اللغة
كشفت دراسة حديثة عن عملية استخلاص للزيوت تستغرق ساعة واحدة فقط من تفل القهوة المستعمل، مما يعد بتحويل إنتاج وقود الديزل الحيوي إلى نهج أكثر نظافة وكفاءة. هذه الطريقة المبتكرة، التي تحافظ على الكتلة الحيوية المتبقية، تمثل تقدمًا كبيرًا في استغلال النفايات الصناعية لإنتاج مواد قيّمة.
يحتوي تفل القهوة المستعمل على زيوت يمكن أن تكون بمثابة مادة خام حيوية لإنتاج وقود الديزل الحيوي. وقد نجحت العملية الجديدة في استرداد غالبية الزيت المتاح، بنسبة نقاء أعلى بكثير وعدد أقل من الشوائب مقارنة بالطرق المخبرية القياسية. علاوة على ذلك، بقيت الألياف النباتية المتبقية سليمة إلى حد كبير، مما يتيح استخدامها في إنتاج أنواع أخرى من الوقود والمواد الكيميائية المفيدة، بما يجسد نموذج المصفاة الحيوية المتكاملة.
يُظهر تفل القهوة طاقة كامنة أكبر بكثير مما توحي به رحلته إلى سلة المهملات. فهو غني بالزيوت والألياف النباتية، مما يجعله موردًا قيمًا لدعم إنتاج الديزل الحيوي مع توفير مواد مفيدة إضافية لوقود ومواد كيميائية أخرى. وقد قام فريق من جامعة روفيرا إي فيرجيلي (Universitat Rovira i Virgili) باختبار كيفية إزالة هذا الزيت بسرعة دون إلحاق ضرر بالكتلة الحيوية المتبقية. وحددت الأبحاث ظروفًا معتدلة تسترد معظم الزيت بشوائب أقل من الطرق المخبرية المعتادة.
يتم إنتاج تفل القهوة المستعمل على نطاق واسع؛ حيث يصل الإنتاج العالمي من حبوب البن إلى حوالي 10 ملايين طن سنويًا. يدخل حوالي 10% فقط من ثمرة كرز القهوة في إنتاج المشروب، بينما يصبح الباقي بقايا صلبة. وينتج عن ذلك أكثر من 6 ملايين طن من تفل القهوة المستعمل سنويًا. يحتوي هذا التفل على حوالي 15% من الليبيدات (الدهون)، بالإضافة إلى السليلوز والهيميسليلوز واللجنين، والتي يمكن تحويلها إلى منتجات أخرى. هذا المزيج يجعل النفايات جذابة للمصافي الحيوية، حيث يمكن الحصول على عدة منتجات من مادة خام واحدة.
قام فريق جامعة روفيرا إي فيرجيلي بفحص تأثير درجة الحرارة، ووقت الاستخلاص، ونسبة المذيب إلى التفل الجاف. واستخدم الباحثون مذيب «n-hexane»، وهو مذيب شائع لاستخلاص الدهون، في 27 تركيبة مختلفة، مع تكرار كل اختبار، مما أسفر عن 54 ملاحظة. تم الحصول على التفل الجاف من كافتيريا الجامعة واحتوى على حبوب البن «Coffea arabica» المحمصة. وتم تجفيف المادة وغربلتها للحصول على جزيئات أصغر من 500 ميكرومتر وتحضيرها للتحليل.
وصرحت ماجدالينا كونستانتي، إحدى مؤلفات الدراسة، قائلة: «لقد وجدنا أن الظروف المثلى هي عند 45 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة بنسبة 35 مليلترًا من الهكسان لكل جرام من البقايا الجافة». في ظل هذه الظروف، استردت العملية الدفعية حوالي 90% من الزيت الذي يتم الحصول عليه عادةً عبر استخلاص سوكسليت (Soxhlet). وقد استخدم استخلاص سوكسليت كمعيار لأنه يوفر عوائد عالية وقابلة للتكرار، ولكنه يتطلب ارتجاعًا مستمرًا للمذيب، وأوقات معالجة طويلة، واستهلاكًا عاليًا للطاقة. في المقابل، وصلت الطريقة المحسّنة إلى نتائجها في ساعة واحدة، بينما استغرق استخلاص سوكسليت 24 ساعة، وأنتج عائدًا من الزيت الخام بلغ 16.6% من التفل الجاف.
كان لدرجة الحرارة التأثير الأقوى على الاسترداد؛ حيث ارتفع العائد مع ارتفاع درجة حرارة العملية من 25 درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية. أصبح المذيب الأكثر دفئًا أقل لزوجة، وتحركت جزيئات الزيت بسهولة أكبر عبر مادة القهوة المسامية. ومع ذلك، لم تؤدِ درجات الحرارة القريبة من نقطة غليان الهكسان البالغة 68.7 درجة مئوية إلى تحسين النتيجة. بل ضعف العائد، خاصة خلال فترات تشغيل بلغت 90 دقيقة، وربط الفريق هذا الانخفاض بعدم التوافق المتزايد بين المذيب وزيوت القهوة الرئيسية. اتبع الوقت نمطًا مشابهًا؛ فقد تحسن الاسترداد حتى 60 دقيقة، ثم استقر أو انخفض قليلاً، حيث بدا أن النظام يصل إلى حالة التوازن خلال الساعة الأولى.
وكان لنسبة المذيب أيضًا حدودها؛ فكمية قليلة جدًا من الهكسان أصبحت مشبعة بسرعة، بينما الكمية الزائدة لم تنتج زيادة مقابلة. وقد حققت نسبة 35 مليلترًا لكل جرام أفضل توازن. وميّزت جودة الزيت العملية المحسّنة عن المعيار بشكل أكثر وضوحًا، حيث أن 0.3% فقط من المستخلص كان يتكون من شوائب لم تتحول إلى إسترات ميثيل الأحماض الدهنية. في المقابل، احتوى مستخلص سوكسليت على 3.9% من الشوائب.
بقيت الأحماض الدهنية الرئيسية مستقرة عبر الظروف المختبرة. شكل حمض اللينوليك حوالي 44% من التركيبة، بينما شكل حمض البالمتيك حوالي 35%. وساهم حمض الأوليك بحوالي 8%، وحمض الستيريك بحوالي 7%. أظهر هذا الاتساق أن العوائد المنخفضة في درجات الحرارة المرتفعة لم تنتج عن تلف حراري للأحماض الدهنية الرئيسية. أنتجت الظروف الأكثر شدة زيادة متواضعة في المواد غير المحددة، وصلت إلى 1.7%. يعد مزيج الأحماض الدهنية مهمًا أيضًا لإنتاج الوقود، حيث تؤثر هذه المركبات على خصائص الديزل الحيوي مثل جودة الاشتعال، ومقاومة الأكسدة، والسلوك في درجات الحرارة المنخفضة.
لم يؤدِ استخلاص الزيت إلى تجريد التفل من فائدته المتبقية. فقد احتوت المادة الجافة الأصلية على 8.8% سليلوز، و30.9% هيميسليلوز، و17.9% لجنين. وكان محتوى الرماد فيها 6.2%. وأشار فرانسيسك ميدينا، الباحث في قسم الهندسة الكيميائية الذي شارك في البحث، إلى أنه: «في دراستنا، نوضح أيضًا أن استخلاص الزيت لا يعني أن بقية المادة لا يمكن استخدامها لشيء آخر». حافظت المعالجة المحسّنة على السليلوز والهيميسليلوز، كما تركت المادة الصلبة بتركيز لجنين أعلى من 20%، وهو أعلى من المستويات المقاسة بعد معالجات سوكسليت أو الموجات فوق الصوتية الأكثر شدة.
يعد هذا الحفاظ أمرًا أساسيًا للمصافي الحيوية المتسلسلة، حيث يمكن أن تمنع الدهون المذيبات والمحفزات من الوصول إلى السكريات واللجنين داخل المادة النباتية. وبالتالي، يعمل إزالة الزيت كمعالجة مسبقة دون تغيير كبير في هيكل المادة. يمكن أن يدعم تفل القهوة منزوع الدهن إنتاج الإيثانول الحيوي، وحمض اللاكتيك، ومتعددات الهيدروكسي ألكانوات. ويمكن أن يوفر جزء اللجنين أيضًا سلائف لوقود الطيران المستدام أو المركبات الفينولية.
قارن الفريق الطريقة الدفعية بالاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية والميكروويف. استردت الموجات الدقيقة 12.5% من الزيت في خمس دقائق و14.7% بعد 20 دقيقة. ووصلت الموجات فوق الصوتية إلى 12.5% في 15 دقيقة و14.3% بعد 30 دقيقة. وقد سرّعت كلتا الطريقتين المراحل المبكرة، ثم تباطأت مكاسبهما مع تحول العملية من نقل الكتلة السريع نحو التوازن. ومع ذلك، لم تقدم أي منهما فائدة كافية من حيث نقاء الزيت، أو الكفاءة الكلية، أو الطلب على الطاقة، أو قابلية التوسع. كما أنتجت كلتا الطريقتين مواد غير زيتية أكثر من العملية الدفعية المحسّنة. ووجد المؤلفون أن التكثيف الإضافي لم يكن مبررًا على الرغم من أوقات الاستخلاص الأقصر.
يتراكم تفل القهوة المستعمل غالبًا في مدافن النفايات، حيث يمكن أن يؤدي تحلله إلى إطلاق غاز الميثان. ويمكن أن يؤدي استخدامه كمادة خام إلى استعادة القيمة من تيار النفايات المنتج بكميات كبيرة. تخلق الطريقة المحسّنة ناتجين مفيدين؛ فهي تنتج زيتًا أنظف غنيًا بالأحماض الدهنية المناسبة للديزل الحيوي، ثم تترك مصفوفة نباتية محفوظة لمزيد من التحويل. يمكن أن يساعد هذا النهج في خفض تكاليف المواد الخام لوقود الجيل الثاني، الذي لا يعتمد على المحاصيل الصالحة للأكل. وقد يكون ذا صلة بالنقل الثقيل والطيران، حيث تظل أنواع الوقود المتجددة عالية الكثافة للطاقة مهمة.
من خلال الحفاظ على العملية معتدلة، يوفر هذا العمل للمصافي الحيوية المستقبلية نافذة تشغيل أكثر وضوحًا. والنتيجة ليست مجرد استرداد فعال للزيت، بل هي مسار لاستخدام المزيد من كل تفل قهوة قبل التخلص من أي شيء.
نتائج البحث متاحة عبر الإنترنت في مجلة «Biomass and Bioenergy». المصدر: The Brighter Side of News