ลิกนิน (Lignin) เป็นพอลิเมอร์ธรรมชาติ ที่สามารถพบได้ในพืชทั่วไปสูงถึง 30% ทำหน้าที่เปรียบเสมือนกาวประสานช่วยยึดโครงสร้างพืชให้มีความแข็งแรง นอกจากนี้ยังช่วยลดการระเหยของน้ำ และช่วยป้องกันการถูกทำลายของเนื้อเยื่อจากจุลินทรีย์ได้อีกด้วย

ลิกนินมีโครงสร้างแบบอะโรมาติก (Aromatic structures) ประกอบด้วยมอนอเมอร์ 3 ชนิด ได้แก่ coniferyl, sinapyl และ p-coumaryl alcohols ที่เชื่อมต่อกันจนทำให้เกิดโมเลกุลชีวภาพขนาดใหญ่ที่ซับซ้อน และมีคุณสมบัติที่โดดเด่นหลายประการ เช่น สามารถป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ชะลอการเกิดอนุมูลอิสระ (Antioxidant) ยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อจุลินทรีย์ (Antimicrobial) และมีเสถียรภาพทางความร้อน (Thermal stability) ด้วยเหตุนี้ลิกนินจึงเป็นสารชีวภาพทางเลือกเพื่อทดแทนการใช้สารเคมีที่ผลิตจากผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม และยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ในภาคอุตสาหกรรม ลิกนินสามารถพบได้ในน้ำดำ หรือ “Black liquor” ซึ่งเป็นของเสียจากขั้นตอนการผลิตเยื่อกระดาษ นอกจากนี้ลิกนินยังเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการผลิตไบโอเอทานอลรุ่นที่ 2 (2G ethanol) ซึ่งใช้วัตถุดิบจำพวกชีวมวลลิกโนเซลลูโลสมาหมักแทนการใช้น้ำตาลอีกด้วย ปริมาณการผลิตลิกนินทั่วโลกมีแนวโน้มเฉลี่ยเพิ่มสูงขึ้นโดยเฉลี่ย 5.6% ต่อปี และคาดว่าจะมีมูลค่าตลาดถึง 1,162 ดอลลาร์สหรัฐในปี 2028 [1] แต่ในปัจจุบันมีลิกนินเพียงแค่ 5% ที่ถูกนำกลับมาใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับโรงงานกระดาษ/โรงไฟฟ้า [2] ดังนั้นนักวิจัยทั่วโลกจึงได้มีความพยายามคิดค้นและพัฒนากระบวนการสกัดลิกนินออกจากน้ำดำ เพื่อนำลิกนินกลับมาใช้ประโยชน์ให้ได้มากที่สุด จนกระทั่งในปี 2008 บริษัท Valmet จากประเทศฟินแลนด์ เป็นบริษัทชั้นนำแห่งแรกของโลกที่ได้พัฒนาเทคโนโลยีการสกัดลิกนินคุณภาพสูงออกจากน้ำดำ ที่ชื่อว่า “LignoBoost™” เกิดเป็นจุดเริ่มต้นที่ทำให้ลิกนินเป็นที่รู้จักในวงกว้าง ทั้งในทวีปอเมริกาและยุโรป และมีการนำลิกนินไปประยุกต์ใช้ในหลายอุตสาหกรรม เช่น ใช้เป็นส่วนผสมในปุ๋ย ยาฆ่าแมลง และอาหารสัตว์ในอุตสาหกรรมการเกษตร ใช้เป็นส่วนผสมในปูนซีเมนต์เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความคงทน ใช้เป็นสารเติมแต่งและสารเร่งปฏิกิริยาวัลคาไนซ์ในอุตสาหกรรมยาง เป็นต้น [3, 4]

นอกจากจะขึ้นอยู่กับประเภทและที่มาของชีวมวล เช่น ไม้เนื้ออ่อน (Softwood) ไม้เนื้อแข็ง (Hardwood) และกลุ่มหญ้า (Grasses) องค์ประกอบและคุณสมบัติของลิกนิกยังแปรผันตามกระบวนการสกัดแยกลิกนินอีกด้วย ในปัจจุบันกระบวนการสกัดลิกนินที่นิยมใช้มี 4 กระบวนการ ซึ่งทำให้ได้ลิกนินประเภทต่างๆ ได้แก่ กระบวนการคราฟท์ (Kraft lignin) กระบวนการลิกโนซันโฟเนต (Lignosulfonate lignin) กระบวนการโซดา (Soda lignin) และกระบวนการสกัดที่ใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ (Organosolv lignin) เนื่องจากแต่ละกระบวนการมีการใช้กรดหรือตัวทำละลายอินทรีย์ที่ต่างกัน จึงส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของลิกนินดั้งเดิม ทั้งเชิงโครงสร้าง น้ำหนักโมเลกุล ปริมาณสารอนินทรีย์ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งปริมาณหมู่ฟังก์ชัน ได้แก่ หมู่ไฮอะลิฟาติกไฮดรอกซิล (Aliphatic OH) หมู่ฟีนอลิกไฮดรอกซิล (Phenolic OH) หมู่กรดคาร์บอกซิลิก (Carboxylic acids) และหมู่คาร์บอนิล (Carbonyl) นำไปสู่ผลิตภัณฑ์ลิกนินที่มีคุณสมบัติทางเคมีที่ต่างกัน และสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้มากมาย ไม่ว่าจะใช้เป็นสารเคมีที่มีมูลค่าสูง (Biochemicals) เชื้อเพลิงชีวภาพ (Biofuels) วัสดุฐานชีวภาพ (Bio-based materials) หรือแม้กระทั่งสารเติมแต่งเชิงหน้าที่ (Functional additives)

แต่การแปรรูปลิกนินที่มีโครงสร้างซับซ้อนนั้นเป็นเรื่องท้าทาย ต้องอาศัยกระบวนการดัดแปลงลิกนินทางเคมี (Chemical modification) และกระบวนการดีพอลิเมอร์ไรเซชัน (Depolymerization) เพื่อแปลงสภาพลิกนินให้แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กๆ ได้แก่ โมโนเมอร์ (Monomer) หรือ โอลิโกเมอร์ (Oligomers) ด้วยการให้อุณหภูมิและ/หรือสารเคมี ร่วมกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ในบทความนี้ เราจะขอยกตัวอย่างของกระบวนการแปรรูปลิกนินเชิงเคมีที่ได้ผลิตภัณฑ์ที่น่าสนใจหลายชนิด ได้แก่

การผลิต “วานิลลิน (Vanillin)” หรือกลิ่นวานิลลาสังเคราะห์ เพื่อทดแทนการใช้ฟีนอลจากปิโตรเลียม วานิลลินเป็นที่ต้องการในตลาดโลกมากถึง 12,000 ตันต่อปี และเป็นสารเคมีที่มีมูลค่าสูงกว่าคราฟท์ลิกนินถึง 100 เท่า (ราคาลิกนินอยู่ที่ประมาณ 150 ดอลลาร์ต่อตัน แต่วานิลินมีมูลค่าสูงถึง 15,000 ดอลลาร์ต่อตัน) [5] การผลิตวานิลลินจากลิกนิน ถูกค้นพบในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 โดย Borregaard นักวิจัยชาวนอร์เวย์ ที่นำลิกโนซัลโฟเนตลิกนินจากอุตสาหกรรมกระดาษมาทำปฏิกิริยาออกซิเดชันร่วมกับการใช้ทองแดงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ในปัจจุบันบริษัท Borregaard เป็นบริษัทเดียวในยุโรปที่สามารถผลิตและจำหน่ายวานิลลินเชิงพาณิชย์ “Biovanillin”
การสังเคราะห์โฟมฟีนอลิก (Phenolic foam) ซึ่งเป็นวัสดุฐานชีวภาพจากลิกนิน นำมาใช้เป็นฉนวนกันความร้อนภายในอาคาร ท่าอากาศยาน และท่อขนส่งสารเคมี [6] โดยทั่วไปการสังเคราะห์โฟมฟีนอลิกจะถูกเตรียมจากปฏิกิริยาเรโซลที่มีฟอร์มาลดีไฮด์และฟีนอลเป็นส่วนประกอบหลัก อย่างไรก็ตามกระบวนการสังเคราะห์ลิกนินโฟมจำเป็นต้องมีขั้นตอนการดัดแปรหมู่ฟังก์ชันทางเคมี (Chemical modification) เพื่อปรับปรุงโครงสร้างและตำแหน่งกัมมันต์ (Active sites) ของลิกนินให้มีโครงสร้างบางส่วนที่ใกล้เคียงกับฟีนอล ปฏิกิริยาหลักที่ใช้ในการปรับปรุงหมู่ฟังก์ชันของลิกนิน ได้แก่ 1) เมธิเลชัน (Methylolation) 2) ฟีนอเลชัน (Phenolation) และ 3) ดีเมธิเลชัน (Demethylation) โดยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา บริษัท Sumitomo Bakelite จากประเทศญี่ปุ่น ประสบความสำเร็จในการพัฒนาเรซินฟีนอลิกจากลิกนิน สำหรับใช้เป็นชิ้นส่วนรถยนต์ไฟฟ้าในอุตสาหกรรมรถยนต์ ซึ่งพบว่าสามารถทดแทนการใช้ฟีนอลได้มากถึงร้อยละ 50 โดยน้ำหนัก [6]

การใช้ลิกนินเป็นสารเติมแต่งเชิงหน้าที่ (Functional additives) ในพลาสติกบรรจุภัณฑ์และทางการแพทย์ ก็เป็นอีกหนึ่งการประยุกต์ใช้ลิกนิกที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้เติมแต่งพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เพราะจากพลาสติกชีวภาพยังมีข้อจำกัดในด้านคุณสมบัติเชิงกล มีเสถียรภาพทางความร้อนต่ำ และดูดซับรังสียูวีและอนุมูลอิสระได้ค่อนข้างต่ำ การเติมลิกนินลงในผลิตภัณฑ์จึงมีส่วนช่วยในการปรับปรุงข้อบกพร่องเหล่านี้ เพื่อนำไปสู่การใช้งานที่กว้างขวางมากขึ้น [7]
หวังว่าตัวอย่างเหล่านี้ จะแสดงให้เห็นว่าลิกนินมีศักยภาพในการเป็นแหล่งวัตถุดิบหมุนเวียนที่สำคัญ สำหรับอุตสาหกรรมเชื้อเพลิงและเคมีชีวภาพที่มีความยั่งยืน ส่งผลกระทบต่อธรรมชาติน้อย และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นในอนาคตอันใกล้
เรียบเรียงโดย ดร. วรรณวิทู วรรณโมลี
ภาพประกอบโดย ปริณวดี ชูแก้ว

อ้างอิง
[1] ILI, EPA, USDA, Finnish Forest Association, Company Annual Reports, Primary Research, Global Market Insights.
[2] Sivagurunathan, P., Tirath Raj, Chandra Sekhar Mohanta, Surbhi Semwal, Alok Satlewal, Ravi P. Gupta, Suresh K. Puri, S. S. V. Ramakumar, and Ravindra Kumar. “2G waste lignin to fuel and high value-added chemicals: Approaches, challenges and future outlook for sustainable development.” Chemosphere 268 (2021): 129326.
[3] Stewart, D. (2008). Lignin as a base material for materials applications: Chemistry, application and economics. Industrial crops and products, 27(2), 202-207.
[4] https://www.valmet.com/…/lignin-extraction/lignin-uses/ [5] https://www.borregaard.com/…/borregaard-increases…/
[6] Zhang, Wei, Yufeng Ma, Chunpeng Wang, Shouhai Li, Mingming Zhang, and Fuxiang Chu. “Preparation and properties of lignin–phenol–formaldehyde resins based on different biorefinery residues of agricultural biomass.” Industrial Crops and Products 43 (2013): 326-333.
[7] https://www.plasticstoday.com/…/plant-derived-phenolic…