งานวิจัย การผลิตขวดพลาสติก

รายละเอียดโครงการ

• แหล่งทุน: [object Object]
• ปีงบประมาณ: 2021
• ลักษณะโครงการ: โครงการเดี่ยว
• ประเภทโครงการ: โครงการวิจัยที่ได้รับงบเงินรายได้ ส่วนกลาง มก.
• หัวหน้าโครงการ: ดร.เกียรติชัย วาดอักษร, อาจารย์
• ผู้ร่วมวิจัย:
  • เกียรติชัย วาดอักษร, หัวหน้าชุดโครงการ
  • อรรถศักดิ์ จารีย์, ที่ปรึกษาโครงการ

ความเป็นมาของโครงการ

ขวดพลาสติก PET (พอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต) เป็นบรรจุภัณฑ์ที่นิยมนำมาใช้สำหรับอาหารและเครื่องดื่ม น้ำผลไม้ น้ำอัดลม เนื่องจากมีคุณสมบัติสมบัติเชิงกลและเชิงความร้อนที่ดี สามารถต้านการซึมผ่านก๊าซออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ได้ดี พลาสติก PET เป็นเทอร์โมพลาสติกที่สังเคราะห์ขึ้นมาได้จากวัตถุดิบหลักคือ PTA (กรดเทเรฟทาลิกบริสุทธิ์) และเอทิลีนไกลคอล ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากทรัพยากรปิโตรเลียม ไม่สามารถย่อยสลายได้ในธรรมชาติ ก่อให้เกิดปัญหาขยะพลาสติก แต่อย่างไรก็ตามขวดพลาสติก PET นั้นสามารถนำมารีไซเคิลและนำกลับมาใช้ใหม่ในรูปแบบต่างๆ เพื่อลดการพึ่งพาการใช้ทรัพยากรปิโตรเลียม ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และลดปริมาณพลาสติกที่กำจัดโดยการฝังกลบ ขวด PET สามารถนำมารีไซเคิลได้ด้วยกระบวนการทางเคมีต่างๆ ซึ่งเป็นการแตกสลายโมเลกุลของ PET ให้กลายเป็นมอนอเมอร์ หรือโอลิโกเมอร์ขนาดเล็ก เช่น การย่อยสลายโมเลกุลของ PET ผ่านกระบวนการทางเคมีไกลโคไลซิส (Glycolysis) กระบวนการเมทาโนไลซิส (Methanolysis) หรือการโฮโดรไลซิส (Hydrolysis) ซึ่งมอนอเมอร์ หรือโอลิโกเมอร์ที่ได้จากกระบวนการทางเคมีเหล่านี้สามารถนำกลับไปผลิตเป็นพลาสติกใหม่ได้ แต่อย่างไรก็ดี กระบวนการรีไซเคิลดังกล่าว มีต้นทุนการผลิตที่ค่อนข้างสูง และคุณสมบัติของพลาสติกรีไซเคิลที่ได้ยังไม่สามารถเทียบเท่าพลาสติกบริสุทธิ์ที่สังเคราะห์ได้จากปิโตรเลียม อีกทั้งประสิทธิภาพของการรีไซเคิลขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพในการคัดแยกขยะอีกด้วย ซึ่งการคัดแยกขยะพลาสติกเหล่านี้ ยังเป็นข้อจำกัดอย่างมากในประเทศไทย ทั้งนี้เพื่อเป็นการลดปัญหาขยะจากขวดพลาสติก PET และข้อจำกัดของการรีไซเคิลจากการคัดแยกขยะในประเทศไทย ดังนั้นการศึกษา วิจัยและพัฒนาพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพเพื่อทดแทนการใช้ขวดพลาสติก PET ที่ไม่ย่อยสลายนั้น จึงเป็นทางเลือกที่ดี สามารถช่วยลดการใช้พลาสติก PET ลดการพึ่งพาทรัพยากรฐานปิโตรเลียมและเป็นการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมได้อย่างยั่งยืน ในปัจจุบันพบว่า สามารถผลิตขวดพลาสติก PET ที่สามารถย่อยสลายได้ จากการใช้เอทิลีนไกลคอลที่ได้จากวัตถุดิบธรรมชาติ ทำปฏิกิริยากับ PTA ที่ได้จากปิโตรเลียม แต่ทว่าขวด PET ที่ได้สามารถย่อยสลายได้เพียง 30% (ในส่วนของเอทิลีนไกลคอลที่ได้จากธรรมชาติ) หรือเรียกว่า Bio-PET ทั้งนี้ยังไม่สามารถผลิตขวด PET ที่สามารถย่อยสลายได้ 100% เนื่องจากยังไม่สามารถสังเคราะห์สาร PTA ที่มาจากวัตถุดิบธรรมชาติได้ แต่อย่างไรก็ตาม จากการตรวจสอบเอกสารพบว่า มีสารเคมีชีวภาพตัวหนึ่งที่สามารถสังเคราะห์ขึ้นมาได้จากวัตถุดิบธรรมชาติและมีโครงสร้างโมเลกุล และคุณสมบัติใกล้เคียงกับ PTA สามารถนำมาทดแทนการใช้ PTA ในการผลิตพลาสติก PET ได้ นั่นคือ FDCA (ฟูแรนไดคาร์บอกซิลิกแอซิด) FDCA เป็นวัตถุดิบหลักที่มีความสำคัญมากในการทำปฏิกิริยาร่วมกับเอทิลีนไกลคอล เพื่อผลิตเป็นพลาสติกชนิดใหม่คือ PEF (พอลิเอทิลีนฟูราโนเอต) ซึ่งเป็นพลาสติกชีวภาพที่สามารถย่อยสลายได้ มีคุณสมบัติเชิงกลและเชิงความร้อนที่ดี สามารถต้านการซึมผ่านของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนได้ดีกว่าพลาสติก PET เหมาะสำหรับการนำมาใช้ผลิตเป็นขวดพลาสติกทดแทนขวด PET ในปัจจุบันเป็นอย่างมาก อย่างไรก็ดี การที่เราจะสามารถผลิตพลาสติกชีวภาพ PEF ขึ้นมาได้นั้น มีจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องสามารถสังเคราะห์วัตถุดิบหลักที่สำคัญให้ได้เสียก่อน นั่นคือ FDCA ทั้งนี้ ในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอก (Post-doctoral) ในช่วงที่ผ่านมา โดยได้รับคำปรึกษาจาก รศ.ดร.อรรถศักดิ์ จารีย์ (อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี ม.เกษตรศาสตร์) ซึ่งมีความเชี่ยวชาญในการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิต และการสังเคราะห์สารเคมีชีวภาพ นั้น ทางผู้วิจัยได้มีประสบการณ์ในการพัฒนา ออกแบบ ระบบการทดลองและปฏิกรณ์เบดนิ่งแบบต่อเนื่องที่ใช้ในการผลิต และสังเคราะห์สาร FDCA ซึ่งสามารถสังเคราะห์ FDCA โดยปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของสาร HMF ผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา Pt/C ได้ พบว่าในการเกิดปฏิกิริยานั้น มีผลิตภัณฑ์ที่เป็นสารตัวกลางเกิดขึ้นหลายตัว รวมทั้งสารตั้งต้นที่เหลือและผลิตภัณฑ์หลัก ได้แก่ FDCA, HMF, HMFCA, DFF, FFCA เป็นต้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการผลิตและผลผลิตที่ได้ของ FDCA ยังคงต้องได้รับการปรับปรุงและพัฒนาต่อไป เพื่อให้ได้ผลผลิตของ FDCA ที่มากขึ้น จึงมีแนวคิดในการปรับปรุงสมรรถนะของปฏิกรณ์เคมี ซึ่งเดิมเป็นปฏิกรณ์เบดนิ่ง โดยมีการเพิ่มกระแสของการรีไซเคิลผลิตภัณฑ์ กลับไปป้อนยังทางเข้าของปฏิกรณ์ เพื่อปรับปรุงการไหลและการสัมผัสกันของสารในระบบให้ดีมากขึ้น นอกจากนี้ ในส่วนของการแยกสารและการทำให้สารบริสุทธ์ (Separation and purification) เพื่อต่อยอดในการนำสาร FDCA บริสุทธิ์ไปทำปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชั่น เพื่อผลิตพลาสติกชีวภาพ PEF ทางการบรรจุ นั้น ก็จะเป็นงานวิจัยที่ต่อเนื่องกันไปในอนาคต ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นในส่วนของการสังเคราะห์สารเคมีชีวภาพ FDCA ผ่านฏิกิริยาออกซิเดชั่นของ HMF ที่สภาวะการดำเนินงานต่างๆ ในปฏิกรณ์เคมีเบดนิ่งแบบรีไซเคิล เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและผลผลิตของผลิตภัณฑ์ FDCA ให้ดีขึ้น และหาสภาวะที่เหมาะสมสำหรับอัตราการไหลของกระแสรีไซเคิล ในส่วนของการแยกสารผลิตภัณฑ์ให้บริสุทธิ์ และการนำสารผลิตภัณฑ์ FDCA บริสุทธิ์ที่ได้ มาผลิตเป็นพลาสติกชีวภาพ PEF นั้น จะเป็นงานวิจัยที่พัฒนาและต่อยอดหลังจากงานวิจัยนี้ เพื่อผลิตพลาสติกชีวภาพ PEF ทางการบรรจุ ทดแทนการใช้ขวดพลาสติก PET ต่อไปในอนาคต

วัตถุประสงค์

(1) เพื่อศึกษาการสังเคราะห์สารเคมีชีวภาพ FDCA ในปฏิกรณ์เบดนิ่งแบบรีไซเคิล สำหรับเป็นแนวทางในการผลิตพลาสติกชีวภาพ PEFทางการบรรจุ (2) เพื่อศึกษาอิทธิพลของการสภาวะการดำเนินงานที่มีต่อการผลิต FDCA เช่น อัตราการไหลของกระแสรีไซเคิล สัดส่วนของสารตั้งต้นต่อตัวทำละลาย (HMF/NaOH) และปริมาณของตัวเร่งปฏิกิริยา เป็นต้น (3) เพื่อหาสภาวะที่เหมาะสมของอัตราการไหลของกระแสรีไซเคิลในการผลิต FDCA