Production of Advanced Products from Sargassum through Integrated Conversion

إن المحيط ليس مجرد مصدر للغذاء والسفر؛ بل هو أيضاً مصنع حيوي هائل ينتج كتلة حيوية بكميات مذهلة. وفي السنوات الأخيرة، بدأت نوعية معينة من الأعشاب البحرية البنية تسمى "سارجاسوم" (Sargassum) في الازدهار بكثافة غير مسبوقة عبر المحيط الأطلسي والبحر الكاريبي. وبينما يمثل هذا الوفرة مستودعاً ضخماً للمواد العضوية، فقد نُظر إليه إلى حد كبير كونه مشكلة. فعندما تجرف هذه الحصائر إلى الشواطئ، فإنها تتعفن، وتطلق روائح كريهة، وتخنق الأنظمة البيئية الساحلية، مما يكلف المجتمعات المحلية ملايين الدولارات سنوياً لتنظيفها. وقد تساءل العلماء طويلاً عما إذا كان يمكن تحويل هذا الإزعاج إلى شيء مفيد، وتحويل أزمة إدارة النفايات إلى مصدر للطاقة أو المواد. وللقيام بذلك، يجب على الباحثين أولاً فهم التركيبة الكيميائية الفريدة لهذا العشب البحري، والتي تختلف بشكل كبير عن النباتات الموجودة على اليابسة، ثم تطوير طريقة لتفكيكه إلى وحدات بناء بسيطة يمكن للميكروبات التغذي عليها.

لقد اتخذ فريق من الباحثين من المختبر الوطني في جبال روكي وجامعة بورتوريكو خطوة رئيسية نحو الإجابة على هذا السؤال. فقد طوروا نظاماً متكاملاً لمعالجة "السارجاسوم"، ونقلوه من مرحلة الحصاد الخام الرطب إلى تدفق من السكريات القابلة للاستخدام والمخلفات الصلبة. ويظهر عملهم أنه بينما يمكن تحويل العشب البحري إلى منتجات قيمة مثل الدهون (الليبيدات) المستخدمة في الوقود، فإن اقتصاديات العملية تعتمد بشكل كبير على ما يحدث للمادة الصلبة المتبقية. وتشير الدراسة إلى أن مجرد تحويل العشب البحري إلى وقود ليس كافياً لجعل العمل تجارياً مجدياً؛ إذ يكمن مفتاح النجاح الحقيقي في إيجاد استخدام عالي القيمة للمخلفات الصلبة المتبقية بعد استخراج السكريات.

بدأ الباحثون بجمع أطنان من "السارجاسم" من سواحل بورتوريكو. وصل العشب البحري وهو مبلل وثقيل، ويحتوي على كمية كبيرة من الماء التي من شأنها أن تجعل المعالجة مكلفة وغير فعالة. ولحل هذه المشكلة، قاموا أولاً بعصر الكتلة الحيوية عبر مكبس لولبي كبير، وهو آلة تعمل مثل "عصارة" عملاقة. أدت هذه الخطوة إلى إزالة جزء كبير من الماء، مما نتج عنه كعكة سميكة وكثيفة من مواد العشب البحري الصلبة وتدفق سائل غني بكحول سكري يسمى "المانيتول". ووجدوا أن هذا الضغط الميكانيكي لم يدمر السكريات القيمة داخل العشب البحري، بل قام ببساطة بتركيزها، مما جعل التعامل مع المادة وتخزينها أسهل. كما اكتشفوا أنه يمكنهم حفظ العشب البحري المعصور لعدة أشهر عن طريق معالجته بكمية صغيرة من الحمض، مما يمنع تعفنه ويسمح للمنشأة بالعمل على مدار العام حتى عندما لا تكون ازدهارات العشب في ذروتها.

بعد ذلك، واجه الفريق المهمة الصعبة المتمثلة في فتح السكريات المحبوسة داخل الجدران الخلوية القوية للعشب البحري. فخلافاً لنباتات اليابسة، يحتوي "السارجاسوم" على بوليمرات معقدة تقاوم التحلل. استخدم الباحثون الحرارة وحمض الكبريتيك المخفف لتليين هذه الجدران وإطلاق السكريات. واختبروا تركيبات مختلفة من درجة الحرارة والوقت وقوة الحمض لإيجاد "النقطة المثالية". ووجدوا أن درجات الحرارة الأعلى ومزيداً من الحمض كانا مطلوبين لتفكيك سكريات التخزين القوية، لكن هذه الظروف نفسها قد تهدد بتدمير السكريات الحمضية الأكثر رقة. ومن خلال التجريب الدقيق، تمكنوا من إطلاق أكثر من نصف السكريات المحتجزة في تدفق سائل، مما خلق مصدراً غذائياً للمرحلة التالية من العملية.

ومع تحرر السكريات، أدخل الباحثون نوعاً متخصصاً من الخميرة، وهي فطر أحادي الخلية معروف بقدرته على أكل مجموعة متنوعة من السكريات وتحويلها إلى دهون. قاموا بتغذية الخميرة بمزيج من السائل المعصور من العشب البحري وتدفق السكر المعالج بالحمض. ازدهرت الخميرة، حيث استهلكت السكريات وبنت الدهون داخل خلاياها. هذه الدهون، أو الليبيدات، هي مقدمة قيمة لصنع الوقود والمواد الكيميائية المتجددة. ومع ذلك، عانت الخميرة مع بعض السكريات المحددة الموجودة في العشب البحري، وكان إجمالي كمية الدهون المنتجة محدوداً بمدى تخفيف تدفق السكر. وللتغلب على ذلك، استخدموا نظام ترشيح يحافظ على خلايا الخميرة داخل المفاعل مع إزالة السائل المستخدم وإضافة طعام جديد، مما سمح للخلايا بالعمل لفترات أطول وبكفاءة أكبر.

جاء الجزء الأكثر أهمية في الدراسة عندما نظر الباحثون إلى الصورة الكبيرة للتكاليف. لقد بنوا نموذجاً حاسوبياً مفصلاً لمصنع واسع النطاق يقوم بهذه الخطوات يومياً. وكشف النموذج عن حقيقة مذهلة: إن الأموال التي يتم جنيها من بيع الدهون التي تنتجها الخميرة لم تكن كافية لتغطية التكاليف العالية لحصاد العشب البحري وتشغيل المصنع. فالعملية لا تحقق جدوى مالية إلا إذا أمكن بيع البقايا الصلبة المتبقية من استخراج السكر بمبلغ كبير من المال. وقد حسب الباحثون أن هذه المخلفات الصلبة يجب أن تباع بسعر يقارب ألف دولار للطن الواحد لجعل العملية برمتها مربحة. وبينما يمكن استخدام مواد العشب البحري الصلبة كسماد أو علف للحيوانات أو مكون في البلاستيك، فإن أسعار السوق الحالية لهذه المنتجات أقل بكثير مما هو مطلوب.

تخلص الدراسة إلى أن تحويل "السارجاسوم" إلى وقود حيوي هو أمر ممكن تقنياً ولكنه هش اقتصادياً. فالتقنية تعمل، لكن المسار نحو صناعة مستدامة يعتمد على حل لغز المواد الصلبة المتبقية. فإذا تمكن العلماء من إيجاد طريقة لتحويل كعكة العشب البحري المتبقية إلى منتج عالي القيمة، أو إذا تمكنوا من خفض تكلفة حصاد العشب البحري بشكل جذري، فإن هذا الإزعاج الساحلي يمكن أن يصبح مورداً حقيقياً. وحتى ذلك الحين، يظل تحويل "السارجاسوم" مفهوماً واعداً ينتظر وضع القطعة الأخيرة من لغز الاقتصاد في مكانها الصحيح.