การผลิตไบโอดีเซลโดยสาหร่ายน้ำจืดขนาดเล็ก

   ไบโอดีเซล เป็นพลังงานทางเลือกหนึ่งที่นำมาใช้เป็นพลังงานทดแทนพลังงานจากน้ำมันปิโตรเลียมที่นับวันจะหมดไป  ไบโอดีเซล สามารถผลิตจากผลิตผลทางการเกษตรได้หลายชนิด ที่นิยมคือพืชที่ให้น้ำมัน เช่น ปาล์มน้ำมัน ถั่วเหลือง ถั่วลิสง มะพร้าว ทานตะวัน สบู่ดำ และผลิตได้จากไขมันสัตว์ การผลิตไบโอดีเซลจึงเหมาะกับประเทศเกษตรกรรมอย่างประเทศไทย แต่การใช้วัตถุดิบจากผลิตผลทางการเกษตรนั้นมีข้อเสียเปรียบที่การเพาะปลูกพืชต้องใช้พื้นที่มาก ใช้ระยะเวลาในการเพาะปลูกนานกว่าพืชจะให้ผลผลิต และผลผลิตที่ได้ยังขึ้นกับฤดูกาลอีกด้วย

การเพาะเลี้ยงสาหร่าย Botryococcus sp. J4-1 ภายใต้อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส  ให้ช่วงแสงสว่างต่อมืดเท่ากับ 16: 8 ชั่วโมง เป็นเวลา 32 วัน

ภาพพื้นผิวตอบสนอง (Response surface plot) และคอนทัวร์พล๊อต ของพีเอชและความ

             เข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ต่อการผลิตไฮโดรคาร์บอน

    สาหร่ายเป็นพืชชนิดหนึ่งที่มีศักยภาพสูงในการนำมาผลิตไบโอดีเซลได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสาหร่ายขนาดเล็ก ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นสาหร่ายสีเขียวเซลล์เดียวที่พบได้ทั่วไปในแหล่งน้ำต่าง ๆ  ซึ่งการใช้สาหร่ายมีข้อได้เปรียบกว่าพืชน้ำมันอื่น คือ สาหร่ายสามารถเจริญเติบโตได้เร็ว ใช้พื้นที่ในการเพาะเลี้ยงน้อยกว่าพืชน้ำมันอื่นๆ สามารถเพาะเลี้ยงได้ตลอดทั้งปี ผลผลิตที่ได้ไม่ขึ้นกับฤดูกาล วิธีการเพาะเลี้ยงไม่ยุ่งยากเมื่อเทียบกับพืชน้ำมัน และเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวขนาดเล็กที่ผลิตน้ำมันได้ในปริมาณมากมายมหาศาลเมื่อเทียบกับการใช้พื้นที่และระยะเวลาของพืชน้ำมันอื่น ๆ นอกจากนี้ในการกระบวนการสังเคราะห์แสง สาหร่ายยังสามารถนำพลังงานจากแสงอาทิตย์และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มาใช้เปลี่ยนสารอนินทรีย์ให้เป็นสารอินทรีย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในรูปของกรดไขมันและไฮโดรคาร์บอน นับได้ว่าสาหร่ายช่วยลดปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศซึ่งเป็นผลพลอยได้ในการช่วยลดภาวะโลกร้อนด้วย

  อย่างไรก็ตามกระบวนการในการเพาะเลี้ยงสาหร่ายให้เจริญอย่างรวดเร็วและให้ผลผลิตน้ำมันสูงต้องอาศัยปัจจัยต่าง ๆ เข้ามาเกี่ยวข้องมากมาย ไม่ว่าจะเป็นเรื่องของอาหารเลี้ยงสาหร่าย ความเป็นกรด-ด่าง ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ความเข้มแสง ระยะเวลาในการให้แสง และอุณหภูมิ

   ด้วยเหตุนี้ ดร.เดือนรัตน์ ชลอุดมกุล  อาจารย์ประจำภาควิชาจุลชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์  จึงทำการศึกษาหาสภาวะที่เหมาะสมในการใช้สาหร่ายน้ำจืดขนาดเล็กเป็นวัตถุดิบเพื่อการผลิตไบโอดีเซล ศึกษาปัจจัยที่มีผลต่อการเจริญและการผลิตไฮโดรคาร์บอนของสาหร่าย โดยใช้วิธีพื้นผิวตอบสนอง (response surface methodology) ซึ่งเป็นกระบวนการทางสถิติที่ใช้ในการออกแบบการทดลอง ใช้ในการหาความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรต้น คือ ปัจจัยต่าง ๆ ต่อตัวแปรตาม คือ ค่าตอบสนอง เนื่องจากการศึกษาทีละปัจจัยจะใช้เวลานาน ดังนั้นการใช้วิธีพื้นผิวตอบสนอง จะช่วยให้ประหยัดเวลาและค่าใช้จ่ายในทำการวิจัยได้มาก

   สาหร่ายน้ำจืดขนาดเล็กที่คัดเลือกมาใช้ในการวิจัยในครั้งนี้ คือ Botryococcus sp. ไอโซเลต J4-1 เป็นสายพันธุ์ที่แยกได้จากอ่างเก็บน้ำห้วยสะพาน จ. ชลบุรี  โดยได้ทำการคัดเลือกเป็นสายพันธุ์ที่มีไฮโดรคาร์บอนสะสมภายในเซลล์ค่อนข้างสูง   ทำการเพาะเลี้ยงในสูตรอาหารที่คัดเลือกไว้ว่าสามารถทำให้สาหร่ายสามารถเจริญและผลิตไฮโดรคาร์บอนได้สูง ออกแบบการทดลองโดยกำหนดปัจจัยเพื่อศึกษาสภาวะที่เหมาะสมต่อการเจริญและการผลิตไฮโดรคาร์บอนรวม 7 ปัจจัย ได้แก่ ความเข้มข้นของโซเดียมไนเทรต ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไดไฮโดรเจนฟอสเฟต ความเข้มข้นของไอรอนซิเทรต ค่าพีเอช ความเข้มข้นของโซเดียมไบคาร์บอเนต ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ และความเข้มของแสง พบว่า สภาวะการเพาะเลี้ยงที่ความเข้มข้นของโซเดียมไนเทรต (NaNO₃) 160 มิลลิกรัมต่อลิตร โพแทสเซียมไดไฮโดรเจนฟอสเฟต (KH₂PO₄) 15 มิลลิกรัมต่อลิตร ไอรอนซิเทรต (Fe-citrate) 1 มิลลิกรัมต่อลิตร พีเอช 8 โซเดียมไบคาร์บอเนต (NaHCO₃) 0 เปอร์เซ็นต์ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) 3 เปอร์เซ็นต์ และความเข้มของแสง 4000 ลักซ์ จะทำให้สาหร่ายBotryococcus sp. J4-1 มีการเจริญ และผลิตไฮโดรคาร์บอนสูงสุด โดยมีน้ำหนักเซลล์แห้ง 3.000 กรัมต่อลิตร ผลิตคลอโรฟิลล์ 0.563 มิลลิกรัมต่อลิตร และผลิตไฮโดรคาร์บอน 0.5949 กรัมต่อลิตร          และจากสภาวะของสิ่งทดลองนี้ พบว่า มีจำนวน 3 ปัจจัย เป็นปัจจัยหลักที่มีผลอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ คือ ความเข้มข้นของไอรอนซิเทรต พีเอช และความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์   โดยความเข้มข้นของไอรอนซิเทรต และความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ ส่งผลในทางบวก แสดงว่าเมื่อความเข้มข้นของปัจจัยเหล่านี้เพิ่มขึ้นจะส่งผลให้การเจริญและการผลิตไฮโดรคาร์บอนเพิ่มขึ้น ส่วนพีเอช ส่งผลในทางลบ แสดงว่าเมื่อปัจจัยเหล่านี้มีความเข้มข้นต่ำลงจะส่งผลให้การเจริญ การผลิตคลอโรฟิลล์ และการผลิตไฮโดรคาร์บอนเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงคัดเลือก 3 ปัจจัยนี้ไปใช้ในการศึกษาหาสภาวะที่เหมาะสมต่อไป โดยได้ออกแบบการทดลองอีก 17 ชุดการทดลอง และพบว่า ชุดการทดลองที่ประกอบด้วยความเข้มข้นของไอรอนซิเทรต 2 มิลลิกรัมต่อลิตร พีเอช 7 และความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ 2 เปอร์เซ็นต์ ทำให้ Botryococcus sp. J4-1 มีการเจริญ และผลิตไฮโดรคาร์บอนได้สูงสุด โดยมีการทดลอง 3 ชุด ที่มีมวลเซลล์สูงสุดเท่ากับ 4.97, 4.98 และ 4.77 กรัมต่อลิตร มีปริมาณคลอโรฟิลล์เท่ากับ 11.77, 10.50 และ 9.81 มิลลิกรัมต่อลิตร มีปริมาณไฮโดรคาร์บอนเท่ากับ 1.26, 1.25 และ 1.08 กรัมต่อลิตร

จากการนำค่าการเจริญ การผลิตคลอโรฟิลล์ และการผลิตไฮโดรคาร์บอน ที่ได้จากทั้ง 17 ชุดการทดลองไปวิเคราะห์ค่าทางสถิติได้สมการการผลิตมวลเซลล์การผลิตคลอโรฟิลล์และการผลิตไฮโดรคาร์บอน และนำไปหากราฟพื้นผิวการตอบสนองซึ่งจากกราฟสามารถหาสภาวะที่เหมาะสมของการเจริญ การผลิตคลอโรฟิลล์ และการผลิตไฮโดรคาร์บอน ผลสรุปได้ว่า  ความเข้มข้นของไอรอนซิเทรต 1.5 มิลลิกรัมต่อลิตร พีเอช 6.8 และความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ 2.5 เปอร์เซ็นต์ จะให้มวลเซลล์ ปริมาณคลอโรฟิลล์ และปริมาณไฮโดรคาร์บอนสูงสุดเท่ากับ 5.74 กรัมต่อลิตร 13.51 มิลลิกรัมต่อลิตร และ 1.44 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ

  การศึกษาการผลิตไฮโดรคาร์บอนของสาหร่ายน้ำจืดขนาดเล็กเพื่อการผลิตไบโอดีเซล ด้วยวิธีพื้นผิวตอบสนอง ช่วยให้การหาความสัมพันธ์ของตัวแปรต่างๆรวดเร็วขึ้น ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการพัฒนากระบวนการเพาะเลี้ยงสาหร่ายเพื่อการผลิตไบโอดีเซลต่อไปในอนาคต

	ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก. หัวหน้าโครงการ : ดร.เดือนรัตน์ ชลอุดมกุล ภาควิชาจุลชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์   เรียบเรียง : ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก. โทร. 02 561 1474 e-mail : rdiwan@ku.ac.th
ดร.เดือนรัตน์ ชลอุดมกุล