تكنولوجيا جديدة لإنتاج "البيو إيثانول" من المخلفات الزراعية كمصدر للطاقة المتجددة والحد من التلوث

أكد الدكتور ناصر العشماوى رئيس بحوث بمعهد بحوث الهندسة الزراعية أن الإيثانول يعتبر مذيباً طبيعياً ممزوجاً بالماء، ويتم إنتاجه صناعياً من الغاز الطبيعى، كما يتم إنتاجه عن طريق التخمر اللاهوائى لبعض المواد العضوية، وهو البيو إيثانول "الإيثانول الحيوى" باستخدام أنواع معينة من الخمائر مثل خميرة الخبيز السريعة cerevisiae yeast) (Saccharomyces، وتعتبر السكريات بجميع أنواعها (جلوكوز – فركتوز – سكروز) هى المصدر الطبيعى لإنتاج البيو إيثانول، وترجع أهمية البيو إيثانول لتعدد استخداماته، فهو يستخدم كمادة مذيبة فى الصناعة الدوائية لتحضير الخلاصات الكحولية والصبغات الكحولية ومطهر موضعى، كما يستعمل كوقود للمحركات، حيثُ يعتبر وقوداً نظيفاً ومتجدداً، حيث يوصف الإيثانول الحيوى بأنه وقود نقى لا ينضب يستخدم لتشغيل المحركات، كما يضاف للبنزين لرفع قيمة الأوكتان وتعزيز كفاءة المحركات بنسبة من 20 – 25 %.
وهو عبارة عن سائل كحولى شفاف يمكن استخدامه كمواد خام لمشتقات الكحول، فى الصناعة التركيبية، وصناعة قاعدة الطلاء، وصناعة الأدوية، ومزيج من الوقود للمحركات، والذى يُعطى الإيثانول / الإيثانول الحيوى كمصدر الطاقة المتجددة للحد من التلوث البيئى، الذى يحدث من محركات الاحتراق الداخلى عند استخدام الوقود الأحفورى، وتستخدم نسبة تركيز من 90 – 95 فى الأعمال الصناعية والوقود، بينما يمكن استخدام الإيثانول الذى يحتوى على تركيز من 96 - 99.5 % كمزيج للمواد الأساسية الحديثة والمستحضرات الصيدلانية فى الوقت الحاضر، ويتم إنتاج البيو إيثانول من منتجات زراعية مختلفة، والتى تحتوى على نسبة عالية من السكريات والنشويات مثل (قصب السكر، الذرة، القمح، بنجر السكر، أو الذرة الرفيعة)، ويعتبر إنتاج البيو إيثانول من الكتلة الحيوية ابتكاراً كيميائياً حيوياً.
ورغم تعدد مصادر إنتاج البيو إيثانول من الكتل الحيوية، إلا أن الكتل الحيوية التى تحتوى على نسبة عالية من السليلوز مثل قش الأرز وقشور الموز كانت تمثل مشكلة كبيرة فى إنتاج البيو إيثانول، حيث تمثل هذه المواد مشكلة بيئية كبيرة، وخصوصاً فى مصر لكبر حجم قش الأرز الناتج وطريقة التخلص منها بالحرق الملوث للبيئة، وكذلك قشور الموز والتى تمثل 37 % من إنتاج الموز، وكان لمعهد بحوث الهندسة الزراعية متمثلاً فى الباحثين بالمعهد دور مهم لتحويل السليلوز إلى سكريات لإنتاج البيو إيثانول، وأيضاً لهم دور كبير فى دراسة العوامل الهندسية لإنتاج البيو إيثانول من متبقيات التمور، حيث تم نشر أكثر من بحث لكاتب المقال بصفته باحثاً بمعهد بحوث الهندسة الزراعية، وذلك فى مجال دراسة العوامل الهندسية لإنتاج البيو إيثانول من متبقيات التمور.
2 - انتاج البيو إيثانول من متبقيات التمور
تعتبر متبقيات التمور مصدراً مهماً لإنتاج البيو إيثانول، حيث تحتوى على نسبة عالية تتراوح بين 50 – 84 % من السكريات المختلفة (الجلوكوز والفركتوز والسكروز)، وأن تكون مصدراً للكربون الأساسى لنشاط الخميرة، كما توجد أيضاً مكملات غذائية ومعادن وفيتامينات مختلفة فى التمور، مما يعزز عملية إنتاج البيو إيثانول، وقد استخدمت متبقيات بعض أنواع التمور ذات الجودة المنخفضة لإنتاج البيو إيثانول باستخدام التخمر اللاهوائى باستخدام خميرة الخبيز السريعة Saccharomyces cerevisiae، وقد أثبتت التجارب أن العوامل الهندسية المؤثرة هى درجة حرارة التخمر، وكانت درجة الحرارة المثلى للإنتاج من معظم أنواع التمور هى C °35، والأس الهيدروجينى (PH 5-6.5)، والتقليب 120rpm، وزمن التخمر 72 ساعة ونسبة المادة الصلبة فى العصير المتخمر 15 %، ومتوسط إنتاج البيو إيثانول 300 ملى / كيلو جرام من متبقيات التمور.
كما كان للمعهد وباحثيه دور مهم فى رفع كفاءة إنتاج البيو إيثانول من السليلوز باستخدام طرق تكنولوجية جديدة، مثل استخدام الموجات فوق الصوتية، وكذلك استخدام موجات الميكرويف لتحويل السليلوز لسكريات أولية لإنتاج البيو إيثانول.
3 - إنتاج البيو إيثانول من السليلوز
يمكن تحويل السليلوز إلى إيثانول، لكن عملية تحويل الكتلة الحيوية السليلوزية إلى الإيثانول أكثر تعقيداً من تحويل السكرات أو النشويات إلى بيو إيثانول، حيث تتكون المواد السليلوزية من اللجنين، والهيميسليلوز، والسليلوز، وبالتالى يطلق عليها أحياناً مواد lignocellulosic، يجب تحويلها إلى سكريات بخمسة وستة كربون قبل أن يتم تخمرها وتحويلها إلى بيو إيثانول، وتتمثل إحدى الوظائف الأساسية للجنين فى توفير الدعم الهيكلى للكتلة الحيوية، وبالتالى، بشكل عام، تحتوى الأشجار على محتوى أعلى من اللجنين، ثم الحشائش وقش الأرز وقشور الموز وخلافه، ولسوء الحظ، يحيط اللجنين الذى لا يحتوى على السكريات جزيئات السليلوز والهيميسليلوز، مما يجعل الوصول إليها صعباً، وتتكون جزيئات السليلوز من سلاسل طويلة من جزيئات الجلوكوز، مثلها مثل جزيئات النشا، ولكن لها تكوين هيكلى مختلف، هذه الخصائص الهيكلية بالإضافة إلى التغليف بواسطة اللجنين تجعل المواد السليلوزية أكثر صعوبة فى التحلل المائى من المواد النشوية، كما يتكون الهيميسليلوز من سلاسل طويلة من جزيئات السكر، ويختلف تكوين السكر الدقيق للهيميسليلوز تبعاً لنوع النبات.
وهناك ثلاث طرق أساسية من العمليات لتحويل السليلوز إلى البيو إيثانول: التحلل المائى الحامضى، والتحلل المائى الإنزيمى، والعملية الحرارية الكيميائية. والنوع الأكثر شيوعاً هو التحلل المائى الحامضى. يمكن استخدام أى حمض تقريباً، ومع ذلك فإن حمض الكبريتيك هو الأكثر استخداماً، لأنه عادة ما يكون الأقل تكلفة، واليوم لا يوجد فعلياً أى إنتاج تجارى للإيثانول من الكتلة الحيوية السليلوزية بالطرق الأساسية، ولكن هناك أبحاثاً كبيرة جارية لتطوير عملية إنتاج البيو إيثانول من السليلوز يعطى أملاً فى التطبيق التجارى، ويتبنى بعض الباحثين بالمعهد هذا الدور بتطوير نظم تكنولوجية حديثة باستخدام الموجات الصوتية وموجات الميكرويف، فى رفع كفاءة إنتاج البيو إيثانول من الكتل الحيوية السليلوزية، وقد قمت كأحد الباحثين فى هذا المجال وأدعم دور المعهد فى هذا المجال بإجراء تجارب على استخدام موجات الميكرويف فى إنتاج البيو إيثانول من قشور الموز، وتم نشر البحث فى هذا المجال، حيث تم تعرض قشور الموز بعد تجفيفها وطحنها وإضافة 10 جم ماء/ جرام من القشور لموجات الميكرويف عند طاقة من 140 - 160 – 180 وات لمدة 3 و5 و7 دقائق، تم إجراء عملية تخمر قشور الموز خلال سبعة أيام متتالية، وتم قياس إنتاج البيو إيثانول بشكل مستمر مرة واحدة يومياً (كل 24 ساعة)، تم أخذ درجة الحرارة المثلى لتخمر قشور الموز المعالج مسبقاً، وهى 35 درجة مئوية من الدراسات السابقة، وكانت أهم النتائج المتحصل عليها أن أعلى إنتاج للبيو إيثانول كان عند طاقة ميكرويف 180 وات، وزمن التعرض 5 دقائق، حيث زادت نسبة البيو إيثانول الناتج بنسبة 62.5 %، مقارنة بغير المعالج، أوضحت النتائج التجريبية أيضاً أن المعالجة الحرارية بواسطة الميكروويف زادت بشكل كبير من نسبة الجلوكوز الموجودة وانخفاض نسبة السكروز، ويأخذ المعهد على عاتقه من خلال جهود الباحثين فى مجال الطاقة وتدوير المتيقيات الزراعية فى تطوير استراتيجية الاستفادة من متبقيات الكتل الحيوية السليلوزية، وخصوصاً قشور الموز وقش الأرز لتوسيع الاستخدام المناسب للتطبيقات المختلفة لهم فى الصناعات التحويلية والتصنيع الغذائى.