การหมักและการผลิตไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส

1.ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC)เป็นเซลลูโลสอีเธอร์ที่สำคัญซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการก่อสร้าง ยา อาหาร เครื่องสำอาง และสาขาอื่นๆ HPMC มีคุณสมบัติในการทำให้ข้น สร้างฟิล์ม อิมัลซิไฟเออร์ แขวนลอย และกักเก็บน้ำได้ดี จึงมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย การผลิต HPMC ส่วนใหญ่อาศัยกระบวนการดัดแปลงทางเคมี ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีชีวภาพ วิธีการผลิตที่ใช้การหมักจุลินทรีย์ก็เริ่มได้รับความสนใจเช่นกัน

2. หลักการผลิตแบบหมักของ HPMC

กระบวนการผลิต HPMC แบบดั้งเดิมใช้เซลลูโลสธรรมชาติเป็นวัตถุดิบและผลิตขึ้นด้วยวิธีทางเคมี เช่น การทำให้เป็นด่าง การทำให้เป็นอีเทอร์ และการกลั่น อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับตัวทำละลายอินทรีย์และสารเคมีจำนวนมาก ซึ่งมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมาก ดังนั้น การใช้การหมักจุลินทรีย์เพื่อสังเคราะห์เซลลูโลสและทำให้เป็นอีเทอร์เพิ่มเติมจึงกลายเป็นวิธีการผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและยั่งยืนมากขึ้น

การสังเคราะห์เซลลูโลสด้วยจุลินทรีย์ (BC) เป็นหัวข้อที่ได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แบคทีเรีย เช่น Komagataeibacter (เช่น Komagataeibacter xylinus) และ Gluconacetobacter สามารถสังเคราะห์เซลลูโลสที่มีความบริสุทธิ์สูงได้โดยตรงผ่านการหมัก แบคทีเรียเหล่านี้ใช้กลูโคส กลีเซอรอล หรือแหล่งคาร์บอนอื่นๆ เป็นสารตั้งต้น หมักภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม และหลั่งเส้นใยนาโนเซลลูโลส เซลลูโลสจากแบคทีเรียที่ได้สามารถแปลงเป็น HPMC ได้หลังจากการปรับเปลี่ยนไฮดรอกซีโพรพิลและการเมทิลเลชัน

3. ขั้นตอนการผลิต

3.1 กระบวนการหมักเซลลูโลสแบคทีเรีย

การเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการหมักเป็นสิ่งสำคัญในการปรับปรุงผลผลิตและคุณภาพของเซลลูโลสแบคทีเรีย ขั้นตอนหลักมีดังนี้:

การคัดกรองและการเพาะเลี้ยงสายพันธุ์: คัดเลือกสายพันธุ์เซลลูโลสที่มีผลผลิตสูง เช่น Komagataeibacter xylinus เพื่อนำไปเพาะเลี้ยงและปรับให้เหมาะสม

วัสดุการหมัก: จัดหาแหล่งคาร์บอน (กลูโคส ซูโครส ไซโลส) แหล่งไนโตรเจน (สารสกัดจากยีสต์ เปปโตน) เกลืออนินทรีย์ (ฟอสเฟต เกลือแมกนีเซียม เป็นต้น) และสารควบคุม (กรดอะซิติก กรดซิตริก) เพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตของแบคทีเรียและการสังเคราะห์เซลลูโลส

การควบคุมสภาวะการหมัก: รวมถึงอุณหภูมิ (28-30℃), ค่า pH (4.5-6.0), ระดับออกซิเจนที่ละลายอยู่ (การกวนหรือการเพาะเลี้ยงแบบคงที่) ฯลฯ

การรวบรวมและการทำให้บริสุทธิ์: หลังจากการหมัก เซลลูโลสแบคทีเรียจะถูกเก็บรวบรวมโดยการกรอง การซัก การทำให้แห้ง และขั้นตอนอื่นๆ จากนั้นแบคทีเรียที่เหลือและสิ่งสกปรกอื่นๆ จะถูกกำจัดออก

3.2 การดัดแปลงเซลลูโลสด้วยเมทิลเลชันไฮดรอกซีโพรพิล

เซลลูโลสแบคทีเรียที่ได้จะต้องผ่านการปรับเปลี่ยนทางเคมีเพื่อให้ได้คุณสมบัติตาม HPMC ขั้นตอนหลักๆ มีดังนี้:

การบำบัดด้วยด่าง: แช่ในสารละลาย NaOH ในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อขยายห่วงโซ่เซลลูโลสและปรับปรุงการทำงานของปฏิกิริยาอีเทอร์ริฟิเคชันในภายหลัง

ปฏิกิริยาเอเทอร์ริฟิเคชัน: ภายใต้อุณหภูมิและสภาวะเร่งปฏิกิริยาเฉพาะ ให้เติมโพรพิลีนออกไซด์ (ไฮดรอกซีโพรพิเลชัน) และเมทิลคลอไรด์ (เมทิลเลชัน) เพื่อแทนที่กลุ่มไฮดรอกซิลเซลลูโลสเพื่อสร้าง HPMC

การทำให้เป็นกลางและการกลั่น: ทำให้เป็นกลางด้วยกรดหลังจากการทำปฏิกิริยาเพื่อกำจัดสารเคมีที่ไม่ทำปฏิกิริยา และได้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายโดยการล้าง กรอง และทำให้แห้ง

การบดและการจัดเกรด: บด HPMC ให้เป็นอนุภาคที่ตรงตามข้อกำหนด จากนั้นคัดกรองและบรรจุตามเกรดความหนืดที่แตกต่างกัน

4. เทคโนโลยีที่สำคัญและกลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพ

การปรับปรุงสายพันธุ์: ปรับปรุงผลผลิตและคุณภาพของเซลลูโลสผ่านทางวิศวกรรมพันธุกรรมของสายพันธุ์จุลินทรีย์

การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการหมัก: ใช้ไบโอรีแอ็กเตอร์เพื่อการควบคุมแบบไดนามิกเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตเซลลูโลส

กระบวนการอีเธอร์ริฟิเคชันสีเขียว: ลดการใช้ตัวทำละลายอินทรีย์และพัฒนาเทคโนโลยีอีเธอร์ริฟิเคชันที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น เช่น การดัดแปลงด้วยเอนไซม์เร่งปฏิกิริยา

การควบคุมคุณภาพผลิตภัณฑ์: โดยการวิเคราะห์ระดับการทดแทน ความสามารถในการละลาย ความหนืด และตัวบ่งชี้อื่นๆ ของ HPMC เพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนดการใช้งาน

การหมักตามหลักเอชพีเอ็มซีวิธีการผลิตมีข้อดีคือสามารถทดแทนได้ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพ ซึ่งสอดคล้องกับแนวโน้มของเคมีสีเขียวและการพัฒนาอย่างยั่งยืน ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีชีวภาพ เทคโนโลยีนี้จะค่อยๆ เข้ามาแทนที่วิธีทางเคมีแบบดั้งเดิม และส่งเสริมการใช้ HPMC อย่างกว้างขวางมากขึ้นในสาขาการก่อสร้าง อาหาร ยา และอื่นๆ