Scalable production and simplified purification of bio-based dodecanedioic acid from renewable plant oil
تُظهر هذه الدراسة عملية حيوية قابلة للتوسع وعلى نطاق تجريبي باستخدام خميرة "كانديدا تروبيكاليس" (Candida tropicalis) المهندسة لتحويل ميثيل اللورات المتجدد إلى حمض دوديكان ديويك عالي النقاء، مقترنة بطريقة مبسطة لبلورة حمض الأسيتيك تلغي خطوات التنقية المعقدة وتحد من الأثر البيئي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
غالباً ما تُصنع المواد البلاستيكية التي تشبه الحرير في ملمسها ولكنها بصلابة الفولاذ من وحدة بناء كيميائية محددة تسمى حمض دوديكان ديويك (dodecanedioic acid). هذا الجزيء عبارة عن سلسلة طويلة من اثني عشر ذرة كربون مع مجموعة حمض كربوكسيلي عند كل طرف، مما يجعله رابطاً حيوياً لإنتاج بلاستيك هندسي عالي الأداء مثل النايلون 6.12. وتُقدر هذه المواد لقدرتها على مقاومة الماء والحرارة، مما يجعلها مثالية لأجزات السيارات، وخطوط الوقود، والمنسوجات المتينة. ومع ذلك، اعتمد العالم لعقود من الزمن على طريقة خطيرة وملوثة لإنتاج وحدة البناء هذه؛ حيث تبدأ العملية التقليدية بالنفط، وإخضاعه لحرارة وضغط شديدين مع استخدام محفزات معدنية ثقيلة لفرض الهيكل الكيميائي في مكانه. وينطوي هذا النهج على مخاطر كبيرة، بما في ذلك احتمال حدوث انفجارات كارثية، كما يربط إمدادات المواد الأساسية بأسعار الوقود الأحفوري المتقلبة. ومع سعي الصناعات والمستهلكين بشكل متزايد نحو بدائل أكثر أماناً ونظافة، اتجه العلماء إلى آلات الطبيعة الخاصة: الميكروبات. فمن خلال هندسة الخميرة للقيام بتحولات كيميائية تتطلب عادةً ظروفاً صناعية قاسية، يأمل الباحثون في إنتاج هذه المواد الحيوية من زيوت نباتية متجددة، وتحويل عملية كيميائية خطرة إلى عملية بيولوجية مستدامة.
في دراسة حديثة، نجح فريق من الباحثين من معهد كوريا للأبحاث في البيولوجيا والتكنولوجيا الحيوية وشركة لوتيه كيميكال (Lotte Chemical Co. Ltd) في إثبات طريقة لإنتاج هذا الكيميائي الحيوي بكميات كبيرة باستخدام مسار بيولوجي يعد أكثر قابلية للتوسع وأنظف من المعيار الصناعي الحالي. وقد ركزوا على نوع معين من الخميرة، وهي "كانديدا تروبيكاليس" (Candida tropicalis)، والتي تمتلك طبيعياً القدرة على تفكيك الدهون والزيوت. كان هدف الفريق هو إعادة برمجة هذه الخميرة بحيث لا تكتفي بتناول الدهون للحصول على الطاقة، بل تتوقف عند نقطة محددة وتطلق وحدة البناء الكيميائية المطلوبة. ولتحقيق ذلك، أدخلوا جيناً من ميكروب مختلف، وهو "ويكريهاميسوميس سوربوفيلا" (Wickerhamomyces sorbophila)، والذي يعمل كإنزيم عالي الكفاءة لتسريع خطوة كيميائية محددة. سمح هذا التعديل للخميرة بتحويل "ميثيل لورات" (methyl laurate)، وهو إستر دهني مشتق من زيت جوز الهند، مباشرة إلى حمض دوديكان ديويك دون التوقف عند خطوات وسيطة سامة تعيق الإنتاج عادةً.
اختبر الباحثون أولاً هذه الخميرة المهندسة في خزان صغير سعة خمسة لترات، حيث أنتجت تركيزاً قدره 102 جرام من المادة لكل لتر من السائل. وبدافع من هذه النتيجة، قاموا برفع نطاق العملية إلى مخمر تجريبي ضخم بسعة 300 لتر، وهو حجم أقرب لما تستخدمه المصانع الحقيقية. ومن المثير للاهتمام أن النظام الأكبر قدم أداءً أفضل، حيث وصل التركيز إلى 105 جرام لكل لتر. وقد أثبتت هذه القفزة الناجحة من خزان مختبري صغير إلى وعاء ضخم للإنتاج الصناعي أن العملية البيولوجية قوية بما يكفي للتعامل مع تعقيدات الإنتاج الضخم دون فقدان الكفاءة. كما قام الفريق بتحسين استراتيجية التغذية، عبر إضافة مشتق زيت جوز الهند بمعدل ثابت للحفاظ على صحة الخميرة وإنتاجيتها، وضمان عدم تراكم المادة الكيميائية لمستويات سامة داخل الخزان.
وبعد أن أنهت الخميرة عملها، واجه الفريق تحدي فصل المادة الكيميائية عن الخليط المائي، وهي خطوة غالباً ما تمثل نصف تكلفة إنتاج مثل هذه المنتجات. تتضمن الطرق التقليدية استخدام حمض الكبريتيك القوي لترسيب المادة من المحلول، مما ينتج كمية كبيرة من مياه الصرف الملحية التي يصعب ويصعب التخلص منها. طور الباحثون نهجاً أبسط وأكثر مباشرة باستخدام حمض الأسيتيك، وهو مكون شائع يوجد في الخل. فمن خلال ضبط حموضة السائل باستخدام حمض الأسيتيك وتسخينه، تمكنوا من إذابة المادة الخام ثم تبريدها لتكوين بلورات نقية. تجاوزت هذه الطريقة الحاجة إلى خطوات غسيل وتبييض مكثفة، مما ألغى توليد نفايات الأملاح غير العضوية تماماً. وكانت النتيجة منتجاً بنقاء 91.4 بالمائة ومظهراً ناصعاً ونظيفاً يضاهي أو يتجاوز جودة النسخ المتوفرة تجارياً والمصنوعة من الوقود الأحفوري.
ولإثبات أن هذه المادة الكيميائية المستمدة من النباتات جاهزة حقاً للعالم الواقعي، استخدمها الباحثون لتخليق النايلون 6.12. فقد دمجوا هذا المكون النباتي النقي مع مكون آخر لإنشاء البوليمر البلاستيكي، واختبروا خصائصه الفيزيائية لمعرفة مدى مقارنته بالنايلون التجاري القياسي. انصهرت المادة الجديدة عند 216 درجة مئوية وأظهرت متانة ممتازة ومقاومة للحرارة، حيث كان أداؤها مطابقاً تقريباً لأفضل المنتجات الموجودة حالياً في السوق. يوضح هذا العمل أنه من الممكن إنشاء بلاستيك هندسي عالي الأداء من موارد متجددة باستخدام عملية أكثر أماناً ونظافة وجاهزة للتصنيع واسع النطاق. ومن خلال الجمع بين الهندسة الوراثية واستراتيجية تنقية مبسطة، توفر الدراسة مخططاً عملياً لاستبدال العمليات البتروكيميائية الخطرة بعمليات بيولوجية مستدامة، مما يوفر مساراً قابلاً للتطبيق نحو مستقبل الكيمياء الخضراء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.