พลาสติกจากข้าวโพด

พลาสติกจากข้าวโพด

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

กระบวนการผลิตพอลิแล็คติก แอสิด


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

จุดเด่นในด้านความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

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

tags :

บทความอื่นๆ

หลักการใช้ in, on, at ในภาษาอังกฤษอย่างไรไม่ให้พลาด

หลักการใช้ in, on, at ในภาษาอังกฤษอย่างไรไม่ให้พลาด new post

ช็อตเด็ด!!! เสวนาทะลุมิติวิทยาศาสตร์กับ Interstellar ตอน สัมพัทธภาพพิเศษ กับ มายาคติของ อดีต ปัจจุบัน และอนาคต

ช็อตเด็ด!!! เสวนาทะลุมิติวิทยาศาสตร์กับ Interstellar ตอน สัมพัทธภาพพิเศษ กับ มายาคติของ อดีต ปัจจุบัน และอนาคต

ช็อตเด็ด!!! เสวนาทะลุมิติวิทยาศาสตร์กับ Interstellar ตอน กาลอวกาศและขนมปังลูกเกด

ช็อตเด็ด!!! เสวนาทะลุมิติวิทยาศาสตร์กับ Interstellar ตอน กาลอวกาศและขนมปังลูกเกด

ช็อตเด็ด!!! เสวนาทะลุมิติวิทยาศาสตร์กับ Interstellar ตอน เวลาคือมิติที่สี่

ช็อตเด็ด!!! เสวนาทะลุมิติวิทยาศาสตร์กับ Interstellar ตอน เวลาคือมิติที่สี่

เที่ยวสนุกสไตล์ Sci trip on tour:  ฟอสซิลสัตว์ทะเลบนก้อนหินมาจากไหน และ อะไรคือน้องวัว?

เที่ยวสนุกสไตล์ Sci trip on tour: ฟอสซิลสัตว์ทะเลบนก้อนหินมาจากไหน และ อะไรคือน้องวัว?