พลาสติกจากข้าวโพด ดร.ปกรณ์ โอภาประกาศิต (95,719 views) first post: Wed 2 March 2005 last update: Wed 2 March 2005 พลาสติกเป็นพอลิเมอร์ที่ปกติจะไม่สามารถย่อยสลายได้ มีประโยชน์แต่ก็เป็นขยะ การจะทำให้พลาสติกย่อยสลายได้โดยกระบวนชีวภาพ ไม่ใช่เรื่องง่าย บทความนี้อธิบายเรื่องพอลิแล็คไทด์ผลิตได้จากวัตถุดิบทางการเกษตร โดยใช้การหมักด้วยจุลินทรีย์ ดังนั้นจึงถูกย่อยสลายได้...

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 จึงมีการคาดหมายว่าปิโตรเลียมและผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องจะหมดไปจากโลกภายในแวลาอีกไม่เกิน 100 ปีข้างหน้า สาเหตุเหล่านี้ จึงเป็นปัจจัยที่ผลักดันให้เกิดการศึกษาค้นคว้าเพื่อผลิตวัสดุที่มีสมบัติทางกายภาพเทียบเคียงกับพลาสติก แต่สามารถผลิตได้จากวัตถุดิบที่ไม่ได้มาจากปิโตรเลียม และมีสมบัติที่สำคัญคือ สามารถย่อยสลายเองได้ตามธรรมชาติ ซึ่งในปัจจุบันมีการ ผลิตพอลิเมอร์ตามวัตถุประสงค์นี้ได้หลายชนิด

“ฟูซากะ อาดาจิ พนักงานของบริษัทเจวีซี (JVC) ถือแผ่นดีวีดีพลาสติกเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 เซนติเมตร ซึ่งมีความพิเศษคือเป็นดีวีดีที่ไม่ทำลายสิ่งแวดล้อม เพราะทำจากผักผลไม้ โดยในแผ่นดังกล่าวทำจากแป้งข้าวโพด” (ภาพข่าว จากผู้จัดการออนไลน์ 4 กุมภาพันธ์ 2548)

ในโอกาสนี้จะนำเสนอรายละเอียดเกี่ยวกับพอลิแล็คติก แอสิด (polylactic acid) หรือพอลิแล็คไทด์ (polylactide) ก่อน เนื่องจากเป็นวัสดุที่ได้รับความสนใจผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ทางการค้าอย่างแพร่หลายในขณะนี้ โดยพอลิเมอร์ชนิดนี้สังเคราะห์ได้จากวัตถุดิบทางการเกษตรจำพวกแป้งและน้ำตาล 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

เปลี่ยนผลผลิตจากทุ่งข้าวโพดเป็นผลิตภัณฑ์พลาสติกที่ไม่ทำลายสิ่งแวดล้อม

กระบวนการผลิตพอลิแล็คติก แอสิด เริ่มต้นจากขั้นตอนการเตรียมวัตถุดิบ โดยการปลูกข้าวโพดซึ่งใช้ก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์ (CO₂) และน้ำเป็นวัตถุดิบ ผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช ได้ผลผลิตเป็นแป้ง จากนั้นจึงนำเอาแป้งข้าวโพดมาผ่านกระบวนการหมักบ่มโดยใช้จุลินทรีย์เฉพาะ เพื่อย่อยโมเลกุลขนาดใหญ่ของแป้งและน้ำตาลเป็นกรดแล็คติก (Lactic acid, C₃H₆O₃) ซี่งใช้เป็นมอนอเมอร์ในขั้นตอนการสังเคราะห์พอลิเมอร์ โดยสามารถจำแนกได้เป็น 2 กระบวนการที่แตกต่างกัน คือ จากกระบวนการควบแน่น (polycondensation) หรือกระบวนการเปิดวง (ring-opening polymerization) ถึงแม้ว่าพอลิเมอร์ที่ผลิตได้จากทั้งสองกระบวนการนี้จะมีโครงสร้างและสมบัติต่างๆ เหมือนกันทุกประการ แต่รายละเอียดของขั้นตอนกระบวนการสังเคราะห์ที่ต่างกัน เป็นที่มาของการเรียกชื่อพอลิเมอร์ที่ได้แตกต่างกัน กล่าวคือ ผลิตภัณฑ์พอลิเมอร์ที่ได้จากกระบวนการแรกมักจะเรียกว่า พอลิแล็คติก แอสิด ทั้งนี้เนื่องจากกระบวนการนี้เริ่มต้นจากการใช้กรดแล็คติกโดยตรงจนได้พอลิเมอร์ในขั้นตอนสุดท้าย

โครงสร้างโมเลกุลของกรดแล็คติก

ตัวอย่างของจุลินทรีย์ที่ใช้หมักแป้งข้าวโพดเพื่อผลิตกรดแล็คติก (แบคทีเรีย Lactobacillus brevis.)

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 นอกจากจะสามารถลดอัตราการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์ในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์และขึ้นรูปเพื่อนำมาใช้ประโยชน์แล้ว เมื่อพิจารณาตั้งแต่ขั้นตอนเริ่มต้นในกระบวนการผลิตพอลิแล็คไทด์ จะเห็นว่าในขั้นการผลิตวัตถุดิบ คือ แป้งข้าวโพดนั้น ต้นข้าวโพดจะดูดซับก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์จากบรรยากาศมาใช้ในการสังเคราะห์แสงเป็นปริมาณมาก ดังนั้น ผลที่ได้จากทั้งสองปัจจัยนี้จึงสามารถกล่าวได้ว่ากระบวนการผลิตพอลิแล็คไทด์ ช่วยลดปริมาณของก๊าซดังกล่าวในชั้นบรรยากาศได้ ซึ่งเป็นที่ทราบดีแล้วว่าก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์นี้ เป็นหนึ่งในเป็นต้นเหตุสำคัญ ที่ทำให้เกิดสภาวะเรือนกระจก (Greenhouse effect) หรือสภาวะที่ทำให้อุณหภูมิของชั้นบรรยากาศโลกสูงขึ้น


จุดเด่นในด้านความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกประการหนึ่งของพอลิแล็คไทด์ คือสมบัติการย่อยสลายได้เองทางชีวภาพ เนื่องจากพอลิแล็คไทด์ผลิตได้จากวัตถุดิบทางการเกษตรตามที่กล่าวมาข้างต้นโดยใช้การหมักด้วยจุลินทรีย์ ดังนั้นพอลิเมอร์ชนิดนี้จึงถูกย่อยสลายได้โดยจุลินทรีย์ หรือใช้เอนไซม์เฉพาะบางชนิด



ผลจากการย่อยสลายทำให้เกิดการแตกตัวของสายโซ่ยาว ได้เป็นกรดแล็คติกกลับมาดังเดิม ซึ่งกระบวนการย่อยสลายนี้เกิดขึ้นได้ทั้งในร่างกายของสิ่งมีชีวิต หรือในสภาวะนอกร่างกาย เช่นในดินก็ได้ โดยเวลาที่ใช้ในการย่อยสลายจะแตกต่างกันไป ซึ่งจากสมบัติการย่อยสลายทางชีวภาพนี้เอง จึงมีการนำเอาพอลิแล็คไทด์ และอนุพันธ์มาใช้ประโยชน์อย่างแพร่หลาย ยกตัวอย่างเช่น ทางด้านการแพทย์ สามารถนำมาใช้เป็นวัสดุนำพาและปลดปล่อยยาไปยังอวัยวะเป้าหมาย ซึ่งจะสามารถควบคุมอัตราและระยะเวลาในการปลดปล่อยยาได้อย่างมีประสิทธิภาพ หรือใช้เป็นวัสดุปิดแผล และไหมเย็บแผลที่สลายตัวได้เองโดยไม่เป็นพิษต่อร่างกาย เป็นต้น

ตัวอย่างวัสดุที่ผลิต

ส่วนทางด้านการผลิตเป็นวัสดุพลาสติกนั้น ก็นิยมนำมาใช้ผลิตเป็นอุปกรณ์ใช้แล้วทิ้ง เช่น ภาชนะบรรจุอาหาร

ตัวอย่างวัสดุที่อุปกรณ์ทางการเกษตร

หรืออุปกรณ์ทางการเกษตร เช่น ภาชนะปลูกพืชที่ย่อยสลายได้ หรือใช้เป็นวัสดุห่อหุ้มและปลดปล่อยปุ๋ยตามช่วงเวลาที่กำหนด เป็นต้น นอกจากนี้ ในปัจจุบันมีการค้นคว้าและวิจัยอย่างกว้างขวางเพื่อพัฒนาและปรับปรุงคุณภาพของพอลิเมอร์ชนิดนี้และนำมาเป็นส่วนประกอบในการผลิตอุปกรณ์อื่นๆ ดังจะเห็นได้จากตัวอย่างการผลิตเป็นแผ่นซีดี เป็นต้น เราจะมาติดตามรายละเอียดเรื่องการใช้ประโยชน์ และกระบวนการสลายตัวทางชีวภาพของพอลิแล็คไทด์ในตอนต่อไป

โดย ดร.ปกรณ์ โอภาประกาศิต เขียนเพื่อ วิชาการ.คอม
โดยเฉพาะ (Exclusively for VCharkarn.com)

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 อีกหนึ่งในอาจารย์หนุ่มอนาคตไกล หนึ่งในนักเคมีฝีมือดีของประเทศ มีฝันที่จะเป็นอีกแรงที่ช่วยผลักดันเมืองไทยให้ไปในทางที่ดีขึ้น ขอร่วมอุดมการณ์ กับ วิชาการ.คอม เป็นอีกหนึ่งแรง ร่วมกันสร้างสรรค์สิ่งดีๆสู่สังคมไทย คอยพบกับเรื่องราวดีๆ จาก ด.ร. ปกรณ์ อีกมากมายหลายเรื่อง ได้ที่นี่ ที่เดียว วิชาการ.คอม

เว็บไซท์ที่นำบทความนี้ไปเผยแพร่ต่อ

โครงการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ และ เทคโนโลยีในโรงเรียนชนบท (SiRS)

http://sirs.biotec.or.th/explore/content.asp?id=133&cat=34

ศูนย์เกษตรกรรมบางไทร

http://www.bangsaiagro.com/news_detail.asp?newsid=05531191748419

นาคาเว็บบอร์ด


http://www.bn.ac.th/yabbse/index.php?board=3;action=display;threadid=352

http://www.phatna.ac.th/news_db/article.php?id=155

---

 

ขอบคุณผู้สนับสนุน