เเนวทางการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตเอทานอลไทย มุ่งเพิ่มรายได้ปีต่อปี

ตามปกติแล้ว เราไม่สามารถที่จะทำให้ประสิทธิภาพของกระบวนการหมักเอทานอลเป็น 100% ได้ เนื่องจากเป็นกระบวนการทางชีวภาพที่เกิดขึ้นในเซลล์ของยีสต์ ซึ่งนอกจากจะต้องใช้น้ำตาลในการหมักเป็นเอทานอลแล้ว ก็ยังคงต้องแบ่งเอาส่วนหนึ่งไปใช้ในการเจริญเติบโตและซ่อมแซมตัวเอง และสิ่งแวดล้อมภายนอกเซลล์ก็ยังคงมีเชื้อปนเปื้อนที่คอยแย่งน้ำตาลไปทำกิจกรรมอื่นๆอีกด้วย โดยทั่วไปแล้วประสิทธิภาพการผลิตเอทานอลในระดับโรงงานจึงมีประสิทธิภาพประมาณ 85 – 90% ขึ้นอยู่กับสภาวะต่างๆในกระบวนการผลิต ซึ่งถ้าคิดจากวัตถุดิบที่มีการใช้กันในประเทศไทย เช่น กากน้ำตาล (molasses) จะผลิตได้ประมาณ 260 ลิตรต่อตัน มันสดจะผลิตได้ประมาณ 156 ลิตรต่อตัน และมันเส้นจะผลิตได้ประมาณ 400 ลิตรต่อตัน

การปรับปรุงกระบวนการเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตเอทานอล มีแนวทางที่ทำได้หลายแนวทาง แต่ในที่นี้จะขอพูดถึง 3 แนวทางที่มีประสบการณ์ที่โดยตรง ได้แก่ 1) Control of contamination 2) Unfermentable sugar utilization และ 3) Yeast activity

1. Control of contamination

เชื้อปนเปื้อนในกระบวนการผลิต มีทั้ง ยีสต์ เชื้อรา และแบคทีเรีย แต่ในกระบวนการหมักเอทานอลนั้น เชื้อแบคทีเรียมักจะเป็นกลุ่มที่สร้างความเสียหายได้มากที่สุด โดยแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ คือ เชื้อแกรมบวก และแกรมลบ โดยแบคทีเรียแกรมลบจะมีการปนเปื้อนในช่วงแรกๆ แต่ก็มักจะอ่อนแอลงหรือถูกกำจัดไปเมื่อในถังหมักมีความเข้มข้นของเอทานอลที่สูงขึ้น ในขณะที่แบคทีเรียแกรมบวกในกลุ่ม Lactobicillus Bacillus Streptococcus และ Leuconostoc เป็นกลุ่มที่สร้างความเสียหายในกระบวนการหมักได้มากกว่า ทั้งการแย่งน้ำตาลไปทำกิจกรรมอย่างอื่น สร้างสารที่พิษที่มีผลลบต่อยีสต์ ทำให้ยีสต์อ่อนแอลง ซึ่งในที่สุดก็จะทำให้ได้ผลผลิตเอทานอลน้อยกว่าที่เราคาดหวัง หรือในหลายๆ ครั้งก็ทำให้ระบบหมักล่มไปเลยก็มี

แบคทีเรียกลุ่มนี้จึงจำเป็นต้องใช้ biocides ที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมหรือกำจัด โดยสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการหมักได้อีกตั้งแต่ 1% – 4% แต่อย่างไรก็ตาม การใช้ biocides ซึ่งส่วนมากจะเป็นสาร antibiotics และ ionophores ก็จำเป็นต้องมีการคัดเลือกผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพ มีความน่าเชื่อถือ รวมทั้งต้องคำนึงถึงผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและการดื้อยาด้วย

นอกจากนี้การใช้สารเคมีประเภทอื่นๆ เช่น Chlorine dioxides ก็พบว่าให้ผลในการควบคุมและยับยั้งการปนเปื้อนในกระบวนการหมัก แต่ด้วยข้อจำกัดที่สารดังกล่าวก็มีผลในการยับยั้งการเจริญและกิจกรรมของยีสต์ด้วยเช่นกัน ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้เกินความเข้มข้นที่ 50 ppm ได้ โดยจากประสบการณ์สารดังกล่าวจะสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการหมักได้ 1%-2% ซึ่งน้อยกว่าการใช้ biocides ค่อนข้างมาก

2. Unfermentable sugar utilization

วัตถุดิบแต่ละชนิดจะให้ผลผลิตเอทานอลที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับปริมาณแป้งหรือน้ำตาลที่มีอยู่ เช่น กากน้ำตาลหรือโมลาสก็จะมี Fermentable sugar (น้ำตาลที่ยีสต์สามารถนำไปผลิตเอทานอลได้ ได้แก่ sucrose glucose และ fructose) โดยเฉลี่ยอยู่ประมาณ 46% ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของโรงงานน้ำตาล คุณภาพของอ้อยเข้าหีบ และการจัดเก็บโมลาสก่อนนำมาใช้งาน

นอกจากนี้ก็ยังมีแนวทางในการนำเอาน้ำตาลอื่นๆ ที่โดยปกติแล้วยีสต์ไม่สามารถใช้หมักเอทานอลได้ เช่น trisaccharide dextran short-chain oligosaccharides และ medium-chain oligosaccharides เพื่อเพิ่มผลผลิตเอทานอลได้จากเดิมอีก ซึ่งน้ำตาลประเภทเรามักเรียกกว่า unfermentable sugars โดยจะมีรวมๆ กัน อยู่ประมาณ 0.5% – 2.0%

แนวทางการนำเอา unfermentable sugars มาช่วยเพิ่มผลผลิตเอทานอลนั้น ส่วนมากก็จะมีการใช้เอนไซม์ชนิดต่างๆ เช่น dextranase และ amylase เพื่อช่วยในการย่อยให้สารประกอบดังกล่าว มีขนาดเล็กลงหรือเปลี่ยนคุณสมบัติ จนยีสต์สามารถนำไปหมักเอทานอลได้ การออกแบบผลิตภัณฑ์ประเภทนี้ ส่วนมากมักจะเป็นการนำเอาเอนไซม์หลายชนิดมาใช้พร้อมๆกันตามสัดส่วน (enzyme cocktails) เนื่องจาก unfermentable sugars นั้นมีหลายชนิดและแต่ละชนิดมีปริมาณไม่มาก จึงจำเป็นต้องใช้เอนไซฒ์หลายชนิดเพื่อให้ได้ผลผลิตเอทานอลเพิ่มมากขึ้นจนเป็นที่น่าพอใจ ซึ่งถ้าหากมีการออกแบบ enzyme cocktails ที่เหมาะสมกับปริมาณและชนิดของ unfermentable sugars แล้ว จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของการผลิตเอทานอลได้ 2% – 3% เลยทีเดียว

แต่อย่างไรก็ตาม ความยากและซับซ้อนของการนำเอา unfermentable sugars มาใช้นั้น ขึ้นอยู่กับชนิดและคุณภาพของวัตถุดิบ ซึ่งเราไม่สามารถควบคุมได้ มีการแปรผันไปกับสิ่งแวดล้อมได้ตลอดเวลา เช่น พันธุ์ของพืชที่ใช้ คุณสมบัติของดินในแต่ละพื้นที่ อุณหภูมิ เป็นต้น เมื่อวัตถุดิบเปลี่ยนไป ปริมาณและชนิดของ unfermentable sugars ก็จะเปลี่ยน ส่งผลให้ enzyme cocktails เดิมที่ใช้ได้ผลดีกลับใช้ไม่ได้ผลไปในทันทีที่เปลี่ยนแหล่งของวัตถุดิบ

การจัดการในเรื่องดังกล่าวจึงจำเป็นต้องมีระบบทดสอบและตรวจสอบอย่างรวดเร็ว ทันทีที่วัตถุดิบเปลี่ยน ต้องมีการทดสอบยืนยันผลว่ายังใช้ได้หรือไม่ ถ้าไม่ได้ก็จำเป็นต้องหยุดใช้ทันที เพื่อลดความสูญเสียและความสิ้นเปลืองงบประมาณ ตลอดจนถึงระบบการพัฒนาและทดสอบ enzyme cocktails ชุดใหม่ๆ ที่ใช้ได้กับวัตถุดิบใหม่ที่เข้ามา ดังนั้นจะเห็นได้ว่า แนวทางการใช้ unfermentable sugars ในการเพิ่มผลผลิตเอทานอลนั้น ถึงแม้จะมีผลิตภัณฑ์ enzyme cocktails ต่างๆ ออกมามากมาย แต่ก็ยังไม่มีการใช้ในระดับอุตสาหกรรมอย่างแพร่หลายและต่อเนื่องสักเท่าไหร่

3. Yeast activity

การหมักเอทานอลในระดับอุตสาหกรรมนั้น จะใช้วัตถุดิบที่เป็นพืชผลทางการเกษตรที่มีราคาถูกเป็นหลัก เช่น มันสด มันเส้น และแม้แต่กระทั่งการใช้ byproducts ที่มีคุณภาพค่อนข้างต่ำ เช่น กากน้ำตาล ซึ่งเกือบทั้งหมดนั้น เป็นวัตถุดิบที่มีการปนเปื้อนของสิ่งต่างๆ เข้ามาตลอดทั้งกระบวนการผลิต ในขณะที่ในการหมักระดับอุตสาหกรรรม ก็ไม่สามารถทำให้ถังหมักปลอดเชื้อได้โดยสมบูรณ์ เนื่องจากต้องควบคุมต้นทุนในการผลิตให้ต่ำที่สุด ปัจจัยทั้งหมดที่กล่าวมาส่งผลให้กระบวนการหมัก มีทั้งการปนเปื้อนของเชื้อต่างๆ รวมไปถึงสิ่งเจือปนมากมายที่ติดมากับวัตถุดิบ จึงเป็นสิ่งแวดล้อมที่สร้างความเครียดให้กับยีสต์มาก หากยีสต์ไม่แข็งแรงก็จะส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตเอทานอลต่ำ

สำหรับแนวทางในการสร้างความแข็งแรงให้กับยีสต์ในกระบวนการหมักเอทานอลนั้น ส่วนมากคือการเติมสารต่างๆ เข้าไปเพิ่มให้กับยีสต์ เช่น free amino nitrogen (FAN) และธาตุอาหารรองต่างๆ ซึ่งถ้าใช้ในปริมาณที่เหมาะสมก็จะช่วยเพิ่มผลผลิตเอทานอลได้ดี โดยจากประสบการณ์ที่ผ่านมา พบว่าการที่จะได้ FAN เพิ่มให้กับยีสต์ได้นั้น จะมีทั้งการเติมสารประกอบประเภทโปรตีน เช่น เศษวัสดุทางการเกษตร จากพืชตระกูลข้าว ข้าวโพด ซึ่งได้มีการย่อยสลายแล้วส่วนหนึ่ง จนมี FAN ให้ยีสต์สามารถใช้ได้ หรือในบางผลิตภัณฑ์อาจมีกรรมวิธีในการผลิตในลักษณะของ cocktails ที่มีทั้ง FAN จากวัสดุทางการเกษตรและเอนไซม์ protease ร่วมกันเพื่อให้มี FAN เริ่มต้นที่ยีสต์สามารถใช้ได้ทันทีและมี protease ช่วยย่อยสลายสารประกอบโปรตีนและปลดปล่อย FAN ออกมาเพิ่มเติมอีกส่วนหนึ่ง ซึ่งในการใช้ผลิตภัณฑ์ประเภทนี้นั้น อาจจะสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตได้ 1%-3% เลยทีเดียว

บทความโดย ดร.เสกสรร พรหมนิช.

การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตจากการหมักนั้น ถ้าให้เห็นภาพที่ชัดเจนยิ่งขึ้น เราอาจจะเปรียบเทียบง่ายๆ ว่า ปริมาณวัตถุดิบเท่าเดิม เราสามารถผลิตเอทานอลเพิ่มได้มาอีกกี่ลิตร หรือหากจะลองคำนวณดูเทียบกับมาตรฐานการผลิตปกติก็ได้ เช่น หากใช้กากน้ำตาล มันเส้น และมันสด เป็นวัตถุดิบ โดยทั่วไปเราจะผลิตเอทานอลได้ 260 156 และ 400 ลิตรต่อตัน ตามลำดับ ถ้าหากเราเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตได้อีก 3% เราจะสามารถผลิตเอทานอลได้ 268 162 และ 414 ลิตรต่อตัน ตามลำดับ ซึ่งถ้าคำนวณเทียบจากโรงงานเอทานอลที่กำลังการผลิต 200,000 ลิตรต่อวัน เราจะมีรายได้เพิ่มขึ้นถึงประมาณ 150,000 บาทต่อวัน (เอทานอลราคาลิตรละ 24 บาท) หรือ มากกว่า 48 ล้านบาทต่อปีเลยทีเดียว

อย่างไรก็ตาม ทั้ง 3 แนวทางการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตเอทานอลนั้น ในทางปฏิบัติแล้ว ยังเป็นเรื่องที่ค่อนข้างยากและใช้เวลานานพอสมควรในการที่จะเริ่มทดสอบ การควบคุมปัจจัยต่างๆ ในการทดสอบ การประเมินผลที่ต้องการความเที่ยงตรงและแม่นยำ ตลอดจนถึงการออกแบบการใช้งานจริงในระดับอุตสาหกรรม ซึ่งทั้งหมดต้องใช้ทั้งเครื่องมือที่พร้อม ทีมงานที่มีความรู้ความสามารถ มีประสบการณ์ และสิ่งที่สำคัญที่สุดที่จะประสบผลสำเร็จได้ก็คือนโยบายและทัศนคติของผู้บริหารที่ต้องการพัฒนาประสิทธิภาพของโรงงานหรือธุรกิจของตนเองอย่างจริงจัง