Technoeconomic assessment of bacterial nanocellulose production from second generation sugars derived via the OxiOrganosolv pretreatment process
تقيم هذه الدراسة الجدوى التقنية الاقتصادية لإنتاج السليلوز البكتيري من السكريات المشتقة من الغابات عبر المعالجة المسبقة بطريقة "أوكسي أورجانوسولف" (OxiOrganosolv)، حيث حددت أن تقليل الاستثمار الرأسمالي الثابت في المفاعلات الحيوية وتحسين تكاليف المواد الخام والتجفيف هما أمران حاسمان لتحقيق الجدوى الاقتصادية.
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
في عالم المواد، هناك بحث مستمر عن مواد قوية ومرنة وصديقة للكوكب. إحدى هذه المواد هي السليلوز البكتيري النانوي، وهي مادة لا تصنعها النباتات، بل تصنعها بكتيريا دقيقة تغزل السكر إلى ألياف دقيقة للغاية. وبخلاف السليلوز الموجود في الخشب أو القطن، والذي يأتي ممزوجاً بأجزاء نباتية أخرى مثل اللجنين، فإن هذا النوع البكتيري نقي. فهو يشكل شريحة تشبه الهلام تتكون في معظمها من الماء، ومع ذلك فهي تمتلك قوة مذهلة ويمكن تشكيلها في أغلبها إلى رقائق أو أنابيب أو سقالات للاستخدام الطبي. ولأنها قابلة للتحلل الحيوي وغير سامة، فإن العلماء والمهندسين يتوقون لإيجح الطُرق لإنتاجها بتكلفة منخفضة بما يكفي لتكون بديلاً للبلاستيك في التغليف أو لاستخدامها في ضمادات الجروح المتقدمة. كان التحدي دائماً هو أن صنع هذه المادة بطيء ومكلف، إذ يتطلب غالباً سكريات نقية وكميات هائلة من الطاقة لإزالة الماء من المنتج النهائي.
لقد تصدى فريق من الباحثين في اليونان مؤخراً لسؤال ما إذا كان من الممكن جعل هذه المادة مجدية اقتصادياً باستخدام نوع معين من سكر النفايات المستخلص من بقايا الغابات. فقد ركزوا على عملية تعمل أولاً على تجريد الأجزاء الخشبية غير المفيدة من المادة النباتية باستخدام الأكسجين والحرارة، تاركة وراءها لبّاً نظيفاً يمكن تحويله إلى سكر. ثم طرحوا سؤالاً بسيطاً ولكنه صعب: إذا استخدمنا هذا السكر من الجيل الثاني لتغذية البكتيريا، فكم ستكون تكلفة إنتاج المنتج النهائي فعلياً؟ ولإيجاد الإجابة، بنوا نموذجاً حاسوبياً مفصلاً لمصنع يمكنه إنتاج مائة طن من السليلوز النانوي البكتيري الجاف كل عام. لم يكتفوا بالتخمين؛ بل حسبوا تكلفة كل قطعة من المعدات، وكل قطرة ماء، وكل ساعة من الكهرباء المطلوبة لتشغيل المصنع، بدءاً من لحظة وصول السكر وحتى لحظة تعبئة الشرائح المجففة.
صمم الباحثون مخططاً للمصنع يعتمد على صوانٍ كبيرة وضحلة تنمو فيها البكتيريا في بيئة هادئة وساكنة. وهذا أمر ضرى لأن البكتيريا تحتاج إلى استنشاق الهواء لإنشاء أليافها، كما أن تقليب الخليط من شأنه أن يكسر الشرائح الرقيقة التي تشكلها. تتضمن العملية دورة طويلة تبلغ حوالي ثمانية أيام لكل دفعة، تقوم خلالها البكتيريا باستهلاك السكر وبناء طبقة سميكة من السليلوز النانوي على سطح السائل. وبمجرد اكتمال النمو، يتم حصاد الشرائح، وغسلها بمحلول تنظيف خفيف لإزالة البكتيريا، ثم تجفيفها. وقد وضع الفريق نموذجين لنتيجتين مختلفتين للمنتج النهائي: إحداهما حيث يتم تجفيف المادة حتى تصبح صلبة في الغالب مع كمية صغيرة من الرطوبة، والأخرى حيث تُباع كهلام رطب يحتوي على الماء بالكامل تقريباً.
وعندما قاموا بتشغيل الأرقام، كانت النتائج واضحة ولكنها متطلبة. فلكي يكون المشروع مجدياً مالياً، ستحتاج الشركة إلى بيع المادة المجففة بنحو مائتين وثلاثة يورو للكيلوغرام الواحد، أو الهلام الرطب بأكثر قليلاً من يوروين للكيلوغرام. هذه الأسعار مرتفعة، لكنها تعكس واقع التكنولوجيا الحالية. لم يكن المحرك الأكبر للتكلفة هو السكر أو الكهرباء، بل الآلات نفسها. فقد وجد الباحثون أن المعدات اللازمة لنمو البكتيريا، وتحديداً خزانات البذور والمفاعلات الصوانية الكبيرة، شكلت ما يقرب من ثمانين بالمائة من إجمالي تكلفة بناء المصنع. هذا الاستثمار الثقيل مطلوب لأن البكتيريا تنمو ببطء، مما يعني أن المصنع يحتاج إلى عدد هائل من المفاعلات التي تعمل في وقت واحد لإنتاج كمية جيدة من المنتج في السنة.
كما سلطت الدراسة الضوء على أن تكلفة تغذية البكتيريا تعد عاملاً رئيسياً. فالمحلول السكري يتطلب مغذيات غالية الثمن، وخاصة مكوناً غنياً بالبروتين يسمى "الببتون"، والذي يشكل جزءاً كبيراً من ميزانية التشغيل اليومية. علاوة على ذلك، تولد العملية حجماً كبيراً من مياه الصرف الصحي التي يجب معالجتها بعناقة، مما يضيف طبقة أخرى من التكلفة والتعقيد. وأشار الباحثون إلى أن مرحلة التجفيف، رغم أنها تستهلك الكثير من الطاقة، إلا أنها تمثل عبئاً مالياً أقل من تكاليف المعدات، لكنها تظل بالغة الأهمية لأن طريقة تجفيف المادة تغير خصائصها الفيزيائية. فإذا جُففت المادة بقوة مفرطة، فإنها تفقد الصفات الفريدة التي تجعلها قيمة للتطبيقات الراقية.
على الرغم من السعر المرتفع، يشير التحليل إلى أن المشروع يمكن أن يكون مربحاً على مدار عمر افتراضي يبلغ ثلاثين عاماً، بشرط أن تقدر السوق الخصائص الفريدة للمادة بما يكفي لدفع تلك القيمة الإضافية. وخلص الباحثون إلى أن الطريق لجعل هذه المادة أرخص يكمن في هندسة مفاعلات أفضل وأقل تكلفة وإيجاد طرق لتقصير دورات التخمير الطويلة. كما أكدوا أن تحسين كفاءة عملية التجفيف وإيجاد طرق أرخص لمعالجة مياه الصرف الصحي هي خطوات أساسية. إن العمل يؤكد أنه بينما التكنولوجيا سليمة، فإن الجوانب الاقتصادية حالياً ضيقة، وتعتمد على الجودة الفائقة للمادة لتبرير تكلفتها في الأسواق المتخصصة مثل الطب والتغليف المتقدم.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.