เรื่องล้ำ ๆ ของข้าวโพด

โดย รวิศ ทัศคร

เมื่อฉบับที่แล้วเล่าเรื่องเกี่ยวกับประวัติของข้าวโพดกับป๊อปคอร์นกันไปแล้ว แต่ข้าวโพดและวัสดุเหลือทิ้งจากการปลูกข้าวโพดยังสามารถนำมาใช้ประโยชน์กันได้อีกมากมายครับ

วัสดุพวกฟางข้าวโพด (corn stover) ซึ่งเป็นคำเรียกรวมของทั้งใบ ก้าน และฝัก ของข้าวโพดที่เหลือหลังจากเก็บเกี่ยว จัดเป็นวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตร เป็นทรัพยากรที่นำมาใช้ได้ดีเสียด้วย เพราะเป็นวัสดุชีวมวลเหลือทิ้งที่มีลิกโนเซลลูโลสสูง (lignocellulosic bio-wastes) ซึ่งลิกโนเซลลูโลสคือสารอินทรีย์ชีวมวลที่มีเฮมิเซลลูโลส เซลลูโลส และลิกนินเป็นองค์ประกอบ พบได้ในผนังเซลล์ของพืช

เฮมิเซลลูโลสเป็นพอลิเมอร์ของ D-xylose ที่เชื่อมกันด้วยพันธะไกลโคไซด์ (glycosidic bond) จัดเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ชนิด heteropolysaccharide ซึ่งตัวมันถือเป็นใยอาหาร (dietary fiber) สามารถอุ้มน้ำได้ แต่ไม่ละลายน้ำ

ส่วนเซลลูโลสเป็นสารพอลิแซ็กคาไรด์ที่เกิดขึ้นจาก D-glucose ต่อกันเป็นสาย คล้ายกับแป้ง เพียงแต่จะเชื่อมกันด้วยพันธะไกลโคไซด์ที่ตำแหน่งบีตา-1,4 ทำให้เอนไซม์อะไมเลสย่อยไม่ได้ ซึ่งมีการประเมินกันว่าในแต่ละปีพืชทั่วโลกสามารถผลิตเซลลูโลสได้มากถึงหนึ่งแสนล้านตัน

ลิกนิน (lignin) เป็นคาร์โบไฮเดรตประเภทใยอาหารเช่นกัน มีโครงสร้างเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่เป็นสายโซ่โมเลกุลของออกซิจิเนตติดฟีนิลโพรเพน (oxygenated phenyl propane) มักพบในผนังเซลล์ของพืช เพราะเป็นสารประกอบที่ช่วยเสริมความแข็งแรงของเซลล์ และจะมีปริมาณมากขึ้นหากเซลล์มีอายุมากขึ้น แต่ต่างจากเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสคือ นอกจากมนุษย์ไม่สามารถย่อยได้แล้ว สัตว์ชนิดใดก็ย่อยมันไม่ได้ ซ้ำยังทำให้ความสามารถในการย่อยของของพวกสัตว์เคี้ยวเอื้องลดลงด้วย

วัสดุชีวมวลจำพวกลิกโนเซลลูโลสอย่างฟางข้าวโพดนั้น เราสามารถนำมาแปลงให้เป็นวัสดุและพลังงานได้หลากหลายชนิด ดังรูป

แผนภาพแสดงการเปลี่ยนวัสดุลิกโนเซลลูโลสให้เป็นพลังงานและผลิตภัณฑ์เพิ่มมูลค่า ที่มา : [1]

จะเห็นได้ว่าการนำไปใช้ประโยชน์นั้นมีวิธีการปรับสภาพ (pretreatment) ได้หลากหลาย ทั้งด้วยวิธีเชิงกลด้วยการสับ บด ทุบ ลดขนาด วิธีกายภาพด้วยการใช้อุณหภูมิและการใช้ไมโครเวฟ วิธีทางเคมีกายภาพ วิธีทางเคมี และวิธีทางชีวภาพด้วยการหมักโดยแบคทีเรียและเชื้อราต่าง ๆ ซึ่งผู้อ่านที่สนใจสามารถหาเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีเหล่านี้ได้จากแหล่งข้อมูลเพิ่มเติม [1] ท้ายบทความในตอนนี้

ในบรรดาผลิตภัณฑ์ทั้งหลายที่นำเอาฟางข้าวโพดและลิกโนเซลลูโลสจากชีวมวลอื่น ๆ ไปใช้ประโยชน์ ผลิตภัณฑ์พวกถ่านชีวภาพและถ่านกัมมันต์มีความน่าสนใจในด้านการนำเอามาใช้ประโยชน์ในการรักษาสิ่งแวดล้อม โดยวิธีการเปลี่ยนรูปให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์พวกนี้จัดว่าเป็นวิธีทางเคมีกายภาพ ซึ่งอาจจำเพาะเจาะจงลงไปอีกว่าเป็นวิธีการแปลงสภาพโดยใช้ความร้อนร่วมกับวิธีทางเคมี (thermo-chemical conversion) อาจแบ่งเป็น วิธีการเผาในสภาพที่มีออกซิเจนจำกัด (gasification) การย่อยสลายด้วยความร้อน หรือไพโรไลซิส (pyrolysis) ในช่วง 400–1200 องศาเซลเซียส โดยปราศจากออกซิเจน การทำทอร์รีแฟกชัน (torrefaction) ซึ่งคือการทำไพโรไลซิสที่สภาวะไม่รุนแรง ให้ความร้อนที่ 200–300 องศาเซลเซียส ในสภาพไม่มีออกซิเจน ไฮโดรเทอร์มัลลิควิแฟกชัน (hydrothermal liquefaction) ซึ่งให้ความร้อนกับชีวมวลเปียกภายใต้ความดัน 4–25 เมกะพาสคัล (MPa) ที่อุณหภูมิ 250–400 องศาเซลเซียส โดยอาจใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือตัวทำละลายร่วมด้วยเพื่อให้เกิดการดีพอลิเมอไรซ์จนได้น้ำมันดิบชีวภาพ (bio-oil/bio-crude) ออกมา และสุดท้ายคือ ไฮโดรเทอร์มัลคาร์บอไนเซชัน (hydrothermal carbonization) ซึ่งเป็นการแปลงสภาพชีวมวลด้วยความร้อน โดยใช้น้ำเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ภายใต้อุณหภูมิสูง 180-300 องศาเซลเซียส และความดันสูงประมาณ 20–25 bar เป็นเวลา 1-7 ชั่วโมง กระบวนการนี้จะทำในช่วงที่น้ำอยู่ในสภาวะใต้วิกฤต (subcritical region) ไปจนถึงช่วงเหนือวิกฤต (supercritical region) ซึ่งจะได้ถ่านไฮโดร (hydrochar) ออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ปะปนกับของเหลว อยู่ในสภาพคล้ายโคลน เป็น slurry ซึ่งเมื่อกรองออกและทำแห้งแล้ว ก็ใช้ผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพหรือนำไปปรับปรุงดิน ใช้แก้ปัญหามลพิษในอากาศและน้ำได้ต่อไป^[2]

เทคนิคต่าง ๆ ในการแปลงสภาพวัสดุชีวมวลด้วยวิธีการใช้ความร้อนร่วมกับปฏิกิริยาเคมี

ความแตกต่างของถ่านไม้ธรรมดา (charcoal) ถ่านไฮโดร (hydrochar) ถ่านชีวภาพ (biochar) และถ่านกัมมันต์ (activated carbon)

ถ่านทั้งหมดนี้ได้มาจากการนำเอาวัสดุชีวมวลมาเผา โดยมีอุณหภูมิและปริมาณออกซิเจนในการเผาแตกต่างกันไป และบางครั้งการ “เผา” ก็เกิดขึ้นในสภาวะควบคุมที่มีความชื้นสูง ดังได้กล่าวไปข้างต้น ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ออกมาหลากหลายจากการเผาถ่านแบบธรรมดา เมื่อเผาโดยใช้อุณหภูมิสูงไม่เกิน 500 องศาเซลเซียส ในสภาพออกซิเจนน้อยหรือสภาพปลอดออกซิเจนด้วยกระบวนการไพโรไลซิสแบบช้า ก็จะได้ถ่านชีวภาพ (biochar) ออกมา เจ้าถ่านชีวภาพนี้เป็นวัสดุอีกชนิดที่มีคนพูดถึงกันมาก เนื่องจากมีรูพรุน จุลินทรีย์ต่าง ๆ เข้าไปอยู่อาศัย เติบโต และช่วยปรับธาตุอาหารของพืชให้มีมากขึ้น ช่วยฟื้นสภาพดินที่เสื่อมโทรมและขาดสิ่งมีชีวิตให้กลับมีมีคุณภาพดีได้ สามารถดูดซับปุ๋ยและยังดูดซับก๊าซที่เป็นไฮโดรคาร์บอน เช่น มีเทน ซึ่งเป็นหนึ่งในก๊าซที่ก่อภาวะเรือนกระจก เก็บเอาไว้ในดินแทนที่จะปล่อยหลุดออกสู่ชั้นบรรยากาศได้อีกด้วย ถ่านชีวภาพจึงมีรอยเท้าคาร์บอนเป็นลบและดีต่อสิ่งแวดล้อม สำหรับถ่านชีวภาพที่ได้จากลำต้นข้าวโพด (corn straw) นั้นเคยมีผู้ศึกษา^[4] และรายงานเอาไว้ว่า ใช้ดูดซับไอออนของแคดเมียม (Cd²⁺) ที่ปะปนอยู่ในน้ำเสียได้โดยมีประสิทธิภาพสูงถึงร้อยละ 99.24 เมื่อใช้ปริมาณถ่านที่เป็นตัวดูดซับ 20 กรัม ต่อน้ำเสีย 1 ลิตร นับได้ว่าเป็นวัสดุที่มีความน่าสนใจที่จะนำมาพัฒนาเพื่อใช้งานต่าง ๆ ได้อีกมาก

สำหรับถ่านไฮโดร (hydrochar) ถึงแม้จะมีที่ใช้งานคล้ายกันกับถ่านชีวภาพ แต่ก็แยกประเภทต่างจากกันเนื่องจากกระบวนการผลิตที่ต้องใช้วิธีไฮโดรเทอร์มัลคาร์บอไนเซชัน ซึ่งแตกต่างออกไปนั่นเอง

ส่วนถ่านกัมมันต์ (activated carbon) จะได้จากกระบวนการผลิตโดยใช้ไพโรไลซิสแบบเร็ว ใช้อุณหภูมิ 900–1100 องศาเซลเซียส จากนั้นจึงทำการกระตุ้นพื้นผิวด้วยวิธีทางเคมีและกายภาพเพื่อให้น้ำมันดินที่อุดช่องว่างเอาไว้หลุดออก ทำให้มีรูพรุนและมีความจุในการดูดซับมากกว่าถ่านชีวภาพ

แต่ในหมู่ของถ่านกัมมันต์ก็ยังแบ่งแยกย่อยออกไปอีกตามขนาดของรูพรุนในเนื้อของมัน หากจะใช้เพื่อบำบัดน้ำเสียจากอุตสาหกรรมบางชนิด ซึ่งมีพวกโลหะหนัก โดยเฉพาะพวกที่มีพิษ จะต้องหาทางแยกโลหะหนักนี้ออกจากน้ำด้วยวิธีต่าง ๆ เพื่อไม่ให้ปนเปื้อนและส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม อาทิ กระบวนการแยกโดยใช้เยื่อเมมเบรน การดูดซับ การตกตะกอน การใช้การแลกเปลี่ยนไอออน การสกัด โดยกระบวนการดูดซับถือเป็นวิธีหนึ่งที่มีประสิทธิภาพสูง ค่าใช้จ่ายต่ำ และควบคุมได้ง่าย

พวกถ่านกัมมันต์ทั่วไปจะมีข้อจำกัดในการดูดไอออนโลหะหนักและพวกสีย้อม เนื่องจากเป็นวัสดุจำพวกไมโครพอรัส (microporous materials) ซึ่งมีขนาดของรูพรุนน้อยกว่า 2 นาโนเมตร ทำให้มีข้อจำกัดในการแพร่ของสารที่ถูกดูดซับ อาจจะเหมาะกับงานพวกแยกก๊าซ การดูดซับ หรือเป็นสารที่ใช้แลกเปลี่ยนไอออนมากกว่า จึงได้มีการพัฒนาคิดค้นวิธีการสังเคราะห์ถ่านกัมมันต์ที่มีขนาดรูพรุนใหญ่ขึ้นในระดับที่เรียกว่าเป็นวัสดุมีโซพอรัส (mesoporous materials) เพื่อใช้ในงานอื่นนอกเหนือจากที่กล่าวมา เพราะเป็นวัสดุที่มีสมบัติความไม่ชอบน้ำ (hydrophobicity) สูง มีความนำไฟฟ้าที่ดี มีความจุมากในการใช้ดูดซับโปรตีนหรือพวกสารก่อมลพิษบางชนิด และบางครั้งก็เหมาะในการเป็นตัวช่วยรองรับสารเร่งปฏิกิริยา

การผลิตถ่านกัมมันต์จากลำต้นข้าวโพดทำได้โดยการผ่านกระบวนการ carbonization ตามด้วยกระบวนการ activation ด้วยรีเอเจนต์ชนิดต่าง ๆ เช่น กรด ด่าง และเกลือชนิดต่าง ๆ ซึ่งการใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) หรือโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) ในการปรับสภาพวัสดุชีวมวลลำต้นข้าวโพดเสียก่อน จะสามารถละลายลิกนินและเฮมิเซลลูโลสออกมาได้ ทำให้เกิดรูพรุนเพิ่มขึ้น ก่อนนำไปผ่านกระบวนการ carbonization ซึ่งในงานวิจัย^[3] ถ่านกัมมันต์ชนิดมีโซพอรัสที่ผลิตด้วยวิธีนี้ดูดซับโครเมียม (Cr(VI)) ได้เป็นอย่างดี

เนื้อที่เพาะปลูกข้าวโพดเลี้ยงสัตว์ของไทยในช่วงปีต่าง ๆ
ที่มาของข้อมูล : เว็บไซต์ของสถาบันวิจัยและพัฒนาแห่งมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ และสำนักงานเศรษฐกิจการเกษตร

สุดท้ายของบทความตอนนี้ที่อยากฝากไว้ก็คือ เมื่อดูจากพื้นที่เพาะปลูกข้าวโพดเลี้ยงสัตว์ในประเทศไทย ในช่วงปี พ.ศ. 2550–2562 จะพบว่า พื้นที่เพาะปลูกข้าวโพดของประเทศเรามีการเปลี่ยนแปลงอยู่ในช่วง 6 ถึงเจ็ดล้านไร่ (เฉลี่ย 6.98 ล้านไร่) เพิ่มขึ้นจากอดีตมาก เนื่องจากมีความต้องการในอุตสาหกรรมอาหารสัตว์ในประเทศที่สูงมาก เมื่อนับรวมถึงพืชไร่และการเกษตรอื่น ๆ ด้วยก็จะมีวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตรในปริมาณมหาศาลถึง 195,303,000 ตันต่อปี และในแต่ละปีจะมีการเผาพืชไร่ ทั้งข้าวโพดและอ้อยเป็นจำนวนมาก ก่อให้เกิดปัญหาหมอกควันพิษอย่างที่ทราบกัน ซึ่งนอกเหนือจากการณณรงค์ห้ามเผาแล้ว หากมีวิธีจัดการกับเศษวัสดุเหล่านี้ให้ถูกต้อง อย่างน้อยก็น่าจะช่วยลดการก่อมลพิษให้แก่สิ่งแวดล้อม พร้อมกับสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าเพิ่มไปด้วยในตัว เทคโนโลยีเหล่านี้จึงน่าจะมีบทบาทความสำคัญในการบริการจัดการทรัพยากร ทั้งด้านอาหาร พลังงาน และสิ่งแวดล้อมได้ต่อไปในอนาคต

แหล่งข้อมูล

อรุณี ศุภสินสาธิต. “พลังงานจากชีวมวลที่มีลิกโนเซลลูโลสสูง”. วารสารสิ่งแวดล้อม. ปีที่ 16 ฉบับที่ 2 (เมษายน-มิถุนายน 2555) :36-43.
Low, Y.W., Yee, K.F. (2021). A review on lignocellulosic biomass waste into biochar-derived catalyst: Current conversion techniques, sustainable applications and challenges. Biomass and Bioenergy. 154, 106245. doi: 10.1016/j.biombioe.2021.106245
Zhao, J., Yu, L., Ma, H., Zhou, F., Yang, K., & Wu, G. (2020). Corn stalk-based activated carbon synthesized by a novel activation method for high-performance adsorption of hexavalent chromium in aqueous solutions. Journal of Colloid and Interface Science. doi:10.1016/j.jcis.2020.06.031
Mbarki, F., Selmi, T., Kesraoui, A., Se, M., Gadonneix, P., Celzard, A., & Fierro, V. (2019). Industrial Crops & Products Hydrothermal pre-treatment, an efficient tool to improve activated carbon performances. Industrial Crops and Products, 140(August), 111717. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.111717.
Amalina, F., Razak, A.S.A., Krishnan, S., Zularisam, A.W., Nasrullah, M. (2022). comprehensive assessment of the method for producing biochar, its characterization, stability, and potential applications in regenerative economic sustainability – A review. Cleaner Materials, 3 (2022), 100045. https://doi.org/10.1016/j.clema.2022.100045

เรื่องน่ารู้สำหรับอ่านเพิ่มเติม

https://www.scientificamerican.com/article/environmental-impact-of-corn-based-plastics/
https://www.smithsonianmag.com/science-nature/corn-plastic-to-the-rescue-126404720/
https://www.treehugger.com/pros-cons-corn-based-plastic-pla-1203953
https://pirun.ku.ac.th/~fsocoss/whatchar.html
https://erp.mju.ac.th/acticleDetail.aspx?qid=1072
https://www.ej.eric.chula.ac.th/content/6134/275