ศ. ดร.สาวิตรี ลิ่มทอง
ภาคีสมาชิก สำนักวิทยาศาสตร์
มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
ปัจจุบันการผลิตเอทานอลเพื่อเป็นเชื้อเพลิงในประเทศไทยมักใช้เทคโนโลยีและยีสต์ที่นำเข้าจากต่างประเทศ ซึ่งมักประสบปัญหาเนื่องจากสภาพอากาศที่ร้อนตลอดปีของประเทศไทย โดยเฉพาะในฤดูร้อน ทั้งนี้ อุณหภูมิภายนอกมีผลต่ออุณหภูมิในถังหมัก โดยเมื่ออุณหภูมิสูงเกินไปจะทำให้ยีสต์ผลิตเอทานอลได้ต่ำลง นอกจากอุณหภูมิจากสภาวะแวดล้อมภายนอกแล้ว ในการหมักเพื่อผลิตเอทานอล หากใช้ยีสต์ที่ให้อัตราการผลิตเอทานอลสูง จะมีความร้อนเกิดขึ้นในอัตราที่สูงด้วย เมื่ออุณหภูมิในถังหมักสูงขึ้น การผลิตเอทานอลจึงมีอัตราต่ำลงหากหมักด้วยยีสต์สายพันธุ์ทั่วไป ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสายพันธุ์ที่ชอบอุณหภูมิปานกลาง (mesophilic strain) การแก้ปัญหาของโรงงานอุตสาหกรรมโดยทั่วไป คือ การใช้ระบบหล่อเย็น
แนวทางอื่นที่อาจช่วยแก้ปัญหาดังกล่าวข้างต้นได้ คือ การใช้ยีสต์สายพันธุ์ทนร้อน (thermotolerant yeast) ซึ่งนอกจากสามารถเจริญและหมักเอทานอลได้ดีที่อุณหภูมิปานกลางแล้ว ยังคงเจริญและหมักเอทานอลได้ถึงแม้อุณหภูมิจะสูงขึ้น ซึ่งจะช่วยลดการใช้ระบบหล่อเย็น ทำให้ต้นทุนการผลิตลดลง นอกจากนั้น การหมักที่อุณหภูมิสูง ยีสต์มีอัตราการหมักสูงจึงผลิตเอทานอลได้เร็ว และช่วยลดปัญหาการปะปนของจุลินทรีย์อื่นในระหว่างการหมัก ยีสต์ที่ใช้ผลิตเอทานอลในประเทศไทยเกือบทั้งหมด คือ Saccharomyces cerevisiae ซึ่งเป็นยีสต์ที่ทนต่อสภาวะแวดล้อมต่าง ๆ ได้ดี แต่มักเป็นสายพันธุ์ที่ชอบอุณหภูมิปานกลาง ถึงแม้นว่ามีบางโรงงานใช้ S. cerevisiae สายพันธุ์ที่ค่อนข้างทนความร้อน ซึ่งอาจเจริญได้ที่อุณหภูมิสูงถึง ๔๐-๔๑ องศาเซลเซียส แต่การหมักมักเกิดได้ดีที่อุณหภูมิเพียง ๓๓-๓๕ องศาเซลเซียส ซึ่งไม่ดีพอสำหรับการผลิตเอทานอลในประเทศไทย
ในแง่ของการหมักเพื่อผลิตเอทานอลนั้นอาจเป็นการหมักแบบกะ (batch) หรือการหมักแบบต่อเนื่อง (continuous) การหมักแบบกะทำโดยนำวัตถุดิบมาทำให้มีน้ำตาลความเข้มข้นเหมาะสม เติมธาตุอาหารบางชนิดของยีสต์ เติมยีสต์และปล่อยให้เจริญและผลิตเอทานอล ข้อดีของการหมักแบบนี้ คือ การควบคุมทำได้ง่าย ส่วนข้อเสีย คือ ความสามารถในการผลิตเอทานอล (ethanol productivity) ต่ำ ในทางตรงกันข้าม การหมักแบบต่อเนื่องต้องใช้ผู้เชี่ยวชาญที่ควบคุมการผลิต แต่ให้อัตราการผลิตเอทานอลสูง ส่วนการหมักกึ่งต่อเนื่องแบบเฟด-แบตช์ (fed-batch) ซึ่งเริ่มด้วยการใช้น้ำตาลความเข้มข้นต่ำ แต่มีการเติมน้ำตาลลงในถังหมักเป็นช่วง ๆ ช่วยลดปัญหาการใช้น้ำตาลความเข้มข้นสูงที่ยับยั้งการเจริญและการหมักของยีสต์ ทำให้ความสามารถในการผลิตเอทานอลสูงกว่าหมักแบบกะ
ผู้บรรยายและคณะได้แยกและคัดเลือกยีตส์ทนร้อน Kluyveromyces marxianus DMKU 3-1042 (ซึ่งหมัก xylose และ arabinose ได้เล็กน้อย แต่ยังไม่มีใช้ในอุตสาหกรรมแม้จะมีการศึกษากันมากแล้ว) ที่ผลิตเอทานอลได้ดีที่อุณหภูมิ ๓๐-๔๐ องศาเซลเซียส และยังคงผลิตเอทานอลได้เมื่ออุณหภูมิสูงถึง ๔๕ องศาเซลเซียส จากนั้นจึงทดลองผลิตเอทานอลจากน้ำอ้อยในรูปของ high test molasses ซึ่งเก็บรักษาได้นาน โดย K. marxianus DMKU 3-1042 ในถังหมัก ๑๐๐ ลิตรที่อุณหภูมิ ๓๕ องศาเซลเซียส และไม่มีการกำจัดเชื้อ พบว่าการหมักแบบกะจากความเข้มข้นน้ำตาลเริ่มต้นร้อยละ ๑๘ ได้เอทานอลสูงสุดร้อยละ ๗.๑๑ น้ำหนักต่อปริมาตร ที่ ๖๖ ชั่วโมง เมื่อใช้การหมักแบบเฟด-แบตช์แบบ Sigmoidal feeding ได้ผลดีขึ้น โดยเริ่มต้นใช้อาหาร ๒๑ ลิตรที่มีน้ำตาลร้อยละ ๔ เติมน้ำตาลที่ ๖ และ ๑๒ ชั่วโมง รวมน้ำตาลร้อยละ ๑๘ ปริมาตรสุดท้าย ๘๐ ลิตร เมื่อสิ้นสุดการหมักที่ ๗๒ ชั่วโมง ได้เอทานอลร้อยละ ๗.๘๓ น้ำหนักต่อปริมาตร
ในส่วนของการหมักในถังขนาด ๔,๐๐๐ ลิตร ที่ไม่มีการกำจัดเชื้อและไม่มีการควบคุมอุณหภูมิ ผลิตเอทานอลได้ร้อยละ ๖.๙๓ น้ำหนักต่อปริมาตรที่ ๗๒ ชั่วโมง โดยการหมักแบบเฟด-แบตช์แบบ Sigmoidal feeding ใช้อาหารเริ่มต้นปริมาตร ๑,๐๐๐ ลิตร และอาหารทั้งหมด ๓,๐๐๐ ลิตร ได้เอทานอลร้อยละ ๖.๘๗ น้ำหนักต่อปริมาตรที่ ๗๒ ชั่วโมง ซึ่งดีกว่าการหมักแบบกะเพราะใช้กล้าเชื้อ (starter) น้อยกว่า ในระหว่างการหมักทั้งสองแบบ อุณหภูมิในถังหมักผันแปรในช่วง ๓๐-๓๘ องศาเซลเซียส
รูปภาพ: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sample_of_Absolute_Ethanol.jpg
