وفي السنوات الأخيرة، كثفت الحركة العالمية من أجل الاستدامة البحث عن مواد يمكن أن تحل محل البلاستيك التقليدي دون المساس بالأداء أو القدرة على تحمل التكاليف، وتمثل الجيل القادم من المواد الوسيطة للطاقة الأحيائية نهجاً تحويلياً لمعالجة التلوث البلاستيكي والحد من الاعتماد على الموارد الأحفورية المحدودة، وخلافاً لما يتنافس في كثير من الأحيان مع المحاصيل الغذائية أو يُظهر في خواص أقل حجماً، فإن هذه المواد الزراعية المتقدمة تُثبِّت محاصيل عضوية متنوعة.

Understanding Bioenergy Feedstocks

والمواد الوسيطة للطاقة الأحيائية هي مواد عضوية ناضجة أو مجمَّعة خصيصاً لتحويلها إلى طاقة وقود ومنتجات بيولوجية، وهي قابلة للتجديد بطبيعتها، حيث يمكن إعادة زراعةها أو تجديدها في إطار زمني قصير نسبياً، وفي سياق البلاستيك الأحيائي، توفر المواد الوسيطة جزيئات غنية بالكربون اللازمة لبناء سلاسل البوليمر، والتحول من أحجار الأساس القائمة على النفط إلى أحواض مستهلكة للكتلة أحادية.

وتصنف المواد الغذائية عادة إلى ثلاثة أنواع رئيسية: المخلفات الزراعية (مثلاً، رصيف الذرة، وكراطة القمح، وأكياس قصب السكر)، ومحاصيل الطاقة المخصصة (مثلاً، المتحولون، المظلة، البوبان، القار) والكتلة الأحيائية للنفايات (مثلاً، النفايات الغذائية، والنفايات الصلبة البلدية، وإنتاجية المواد الوسيطة من المواد الحرجية).

لماذا المواد الكيميائية الحيوية للمركبات الحيوية؟

وقد اعتمد العديد من الجيل الأول من الجيل الحيوي )مثل حمض البوليتك، ودليل تحليل الأداء( على المحاصيل الغذائية مثل الذرة والسكر، وفي حين أن هذه المحاصيل تشكل مصادر فعالة للسكر القابل للخصم، فإن استخدامها يثير القلق بشأن التنافس على استخدام الأراضي، وتقلب أسعار الأغذية، وانبعاثات غازات الدفيئة غير المباشرة، فعمل الجيل القادم من البلاستيك على إعطاء الأولوية للكتلة الأحيائية غير الغذائية ومجاري النفايات.

التقدم المحرز في التنمية الوبائية

وقد عجلت جهود البحث التي بذلت خلال العقد الماضي في تطوير البلاستيك الأحيائي الذي يمكن أن يضاهي أداء البلاستيك التقليدي القائم على النفط أو يتجاوزه، وتعالج الجيل القادم من البلاستيك الأحيائي عدة قيود تصيب الصيغ السابقة، بما في ذلك ضعف القوة الميكانيكية، وتدني درجة تحمُّل الحرارة، وارتفاع تكاليف الإنتاج.

تحسين الممتلكات المادية

وقد أسفرت تركيبات جديدة من البوليمرات وتقنيات المعالجة عن تكاثر البوليمرات الأحيائية مع تعزيز القوة والمرونة والاستقرار الحراري، فعلى سبيل المثال، يمكن الآن تصميم البوليهيدروكيالاكات التي تنتج عن التخمير البكتيري، بحيث تظهر مجموعة واسعة من السلوكيات الميكانيكية - من التراكم الحراري الجامد إلى الازدهار - عن طريق تعديل التركيبة الاحتكارية.

الإنتاج الضار بالتكاليف

ومن العقبات الرئيسية التي تعترض سبيل المطاط الحيوي القدرة التنافسية من حيث التكلفة، ومن خلال استخدام المواد الوسيطة المنخفضة التكلفة للنفايات - مثل مخلفات الذرة، أو أكياس السكر، أو حتى المنتجات العضوية المختلطة، يمكن أن تقلل من نفقات المواد الخام، وبالإضافة إلى ذلك، زادت أوجه التقدم في التخمير والتحلل الهيدروليكي الانزيائي من غلة التحويل وانخفاض الاحتياجات من الطاقة، ودمج إنتاج الخلايا الأحيائية المتعددة الفلزات مع الهياكل الأساسية القائمة للوقود الأحيائي (مثل).

التحلل البيولوجي وإمكانية الترجُّع

أما الشواغل البيئية المتعلقة بالنفايات البلاستيكية فقد دفعت الطلب على المواد التي يمكن أن تتحلل أحيائياً في البيئات المدارة أو الطبيعية، وتصمم الجيل التالي من البلاستيكات الأحيائية مع بيانات التدهور الخاضعة للرقابة، وبعضها مثل الهيدروجينات المتعددة الفينة، يمكن أن يتحول في جوهره إلى مادة قابلة للتحلل الأحيائي في التربة والأوضاع البحرية، وتتحول إلى ثاني أكسيد الكربون، كما يمكن أن تكون مواد أخرى قابلة للتعقيدات المعدلة حسب الظروف الصناعية.

مسارات رئيسية للتغذية في الجينات القادمة

ويؤثر اختيار المواد الوسيطة تأثيراً كبيراً على استدامة البوليسترات الأحيائية وجدواها الاقتصادية، ويُستعان في ذلك بالمسارات الرئيسية التي يجري استكشافها.

الأرياف الزراعية

كما أن المخلفات الزراعية مثل مغسلة الذرة، وقشرة القمح، وأكياس الأرز، وأكياس قصب السكر، وفرة، منخفضة التكلفة، ولا تتنافس مباشرة مع إنتاج الأغذية، وهي تحتوي على خزائن، وحمضات من الكبريت، وحامض من الكبريت، ويمكن أن تُكسر إلى السكر والمركبات الهوائية.

مجمّعات الطاقة المخصصة

وتنمو الأعشاب التي تدوم كل سنة (المستنقعات، والمخاط) والأشجار السريعة النمو (الزجاج، والزجاج) تحديداً لإنتاج الكتلة الأحيائية، وهذه المحاصيل توفر غلة عالية لكل هكتار مع متطلبات منخفضة من المدخلات (السيل، والماء، والمبيدات)، ويمكن زراعة هذه المحاصيل على الأراضي الهامشية التي لا تناسب المحاصيل الغذائية، مما يقلل من الضغط على التربة في نطاق واسع.

Waste Biomass and Algae

ويمكن أيضاً اعتبار النفايات الصلبة البلدية، والنفايات الغذائية، ومخلفات الغابات موارد قيمة، كما يمكن أن ينتج الهضم الجوي للنفايات العضوية أحماض سمينة متفجرة تستخدم كسلائف لإنتاج ثاني أكسيد الكربون، كما أن الغاز، وتعدد الميكروالغايات، وكمية الغازات، يمكن أن تكون مزايا فريدة: إذ يمكن أن تنمو في المياه المالحة أو المياه المستعملة، وأن تكون لها كفاءة عالية في إنتاج الفلفونات، وأن تتراكم كميات كبيرة من الكربوهيود.

التقدم التكنولوجي في الإنتاج الأحيائي

ويتطلب توسيع نطاق الجيل القادم من الجيل الحيوي تجديدا مستمرا في مجال التجهيز البيولوجي والهندسة الكيميائية، وتشمل التطورات التكنولوجية البارزة ما يلي:

  • Consolidated bio processing (CBP): ] Combining enzyme production, saccharification, and fermentation in a single step using engineered microorganisms. CBP reduces capital costs and simplifies operations, making it particularly attractive for cellulosic feedstocks.
  • Synthetic biology and metabolic engineering:] Microbes are being engineered to produce biopolymers directly from complex biomass hydrolysates, to increase yields, and to expand the range of monomers accessible. Examples include engineered ]E coli and [FL
  • Chemocatalytic conversion:] Catalytic processes can convert biomass‐derived sugars and lignin into building blocks such as furandicarboxylic acid (FDCA), which is used to produce polyethylene furanoate (PEF) - a high —perperperperformance bioplasticance developed to PET. Routes
  • (ب) دمج التراكم البيولوجي: ] Co —production of bioplastics along biofuels, bioenergy, and bioproducts in a biorefinery improves overall economics and resource efficiency. For example, a cellulosic ethanol plant can divert a portion of its sugar stream to PHA production, using waste heat and power from the ethanol process.

المنافع البيئية والاقتصادية

وتظهر دراسات تقييم دورة الحياة باستمرار أن الجيل القادم من الجيل الحيوي يوفر تخفيضات كبيرة في انبعاثات غازات الدفيئة مقارنة باللدائن التقليدية - التي غالبا ما تبلغ ٥٠-٨٠ في المائة حسب مسار المواد الوسيطة والإنتاج، وعندما تستخدم مخلفات النفايات، تتضخم الفوائد بسبب أن الكربون في الكتلة الأحيائية قد تم مؤخراً تثبيته من الغلاف الجوي، ولا يوجد تغير إضافي في استخدام الأراضي.

ومن الناحية الاقتصادية، يخلق قطاع البلازما الحيوية أسواقا جديدة للمخلفات الزراعية ومحاصيل الطاقة، مما يوفر تدفقات إضافية من الإيرادات للمزارعين والمجتمعات الريفية، ووفقا لـ أوروبية من البلاستيك الأحيائي ، يتوقع أن تنمو القدرة الإنتاجية العالمية للزراعة الأحيائية من حوالي 2.2 مليون طن في عام 2022 إلى أكثر من 6.3 مليون طن في عام 2027، ويقودها إلى حد كبير الطلب على التعبئة.

وعلاوة على ذلك، فإن الجيل التالي من الجيل الحيوي يتوافق مع مبادئ الاقتصاد الدائري، ويمكن إعادة تدويرها آلياً أو كيميائياً أو تركيبها أو حفرها بطريقة غير مباشرة لاستعادة الطاقة والمغذيات، كما أن تطوير مسارات إعادة التدوير المتوافقة ومعايير الوسم يجري حالياً، مع مبادرات مثل رابطة أجهزة إعادة التدوير البلاستيكية [[FLT:plT:1].

التحديات التي تواجه التغلب على التحديات

وعلى الرغم من الوعد، يجب التصدي للعديد من التحديات قبل أن تتمكن الجيليات الأحيائية القادمة من التنافس على نطاق عالمي.

التحديات التقنية

وهناك مواد وسيطة كثيرة، ولا سيما الكتلة الأحيائية الكثيفة، تُعدّ منعزلة إلى الانهيار، إذ يُطلب من أساليب المعالجة المسبقة الفعالة والميسورة التكلفة أن تُطلق السكر القابل للخصوبة دون أن تُنتج منتجات ثانوية مُثبطة، كما أن ارتفاع تكلفة الأنزيمات (الفولوز، والهيمولولات الفوقية) يظل عائقاً، وإن كان إعادة تدوير الأنزيمات وتطوير أنزيمات الأكثر قوة يقلل من التكاليف، بالإضافة إلى ذلك.

التحديات الاقتصادية والتصاعدية

ولا تزال تكاليف إنتاج الجيل القادم من البلاستيك الأحيائي أعلى من تكاليف البلاستيك القائم على النفط في معظم التطبيقات، ويمكن أن تكون تكلفة جمع المواد الوسيطة والنقل والتجهيز المسبق كبيرة، ولا سيما بالنسبة للمخلفات الزراعية المنخفضة الكثافة، ولم تتحقق وفورات الحجم بعد بالكامل؛ ومعظم النباتات البتروكيميائية أصغر من نظيراتها البتروكيميائية، كما أن البدائل في أسعار النفط يمكن أن تقوض القدرة التنافسية للولايات القائمة على الإنتاج البيولوجي.

نهاية الحياة

وفي حين أن العديد من الجيل القادم من الجيل الحيوي مصمم بحيث يكون قابلاً للتحلل الأحيائي، فإن النظم القائمة لإدارة النفايات تُستخدم إلى حد كبير للبلاستيك التقليدي، ويمكن للفرز السليم أن يلوث مسارات إعادة التدوير، وهناك حاجة إلى وضع علامات واضحة، وتعليم المستهلك، والاستثمار في البنية التحتية للتشبيك والحفر الهوائي، وتحتاج بعض البلاستيكات الحيوية إلى ظروف للتفكك الصناعي (التاريخ، والرطوبة، والبيئة المجهرية).

التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية

ومن الأولويات تطوير البوليسترات الحيوية " المتطورة " ، وهي متطابقة كيميائياً مع البوليميرات الموجودة )مثلاً، البوليثيلين الحيوي، الببليولوجي - الببليروبيلين( ويمكن تجهيزها في الآلات القائمة وإعادة تدويرها بصورة تقليدية، كما أن هناك حدوداً أخرى تتمثل في استحداث أصناف جديدة من النفط ذات الحساسية ذاتياً.

ويواصل البيولوجيا التركيبية توسيع مجموعة أدوات الكائنات المجهرية والأنزيمات القادرة على تحويل المواد الوسيطة المتنوعة إلى أحاديث وبوليمرات مرغوب فيها، وقد أدت عمليات الانجاز الأخيرة في تحرير الجينوم المستند إلى النظام المركزي لبحوث المناخ إلى تسريع وتيرة التنمية، وفي الوقت نفسه، فإن التقدم في الكيمياء التحفيزية يتيح التحول المباشر للكتلة الأحيائية إلى احتكارات دون تخمير، ويقل تعقيد العمليات واستخدام المياه.

كما أن استراتيجية الاقتصاد البيولوجي للاتحاد الأوروبي والتوجيه المتعلق بالبلاستيك الوحيد المستعمل يشجعان على استبدال البلاستيك التقليدي ببدائل ذات طابع بيولوجي ومحللة أحيائياً، وتغذي التزامات الشركات المتعلقة بالانبعاثات والحياد البلاستيكي الصافي الطلب على المواد الأحيائية المصدقة القائمة على التكاثر، وفقاً لتقرير عام 2023 مقدم من Nature Biotechnology.

ومن الأهمية بمكان أن يتغلب التعاون بين أصحاب المصلحة - المزارعون، وموردو المواد الوسيطة، ومهندسون التجهيزات البيولوجية، وعلماء البوليمر، ومالكو العلامات التجارية، ومنتجو الدراجات، وواضعو السياسات - على العقبات المتبقية، كما أن قواعد البيانات المفتوحة باب الوصول إلى البيانات الخاصة بالوكالة، وخرائط توافر المواد الوسيطة، ووضع المعايير التكنولوجية - يمكن أن تساعد على توجيه عملية صنع القرار.

وفي الختام، فإن الجيل القادم من الجيل الحيوي المستمد من المواد الوسيطة للطاقة الأحيائية يوفر مسارا واقعيا ومؤثرا للحد من البصمة البيئية للبلاستيك، إذ أن استخدام الكتلة الحيوية غير الغذائية والنفايات وتحسين الممتلكات المادية، والمواءمة مع مبادئ الاقتصاد الدائري، فإن هذه المواد تعالج كل من جانبي الموارد والنفايات في المشكلة البلاستيكية، وفي حين أن التحديات المتعلقة بالمناظر الطبيعية التقنية والاقتصادية والبنى التحتية لا تزال قائمة، فإن سرعة الابتكار والالتزام المتزايد بالبرمجيات المجتمعية بالاستدامة تشير إلى أن