ربما سمعت مؤخرًا عن اتجاه العالم إلى الكتلة الحيوية بمعالجتِها في إنتاج الطاقة ومنتجات قابلة للتحلل، وذلك للحفاظ على البيئة من التلوث، واستبدال المركبات القائمة على البترول (مصدر غير متجدد)، بالإضافة إلى المركبات الغير قابلة للتحلل المسببة في اختناق وموت كثير من الكائنات الحية في البيئة.
يمكن استخدامها في مجالات مختلفة في حياتنا، مثل منتجات الطب الحيوي، والمواد النانوية المركبة، والمنسوجات، وغيرها.
فهلمّ بنا لنتعرف على الكتلة الحيوية، وممّ تتكون، وتطبيقاتها، وأخرى.
دعنا نتعرف أولًا على مركب الليجنوسليلوز (Lignocellulose)
بوليمر حيوي متوفّر كأكبر كتلة حيوية على الأرض، وعُرف بأنه بديل متجدد للوقود الحيوي والكيماويات، يحتوي على مواد عضوية يرجع أصلُها إلى النباتات، التي تحتوي على أكبر كمية من المواد الكربونية والغذائية المستدامة اللازمة لإنتاج المواد الكيميائية الحيوية، والإيثانول، والوقود الحيوي.
ويوجد العديد من الإنزيمات القادرة على تحلله لمواد أبسط مثل إنزيمات السليوليز (cellulases)، والهيميسليوليز (hemicellulases)، والليجنينيز (ligninases).
تركيب الليجنوسليلوز (Lignocellulose)
يتكون جدار الخلية من ثلاثة مكونات رئيسية، وتختلف نسب تلك المكونات حسب مصدر الليجنوسليلوز:
1- الليجنين (lignin)
يمثل 20 – 25% من وزن كتلة الليجنوسليلوز، حيث يربط المكونين الآخرين، وبالتالي المسئول عن الصلابة والقوة الضاغطة ومقاومة التحلل للخلية النباتية.
2- الهيميسليلوز (hemicellulose)
يمثل 20 – 35%، ويترابط مع ألياف السليلوز بروابط هيدروجينية وتفاعلات فاندرفالز (Van der Waal’s interactions)، وأيضًا يترابط مع اللجنين.
أشهر أنواعه هما الزيلان (xylans) في الخشب الصلب، والغلوكومانان (glucomannans) في الخشب اللين.
3- السليلوز (cellulose)
المكون الرئيسي في الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية، يحتوي على عدة روابط هيدروجينية قوية، التي تؤدي إلى الصلابة والقوة وعدم قابليتها للذوبان في الماء، ومقاومة عالية لمعظم المذيبات العضوية في جدار الخلية النباتية.
أمّا بالنسبة إلى الجزيئات النانوسليلوزية
تتكون من الألياف الطبيعية المستخلصة من السليلوز، ولكن حجمها يتراوح بشكل عام على أقل من 100 نانومتر في القطر، وعدة ميكرومترات في الطول.
وتُستخرج بالتحلل المائي الحمضي والمعالجة الإنزيمية والتفكك الميكانيكي وبعض الطرق الأُخرى.
ويمكن تصنيفها إلى ثلاثة أنواع؛ بللوري، وليفي، وبكتيري، وتتشابه في التركيب الكيميائي، إلا أنها تختلف في شكل وحجم الجسيمات والتبلور وبعض الخصائص؛ بسبب اختلاف المصادر وطرق الاستخراج.
- النوع البلوري:
يُستخرج عن طريق التحلّل الحمضي، عصوية الشكل، أو على شكل شعيرات بقطر 2 – 20 نانومتر، وطول 100 – 500 نانومتر. - النوع الليفي:
يُستخلص بطرق ميكانيكية، وهي أشكال ليفية طويلة بقطر 1 – 100 نانومتر، وطول 500 – 2000 نانومتر. - النوع البكتيري:
ينتج من تراكم الوزن الجزيئي المنخفض للسكريات بواسطة البكتيريا بشكل رئيسي لبضعة أيام حتى أسبوعين، وتأخذ شكل شرائط ملتوية بقطر 20 – 100 نانومتر وأطوال ميكرومتر مع مساحة كبيرة لكل وحدة.
ومميزاتها:
تكبير مساحة السطح، وتكلفتها البسيطة، وزنها الخفيف، وفرتها، قابليتها للتحلل البيولوجي، مقاومتها الحرارية العالية، انخفاض سُمّيتها، وقوتها الميكانيكية.
التطبيقات
تُستخدم في تصنيع:
- حشوة لترابط البوليمر.
- شفرة المروحية ذات الهيكل عالي القوة.
- الدروع خفيفة الوزن.
- البطاريات المرنة.
- تصنيع الأسطح الكارهة للماء (الحامية للسوائل القطبية وغير القطبية).
- معالجته للورق المُغطي للأسطح مضادة للتآكل، والتنظيف الذاتي مثل الأجهزة الإلكترونية، والخلايا الشمسية، والشاشات المرنة.
- ضمادات الجروح.
- توصيل الدواء إلى الخلايا المستهدفة، وزرع الأنسجة الرخوة، واستبدال الأوعية الدموية.
- مرشح لإزالة أيونات المعادن الثقيلة من مياه الصرف الصحي.
- مكثّف في مستحضرات التجميل.
- الخواص الحرارية:
تتميّز المواد ذات الأساس السليلوزي بسرعة التلف عند درجات الحرارة المنخفضة (حوالي 400ْc أو أقل)، حيث أن البنية البللورية العالية للسليلوز السبب الرئيسي للمقاومة الحرارية (بسبب وجود الرابطة الهيدروجينية).
أثناء استخدام معامل التمدد الحراري المنخفض للجزيئات النانوسليلوزية، يمكن تقليله في حالة قوة الشبكة التي تتكون بين السليلوز والبوليمر.
استخلاص النانوسليلوز من الكتلة الليجنوسليلوزية
إزالة المكونات غير السليلوزية، مثل اللجنين، والهيميسليلوز، والمركبات الأخرى عن طريق المعالجة المسبقة.
ويُستخلص فيه النانوسليلوز من ألياف السليلوز بطرق مختلفة.
ما قبل معالجة الكتلة الحيوية
1- معالجة حمض الكلوريت:
تُزال فيها اللجنين، وتُسمّى أيضًا عملية التبييض.
2- المعالجة القلوية:
وهي تطبيق قلوي لإزالة البوليمر غير المتبلور من الهيميسليلوز وبقية اللجنين.
3- استخلاص النانوسليلوز:
تنقسم طرق الاستخراج الرئيسية إلى ثلاث تقنيات: التحلُّل المائي الحمضي، والتحلُّل المائي الإنزيمي، والعملية الميكانيكية.
وبذلك نكون قد تعرفنا على الكتلة الحيوية، والجزيئات النانوسليلوزية، ماهيتها، ومميزاتها، وتطبيقاتها في مجالات الحياة المختلفة.
كتابة: ندى عبد الرحيم
مراجعة: هدى حلمي
تحرير: شيماء ربيع
