เอทานอล/เอทิลแอลกอฮอล์

เอทานอล (Ethanol) หรือ เอทิลแอลกอฮอล์ (ethyl alcohol) เป็นแอลกอฮอล์ปฐมภูมิ สูตร CH3CH2OH สามารถผลิตได้จากกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมี และกระบวนการหมักวัตถุดิบจำพวกแป้ง และน้ำตาลด้วยจุลินทรีย์ นิยมนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับผลิตสารเคมีอื่นๆหรือนำมาใช้ประโยชน์โดยตรง เช่น ใช้เป็นตัวทำละลาย เครื่องดื่ม และเชื้อเพลิง เป็นต้น

ลักษณะเฉพาะ
สถานะ : ของเหลวใส ไม่มีสี ระเหยง่าย และมีกลิ่นเฉพาะตัว
สูตร : CH3CH2OH
น้ำหนักโมเลกุล : 46.07 กรัม/โมล
จุดเยือกแข็ง : -114.1 องศาเซลเซียส
จุดเดือด : 78.32 องศาเซลเซียส
จุดวาบไฟ : 14  องศาเซลเซียส
อุณหภูมิวิกฤต : 243.1 องศาเซลเซียส
ความดันวิกฤต : 6383.48 kpa
ความหนาแน่น : 0.7893 กรัม/มิลลิลิตร
การละลายน้ำ : ละลายได้ดีมาก

ประโยชน์ของเอทานอล
1. ใช้เป็นสารตั้งต้นหรือตัวทำละลาย เช่น การผลิตเครื่องสำอาง ยา น้ำหอม เป็นต้น
2. ใช้ผสมในเชื้อเพลิงเพื่อเพิ่มค่าออกเทน และลดปริมาณเชื้อเพลิงบางชนิด เช่น น้ำมันแก๊สโซฮอล์ E10 (แอลกอฮอล์ 1 ส่วน น้ำมันเบนซิน 9 ส่วน) E20 (แอลกอฮอล์ 2 ส่วน น้ำมันเบนซิน 8 ส่วน)
3. เป็นส่วนผสมของเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ต่างๆ
4. ใช้สำหรับการฆ่าเชื้อหรือล้างแผล เช่น แอลกอฮอล์ 75%
5. ใช้สำหรับการทำความสะอาด และฆ่าเชื้อในส่วนผสมของน้ำยาฆ่าเชื้อ

กระบวนการผลิต
1. การสังเคราะห์
การสังเคราะห์เอทานอลสามารถสังเคราะห์ได้จากเอธิลีน (C2H4) ด้วย 2 วิธี คือ
– ไดเรค ไฮเดรชันเอธิลีน ด้วยการทำปฏิกิริยาของเอทิลีนกับไอน้ำที่ความเข้มข้นเท่ากัน ที่ความดัน 5-8 เมกกะพลาสคาล อุณหภูมิ 250-300 องศาเซลเซียส โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา คือ กรดฟอสฟอริค-ซิลิกาเจล และทังสเตนออกไซด์-ซิลิกาเจล ทำให้ได้แอลกอฮอล์เข้มข้น 10-25% ดังสมการ

C2H4 + H2O = CH3CH2OH

2CH3CH2OH = (CH3CH2)2O + H2O

– อินไดเรค ไฮเดรชันเอธิลีน โดยขั้นแรก ใช้เอทิลีนความบริสุทธิ์ 35-95% ทำปฏิกิริยากับกรดกำมะถันทำให้ได้เอทานอลความเข้มข้นไม่เกิน 35% ดังสมการ

C2H4 + H2SO4 = CH3CH2OSO3H

2(C2H4) + H2SO4 = (CH3CH2O)2SO2

ขั้นที่ 2 การทำปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสเอทิลซัลเฟตใน 2 แบบ จนได้เอทานอล

CH3CH2OSO3H + H2O = CH3CH2OH + H2SO4

(CH3CH2O)2SO2 + H2O = 2(CH3CH2O) + H2SO4

การสังเคราะห์วิธีนี้สามารถเพิ่มความเข้มข้นของเอทานอลได้ 50-60% ด้วยการเพิ่มความเข้มข้นของกรดซัลฟูริก ทั้งนี้ วิธีการผลิตเอทานอลด้วยการสังเคราะห์นี้ปัจจุบันไม่ได้รับความนิยมเนื่องจากมีต้นทุนสูง และไม่คุ้มค่ากับการลงทุน

2. การหมักของจุลินทรีย์
เป็นวิธีการดั้งเดิม และนิยมใช้ในการผลิตเอทานอลในปัจจุบัน เนื่องจากมีต้นทุนต่ำ กระบวนการไม่ยุ่งยากซับซ้อน และสามารถหาวัตถุดิบในการผลิตได้ง่าย วัตถุดิบเหล่านี้ที่นิยมนำมาใช้ ได้แก่ มันสำปะหลัง อ้อย ข้าวโพด และกากน้ำตาล

การผลิตเอทานอลหรือเอทิลแอลกอฮอล์ เป็นกระบวนการหมักโดยใช้ยีสต์ที่ผลิตแอลกอฮอล์หมักวัตถุดิบจำพวกแป้ง น้ำตาล และเซลลูโลส ให้เป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว และเปลี่ยนน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวเป็นแอลกอฮอล์ ที่ความเข้มข้น 10-15% ภายใต้ภาวะไร้อากาศ และผ่ากระบวนการกลั่นเพื่อให้ได้แอลกอฮอล์บริสุทธิ์

C6H12O6 + ยีสต์ = 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP

จากสมการจะใช้กลูโคส 1 กรัม สามรถผลิตแอลกอฮอล์ได้ 0.511 กรัม คาร์บอนไดออกไซด์ 0.489 กรัม ทั้งนี้ ในสภาวะความเป็นจริงจะเกิดแอลกอฮอล์น้อยกว่า 0.511 กรัม เนื่องจากยีสต์จะนำน้ำตาลบางส่วนมาใช้สำหรับการเจริญเติบโต และเปลี่ยนเป็นสารอื่นๆ เช่น กลีเซอรอล และซัคนิเดท เป็นต้น

แต่หากมีออกซิเจน ยีสต์จะใช้น้ำตาลสำหรับการสังเคราะห์เซลล์ทำให้ได้คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ

6O2 + C6H12O6 = เซลล์ + 6H2O + 6CO2 + 38ATP

ยีสต์สำหรับการหมัก
การใช้ยีสต์สำหรับการหมักวัตถุดิบเพื่อผลิตแอลกอฮอล์จะขึ้นกับชนิดของคาร์โบไฮเดรตหรือวัตถุดิบที่ใช้ สำหรับการหมักวัตถุดิบประเภทแป้ง และน้ำตาลทั่วไปจะใช้ยีสต์จำพวก Saccharomyces sp. มีลักษณะเป็นรูปไข่ รูปทรงกลม หรือทรงกระบอก เช่น S. cerevisiae, S. ellipsoideus, S. uvarum เป็นต้น โดยทั่วไปนิยมใช้ S. cerevisiae เนื่องจากสามารถเปลี่ยนน้ำตาลเป็นแอลกอฮอล์ได้ดี ทนต่อความเข้มข้นน้ำตาลที่สูงได้

ลักษณะของยีสต์ที่ดี
– สามารถเปลี่ยนน้ำตาลเป็นแอลกอฮอล์ได้สูง เหลือน้ำตาลน้อย
– ทนต่อฤทธิ์ของแอลกอฮอล์ได้ดี
– ทนต่อสภาวะ pH ต่ำ และเป็นกรดได้ดี
– สามารถรวมตัวกัน และตกตะกอนได้ดี
– ไม่เปลี่ยนแปลงง่าย และทนต่อสภาวะต่างๆในการหมักได้ดี

ตัวอย่างขั้นตอนการผลิต
1. วัตถุดิบที่ใช้ ได้แก่ ข้าว ข้าวโพด มันสำปะหลัง และมันฝรั่ง วัตถุดิบเหล่านี้จะเข้ากระยวนการล้างทำความสะอาด และเข้าสู่กระบวนการบด
2. เข้าสู่กระบวนการเปลี่ยนเปลี่ยนเส้นใย และแป้งให้เป็นน้ำตาลด้วยการย่อยสลายด้วยเอนไซม์หรือกรด และเข้าสู่กระบวนการหมัก
3. พืชประเภทให้น้ำตาล เช่น อ้อย และกากน้ำตาล จะเข้าสู่กระบวนการบีดอัดแยกน้ำ และเข้าสู่กระบวนการหมัก
4. เมื่อสภาวะการหมักเกิดขึ้นจนได้แอลกอฮอล์ในปริมาณที่เหมาะสมจะเข้าสู่กระบวนการกลั่นแยกเอาแอลกอฮอล์บริสุทธิ์ 95% ออกมา
5. แอลกอฮอล์ 95% จะถูกนำมาใช้สำหรับการรับประทานในรูปเครื่องดื่ม ใช้ในวงการแพทย์ อุตสาหกรรม และผสมเป็นน้ำมันเชื้อเพลิง

ปริมาณแอลกอฮอล์ที่ผลิตได้จากการหมัก
– กากน้ำตาล 1 ตัน ผลิตแอลกอฮอล์ได้ 260 ลิตร
– อ้อย 1 ตัน ผลิตแอลกอฮอล์ได้ 70 ลิตร
– มันสำปะหลัง 1 ตัน ผลิตแอลกอฮอล์ได้ 155 ลิตร
– ข้าวฟ่าง 1 ตัน ผลิตแอลกอฮอล์ได้ 70 ลิตร
– ข้าวหรือข้าวโพด 1 ตัน ผลิตแอลกอฮอล์ได้ 375 ลิตร
– น้ำมะพร้าว 1 ตัน ผลิตแอลกอฮอล์ได้ 83 ลิตร