Holistic Assessment of Coffee Oil Recovery from Spent Grounds: A Multidimensional approach to Optimization, Mechanistic Insight, and Sustainability

تخيل عالماً لا تكون فيه نفاياتنا مجرد قمامة، بل صندوق كنز مخفي ينتظر من يفتحه. هذا هو الركن المثير من العلم المعروف باسم تثمين النفايات (waste valorization)، حيث يأخذ الباحثون الأشياء التي نتخلص منها — مثل بقايا تفل القهوة المبللة والمستخدمة التي تتبقى بعد احتساء قهوتك الصباحية — ويحولونها إلى شيء ذي قيمة، مثل الوقود. وللقيام بذلك، يستخدم العلماء غالباً عملية تسمى الاستخلاص بالمذيبات. فكر في الأمر كأنك تصنع كوباً قوياً جداً من الشاي: تصب الماء الساخن فوق أوراق الشاي، فيقوم الماء (المذيب) بالتقاط النكهة واللون (الزيت) من الأوراق، تاركاً وراءه الأوراق الجافة. في هذه الحالة، بدلاً من الماء، يستخدم العلماء سوائل خاصة لالتقاط الزيت المختبئ داخل بقايا القهوة. لكن الجزء الصعب هنا هو أن ليست كل "مياه الشاي" متشابهة؛ فبعضها أفضل في التقاط الزيت، وبعضها أسرع، وبعضها أكثر لطفاً مع كوكبنا. والسؤال الكبير هو: أي سائل هو الشريك المثالي لاستخراج أكبر قدر من الزيت من بقايا القهوة دون الإضرار بالبيئة أو إهدار الكثير من الطاقة؟

قرر فريق من الباحثين من جامعة بوردو لعب دور المحقق لحل هذا اللغز. لقد أخذوا بقايا القهوة المستخدمة وحاولوا استخراج الزيت باستخدام ثلاثة أنواع مختلفة من "مياه الشاي": n-hexane، و n-heptane، و الإيثانول. لم يعتمدوا على التخمين فحسب؛ بل استخدموا أداة رياضية فائقة الذكاء تسمى طريقة تاغوتشي (Taguchi method) لمعرفة الوصفة المثالية (كمية القهوة، درجة الحرارة، والمدة) لكل سائل. كما عملوا كمحققين للطاقة، حيث قاموا بقياس مقدار الجهد المطلوب لاستخراج الزيت، وكحراس للبيئة، حيث حسبوا مقدار التلوث الكربوني الذي تنتجه كل طريقة.

إليكم ما وجدوه. إذا كنت تهتم فقط بالحصول على أكبر قدر من الزيت من بقايا القهوة بأسرع وقت ممكن، فإن n-hexane هو الفائز الواضح. إنه يشبه المغناطيس للزيت؛ ولأنه لا يمتزج جيداً مع الماء (غير قطبي)، فإنه يلتقط زيت القهوة بشكل مثالي، مما يعطي حوالي 17.98% من وزن القهوة كزيت في ظل أفضل الظروف. كما تبين أنه الأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، حيث يتطلب أقل قدر من "الدفع" (طاقة التنشيط البالغة 6.563 كيلوجول/مول) لتحريك الزيت. ومع ذلك، فإن n-hexane هو مصدر إزعاج نوعاً ما: فهو مصنوع من الوقود الأحفوري، وسام، ويترك بصمة كربونية أكبر.

من ناحية أخرى، يعد الإيثانول هو البطل الصديق للبيئة. ورغم أنه لم يستخرج كمية كبيرة من الزيت (بمتوسط 15.76%)، إلا أنه أكثر أماناً للبشر وللكوكب. فهو يمتلك أدنى إمكانية للاحترار العالمي (GWP) عند 5.75 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل دفعة، ويستهلك أقل إجمالي طاقة (20.5 ميجا جول)، وينتج أقل قدر من النفايات الخطرة. إنه يشبه الجار الودود الذي قد لا يحضر أكبر هدية، لكنه بالتأكيد لا يترك خلفه فوضى. أما المنافس الثالث، n-heptane، فقد وقع في منطقة وسطى ولكنه انتهى به المطاف كالأقل كفاءة بشكل عام، حيث تطلب أكبر قدر من الطاقة للإنتاج وكان له أعلى بصمة كربونية (6.25 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون).

لقد تعمق الباحثون أيضاً في فهم "كيف" و"لماذا". واكتشفوا أن العملية هي عملية ماصة للحرارة (endothermic)، مما يعني أنها تحتاج إلى حرارة لتعمل (مثل طهي وجبة)، وهي تحدث بشكل تلقائي، مما يعني أنه بمجرد البدء فيها، فإنها ترغب في الاستمرار. وقد أكدوا أن الزيت ينتقل من بقايا القهوة الصلبة إلى السائل المذيب بسبب الذوبانية والانتشار، تماماً كما يذوب السكر وينتشر في الشاي الساخن. كما أثبتوا أن نتائجهم كانت قوية للغاية، مع وجود تباين ضئيل جداً بين التجارب، مما يعني أنه إذا اتبعت وصفتهم، فستحصل على نفس النتيات الرائعة في كل مرة.

إذاً، ما هي النتيجة النهائية؟ إذا كان هدفك هو السرعة الخالصة وأقصى عائد من الزيت، فإن n-hexane هو البطل. ولكن إذا كنت تريد إنقاذ الكوكب والحفاظ على سلامة الناس، فإن الإيثانول هو الخيار الأفضل، حتى لو استغرق وقتاً أطول قليلاً لإنجاز المهمة. تشير الدراسة إلى أنه بينما يعد n-hexane حالياً الأداة الأكثر كفاءة للقيام بالمهمة، فإن مستقبل الوقود المستدام قد يكمن في إيجاد طرق لجعل المذيبات الأكثر خضرة مثل الإيثانول تعمل بنفس الكفاءة، أو ربما إيجاد طرق جديدة، وأفضل، لتحويل نفايات قهوتنا الصباحية إلى الطاقة التي تشغل يومنا.