บิวทานอล (Butanol) วิธีผลิต และการใช้ประโยชน์

2745
แชร์ต่อให้เพื่อนได้อ่าน
  •  
  •  
  •  
  •  

บิวทานอล (Butanol) เป็นที่รู้จักกัน โดยทั่วไปในชื่อของ Butyl alcohol หรือ n-butanol และเรียกว่า biobutanol ในกรณีที่ผลิตจากกระบวนการทางชีวภาพ บิวทานอลเป็นแอลกอฮอล์พื้นฐานที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ 4 อะตอม สายตรง (Primary alcohol) และมีหมู่ไอดรอกซิล (-OH) สูตรโมเลกุล คือ C4H9OH มีน้ำหนัก โมเลกุล 74.12 กรัมต่อโมล

บิวทานอลเป็นสารที่ไม่มีสี ไวไฟ ละลายน้ำได้เล็กน้อย แต่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ อื่นๆ ได้ดีมีกลิ่นเฉพาะตัวคล้ายกลิ่นของกล้วย แต่มีกลิ่นแอลกอฮอล์ที่ชัดเจน บิวทานอลสามารถที่ให้เกิดการระคายเคืองเมื่อสัมผัสโดยตรง โดยเฉพาะดวงตา และผิวหนัง ไอระเหยของบิวทานอล สามารถก่อให้เกิดการระคายเคืองต่อเยื่อบุโพรงจมูกได้ นอกจากนี้ ยังมีสารเคมีชนิดอื่นที่อยู่ในตระกูลแอลกอฮอล์เช่นเดียวกับบิวทานอล ได้แก่ เมทานอล (คาร์บอน 1 อะตอม) เอทานอล (คาร์บอน 2 อะตอม) และโพรพานอล (คาร์บอน 3 อะตอม)

คุณลักษณะของบิวทานอลทางกายภาพ
• โครงสร้างทางเคมี


• สูตรโมเลกุล : C4H9OH
• จุดหลอมเหลว : -89.3 ๐C
• ความถ่วงจำเพาะ : 0.810–0.812
• จุดติดไฟ : 35-37 ๐C
• จุดลุกติดไฟได้เอง : 343-345 ๐C
• จุดวาบไฟ : 25-29 ๐C
• ความหนาแน่นสัมพัทธ์ (น้ำ: 1.0) : 0.81
• ความดันวิกฤต : 48.4 hPa
• อุณหภูมิวิกฤต : 287 ๐C
• ปริมาณเปอร์เซ็นต์ของก๊าซหรือไอระเหย (เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตรในอากาศ) : 1.4-11.3
• การละลายได้ในน้ำ (ที่ 20 ๐C) : 9.0 มิลลิลิตร ต่อ 100 มิลลิลิตร
• ความหนาแน่นไอสัมพัทธ์ (อากาศ: 1.0) : 2.6
• ความดันไอ (ที่ 20 ๐C) : 0.58 kPa

คุณสมบัติทางเคมีของบิวทานอล
• จุดเดือด : 117-118 º C
• ความหนาแน่นที่ 20 º C : 0.8098 g/mL
• การละลายในน้ำ 100 กรัม : ผสมไม่เป็นเนื้อเดียวกัน
• ความหนาแน่นของพลังงาน : 27-29.2 MJ•L -1
• ปริมาณความร้อนและค่าพลังงาน : 110000 BTU/gal
• อัตราส่วนผสมของอากาศกับเชื้อเพลิง : 11.2
• ความร้อนที่ต้องการเพื่อระเหยสสารที่จุดเดือดปกติ : 0.43 MJ/Kg
• ความจุความร้อน (Cp ) ที่ STP : 178 kJ/kmol•K)
• Research octane number : 96
• Motor octane number : 78
• สัมประสิทธิ์การกระจายตัวของสารในชั้นน้ำ และ ชั้นออกทานอล: 0.88 (logPo/w)a
• Dipole moment (การมีขั้ว) : 1.66
• ความหนืด (10-3 Pa•s) : 2.593

ประวัติ และการผลิตบิวทานอล
การผลิตบิวทานอลโดยเชื้อจุลินทรีย์ได้ถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1861 โดยหลุยส์ พัสเตอร์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1905 Schardinger ได้ค้นพบอะซิโตนจากกระบวนการเดียวกันกับหลุยส์ พัสเตอร์ ซึ่งเป็นกระบวนการหมักเพื่อผลิตตัวทำละลายอินทรีย์ ได้แก่ อะซิโตน บิวทานอล และเอทานอล

ในปี ค.ศ. 1912-ค.ศ. 1914 เชม วิทแมนน์ (Chaim Weizmann) ได้แยกจุลินทรีย์กลุ่มหนึ่งที่มีความสามารถผลิตอะซิโตน และบิวทานอลได้ เรียกว่า ไอโซเลต ซึ่งต่อมาเรียกจุลินทรีย์นี้ว่า Clostridium acetobutylicum ในระยะแรกกระบวนการหมักนี้ ได้ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ปัญหาการขาดแคลนยางธรรมชาติ โดยใช้บิวทานอลมาเป็นสารตั้งต้นในการผลิตเบตาไดอีน ส่วนอะซิโตนนั้น มีความสำคัญมากในการผลิตวัตถุระเบิด TNT (Trinitrotoluene) ในสงคราโลกครั้งที่1 แต่ความต้องการลดน้อยลงหลังสงครามโลกยุติ แต่กลับกันที่บิวทานอลกลับมีความต้องมากขึ้นในอุตสาหกรรมผลิตรถยนต์ และอุตสาหกรรมสีทา เนื่องจาก บิวทานอลสามารถใช้เป็นตัวทำละลายไนโตรเซลลูโลสผสมในแล็กเกอร์ (Lacquer) ซึ่งเป็นสารเคลือบเงารถยนต์

โดยตั้งแต่ปี ค.ศ. 1950 เริ่มมีการผลิตบิวทานอลได้ด้วยกระบวนการทางเคมีจากสารตั้งต้นที่ได้จากการผลิตน้ำมันปิโตรเลียม ซึ่งมีต้นทุนถูกกว่าการผลิตโดยกระบวนการหมัก ทำให้โรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ ในอเมริกาเริ่มมีการเปิดขึ้นใหม่ จนกระทั่งสิทธิบัตรโรงงานของวิทแมนน์ (Weizmann) สิ้นสุดลงจึงเกิดโรงงานเพื่อการผลิตบิวทานอลขึ้นหลายแห่ง ทั้งในญี่ปุ่น อินเดีย ออสเตรีย และอเมริกาใต้ โดยใช้แบคทีเรีย C. acetobutylicum เป็นหลักในการผลิตเช่นเดียวกับอะซิโตน อ่านเพิ่มเติม อะซิโตน

กระบวนการผลิตบิวทานอล
กระบวนการหมักเพื่อให้เกิดบิวทานอล เป็นกระบวนการหมักแบบไร้ออกซิเจน จึงทำให้ประหยัด ค่าใช้จ่ายในการให้ก๊าซออกซิเจน และยังประหยัดพลังงานที่ต้องใช้ในการกวนผสมอีกด้วยเมื่อเทียบกับกระบวนการหมักแบบใช้ออกซิเจน ซึ่งกระบวนการผลิตบิวทานอลสามารถผลิต
ได้ 3 วิธี คือ
1. กระบวนการทางเคมี
2. กระบวนการทางชีวภาพ
3. กระบวนการขั้นสูง

แต่วิธีที่นิยม ในปัจจุบัน คือ กระบวนการหมักทางชีวภาพ โดยใช้แบคทีเรีย ซึ่งในกระบวนการหมัก เรียกว่า การหมักอะซิโตนบิวทานอลเอทานอล ( Acetone-butanol-ethanol fermentation, ABE fermentation) โดยแบคทีเรียที่ใช้มากจะเป็นแบคทีเรียในตระกูล Clostridium sp. เช่น C. butylinum และ C. acetobutylinum เป็นต้น

เดิมทีแบคทีเรียในตระกูลนี้ใช้เพื่อผลิตอะซิโตนจากสารจำพวกแป้ง ซึ่งตอนนั้น บิวทานอล และเอทานอลเป็นผลพลอยได้ที่ได้ออกมาจากกระบวนการหมัก โดยผลที่ได้จากกระบวนการหมักโดยทั่วไป คือ บิวทานอล : อะซิโตน: เอทานอล ในอัตราส่วน 6: 3: 1 ซึ่งผลผลิตทั้ง 3 ชนิด รวมกันมีค่าประมาณ 30% ของน้ำตาลที่ใช้ในกระบวนการหมัก โดยผลพลอยได้ที่สำคัญที่ได้จากกระบวนการหมักนี้ ได้แก่ ก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งสามารถนำไปผลิตเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เหลวหรือน้ำแข็งแห้ง (dry ice) และบางส่วนนำไปใช้ในการรักษาสภาวะไร้ออกซิเจนในถังหมักได้อีกด้วย

การเก็บเกี่ยวอะซิโตน และบิวทานอลออกจากของเหลวที่ได้จากกระบวนการหมักที่ได้โดยการกลั่น หลังจากนั้น ก็แยกอะซิโตนออกมาจากบิวทานอลได้โดยการกลั่นลำดับส่วน หรือการเป่าไล่ด้วยแก๊ส (Gas stripping) ด้วยตัวทำละลาย โดยบิวทานอล อะซิโตน และเอทานอลที่ได้จะละลายในแก๊ส และถูกพาออกจากถังหมัก แล้วจึงถูกแยกออกจากกันโดยการควบแน่น

คุณสมบัติการเป็นเชื้อเพลิง
ไบโอบิวทานอล เป็นบิวทานอลที่ผลิตได้จากกระบวนการทางชีวภาพ สามารถนำมาใช้ เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ได้ในอนาคต ถึงแม้ว่าในขณะนี้มีเหตุผลหลายประการที่ทำให้เอทานอลยังคงเป็นเชื้อเพลิงเหลวที่นิยมใช้มากกว่าก็ตาม อย่างไรก็ตาม บิวทานอลจัดเป็นสารที่มีข้อดีกว่าเอทานอลหลายประการ คือ
1. มีความสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ได้โดยตรง โดยไม่ต้องผ่านการดัดแปลงใดๆ ในขณะที่การใช้เอทานอลจะต้องมีการปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของเอทานอลบางประการเพื่อให้เหมาะสมต่อการนำไปเป็นพลังงานเชื้อเพลิง
2. บิวทานอลมีคุณสมบัติเฉพาะทางกายภาพ และทางเคมี เช่น มีค่าออกเทนใกล้เคียงกับแก๊สโซลีนมากกว่าเอทานอล รวมทั้งให้ค่าพลังงานที่ดีกว่าเอทานอล เมื่อเปรียบเทียบค่าพลังงานระหว่างบิวทานอลกับเอทานอล ทั้งนี้ จะเห็นได้ว่าบิวทานอลให้ค่าพลังงานใกล้เคียงกับแก๊สโซลีน (น้ำมันเบนซิน) มากกว่าเอทานอล ในปริมาณที่เท่ากันเครื่องยนต์จะใช้เอทานอลหมดเร็วกว่าบิวทานอล ในขณะที่สารผสมของเอทานอลกับก๊าซโซลีนจะต้องใช้ปริมาณมากกว่าจึงจะให้ค่าพลังงานที่ออกมาเท่ากัน ซึ่งค่าพลังงานของบิวทานอลมีค่าเท่ากับ 110,000 BTU ต่อแกลลอน ในขณะที่เอทานอลมีค่า 84,000 BTU ต่อแกลลอน และบิวทานอลยังสามารถผสมกับแก๊สโซลีนได้หลายอัตราส่วน เนื่องจาก มีความเป็นขั้วต่ำกว่า ส่วนเอทานอลสามารถนำไปผสมกับก๊าซโซลีนได้เพียงบางส่วนเท่านั้น
3. บิวทานอลสามารถนำไปใช้ได้โดยไม่ต้องดัดแปลงเครื่องยนต์ และไม่ส่งผลกระทบต่อเครื่องยนต์เลย ทั้งนี้ มีการทดลองใช้บิวทานอลเติมแทนแก๊สโซลีน พบว่า เครื่องยนต์ใช้งานได้ตามปกติ โดยมีการใช้บิวทานอลสูงกว่าก๊าซโซลีน 9 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตร ถึงแม้ว่าเครื่องยนต์จะใช้บิวทานอลสูงกว่า แต่พบว่า การเผาไหม้ของเครื่องยนต์โดยใช้บิวทานอลนั้น มีการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ไอโดรคาร์บอน และอนุพันธ์ของไนตรัสออกไซด์ที่เป็นพิษ (NOx ) ลดลงมาก ซึ่งเป็นเรื่องที่สำคัญต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมาก
4. บิวทานอลไม่ดูดซับความชื้น จึงมีค่า Hygroscopicity ต่ำกว่า และบิวทานอลยังมีความสามารถในการกัดกร่อนต่ำที่ให้ปลอดภัยในการขนส่งตามระบบท่อส่งน้ำมัน ในขณะที่เอทานอลไม่สามารถเก็บไว้เป็น เวลานานได้ เนื่องจาก มีค่าความดันไอสูง อย่างไรก็ตาม บิวทานอลมีความหนืดเป็น 2 เท่าของเอทานอล และประมาณ 5 ถึง 7 เท่า ของก๊าซโซลีน
5. คุณสมบัติอื่นๆ ของบิวทานอลที่เหนือกว่าเอทานอล ได้แก่ การระเหยเป็นไอ (Volatility) ของบิวทานอลต่ำกว่า จึงมีความเป็นพิษน้อยกว่า โดยมีค่า Reid Vapor Pressure (RVP) ต่ำกว่า 7.5 เท่า เมื่อเทียบกับเอทานอล โดยค่าแรงดันไอ (Vapor Pressure) ของบิวทานอลมีค่าเท่ากับ 4 มิลลิเมตรปรอท ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส มีค่าต่ำกว่าเอทานอล 11 เท่า ซึ่งมีค่าเท่ากับ 45 มิลลิเมตรปรอท ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส จึงสามารถผสมได้โดยตรงกับแก๊สโซลีนโดยไม่สูญเสียจากการระเหย ไม่มีผลกระทบข้างเคียงอื่นๆ และจะไม่เกิดการแยกชั้นในที่ที่มีน้ำอยู่ก็ตาม

การนำบิวทานอลไปใช้ประโยชน์
1. บิวทานอลมาเป็นสารตั้งต้นในการผลิตในอุตสาหกรรมต่างๆ อาทิ อุตสาหกรรมพลาสติก อุตสาหกรรมผลิตรถยนต์ และอุตสาหกรรมสีทา โดยเฉพาะการใช้เป็นตัวทำละลายในกระบวนการผลิตต่างๆ อาทิ การใช้เป็นตัวทำละลายไนโตรเซลลูโลสผสมในแล็กเกอร์ (Lacquer) ซึ่งเป็นสารเคลือบเงารถยนต์
2. ใช้เป็นส่วนผสมของเชื้อเพลิงแก๊สโซลีนแทนเอทานอล


แชร์ต่อให้เพื่อนได้อ่าน
  •  
  •  
  •  
  •