Integrated Solar-Assisted Pretreatment, Natural Buffering, and Wood Ash Alkaline Processing for Sustainable Bioethanol Production from Banana Peel and Onion Peel

يبحث العالم عن طرق لتزويد نفسه بالطاقة دون حرق البقايا القديمة والمدفونة من النباتات التي نسميها الوقود الأحفوري. يتضمن أحد المسارات الواعدة تحويل الأجزاء الليفية الصلبة من النباتات — مثل سيقان الذرة أو قشور الفاكهة — إلى وقود سائل. هذه العملية معقدة لأن خلايا النبات مبنية مثل القلاع المحصنة، بجدران مصنوعة من ألياف قوية يصعب فتحها. وللحصول على السكريات المحبوسة داخل هذه الجدران، يجب على العلماء أولاً تليين الهيكل، وهي خطوة تُعرف باسم "المعالجة المسبقة". تقليديًا، تطلبت هذه الخطوة كميات كبيرة من الماء الساخن، ومواد كيميائية باهظة الثمن، وطاقة كبيرة، مما يجعل الوقود النهائي مكلف الإنتاج. يسأل الباحثون الآن سؤالًا بسيطًا ولكنه عميق: هل يمكننا استخدام النفايات الناتجة عن عملية الزراعة نفسها، جنبًا إلى جنب مع الطاقة المجانية من الشمس، للقيام بالعمل الشاق؟

في دراسة حديثة، استكشف فريق من العلماء في سريلانكا هذا الاحتمال من خلال تحويل نوعين من بقايا المطبخ الشائعة — قشور الموز وقشور البصل — إلى الإيثانول الحيوي، وهو نوع من الكحول المستخدم كوقود. وبدلاً من شراء مواد كيميائية باهلة الثمن لتفكيك قشور الموز، استخدموا محلولًا مصنوعًا من رماد الخشب، وهو المتبقي بعد حرق الخشب. ولتليين القشور قبل المعالجة الكيميائية، لم يستخدموا سخانات كهربائية؛ بل وضعوا الخليط في صوانٍ سوداء تحت أشعة الشمس، تاركين حرارة الشمس تقوم بالمهمة. وفي الخطوة التالية، حيث يتم تحويل الألياف القوية إلى سكر، تجنبوا المنظمات الاصطناعية وتعديلات الحموضة عبر استخدام مستخلص مصنوع من قشور البصل، والذي يحتوي طبيعيًا على التوازن الصحيح من الأحماض لتوجيه العملية. جمع الباحثون هذه المواد المشتقة من النفايات مع نوع محدد من الخميرة لتخمير السكريات وتحويلها إلى كحول، مما خلق نظامًا يعتمد بالكامل تقريبًا على الموارد الموجودة داخل المزرعة أو المطبخ.

بدأ الفريق بجمع قشور الموز الناضجة وقشور البصل من الأسواق المحلية، وغسلها وتجفيفها في الشمس حتى أصبحت هشة. ثم طحنوا هذه المواد المجففة إلى مسحوق ناعم. تضمنت الخطوة الرئيسية الأولى معالجة قشور المونة بالماء الساخن لإزالة مادة لزجة تسمى "البكتين"، والتي تعمل مثل الغراء الذي يربط ألياف النبات ببعضها. ولتسخين الماء، ملأوا صوانٍ سوداء بالخليط وتركوا في ضوء الشمس المباشر لمدة ثلاث ساعات. امتصت الصواني الداكنة أشعة الشمس، مما رفع درجة حرارة السائل إلى ما بين خمسة وستين وسبعين درجة مئوية دون استخدام أي كهرباء. نجحت هذه التسخين الشمسي في تليين بنية النبات، مما سهل الوصول إلى السكريات بداخلها.

بعد ذلك، احتاج الباحثون إلى تكسير الطبقات الخارجية الصلبة للنبات، والمعروفة باسم "اللغنين"، لتحرير ألياف السليلوز. في المصنع التقليدي، تتضمن هذه الخطوة سكب مواد كيميائية قوية مشتراة مثل هيدروكسيد الصوديوم على الكتلة الحيوية. وهنا، استخدم الفريق سائلًا ناتجًا عن نقع رماد الخشب في الماء. رماد الخشب غني بالبوتاسيوم والكربونات، مما يخلق محلولًا قلويًا قويًا بطبيعته. خلطوا سائل رماد الخشب هذا مع قشور الموز الدافئة بالشمس ووضعوا الصواني مرة أخرى تحت الشمس لمدة أربع ساعات. ساعدت حرارة الشمس محلول رماد الخشب على التغلغل في ألياف النبات، مما أدى إلى تعطيل الهيكل الصلب وتحضيره للمرحلة التالية. والأهم من ذلك، لم يقم الفريق بغسل القشور بعد هذه المعالجة. في الطرق التقليدية، تكون الغسلة مطلوبة لإزالة المواد الكيميائية القاسية، لكن هذه العملية كانت ستؤدي إلى غسل السكريات والمعادن القيمة. ومن خلال تخطي خطوة الغسل، حافظوا على العناصر الغذائية المفيدة، مثل البوتاسيوم، الضرورية لازدهار الخميرة لاحقًا.

بعد تليين قشور الموز وتحضير قشور البصل، توجه الباحثون إلى قشور البصل لإدارة حموضة الخليط. فبعد معالجة رماد الخشب، كان الخليط قلويًا جدًا بالنسبة للإنزيمات اللازمة لتحويل الألياف إلى سكر. وبدلاً من إضافة حمض قوي مثل حمض الكبريتيك لخفض الرقم الهيدروجيني (pH)، أضافوا مستخلصًا مصنوعًا من قشور البصل. احتوى هذا المستخلص على أحماض عضوية طبيعية خفضت الخليط بلطف إلى مستوى متعادل مناسب للإنزيمات. كما عمل مستخلص البصل كمنظم، مما ساعد في الحفاظ على استقرار الرقم الهيدروجيني أثناء العملية، ووفر أيضًا عناصر غذائية إضافية ستحتاجها الخميرة.

تضمنت المرحلة النهائية عملية تخمير من خطوتين. أولاً، أضاف الفريق إنزيمًا يسمى "السليلوز" إلى الخليط لتكسير ألياف النبات إلى سكريات بسيطة. هذه الخطوة، المعروفة باسم "التسكير المسبق"، تمت عند درجة حرارة خمسين مئوية لمدة اثنتي عشرة ساعة. وبمجرد تحرر السكريات، تم تبريد الخليط وأضيفت الخميرة لتتغذى على السكريات وتنتج الكحول. حدثت عملية التخمير هذه بالتزامن مع عملية تحويل السكر المتبقية، وهي طريقة تسرع الإنتاج. قام الفريق بضبط كمية الخميرة، وسرعة التحريك، ودرجة الحرارة بعناية لإيجاد الظروف المثالية. ووجدوا أن تحريك الخليط بمعدل مائة وخمسين دورة في الدقيقة والحفاظ على درجة الحرارة عند اثنين وثلاثين درجة مئوية حقق أفضل النتائج.

كانت نتائج هذا النهج المتكامل مثيرة للإعجاب. فمن خلال الجمع بين التسخين الشمسي، ورماد الخشب، ومستخلص قشور البصل، زاد الباحثون من كمية السكر التي يمكن استخراجها من قشور الموز بنسبة تقارب مائتي بالمائة مقارنة بالقشور غير المعالجة. وتحت الظروف المثالية، أنتجوا تركيزًا نهائيًا للإيثانول قدره واحد وأربعون فاصلة خمسة جرام لكل لتر. وهذا يعتبر عائدًا أعلى من العديد من الدراسات السابقة التي استخدمت مواد كيميائية أغلى ثمنًا وطرقًا تستهلك طاقة كبيرة. كما فحص الفريق جودة الوقود النهائي، ووجدوا أن الكحول كان نقيًا للغاية، مع مستويات منخفضة جدًا من الميثانول، وهو منتج ثانوي سام يوجد غالبًا في التخمير، وكميات ضئيلة من المعادن الثقيلة مثل الرصاص والكادميوم. وأكد التحليل الطيفي أن المكون الرئيسي هو بالفعل الإيثانول، مع وجود القليل جدًا من الشوائب غير المرغوب فيها.

تثبت هذه الدراسة أن النفايات الزراعية يمكن أن تخدم غرضًا مزدوجًا: يمكن أن تكون المادة الخام للوقود، ويمكنها أيضًا توفير الأدوات اللازمة لمعالجة هذا الوقود. فمن خلال استخدام رماد الخشب بدلاً من القلويات التجارية، وقشور البصل بدلاً من المنظمات الاصطناعية، والشمس بدلاً من السخانات الكهربائية، ابتكر الباحثون نظامًا يستخدم مياهًا وطاقة وأموالًا أقل بكثير. لقد أظهروا أنه من الممكن تخطي خطوة الغسل التي تهدر الماء والسكر عادةً، وأن المعادو المتبقية في القشور تساعد الخميرة فعليًا على العمل بشكل أفضل. ورغم أن هذا العمل تم على نطاق مختبري صغير، إلا أنه يقدم مخططًا عمليًا لطريقة أكثر استدامة لإنتاج الوقود الحيوي. إنه يشير إلى أن مستقبل الطاقة المتجددة قد لا يعتمد على آلات صناعية معقدة، بل على الاستخدام الذكي والفعال للموارد التي نمتلكها بالفعل.