เทคโนโลยีและกระบวนการผลิตไบโอดีเซล

Page 2 of 10

วัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตไบโอดีเซล

ไบโอดีเซลเป็นผลผลิตจากปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน(transesterification) หรือปฏิกิริยาแอลกอฮอล์ลิซิส (alcoholysis) คือ การเปลี่ยนไตรกลีเซอไรด์ที่มีอยู่ในน้ำมันหรือไขมันด้วยแอลกอฮอล์เพื่อทำให้เกิดผลิตภัณฑ์เอสเตอร์ของกรดไขมันที่เรียกว่า ไบโอดีเซล วัตถุดิบที่ใช้ในปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันมีอยู่หลายชนิดด้วยกัน เช่น น้ำมัน แอลกอฮอล์ และตัวเร่งปฏิกิริยา วัตถุดิบหลักหรือสารตั้งต้นในการผลิตไบโอดีเซลคือ น้ำมันพืชและไขสัตว์ ราคาของวัตถุดิบประเภทน้ำมันหรือไขมันคิดเป็น 60-75% ของราคาไบโอดีเซล วัตถุดิบที่มีราคาถูก เช่น ไขมันจะทำให้เสียค่าใช้จ่ายเพิ่มเพื่อทำให้ผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์ การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาและกระบวนการต่างๆ สามารถทำให้ต้นทุนมีราคาถูกลง การผลิตไบโอดีเซลจากน้ำมันพืชปกติจะมีราคาแพงกว่าน้ำมันดีเซล 10-15% ราคาที่สูงของไบโอดีเซลจึงเป็นอุปสรรคสำคัญทางการค้า มีรายงานว่าน้ำมันที่ใช้แล้วสามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตไบโอดีเซลได้ โดยมีข้อดีคือ ราคาถูก แต่ข้อเสียคือมีการปนเปื้อนมากกว่าน้ำมันพืชที่ยังไม่ได้ใช้ วัตถุดิบประเภทน้ำมันที่ใช้ในการผลิตไบโอดีเซลในปัจจุบันมี 3 ชนิดคือ น้ำมันพืช ไขมันสัตว์ และน้ำมันที่ใช้แล้ว ดังรายละเอียดต่อไปนี้

1. น้ำมันพืช

วัตถุดิบที่นำมาผลิตไบโอดีเซลมีหลายชนิดที่สำคัญคือ น้ำมันถั่วเหลือง น้ำมันปาล์ม น้ำมันจากเมล็ดฝ้ายและเมล็ดองุ่น นอกจากนี้ยังมีพืชชนิดอื่นๆ ที่สามารถนำน้ำมันมาสกัดเพื่อผลิตเป็นไบโอดีเซลได้ เช่น น้ำมันละหุ่ง น้ำมันรำข้าว น้ำมันดอกทานตะวัน น้ำมันถั่วลิสง น้ำมันงา ฯลฯ วิธีการสกัดน้ำมันออกจากพืชโดยการนำพืชหรือวัตถุดิบเหล่านั้นไปบด จากนั้นนำไปสกัดด้วยวิธี soxhlet extraction ด้วยตัวทำละลายเฮกเซน ส่วนอีกวิธีการคือ การแช่ด้วยตัวทำละลายจากนั้นนำไปกรอง น้ำมันพืชประกอบด้วยกรดไขมันอิสระที่มีจำนวนคาร์บอนตั้งแต่ 14-20 อะตอม ซึ่งมีจำนวนและตำแหน่งของพันธะคู่ที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ยังมีน้ำ sterol phospholipid กลิ่น และสิ่งเจือปนอื่นๆ ในน้ำมัน โดยพบว่าน้ำมันจากเมล็ดองุ่นมีชนิดและปริมาณของกรดไขมันดังนี้ กรดโอเลอิก>กรดลิโนเลอิก>กรดลิโนเลนิก>กรดปาล์มิติก โดยน้ำมันดอกคำฝอย (safflower oil) และน้ำมันลินซีด (linseed oil) มีกรดลิโนเลอิกและกรดลิโนเลนิกสูง ขณะที่น้ำมันปาล์มมีกรดไขมันชนิดอิ่มตัวสูงคือ กรดปาล์มิติก ประเทศที่นำน้ำมันจากพืชมาใช้ผลิตไบโอดีเซลบ้างแล้ว เช่น ประเทศสหรัฐอเมริกาใช้น้ำมันถั่วเหลือง ประเทศในทวีปยุโรปใช้น้ำมันจากเมล็ดองุ่น ประเทศอินเดียใช้น้ำมันปาล์ม สำหรับประเทศไทยสามารถใช้วัตถุดิบหลายชนิด เช่น น้ำมันปาล์มจากผลปาล์ม (palm kernel oil) และน้ำมันมะพร้าว (coconut oil) โดยน้ำมันปาล์มถูกนำมาผลิตไบโอดีเซลมากที่สุด รองลงมาคือ น้ำมันมะพร้าว น้ำมันถั่วเหลือง และสบู่ดำ (Rashid, U., and Anwar, F., 2008; Attanatho, Magmee, L., and Jenvanitpanjakul, P., 2004)

2. ไขมันสัตว์

ไขมันจากสัตว์ที่นำมาผลิตไบโอดีเซล ได้แก่ ไขมันจากไก่ น้ำมันหมูและไขมันจากวัว องค์ประกอบของไขมันสัตว์พบว่ามีกรดโอเลอิก (C18:1) มากที่สุดประมาณ 41-44% รองลงมาคือ กรดปาล์มมิติก (C16:0) 23% และกรดสเตียริก (C18:0) 13% โดยองค์ประกอบของไขมันสัตว์กับน้ำมันถั่วเหลืองมีความแตกต่างกันอย่างชัดเจนคือ น้ำมันถั่วเหลืองมีกรดลิโนเลอิก (C18:2) มากที่สุด 52% รองลงมาคือ กรดโอเลอิก 21% และกรดปาล์มมิติก 11% ไขมันสัตว์จากไก่พบว่ามีปริมาณของกรดไขมันไม่อิ่มตัวมากที่สุดเมื่อเทียบกับไขมันสัตว์ด้วยกัน ส่วนกรดไขมันอิ่มตัวมีปริมาณใกล้เคียงกับน้ำมันหมูและน้ำมันจากวัว ขณะที่ในน้ำมันถั่วเหลืองมีกรดไขมันไม่อิ่มตัวถึง 81% ซึ่งอาจเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้เกิดความแตกต่างระหว่างไบโอดีเซลจากน้ำมันถั่วเหลืองและไบโอดีเซลจากไขมันสัตว์เนื่องจากกรดไขมันไม่อิ่มตัวมีส่วนทำให้การเกิดปฏิกิริยาต่างๆ ได้ เช่น กระบวนการออโตออกซิเดชัน (auto-oxidation) และพอลิเมอรไรเซชัน (polymerization) ที่มีส่วนสำคัญกับความเสถียรต่อความร้อนของไบโอดีเซล มีการถกเถียงเกี่ยวกับปริมาณของกรดไขมันอิ่มตัวที่มีส่วนทำให้เครื่องยนต์เสื่อมสภาพลง ความหนืดของไบโอดีเซลที่มาจากไขมันสัตว์มีค่าสูงกว่าจากน้ำมันถั่วเหลืองเล็กน้อยแต่ยังอยู่ในเกณฑ์ของ ASTM อาจเนื่องมาจากน้ำมันพืชจากถั่วเหลืองมีปริมาณกรดไขมันอิ่มตัวสูงกว่าไขมันสัตว์ การใช้ไขมันสัตว์ในการผลิตไบโอดีเซลมีข้อดีคือ ราคาไม่แพง หาได้จากโรงงานอุตสาหกรรม แต่มีข้อเสียคือ ไบโอดีเซลที่ได้จะมีคุณสมบัติในการไหลเท (pour point) ต่ำ แต่สามารถแก้ไขได้โดยการกลั่นแยกส่วนก่อนทำปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน (Wyatt, VT., et al., 2005)

3. น้ำมันที่ใช้แล้ว

น้ำมันที่ใช้แล้วมีปริมาณกรดไขมันอิสระที่ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นไบโอดีเซลสูงกว่าน้ำมันที่ยังไม่ได้ใช้ สามารถตรวจสอบได้โดยการหาค่าความเป็นกรด (acid value) ด้วยวิธีการไทเทรต (titration) พบว่า น้ำมันที่ใช้แล้วมีค่าความเป็นกรดและมีความหนืดเชิงไคเนติกส์สูงกว่าน้ำมันที่ยังไม่ได้ใช้ น้ำมันที่ใช้แล้วต้องใช้ความเข้มข้นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อให้ได้ปริมาณเอสเตอร์มากกว่าน้ำมันที่ไม่ได้ใช้ประมาณ 10% ไบโอดีเซลที่ได้จากน้ำมันใช้แล้วมีสิ่งเจือปนมากกว่าน้ำมันที่ยังไม่ได้ใช้ แต่มีข้อดีคือ ทำให้ราคาไบโอดีเซลถูกกว่าน้ำมันปิโตรเลียม การใช้วัตถุดิบที่เหลือทิ้ง เช่น น้ำมันจากร้านอาหารหรือโรงงานอุตสาหกรรมมาผลิตไบโอดีเซล จะทำให้น้ำมันไบโอดีเซลมีราคาถูกลงและช่วยรัฐบาลแบ่งเบาภาระในการกำจัดวัตถุดิบที่ใช้แล้วเหล่านั้น น้ำมันที่ใช้แล้วและไขมันสัตว์ถือว่ามีคุณภาพต่ำกว่าน้ำมันพืชกลั่นบริสุทธิ์ในด้านของปริมาณกรดไขมันอิสระ จึงต้องมีการบำบัดก่อนนำมาผลิตไบโอดีเซล เช่น ไขมันสัตว์อาจมีการปนเปื้อนของกระดูกและเศษเนื้อทำให้ต้องผ่านการกรองก่อน นอกจากนี้อาจมีการเอาน้ำออกและกลั่นด้วยไอน้ำ การฟอกสี การเอาน้ำออกทำได้โดยแยกตามความหนาแน่นโดยใช้ถังในแนวราบ เพื่อลดความเข้มข้นของน้ำในไขมันที่เหลือทิ้งให้เหลือ 0.5% การเอาน้ำออกมีความจำเป็นสำหรับน้ำมันปรุงอาหารที่อาจมีน้ำปนอยู่ถึง 3 % นอกจากนี้ยังมีการกลั่นด้วยไอน้ำเพื่อทำลายโปรตีนที่เหลืออยู่ในไขมันและการฟอกสีเพื่อเอาโปรตีนที่เน่าเปื่อยออก แม้ว่าไขมันสัตว์และน้ำมันที่ใช้แล้วจะเป็นแหล่งวัตถุดิบราคาไม่แพงสำหรับผลิตไบโอดีเซลก็ตาม แต่ปริมาณของกรดไขมันอิสระที่สูงทำให้วัตถุดิบประเภทนี้ไม่เหมาะกับการผลิตไบโอดีเซลร่วมกับด่างโดยตรงเนื่องจากอาจเกิดสบู่ปะปนออกมาด้วย

ชนิดของน้ำมันที่ใช้เป็นวัตถุดิบในการทำปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน เช่น น้ำมันถั่วเหลืองที่ยังไม่ได้ใช้ น้ำมันถั่วเหลืองที่ใช้แล้ว และน้ำมันถั่วเหลืองกลั่นบริสุทธิ์ เมื่อนำมาเปรียบเทียบผลที่ได้คือไบโอดีเซลที่ได้จากน้ำมันถั่วเหลืองที่ยังไม่ได้ใช้จะมีความเสถียรมาก รองลงมาคือ น้ำมันที่ได้จากน้ำมันถั่วเหลืองกลั่นบริสุทธิ์และน้ำมันถั่วเหลืองที่ใช้แล้ว เนื่องจากน้ำมันถั่วเหลืองที่ยังไม่ได้ใช้มีสารต้านอนุมูลอิสระตามธรรมชาติ เช่น สารโทโคเฟอรอล ซึ่งเป็นสารเพิ่มความเสถียรในน้ำมันและช่วยให้การเกิดออกซิเดชันน้อยลง ส่วนในน้ำมันถั่วเหลืองกลั่นบริสุทธิ์พบว่ากระบวนการผลิตมีส่วนทำให้เกิดการสูญเสียสารต้านอนุมูลอิสระไปบางส่วนในขั้นตอนการกำจัดกลิ่น จะเห็นได้จากผลิตภัณฑ์ที่ได้จากขั้นตอนนี้คือ วิตามินอี (D-a tocopherol) ส่วนน้ำมันถั่วเหลืองที่ใช้แล้วมีการเกิดออกซิเดชันและการสลายตัวของสารเนื่องจากอุณหภูมิสูง ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ใหม่ที่ไม่พึงประสงค์และความเสถียรของเมทิลเอสเตอร์ลดลง ปริมาณกรดไขมันอิ่มตัวสูงจะช่วยทำให้การเก็บรักษามีความเสถียรมากขึ้นเมื่อเทียบกับกรดไขมันไม่อิ่มตัวที่เป็นตัวทำให้เกิดปฏิกิริยาต่างๆ เช่น auto-oxidation และ polymerization (Ferrari, R., Oliveira, VS., and Scabio, A., 2005)