รายละเอียดโครงการวิจัย
- ชื่อโครงการ (ภาษาไทย) :
- การศึกษาลำต้นมันสำปะหลังเพื่อใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตกลูโคส
- ชื่อโครงการ (ภาษาอังกฤษ) :
- A study on cassava stem as substrate for glucose production
- หน่วยงานเจ้าของโครงการ :
- คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
- ลักษณะโครงการวิจัย :
- โครงการวิจัยเดี่ยว
- ลักษณะย่อยโครงการวิจัย :
- ไม่อยู่ภายใต้แผนงานวิจัย/ชุดโครงการวิจัย
- ประเภทโครงการ :
- โครงการวิจัยใหม่
- วันเริ่มต้นโครงการ :
- 19 กุมภาพันธ์ 2559
- วันสิ้นสุดโครงการ :
- 18 กุมภาพันธ์ 2560
- ประเภทของการวิจัย :
- งานวิจัยประยุกต์
- ความสำคัญและที่มาของปัญหา :
- มันสำปะหลัง (Manihot esculenta Crantz) ถูกจัดอยู่ในกลุ่มพืชหัว จัดว่าเป็นพืชอาหารที่สำคัญของโลก มีชื่อเรียกในปริเวณต่างๆของโลกที่ต่างกันออกไป เช่น Cassava Yuca Mandioa Manioc และ Tapioca มันสำปะหลังมีแหล่งกำเนิดแถบที่ลุ่มเขตร้อน (Lowland tropics) (Department of Agriculture, 2009) ส่วนหัวหรือรากของมันสำปะหลังนั้น มีความยาวพอสมควร สามารถยึดกับดินได้แน่น มีผิวค่อนข้างหยาบ สีน้ำตาล กว้างประมาณ 5 ถึง 10 เซนติเมตร และยาวประมาณ 15 ถึง 30 เซนติเมตร เนื้อด้านในมีสีขาวคล้ายชอล์ก มีแป้งเป็นองค์ประกอบหลัก นอกจากนี้ยังพบว่ามีแร่ธาตุอื่นๆร่วมด้วย เช่น แคลเซียม (50 มก./100 ก.) ฟอสฟอรัส (40 มก./100 ก.) วิตามินซี (25 มก./100 ก.) นอกจากคาร์โบไฮเดรตและแร่ธาตุที่กล่าวมายัง พบว่าบริเวณหัวนั้นมีองค์ประกอบของโปรตีนและธาตุอื่นๆอีกเพียงเล็กน้อย ต่างจากบริเวณใบของต้นมันสำปะหลังกลับพบโปรตีนชนิดไลซีนในปริมาณสูงอยู่รวมกับเมไธโอนีนกับทริปโตแฟนอีกเล็กน้อย (Ravindran ? Velmerugu, 1992) มันสำปะหลัง เป็นพืชเศรษฐกิจที่มีปริมาณสารอาหารที่สูง มีรายงานพบว่าในหลายประเทศมีการค้นคว้าวิจัยเกี่ยวกับการนำเอามันสำปะหลังมาใช้ประโยชน์สำหรับการผลิตเป็นน้ำตาลกลูโคสเพื่อในการผลิตเอทานอล โดยเฉพาะส่วนรากหรือหัวมันสำปะหลังที่อุดมไปด้วยแป้ง อย่างไรก็ตามมันสำปะหลังถือว่าเป็นพืชเศรษฐกิจที่ใช้แปรรูปเป็นอาหาร เมื่อปลูกเพื่อใช้เป็นพลังงานทดแทนอาจส่งผลกระทบต่อปริมาณการเพาะปลูกเพื่อใช้เป็นอาหารได้ จากงานวิจัยที่ผ่านมา พบว่ามีการศึกษาในส่วนของลำต้นและเปลือกของมันสำปะหลังด้วยการใช้กรดและด่างในการปรับสภาพวัตถุดิบ (pretreatment) เพื่อศึกษาปริมาณแป้งที่อยู่ในลำต้นและเปลือกของมันสำปะหลัง แต่ยังไม่มีการศึกษาปริมาณเซลลูโลสที่อยู่ในลำต้นมาก่อน (Nuwamanya et al., 2012) ซึ่งผู้วิจัยคาดว่าต้นมัน นั้นมีความเป็นไปได้ที่จะมีปริมาณเซลลูโลสในปริมาณที่เหมาะสมสำหรับการผลิตเอทานอลเช่นเดียวกันกับพืชกลุ่มไม้เนื้ออ่อนอื่นๆดังที่มีการศึกษามาก่อนหน้านี้ เช่น หญ้าจักรพรรดิ ที่มีสัดส่วนเซลลูโลสที่ประมาณ 42 เปอร์เซ็นต์ ของน้ำหนักแห้ง อ้อยป่าที่ 42 เปอร์เซ็นต์ ของน้ำหนัก ผักตบชวา ที่ 31 เปอร์เซ็นต์ ของน้ำหนักแห้ง ต้นธูปฤาษี ที่ 40 เปอร์เซ็นต์ ของน้ำหนักแห้ง กระถินยักษ์ที่ 37 เปอร์เซ็นต์ ของน้ำหนักแห้ง (Phaiboon et al., 2012) มีรายงานว่าในหลายประเทศมีการค้นคว้าวิจัยเกี่ยวกับการนำเอามันสำปะหลังมาใช้ประโยชน์สำหรับการผลิตเป็นน้ำตาลกลูโคสเพื่อในการผลิตเอทานอล โดยเฉพาะส่วนของหัวมันสำปะหลัง ซึ่งเป็นแหล่งของแป้งที่ถูกจัดเป็นชีวมวลปฐมภูมิ อย่างไรก็ตาม ยังไม่พบรายงานการศึกษาในส่วนของลำต้นมันสำปะหลังเพื่อพิจารณานำมาใช้เป็นชีวมวลทุติยภูมิสำหรับผลิตน้ำตาลกลูโคสเพื่อนำไปใช้ประโยชน์สำหรับการผลิตเอทานอลหรือสารอื่นๆ
- วัตถุประสงค์ของโครงการ :
- 1. เพื่อให้ทราบองค์ประกอบหลัก ได้แก่ โฮโลเซลลูโลส แอลฟาเซลลูโลส และลิกนิน ในต้นมันสำปะหลัง 2. เพื่อให้ได้สภาวะที่เหมาะสมในการเตรียมเซลลูโลสจากต้นมันสำปะหลัง เพื่อใช้เป็นซับสเตรทในการผลิตกลูโคส
- ขอบเขตของโครงการ :
- การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อหาสภาวะที่เหมาะสมในการเตรียมเซลลูโลสจากต้นมันสำปะหลัง โดยการปรับสภาพด้วยการระเบิดด้วยไอน้ำเพื่อแยกองค์ประกอบหลักเซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และลิกนินออกจากกัน จากนั้นนำต้นมันสำปะหลังทั้งก่อนและหลังการปรับสภาพไปวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมี ได้แก่ โฮโลเซลลูโลส แอลฟาเซลลูโลส และลิกนิน เพื่อให้ทราบถึงความเป็นไปได้ในการนำเซลลูโลสที่ได้จากต้นมันสำปะหลังไปใช้ประโยชน์ต่อไป
- ผลที่คาดว่าจะได้รับ :
- 1. ได้องค์ความรู้ที่สามารถนำไปต่อยอดได้ เช่น ได้ข้อมูลพื้นฐานสำหรับการตัดสินใจเลือกวัตถุดิบในการผลิตน้ำตาลชนิดต่างๆ 2. เป็นการใช้ประโยชน์จากวัสดุเหลือทิ้ง 3. สามารถเผยแพร่ผลงานวิจัยในการประชุม/สัมมนาภายในประเทศ และ/หรือในวารสารวิชาการนานาชาติ ได้แก่ Bioresource เป็นต้น
- วิธีการดำเนินการวิจัย และสถานที่ทำการทดลอง/เก็บข้อมูล :
- 1. การเตรียมต้นมันสำปะหลัง ต้นมันสำปะหลังที่ใช้ในครั้งนี้ เป็นวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรหลังเก็บเกี่ยวหัวมันสำปะหลัง และเหลือจากการคัดเลือกสำหรับทำกล้าพันธุ์ของเกษตรกรในพื้นที่ในอำเภอลาดยาว จังหวัดนครสวรรค์ นำตัวอย่างต้นมันสำปะหลังสับให้เป็นชิ้นเล็กๆ ขนาดประมาณ 2-3 เซ็นติเมตร นำไปทำให้แห้ง จากนั้นบดให้ละเอียด และวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก ได้แก่ เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส สารแทรก ลิกนิน ตามมาตรฐาน TAPPI (Anonymous, 2002) ดังต่อไปนี้ ขั้นตอนการวิเคราะห์แสดงดังภาพที่ 1 - ปริมาณแอลฟาเซลลูโลส โดยวิธีมาตรฐาน TAPPI T203 om-88 - ปริมาณโฮโลเซลลูโลส โดยวิธีมาตรฐานของ Browning’s acid chlorite method (1967) - ปริมาณลิกนิน โดยวิธีมาตรฐาน TAPPI T222 om-982 2. การหาสภาวะการระเบิดด้วยไอน้ำที่เหมาะสมในการเตรียมเซลลูโลสจากต้นมันสำปะหลัง การระเบิดด้วยไอน้ำ (Steam explosion) เป็นการปรับสภาพวัตถุดิบโดยใช้ความร้อนที่ความดันและอุณหภูมิสูง (20-60 บาร์/160-290 ?ซ ) (Neves et al., 2007) โดยมีหลักการสำคัญคือ วัตถุดิบที่ใช้จะถูกผสมกับไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันสูง แล้วทำการลดความดัน อย่างรวดเร็ว เป็นผลให้เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และลิกนิน แยกตัวออกจากกัน โดยเฮมิเซลลูโสจะละลายในน้ำ (solution) (Pawongrat, 2015) กลไกการทำงานของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นภายในเครื่องระเบิดด้วยไอน้ำ คือ ไอน้ำที่อุณหภูมิสูงจะทำให้หมู่อะเซติล (Acetyl group) ของโมเลกุลเฮมิเซลลูโลสชนิดไซแลนกลายเป็นกรดอะซิติก ซึ่งกรดอะซิติกจะทำปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสโมเลกุลของไซแลนให้เกิดเป็นไซโลส (xylose) และโอลิโกไซโลส (oligoxylose) โดยระหว่างกระบวนการจะมีการควบคุมความรุนแรงของสภาวะการระเบิดด้วยไอน้ำ เนื่องจากหากสภาวะ การระเบิดด้วยไอน้ำรุนแรงเกินไป อาจทำให้เกิดปฏิกิริยาดีไฮเดรชันทำให้โมเลกุลของไซโลสกลายเป็นเฟอร์ฟูรอล และการเกิดไฮโดรไลซิสโมเลกุลของเซลลูโลสเป็นกลูโคส และสลายพันธะโมเลกุลของลิกนินให้กลายเป็นลิกนินที่มีโมเลกุลขนาดเล็กเกิดขึ้นได้ ดังนั้นในการระเบิดด้วยไอน้ำผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นในสารละลายเฮมิเซลลูโลสก็คือ ไซโลส โอลิโกเมอร์ของไซโลส เฟอร์ฟูรอล HMF กลูโคส และสารประกอบฟีนอลิก ที่เกิดจากการสลายตัวของลิกนิน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องศึกษาสภาวะที่เหมาะสมในการระเบิดด้วยไอน้ำเพื่อให้สามารถแยกองค์ประกอบหลักของลิกโนเซลลูโลสได้อย่างมีประสิทธิภาพและเกิดการสูญเสียน้อยที่สุด
- คำอธิบายโครงการวิจัย (อย่างย่อ) :
- การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อหาสภาวะที่เหมาะสมในการเตรียมเซลลูโลสจากต้นมันสำปะหลัง โดยวิธีการระเบิดด้วยไอน้ำเพื่อแยกองค์ประกอบหลักเซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และลิกนินออกจากกัน จากนั้นวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมี ด้วย วิธีมาตรฐาน TAPPI และ Browning’s acid chlorite method เพื่อหาปริมาณโฮโลเซลลูโลส แอลฟาเซลลูโลส และลิกนิน ผลการศึกษาผู้วิจัยพบว่า วัตถุดิบอบแห้งก่อนการปรับสภาพ มีปริมาณแอลฟาเซลลูโลสประมาณ 38 เปอร์เซ็นต์ (โดยน้ำหนักแห้ง) เฮมิเซลลูโลส 31 เปอร์เซ็นต์ และลิกนิน 22 เปอร์เซ็นต์ หลังการปรับสภาพโดยการระเบิดด้วยไอน้ำที่ 195 ?ซ 5 นาที มีปริมาณแอลฟาเซลลูโลสเพิ่มขึ้นเป็น 88 เปอร์เซ็นต์ ในส่วนของหลังการปรับสภาพโดยการระเบิดด้วยไอน้ำที่ 210 ?ซ 5 นาที พบว่ามีปริมาณแอลฟาเซลลูโลสประมาณ 91 เปอร์เซ็นต์ จากผลดังกล่าว แสดงให้เห็นว่าการระเบิดด้วยไอน้ำที่สภาวะ 210 ?ซ 5 นาที เป็นสภาวะที่เหมาะสม โดยให้ปริมาณแอลฟาเซลลูโลสสูงที่สุด งานวิจัยนี้ แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของต้นมันสำปะหลังในการนำมาแปรรูปเป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตกลูโคสในอนาคต
- รายชื่อนักวิจัยในโครงการ :
-
ลำดับที่ รายชื่อ ประเภทนักวิจัย บทบาทหน้าที่ สัดส่วน 1 นายนันทวุฒิ นิยมวงษ์ นักวิจัยภายในมหาวิทยาลัย หัวหน้าโครงการวิจัย 100%
สถาบันวิจัยและพัฒนา
มหาวิทยาลัยราชภัฏนครสวรรค์ ศูนย์การศึกษาย่านมัทรี398/1 หมู่ 3 ตำบลย่านมัทรี อำเภอพยุหะคีรี
จังหวัดนครสวรรค์ 60130
