ریزجلبک ها به کمک پلی یورتان ها می آیند تا شما بتوانید اسکی کنید!

مزیت استفاده از مواد اولیه گیاهی به جای منابع نفتی در تولید پلی‌یورتان کاملا آشکار است. اما معایبی نیز وجود دارد، از جمله این‌که این مواد با محصولات غذایی برای زمین و سایر منابع رقابت می‌کنند و هم¬چنین شیمی این پلی‌اُل‌ها محدودیت‌هایی نیز دارند.
شرکت زیست‌فناوری آمریکایی Checkerspot رویکردی متفاوت در پیش گرفته است که شامل استفاده از ریزجلبک‌ها برای تولید روغن‌هایی که به طیف گسترده‌ای از پلی‌اُل‌ها با ساختارهای شیمیایی متنوع تبدیل می‌شوند، است. این شرکت هم¬چنین یکی از کاربردهای عملی پلی‌یورتان را توسعه داده است تا قابلیت این پلی‌اُل‌ها را به اثبات برساند، مانند تولید برف پیما.
بنیان‌گذاران این شرکت و سایر اعضای مهم گروه، پیش‌تر در شرکت Solazyme با یکدیگر همکاری داشتند. شرکتی که یک بستر تولید روغن‌های صنعتی را با استفاده از فناوری ریزجلبک‌ها توسعه داده بود. مدیر ارشد علمی و یکی از بنیان‌گذاران شرکت Checkerspot ، در سال ۲۰۱۶ شرکت Solazyme را ترک کرده، اما همچنان مجذوب قابلیت‌های ریزجلبک‌ها به عنوان ریزاندامگان صنعتی قدرتمند بوده است.

زاویه جلبک

پلی‌اُل‌های زیستی معمولا از روغن‌های استخراج شده از دانه‌هایی مانند سویا ساخته می‌شوند، در حالی که ریزجلبک‌های شرکت Checkerspot ، ریزاندامگان‌های تک‌یاخته¬ای هستند که در یک مخزن تخمیر پرورش داده می‌شوند. در آغاز فرایند، آن‌ها هم با شکر و هم با یک منبع نیتروژن خوراک‌دهی می‌شوند. اگر منبع نیتروژن قطع شود در حالی که هنوز شکر موجود باشد، یک پاسخ تنشی آغاز می‌گردد و ریزجلبک‌ها شروع به تولید مقادیر زیادی روغن تری‌گلیسیرید می‌کنند. به گفته مدیر ارشد علمی شرکت Checkerspot، آن‌ها می‌توانند تا ۷۰ الی ۸۰ درصد روغن بر پایه وزن خشک یاخته انباشته کنند. روغن در درون یاخته به دام می¬افتد، مشابه آنچه در یک دانه اتفاق می‌افتد.
همان روشی که برای دانه‌های روغنی استفاده می‌شود، برای استخراج تری‌گلیسیرید از یاخته‌های ریزجلبک نیز به کار می‌رود. پس از این استخراج مکانیکی، روغن پالایش، رنگ‌زدایی و بی‌بو می‌گردد. به گفته وی، شرکت Checkerspot این فرایند را تا حد مخازن تخمیر ۶۲۵۰۰۰ لیتری مقیاس‌دهی کرده است. این مخزن¬ها بسیار بزرگ هستند و یک فرایند صنعتی بسیار پایدار و قابل اطمینان محسوب می‌شود. تخمیر در داخل این واکنش‌گاه بسته به این سویه (strain)، حدود ۱۲۰ ساعت به طول می‌انجامد. هر واکنش‌گاه می‌تواند بین ۹۰ تا ۱۱۰ تن روغن تری‌گلیسیرید تولید کند.
نکته مهم این است که محدودیت‌های مربوط به ساختارهای شیمیایی روغن‌های تولیدشده توسط ریزجلبک‌ها در مقایسه با روغن‌های حاصل از دانه‌ها به مراتب کمتر است و به دلیل سرعت تکثیر یاخته‌ها که تقریبا هر چهار ساعت یکبار دوبرابر می‌شوند، امکان انجام تغییرات ژنتیکی یا استفاده از روش‌های بهبود سویه به روش سنتی برای تغییر ماهیت تری‌گلیسیریدهای تولیدشده توسط یاخته‌ها و همچنین افزایش بهره‌وری فرایند، وجود دارد.
به گفته وی، این شرکت می‌تواند در مدت زمان بسیار کوتاه‌تری در مقایسه با سامانه‌های گیاهی بالاتر مانند کانولا یا سویا، پیشرفت بسیار بیشتری در طراحی این محصولات داشته باشد.
زمینه‌های مختلف فعالیت این شرکت در مکان‌های متفاوتی انجام می‌شود. در مقر اصلی آن در Berkeley در California، تمرکز بر روی یک کارخانه مولکولی برای توسعه و بهبود سویه‌ها است. در آزمایشگاه طراحی واقع در Salt Lake City ، Utah، توسعه فرایندهای تولید و کاربردهای فرمول‌بندی انجام می‌پذیرد.
بخش عمده‌ای از شیمی بسپار این شرکت، با همکاری گروه مرکز پژوهش‌های بسپار Kansas در شهر Pittsburg ایالت Kansas انجام می‌شود و تولید در مقیاس بزرگ نیز در برزیل صورت می‌گیرد.
علاوه بر بهبود عملکرد ریزجلبک‌ها، هدف کارخانه مولکولی، گسترش مجموعه‌ای از تکپارهایی است که این شرکت قادر به تولید آن‌هاست.
نکته مهم این است که فناوری‌های نوین مهندسی ژنتیک، فرایند توسعه سویه را به طور چشم¬گیری تسریع می‌کنند. به گفته مدیر ارشد علمی Checkerspot، آن‌چه که قبلا با روش‌های اصلاح گیاهان ۸ تا ۱۲ سال زمان می‌برد، امروزه تنها در مدت حدود پنج روز قابل انجام است.

شکر، شکر

به گفته مدیر ارشد علمی Checkerspot، این اندامگان با نیتروژن و شکر خوراک‌دهی می¬شود، در ۹۶ قطعه کشت شده و برای بررسی نحوه تولید و تکثیر، مورد آزمایش قرار می¬گیرد. می‌توان حدود ۳۰۰۰ مورد از این آزمون‌ها را در یک هفته انجام داد. بهترین مورد آن‌ها ممکن است نوع دیگری از اصلاحات ژنتیکی را پشت سر بگذارند، یا اگر به حد مطلوب نزدیک باشند، وارد فرایند بهبود سویه به روش سنتی شوند. این شرکت به دنبال بهره‌وری بر حسب گرم در لیتر و بازدهی بر پایه شکر است. پیشینه شرکت برای مهندسی و افزایش مقیاس یک محصول تجاری‌پذیر تا حد ۵۰۰ مترمکعب، حدود پنج ماه است. این یک فرایند فوق‌العاده کارآمد است.
محدودیت افزایش مقیاس این فرایند، صرفا ناشی از دوبرابرشدن زمان چهار ساعته این اندامگان است. به گفته وی، این روند بسیار سریع است. نیازی به تولید دانه یا ایجاد مقدار زیادی از آن برای کشت سال بعد نیست و محدودیت فصلی وجود ندارد. تنها محدودیت، دسترسی به شکر تخمیرپذیر است.
این اندامگان قبلا در مقیاس صنعتی بسیار بزرگ پرورش داده نشده بود، اما اکنون یک بستر فرایند ساخته شده که شامل پنج واکنش‌گاه تخمیر ۶۲۵۰۰۰ لیتری در برزیل است و در آن ریزجلبک‌ها می‌توانند بیش از ۲۰۰ گرم در لیتر روغن تولید کنند. پسماند جامد حاصل از این فرایند، به یک نیروگاه چرخه ترکیبی تغذیه می‌شود که به تامین انرژی کارخانه شکر کمک می‌کند، در حالی که آب‌های پسماند، یا بازیافت شده یا برای آبیاری مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این یک فرایند حلقه بسته واقعا عالی است.

حلقه بسته

استقرار واکنش‌گاه‌های تخمیر صنعتی در مجاورت منبع تامین خوراک شکر، کلید امکان‌پذیری مالی است. به گفته مدیر ارشد علمی Checkerspot، این شرکت با تولیدکنندگان قراردادی در برزیل همکاری می‌کند که در مجاورت یک کارخانه نیشکر واقع شده‌اند. روغن‌های تولیدشده در برزیل سپس به ایالات متحده وارد شده و در آن‌جا فراوری می‌شوند.
شرکت Checkerspot پلی‌یورتان‌های خود را با استفاده از دی‌ایزوسیانات‌ها تولید می‌کند. به گفته وی، یک فرایند پخت به نسبت سریع مورد نیاز است و فناوری‌های شیمیایی غیرایزوسیاناتی می‌توانند محدودکننده باشند. بسته به کاربرد نهایی، از انواع مختلف ایزوسیانات‌ها استفاده می¬شود. MDI (متیلن‌دی‌فنیل‌دی‌ایزوسیانات) و مشتقات آن برای کاربردهای سخت مورد استفاده قرار می‌گیرند.
علاوه بر این، ساختار شیمیایی پلی‌اُل نیز بر ماهیت ماده پلی‌یورتان نهایی تاثیر خواهد گذاشت. وی به دو روش اشاره کرد که با تغییر ساختار پلی‌اُل‌ها می‌توان ماده را به‌صورت سفارشی طراحی نمود؛ امکان مهندسی گروه‌های عامل مانند گروه‌های هیدروکسیل درون مولکول‌ها وجود دارد، هرگونه سیرنشدگی در اسیدهای چرب از طریق اپوکسیده شدن می‌تواند مورد بهره‌برداری قرار گیرد. در هر صورت، تولید پلی‌اُل‌ها با مشخصات فعالیت‌های متفاوت، نسبتا ساده است.
در مقابل، ساختار پلی‌اُل‌های مشتق شده از دانه‌ها بسیار محدودتر است. این پلی‌اُل‌ها دارای طولی معادل ۱۸ کربن هستند و پیوندهای دوگانه فقط در موقعیت‌های ۹، ۱۲ و ۱۵ ظاهر می‌شوند. به عنوان مثال، روغن کرچک دارای یک گروه هیدروکسیل در موقعیت ۱۲ است. این یک دنیای بسیار محدود از تکپارها است. با پلی‌اُل‌های روغن طبیعی، توانایی انجام واکنش‌های شیمیایی بسیار محدود است. به عقیده وی، پلی‌اُل‌های تهیه شده از ریزجلبک‌ها قابلیت بسیار گسترده‌تری در تولید پلی‌یورتان‌ها دارند، هم برای TPUها (پلی‌یورتان‌های گرمانرم، Thermoplastic Polyurethane)، هم برای آمیزه-ها یا لاستیک¬ها می‌باشد. به دلیل توانایی شرکت در طراحی و دستیابی به خلوص بسیار بالا از تکپارهای خاص در روغن، این امر امکان ایجاد خواص متفاوتی را در مقایسه با محصولات حاصل از روغن‌های دانه‌ای سنتی فراهم می‌کند.

ایجاد یک بازار

صرف‌نظر از این‌که موضوع زیست‌پایداری چقدر مهم باشد، این بازار همچنان به قیمت حساس است. به گفته مدیر ارشد علمی Checkerspot، یکی از چالش‌های این حوزه آن است که اگر صرفا در حال تولید تکپارها و فروش آن به شرکت‌های بزرگ شیمیایی باشید، مجبورید بر اساس قیمت رقابت کنید. این چالش به عنوان یک شرکت نوپای کوچک است که شما هنوز یک مقیاس و بازار لازم را ندارید. مشکل اصلی متقاعد کردن شرکا برای انجام کارهای توسعه کاربردها است، زیرا اولین چیزی که آن‌ها بر آن تمرکز می‌کنند، هزینه خواهد بود.
بنابراین شرکت Checkerspot تصمیم گرفت خودش مفهوم را اثبات کند و از همان ابتدا یک نشان تجاری توسعه داد که بتواند با استفاده از تکپارها، موادی تولید کند که مشکلات خاصی را حل می‌کند. مدیر ارشد علمی شرکت بر اهمیت داشتن یک محصول برای نمایش به سرمایه‌گذاران و شرکای بالقوه تاکید کرد. به گفته وی، شرکت در تلاش است تا این فناوری را توسعه دهد؛ چرا که این امر برای شرکت ارزش‌آفرینی می‌کند. این شرکت می¬تواند نشان دهد که با تکپارها و بسپارهای تولیدی خود چه کارهایی می‌تواند انجام دهد و همچنین مشکلاتی را که قادر به حل آن هستند را به نمایش گذارد. یک محصول نهایی به‌طور خاص اگر داده‌های زیادی برای نشان دادن عملکرد آن وجود داشته باشد، از وزن و اعتبار بسیار بالایی برخوردار است.

خارج از مسیر مسابقه

اولین محصولاتی که تحت نشان تجاری Wonder Alpine به بازار عرضه شده‌اند، برف‌پیماهای خارج از مسیر (backcountry ski، به نوعی برف¬پیما گفته می¬شود که در مناطق برف¬گیر طبیعی و خارج از مسیرهای رسمی و کنترل شده استفاده می¬شود، بدان معنا که مسیرها کوبیده یا علامت¬گذاری نشده¬اند، خطراتی چون بهمن، شکاف، تغییر ناگهانی هوا یا برف پایدار نشده وجود دارد، فرد باید خودش مسیر را بالا و پایین برود، مترجم) هستند. این نوع برف‌پیمایی شامل میزان قابل توجهی کوهنوردی می‌باشد و بنابراین سبک‌وزن بودن برف پیما اهمیت بالایی دارد. به گفته وی، شرکت کار زیادی روی اسفنج‌های پرچگالی یا کم¬چگالی انجام داده‌ و برف‌پیمایی طراحی کرده که از یک فرمول‌بندی اسفنج پرچگالی در هسته مرکزی آن استفاده شده است.
اولین محصول با نام Intention 110SKI در ژوئیه 2019 راه‌اندازی شد. این برف‌پیما از هسته جلبکی استفاده می‌کند که یک چندسازه ورقه‌ای عمودی متشکل از پلی‌یورتان زیست‌پایه پرچگالی و چوب است. این شرکت ادعا می‌کند برف‌پیماهایی سبک‌تر از برف‌پیماهای با هسته چوبی قدیمی تولید می‌کند. میزان مواد زیست‌پایه در این پلی‌یورتان 41 درصد است.
اما حتی در زمان راه‌اندازی این برف‌پیماها، آن‌ها در حال بررسی روش‌های دیگر برای استفاده از پلی‌اُل‌های جدید بودند، زیرا برف‌پیماها یک محصول چندماده‌ای هستند. به گفته مدیر ارشد علمی Checkerspot، در ساختار لایه‌ای برف‌پیما، لایه رویی معمولا از جنس نایلون، لایه زیرین از پلی‌اتیلن بسیارپرچگالی، و دیواره کناری معمولا از ABS (اکریلونیتریل‌ بوتادی‌ان استایرن) به علاوه رزین اپوکسی، لاستیک و فولاد تشکیل شده است. یک سال پس از معرفی اولین برف‌پیما، محصول دوم راه‌اندازی شد. در این برف‌پیماها که با نام Vital 100 به بازار عرضه شدند، از پلی‌اُل‌ها برای تولید دیواره کناری پلی‌یورتان به جای ABS نیز استفاده شده است. به گفته وی، هنگامی که خواص فیزیکی پلی‌یورتان‌ها بررسی شد، مشخص گردید که برخلاف ABS، این مواد دارای خاصیت میراکنندگی قابل توجهی هستند که لرزش را کاهش می‌دهد. این ویژگی، راحتی فرد برف‌پیما را بهبود می‌بخشد.

مرکز آزمون

استقرار آزمایشگاه طراحی این شرکت در Salt Lake City، امکان ساخت و آزمایش سریع نمونه‌های اولیه برف‌پیماها را در شیب‌های نزدیک فراهم می‌کند. به گفته وی، شرکت آزمون‌های فیزیکی زیادی روی برف‌پیماها انجام می¬دهد و هرگاه هر تغییری اعمال شود، می‌توان ویژگی‌های خمشی آن‌ها را بررسی کرد. اما کلید اصلی، به‌کارگیری افرادی است که درک عمیقی از برف‌پیما دارند و به سرعت می‌توانند برف‌پیماها را مورد آزمایش قرار دهند.
طرح دیگری که در حال حاضر در دست اجرا است، تکمیل کردن فرایند نساجی است. برای این منظور، این شرکت با شرکت سوئیسی Beyond Surface Technologies و WL Gore همکاری می‌کند. هدف، ایجاد یک فرایند کامل‌کننده نساجی بدون فلوئور است که عملکردی قابل مقایسه با شیمی فلوئوردار ارائه دهد. به گفته وی این یک استاندارد بسیار بالایی است.
این رویکرد برای یک شرکت زیست‌فناوری صنعتی غیرمعمول است که تمرکز اولیه خود را بر روی تجهیزات ورزش‌های فضای باز قرار دهد، اما Checkerspot احساس کرد که کار بر روی چیزی که شخصا به آن علاقه دارد و همچنین جایی که مصرف‌کنندگان نهایی واقعا به آنچه می‌خرند اهمیت می‌دهند، مهم است. مردم ساعت‌ها وقت صرف بررسی دقیق یک برف‌پیما، نحوه ساخت آن و موادی که در آن به کار رفته است، می‌کنند.
این دسته از مصرف‌کنندگان همچنین معمولا نگران مسائل زیست‌پایداری هستند که با اهداف شرکت همسو است. به گفته وی، حدود ۲ کیلوگرم ماده اولیه برای ساخت یک جفت برف‌پیما استفاده می‌شود، اما محصول نهایی ممکن است تنها ۱ کیلوگرم وزن داشته باشد. در نشان تجاری Wonder Alpine، شرکت تلاش بسیار متمرکزی بر روی زیست‌پایداری روغن‌های تری‌گلیسیریدی که به جای فراوده‌های نفتی استفاده می¬شود، می¬نماید. همچنین در حال بررسی راه‌هایی برای استفاده مجدد از محصولات پسماند حاصل از تولید برف‌پیما است.
منبع:
Sarah Houlton, “From cell to slop”, International Urethanes Technology, December 2020/ January 2021, 30 to 32.