คาร์บอนไดออกไซด์แล้วไง ข้องใจเหรอคะ (ตอนที่ 2)

โดย รวิศ ทัศคร

บทความในตอนนี้จะชวนคุยต่อจากคราวก่อนครับ โดยคราวนี้เราจะมามองคาร์บอนไดออกไซด์ในแง่มุมของประโยชน์ของมันบ้าง อย่างแรกเลยที่เราท่านคุ้นเคยกันในชีวิตประจำวันก็คือ ประโยชน์ของมันในการนำมาใข้งานในอุตสาหกรรมเครื่องดื่มอัดก๊าซและการผลิตน้ำอัดลมนั่นเอง

คุณเชื่อหรือไม่ว่ามนุษย์เรารู้จักน้ำแร่ธรรมชาติที่มีรสซ่ามานานโข น้ำที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวเหล่านี้เกิดขึ้นมาจากคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีเกินมาในชั้นหินอุ้มน้ำ ซึ่งละลายในน้ำภายใต้ความดัน แม้ว่าการกล่าวอ้างถึงสรรพคุณทางยาของน้ำแร่เหล่านี้จะเป็นคำกล่าวที่เกินความจริงไปมาก แต่การมีคาร์บอนไดออกไซด์ละลายอยู่ก็ทำให้น้ำแร่เหล่านี้มีรสชาติที่ดีขึ้น และมีลักษณะปรากฏที่น่าดื่มจากการมีฟองผุดพรายออกมา

เครื่องดื่มไม่มีแอลกอฮอล์ปรากฏให้เห็นครั้งแรกในสมัยศตวรรษที่ 17 (พ.ศ. 2144-2243) หลังจากนั้นในปี พ.ศ. 2310 โจเซฟ พริสลีย์ ได้ผลิตน้ำอัดก๊าซที่มีรสชาติดีที่มนุษย์เราเป็นผู้ทำขึ้นมาเป็นครั้งแรก หลังจากนั้นสามปีต่อมานักเคมีชาวสวีเดน ทอร์เบน เบิร์กแมน ได้ประดิษฐ์กระบวนการทำน้ำอัดก๊าซจากปฏิกิริยาระหว่างชอล์กกับกรดกำมะถัน ทำให้เกิดการผลิตน้ำแร่รสซ่าในเชิงพานิชย์ขึ้น

ต่อจากนั้นในปี พ.ศ. 2326 มีหนุ่มช่างทำนาฬิการายหนึ่ง ผู้ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์สมัครเล่นด้วย ชื่อ เจคอบ ชเวปส์ ได้ออกแบบระบบสำหรับผลิตน้ำแร่อัดก๊าซที่มีประสิทธิภาพ และได้ก่อตั้งบริษัทชเวปส์ขึ้นในนครเจนีวา และย้ายไปที่ลอนดอน ประเทศอังกฤษในปี พ.ศ. 2333 ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาบริษัทผลิตเครื่องดื่มปราศจากแอลกอฮอล์ยี่ห้อต่างๆ ทั่วโลกก็ได้พัฒนาเติมแต่งกลิ่นต่างๆ เข้าไปในน้ำอัดลมกันขนานใหญ่ เป็นอย่างนี้เรื่อยมา จนในปี พ.ศ. 2362 ซามูเอล ฟาห์เนสตอก ได้จดสิทธิบัตรเครื่องจ่ายน้ำอัดลมที่มีชื่อเรียกว่า “soda fountain” ซึ่งจ่ายน้ำอัดลมออกมาเพื่อขายเป็นแก้วได้

ภาพที่ 1 Soda Fountain ของซามูเอล ฟาห์เนสตอก
(อ่านรายละเอียดประวัติของร้าน Soda Fountain/ Soda Parlor ได้ใน
https://www.timetoast.com/timelines/the-history-of-the-soda-fountain )

ตั้งแต่นั้นมาในปี พ.ศ. 2435 วิลเลียม เพนท์เตอร์ ก็ได้ประดิษฐ์ฝาจีบ (crown cork) ขึ้น ตามมาด้วยการพัฒนาสายการผลิตขวดแก้วแบบอัตโนมัติโดยใช้เครื่องเป่าขวดแก้ว ที่คิดค้นโดย ไมเคิล เจ โอเวนส์ ในปี พ.ศ. 2442 ซึ่งเป็นความสำเร็จที่ประวัติศาสตร์ต้องจดจำ เพราะมันทำให้เราสามารถบรรจุน้ำอัดลมไว้ในขวดได้ โดยไม่สูญเสียความซ่าไป

พร้อมๆ กันนั้นร้านขายน้ำอัดลม หรือ soda fountain shop ก็ได้กลายเป็นที่นิยมของคนหนุ่มสาว เป็นที่นัดพบปะสังสรรค์ นั่งพูดคุยกัน คล้ายๆ กับที่ร้านไอศกรีมเป็นที่นิยมในทุกวันนี้ ซึ่งความนิยมเพิ่มสูงสุดในช่วงทศวรรษ 1920s (พ.ศ. 2463-2472) หลังจากนั้นจึงค่อยลดลง เพราะในปี พ.ศ. 2476 มีการคิดค้นตู้กดน้ำอัดลมแบบที่ใช้ในร้านฟาสต์ฟูดในปัจจุบันที่เราคุ้นเคยกัน ที่ชื่อเครื่อง Dole dispenser โดยบริษัท Dole company ซึ่งเปิดตัวในงานเวิลด์แฟร์ที่เมืองชิคาโก ซึ่งสามารถผสมน้ำโซดากับน้ำเชื่อมได้ที่หัวกด เมื่อดึงคันกระเดื่อง

ด้วยเหตุนี้ร้าน soda fountain จึงเสื่อมความนิยมไปอย่างสิ้นเชิงในช่วงทศวรรษ 1950s (พ.ศ. 2493-2502) เนื่องจากร้านฟาสต์ฟูดเริ่มมีตู้กดน้ำอัดลมให้ลูกค้ากดเอง และมีขนาดเล็กกว่ามาก และร้านสะดวกซื้อหรือร้านขายของชำก็เริ่มมีสต็อกน้ำอัดลมบรรจุขวดแก้วฝาจีบ ขายในร้านของตนเอง ร้านขายน้ำอัดลมโดยเฉพาะจึงเลิกไปในที่สุด

หลังจากนั้นวงการผลิตเครื่องดื่มอัดลมก็ได้มีการพํมนาบรรจุภัณฑ์ขึ้นมาอีกหลากหลาย ตั้งแต่กระป๋องอะลูมิเนียม ไปจนถึงขวดพลาสติกพอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต (polyethylene terephthalate) หรือขวด PET ที่ก้าวขึ้นมามีบทบาทเด่นแทนขวดแก้วแบบฝาจีบในปัจจุบัน

การผลิตคาร์บอนไดออกไซด์สำหรับใช้ในอุตสาหกรรม

ในอุตสาหกรรมมีวิธีในการผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อใช้ในเชิงพาณิชย์อยู่หลายวิธีด้วยกัน ได้แก่ การทำปฏิกิริยาระหว่างกรดกำมะถันกับโซเดียมไบคาร์บอเนต การเผาไหม้น้ำมันเชื้อเพลิง การสกัดคาร์บอนไดออกไซด์จากไอเสียของหม้อกำเนิดไอน้ำ การกลั่นแอลกอฮอล์ และการหมักเบียร์ คาร์บอนไดออกไซด์ยังเป็นผลพลอยได้ของโรงหมักปุ๋ยอีกด้วย

คาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากกระบวนการหมักในโรงหมักสุราหรือเบียร์ เมื่อให้ความร้อนแก่ผลผลิตที่ออกมาจากถังหมัก จะเกิดวัฏภาคไอที่ประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์และแอลกอฮอล์ ซึ่งสามารถนำเอาคาร์บอนไดออกไซด์เข้าเครื่องแยก (separator) เพื่อแยกฟองที่เหลืออกให้หมด จากนั้นคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกอัดแล้วฟอก (scrubbed) ด้วยน้ำในหอแบบแพ็กเบด ซึ่งจะแยกเอาสิ่งเจือปนที่สามารถละลายในน้ำได้ออก เช่น แอลกอฮอล์ คีโตน และสารเคมีอื่นๆ ที่ให้กลิ่นที่เกิดขึ้นในระหว่างการหมัก

คาร์บอนไดออกไซด์อาจจะมาจากการเผาไหม้โดยตรง เช่น เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนหรือก๊าซธรรมชาติ ซึ่งไอเสียจากการเผาจะมีออกซิเจนอยู่ร้อยละ 0.5 จะถูกทำให้เย็นลงและผ่านเข้าไปในหอดูดซับก๊าซ มันจะไปสัมผัสกับสารละลายที่ใช้ดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ เมื่อสารละลายในหออิ่มตัวดีแล้วก็จะถูกสูบเข้าไปในหอแยกก๊าซ อาศัยความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงทำให้สารละลายปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา จากนั้นสารละลายที่ใช้ดูดซับก็จะหมุนเวียนกลับไปใช้ใหม่ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ได้ก็จะถูกทำให้เย็นและปรับสภาพให้ได้ตามข้อกำหนดความต้องการในการใช้งานในอุตสาหกรรมเครื่องดื่มต่อไป สำหรับบริษัทผู้ผลิตน้ำโซดาและเครื่องดื่มอัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์รายใหญ่ก็มักจะผลิตคาร์บอนไดออกไซด์ที่โรงงานของตนเอง เพื่อลดค่าใช้จ่ายและปัญหาในด้านโลจิสติกส์ในการขนก๊าซมาที่โรงงาน

ภาพที่ 2 แผนผังของกระบวนการนำจ่ายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

จากภาพที่ 2 ตามปกติคาร์บอนไดออกไซด์จะจำหน่ายหรือนำส่งไปตามแหล่งต่างๆ ในรูปคาร์บอนไดออกไซด์เหลว โดยอาจขนถ่ายด้วยรถบรรทุกสำหรับขนก๊าซเหลว (tanker) จากนั้นจึงถ่ายเข้าไปในถังเก็บภายใต้ความดันในช่วง 20.5 บาร์ ที่อุณหภูมิ -17 องศาเซลเซียส ซึ่งตามปกติจะมีความจุอยู่ในช่วง 5–50 ตัน โดยใช้เครื่องทำความเย็นในการรักษาระดับอุณหภูมิ ซึ่งเมื่อจะนำไปใช้ ก็จะใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ tubular heat exchanger ให้ความร้อน ซึ่งรับความร้อนมาจากไอน้ำ น้ำ หรืออาศัยไฟฟ้าในการทำความร้อน คาร์บอนไดออกไซด์ก็จะเปลี่ยนเป็นก๊าซออกมาให้ใช้งานในโรงงาน

สำหรับตัวถังเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เหลวนั้นปกติจะหุ้มด้วยฉนวนยูรีเทนหนาราว 10 เซนติเมตร และหุ้มทับด้วยอะลูมิเนียมที่มีการพ่นสีเคลือบเอาไว้ ส่วนตัวของถังเก็บข้างในทำจากวัสดุเหล็กกล้าคาร์บอนชนิด fine-grain carbon steel และโดยปกติแล้วจะมีวาล์วนิรภัยสองตัวสำหรับปล่อยความดันส่วนเกินเพื่อป้องกันไม่ให้มีรอยแตกที่ถังเนื่องจากความดันเกิน ทำงานสลับกันโดยสามารถสับเลือกวาล์วได้ เพื่อให้ตัวหนึ่งทำงาน ขณะที่อีกตัวหนึ่งทำการซ่อมบำรุง ซึ่งท่อที่ระบายออกจากวาล์วสองตัวนี้ต้องต่อไปยังจุดที่จะไม่ก่อให้เกิดอันตรายจากการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ที่เย็นจัด

มาตรฐานคาร์บอนไดออกไซด์สำหรับใช้ในอาหารและเครื่องดื่ม

มีการกำหนดมาตรฐานของคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาโดยสมาคมก๊าซอุตสาหกรรมยุโรป (The European Industrial Gases Association) ร่วมกับสมาคมก๊าซอัดความดันแห่งอเมริกา (Compressed Gases Association of America) และสมาคมนักเทคโนโลยีเครื่องดื่มนานาชาติ (International Association of Beverage Technologists) เพื่อกำหนดเกณฑ์ของคาร์บอนไดออกไซด์เหลวสำหรับใช้ในอาหารและเครื่องดื่มดังแสดงในตาราง

ตารางที่ 1 เกณฑ์ข้อกำหนดความต้องการของคาร์บอนไดออกไซด์ในทางการค้า

จะเห็นว่ามาตรฐานคาร์บอนไดออกไซด์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่มนั้นบริสุทธิ์มาก และมีสารอื่นเจือปนเพียงเล็กน้อยมากๆ เท่านั้น เรียกว่าปลอดภัยกับสุขภาพของมนุษย์แน่นอน

การอัดก๊าซ (carbonation)

ในสมัยแรก เครื่องอัดก๊าซจะมีการใช้เครื่องทำความเย็นในการลดอุณหภูมิด้วย เนื่องจากการอัดก๊าซจะทำได้ดีหากอุณหภูมิต่ำ ซึ่งหลักการของเครื่องคือผลิตภัณฑ์เครื่องดื่มจะไหลฉาบลงมาบนแผ่นเพลตโลหะที่หล่อเย็น ไหลลงมาตามแผ่นเพลตเป็นฟิล์มบางภายใต้บรรยากาศที่เป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในเครื่องที่มีความดันคงที่ ทำให้มีพื้นที่ผิวในการให้คาร์บอนไดออกไซด์ละลายเข้าไปในเครื่องดื่มเต็มที่ อย่างไรก็ตามเครื่องแบบนี้ใช้พลังงานมาก และเมื่อบรรจุกระป๋องเหล็กแล้วอาจทำให้เกิดการควบแน่นของน้ำภายนอกกระป๋อง เสี่ยงต่อการกัดกร่อน

ต่อมากระป๋องเครื่องดื่มก็เปลี่ยนเป็นกระป๋องอะลูมิเนียม และเครื่องที่ใช้งานกันในปัจจุบันก็มีสองรูปแบบ คือ การพ่นคาร์บอนไดออกไซด์ให้กระจายตัวเข้าไปในเครื่องดื่มหรือน้ำที่ต้องการอัดลม และการพ่นน้ำให้เป็นฝอยละอองเล็กๆ ภายในเครื่องในบรรยากาศที่เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ในถังทนแรงดันที่เป็นหออัดก๊าซ ซึ่งเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดถึงร้อยละ 75 โดยอาจใช้หัวพ่น (nozzle) หรือพ่นฝอยลงบนวัสดุที่แพ็กอยู่ในคอลัมน์หออัดก๊าซ ซึ่งอาจทำประสิทธิภาพได้ถึงร้อยละ 95 แต่ก็จะทำความสะอาดได้ยาก เนื่องจากความยากในการทำความสะอาด จึงมักจะใช้น้ำในขั้นตอนการอัดก๊าซแทนที่จะเป็นตัวผลิตภัณฑ์เครื่องดื่ม ซึ่งหมายถึงโรงงานจะต้องทำการอัดก๊าซที่มีค่าคาร์บอนไดออกไซด์ละลายอยู่มากสักหน่อย เพื่อที่เมื่อนำไปผสมกับหัวเชื้อน้ำเชื่อมแล้วจะได้ผลิตภัณฑ์เครื่องดื่มอัดลมที่มีระดับก๊าซละลายอยู่ตามต้องการ เนื่องจากจะถูกเจือจางลงไปตามอัตราส่วนการผสมและการสูญเสียก๊าซไปเล็กน้อยระหว่างกระบวนการ ดังนั้นอัตราการไหลและความดันของคาร์บอนไดออกไซด์จึงเป็นปัจจัยสำคัญมากที่จะทำให้ได้ระดับการอัดก๊าซที่ถูกต้อง ซึ่งในกระบวนการนี้หากพื้นที่ของของเหลวที่สัมผัสถูกคาร์บอนไดออกไซด์มีมากเท่าไร อัตราของการดูดซับก๊าซโดยของเหลวก็จะมากขึ้นเท่านั้น

ภาพที่ 3 In-line cabonator โดยมี Pinpoint carbonator ติดตั้งอยู่ในวงสีแดง
(ที่มา: https://foodandbeverage.pentair.com/en/products/pentair-in-line-pinpoint-carbonator-ppc)

อีกวิธีการหนึ่งคือการผสมคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปขณะที่ของเหลวไหลไปตามท่อพร้อมกันเลย ซึ่งวิธีนี้เรียกว่า in-line carbonation ซึ่งอาศัยการอัดฉีดก๊าซเข้าไปในของเหลวที่กำลังไหลอยู่ภายในท่อ (sparging) หรือใช้วิธีฉีดของเหลวเข้าไปในก๊าซ เมื่ออัดฉีดก๊าซเข้าไปในของเหลวจะทำให้เกิดฟองก๊าซเล็กๆ ที่ของเหลวดูดซึมมันเข้าไปได้โดยง่าย ยิ่งใช้ความดันสูง ฟองก๊าซที่เกิดขึ้นที่หัวฉีดก๊าซ (sparger) จะยิ่งเล็กลง และพื้นที่ผิวของฟองก๊าซจะมีมากขึ้น จึงดูดซึมฟองก๊าซเข้าไปดีขึ้น ในโรงงานมักใช้ท่อเวนทูรี (หรือที่มักเขียนเป็นท่อดูด เวนจูรี่/แวนจูรี่) เพื่อให้มีพื้นที่ผิวสัมผัสมากขึ้น และใช้หัวพ่นที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อให้ประสิทธิภาพสูงสุดของการเติมก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ โดยอาจเรียกหัวจ่ายก๊าซแบบนี้ว่า pinpoint carbonator

ภาพที่ 4 การทำงานของ Pinpoint carbonator
(ที่มา: https://foodandbeverage.pentair.com)

ประโยชน์ของน้ำแข็งแห้ง (dry ice) หรือคาร์บอนไดออกไซด์แข็ง

นอกจากใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องดื่มอัดลมแล้ว อุตสาหกรรมอาหารยังใช้คาร์บอนไดออกไซด์แข็ง หรือน้ำแข็งแห้งในการขนส่งอาหารแช่เย็นและอาหารแช่เยือกแข็ง ในประเทศไทยอาจใช้ในรูปก้อนน้ำแข็งแห้ง ส่วนในต่างประเทศ นอกจากก้อนน้ำแข็งแห้งแล้ว ยังมีเครื่องทำปุยน้ำแข็งแห้ง (dry ice snow) ในงานด้านการลดอุณหภูมิ การแช่เย็น และแช่เยือกแข็ง ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่ดีมาก นอกจากนี้ยังมีการใช้โอโซนแทรกเข้าไปในน้ำแข็งแห้ง ทำออกมาจำหน่ายเป็นแบบแท่งรูปร่างคล้ายน้ำแข็งหลอด (dry ice pallet) เป็นการเพิ่มมูลค่าในการต่อต้านการเจริญของเชื้อจุลินทรีย์เพื่อรักษาความสดของอาหารเอาไว้นานๆ และลดการปนเปื้อน

ทั้งนี้น้ำแข็งแห้งยังสามารถใช้พ่นทำความสะอาดพื้นผิวโดยอาศัยพลังงานจลน์ที่พุ่งกระทบพื้นผิว และการขยายตัวอย่างรวดเร็วของน้ำแข็งแห้ง ในการดันเอาสิ่งสกปรกออกไปจากพื้นผิว เป็นต้น

ประโยชน์อื่นของคาร์บอนไดออกไซด์ เช่น การนำไปแปลงให้เป็นเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนอย่างเมทานอลดังที่เคยกล่าวไปในบทความตอนที่แล้ว นอกจากนี้ยังมีแนวคิดในการใช้คาร์บอนไดออกไซด์ไปเลี้ยงสาหร่ายเพื่อสกัดสารสำคัญ เช่น น้ำมัน หรือแคโรทีนอยด์ หรือใช้สาหร่ายเป็นเชื้อเพลิงโดยตรง

ประโยชน์ของคาร์บอนไดออกไซด์ในอุตสาหกรรมนั้นมีมากมาย ดังที่ได้ยกตัวอย่างเอาไว้ในตารางต่อไปนี้

จะเห็นว่าคาร์บอนไดออกไซด์ที่คนส่วนใหญ่มองเป็นตัวร้าย ก็เป็นก๊าซที่มีบทบาทในชีวิตมนุษย์ และมีประโยชน์ต่อการใช้งานต่างๆ ในสังคมมนุษย์อย่างมากเช่นกัน การทำความเข้าใจถึงอรรถประโยชน์และการจัดการกับคาร์บอนไดออกไซด์อย่างเหมาะสมจึงเป็นสิ่งที่ไม่ควรมองข้าม

แหล่งอ้างอิง

Aresta, M., & Dibenedetto, A. (2010). Industrial utilization of carbon dioxide (CO2). Developments and Innovation in Carbon Dioxide (CO2) Capture and Storage Technology, 377–410. doi:10.1533/9781845699581.4.377
Steen, D.P., and Ashurst, P.R> (2006). Carbonated Soft Drinks: Formulation and Manufacture, Blackwell Publishing Ltd., Oxford, UK.