลายวธ เชน โดยการวางขวดทใสสารละลาย
ลงใน ultrasonic bath หรอกาซอเลยมพนลงไปแทนทอากาศในสารละลายการใชความรอน หรอกรอง
สารละลายทใชป มสญญากาศ กจดเปนวธ degas อกวธหนง การ degas นทานานประมาณ 5-20 นาท จาก
รปท 95 แสดงขวดทใชเกบ mobile phase ของ Hewlett Packard ซงทาดวยแกวหรอ stainless steel ถา
ตองการทาแทนอยางงายๆอาจใช Erlenmeyer flask กบ magnetic stirrer เทานน ในระบบนประกอบดวย
filter ทใชกรองสารซงมรขนาดรพรน 2 ไมโครเมตร และทสวนประกอบทชวยในการ degas คอ heater,
stirrer ทอสาหรบพนกาซเฉอยและทาใหเปนสญญากาศ กาซเฉอยทใชสวนใหญคอกาซฮเลยม เพราะกาซ
ฮเลยมละลายในของเหลวเกอบทกชนดไดนอยมาก นอกจากนนสวนทวางตอนบนของสารละลายในขวดท
เปนกาซฮเลยมกมขอดดวยคอปองกนการละลายกลบของกาซออกซเจนใน mobile phase และลดการตดไฟ
ของสารไวไฟทระเหยงาย
รปท 96 Schematic of mobile phase reservoir (Helett-Packard)
ทมา : คมอหลกสตรเขมขนการวเคราะหโดยใชเครอง HPLC
Temperature sensor
stirrer
filter
Immersion heater Drain
valve
solvent Waste container
Vacuum pump
Purge gas relief valve
Purge gas in
To vent
หนา 27
ขอควรระวงเกยวกบ Mobile phase
(1) ควรเตรยมใหมทกครงเพอใหผลการแยกเหมอนเดม สารทเตรยมและคางคนไมควรนากลบมา
ใชใหม เพราะจะทาใหคา retention time, resolution หรอ peak เปลยนแปลงไป ถาจะเกบคาง
คนควรแชเยน และปดฝาใหมดชด
(2) เลอกใช Mobile phase ใหเหมาะสม กบชนดของคอลมน เชน ตากวา 2 หรอมากกวา 8
เพราะ silica gel จะละลายไดท pH มากกวา 8
(3) ไมควรใช Mobile phase ทเปนสารละลายบฟเฟอรทม halogen ion อยดวย KCI NaCl หรอ
Mobile phase ททาใหเกด เพราะสามารถกดกรอน flow line stainless steel ได
เอกสารอางอง
กลาณรงค ศรรอด, สรผล โกสนทรเสนย, เกอกล ปยะจอมขวญ, สทธพนธ แกวสมพงษ, ปฐมา จาตกานนท
และสทธโชค วลลภาทตย. (2548), การพฒนาการผลตเอทานอลจากวสดเหลอทงทางการเกษตร
เพอลดตนทนการผลตและปลอดจากผลกระทบตอสงแวดลอม. รายงานวจยเสนอสานกงาน
คณะกรรมการวจยแหงชาต จานวน 120 หนา
นคร ทพยาวงศ (2552), เทคโนโลยการแปลงสภาพชวมวล. สานกพมพ สมาคมสงเสรมเทคโนโลย (ไทย-
ญปน) กรงเทพฯ.
วอสร รอดทศนา. (2548), การผลตเอทานอลจากกากตะกอนเยอกระดาษเหลอทง. วทยานพนธวศวกรรม
ศาสตรมหาบณฑต มหาวทยาลยเกษตรศาสตร.
วไลวรรณ ลนะกล. (2552), ผลของการทาปฏกรยาดวยกรดเจอจางกบไมไผตอการผลตเอทานอล .
วทยานพนธวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต มหาวทยาลยเชยงใหม.
สนนน รงสกาญจนสอง. (2534), คมอหลกสตรเขมขนการวเคราะหโดยใชเครองมอ HPLC. สานกพมพแหง
จฬาลงกรณมหาวทยาลย. กรงเทพฯ.
A.T.W.M. Hendriks and G. Zeeman, “Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic
biomass,” Bioresource Technology, vol. 100, (no. 1), pp. 10-18, 2009.
B. Qi, X. Chen, and Y. Wan, “Pretreatment of wheat straw by nonionic surfactant-assisted dilute
acid for enhancing enzymatic hydrolysis and ethanol production,” Bioresource Technology,
vol. 101, (no. 13), pp. 4875-4883, 2010.
C.A. Cardona Alzate and O.J. Sánchez Toro, “Energy consumption analysis of integrated
flowsheets for production of fuel ethanol from lignocellulosic biomass,” Energy, vol. 31, (no.
13), pp. 2447-2459, 2006.
หนา 28
C. Cara, E. Ruiz, J.M. Oliva, F. Sáez, and E. Castro, “Conversion of olive tree biomass into
fermentable sugars by dilute acid pretreatment and enzymatic saccharification,” Bioresource
Technology, vol. 99, (no. 6), pp. 1869-1876, 2008.
Recommended