การศึกษาเชิงฟิสิกส์เคมีของเชื้อเพลิงชีวภาพ เช่น กรดไขมันเมทิลเอสเทอร์ (Fatty Acid Methyl Ester: FAME) และไบโอดีเซล มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจคุณสมบัติทางกายภาพที่มีผลต่อสมรรถนะการใช้งาน หนึ่งในคุณสมบัติสำคัญคือ ความเร็วเสียง (speed of sound) ซึ่งสัมพันธ์กับความหนาแน่น โครงสร้างโมเลกุล และปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลในของเหลว อย่างไรก็ตาม ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วเสียงกับ พลังงานกิบส์ (Gibbs energy, ΔG) ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ของระบบ ยังไม่เคยมีการรายงานอย่างเป็นระบบมาก่อน

เมทิลเอสเทอร์ (METHYL ESTER)

คือ สารประเภทเอสเทอร์ของกรดไขมันสายโซ่ยาวที่สังเคราะห์จากน้ำมันพืช หรือไขมันสัตว์ ที่ผ่านกระบวนการ Trans-Esterification จนมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับน้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลในปัจจุบัน

เมทิลเอสเทอร์ หรือที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในชื่อ B100 นั้นเป็นเชื้อเพลิงสะอาดที่ใช้แล้วไม่หมดไป (Renewable) เพราะสามารถผลิตได้จากน้ำมันพืชชนิดต่างๆ อาทิ น้ำมันปาล์ม น้ำมันจากต้นเรปน้ำมันถั่วเหลือง ฯลฯ ที่สามารถปลูกทดแทนได้ตามธรรมชาติ ทั้งนี้เมื่อนำเมทิลเอสเทอร์ไปผสมผสานกับปิโตรเลียมดีเซลในสัดส่วนที่เหมาะสม จะได้น้ำมันเชื้อเพลิงสะอาดซึ่งเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้นที่เรียกว่า “ไบโอดีเซล”

ภาพจาก : https://www-crownoil-co-uk.translate.goog/guides/fame-biodiesel-guide/?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=th&_x_tr_hl=th&_x_tr_pto=tc

ไบโอดีเซล (Biodiesel) หรือ Fatty acid methyl ester (FAME)

คือ น้ำมันที่ผลิตมาจากพืช ซึ่งถือเป็น “เชื้อเพลิงทางเลือก” ที่ผลิตได้จากชีวภาพ เช่น ปาล์ม ทานตะวัน ถั่วเหลือง สบู่ดำ มะพร้าว หรือ ผลิตมากจากไขมันสัตว์หรือน้ำมันที่ผ่านการใช้งานแล้วซึ่งเป็นสารจำพวกไตรกลีเซอไรด์ ก็สามารถนำมาผลิตไบโอดีเซลได้โดยนำมาผ่านกระบวนการทางเคมี

ไบโอดีเซลเกิดขึ้นได้อย่างไร?

เริ่มจากขั้นตอนแรก คือ การนำน้ำมันพืชบริสุทธิ์มาผ่านกระบวนการทางเคมี ที่เรียกว่าปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชั่น (Transesterification) ด้วยการเติมสารตระกูลแอลกอฮอล์ เช่น เมทานอล (Methanol) และสารเร่งปฏิกิริยา จะได้เป็นไบโอดีเซล และกลีเซอรอล จากนั้นขั้นตอนสุดท้ายให้ทำการแยกกลีเซอรอลออก ก็จะได้ไบโอดีเซลให้บริสุทธิ์ที่สามารถนำไปใช้งานได้

ภาพจาก : https://www.apexchemicals.co.th/blogDetails.php?id=529

บทความงานวิจัยเรื่อง “Correlating the Speed of Sound with the Gibbs Energy and Estimating the Speed of Sound in Fatty Acid Methyl Ester and Biodiesel” ของ รศ.ดร. กรณ์กนก อายุสุข, รศ.ดร. คณิต กฤษณังกูร, สุภัทรา ลิลิตชาญ, สุริยา พันธ์โกศล, อภิญญา ชีวะพันธ์ และอุบล ชื่นสำราญ กลุ่มสาขาการวิจัยเชิงกลยุทธ์ : เศรษฐกิจฐานชีวภาพ (รูปแบบการวิจัยเชิงกลยุทธ์) สถาบันพัฒนาและฝึกอบรมโรงงานต้นแบบ (สรบ.)  มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ในงานวิจัยนี้ โมเลกุลของเอสเทอร์ของกรดไขมันเมทิล (FAME) ถูกแบ่งเป็นกลุ่มอะตอม และกำหนดค่า ΔG ให้กับแต่ละกลุ่ม เพื่อสร้างโมเดลใหม่ที่สามารถเชื่อมโยงความเร็วของเสียงเข้ากับโครงสร้างของกรดไขมัน โมเดลที่นำเสนอสามารถใช้ประมาณค่าความเร็วของเสียงใน FAME และไบโอดีเซลได้อย่างแม่นยำในช่วงอุณหภูมิต่าง ๆ โดยค่าความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยสัมบูรณ์ของความเร็วเสียงใน FAME (65 จุดข้อมูล) และไบโอดีเซล (175 จุดข้อมูล) เท่ากับ 0.23% และ 0.36% ตามลำดับ นอกจากนี้ การคำนวณความเร็วของเสียงยังสามารถทำได้ง่ายเพียงโดยใช้จำนวนพันธะคู่และจำนวนอะตอมคาร์บอนของกรดไขมัน

ความก้าวหน้านี้ไม่เพียงช่วยให้สามารถทำนายคุณสมบัติทางกายภาพของเชื้อเพลิงชีวภาพได้รวดเร็วและคุ้มค่ากว่าการทดลองจริง แต่ยังช่วยสนับสนุนการออกแบบและการผลิตไบโอดีเซลให้มีคุณภาพที่สม่ำเสมอและเหมาะสมต่อการใช้งานในสภาวะต่าง ๆ นอกจากนี้ แนวทางนี้ยังเปิดโอกาสให้นำไปประยุกต์ใช้ในการศึกษาคุณสมบัติอื่น ๆ ของเชื้อเพลิงชีวภาพและสารประกอบที่มีโครงสร้างคล้ายคลึงกันในอนาคต

เอกสารอ้างอิง

Cheewaphan A., Chuensumran U., Phankosol S., Aryusuk K., Lilitchan S., & Krisnangkura K. (2021). Correlating the Speed of Sound with the Gibbs Energy and Estimating the Speed of Sound in Fatty Acid Methyl Ester and Biodiesel. Journal of the American Oil Chemists' Society, 98(5), 593-604. https://doi.org/10.1002/aocs.12476

Apex Chemicals. (3 ตุลาคม 2566). ไบโอดีเซล (Biodiesel) คืออะไร ? เกิดขึ้นได้อย่างไร ? และมีการพัฒนาในประเทศไทยอย่างไร ?. https://www.apexchemicals.co.th/blogDetails.php?id=529

Crown Oil. (n.d.). FAME (Fatty Acid Methyl Esters) Biodiesel Explained – An Easy Guide. https://www-crownoil-co-uk.translate.goog/guides/fame-biodiesel-guide/?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=th&_x_tr_hl=th&_x_tr_pto=tc

GGC. (ม.ป.ป.). เมทิลเอสเทอร์ (Methyl Ester). https://www.ggcplc.com/th/businesses/methyl-ester