Bioethanol Production from Two-Stage Hydrothermally Pretreated Sugarcane Bagasse: Enzymatic Saccharification, Fermentation Optimization and Mass Balance Analysis

إن نهم العالم للطاقة يتجاوز إمدادات الوقود الأحفوري، وهي البقايا النباتية والحيوانية القديمة والمحدودة التي غذت الحضارة لقرون. إذ يؤدي حرق هذه الوقود إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون الذي ظل محبوساً تحت الأرض لدهور، مما يسرع من تغير المناخ ويزيد من حرارة الكوكب. ويبحث العلماء بشكل عاجل عن نوع مختلف من الوقود، وقود يأتي من كائنات حية ويعيد دورة الكربون إلى الغلاف الجوي دون زيادة العبء الإجمالي؛ وهذا هو الوعد الذي تقدمه الوقود الحيوي. إن المصدر الأكثر وفرة لمثل هذا الوقود ليس المحاصيل الغذائية مثل الذرة أو عصير قصب السكر، بل هو النفايات الليفية الخشبية المتبقية بعد حصادها. هذه المادة، المعروفة باسم الكتلة الحيوية "اللجنوسليلوزية"، صلبة ومقاومة بطبيعتها؛ فهي الهيكل البنائي للنباتات، وقد بُنيت لتتحمل العوامل الجوية. ولتحويل هذه الألياف الصلبة إلى وقود سائل، يجب على الباحثين أولاً تفكيكها إلى سكريات بسيطة يمكن للخميرة التغذي عليها، وهي عملية تطلبت تاريخياً مواد كيميائية قاسية أو كميات هائلة من الطاقة.

في دراسة حديثة، تصدى فريق من الباحثين في الهند لهذا التحدي باستخدام "تفل قصب السكر" (bagasse)، وهو البقايا اللحمية الجافة المتبقية بعد عصر قصب السكر لاستخراج العصير. تُنتج هذه المادة بكميات هائلة، ومع ذلك يتم حرق الكثير منها أو التخلص منها. هدف الباحثون إلى تحويل هذه النفايات إلى "إيثانول حيوي"، وهو كحول وقود نظيف الاحتراق، باستخدام طريقة تتجنب المواد الكيميائية السامة تماماً. لقد ركزوا على عملية فيزيائية مكونة من خطوتين لفتح السكريات المخفية داخل ألياف النبات. أولاً، أخضعوا تفل قصب السكر لحرارة وضغط شديدين في معالجة مائية حرارية، وهي عملية تشبه طهيه في الماء لتليين بنيته. ومباشرة بعد ذلك، ودون غسل المادة أو معالجتها، مرروها عبر مطحنة ميكانيكية. هذا الجمع بين الحرارة والقوة الفيزيائية جرد المادة من أكثر من نصف "اللجنين"، وهو البوليمر اللزج الشبيه بالصمغ الذي يربط ألياف النبات ببعضها ويمنع الوصول إلى السكريات. وكانت النتيجة كتلة حيوية أغنى بكثير بالكربوهيدرات القابلة للتخمر اللازمة للوقود، وكل ذلك دون توليد تدفقات من النفايات الكيميائية التي تميز الطرق الأخرى.

ومع تكسير الغلاف الخارجي الصلب للنبات، لجأ الفريق إلى أدوات الطبيعة نفسها لإتمام المهمة: الإنزيمات. وبدلاً من شراء إنزيمات تجارية باهظة الثمن، قاموا بزراعة إنزيماتهم الخاصة في المختبر باستخدام "نخالة القمح" كمصدر غذاء لأنواع معينة من الفطريات. قاموا باستزراع سلالتين، وهما Trichoderma viride و Trichoderma harzianum، اللتان تنتجان طبيعياً إنزيمات قادرة على هضم جدران الخلايا النباتية. وبعد بضعة أيام من النمو، حصدوا السائل الذي يحتوي على هذه الإنزيمات ونقوه قليلاً لتركيز قوته. وعندما طبقوا هذه الإنزيمات الفطرية على تفل قصب السكر المعالج مسبقاً، عملت الإنزيمات مثل "المقصات البيولوجية"، حيث قامت بقص سلاسل السليلوز والهيميسليلوز الطويلة إلى جزيئات سكر فردية. كانت العملية فعالة للغاية؛ ففي غضون أربعين ساعة، أطلقت الإنزيمات كمية هائلة من السكر من المادة النباتية. ووجد الفريق أن إنزيمات Trichoderma viride كانت قوية بشكل خاص، حيث حولت ما يقرب من ثلثي الكربوهيدرات المتاحة إلى سكريات. وعندما خلطوا إنزيمات السلالتين الفطريتين معاً، كان الأداء أفضل، حيث أطلق المزيج كمية أكبر قلي من السكر بسبب الطرق المتكاملة التي هاجم بها كل إنزيم البنية النباتية.

تمثلت الخطوة الأخيرة في تحويل هذه السوائل الغنية بالسكر إلى وقود. أدخل الباحثون نوعاً شائعاً من الخميرة، وهو Saccharomyces، في محلول السكر. تستهلك هذه الميكروبات السكر طبيعياً وتفرز الإيثانول كمنتج ثانوي. وفي بيئة محكومة، عملت الخميرة بكفاءة، حيث استهلكت كل السكر المتاح تقريباً في غض ون واحد. وكانت النتيجة سائلاً صافياً يحتوي على إيثانول حيوي بتركيز 6.39 جرام لكل لتر. والأهم من ذلك، أكد الباحثون أن هذا العائد لم يكن مجرد إمكانية نظرية، بل كان واقعاً ملموساً، حيث وصل إلى 86 بالمائة من أقصى كمية من الوقود التي يمكن إنتاجها من تلك الكمية المحددة من السكر. ولأن المعالجة الأولية تجنبت المواد الكيميائية القاسية، لم يحتوي محلول السكر على النواتج الثانوية السامة التي غالباً ما تقتل الخميرة أو توقف عملية التخمير في العمليات الأخرى، مما سمح للخميرة بالعمل بأقصى كفاءة لها.

ولفهم ما يعنيه هذا بالنسبة للعالم الحقيقي، قام الباحثون بحساب الإنتاج المحتمل على نطاق واسع. فقد قدروا أنه مقابل كل هكتار من قصب السكر المزروع في الهند، يمكن تحويل تفل قصب السكر الناتج إلى ما يقرب من 3,263 لتر من الإيثانول الحيوي. يشير هذا الرقم إلى أن العملية ليست مجرد فضول مختبري، بل هي مسار قابل للتطبيق نحو الإنتاج الصناعي واسع النطاق. وتثبت الدراسة أنه من الممكن إنشاء خط إنتاج كامل وصديق للبيئة لإنتاج الوقود: يبدأ بالنفايات الزراعية، واستخدام الحرارة والقوة الميكانيكية لفتح الألياف النباتية، واستخدام الفطريات المزروعة على منتجات الحبوب الثانوية الرخيصة لتحرير السكريات، وأخيراً استخدام الخميرة لتخمير تلك السكريات وتحويلها إلى وقود. ومن خلال إثبات أن النهج الخالي من الكيماويات يمكن أن يحقق عوائد عالية، يقدم هذا البحث مخططاً مقنعاً لاقتصاد حيوي دائري، حيث تتحول النفايات الزراعية إلى مصدر طاقة مستدام دون التكلفة البيئية للمعالجة الكيميائية.