นวัตกรรมชีวภาพยุคใหม่กับแนวทางพัฒนาอุตสาหกรรมให้เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

นวัตกรรมชีวภาพกับการเปลี่ยนอุตสาหกรรมสู่ความยั่งยืน: เทคโนโลยี โอกาส และแนวทางลงมือทำ

นวัตกรรมชีวภาพยุคใหม่คือการนำสิ่งมีชีวิต เซลล์ เอนไซม์ หรือข้อมูลทางชีววิทยามาพัฒนาเป็นผลิตภัณฑ์และกระบวนการที่ตอบโจทย์เศรษฐกิจและสังคม เมื่อนำมาใช้ในอุตสาหกรรมอย่างเหมาะสม เทคโนโลยีเหล่านี้ช่วยทดแทนวัตถุดิบจากฟอสซิล ลดการใช้พลังงานและสารเคมี และเปลี่ยนของเสียให้เป็นทรัพยากร อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์ด้านสิ่งแวดล้อมไม่ได้เกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ แต่ต้องประเมินตลอดวัฏจักรชีวิต ตั้งแต่แหล่งวัตถุดิบ การผลิต ไปจนถึงการกำจัด บทความนี้อธิบายเทคโนโลยีชีวภาพสำคัญ หลักฐานและตัวอย่างการประยุกต์ใช้ ตลอดจนแนวทางที่ภาครัฐและธุรกิจใช้พัฒนาอุตสาหกรรมให้เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

นวัตกรรมชีวภาพช่วยลดผลกระทบของอุตสาหกรรมได้อย่างไร

องค์การเพื่อความร่วมมือทางเศรษฐกิจและการพัฒนาให้นิยามเศรษฐกิจชีวภาพว่าเป็นกิจกรรมทางเศรษฐกิจที่เกี่ยวข้องกับการคิดค้น พัฒนา ผลิต และใช้ทรัพยากรทางชีวภาพ กระบวนการทางชีวภาพ และความรู้ที่เกี่ยวข้อง นิยามนี้ครอบคลุมตั้งแต่การปรับปรุงพันธุ์พืชและการหมัก ไปจนถึงวัสดุชีวภาพและการผลิตสารเคมีด้วยจุลินทรีย์

เหตุผลที่การเปลี่ยนผ่านนี้มีความสำคัญคือ ภาคอุตสาหกรรมเป็นแหล่งปล่อยก๊าซเรือนกระจกขนาดใหญ่ รายงานของคณะกรรมการระหว่างรัฐบาลว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศระบุว่า การปล่อยก๊าซเรือนกระจกโดยตรงจากภาคอุตสาหกรรมคิดเป็นประมาณร้อยละ ๒๔ ของการปล่อยทั่วโลกในปี ๒๐๑๙ ตัวเลขนี้สะท้อนทั้งความท้าทายและโอกาสในการปรับกระบวนการผลิต แต่ไม่ควรตีความว่าเทคโนโลยีชีวภาพทุกชนิดจะลดการปล่อยได้เท่ากัน เพราะผลขึ้นกับพลังงาน วัตถุดิบ การขนส่ง และการจัดการของเสียในแต่ละกรณี

กลุ่มเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องโดยตรง ได้แก่ การผลิตทางชีวภาพโดยใช้จุลินทรีย์หรือเอนไซม์ วัสดุชีวภาพจากพืชหรือของเหลือใช้ และการหมุนเวียนทรัพยากรด้วยการเปลี่ยนของเสียให้เป็นผลิตภัณฑ์ การเลือกใช้จึงควรพิจารณาทั้งสมรรถนะทางเทคนิค ต้นทุน ความปลอดภัย และผลกระทบตลอดอายุผลิตภัณฑ์

เทคโนโลยีชีวภาพอุตสาหกรรมมีรูปแบบใดบ้าง

เทคโนโลยีชีวภาพอุตสาหกรรมหมายถึงการใช้เซลล์ จุลินทรีย์ หรือองค์ประกอบทางชีวภาพ เช่น เอนไซม์ เพื่อผลิตหรือปรับปรุงสินค้าและกระบวนการผลิต จุดเด่นคือปฏิกิริยาหลายชนิดเกิดได้ในสภาวะอุณหภูมิและความดันไม่สูงมากเมื่อเทียบกับกระบวนการเคมีบางประเภท แต่การประหยัดพลังงานต้องตรวจสอบจากข้อมูลการผลิตจริง ไม่ใช่สรุปจากวิธีการเพียงอย่างเดียว

การหมักและโรงงานชีวภาพ

โรงงานชีวภาพใช้จุลินทรีย์หรือเซลล์ที่คัดเลือกและควบคุมให้เปลี่ยนวัตถุดิบเป็นผลิตภัณฑ์ เช่น กรดอินทรีย์ ตัวทำละลาย ส่วนผสมอาหาร และสารตั้งต้นสำหรับวัสดุ กระบวนการหมักอาจใช้วัตถุดิบจากน้ำตาล แป้ง หรือชีวมวลเหลือใช้ หากเลือกวัตถุดิบที่ไม่แข่งขันกับอาหารและจัดหาจากแหล่งที่รับผิดชอบ ก็มีโอกาสลดการพึ่งพาทรัพยากรฟอสซิลได้

องค์การเพื่อความร่วมมือทางเศรษฐกิจและการพัฒนาเสนอให้มองเศรษฐกิจชีวภาพเป็นระบบที่เชื่อมโยงทรัพยากร ความรู้ เทคโนโลยี และตลาด ดังนั้นการพัฒนาโรงงานชีวภาพจึงต้องมีทั้งวัตถุดิบที่สม่ำเสมอ โครงสร้างพื้นฐานสำหรับการหมัก การแยกผลิตภัณฑ์ และระบบควบคุมคุณภาพ การใช้วัตถุดิบเหลือทิ้งอาจช่วยเพิ่มมูลค่า แต่ต้องตรวจสอบสารปนเปื้อนและต้นทุนการรวบรวมด้วย

เอนไซม์และกระบวนการชีวเร่ง

เอนไซม์คือโปรตีนที่เร่งปฏิกิริยาเฉพาะอย่างในสิ่งมีชีวิต เมื่อนำมาใช้ในอุตสาหกรรม เอนไซม์อาจช่วยให้กระบวนการทำงานได้อย่างจำเพาะ ลดขั้นตอน หรือทำงานในสภาวะที่อ่อนโยนกว่ากระบวนการบางชนิด ตัวอย่างได้แก่ การใช้เอนไซม์ในผงซักฟอก การแปรรูปอาหาร และการผลิตสารเคมีชีวภาพ

ข้อได้เปรียบด้านความจำเพาะอาจช่วยลดการเกิดผลพลอยได้ แต่ยังต้องประเมินการผลิตเอนไซม์ การใช้พลังงานในการควบคุมอุณหภูมิ และการแยกผลิตภัณฑ์ด้วย การประเมินวัฏจักรชีวิตจึงเป็นเครื่องมือสำคัญในการเปรียบเทียบว่าเอนไซม์ช่วยลดผลกระทบโดยรวมจริงหรือไม่

ชีววิทยาสังเคราะห์และการปรับปรุงจุลินทรีย์

ชีววิทยาสังเคราะห์เป็นแนวทางออกแบบหรือปรับระบบชีวภาพให้ทำหน้าที่ตามเป้าหมาย เช่น เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตสารที่ต้องการ หรือทำให้จุลินทรีย์ใช้วัตถุดิบชนิดใหม่ได้ เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพต่อการผลิตเชื้อเพลิง สารเคมี และวัสดุชีวภาพ แต่ต้องอยู่ภายใต้การประเมินความปลอดภัยทางชีวภาพ การควบคุมการหลุดรอดสู่สิ่งแวดล้อม และการกำกับดูแลที่เหมาะสม

เมื่อกระบวนการชีวภาพผลิตสินค้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขั้นต่อไปคือการเลือกวัตถุดิบและออกแบบผลิตภัณฑ์ให้ลดภาระต่อระบบนิเวศตั้งแต่ต้นทาง

วัสดุชีวภาพและวัตถุดิบหมุนเวียนช่วยเปลี่ยนผลิตภัณฑ์อย่างไร

วัสดุชีวภาพคือวัสดุที่ผลิตจากชีวมวลหรือทรัพยากรชีวภาพ เช่น พืช สาหร่าย หรือของเหลือจากการเกษตร ส่วนคำว่า “ย่อยสลายได้” หมายถึงวัสดุสามารถถูกจุลินทรีย์ย่อยภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ไม่ได้หมายความว่าจะสลายตัวได้รวดเร็วในทุกสภาพแวดล้อม การแยกความหมายเหล่านี้ช่วยป้องกันความเข้าใจผิดเกี่ยวกับผลดีต่อสิ่งแวดล้อม

พลาสติกชีวภาพและบรรจุภัณฑ์

พลาสติกชีวภาพอาจหมายถึงพลาสติกที่ผลิตจากวัตถุดิบชีวภาพ พลาสติกที่ย่อยสลายได้ หรือวัสดุที่มีคุณสมบัติทั้งสองอย่างร่วมกัน คุณสมบัติเหล่านี้ไม่ใช่สิ่งเดียวกัน พลาสติกจากพืชบางชนิดมีความทนทานและไม่ย่อยสลายง่าย ขณะที่พลาสติกย่อยสลายได้บางชนิดต้องผ่านระบบหมักปุ๋ยอุตสาหกรรมที่ควบคุมอุณหภูมิและความชื้น

โครงการสิ่งแวดล้อมแห่งสหประชาชาติระบุว่ามีพลาสติกประมาณ ๔๐๐ ล้านตันเกิดขึ้นทั่วโลกต่อปี และบรรจุภัณฑ์เป็นหนึ่งในการใช้งานสำคัญ ตัวเลขดังกล่าวชี้ให้เห็นความจำเป็นของการลดการใช้พลาสติกที่ไม่จำเป็น การออกแบบให้ใช้ซ้ำ และการจัดระบบเก็บกลับควบคู่กับการพัฒนาวัสดุทางเลือก พลาสติกชีวภาพไม่ควรถูกใช้เป็นเหตุผลให้ละเลยการลดขยะหรือการจัดการปลายทาง

วัสดุจากของเหลือทางการเกษตรและป่าไม้

เศษพืช ฟาง ชานอ้อย และเศษไม้สามารถเป็นวัตถุดิบสำหรับเส้นใย วัสดุผสม สารเคมีชีวภาพ หรือพลังงานได้ การใช้ของเหลือเหล่านี้ช่วยเพิ่มมูลค่าให้ชีวมวลและอาจลดการเผาในที่โล่ง อย่างไรก็ดี วัสดุเหลือใช้บางส่วนจำเป็นต่อการรักษาคาร์บอนในดินและความอุดมสมบูรณ์ จึงต้องกำหนดปริมาณเก็บเกี่ยวอย่างเหมาะสม ไม่ดึงทรัพยากรออกจากพื้นที่เกินศักยภาพการฟื้นตัว

การเลือกวัตถุดิบควรพิจารณาการใช้ที่ดิน น้ำ ปุ๋ย การขนส่ง และผลต่อความหลากหลายทางชีวภาพ การประเมินวัฏจักรชีวิตช่วยให้เปรียบเทียบวัสดุชีวภาพกับวัสดุเดิมบนขอบเขตเดียวกัน และช่วยตรวจสอบว่าการลดผลกระทบในขั้นผลิตไม่ได้สร้างภาระเพิ่มในขั้นเพาะปลูกหรือกำจัด

การหมุนเวียนทรัพยากรทำให้อุตสาหกรรมใช้ของเสียเป็นวัตถุดิบได้อย่างไร

เศรษฐกิจหมุนเวียนมุ่งรักษามูลค่าของวัสดุและทรัพยากรให้อยู่ในระบบให้นานที่สุด ผ่านการลดการใช้ การใช้ซ้ำ การซ่อมแซม และการนำกลับมาแปรรูป เมื่อนำมาผสานกับเทคโนโลยีชีวภาพ กระแสของเสียอินทรีย์อาจถูกเปลี่ยนเป็นก๊าซชีวภาพ ปุ๋ย หรือสารตั้งต้นสำหรับการหมักได้ แต่การใช้ประโยชน์ต้องไม่ก่อให้เกิดมลพิษหรือความเสี่ยงด้านสุขอนามัย

การย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจนและก๊าซชีวภาพ

การย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นกระบวนการที่จุลินทรีย์ย่อยสลายสารอินทรีย์ในสภาพที่มีออกซิเจนจำกัด เกิดก๊าซที่มีมีเทนและคาร์บอนไดออกไซด์เป็นองค์ประกอบหลัก ก๊าซที่ได้อาจนำไปใช้ผลิตความร้อนหรือไฟฟ้า ส่วนกากย่อยอาจนำไปใช้ปรับปรุงดินได้เมื่อผ่านการตรวจสอบคุณภาพและความปลอดภัย

ตัวอย่างการใช้จริงพบได้ในฟาร์ม โรงงานแปรรูปอาหาร และระบบจัดการน้ำเสีย จุดสำคัญคือการป้องกันการรั่วไหลของมีเทน เพราะมีเทนเป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีผลต่อภาวะโลกร้อนสูงในช่วงเวลาสั้นกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ การติดตามการรั่วซึมและการดูแลระบบจึงเป็นเงื่อนไขสำคัญของประโยชน์ด้านสภาพภูมิอากาศ

การกู้คืนสารอาหารและน้ำจากน้ำเสีย

น้ำเสียจากอุตสาหกรรมและชุมชนอาจมีสารอินทรีย์ ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และน้ำที่นำกลับมาใช้ได้ ระบบชีวภาพบางชนิดช่วยบำบัดสารอินทรีย์ ขณะที่เทคโนโลยีเสริมสามารถกู้คืนสารอาหารหรือผลิตก๊าซชีวภาพได้ การออกแบบระบบให้เหมาะกับชนิดน้ำเสียและคุณภาพน้ำที่ต้องการ ช่วยลดการพึ่งพาน้ำใหม่และลดภาระต่อแหล่งน้ำธรรมชาติ

การนำน้ำกลับมาใช้ต้องตรวจสอบสารปนเปื้อนและกำหนดวัตถุประสงค์การใช้ให้ชัดเจน เช่น ใช้ในกระบวนการหล่อเย็นหรือทำความสะอาด ไม่ควรถือว่าน้ำที่ผ่านการบำบัดทุกประเภทเหมาะสำหรับทุกการใช้งาน

แม้เทคโนโลยีชีวภาพจะเปิดทางให้ใช้วัตถุดิบได้คุ้มค่าขึ้น การนำไปใช้ในระดับโรงงานยังต้องอาศัยการวัดผลที่น่าเชื่อถือ การบริหารความเสี่ยง และแรงจูงใจทางเศรษฐกิจที่สอดคล้องกัน

แนวทางพัฒนาอุตสาหกรรมให้เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

การพัฒนาอุตสาหกรรมสีเขียวคือการปรับปรุงผลิตภัณฑ์และกระบวนการเพื่อลดการใช้ทรัพยากร มลพิษ และการปล่อยก๊าซเรือนกระจก โดยยังรักษาความปลอดภัย คุณภาพ และความสามารถในการแข่งขัน องค์การพัฒนาอุตสาหกรรมแห่งสหประชาชาติสนับสนุนแนวคิดการพัฒนาอุตสาหกรรมที่ครอบคลุมและยั่งยืน ซึ่งเชื่อมโยงผลิตภาพทางเศรษฐกิจกับการใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพและความรับผิดชอบต่อสังคม

เริ่มจากข้อมูลฐานและการประเมินวัฏจักรชีวิต

การประเมินวัฏจักรชีวิตเป็นวิธีวิเคราะห์ผลกระทบของผลิตภัณฑ์หรือบริการตั้งแต่การได้มาซึ่งวัตถุดิบ การผลิต การขนส่ง การใช้งาน จนถึงการจัดการเมื่อหมดอายุ การมีข้อมูลฐานเรื่องพลังงาน น้ำ วัตถุดิบ ของเสีย และการปล่อยก๊าซเรือนกระจกช่วยให้โรงงานตั้งเป้าหมายได้ตรงจุด และป้องกันการย้ายภาระสิ่งแวดล้อมจากขั้นหนึ่งไปยังอีกขั้นหนึ่ง

ตัวชี้วัดที่ใช้ติดตามอาจรวมถึงการปล่อยก๊าซเรือนกระจกต่อหน่วยผลิต การใช้น้ำต่อหน่วยสินค้า สัดส่วนวัตถุดิบหมุนเวียน ปริมาณของเสียที่นำกลับมาใช้ และอัตราการรั่วไหลของสารสำคัญ ควรเปิดเผยวิธีคำนวณ ขอบเขตข้อมูล และข้อจำกัด เพื่อให้เปรียบเทียบผลได้อย่างโปร่งใส

ออกแบบผลิตภัณฑ์และกระบวนการให้เหมาะกับระบบปลายทาง

การออกแบบเพื่อสิ่งแวดล้อมเริ่มตั้งแต่การเลือกวัสดุ ลดจำนวนชิ้นส่วน ทำให้ซ่อมแซมหรือใช้ซ้ำได้ และทำให้การแยกวัสดุเมื่อหมดอายุทำได้จริง สำหรับบรรจุภัณฑ์ ควรพิจารณาว่ามีระบบเก็บรวบรวมและแปรรูปในพื้นที่หรือไม่ หากไม่มีระบบรองรับ วัสดุที่อ้างว่าย่อยสลายได้อาจไม่เกิดประโยชน์ตามที่คาดหวัง

ลงทุนในบุคลากร โครงสร้างพื้นฐาน และความร่วมมือ

โรงงานต้องมีบุคลากรที่เข้าใจจุลชีววิทยา วิศวกรรมกระบวนการ ความปลอดภัย และการวิเคราะห์ข้อมูล การลงทุนด้านห้องปฏิบัติการ ระบบหมัก การแยกผลิตภัณฑ์ และระบบบำบัดของเสีย ช่วยให้เทคโนโลยีขยายจากการทดลองไปสู่การผลิตได้ นอกจากนี้ ความร่วมมือระหว่างมหาวิทยาลัย ผู้ประกอบการ และหน่วยงานรัฐยังช่วยแบ่งปันความรู้ ลดความเสี่ยงของการพัฒนา และสร้างตลาดให้ผลิตภัณฑ์ใหม่

กำกับดูแลความปลอดภัยและตรวจสอบคำกล่าวอ้าง

เทคโนโลยีที่ใช้จุลินทรีย์หรือสิ่งมีชีวิตดัดแปลงต้องมีระบบประเมินความเสี่ยง การควบคุมการผลิต การจัดการของเสีย และแผนรับมือเหตุฉุกเฉินตามความเหมาะสม ส่วนคำกล่าวอ้าง เช่น “เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม” หรือ “ย่อยสลายได้” ควรมีหลักฐานทดสอบและระบุเงื่อนไขให้ชัดเจน การสื่อสารอย่างตรวจสอบได้ช่วยสร้างความเชื่อมั่นและลดความเสี่ยงจากการกล่าวอ้างเกินจริง

ข้อจำกัดและเงื่อนไขที่ต้องพิจารณา

นวัตกรรมชีวภาพมีศักยภาพ แต่ยังเผชิญข้อจำกัดหลายด้าน ได้แก่ ต้นทุนการผลิตและการแยกผลิตภัณฑ์ ความแปรปรวนของวัตถุดิบ การแข่งขันด้านที่ดินและน้ำ การขาดระบบรวบรวมของเสีย และความไม่แน่นอนของตลาด วัตถุดิบชีวภาพที่มาจากพืชอาหารหรือการเปลี่ยนพื้นที่ธรรมชาติอาจสร้างผลกระทบที่ขัดกับเป้าหมายด้านสิ่งแวดล้อมได้

อีกประเด็นคือความแตกต่างระหว่างผลการทดลองกับการใช้งานจริง เทคโนโลยีที่ทำงานได้ดีในห้องปฏิบัติการอาจมีประสิทธิภาพลดลงเมื่อขยายกำลังผลิต หรือใช้พลังงานและสารช่วยแปรรูปมากกว่าที่คาด การทดสอบในระดับนำร่อง การตรวจสอบข้อมูลโดยบุคคลที่สาม และการประเมินวัฏจักรชีวิตจึงเป็นขั้นตอนสำคัญก่อนลงทุนเต็มรูปแบบ

สรุป: เปลี่ยนผ่านด้วยหลักฐานและการออกแบบทั้งระบบ

นวัตกรรมชีวภาพช่วยให้อุตสาหกรรมมีทางเลือกใหม่ ตั้งแต่การหมักและเอนไซม์ ไปจนถึงวัสดุชีวภาพ การกู้คืนทรัพยากร และการเปลี่ยนของเสียเป็นผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเหล่านี้มีโอกาสลดการพึ่งพาฟอสซิล ลดของเสีย และเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ทรัพยากร แต่ผลลัพธ์ต้องยืนยันด้วยข้อมูลตลอดวัฏจักรชีวิต ไม่ใช่พิจารณาจากที่มาของวัตถุดิบหรือชื่อเทคโนโลยีเพียงอย่างเดียว

ผู้ประกอบการสามารถเริ่มจากการจัดทำข้อมูลฐาน เลือกกระบวนการที่เหมาะกับวัตถุดิบและตลาด ทดลองในระดับนำร่อง กำหนดตัวชี้วัดที่ตรวจสอบได้ และวางระบบความปลอดภัยตั้งแต่ต้น ส่วนผู้กำหนดนโยบายและผู้บริโภคมีบทบาทสนับสนุนมาตรฐานที่โปร่งใส โครงสร้างพื้นฐานการหมุนเวียนวัสดุ และการจัดซื้อผลิตภัณฑ์ที่พิสูจน์ผลกระทบได้ การเปลี่ยนผ่านอุตสาหกรรมที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมจึงต้องอาศัยทั้งวิทยาศาสตร์ การออกแบบธุรกิจ และความร่วมมือของทุกภาคส่วน

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

• คณะกรรมการระหว่างรัฐบาลว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ. รายงานการประเมินครั้งที่หก กลุ่มทำงานที่สาม: การบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ, ๒๐๒๒. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg3/
• องค์การเพื่อความร่วมมือทางเศรษฐกิจและการพัฒนา. เศรษฐกิจชีวภาพสู่ปี ๒๐๓๐: นโยบายเพื่ออนาคตที่ยั่งยืน, ๒๐๐๙. https://www.oecd.org/
• โครงการสิ่งแวดล้อมแห่งสหประชาชาติ. มลพิษจากพลาสติกและข้อมูลการผลิตพลาสติกทั่วโลก. https://www.unep.org/plastic-pollution
• องค์การพัฒนาอุตสาหกรรมแห่งสหประชาชาติ. แนวทางการพัฒนาอุตสาหกรรมที่ครอบคลุมและยั่งยืน. https://www.unido.org/
• องค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการมาตรฐาน. มาตรฐานการประเมินวัฏจักรชีวิต ไอเอสโอ ๑๔๐๔๐ และ ไอเอสโอ ๑๔๐๔๔. https://www.iso.org/