مركبات بيولوجية ملائمة للبيئة لتطبيقات الهياكل الأساسية البحرية

مركبات بيولوجية ملائمة للبيئة لتطبيقات الهياكل الأساسية البحرية

وتمارس الصناعة البحرية نشاطها عند نقطة انطلاق، وتعتمد الولايات التنظيمية والتدقيق العام والتزامات استدامة الشركات على أصحاب المصلحة لتقليل الاعتماد على البلاستيك القائم على النفط، وتُحدد المراكب والبوي ومكونات المنصات البحرية، وتعتمد معدات الصيد منذ وقت طويل على عوامل التصاميم الثابتة التي تُستخدم في مجال المياه الأحيائية، وتُقيِّم المواد التي تُستخدم في إطار التخصيب المياه الأحيائية، والتي تُعدّم في إطارها الموجات المجهرية.

تحديد البوليزيينات الأحيائية في السياق البحري

وتشمل البوليمرات المصنوعة كليا أو جزئيا من مصادر بيولوجية مثل نجم الذرة، والسكر، والسيلولوز، والطحالب، والتخمير الميكروبي، ولا يعني المصطلح تلقائياً التحلل البيولوجي، وبعض البلاستيك المستند إلى البيئة الأحيائية، مثل البوليفيثيلين، متطابقة كيميائياً مع النسخ البتروكيميائية، ومستمرة في البيئة.

لماذا مادة البوبلاسيات لتطبيقات المحيطات

(ب) البلاستيك التقليدي مثل البوليثيلين وبوليبروبيلين لا يحلل أحيائياً في بيئات المحيطات، حيث يُنقّض من الناحية الميكانيكية إلى جسيمات مجهرية ومغنطة تتراكم في الكائنات البحرية وتدخل السلسلة الغذائية.() وتُستهلك المواد الأحيائية القابلة للتحلل الأحيائي، على النقيض، بميكروبات طبيعية، وتحوّل البوليمر إلى كتلة وثاني أكسيد الكربون وبحوثيق.

أهم مزايا البيوما في المستوطنات البحرية

تجديد التعبئة وتخفيضات في مطبوعات الكربون

وتلتقط المركبات الأحيائية المستمدة من النباتات أو البكتيريا ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أثناء مرحلة نموها، مما ينتج عنه أثر كربون أقل بكثير من الرافعة إلى البوابة مقارنة بالبوليمرات القائمة على الأحفورية، وكثيرا ما تبين تقييمات دورة الحياة لحامض البوليتكت وقسم الهيدروكربون أن انبعاثات غازات الدفيئة تتراوح بين 50 و70 في المائة مقارنة ببوليبروبيلين، وبالنسبة لمشاريع التشييد البحرية الرامية إلى برامج الصواريخ غير الكهرومائية، تساعد البتروبلات الحيوية في تحسين مواصفات البيئية.

مقاومة مياه الصرف الصحي والتخفيف من آثاره

وتظهر العديد من التركيبات البدائية مقاومة طبيعية للآثار التآكلية لأيون الكلوريد، مما يقلل من الحاجة إلى طلاءات سامة لمكافحة الارتحال، وتظهر بعض الخلايا الموجودة في الفينة والنجمية معدلات استيعاب المياه أقل من معدلات النيل، مع الحفاظ على القوة الميكانيكية تحت ضغط مطول، ويمكن للكيمياء السطحية للثدييات الحيوية أن تثبط تكاليف صيانة الشواجن الأخرى.

التحلل الأحيائي بدون المطاط الثابت

والمزايا الأساسية للبوليمرات الأحيائية القابلة للتحلل هي قدرتها على التسلل إلى مواد غير مؤذية بدلا من التفتيت في الملوثات غير المنظورة، وزيزيانات سر مايكروبز التي تقطع سلاسل البوليمر، مما يتيح معالجة المواد، وهذا يتناقض تماما مع البلاستيك التقليدي الذي يخترق ببساطة الجسيمات الأصغر حجما، وبالنسبة للتطبيقات التي لا يمكن الاعتماد عليها، مثل أجهزة الاسترجاع المؤقتة.

الأنواع الأحيائية الرئيسية للهياكل البحرية

Polylactic Acid

وينتج هذا البرنامج عن طريق تخمير السكر في النباتات من الذرة أو قصب السكر إلى حمض التكتيك، يليه البوليميرات، وينجح تجاريا في التغليف، وبرمجيات التصفية، وخطيب الطباعة ٣ دال، غير أن عدم وجود أي تغيير في النظام قد يتدهور ببطء في البيئات البحرية لأن تحلل الأوعية المائية للسندات المحتوية على الأسمدة لا يحدث إلا في درجات حرارة مرتفعة.

Polyhydroxyalkanoates

وتتم تجميع هذه المواد بواسطة البكتيريا التي تخزن الكربون كغرانيات متتالية، وتُعترف على نطاق واسع بأن هذه البوليسترات هي أكثر البلاستيكات التي يمكن تحصينها من الناحية البحرية واعداً، لأن العديد من السلاسل المصغرة في سرات المياه البحرية التي تقطع سلاسل مائل من الفولاذ، وتنتج مواد محورة تتراوح بين خطوط متجمدة ورشية ومرنة.

ستارش - باسيد وسيلولوز - بلازمات

ويحدّ من ضعف القوة الميكانيكية وارتفاع حساسية المياه من استخدامها في الهياكل الأساسية، ويحدّ من البوليسترات القابلة للتحلل الأحيائي مثل رباعي البوليبيوتيلين أو PHA من المواد ذات الخصائص المتوازنة.

مركبات الإيبوكسي المحتوية على أساس بيولوجي وطبيعي

ويمكن أن تحل راتنجات الأوكسي الأحيائية المستمدة من الزيوت النباتية محل الأوكسيدات القائمة على النفط في المركبات المجهزة المنفذة بالألياف المستخدمة في هوايات القوارب، والسفن، ورموز التوربينات التي تعمل بالجزر، وعندما تقترن بالألياف الطبيعية مثل الفلفل، أو الجوت، أو البسالت، تقدم هذه المركبات مواد هيكلية ذات طاقة متجددة بالكامل.

بروتين - باسيد وألغال بوليمرز

ويجري التحقيق في بروتين وفول وكتلة أحيائية من الطحالب باعتبارها مواد وسيطة منخفضة التكلفة للبلاستيك القابل للتحلل الأحيائي، ويتمتع البوليمرات الأحيائية في الفلزات بميزة نمو المياه البحرية أو البراكية دون التنافس مع المحاصيل الغذائية، وتفصل البحوث المنشورة في التقارير العلمية استخراج البوليساكريد والبروتينات من الجراثيم التي يمكن معالجتها في تآكل الأفلام والأجزاء المزروعة التي لا تزال تحمل كميات معتدلة.

متطلبات الأداء للبيئات البحرية

القوة الميكانيكية والصلاحية

أما المواد التي تستهدف الرصيفات أو السدود أو أحزمة القوارب أو المنصات البحرية فلا بد أن تتحمل أعباء كبيرة ثابتة ودينامية، وتظهر المطاطيات الأحيائية عادة وجود عدد أقل من الناموسيات والقوة المضغوطة من السواحل البحرية التقليدية أو الألياف، وتشمل الحلول الهندسية تعزيز الألياف، ومراقبة التوجه أثناء التجهيز، والوصلات الكيميائية بين العناصر الثابتة والملحة، وتتوقع وجود سلوكيات طويلة الأجل متراكمة في إطار سلسلة من المواد التراكمة.

تحلل الهيدروليات واستيعاب المياه

ويضع ارتفاع كميات المياه الزائدة في البلاستيك في مصفوفة البوليمر، ويقلل من درجة الحرارة والتحول في الزجاج، مما قد يؤدي إلى التخفف والفشل في مرحلة مبكرة، ويرمي ارتفاع درجات الهيدروكربون المشبع بالفلور، والتراكم البيولوجي إلى إبقاء استيعاب المياه دون 2 في المائة من الوزن للحفاظ على الموثوقية الهيكلية، ويمكن أن تبطئ المعالجة السطحية للهيدرووبيك باستخدام الشمع أو السيليكونات الأحيائية(70).

التحلل فوق البنفسجي والزيادات المحدثة

ويبدأ التعرض للأشعة الشمسية بالتسمم الضوئي والمضغ والتشفير في العديد من البوليمرات، وتحتاج التركيبات البنفسجية إلى مثبتات للأشعة فوق البنفسجية ومخلفات غير سمية ومتوافقة مع النظام الإيكولوجي البحري، كما أن الباحثين يقومون بتطوير م امتصاصات للأشعة فوق البنفسجية المحتوية على الزند، مستخرجة من منتجات ثانوية للضغط الخشبي توفر الاستقرار الفعال في الوقت الذي تبقى فيه قابلة للتحلل الأحيائي.

السلامة من الحرائق والسمية

فالهياكل البحرية يجب أن تستوفي معايير صارمة في مجالات الحرائق والدخان والسمية، ولا سيما بالنسبة لسفن الركاب والمساحات المغلقة، والمركبات الأحيائية قابلة للاشتعال، ولكن متخلفات اللهب الخالية من الهيلوكونات مثل البولي فوسفات الأمونيوم وعوامل الحرق ذات القاعدة البيولوجية يمكن إدماجها، كما أن مدونة قواعد المنظمة البحرية الدولية الخاصة باختبار المواد الكيمائية المحتوية على مواد كيميائية جديدة يجب أن تخضع لضوعية للدخان.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

زراعة الكبريت والزراعة المائية

إن معدات الصيد المفقودة أو المهجورة، المعروفة باسم معدات الشبح، هي مصدر رئيسي للتلوث البلاستيكي البحري، وقد نشرت برامج رائدة في بحر البلطيق شباكا قائمة على أساس الفئتين وتتدهور خلال سنتين إذا فقدت، مقارنة بقرون الناموسيات، وقد وضع مشروع سي بيو الذي يموله الاتحاد الأوروبي شبكات ذات قاعدة بيولوجية تحافظ على كفاءة الصيد مقارنة بالناموسيات التقليدية، بينما يشمل ذلك الدافع النازل المتحكم فيه.

طوابق، وملفات، وهياكل أساسية ساحلية

وقد قامت المراسي الصغيرة بتجربة أسطح عائمة مصنوعة من ألياف خشبية مدوَّنة مختلطة مع مركب PHA، وهذه المراكب التي تحتوي على دورات مطاطية مجمدة وارتطامات مركبتين، وبعد فترة خدمة مدتها خمس سنوات، كان من المقرر أن تُستخدم المواد اللازمة لتثبيت أو حفرة شاطئية، واستكشاف ميناء روتردام باستخدام محركات تآكل بيولوجي مثبتة ومثبتة، إذا لم تُسهم في التلوث.

العناصر الداخلية وغير الهيكلية

وتدمج السفن السياحية والتجارية الكبيرة لوحات قائمة على جيش تحرير السودان في البطانات الجدارية والأثاث وبلاطات السقف، وتستفيد هذه الأجزاء من انخفاض الوزن، والطبيعة غير المسيّئة، والامتثال لمعايير الانبعاثات الداخلية، وأفادت شركة الأسمدة النرويجية Fjord1 بأن خفض الوزن بنسبة 15 في المائة في مكونات أماكن الجلوس عند التحول من جهاز البوليستر المقوى الزجاجي إلى جهاز التحكم في الانبعاثات، مما يسهم في تحقيق وفورات في طول العمر.

التحديات والاعتبارات الاقتصادية

تكاليف الإنتاج وسكالسكالي

وتتراوح أسعار الفينول الخماسي الكلور الحالية بين ٤ و ٨ دولارات لكل كيلوغرام، مقابل ١-٢ دولار لبوليبروبيلين، وتكاليف التخمير العالية وحساب تنقية المجرى المائي للفجوة، ومن المتوقع أن تؤدي النباتات الرائدة التي تستخدم البكتيريا الهالولية التي تزدهر في البيئات الملحية إلى الحد من استهلاك الطاقة والمياه.

الرصيد المتبقي من حيث المدة مقابل التحلل

وقد تبين من هذه الاستراتيجيات التي تتضمن انزيمات مفرغة تنشط على اشارة كيميائية أو سندات هندسية لا تُنشَط إلا بعد أن يكون مُبرمجاً في الماء البحري، أن تقدماً في مجال إزالة التلوث قابلاً للبرمجة، قد أثبت أن تعديل هيكل المعمل الأساسي لفرعية PHA يسمح بتجديد التحلل بدقة.

التوحيد والتوثيق

ويعوق عدم وجود معايير مقبولة على نطاق واسع لأداء التحلل البيولوجي البحري الثقة في السوق، وفي حين يحدد نظام ASTM D6691 و ISO 19679 أساليب الاختبار القائمة على المختبرات، تتباين ظروف البحار الحقيقية، ويكتسب نظام إصدار شهادات تيو في SÜD للبلاستيك القابل للتحلل البيولوجي في البيئات البحرية الاعتراف، ولكن الاعتماد لا يزال محدودا، ويحتاج المهندسون والمهندسون المعماريون إلى صحائف مادية تغطي ارتفاعا طويلة الأجل في المياه المالحة، والاحتفاظ بالمخزونات الميكانيكية.

بنية أساسية نهاية العمر

ولا بد من مرافق التبريد الصناعي أو الهضمات الهوائية لتدهور المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الأحيائي، ولا يمكن قبول التخلص منها في المحيط إلا إذا كانت المادة قابلة للتحلل من الناحية التقنية، ويجب على الموانئ أن تضع نظما لجمع ومعالجة تستهدف العناصر الحيوية الملغومة من الخدمة في التجهيز المناسب، والنهج التعميمي الذي تعاد فيه إعادة تدوير المواد آليا لفترة قبل إعادة تدويرها البيولوجي.

عمليات التصنيع للمكونات البحرية

كما أن أساليب المعالجة الحرارية الموحدة، مثل التغليف بالحقن، والتدمير، والتفريغ الحراري، تنطبق على PLA، و PHA، و BPS، مع تعديلات طفيفة على معدلات الحرارة والرفوف، كما أن العناصر الهيكلية البحرية الكبيرة مثل لوحات الوصل أو الملامح التراكمية، والاختلاط المضغوط، والارتقاء بالفراغ في الطباعة البيولوجية مع الألياف الطبيعية، هي عوامل أكثر عملية.

سائقو الهيئات التنظيمية وقيادة الصناعة

وقد بدأت أدوات السياسة العامة في التبنّي، ومن المرجح أن تُسند إلى المنتجين مسؤولية واسعة النطاق عن معدات الصيد ومعدات تربية الأحياء المائية، مما يجعل البدائل القابلة للتحلل الأحيائي جذابة اقتصادياً، كما أن سلطات الموانئ في سكاندينافيا وأمريكا الشمالية تقدم رسوماً مخفضة على شراء المواد التي تستخدم الموجات البحرية.

المستقبل

نانويكوديسيات بيوبلز

وقد يؤدي دمج المصابين بالنانويولوز أو أكسيد الغرافيني في مصفوفات البوليمر الأحيائي إلى تحسين القوة، وخواص الحاجز، ومكافحة التحلل، وقد أدى وجود مركب نانوي من PHA معزز ب5 في المائة من المواد النانوية من الماء الخلوي إلى زيادة بنسبة 40 في المائة في النادل المتناثري دون تخريب النسيج، مما يجعله ملائماً

علم الأحياء الاصطناعية وبوليمرات المصممين

وتتيح التطورات في الهندسة الأيضية إنتاج الكائنات المجهرية ذات تسلسلات دقيقة للمواد، وتوليد مواد ذات خصائص حرارية وميكانيكية مصممة خصيصاً، وقد صمم الباحثون صنفاً من الفينيل يحتوي على مجموعات من التنويم التي تخفف من حدة التعددية الكربونية مع الاحتفاظ بالقابلية للتحلل الأحيائي البحري، مما يفتح الباب أمام المزروعات الحيوية الهندسية التي يمكن أن تحل محل ارتفاع الأداء الوظيفي في سعة التراكم مثل مضخات الحرارية.

التكامل الاقتصادي

والهدف هو نظام مغلق يتم فيه بناء الهياكل البحرية من المواد البيولوجية، ويستخدم في فترة حياتها المحددة، ثم يعاد تدويرها آليا في منتجات جديدة أو يتم تجهيزها بيولوجيا في المواد الوسيطة للإنتاج الأحيائي، ويمكّن مرافق التصنيع البلاستيكي الأحيائي المزودة بمصانع حفر هوائية في الموانئ الرئيسية من إيجاد حلقات مواد محلية، وقد نشرت مؤسسة نوفا سيناريوهات تلبي احتياجات البنية الأساسية البحرية من حيث يصل الطلب إلى 30 في المائة.

التوقعات المتعلقة بالتبني على نطاق واسع

وتنشأ القدرة التقنية على البقاء في مجال التطبيقات الهيكلية البحرية الملائمة للبيئة من خلال الدراسات المختبرية والنشرات التجارية المبكرة، أما العقبات المتبقية فتتأصل في الاقتصاد والمعايير واللوجستيات بدلا من الكيمياء، وستحدد الجهود التعاونية بين علماء المواد، والمهندسين البحريين، وصانعي السياسات، ومشغلي الموانئ سرعة الانتقال، مع استمرار الاستثمار في تكنولوجيا التخمير، وتجهيز الألياف الطبيعية، والهياكل الأساسية المصممة لنهاية العمر،