เทคโนโลยีการปรับสภาพลิกโนเซลลูโลสสำหรับการผลิตไบโอเอทานอลจากเศษวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร
Lignocellulosic Pretreatment Technologies for Bioethanol Production from Agricultural Residues
Abstract
การใช้ประโยชน์จากของเสียทางการเกษตรเพื่อการผลิตพลังงานชีวภาพมีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมเศรษฐกิจหมุนเวียนและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ชีวมวลลิกโนเซลลูโลส เช่น ฟางข้าว ซังข้าวโพด และชานอ้อย ถือเป็นวัตถุดิบที่มีศักยภาพสูงในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพโดยเฉพาะเอทานอลชีวภาพ อย่างไรก็ตามเนื่องจากโครงสร้างที่ซับซ้อนและทนทานของลิกโนเซลลูโลส โดยเฉพาะการมีอยู่ของลิกนินจึงจำเป็นต้องมีการปรับสภาพเบื้องต้น เพื่อเพิ่มการเข้าถึงของเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสในการย่อยสลายต่อไป บทความปริทัศน์ฉบับนี้ได้รวบรวมและประเมินวิธีการปรับสภาพทางเคมีหลายรูปแบบ ได้แก่ การปรับสภาพด้วยกรด ด่าง ออร์กาโนซอล์ฟ ของเหลวไอออนิก และตัวทำละลายยูเทกติกเชิงลึก โดยเน้นถึงข้อดี ข้อจำกัด และประเด็นด้านสิ่งแวดล้อมของแต่ละวิธี นอกจากนี้ยังกล่าวถึงเกณฑ์ในการเลือกวิธีการปรับสภาพที่เหมาะสมตามชนิดของชีวมวลและผลิตภัณฑ์ปลายทางที่ต้องการ อีกทั้งยังสำรวจแนวคิดของโรงกลั่นชีวภาพในฐานะวิธีการที่ยั่งยืน เพื่อเพิ่มมูลค่าสูงสุดจากเศษเหลือทางการเกษตร โดยการเปลี่ยนให้เป็นพลังงานชีวภาพ สารเคมีชีวภาพ และวัสดุชีวภาพซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้ทรัพยากร ลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล และส่งเสริมความยั่งยืนด้านสิ่งแวดล้อมในระยะยาว
The utilization of agricultural waste for bioenergy production plays a crucial role in promoting a circular economy and reducing environmental impacts. Lignocellulosic biomass, such as rice straw, corn cobs, and sugarcane bagasse, is considered a highly promising feedstock for the production of biofuels, particularly bioethanol. However, due to the complex and recalcitrant structure of lignocellulose, especially the presence of lignin, pretreatment is essential to enhance the accessibility of cellulose and hemicellulose for subsequent hydrolysis. This review compiles and evaluates various chemical pretreatment methods, including acid, alkaline, organosolv, ionic liquid, and Deep Eutectic Solvent (DES) pretreatments, highlighting their advantages, limitations, and environmental considerations. Furthermore, it emphasizes criteria for selecting appropriate pretreatment methods based on biomass type and desired end products. The review also explores the biorefinery concept as a sustainable approach to maximizing value from agricultural
residues by converting them into bioenergy, biochemicals, and biomaterials. This approach enhances resource efficiency, reduces reliance on fossil fuels, and promotes long-term environmental sustainability.
Keywords
[1] D. Jose and M. Sriariyanun, “Production of platform chemicals from biorefining process of lignocellulose biomass and its significance to global warming and sustainable development goal,” The Journal of KMUTNB, vol. 34, no. 2, pp. 1–4, Apr.–Jun. 2024 (in Thai), doi: 10.14416/ j.kmutnb.2023.11.008.
[2] W. Pongprayoon, M. Sanyapeung, N. Kitiborwornkul, and M. Sriariyanun, “The impact of rice cultivation on greenhouse gas emissions and mitigation strategies,” The Journal of KMUTNB, vol. 34, no. 3, pp. 1–4, Jul.–Sep. 2024 (in Thai), doi: 10.14416/j.kmutnb.2024.03.001.
[3] B. Dharmalingam, M. Sriariyanun, and A. Santhoshkumar, “Challenges and evolution of low temperature combustion techniques in internal combustion engines for biodiesel fuel,” The Journal of KMUTNB, vol. 33, no. 2, pp. 351–354, Apr.–Jun. 2023 (in Thai), doi: 10.14416/j.kmutnb.2023.01.002.
[4] Y. Laoong-u-thai and W. Daosud, “Biogas production from pineapple industry wastewater using UASB with microbial immobilization from shrimp pond sludge,” The Journal of KMUTNB, vol. 34, no. 4, pp. 1–4, Oct.–Dec. 2024 (in Thai), doi: 10.14416/j.kmutnb.2024.06.008.
[5] P. R. Anand, A. Kaoloun, and M. Sriariyanun, “Biorefinery challenges and strategic solutions for a sustainable bioeconomy,” The Journal of KMUTNB, vol. 35, no. 4, pp. 1–4, Oct.–Dec. 2025 (in Thai), doi: 10.14416/j.kmutnb.2025.03.003.
[6] R. Kumar, G. Mago, V. Balan, and C. E. Wyman, “Physical and chemical characterizations of corn stover and poplar solids resulting from leading pretreatment technologies,” Bioresource Technology, vol. 100, no. 17, pp. 3948–3962, 2009, doi: 10.1016/j.biortech. 2009.01.075.
[7] Y. Sun and J. Cheng, “Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: A review,” Bioresource Technology, vol. 83, no. 1, pp. 1–11, 2002, doi: 10.1016/S0960- 8524(01)00212-7.
[8] M. E. Himmel, S.-Y. Ding, D. K. Johnson, W. S. Adney, M. R. Nimlos, J. W. Brady, and T. D. Foust, “Biomass recalcitrance: Engineering plants and enzymes for biofuels production,” Science, vol. 315, no. 5813, pp. 804–807, 2007, doi: 10.1126/science.1137016.
[9] V. Phakeenuya and N. Kitiborwornkul, “Recent progress in biorefining process for production of biofuels, biochemicals and biomaterials from lignocellulosic biomass,” The Journal of KMUTNB, vol. 34, no. 4, pp. 1–18, Oct.–Dec. 2024 (in Thai), doi: 10.14416/j.kmutnb.2023.03.002.
[10] N. Das, P. K. Jena, D. Padhi, M. K. Mohanty, and G. Sahoo, “A comprehensive review of characterization, pretreatment and its applications on different lignocellulosic biomass for bioethanol production,” Biomass Conversion and Biorefinery, vol. 13, no. 2, pp. 1503–1527, 2023, doi: 10.1007/s13399- 021-01294-3.
[11] T. Phusantisampan and N. Kitiborwornkul, “Progress in chemical pretreatment of lignocellulose biomass for applications inbiorefinery,” The Journal of KMUTNB, vol. 32, no. 4, pp. 1087–1101, Oct.–Dec. 2022 (in Thai), doi: 10.14416/j.kmutnb.2022.09.018.
[12] M. Sriariyanun, M. P. Gundupalli, V. Phakeenuya, T. Phusamtisampan, Y.-S. Cheng, and P. Venkatachalam, “Biorefinery approaches for production of cellulosic ethanol fuel using recombinant engineered microorganisms,” Journal of Applied Science and Engineering, vol. 27, no. 2, 2024, doi: 10.6180/jase. 202402_27(2).0001.
[13] V. C. Igbokwe, F. N. Ezugworie, C. O. Onwosi, G. O. Aliyu, and C. J. Obi, “Biochemical biorefinery: A low-cost and non-waste concept for promoting sustainable circular bioeconomy,” Journal of Environmental Management, vol. 305, pp. 114333, Mar. 2022, doi: 10.1016/ j.jenvman.2021.114333.
[14] P. Kumar, D. M. Barrett, M. J. Delwiche, and P. Stroeve, “Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production,” Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 48, no. 8, pp. 3713– 3729, 2009, doi: 10.1021/ie801542g.
[15] A. Business. (2021, Sep.). Tim Cook, CEO of Apple, worries investors don't understand Metaverse technology. Prachachat Business. [Online]. Available: https://www.prachachat. net/economy/news-818704
[16] Wiboonpan Organic Farm. Rice straw now available for sale at 50 baht per bale, available starting today. Facebook. [Online]. Available: https://www.facebook.com/wiboonpan. organicfarm/posts/897256212201434/
[17] Siam Kubota Corporation. Zero burn to increase income. KAS Siam Kubota. [Online]. Available: https://bit.ly/3sXDBzQ
[18] Thansettakij. (2023, Oct.). Thai rice market heats up: Paddy prices hit record high. Thansettakij. [Online]. Available: https://www.thansettakij. com/business/trade-agriculture/614058
[19] T. Rujichao, “The use of rice straw in agricultural communities in the lower central region of Thailand,” M.S. thesis, Silpakorn University, Nakhon Pathom, Thailand, 2016 (in Thai).
[20] Office of Agricultural Economics. (2024, Mar.). OAE reports paddy price increase and rising costs for farmers. Office of Agricultural Economics, Ministry of Agriculture and Cooperatives. [Online]. Available: https://oae.go.th/view/1/ รายละเอีียดข่ ่าว/ข่่าว%20ศก./40220/TH-TH
[21] Ekasil. Problems of bio power plants from rice husks in Thailand. Ekasil. [Online]. Available: https://th.ekasil.com/post/problems-biopower- plant-from-rice-husk-thailand
[22] C. Sangsawang, “Socio-technical configuration of biomass power plant (Corncob): A case study of biomass power plant station, Wiang Kaen district, Chiang Rai province,” M.S. thesis, Chiang Mai University, Chiang Mai, Thailand, 2012 (in Thai).
[23] J. Fan, Y. Lu, N. An, W. Zhu, M. Li, M. Gao, X. Wang, C. Wu, and Y. Wang, “Pretreatment technologies for lignocellulosic biomass: Research progress, mechanisms, and prospects,” BioResources, vol. 20, no. 2, pp. 4897–4924, 2025, doi: 10.15376/biores.20.2.Fan.
[24] A. R. Mankar, A. Pandey, A. Modak, and K. K. Pant, “Pretreatment of lignocellulosic biomass:A review on recent advances,” Bioresource Technology, vol. 334, pp. 125235, Aug. 2021, doi: 10.1016/j.biortech.2021.125235.
[25] J. Dharmaraja, S. Shobana, S. Arvindnarayan, R. R. Francis, R. B. Jeyakumar, R. G. Saratale, V. Ashokkumar, S. K. Bhatia, V. Kumar, and G. Kumar, “Lignocellulosic biomass conversion via greener pretreatment methods towards biorefinery applications,” Bioresource Technology, vol. 369, pp. 128328, Feb. 2023, doi: 10.1016/j.biortech.2022.128328.
[26] R. J. Banu, S. Sugitha, S. Kavitha, Y. K. Kannah, J. Merrylin, and G. Kumar, “Lignocellulosic biomass pretreatment for enhanced bioenergy recovery: Effect of lignocelluloses recalcitrance and enhancement strategies,” Frontiers in Energy Research, vol. 9, pp. 646057, 2021, doi: 10.3389/fenrg.2021.646057.
[27] Y. Yuan, B. Jiang, H. Chen, W. Wu, S. Wu, Y. Jin, and H. Xiao, “Recent advances in understanding the effects of lignin structural characteristics on enzymatic hydrolysis,” Biotechnology for Biofuels, vol. 14, pp. 1–20, 2021, doi: 10.1186/ s13068-021-02054-1.
[28] K. Kucharska, P. Rybarczyk, I. Hołowacz, R. Łukajtis, M. Glinka, and M. Kamiń
ISSN: 2985-2145
