كيف أن (بيبولمر) يتغيّر مستقبل المنسوجات المستدامة

وتشهد صناعة المنسوجات العالمية، التي تعتمد اعتماداً طويلاً على المواد الكثيفة الموارد ونماذج الإنتاج السطرية، تحولاً أساسياً، إذ إن طلب المستهلكين على المنتجات الصديقة للبيئة، مقروناً بتشديد الأنظمة البيئية، قد عجل البحث عن بدائل مستدامة، ومن بين أكثر الابتكارات واعدة، الألياف المصغرة التي تستمد من مصادر بيولوجية متجددة والتي تتيح إمكانية استبدال الألياف الصناعية التقليدية مع الحد من الضرر البيئي.

ما هو الفيبر المُحتسبة بـ(بيوبوليمر)؟

والألياف القائمة على البوليمرات الأحيائية هي ألياف أو ألياف منسوجة مصنوعة من البوليمرات المنتجة من الكائنات الحية، ويمكن استخراج هذه البوليمرات مباشرة من الكتلة الأحيائية (مثلاً، الخلايا من لب الخشب)، أو النسيج من أحادي المولدات الحية (مثلاً، الأحماض المتعددة التكتيكات من النجمة الذرة الخصبية)، أو التي تنتجها الكائنات المجهرية.

وتشمل الأنواع المشتركة من البوليمرات الأحيائية المستخدمة في إنتاج الألياف ما يلي:

• Polylactic acid (PLA):] Made from fermented plant starches, PLA is one of the most widely used biopolymers for fibers. It is thermoplastic, melt-spinnable, and compostable in industrial facilities.
• الألياف القائمة على السيلولوز: ] Regenerated cellulose fibers such as Lyocell, Modal, and Viscose are derived from wood pulp. While many are considered semi-synthetic, newer closed-loop processes make them more sustainable.
• Chitosan:] Extracted from chitin found in shellfish exoskeletons, chitosan fibers are antimicrobial, biodegradable, and used in medical and filtration textiles.
• Polyhydroxyalkanoates (PHA):] Produced by bacterial fermentation of sugars or oils, PHA fibers are fully biodegradable in marine and soil environments.
• Alginate:] Derived from Brown algae, alginate fibers are used primarily in medical dressings due to their gel-forming and biocompatible properties.

مزايا المرافئ البوليمرية بشأن المواد التقليدية

وترتكز الحالة البيئية للألياف البوليمرية على عدة فوائد رئيسية تعالج أسوأ آثار صناعة المنسوجات: استنفاد الموارد، وتراكم النفايات، وانبعاثات الكربون.

تخفيض مخططات كربون الكربون

وينتج إنتاج ألياف البوليمرات الأحيائية عموماً أقل غازات الدفيئة مقارنة بالأجهزة الاصطناعية القائمة على النفط، وعلى سبيل المثال، فإن إنتاج الفلاحين يُنتج أقل من ثاني أكسيد الكربون بنسبة 50 في المائة تقريباً من البوليستر التقليدي، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أن الكربون في البوليمر ينشأ عن ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي الذي تُحدده النباتات أثناء النمو، كما أن العديد من عمليات البوليمرات الحيوية تعمل في درجات حرارة أقل، مما يقل استهلاك الطاقة.

باء - القابلية للتحلل البيولوجي وخيارات نهاية العمر

وعلى عكس البوليستر أو النيلون أو الأكليلية - التي تستمر في مدافن القمامة والمحيطات لقرون - يمكن أن تتحلل بيولوجياً في ظروف السماد الصناعي أو في البيئات الطبيعية (مثل التربة والبحرية) - وهذا السمة يعالج مباشرة أزمة التلوث المتناهي الصغري، غير أنه من المهم ملاحظة أن التحلل الأحيائي يتوقف على بيئة البوليمر والتصريف المحددة؛ وليس على جميع المنضويات.

المواد الخام المتجددة

وتستمد الألياف البوليمية من موارد سريعة التجدّد مثل الذرة أو قصب السكر أو لب الخشب أو الطحالب، مما يقلل من الاعتماد على احتياطيات الوقود الأحفوري المحدودة ويدعم الاقتصادات الزراعية، ويمكن لبعض المواد الوسيطة أن تكون منتجات ثانوية لإنتاج الأغذية أو الورق، وتفادي التنافس مع المحاصيل الغذائية.

التوافق البيولوجي والسلامة

والكثير من البوليميين الحيويين غير سمي، وناقصي، ومتوافق مع الأنسجة البشرية، مما يجعلهم مثاليين للمنسوجات الطبية - بما في ذلك ملابس الجروح، والثوبات الجراحية، والملابس الجلدية الحساسية، وخلافا لبعض الألياف الاصطناعية التي قد تُخلِّف مواد كيميائية، فإن البوليمرات الأحيائية غالبا ما تكون خالية من البسكوينول ألف، والفول.

إمكانية العلمانية

وعندما يقترن ذلك بالهياكل الأساسية السليمة للجمع والفرز، يمكن إعادة تدوير الألياف البوليمرية من جديد أو كيميائياً إلى ألياف جديدة أو منتجات أخرى، كما أن تطوير نظم مغلقة مثل عملية الليوكل التي تسترد المذيبات - الجلد يقلل من المياه والنفايات الكيميائية.

Key Biopolymer Fiber Types and Production Processes

ويتطلب فهم تنوع الألياف البوليمرية دراسة كيفية صنعها وممتلكاتها المادية المحددة، ويعرض كل نوع من هذه الأنواع مبادلات فريدة بين الأداء والتكلفة والأثر البيئي.

شركة Polylactic Acid (PLA) Fibers

ويجمع بين الفينول الخماسي الكلور من حمض التكتيك الذي يتم الحصول عليه عن طريق تخمير الكربوهيدرات مثل شحم الذرة أو السكر أو الكاسافا، ويستخدم البلمر في مواقع مدمجة أو مذيبة أو غير قابلة للاشتعال، مع وجود نقاط انحدار أقل )حوالي ١٧٠ درجة مئوية(.

Regenerated Cellulose Fibers (Lyocell, Modal, Viscose)

() البوليمر الطبيعي الأكثر وفرة على الأرض، بينما تنتج ألياف الخلايا المتجددة عن طريق حل لب الخشب وتفريغه عن طريق السبانينيتس، ومن بين هذه التكنولوجيات Lyocell (الاسم الغامض Tencel) التي تتيح إنتاجها المغلق الذي يستعيد نسبة 99.5 في المائة من المواد التقليدية المذيبة.

شيتوان فيبر

ويتم الحصول على شيتوسان عن طريق إزالة السخان من قذائف القشرة، ويتم حل البوليم الأحيائي في حمض الخلايا الخلية الرطبة إلى الألياف، حيث أن شيتوسان هو متعدد القشرة والمضادة، مما يجعله ثميناً بالنسبة للطلاء، والمسدسات الجراحية، والمنسوجات التي تتحكم في رائحة الفم، ويتوقف إنتاجه على إنتاج مجرى مضاف من مجرى النفايات.

Polyhydroxyalkanoates (PHA)

فشركة PHA هي أسرة من البوليسترات تنتجها البكتيريا كمستودع للطاقة، إذ تغذي البكتيريا بالبكتريا بمجموعات فرعية غنية بالكربون (مثل زيت النبات العادم والسكر) وتتراكم في الخلايا، ثم تستخرج وتُستقطب وتُصهر، وتُعتبر الألياف قابلة للتحلل الأحيائي حقاً في كل من التربة والبيئات البحرية التي تخلق حاجزاً في غضون 6-12 شهراً.

Alginate and Other Seaweed-Based Fibers

وتستخرج المجينات من الحبيبات البحرية البنية وتجهز في ألياف حلب المياه التي تشكل خلايا عند الاتصال بإخراج الجروح، وتُستخدم هذه الألياف حصرا في الملابس الطبية، حيث تُقدر ملاءمتها البيولوجية وخواصها التخثرية، وتُزيل الزراعة البحرية أيضاً الكربون ولا تتطلب مياهاً جديدة أو سماداً، مما يجعلها مغذية مستدامة بشكل استثنائي.

تطبيقات الصناعات عبر الحدود

وتنتقل الألياف البوليمية إلى ما وراء الأسواق المتخصصة وإلى منتجات المنسوجات الرئيسية، وتسمح خصائصها الفريدة بالتطبيقات عبر قطاعات متنوعة.

ألبسة وملابس

وتُدرج علامات الأزياء الرئيسية ألياف البوليمرات البيولوجية في مجموعاتها، ويُستخدم ليوكول (تينسل) على نطاق واسع في أشكال النكران والقميص والثوب من أجل اللينة والقدرة على السحب، وتظهر ألياف القانون المحلي في كتل الأحذية النشطة، بينما تُسوَّق الأفران المعالجة بالديوكسينات كقياس مضاد للاختراع ومضادات للد.

المنسوجات المنزلية والأثاث

وتصبح المناشف والأوراق والارتفاعات التي تُصنع من ليوكول ومودال شائعة في مجال إدارة التنفّس والرطوبة، كما أن الألياف البوليمية تستخدم في مكونات الفرشات والستارات، وتعرض تخلف اللهب الطبيعي في بعض الحالات، كما أن استخدام جيش تحرير السودان في استخدام محركات غير منظّمة في الحدائق المنزلية والصيدلة الأرضية يُظهر إمكانية وجود حواجز زرقاء يمكن تدّها البيولوجياً.

المنسوجات الطبية والصحية

:: تصفية الألياف البوليمية في التطبيقات الطبية - تؤدي الملابس المغنوية والدوائرية إلى تحسين الجراح عن طريق الحفاظ على بيئة رطبة وتوفير نشاط مضاد للدم، كما تستخدم الفلاحين وقسم الفين في البوليسترات الجراحية القابلة للتكرار، وتضع الأقنعة المحتوية على النسيج، وتخفض القدرة على المنافسة الأحيائية لهذه المواد من خطر التعرض للردات النسيجية الضارة، وتزيل حاجتها البيولوجية.

المنسوجات الصناعية والتقنية

وفي مجال التعبئة والزراعة والتغليف، تحل الألياف البوليمية محل الاصطناعيات التقليدية، ويمكن استخدام الألياف الملوّثة في تذويب الهواء والمياه، كما أن المطاطات المحتوية على الطين والمتحللة من الفلفل أو PHA تساعد على الحد من النفايات البلاستيكية في الزراعة، كما أن تطبيقات التغليف والأكياس المضغية والمواد المشعّبة من الألياف البولية توفر حلولاسيرية.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من وعدهم، تواجه الألياف البوليمرية عدة عقبات تحول دون اعتمادها على نطاق واسع، ومن الضروري أن تتصدى هذه التحديات لكي تحقق التكنولوجيا إمكاناتها الكاملة.

التكلفة والقابلية للتسويق

ولا تزال تكاليف الإنتاج بالنسبة لمعظم البوليمرات البيولوجية أعلى من الاصطناعية التقليدية، إذ إن جيش تحرير السودان، وهو أكثر عناصرها كفاءة من حيث التكلفة، يكلف عادة أكثر من بوليستر بنسبة تتراوح بين 20 و40 في المائة، كما أن فرع الشؤون الإنسانية وشركة شيتوسان أكثر تكلفة بسبب الاستخراج المعقد وانخفاض العائدات، ويحتاج التوسع في عمليات التخمير والاستخراج إلى استثمارات رأسمالية كبيرة وتطوير الهياكل الأساسية، كما أن وفورات الحجم آخذة في التحسن تدريجيا، ولكن تعادل الأسعار مع السنوات الأحفورية.

الحدود الميكانيكية والحرارية

وهناك العديد من الألياف البوليمية الأحيائية التي تقل فيها معدلات الذوبان وتخفض من القابلية للذوبان مقارنة ببوليستر أو نايلون، ومن ذلك مثلاً أن التهاون عند درجة حرارة 170 درجة مئوية، والحد من استخدامها في التطبيقات العالية الحرارة، وتحتاج إلى حد متأن، وبعض البوليمرات الأحيائية أكثر رشوة أو عرضة للتحلل الهيدرولي في ظروف الرطبة، والارتباط مع أليافات الأخرى أو إضافة عوامل حسابية يمكن أن تحسن الأداء.

Land and Resource Competition

وتحتاج المواد الوسيطة للثدييات مثل الذرة والسكر إلى الأراضي الصالحة للزراعة، والمياه، والأسمدة - الموارد التي يمكن استخدامها في إنتاج الأغذية، بينما تستخدم بعض الشركات المنتجات الثانوية الزراعية (مثلاً، مصيد الذرة، أكياس السكر) أو المحاصيل غير الغذائية (مثل البامبو، والألمان)، فإن الحجم المطلوب للحصول على شهادات المنشأ من الخشب يمكن أن يُستخدم.

بنية أساسية نهاية العمر

ولا تعود قابلية التحلل الأحيائي بالفائدة إلا إذا تم التخلص من المنتجات بطريقة صحيحة، إذ لم تُنشر بعد مرافق التبريد الصناعي، ولا تتدهور معظم البوليمرات الأحيائية بشكل فعال في صناديق المقار المنزلية أو في ظروف دفن النفايات، وفي بعض الحالات، يمكن للألياف القابلة للتحلل الأحيائي أن تلوث مسارات إعادة التدوير التقليدية إذا لم تُفرز بشكل سليم، كما أن الحملات التعليمية وتحسين وضع العلامات، إلى جانب الاستثمار في المكبسات وثبات الهوائية، هي ثغرات الهياكل الأساسية اللازمة.

الأداء في الاستخدام

وينتظر المستهلكون من المنسوجات أن تصمد في الغسيل المتكرر، والتعرض لضوء الشمس، والملابس الميكانيكية، وقد انخفضت أحياناً أجيال مبكرة من الألياف البوليمرية البيولوجية إلى مستويات قصيرة أو تخسر شكلاً أو تهب، وتحسن التركيبات الجديدة والانتهاء من الأداء، ولكن الفجوة مع الألياف التقليدية لا تزال قائمة، فعلى سبيل المثال، فإن مقاومة الآلات الفوقية الخافتة التي تستهلك في الهواء، تحد من استخدامها في الهواء الطلق، وبعض الألياف المتجدد من جديد.

التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية

ويتطور المشهد الألياف البوليمية الأحيائية بسرعة، مدفوعاً بالابتكارات في التكنولوجيا الحيوية، وعلوم المواد، والتفكير في الاقتصاد الدائري، وهناك اتجاهات عديدة ترسم العقد المقبل من المنسوجات المستدامة.

Novel Biopolymers from Renewable Feedstocks

وفيما عدا قانون المساعدة القانونية والزنزانة، يقوم الباحثون بتطوير الألياف من mycelium] (الهيكل الجذري للفطر) التي يمكن أن تنمو إلى مواد شبيهة بالجلد دون زراعة حيوانية. ] Spider silk proteins تنتج عن طريق التركيز الكيميائي المنخفض.

تصميم المناهج وإعادة تدوير المواد الكيميائية

كما أن التصميم من أجل نهاية الحياة أصبح مبدأ أساسيا، ويمكن لعمليات إعادة تدوير المواد الكيميائية الجديدة أن تتحول إلى احتكارات، مما يتيح إعادة الاستخدام النهائي دون فقدان الجودة، كما أن عمليات الحرق المغلقة تؤدي بالفعل إلى إعادة تدوير المذيبات والمياه، كما أن تطوير تكنولوجيات الفرز ذات الكفاءة العالية - مثل المطياف القريب من الحمراء والعلامات المائية الرقمية -

النفايات

إن استخدام نفايات الصناعة الزراعية والغذائية كمواد وسيطة لإنتاج البوليمرات الأحيائية هو استراتيجية قوية للحد من المنافسة على الأراضي، أما الغطاس (المطاردات الذرة) وأكشاك الأرز، وأكياس قصب السكر، بل وحتى أراض البن المستنفدة، فيمكن تحويلها إلى سُكُل للتخمير، وهذا النهج لا يقلل من التكاليف فحسب، بل يضيف قيمة إلى تدفقات النفايات التي ستحترق أو تُرشّب.

سائقو السياسات والأسواق

وتؤثر الأنظمة التي تحظر البلاستيك المفرد والميكروبات على قطاع المنسوجات، وتزيد خطة عمل الاتحاد الأوروبي للاقتصاد العلماني والتصميم الإلكتروني المقترح لتنظيم المنتجات المستدامة من حيث أن المنسوجات ستكون قابلة للتصليح وإعادة التدوير، وتخلق هذه السياسات سحبا سوقيا للألياف البوليمية التي يمكن أن تفي بهذه المعايير، كما أن المبادرات الطوعية مثل ميثاق صناعة الوقود من أجل العمل في مجال المناخ ستدفع أيضا إلى زيادة الضرائب على أسعار المنتجات.

التسويق والتصنيع

ويتسارع الإنتاج الكبير من ألياف البوليمرات الأحيائية، إذ تقدر قيمة السوق العالمية للألياف البوليمية بحوالي 1.5 بليون دولار في عام 2023، ومن المتوقع أن تنمو في قاعدة بيانات السلع الأساسية بنسبة 10-12 في المائة حتى عام 2030، ومن بين المنتجين الرئيسيين التكاثر (Lyocell/Tencel)، والزيارات الطبيعية، وثنائيات الإنتاج الضاربة (PHA) باستخدام الأسمدة الاصطناعية.

خاتمة

وتمثل الألياف القائمة على البوليمرات مساراً قابلاً للتطبيق ومتزايداً من الضروري نحو صناعة منسوجة مستدامة، وباستبدال المواد التي تزرع من النباتات والبكتيريا والطحالب التي يربط فيها الاقتصاد العالمي المستخرج بالكربون، ويزيل التلوث المتشدد المتناثر على الميكروبات، ويخلق منتجات آمنة للمستهلكين والبيئة، ولا توجد في الوقت نفسه ثغرات في تصميمات وقيم وعي المستهلكين والهياكل الأساسية.

For further reading on the environmental impact of textiles, see the Ellen MacArthur Foundation on a new textiles economy. details on PLA fiber production and properties are available from ]NatureWorks]. Insights into novel biopolymers from alga