کشف راهی ساده برای تبدیل پسماند قهوه به سوخت

به گزارش خبرگزاری آنا به نقل از «ساینس‌دیلی» (ScienceDaily)؛ یافته‌های این پژوهش که در نشریه «بیومس اند بیوانرجی» (Biomass and Bioenergy) منتشر شده است، ظرفیت استفاده‌نشده تفاله قهوه را برجسته می‌کند؛ پسماندی که سالانه در مقادیر بسیار زیاد در سراسر جهان تولید می‌شود. تولید جهانی دانه قهوه سالانه به حدود ۱۰ میلیون تن می‌رسد، اما تنها بخش کوچکی از مواد تشکیل‌دهنده این دانه‌ها وارد نوشیدنی دم‌شده می‌شود. بخش زیادی از باقی‌مانده آن‌ها به‌صورت پسماند جامد دور ریخته می‌شود. این تفاله‌های باقی‌مانده حدود ۱۵ درصد چربی یا لیپید دارند که می‌توان از آن‌ها به‌عنوان ماده اولیه برای تولید بیودیزل استفاده کرد.

یافتن روشی کارآمدتر برای استخراج روغن از تفاله قهوه

پژوهشگران برای تعیین بهترین روش بازیابی این روغن‌های ارزشمند، سه عامل را بررسی کردند: دمای استخراج، مدت‌زمان فرایند و مقدار حلال مصرفی در مقایسه با میزان تفاله قهوه.

«خورخه اف. رومرو»، «آلبرتو تامپیِری»، «دانیل مونتانه»، «ماگدالنا کونستانتی» و« فرانسیسک مدینا» از گروه مهندسی شیمی دانشگاه روویرا ویرجیلی در این پژوهش از «نرمال هگزان» استفاده کردند؛ حلالی که به‌طور گسترده برای جداسازی چربی‌ها از سایر مواد به کار می‌رود. این گروه با انجام مجموعه‌ای از آزمایش‌های طراحی‌شده با دقت، ارزیابی کردند که تغییر دما، زمان استخراج و مقدار حلال، به‌صورت جداگانه و در ترکیب با یکدیگر، چه تأثیری بر نتایج می‌گذارند.

«ماگدالنا کونستانتی»، یکی از نویسندگان این پژوهش، توضیح می‌دهد: «ما دریافتیم که شرایط بهینه، دمای ۴۵ درجه سانتی‌گراد به مدت ۶۰ دقیقه و با نسبت ۳۵ میلی‌لیتر هگزان به ازای هر گرم ماده خشک باقی‌مانده است».

پژوهشگران در این شرایط توانستند حدود ۹۰ درصد از مقدار روغنی را بازیابی کنند که با روش سوکسله قابل استخراج بود؛ روشی استاندارد در آزمایشگاه که به بازده بالای استخراج شهرت دارد. اگرچه روش سوکسله مؤثر است، معمولا زمان بیشتری می‌برد، انرژی بیشتری مصرف می‌کند و برای عملیات صنعتی در مقیاس بزرگ کاربردی نیست.

روش جدید همچنین روغنی به‌مراتب خالص‌تر تولید کرد. در روش استخراج بهینه‌شده، میزان ناخالصی روغن تنها ۰.۳ درصد بود، درحالی‌که این میزان در روش سوکسله به ۳.۹ درصد می‌رسید. تجزیه‌وتحلیل شیمیایی نشان داد که ترکیب اسیدهای چرب روغن در شرایط آزمایشی مختلف ثابت باقی می‌ماند و اسیدهای لینولئیک و پالمیتیک بیشترین سهم را در این ترکیب داشتند. این ترکیب، ظرفیت استفاده از روغن به‌عنوان ماده اولیه در تولید بیودیزل را تأیید می‌کند.

پسماند قهوه می‌تواند محصولاتی فراتر از بیودیزل تولید کند

بازیابی روغن تنها بخشی از ظرفیت این پسماند است. دانشمندان همچنین می‌خواستند اطمینان حاصل کنند که استخراج چربی‌ها به مواد باقی‌مانده قهوه آسیب نمی‌زند؛ موادی که حاوی ترکیباتی هستند و می‌توان از آن‌ها برای تولید سوخت‌ها و مواد شیمیایی دیگر استفاده کرد.

«فرانسیسک مدینا»، پژوهشگر گروه مهندسی شیمی که در این تحقیق مشارکت داشته است، می‌گوید: «در پژوهش خود همچنین نشان می‌دهیم که استخراج روغن به این معنا نیست که نتوان از باقی‌مانده مواد برای کاربرد دیگری استفاده کرد».

یکی از اهداف اصلی این پژوهش، حفظ اجزای ساختاری تفاله باقی‌مانده قهوه بود که در مجموع «ماتریس لیگنوسلولزی» نامیده می‌شوند. این ماده از سلولز، همی‌سلولز و لیگنین تشکیل شده است؛ ترکیباتی که می‌توان آن‌ها را برای تولید محصولاتی مانند زیواتانول، اسید لاکتیک، پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها، ترکیبات فنولی و مواد اولیه مورد استفاده در تولید سوخت‌های پایدار هوانوردی فرآوری کرد.

حذف روغن حتی ممکن است فرآوری مواد باقی‌مانده را آسان‌تر کند. چربی‌ها می‌توانند لایه‌ای مانع ایجاد کنند که اجازه نمی‌دهد حلال‌ها و کاتالیزگرها به سایر اجزای مفید موجود در مواد گیاهی دسترسی پیدا کنند. پژوهشگران با استخراج روغن‌ها، بدون آنکه ساختار اصلی مواد را به میزان قابل‌توجهی تغییر دهند، باقی‌مانده‌ای ایجاد کردند که برای فرآوری‌های بعدی مناسب‌تر است.

به این ترتیب، این روش دو هدف را دنبال می‌کند: از یک سو، منبعی بالقوه ارزشمند از مواد اولیه تولید بیودیزل را بازیابی می‌کند و از سوی دیگر، زیست‌توده باقی‌مانده را برای تبدیل به محصولات دیگر آماده می‌سازد.

رویکردی ساده‌تر برای تولید سوخت زیستی پایدار

این گروه همچنین بررسی کرد که آیا روش‌های پیشرفته‌تر استخراج می‌توانند نتایج بهتری به همراه داشته باشند یا خیر. از جمله این روش‌ها، تکنیک‌هایی بودند که برای تسریع بازیابی روغن از امواج فراصوت یا امواج مایکروویو استفاده می‌کنند.

اگرچه هر دو روش جایگزین می‌توانند مراحل اولیه استخراج را سرعت ببخشند، هیچ‌یک بهبود کلی به‌اندازه کافی قابل‌توجهی ارائه نکردند. هنگامی که پژوهشگران خلوص روغن، بازده استخراج، میزان انرژی موردنیاز و امکان افزایش تولید در مقیاس صنعتی را در نظر گرفتند، فرایند متداول نوبتی با استفاده از نرمال هگزان در شرایط دمایی متوسط، به‌عنوان گزینه‌ای متعادل‌تر مطرح شد.

این ترکیب از کارآمدی و کاربردپذیری می‌تواند این روش را برای استفاده در پالایشگاه‌های زیستی مناسب کند؛ تأسیساتی که برای تبدیل مواد زیستی به سوخت، مواد شیمیایی و محصولات دیگر طراحی شده‌اند.

این پژوهش همچنین از هدف گسترده‌تر ایجاد اقتصاد چرخشی حمایت می‌کند؛ اقتصادی که در آن، موادی که در غیر این صورت دور ریخته می‌شوند، دوباره مورد استفاده قرار می‌گیرند تا ارزش بیشتری ایجاد کنند. این رویکرد به‌ویژه در شرایطی اهمیت دارد که صنایع به دنبال جایگزین‌هایی برای سوخت‌های تجدیدپذیر در بخش‌هایی هستند که برقی‌سازی آن‌ها دشوار است؛ از جمله حمل‌ونقل سنگین.

دانشمندان با یافتن راه‌هایی برای استفاده هم‌زمان از روغن استخراج‌شده و تفاله باقی‌مانده قهوه، امیدوارند ضمن کاهش پسماند، دامنه مواد اولیه در دسترس برای تولید سوخت‌های پایدار را نیز گسترش دهند.

«دانیل مونتانه»، یکی دیگر از پژوهشگران مشارکت‌کننده در این مطالعه، هدف این تحقیق را چنین توضیح می‌دهد: «تبدیل پسماندی که معمولا استفاده چندانی از آن نمی‌شود به حامل‌های مختلف انرژی و محصولات شیمیایی زیست‌پایه و کاهش اثرات زیست‌محیطی ناشی از انباشت آن».

یافته‌ها نشان می‌دهند که تفاله‌های دورریخته‌شده قهوه ممکن است در نهایت به ماده اولیه مهمی برای تولید سوخت‌های تجدیدپذیر و سایر مواد ارزشمند تبدیل شوند و پسماندی آشنا و روزمره را به منبعی با کاربردهای صنعتی متعدد بدل کنند.