Oleaginous microorganism, จุลินทรีย์ไขมันสูง ทางเลือกสำหรับไบโอดีเซล

_____________________________________
เรียบเรียงโดย ดร.พิรพรรณ พลบุรี

 

ปัจจุบันความต้องการใช้พลังงานเชื้อเพลิงมีแนวโน้มเพิ่มสูงขึ้นในขณะที่พลังงานจากปิโตรเลียมที่ได้จากซากฟอสซิล (fossil fuel) ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานสำคัญมีเหลืออยู่อย่างจำกัดและคาดว่าจะหมดไปในอีกไม่ช้านี้ประกอบกับสถานการณ์ปัจจุบันราคาน้ำมันเพิ่มสูงขึ้น ทำให้มีความพยายามที่จะหาพลังงานจากแหล่งอื่นมาทดแทนไบโอดีเซล (biodiesel) เป็นพลังงานทดแทนอีกทางหนึ่งที่กำลังได้รับความสนใจอย่างมาก เนื่องจากผลิตได้จากชีวมวล (biomass) ที่สร้างขึ้นมาใหม่ได้ ไบโอดีเซลผลิตโดยกระบวนการ transesterification ของไตรกลีเซอรอลที่ทำให้เกิด โมโนอัลคิลเอสเทอร์ (monoalkyl ester)ของกรดไขมันสายยาว และแอลกอฮอล์สายสั้น เช่นเมทิลเอสเทอร์ของกรดไขมัน (fatty acid methyl ester) และเอทิลเอสเทอร์ของกรดไขมัน (fatty acid ethyl esters) (Meng, 2009) (รูปที่ 1)

RMUTR_RCSEE__photo01
รูปที่ 1 กระบวนการ transesterification (Rishabh186, 2016)

ไบโอดีเซลสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงให้กับยานพานะได้โดยมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับน้ำมันดีเซลจึงสามารถนำมาใช้ทดแทนน้ำมันดีเซลได้โดยไม่จำเป็นต้องดัดแปลงเครื่องยนต์อีกทั้งยังช่วยรักษาสภาพเครื่องยนต์ให้ใช้งานได้นาน เนื่องจากไบโอดีเซลให้การสันดาปที่สมบูรณ์กว่าดีเซลปกติทำให้มีเขม่าคาร์บอนน้อยจึงช่วยลดการอุดตันของระบบไอเสียนอกจากนี้ไบโอดีเซลยังเป็นเชื้อเพลิงสะอาดกล่าวคือไม่มีแก๊สซัลเฟอร์จากการเผาไหม้ การใช้ไบโอดีเซลสามารถลดปรากฏการณ์ฝนกรดปรากฏการณ์เรือนกระจก (greenhouse effect) ลดปริมาณก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) กลุ่มไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) กลุ่มซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SOx) (Rishabh186, 2016)

วัตถุดิบในการผลิตไบโอดีเซล ได้แก่ น้ำมันพืช ไขมันจากสัตว์ รวมถึงน้ำมันที่ใช้แล้ว (Aggelis, 1995) อย่างไรก็ตาม ต้นทุนในการผลิตไบโอดีเซลเป็นหนึ่งในอุปสรรคสำคัญในการพัฒนา เนื่องจากการใช้น้ำมันพืชเป็นวัตถุดิบในการผลิต จะทำให้ไบโอดีเซลมีราคาสูง โดยราคาของไบโอดีเซลจะขึ้นกับการปรับราคาของน้ำมันที่ใช้ในการบริโภค ส่วนการใช้ไขมันสัตว์ และน้ำมันที่ใช้แล้วจากการทอด สามารถลดต้นทุนในการผลิตลงได้ แต่ปริมาณของน้ำมันที่ใช้แล้วมีจำกัด และไม่สามารถตอบสนองความต้องการพลังงานทดแทนที่เพิ่มขึ้นอย่างเพียงพอ (Zhu et al., 2008)

จุลินทรีย์โอลิเอจินัส (oleaginous microorganism) คือ จุลินทรีย์จำพวก แบคทีเรีย ยีสต์ เชื้อรา และสาหร่าย ที่มีการสะสมลิพิดในเซลล์ปริมาณสูงมากกว่า 20% ของน้ำหนักเซลล์แห้ง จุลินทรีย์ประเภทนี้สามารถผลิตน้ำมันจากจุลินทรีย์ (microbial oils) ที่เรียกว่า single cell oil (รูปที่ 2)ส่วนใหญ่การสะสมลิพิดของเซลล์มักพบเมื่อเลี้ยงในอาหารที่มีแหล่งคาร์บอน เช่น กลีเซอรอล น้ำตาลโพลีแซคคาไรด์ มากเพียงพอ แต่มีปริมาณสารอาหารอื่นๆ โดยเฉพาะไนโตรเจนจำกัด (Even and Ratledge, 1984 ;Montetet  al., 1985) มีการรายงานว่าโอลิเอจินัสยีสต์และสาหร่ายบางชนิด สามารถเจริญและสะสมลิพิดปริมาณมาก โดยลิพิดที่สร้างขึ้นคล้ายกับน้ำมันพืช (Aggelis, 1995) เมธิลเอสเทอร์ และสบู่ (Metzger,2005)

RMUTR_RCSEE__photo02
รูปที่ 2 ลิพิดที่สกัดได้จากเซลล์สาหร่าย

ยีสต์บางชนิดจัดเป็นจุลินทรีย์โอลิเอจินัส (Abraham, 1984) โดยบางสายพันธุ์ เช่น สกุล  Rhodosporidium, Rhodotorula และ Lipomyces สามารถสะสมลิพิดภายในเซลล์ได้สูงถึง 70% ของน้ำหนักเซลล์แห้ง(รูปที่ 3) โอลิจินัสยีสต์ที่มีประสิทธิภาพสูง Crptococcuscurvatus สามารถสะสมลิพิดได้มากกว่า 60% ของน้ำหนักเซลล์แห้ง เมื่อเจริญในสภาวะที่จำกัดปริมาณไนโตรเจน ลิพิดที่สร้างขึ้นประกอบด้วยไตรเอซิลกลีเซอรอล (triacylglycerol) ถึง 90% โดยน้ำหนัก ที่มีกรดไขมันอิ่มตัวประมาณ 44% ที่คล้ายกับน้ำมันจากเมล็ดพืชหลายชนิด (Ratledge, 2002) โอลิเอจินัสยีสต์มีการสะสมไตรเอซิลกลีเซอรอล ที่มีกรดไขมันไม่อิ่มตัวหลายพันธะปริมาณมากหรือมีโครงสร้างจำเพาะ (Kavadia, 2001) โดยมี oleic acid (18:1) และ linoleic acid (18:2) ร่วมกับ palmitic acid (16:0) หรือ palmitoleic acids (C16:1) ซึ่งเป็นกรดไขมันที่พบบ่อย (Meng, 2009)

RMUTR_RCSEE__photo03

รูปที่ 3 ลักษณะเม็ดลิพิดจากยีสต์ (bar, 10 mm) เมื่อย้อมด้วยสี Nile red ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบฟลูออเรสเซน (รูปล่าง) และกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (รูปบน) โดยลูกศรแสดงเม็ดลิพิด (Pirapanet al., 2016)

            เชื่อว่าลิพิดจากจุลินทรีย์เป็นวัตถุดิบที่มีศักยภาพสูงในการผลิตไบโอดีเซล เนื่องจากมีองค์ประกอบของกรดไขมันคล้ายกับกรดไขมันในน้ำมันพืช (Li et al., 2007) เมื่อเปรียบเทียบกับพืช จุลินทรีย์มีข้อได้เปรียบในแง่ของการเพาะเลี้ยงที่สามารถผลิตได้ตลอดปีไม่ขึ้นกับฤดูกาล และสภาพอากาศ เจริญเร็วในระยะเวลาอันสั้น ใช้พื้นที่น้อย สามารถควบคุมการผลิต และสามารถใช้วัตถุดิบราคาถูกในการเจริญได้หลายชนิด เช่น ของเหลือทิ้งจากการเกษตร และอุตสาหกรรม (Rupcicet al., 1996; Xueet al., 2006; Angerbaueret al., 2008)

ข้อดีของการผลิตกรดไขมันโดยใช้จุลินทรีย์ (Certik and Shimizu, 1999)

  1. กรดไขมันที่ผลิตได้จากจุลินทรีย์เป็นกรดไขมันชนิดที่มีมูลค่าสูงกว่าที่ผลิตได้ในพืช เช่น น้ำมันถั่วเหลือง น้ำมันปาล์ม และน้ำมันจากเมล็ดทานตะวัน ที่แม้จะมีปริมาณมากแต่เป็นกรดไขมันชนิดที่มีมูลค่าต่ำ
  2. จุลินทรีย์มีอัตราการเจริญสูงในแหล่งอาหารที่ไม่ซับซ้อน มีความหลากหลาย และราคาถูก จึงเป็นการลดค่าใช้จ่ายในด้านวัตถุดิบ
  3. การผลิตกรดไขมันโดยจุลินทรีย์สามารถทำได้ตลอดปี ไม่ขึ้นกับฤดูกาล สภาพภูมิประเทศ หรือภูมิอากาศ
  4. การผลิตกรดไขมันโดยจุลินทรีย์สามารถควบคุมคุณภาพของกรดไขมันได้ง่ายกว่าแหล่งผลิตอื่น ๆ เช่น การทำให้มีความบริสุทธิ์จนถึงระดับที่นำไปใช้ทางเภสัชกรรมได้
  5. การเหนี่ยวนำจุลินทรีย์ให้เกิดกระบวนการ transformation เช่น oxidation desaturation และ hydrogenation เพื่อปรับปรุงโครงสร้างกรดไขมันให้เป็นที่ต้องการได้
  6. การสร้างสายพันธุ์กลายที่มีความบกพร่องในการสังเคราะห์เอนไซม์จำเพาะ เช่น desaturase ทำให้เกิดสายพันธุ์ที่มีความสามารถในการผลิตกรดไขมันชนิดที่ต้องการได้ดีขึ้น
  7. จุลินทรีย์กลุ่ม oleaginous microorganisms สามารถเป็นเซลล์เจ้าบ้าน (host cell) ที่เหมาะสมในการถ่ายโอนยีนจากสิ่งมีชีวิตอื่น (foreign gene) เช่น จากพืชหรือสัตว์ในการทำโคลนนิ่ง (cloning) เพื่อให้มีความสามารถในการผลิตกรดไขมันชนิดที่ต้องการซึ่งเดิมไม่พบในจุลินทรีย์
  8. จุลินทรีย์สามารถนำมาใช้เป็นตัวแทนในการศึกษากระบวนการทางชีวเคมี การควบคุมกระบวนการเมแทบอลิซึมและการทำงานของกรดไขมัน เนื่องจากจุลินทรีย์มีระบบออร์แกเนลล์ที่แยกส่วนเป็นบริเวณต่างกันในเซลล์ (organelle compartmentation) ทำให้การศึกษาในจุลินทรีย์สามารถทำได้ง่ายกว่าสิ่งมีชีวิตชั้นสูงหลายเซลล์ที่มีความซับซ้อนมากกว่า
  9. การควบคุมกระบวนการเมแทบอลิซึมของจุลินทรีย์สามารถทำได้ง่ายโดยการปรับสภาวะในการเพาะเลี้ยง หรือการควบคุมปริมาณสารอาหารเพื่อให้มีการยับยั้งหรือการผลิตกรดไขมันที่ต้องการ

คุณสมบัติโดยทั่วไปของจุลินทรีย์ที่สามารถผลิตน้ำมันในระดับอุตสาหกรรมไม่แตกต่างจากจุลินทรีย์ที่ผลิตสารหรือผลิตภัณฑ์อื่นๆ ในระดับอุตสาหกรรม กล่าวคือ จุลินทรีย์ต้องมีความเสถียรทางพันธุกรรม นั่นคือให้ผลิตภัณฑ์คงที่เมื่อใช้ผลิตสารนั้นๆ เป็นเวลานานๆ เป็นจุลินทรีย์ที่ไม่ก่อโรค (pathogenic microorganisms) หรือผลิตสารพิษ ซึ่งทั้งสองลักษณะต้องปลอดภัยต่อผู้ทำงานในโรงงานที่ผลิต และปลอดภัยต่อการนำไปเป็นส่วนประกอบของอาหารคน อาหารสัตว์หรือผลิตภัณฑ์ยา สำหรับการหมักแบบต้องการอากาศ (aerobic fermentation) จุลินทรีย์นั้นต้องมีความทนต่อแรงเฉือนจากการกวน การให้อากาศ และการผสมผสาน จุลินทรีย์ต้องมีอัตราการเจริญสูง และให้ผลิตภัณฑ์สูง และคุณสมบัติที่พึงประสงค์อย่างยิ่งของจุลินทรีย์ที่สามารถนำมาผลิตน้ำมันในระดับอุตสาหกรรมมีดังนี้ มีความสามารถในการสะสมลิพิดในปริมาณสูง สามารถเจริญแบบ heterotrophic growth สามารถเจริญ และให้ผลผลิตได้ในที่มีอุณหภูมิสูงมากกว่า 30°C ผลิต และสะสมลิพิดเป็นส่วนประกอบหลัก และลิพิดที่ได้ต้องอยู่ในรูปไตรกลีเซอไรด์ และน้ำมันที่ผลิตได้ต้องสามารถสกัดออกจากเซลล์ได้ง่าย (Ratledge, 2004)

งานวิจัยในประเด็นศึกษาดังกล่าวมีความก้าวหน้าขึ้นอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม ยังคงมีประเด็นที่ต้องคำนึงถึงทั้งการคัดเลือกสายพันธุ์จุลินทรีย์ที่มีประสิทธิภาพ การเลือกใช้วัตถุดิบที่มีราคาถูกและมีความเหมาะสม รวมถึงกระบวนการและค่าใช้จ่ายในการผลิต ดังนั้นงานวิจัยที่เกี่ยวกับการหาแนวทางการใช้ประโยชน์ากจุลินทรีย์ในการผลิตไบโอดีเซลยังคงเป็นประเด็นศึกษาที่น่าสนใจ และต้องมีการพัฒนาให้มีความหลากหลาย และมีประสิทธิภาพมากขึ้นต่อไป

 

 

เอกสารอ้างอิง

Abraham, M.J. and R. A. Srinivasan.  1984.  Lipid and fatty acid composition of selected fungi grown on whey medium. Food Sci. 49: 950.-951.

Aggelis, G., M. Komaitis, S. Papanikolaou and G. Papadopoulos.  1995.  A mathematical model for the study of lipid accumulation in oleaginous microorganisms. Lipid accumulation during growth of Mucorcircinelloides CBS172-27 on a vegetable oil.   Gracas y Aceites.  46: 73-169.

Angerbauer, C., M. Siebenhofer, M. Mittelbach and G.M. Guebitz.  2008.  Conversion of sewage sludge into lipids by Lipomycesstarkeyi for biodiesel production.  Bioresour. Technol.  99: 3051–3056.

Certik, M. and S. Shimizu. 1999. Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated fatty acid production. Journal of Bioscience and Bioengineering. 87-1: 1-14.  Evan, C.T. and C.

Kavadia, A., M. Komaitis, I. Chevalot, F. Blanchard, I. Marc and G. Aggelis.  2001.  Lipid and gamma-linolenic acid accumulation in strains of Zygomycetes growing on glucose.  Am Oil Chem Soc.  78: 341-346

Li, Y.H., Z.B. Zhao and F.W. Bai.  2007. High-density cultivation of oleaginous yeast RhodosporidiumtoruloidesY4 in fed-batch culture.  Enzyme Microbial. Technol. 41: 312–317.

Meng, X., Y. Jianming, X. Xin. Z. Lei, N. Qingjuan and X. Mo.  2009.   Biodiesel production from oleaginous microorganisms.  Renewable Energy.  34: 1-5.

Metzger, P. and C. Largeau.   2005.  Botryococcusbraunii: A rich source for hydrocarbons and related ether lipids. ApplMicrobiolBiotechnol.  66: 96-486.

Montet, D., R. Ratamahenina, P. Galzy, M. Pina and A. Graille.  1985. A study of the influence of the growth media on the fatty acid composition in Candida lipolyticadiddens and lodder. Biotechnol. Lett. 7: 733-744.

Polburee P, Yongmanitchai W, Honda K, Ohashi T, Yoshida T et al. 2016. Lipid production from biodiesel-derived crude glycerol by Rhodosporidiumfluviale DMKU-RK253 using temperature shift with high cell density. BiochemEng J. 112:208-218.

Ratledge, C.  2002. Regulation of lipid accumulation in oleaginous micro-organisms. Biochem. Soc. Tran. 30: 1047-1050.

Ratledge, C.  2004.  Fatty acid biosynthesis in microorganisms being used for single cell oil production.  Biochimie.  86:807-815

Ratledge, C. and C.T. Evans. 1989. Lipids and their metabolism, pp.367-455. In A.H. Rose and J.S.  Harrison, eds. The Yeasts. vol.3, 2nd ed. Academic Press Limited.

Rupcic, J., B. Blagovic and V.  Maric.  1996. Cell lipids of the Candida lipolytica yeast grown on methanol. J. Chromatogr. A 755: 75-80.

Xue, F.Y., X. Zhang, H. Luo, and T.W. Tan.  2006.  A new method for preparing raw material for biodiesel production. Process Biochem.  41: 1699–1702.

Zhu, L.Y., M.H. Zong and H. Wu.  2008.  Efficient lipid production with Trichosporonfermentans and its use for biodiesel preparation.Bioresource Technology.  5: 7881–7885.