การแยก ดี-แอล กรดแล็กติกด้วยวิธีการทางเมมเบรน

การแยก ดี-แอล กรดแล็กติกด้วยวิธีการทางเมมเบรน

Separation of D,L-Lactic Acid by Membrane Process

อนันต์ บุญปาน1  อัษฎาวุธ อารีสิริสุข1  สมหมาย ผิวสอาด2  ปิยะมาส สิริแสงสว่าง2

และยรรยง สุขคล้าย2

1สาขาวิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี

2ภาควิชาวิศวกรรมเคมีและวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี

 

1. ที่มาของงานวิจัย

กรดแล็กติก (lactic acid) เป็นกรดอินทรีย์ที่มีความสำคัญอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมต่าง ๆ โดยในอุตสาหกรรมอาหาร จะใช้กรดแล็กติกทำหน้าที่เป็นตัวปรับสภาพความเป็นกรดในอาหารเพื่อให้เกิดรสชาติของความเปรี้ยวที่พึงประสงค์ของอาหารและเครื่องดื่ม ตลอดจนใช้เป็นสารกันบูดเพื่อป้องกันการเสื่อมเสียของผลิตภัณฑ์อาหารได้ นอกจากนี้ยังมีการประยุกต์ใช้กรดแล็กติกในอุตสาหกรรมยาและเครื่องสำอาง ในอุตสาหกรรมสิ่งทอ และใช้เป็นส่วนผสมของแลกเกอร์ได้อีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านสิ่งแวดล้อมที่กำลังเป็นที่สนใจกันอยู่ในขณะนี้ก็คือการใช้กรดแล็กติกบริสุทธิ์เป็นวัตถุดิบในการผลิตพลาสติกแตกสลายทางชีวภาพได้ (biodegradable plastic) ที่เรียกว่า พอลิแล็กติกแอซิด (polylactic acid, PLA) เพื่อใช้ทดแทนพลาสติกที่ได้จากอุตสาหกรรมปิโตรเคมี

การผลิตกรดแล็กติกสามารถผลิตได้โดยวิธีทางเคมีและการหมักโดยเชื้อจุลินทรีย์ การหมักด้วยเชื้อจุลินทรีย์อาศัยกิจกรรมของเอนไซม์ที่จุลินทรีย์สร้างขึ้นมาย่อยแหล่งอาหารคาร์บอน เช่น น้ำตาล กลูโคส หรือแล็กโทสไปเป็นกรดแล็กติก จากการสำรวจการผลิตกรดแล็กติกทั่วโลกพบว่ามีปริมาณ 100,000 ตัน ต่อปี โดยปริมาณ 2 ใน 3 ส่วน ผลิตได้จากกระบวนการหมักส่วนที่เหลือได้จากกระบวนการทางเคมี การผลิตกรดแล็กติกด้วยวิธีการหมักนั้นมีข้อดีหลายประการ เมื่อเปรียบเทียบการผลิตด้วยวิธีการทางเคมี เพราะกระบวนการหมักนั้นสามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิ และความดันปกติ อีกทั้งใช้วัตถุดิบทางการเกษตรที่มีราคาถูกมาเป็นสารตั้งต้นในการผลิตได้ ทำให้ต้นทุนในการผลิตต่ำ แต่ในระหว่างกระบวนการหมักมักจะเกิดสารชนิดอื่นนอกจากกรดแล็กติก เช่น เอทานอล กรดอะซิติก โปรตีน และสารอื่น ๆ รวมทั้งเซลล์ของจุลินทรีย์ ทำให้ขั้นตอนการแยกกรดแล็กติกมีความยุ่งยาก และต้องใช้ขั้นตอนหลายขั้นตอน รวมทั้งกรดแล็กติกที่เกิดจากการหมักยังสามารถเกิดได้ทั้งในรูป D-lactic acid (D-LA) และ L-lactic acid (L-LA) ที่เรียกว่า racemic mixture หรืออย่างใดอย่างหนึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของจุลินทรีย์ และสภาวะที่ทำการหมัก การนำกรดแล็กติกไปใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมการผลิตพลาสติกชีวภาพ หรือ PLA นั้นจะต้องใช้กรดแล็กติกในรูปไอโซเมอร์ที่บริสุทธิ์ (D-form หรือ L-form) ดังนั้นหากสามารถแยกกรดแล็กติกที่อยู่ในรูป racemic mixture ให้ได้ในรูปไอโซเมอร์ที่บริสุทธิ์ก็จะเป็นประโยชน์สำหรับการผลิตพลาสติกชีวภาพที่มีคุณภาพดีต่อไปได้

ปัจจุบันได้มีการศึกษาเกี่ยวกับการแยกกรดแล็กติกที่อยู่ในรูป racemic mixture ให้ได้ในรูปไอโซเมอร์ที่บริสุทธิ์ D-LA หรือ L-LA เช่น การใช้เทคนิคทางเมมเบรน ซึ่งเป็นวิธีที่นิยมใช้แยกสารประกอบที่อยู่ในรูป racemic mixture ของ D-form และ L-form ออกจากกัน ในงานวิจัยนี้จะมุ่งเน้นการศึกษากระบวนการแยกกรดแล็กติกในรูป racemic mixture ให้อยู่ในรูปไอโซเมอร์ที่บริสุทธิ์โดยใช้สารเลือกจับ (chiral selector) ร่วมกับกระบวนการกรองผ่านเมมเบรนเพื่อเป็นทางเลือกหนึ่งในการพัฒนาและปรับปรุงกระบวนการแยกกรดแล็กติกให้อยู่ในรูปไอโซเมอร์ที่บริสุทธิ์ในระดับอุตสาหกรรมต่อไปในอนาคต

 

2. ผลการวิจัย

จากการศึกษาและปรับปรุงประสิทธิภาพการแยกไอโซเมอร์ของ D-LA และ L-LA โดยทำการแยกสารละลายกรดแล็กติกผสมด้วยกระบวนการกรองผ่านเมมเบรนชนิด polytetrafluoroethelene (PTFE) โดยใช้ชุดกรองความดันสูง พบว่า การใช้สารเลือกจับ ชนิด b-cyclodextrin ผสมกับสารละลายกรดแล็กติกผสมก่อนนำไปกรองผ่านเมมเบรนที่ถูกแช่ในสารตัวพา (carrier) ชนิด modified AliquatTM336 ซึ่งอยู่ในรูปของคาร์บอเนต จนเมมเบรนอิ่มตัวด้วยสารตัวพาจะมีความเหมาะสมที่สุดในการแยกไอโซเมอร์ของสารละลายกรดแล็กติกผสม การปรับปรุงประสิทธิภาพการแยกไอโซเมอร์ของ D-LA และ L-LA โดยใช้ b-cyclodextrin เป็นสารเลือกจับ และใช้ modified AliquatTM336 เป็นสารตัวพา เมื่อทำการกรองผ่านเมมเบรนโดยใช้ชุดกรองความดันสูง 2 ครั้ง ใช้เวลาในการกรองครั้งละ 30 นาที พบว่า

–          การกรองครั้งที่ 1 จะสามารถแยก D-LA ออกจาก L-LA ในสารที่ผ่านเมมเบรนออกมาได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยมีค่าสัมประสิทธิ์การแยกเท่ากับ 2.93

–          การกรองครั้งที่ 2 จะช่วยแยก D-LA ที่เหลือจากการกรองในครั้งที่ 1 ออกจากสารที่ผ่านเมมเบรนออกมา ส่งผลให้ประสิทธิภาพการแยกไอโซเมอร์ของ D,L-LA สูงขึ้น โดยมีค่าการแยกเท่ากับ 4.43

  

 

ภาพที่ 1 ชุดกรองความดันสูง

 

 

ภาพที่ 2 เมมเบรนชนิด polytetrafluoroethelene (PTFE)

 

3.  จุดเด่นของงานวิจัย

ชุดกรองความดันสูงสำหรับแยกไอโซเมอร์ของ D-LA และ L-LA สามารถทำงานแบบต่อเนื่องได้โดยการเติมสารที่ต้องการแยกเพิ่มได้ตลอดเวลา ใช้แยกสารที่มีความหนืดสูงได้โดยสามารถเพิ่มแรงดันได้สูงถึง 30 บาร์ สามารถเก็บตัวอย่างระหว่างการแยกเพื่อตรวจสอบอัตราส่วนหรือประสิทธิภาพของการแยกระหว่างเดินระบบได้  มีระบบการทำงานไม่ยุ่งยากซับซ้อน และการเพิ่มแรงดันโดยใช้ก๊าซไนโตรเจนทำให้ไม่เกิดปฏิกิริยากับสารตัวอย่างที่ต้องการแยก การใช้ชุดกรองความดันสูงร่วมกับเมมเบรนชนิด polytetrafluoroethelene (PTFE) ช่วยทำให้ประสิทธิภาพในการแยก D-LA และ L-LA เพิ่มสูงขึ้น ซึ่งสารที่ได้จะอยู่ในรูปไอโซเมอร์ที่มีความบริสุทธิ์สูง โดยไอโซเมอร์ของ D-LA และ L-LA จะมีความบริสุทธิ์ 87.85 เปอร์เซ็นต์ และ 88.01 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ และผลได้ของ D-LA และ L-LA จะเท่ากับ 0.85 และ 0.86 ตามลำดับ ทำให้สามารถนำ D-LA และ L-LA ไปใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตพลาสติกชีวภาพที่มีคุณสมบัติดีขึ้นได้

 

Permanent link to this article: http://www.sci.rmutt.ac.th/research/?p=82

Leave a Reply

Your email address will not be published.