การผลิตแอลกอฮอล์จากลำไยอบแห้ง (Production of Alcohol from Dried Longan)

1. ภาควิชาวิศวกรรมอาหาร คณะอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ การผลิตแอลกอฮอล์จากลำไยอบแห้ง (Production of Alcohol from Dried Longan) สุกัลยา ปาละกูล, สุภาพร ฟองดวง, นพพล เล็กสวัสดิ์ บทคัดย่อ ลำไยเป็นผลไม้เศรษฐกิจที่สำคัญของประเทศไทย ซึ่งถือเป็นหนึ่งในประเทศผู้ส่งออกลำไยอบแห้งรายใหญ่ อย่างไรก็ตามปัญหาลำไยอบแห้งที่ไม่ได้มาตรฐานทำให้ถูกระงับการส่งออกและล้นตลาดเป็นสิ่งที่รัฐบาลกำลังวางมาตรการแก้ไข ซึ่งวิธีการกำจัดโดยการเผาทำลายและฝังเพื่อทำปุ๋ยหมักน่าจะมีประโยชน์น้อยกว่าการนำมาผลิตเอทานอลที่สามารถนำมาผสมกับน้ำมันเบนซินเพื่อผลิตแก๊สโซฮอล จากการทดลองในขวดรูปชมพู่เพื่อเปรียบเทียบผลกระทบของความเข้มข้นของแข็งที่ละลายได้ในน้ำลำไยที่ 5, 10, 15 และ 20 องศาบริกซ์ ทีมีผลต่อการผลิตแอลกอฮอล์โดยใช้ยีสต์Saccharomycescerevisiae พบว่าที่ 20 องศาบริกซ์สามารถผลิตแอลกอฮอล์ได้สูงสุดเท่ากับ 7.70% (v/v) และเมื่อเปรียบเทียบการใช้ยีสต์ในรูปแบบต่างๆ กันในรูปผง, ผงที่ผ่านการกระตุ้นด้วยน้ำอุ่นที่ 30-40C และหัวเชื้อยีสต์เหลวพบว่าการใช้หัวเชื้อยีสต์จะผลิตแอลกอฮอล์ได้ระดับสูงสุดเท่ากับ 7.00% (v/v) การทดลองเปรียบเทียบแหล่งไนโตรเจนต่างชนิดได้แก่น้ำต้มเนื้อ, ไข่ผงและ สารสกัดจากยีสต์ พบปริมาณไนโตรเจน 0.035, 7 และ 10% (w/w) ตามลำดับ อย่างไรก็ตามการใช้ไข่ผงเป็นแหล่งไนโตรเจนในน้ำลำไยทำให้ผลิตแอลกอฮอล์ได้ต่ำกว่ากรณีไม่ใส่แหล่งไนโตรเจนเพิ่มเติมไป 0.90% (v/v) การทดลองในถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกะขนาด 5 ลิตร ในช่วงอุณหภูมิ 27-30C โดยการรักษาการหมุนของใบพัดในถังไว้ที่ 300 rpm เป็นเวลา 12 ชั่วโมงเพื่อเพิ่มมวลชีวภาพ ตามด้วยการกระตุ้นให้เกิดการผลิตแอลกอฮอล์โดยลดอัตราการหมุนลงเหลือ 100 rpm เป็นเวลา 68 ชั่วโมง สามารถผลิตแอลกอฮอล์ได้ 4.20% (v/v) การทดลองขั้นต่อมาในระบบกึ่งกะโดยเติมน้ำลำไย 15 องศาบริกซ์ปริมาตร 400 ml ในชั่วโมงที่ 80 เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของน้ำตาลในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ ทำให้ระดับแอลกอฮอล์เพิ่มขึ้นถึงระดับ 5.52%(v/v) ในชั่งโมงที่ 112 3. ผลการทดลอง(ต่อ) ความเข้มข้นของแข็งที่เหลืออยู่หลังการหมัก (องศาบริกซ์) [แท่งซ้ายมือ], ความเข้มข้น แอลกอฮอล์ %(v/v) [แท่งกลาง] และมวลชีวภาพแห้ง (กรัมต่อลิตร) [แท่งขวามือ] ที่น้ำลำไยเข้มข้นเริ่มต้น 5-20 องศาบริกซ์ ลำไยที่ไม่ได้มาตรฐาน 1. บทนำ เพื่อแก้ปัญหาการสูญเปล่าของลำไยคุณภาพต่ำจึงนำมาผลิตแอลกอฮอล์โดยใช้เชื้อจุลินทรีย์เนื่องจากผลิตผลทางการเกษตรหลายชนิดที่มีน้ำตาลเป็นองค์ประกอบ เช่น กากน้ำตาลจากอ้อย หรือพืชที่ให้ความหวานอื่นๆ มีการนำมาผลิตแอลกอฮอล์โดยเฉพาะลำไยก็เป็นผลไม้ที่มีรสหวาน ในกรณีลำไยอบแห้งจะมีน้ำตาลเป็นองค์ประกอบมากถึงร้อยละ 72.70 (กรมวิชาการเกษตร, 2548) ใช้เป็นแหล่งอาหารของเชื้อยีสต์ Saccharomyces cerevisiae ที่ผลิตเอทานอลได้ และมีคุณสมบัติเจริญเติบโตง่าย เอทานอลที่ได้สามารถนำไปใช้ผสมกับน้ำมันเชื้อเพลิง (fuel alcohol) แต่ต้องผ่านการทำให้บริสุทธิ์ในระดับที่สูงกว่า 95% (v/v) เสียก่อน โดยแบ่งได้ 3 แบบ คือ ใช้เอทานอล 95% (v/v) เป็นเชื้อเพลิงโดยตรงทดแทนน้ำมันเบนซินและน้ำมันดีเซล, เอทานอล 99.5% (v/v) ผสมในน้ำมันเบนซินเป็นแก๊สโซฮอล ในอัตราส่วนร้อยละ 10 เพื่อปรับปรุงค่าออกเทน (octane) และแบบที่ใช้เอทานอลเป็นสารเคมีเพิ่มค่าออกเทนแก่เครื่องยนต์ โดยเปลี่ยนเอทานอลมาเป็น ETBE (Ethyl Tertiary Butyl Ether) เพื่อใช้แทน MTBE ที่ก่อให้เกิดมลภาวะในอากาศสูง จลนพลศาสตร์สำหรับความเข้มข้นแอลกอฮอล์ (% (v/v))กับเวลากหมักด้วยS. cerevisiaeในน้ำลำไยปริมาตร 1 ลิตรที่มีความเข้มข้นของแข็ง 15 องศาบริกซ์ ที่อุณหภูมิห้อง (25-27 0C) ภายในเวลา 144 ชั่วโมงในขวดแก้วรูปชมพู่ขนาด 2 ลิตร ที่สภาวะ () ควบคุมที่ไม่มีการเติมเชื้อยีสต์ในน้ำลำไย, () ยีสต์ในรูปของเหลว, () ยีสต์เหลวและไข่ผง, (▲) ยีสต์ผงและ () ยีสต์กระตุ้นด้วยน้ำอุ่น การผลิตแอลกอฮอล์โดยยีสต์ S. cerevisiae ในถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกะและกึ่งกะขนาด 5 ลิตร () pH, () ความเข้มข้นแอลกอฮอล์%(v/v), (▲)ความเข้มข้นของแข็งที่เหลือ (องศาบริกซ์) และมวลแห้งชีวภาพ (กรัมต่อลิตร) () แบบกะรวมถึง () แบบกึ่งกะ การทดลองในขวดรูปชมพู่ 2. วิธีการทดลอง ในขั้นแรกหาความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของแข็งทั้งหมดกับระยะเวลาในการแช่และต้มลำไยอบแห้งในน้ำเพื่อกำหนดวิธีการเตรียมน้ำลำไยที่เหมาะสม จากนั้นเปรียบเทียบระดับความเข้มข้นของแอลกอฮอล์ที่ผลิตโดยยีสต์ S. cerevisiaeที่เจริญในน้ำลำไยความเข้มข้นเริ่มต้นต่างๆ กันโดยการเติมยีสต์ผงในอัตราส่วน 0.1% (w/v) ลงในน้ำลำไยเจือจางที่มีความเข้มข้นของแข็งทั้งหมดเท่ากับ 5, 10, 15 และ 20 องศาบริกซ์ที่อยู่ในขวดรูปชมพู เก็บตัวอย่างต่อเนื่องเพื่อวัดค่าตัวแปรตามเป็นเวลา 5 วัน จากนั้นเปรียบเทียบระดับความเข้มข้นของแอลกอฮอล์ที่ผลิตได้ด้วยหัวเชื้อยีสต์ S. cerevisiaeแบบต่างๆ และในกรณีที่ใช้ไข่ผงเป็นแหล่งไนโตรเจนเพิ่มเติมโดยใช้น้ำลำไย 15 องศาบริกซ์ ผสมกับหัวเชื้อยีสต์ผง 0.1 % (w/v) , หัวเชื้อยีสต์ผงที่ผ่านการกระตุ้นด้วยน้ำร้อน 0.1 % (w/v) , หัวเชื้อเหลว 10 % (v/v) และหัวเชื้อเหลว 10 % (v/v) ที่ใส่ไข่ผง10 g แล้ววัดค่าตัวแปรตามเทียบกับค่าเริ่มต้น โดยเก็บตัวอย่างทุก 6 ชั่วโมง การผลิตแอลกอฮอล์ด้วยยีสต์ S. cerevisiae ในถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกะขนาด 5 ลิตรโดยใช้น้ำลำไยที่มีความเข้มข้นของแข็งทั้งหมด 15 องศาบริกซ์ 3,200 มิลลิลิตร ผสมกับหัวเชื้อยีสต์เหลว กำหนดความเร็วใบพัดเริ่มต้นไว้ที่ 300 rpm เมื่อค่า pH ลดลงใกล้เคียงกับ 4.00 จึงกระตุ้นการผลิตแอลกอฮอล์โดยลดความเร็วใบพัดลงเท่ากับ 100 rpm สุ่มตัวอย่างออกจากถังปฏิกรณ์ชีวภาพทุก 4 ชั่วโมง แล้วนำไปวิเคราะห์ค่าตัวแปรตาม เมื่อความเข้มข้นของแข็งในน้ำลำไยไม่เปลี่ยนแปลงแล้วจึงเปลี่ยนระบบการหมักแบบกะเป็นแบบกึ่งกะ โดยเติมน้ำลำไยปริมาตร 400 มิลลิลิตร ลงในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ 4. วิจารณ์ & สรุปผลการทดลอง ภายหลังการแช่และต้มได้ ค่าร้อยละของสัดส่วนโดยมวลของน้ำลำไยที่สกัดได้ของการแช่เท่ากับ 36.9% และต้มเท่ากับ 25.0% การต้มใช้พลังงานความร้อนจากแก๊สหุงต้มจึงมีค่าใช้จ่ายสูงกว่า แต่ใช้เวลาน้อยกว่าการแช่ จากการทดลองพบว่าความเข้มข้นของแข็งในน้ำลำไยที่ 20 องศาบริกซ์ ผลิตแอลกอฮอล์ได้มากที่สุดเท่ากับ 7.770.41% (v/v) รองลงมาที่ความเข้มข้น 15, 10และ 5 องศาบริกซ์เท่ากับ 6.030.33% (v/v), 3.480.32% (v/v) และ 1.970.08% (v/v) ตามลำดับ เมื่อทำการเปรียบเทียบค่า YP/S(ปริมาณการผลิตแอลกอฮอล์ต่อน้ำตาลในน้ำลำไยที่ใช้ไป, w/v) พบว่าที่ 15 องศาบริกซ์มีค่าสูงสุดที่ 0.84 และมีค่า YX/S(น้ำหนักมวลแห้งชีวภาพต่อน้ำตาลในน้ำลำไยที่ใช้ไป, กรัมต่อลิตรต่อองศาบริกซ์) มีค่าสูงสุดเช่นเดียวกันที่ 0.45 การใช้หัวเชื้อที่เป็นยีสต์เหลวสามารถผลิตแอลกอฮอล์ได้มากที่สุดเท่ากับ 7.00% (v/v) รองลงมาคือหัวเชื้อยีสต์เหลวกับไข่ผง, ยีสต์ผงและ ยีสต์กระตุ้นด้วยน้ำอุ่นเท่ากับ 6.10%, 5.99%และ 5.99% ตามลำดับ จากการทดลองในถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกะขนาด 5 ลิตรพบว่าการหมักแบบกะมีปริมาณการผลิตแอลกอฮอล์สูงสุดเท่ากับ 4.20 % (v/v) ส่วนแบบกึ่งกะมีการปรับอัตราการหมุนของใบพัดที่ 100 rpm พบว่าทำให้ระดับแอลกอฮอล์เพิ่มขึ้นถึง 5.52% (v/v) ในชั่วโมงที่ 112 มีค่าอัตราการการเจริญเติบโตจำเพาะเท่ากับ 0.13 h-1ที่อัตราการหมุนของใบพัดที่ 300 rpm อัตราการลดลงของ pH มีค่าเท่ากับ -0.069 h-1 และอัตราการลดลงความเข้มข้นของแข็งน้ำลำไยมีค่าเท่ากับ -0.28 องศาบริกซ์ h-1 ค่า qS เท่ากับ -0.56 องศาบริกซ์ (g-1มวลแห้งชีวภาพ) l h-1และ qP เท่ากับ 0.32 % (v/v)(g-1 มวลแห้งชีวภาพ) l h-1 3. ผลการทดลอง ถังปฏิกรณ์ชีวภาพ 5. เอกสารอ้างอิง 1. กำเนิด สุภัณวงษ์. 2532. จุลชีวอุตสาหกรรม. ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, เชียงใหม่. 2. กรมส่งเสริมการเกษตร กระทรวงเกษตรและสหกรณ์. 2548. ข้อมูลเกี่ยวกับลำไย: คุณค่าทางอาหาร.http://www.doae.go.th/prompt/lumyai/data.htm#(accessed 06/11/2005) 3. นพพล เล็กสวัสดิ์. 2548. แบบเสนอโครงการวิจัยการผลิตเอทานอลจากลำไยอบแห้ง. ภาควิชาวิศวกรรมอาหาร คณะอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, เชียงใหม่. 4. พิชิต. 2546. เอทานอล แหล่งพลังงานสะอาดของไทยในอนาคต http://www.manager.co.th/ (accessed 05/11/2005) 5. ศิริลักษณ์ สุนทโรทก. 2526. การศึกษาสภาวะที่เหมาะสมในการผลิตแอลกอฮอล์โดย Saccharomyces sp.มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, เชียงใหม่. ผลกระทบของการแช่และต้มลำไยอบแห้งต่อจลนพลศาสตร์ปริมาณของแข็งที่ละลายได้ในน้ำที่ใช้สกัด อัตราส่วนโดยมวลของลำไยอบแห้งต่อน้ำเป็น 3 : 10() การแช่ ,() การต้ม