Catalytic dehydration of fructose to 5-HMF by a lignin-derived carbon solid acid catalyst modified by non-thermal plasma

في السعي نحو بناء مستقبل مستدام، يتجه العلماء بشكل متزايد نحو مخلفات الطبيعة نفسها. فبدلاً من الاعتماد على البترول، الذي هو مورد محدود وملوث، يبحث الباحثون في الكتلة الحيوية - وهي المواد النباتية مثل الخشب والعشب وبقايا المحاصيل. هذه المواد غنية بالسكريات والكربون، وهي اللبنات الأساسية للوقود والبلاستيك والأدوية. وتبرز جزيئة محددة، تُعرف باسم 5-هيدروكسي ميثيل فورفورا-ل (5-HMF)، كجسر حيوي في هذا التحول؛ فهي منصة كيميائية متعددة الاستخدامات يمكن تحويلها إلى مجموعة واسعة من المنتجات القيمة. ومع ذلك، فإن تصنيع 5-HMF أمر صعب للغاية؛ إذ تتطلب العملية عادةً ظروفاً قاسية، ومواد كيميائية سامة، وطاقة عالية، مما يؤدي غالباً إلى تفاعل فوضوي حيث يُفقد المنتج المطلوب في النفايات أو يتحلل قبل أن يمكن جمعه. ويكمن التحدي في إيجاد طريقة لترويض السكريات النباتية وتحويلها إلى هذا الشكل المفيد بكفاءة ونظافة، ودون تدمير الجزيئة الدقيقة في هذه العملية.

لقد نجح فريق من الباحثين في جامعة تشانغتشو في الصين في معالجة هذه المشكلة من خلال تطوير نوع جديد من المحفزات، وهي مادة تسرع التفاعلات الكيميائية دون أن تُستهلك نفسها. يعتمد نهجهم على أخذ اللجنين، وهو بوليمر طبيعي صلب يوجد في جدران الخلايا النباتية وغالباً ما يتم التخلص منه كنفايات، وتحويله إلى محفز حمضي صلب. تقليدياً، يتضمن إنشاء مثل هذه المحفزات نقع المواد في أحماض قوية وخطيرة عند درجات حرارة عالية، وهي عملية تستهلك الكثير من الطاقة وتضر بالبيئة. وقد سعى الباحثون إلى طريقة أكثر رقة ودقة، فاستخدموا "البلازما غير الحرارية"، وهي تقنية تستخدم سحابة من الجسيمات النشطة لتعديل الأسطح دون تسخين المادة إلى درجة الاحتراق. ومن خلال استخدام هذه البلازما "الباردة"، هدفوا إلى تطعيم مجموعات كيميائية محددة على الكربون المشتق من اللجنين، مما يحول المادة المهدرة فعلياً إلى أداة عالية الكفاءة لتحويل سكريات الفاكهة إلى 5-HMF.

بدأت العملية بسيقان الذرة، وهي بقايا زراعية شائعة. استخرج الباحثون اللجنين من هذه السيقان ثم قاموا بتسخينه في فرن لتحويله إلى مادة كربون مسامية، وقد عمل هذا الكربون كهيكل لمحفزهم الجديد. بعد ذلك جاءت معالجة البلازما؛ حيث وضع الفريق الكربون في غرفة مفرغة من الهواء وأدخلوا الأكسجين لإنشاء مواقع نشطة على السطح. ثم أدخلوا حمض الأكريليك، وهو جزيء بسيط يحتوي على رابطة مزدوجة نشطة ومجموعة حمضية. وتحت تأثير البلازما، تكسرت جزيئات حمض الأكريليك وأعادت الارتباط بسطح الكربون، مما أدى فعلياً إلى "طلاء" المادة بآلاف المواقع الحمضية الصغيرة. كانت هذه الخطوة حاسمة لأن هذه المواقع الجديدة تعمل بمثابة "الأيدي" التي تمسك بجزيئات السكر وتوجهها إلى الشكل المطلوب. واختبر الباحثون تركيزات مختلفة من حمض الأكريليك وأوقات معالجة متفاوتة لإيجاد التوازن المثالي، واكتشفوا أن استخدام تركيز 60% من حمض الأكريليك لمدة ست دقائق أنتج المحفز الأكثر فعالية، والذي أطلقوا عليه اسم LDSA-COOH.

لفهم ما حدث للمادة، فحص الفريق المادة بدقة باستخدام مجاهر قوية وأدوات طيفية. ورأوا أن معالجة البلازما قد جعلت سطح الكربون خشناً، مما خلق نسيجاً مختلفاً عن الرقائق الناعمة والمسطحة للمادة غير المعالجة. وأكد التحليل الكيميائي أن السطح أصبح الآن مغطى بمجموعات حمض الكربوكسيل، وهي المواقع اللازمة لدفع التفاعل. كما قاس الباحثون حموضة المادة الجديدة ووجدوا أنها ارتفعت بشكل كبير مقارنة بالكربون الخام، وهذا أكد أن تطعيم البلازما قد نجح في تحميل المحفز بالأدوات الكيميائية اللازمة للقيام بعمله. لم تكن المادة مجرد دعامة سلبية، بل أصبحت مشاركاً نشطاً في التحول الكيميائي.

مع جاهزية المحفز، انتقل الفريق إلى الحدث الرئيسي: تحويل الفركتوز، وهو سكر بسيط موجود في الفاكهة، إلى 5-HMF. قاموا بخلط السكر والمحفز الجديد ومزيج من الماء وثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO)، وهو سائل معروف بقدرته على تثبيت الجزيئات الدقيقة. تم تسخين الخليط في مفاعل تحت الضغط، وكانت النتائج مذهلة؛ ففي درجة حرارة 180 درجة مئوية، حول المحفز جميع الفركتوز تقريباً إلى منتجات خلال ثلاثين دقيقة. والأهم من ذلك، أنه أنتج 5-HMF بنسبة عائد بلغت 85.7%، وهي كفاءة عالية جداً لهذا النوع من التفاعلات. وأشار الباحثون إلى أن اختيار المذيب كان حيوياً؛ فبدون هذا المزيج المحدد الذي استخدموه، كان الـ 5-HMF سيتحلل بسرعة إلى نواتج ثانوية عديمة الفائدة. ومع ذلك، عمل المحفز الجديد في تناغم مع المذيب لحماية المنتج وزيادة العائد.

إن الاختبار الحقيقي لأي محفز صناعي هو ما إذا كان يمكن استخدامه مراراً وتكراراً دون أن يفقد قوته. فالعديد من المحفزات الصلبة تتدهور بسرعة أو تنسد بالشوائب، مما يضطر إلى التخلص منها. وضع الباحثون محفزهم الجديد عبر خمس دورات متتالية من الاستخدام؛ فبعد كل دورة، كانوا يفلترون المحفز الصلب ويغسلونه ويجففونه للدفعة التالية. وحتى بعد خمس استخدامات، احتفظ المحفز بمعظم فعاليته، حيث ظل تحويل السكر مرتفعاً، ولم ينخفض عائد 5-HMF إلا قليلاً. يشير هذا الثبات إلى أن المجموعات الحمضية كانت مثبتة بإحكام على سطح الكربون ولم تُغسل أثناء التفاعل. وتظهر هذه المرونة قدرة ضرورية لأي عملية تأمل في الانتقال من المختبر إلى مصنع في العالم الحقيقي.

يقدم هذا العمل بديلاً واعداً للطرق التقليدية لصناعة المحفزات الحمضية الصلبة. فمن خلال استخدام البلازما غير الحرارية، تجنب الباحثون الحاجة إلى مواد كيميائية سامة للسلفنة والحرارة الشديدة التي غالباً ما تضر بالبنية الدقيقة للمواد المشتقة من الكتلة الحيوية. وبدلاً من ذلك، استخدموا عملية دقيقة ومنخفضة الطاقة لتعديل السطح لمنتج مهدر، محولين إياه إلى أداة عالية الأداء. وتوضح الدراسة أنه من الممكن إنشاء محفزات فعالة وقابلة لإعادة الاستخدام من موارد متجددة دون الاعتماد على عمليات صناعية خطرة. وبينما لا تزال هذه التكنولوجيا في مرحلة البحث، فإن النتائج توفر مساراً واضحاً نحو طريقة أنظف وأكثر استدامة لإنتاج المواد الكيميائية التي تقوم عليها الحياة الحديثة. إن القدرة على تحويل المخلفات الزراعية إلى أداة كيميائية دقيقة، باستخدام طريقة تتسم بالرقة والفعالية في آن واحد، تمثل خطوة مهمة نحو اقتصاد قائم على المواد الحيوية.