الهيدروجين من فضلات الطعام.. خطوة جديدة نحو الصناعة منخفضة الكربون

تمكن باحثون من استبدال الهيدروجين المستخرج من الوقود الأحفوري في واحدة من أكثر التفاعلات الكيميائية استخدامًا في الصناعة، من خلال إنتاج الغاز مباشرة من الخبز المهدر باستخدام البكتيريا الحية.

تفاعل الهيدروجين بالخبز

في دورق مختوم، تغذت البكتيريا على السكريات المستخرجة من الخبز المهدر وأطلقت الهيدروجين أثناء نموها في غياب الأكسجين.

أظهر البروفسور Stephen Wallace من جامعة Edinburgh أن الغاز المنتج داخل الخلايا الحية كان كافيًا لتشغيل تفاعل الهدرجة في نفس الوعاء، دون الحاجة لاستيراد هيدروجين مضغوط من مصانع الوقود الأحفوري، وعند درجة حرارة قريبة من الغرفة.

الدراسة منشورة في مجلة Nature Chemistry، هذا الإعداد المغلق يلغي الحاجة لنقل الهيدروجين تحت ضغط عالٍ، ولكنه يطرح أسئلة حول إمكانية دمج هذه الأنظمة الحية في المفاعلات الصناعية الكبيرة.

دور الهيدروجين في الصناعة

تساعد الهدرجة في المصانع على تحويل الزيوت، ومكونات الأدوية، والبلاستيك إلى منتجات قابلة للاستخدام عن طريق إضافة الهيدروجين إلى الروابط الثنائية في الجزيئات، غالبًا باستخدام محفزات معدنية.

قال Wallace “الهدرجة جزء أساسي من التصنيع الحديث، لكنها تعتمد تقريبًا بالكامل على الهيدروجين المستخرج من الوقود الأحفوري”.

الاختناق بفعل الهيدروجين الأحفوري

في 2023، أصدرت الوكالة الدولية للطاقة تقريرًا يشير إلى أن إنتاج الهيدروجين العالمي أدى إلى انبعاث نحو مليار طن من ثاني أكسيد الكربون.

إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي أو الفحم يطلق الكربون قبل بدء أي مصنع في الهدرجة، كما تضيف تكلفة نقل الهيدروجين المضغوط وتشغيل المفاعلات عالية الضغط مخاطر إضافية.

استبدال هذا الهيدروجين الأحفوري بالغاز المنتج ميكروبيًا داخل المفاعل يقلل الخطوات السابقة، رغم أن المصانع الكبيرة تحتاج إلى مراقبة دقيقة.

إنتاج الهيدروجين بواسطة الميكروبات

في غياب الأكسجين، تتحول بعض الميكروبات إلى التخمر، مستخرجة الطاقة من السكر وتطلق الهيدروجين كناتج ثانوي.

في تجارب إدنبرة، نمت سلالة قياسية من Escherichia coli على سكريات الخبز وأنتجت الهيدروجين داخل وعاء مختوم، مما سمح بإجراء تفاعل الهدرجة عند درجة حرارة الغرفة بدلاً من الحرارة الصناعية المعتادة.

البالاديوم يلتقي بالخلايا

وضعت كمية صغيرة من معدن البالاديوم على سطح البكتيريا، حيث يساعد على انقسام جزيئات الهيدروجين وتفاعلها مع الأهداف الكيميائية القريبة، الصور المجهرية أظهرت أن المحفز يلتصق بغشاء الخلية، موفرًا مساحة عمل للتحويل الكيميائي دون وقف نمو البكتيريا.

منتجات من فتات الخبز

استُخدمت هذه الطريقة لتعديل عدة مواد كيميائية، منها كيتون التوت المستخدم في المنكهات، ومواد لصناعة النايلون، موضحة إمكانية دعم المواد التخصصية والجملة.

الخبز المهدر كمادة أولية

يعالج الباحثون الخبز المهدر كمصدر للسكر بدلًا من التخلص منه في المدافن أو الحرق.

تكسّر الإنزيمات الخبز القديم إلى سكريات بسيطة تأكلها البكتيريا بسهولة، مما يقلل الحاجة لمعدات معالجة متخصصة، في المملكة المتحدة، يُهدر نحو مليون طن من الخبز سنويًا، ما يوفر مادة أولية كبيرة.

احتساب الكربون

أظهر تقييم دورة الحياة أن استبدال الهيدروجين الأحفوري بالهيدروجين الميكروبي قد يجعل العملية سلبية الكربون، أي إزالة غازات أكثر مما يُضاف، مع تقليل الطاقة المستخدمة وانتشار الكربون في البيئة.

التوسع بدون الوقود الأحفوري

لتحويل التجربة إلى الصناعة، يحتاج الأمر إلى مفاعلات مستمرة، وتغذية مستقرة، وعوائد متوقعة، ستختبر التجارب القادمة ميكروبات وظروف جديدة بهدف إزالة محفز البالاديوم وجعل التفاعل كاملًا حيويًا.

قال Wallace “إنتاج الهيدروجين بواسطة الميكروبات يفتح آفاقًا جديدة لتصنيع مستدام على نطاق واسع”.