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.