การหาสภาวะที่เหมาะสมของการสังเคราะห์ 5-HMF จากซูโครสผ่านการดูดซับกรดอินทรีย์ด้วยเรซิ่นโดยใช้การออกแบบการทดลองแบบประสมส่วนกลาง ร่วมกับพื้นผิวผลตอบ

ธรรมรัตน์ กลีบเมฆ

ผู้แต่ง

ธรรมรัตน์ กลีบเมฆ มหาวิทยาลัยขอนแก่น

คำสำคัญ:

5-ไฮดรอกซีเมทิลเฟอร์ฟูรัล, เรซิ่น, กรดเลวูลินิก, การออกแบบการทดลองแบบประสมส่วนกลาง, ระเบียบพื้นผิวผลตอบ

บทคัดย่อ

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกำจัดกรดเลวูลินิก ซึ่งเป็นผลพลอยได้ที่เกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ 5-ไฮดรอกซีเมทิลเฟอร์ฟูรัล (5- hydroxymethylfurfural:5-HMF) จากน้ำตาลซูโครสที่ได้จากชีวเคมี เนื่องจากการเกิดกรดดังกล่าวส่งผลต่อความบริสุทธิ์และคุณภาพของ 5-HMF ดังนั้นจึงได้นำการดูดซับด้วยเรซิ่นมาประยุกต์ใช้ร่วมกับการออกแบบการทดลองทางสถิติ เพื่อสร้างแบบจำลองเชิงกำลังสองและหาสภาวะที่เหมาะสมของร้อยละการดูดซับกรดเลวูลิกนิก สำหรับการวางแผนการทดลองใช้การออกแบบแบบประสมส่วนกลาง ภายใต้กรอบระเบียบวิธีพื้นผิวผลตอบ โดยพิจารณาตัวแปรสำคัญ 4 ปัจจัย ได้แก่ เวลาการกวนสาร ปริมาณเรซิ่น ความเข้มข้นเริ่มต้นของ 5-HMF และความเข้มข้นของกรดเลวูลินิก กำหนดให้ร้อยละการดูดซับกรดเลวูลินิกเป็นค่าตอบสนองของการศึกษา ทำการทดลองทั้งหมด 30 รัน ผลการทดลองที่ได้ถูกนำมาวิเคราะห์ด้วยโปรแกรม Minitab v.22.4.0 ผลการวิเคราะห์พบว่าแบบจำลองเชิงกำลังสองสามารถอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยที่ศึกษาและค่าตอบสนองได้อย่างเหมาะสม (p<0.05) โดยมีค่าสัมประสิทธิ์การตัดสินใจเท่ากับ 70.20% โดยเฉพาะพจน์กำลังสองของเวลาการกวนสารและปริมาณเรซิ่นที่มีอิทธิพลอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพการดูดซับ จากการวิเคราะห์หาสภาวะที่เหมาะสม พบว่าเมื่อกำหนดเวลา 150 นาที ใช้เรซิ่น 7.00 กรัม ความเข้มข้นเริ่มต้นของ 5-HMF 0.4001 โมลาร์ และความเข้มข้นกรดเลวูลินิก 0.0102 โมลาร์ จะให้ค่าร้อยละการดูดซับตามแบบจำลองเท่ากับ 67.70 โดยมีช่วงความเชื่อมั่น 95% อยู่ระหว่าง 35.1-100 ผลการศึกษานี้สะท้อนให้เห็นว่าการประยุกต์ใช้เทคนิคการออกแบบการทดลองร่วมกับการดูดซับไม่เพียงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการได้อย่างมีหลักการทางสถิติเท่านั้น แต่ยังเป็นแนวทางที่สามารถนำไปพัฒนาการผลิต 5-HMF ให้มีความบริสุทธิ์สูงขึ้น และสนับสนุนการพัฒนากระบวนการผลิตสารเคมีฐานชีวภาพอย่างยั่งยืนในอนาคต

เอกสารอ้างอิง

J.-V. Burpol, A. F. Chaves, and F. de A. O., “Developing new platform chemicals: What is required for a new bio-based molecule to become a platform chemical in the bioeconomy?,” Faraday Discussions., vol. 202, pp. 213–225, 2017.

Q. Lu, T. Huang, Z. Du, G. Zhou, D. Zhang, B. Gu, and J. He, “High conversion of concentrated sugars to 5-hydroxymethylfurfural over a metal-free carbon catalyst: Role of glucose–fructose dimers,” ACS Sustainable Chemistry & Engineering., vol. 11, no. 43, pp. 15822–15832, 2023.

J. Wang, Y. Zhang, X. Jiao, and H. Wang, “State-of-the-art advances and perspectives in the separation of biomass-derived 5-hydroxymethylfurfural,” Journal of Cleaner Production., vol. 276, Art. no. 124219, 2020.

A. T. Pedersen, R. Ringborg, T. Grotkjaer, S. Pedersen, and J. M. Woodley, “Synthesis of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) by acid catalyzed dehydration of glucose–fructose mixtures,” Chemical Engineering Journal., vol. 273, pp. 455–464, 2015.

D. C. Montgomery, Design and Analysis of Experiments, 8th ed., Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2013.

C. Moreau, R. Durand, S. Razigade, and J. Duhamet, “Dehydration of fructose to 5-hydroxymethylfurfural over H-mordenites,” Applied Catalysis A: General., vol. 142, no. 1, pp. 1–11, 1996.

D. Datta and H. Uslu, “Adsorption of levulinic acid from aqueous solution by Amberlite XAD-4,” Journal of Molecular Liquids., vol. 234, pp. 330–334, 2017.

S. Mhadmhan, B. Yoosuk, and B. Chareonteraboon, “Elimination of free fatty acid from palm oil by adsorption using anion exchange resins,” Journal of Environmental Chemical Engineering., vol. 11, no. 4, Art. no. 108867, 2023.

K. Brindhadevi, R. Ganesan, and K. Whangchai, “Central composite design for the optimization of CaO and Fe2(SO4)3 facilitated transesterification of Scenedesmus sp. oil for fatty acid methyl ester production,” Fuel., vol. 321, Art. no. 124096, 2022.

M. A. A. Zarin, M. M. Zainol, and N. A. S. Amin, “Optimizing levulinic acid from cellulose catalyzed by HY-zeolite immobilized ionic liquid (HY-IL) using response surface methodology,” Malaysian Journal of Fundamental and Applied Sciences., vol. 16, no. 6, pp. 625–629, 2020.