Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
תגלית חדשה פורסם: 11 בינואר, 2019

פרקו זאת לגורמים! כיצד מדענים מכינים דלק מצמחים

תַקצִיר

כשאתם נוסעים באוטובוס לבית הספר בבוקר, המסע שלכם ככל הנראה מתודלק על-ידי דיזל או בנזין, שניהם מיוצרים מנפט. נפט הינו דלק מאובנים, מה שאומר שהוא מורכב מיצורים חיים שהתפרקו והתאבנו, כמו למשל צמחים קדמונים, פלנקטון (שם כולל ליצורים זעירים החיים במים) ואצות, אשר נקברו במשך מיליוני שנים מתחת לפני השטח של כדור הארץ.

דלקי מאובנים כמו נפט, גז טבעי ופחם נלקחים ממעמקי כדור הארץ ומשמשים להנעת רכבים, לחימום בתים ולהפקת חשמל. בנפט אפשר להשתמש גם לייצור כימיקלים שונים (הנקראים מוצרים פֶּטְרוֹכימיים,( שמהם מייצרים מוצרים יומיומיים רבּים, כמו מוצרי פלסטיק שונים.

היתרון בדלקי מאובנים הוא שצפיפות האנרגיה שלהם גבוהה מאוד, כלומר הם מכילים כמות גדולה של אנרגיה בכל יחידת נפח. משמעות הדבר היא שדלקי מאובנים הם מוצלחים מאוד בהנעת רכבים ובייצור חום. החיסרון של דלקי מאובנים הוא שבכדור הארץ יש כמות מוגבלת שלהם. מאחר שלדלקי מאובנים לוקח מיליוני שנים להיווצר, אנו בסופו של דבר נסיים את המאגרים הקיימים לפני שיספיקו להיווצר מאגרים חדשים. נוסף על כך, שריפת דלקים מאובנים או כימיקלים מבוססי נפט משחררת פחמן דו-חמצני (פד“ח, ובאנגלית CO2). פד”ח מוכר בתור “גז חממה”, מאחר שהוא כולא את קרני השמש בתוך האטמוספירה של כדור הארץ ובכך מתפקד בדיוק כמו גג הזכוכית של חממה. שריפת דלקי מאובנים מעלה את ריכוזי הפד“ח באטמוספירה, דבר שעשוי להוביל להפרעות במזג האוויר, ובפרט להתחממות גלובלית [1].

בעקבות עליית המוּדעוּת לבעיות האלה, מדענים ומהנדסים עובדים קשה כדי למצוא סוגים חדשים של דלקים וכימיקלים שאינם מוסיפים פד”ח לאטמוספירה, ושאפשר לחדֵּש את אספקתם בעת הצורך. דלקים וכימיקלים אשר עונים על הדרישות האלה נקראים “ברי-קיימא.” בהקשר הסביבתי, חומר הוא בר-קיימא אם אפשר להשתמש בו באופן ממושך, בלי שהוא יאזל ובלי שתהיה לו השפעה כללית שלילית על הסביבה.

דלק ביולוגי (או ביו-דלק) הוא סוג אחד של דלק שנראה מבטיח עבור עתיד האנרגיה שלנו, מאחר שהוא גם מתחדש וגם ידידותי לסביבה. במילים אחרות, דלק ביולוגי הוא בר-קיימא.

דלקים ביולוגיים מיוצרים לרוב מחומרים מן הצומח שבני אדם אינם אוכלים, כמו למשל גבעולי תירס, עשבים ושבבי עץ. בִּיוֹמָסָה הוא שם נוסף לחומרים מן הצומח המשמשים לייצור דלקים ביולוגיים. כאשר ביומסה נקצֶרֶת ומעובדת, מדענים יכולים לפרק את תאי הצמח ולהמירם לדלקים מתחדשים או לכימיקלים. כך, במקום לחכות מיליוני שנים עד שהטבע יהפוך את הצמחים לדלקי מאובנים, מדענים מנסים להאיץ את התהליך הזה באמצעות שימוש חכם בכימיה כדי ליצור דלקים ביולוגיים מצמחים שצומחים כיום.

אבל, רק רגע – אם שריפת דלקי מאובנים, אשר עשויים מחומר אורגני, מכְניסה עוד פד“ח לאטמוספירה... האם שריפת דלקים ביולוגיים אינה יוצרת את אותה הבעיה? למזלנו, התשובה היא לא. שריפת דלק ביולוגי אכן משחררת פד”ח, אולם זיכרו שהצמחים אשר משמשים לייצור דלקים ביולוגיים אינם קדמונים – הם חיים על פני כדור הארץ בימים אלה. צמחים מייצרים את מזונם בעזרת פד“ח, מים ואנרגיית האור. משמעות הדבר היא ששריפת הדלקים הביולוגיים אינה מגדילה את הכמות הכוללת של הפד”ח באטמוספירה, מאחר שכמות הפד“ח שנפלטת בעת השריפה היא אותה הכמות שהצמחים צרכו בעת צמיחתם. כלומר, הצמחים רק משחררים את מה שהם צרכו מלכתחילה. כמו כן, שלא כמו במקרה של נפט, אנו תמיד יכולים לגדל בעת הצורך צמחים חדשים עבור דלקים ביולוגיים.

אם כן, אם דלקים ביולוגיים הם ברי-קיימא וידידותיים לסביבה, הם וודאי הפתרון המושלם לבעיות האנרגיה שלנו, לא כן? לרוע המזל, התהליכים שבהם מדענים משתמשים כדי להפוך את הביומסה לדלק ביולוגי עשויים להיות יקרים מאוד. תגובות כימיות יקרות משמעותן דלקים ומוצרים ביולוגיים יקרים, ומרבית הצרכנים מעדיפים לבחור בבנזין רגיל או בפלסטיק מאשר במוצרים ”ירוקים“ יקרים יותר. נוסף על כך, חלק מהתגובות הכימיות הנדרשות ליצירת דלקים ביולוגיים כוללות כימיקלים חזקים אשר יכולים בעצמם ליצור בעיות סביבתיות, מה שמחזיר אותנו לנקודת ההתחלה ביחס לנושא הקיימוּת [2].

כדי להבין כיצד צמחים מעובדים לדלקים שימושיים ולכימיקלים, עלינו להבין ראשית ממה הצמחים עשויים. דפנות תאי הצמח אחראיות כמעט לכל משקלו של הצמח, והן עשויות משלוש מולקולות מורכבות שנקראות צלולוז, הֶמיצלולוז וליגנין. שתי המולקולות הראשונות, צלולוז והמיצלולוז, מורכבות מיחידות בסיס העשויות מסוכר, אשר אסופות יחדיו במבנה מהודק שנתמך על-ידי המולקולה השלישית – ליגנין (ראו איור 1). כדי להגיע אל יחידות המבנה העשויות מסוכר ולהפיק מהן דלקים ביולוגיים, צריך לפרק את שלוש המולקולות המורכבות האלה.

איור 1 - איור זה מציג את המבנה הבסיסי של רקמות צמחים, החל מרמת העלה (מלמעלה: צמחים בלתי אכילים) ובתקריב אל תוך רמת התא (משמאל: תא צמחי).
  • איור 1 - איור זה מציג את המבנה הבסיסי של רקמות צמחים, החל מרמת העלה (מלמעלה: צמחים בלתי אכילים) ובתקריב אל תוך רמת התא (משמאל: תא צמחי).
  • כפי שאתם יכולים לראות, ברמה התאית מולקולות צלולוז ארוכות (מימין, בכחול) מאורגנות יחדיו בצרורות שמוקפים על-ידי המיצלולוז (מימין, בכתום) וליגנין (מימין, בירוק). המבנה המהודק הזה מסייע ביצירת רקמות צמחיות חזקות ועמידות.

פתרון אפשרי אחד הוא להשתמש במֵמֵס – נוזל בעל תכונות כימיות שמאפשרות לו להמיס חומרים אחרים, כמו צמחים. מרביתנו משתמשים בממסים ביומיום, אפילו שאיננו מודעים לכך. לדוגמה, אתם משתמשים במים כממס בכל פעם שאתם שוטפים את הידיים או מכינים שוקו חם מאבקה.

לעיתים, רק סוג אחד של ממס מסוגל לבצע את העבודה. לדוגמה, מים יכולים להמיס אבקת קקאו בעת הכנת שוקו חם, אולם אינם מסוגלים להסיר לק מהציפורניים – לצורך זה, יש להשתמש בכימיקל שנקרא אצטון.

לרוע המזל, עד לעת האחרונה חוקרי אנרגיה לא הצליחו למצוא ממס שיהיה (א) זול, (ב) בר-קיימא, ו-(ג) יעיל בפירוק צמחים. אולם כעת, גילינו ממס חדש ומעניין מאוד שנקרא גמא-וָלֶרוּלָקטוֹן (gamma-valerolactone, או GVL בקיצור), אשר עשוי להוזיל בהרבה את העלויות ולייעל את ייצור הדלקים הביולוגיים [3]. ה-GVL הוא ממס מעניין כל כך מאחר שלא זו בלבד שהוא זול אלא שהוא גם מתחדש, מפני שהוא מיוצר מהביומסה עצמה.

גילינו שאנו יכולים להשתמש ב-GVL כדי למצוֹת יותר מ-70% מהסוכרים המקוריים שלכודים במבנה הדחוס של הביומסה, במטרה להפיק סוכרים פשוטים אשר קל הרבה יותר להמירם לדלק. התהליך הזה מודגם באיור 2, אשר מראה את התגובה הכימית כפי שהיא מתרחשת בתוך מכשיר ייעודי לייצור דלק ביולוגי שנקרא ”בִּיוֹרֵיאַקְטוֹר.“ ביוריאקטור הוא כּלִי קיבול ממתכת שבתוכו מתרחשות תגובות כימיות בתהליך ייצור הדלק הביולוגי. הביוריאקטור מתוכנן במיוחד כדי לעמוד בתנאי החום והלחץ ובתנאים הכימיים הנדרשים לתהליך העיבוד.

איור 2 - המחשת תהליך ייצור הסוכרים מצמחים, תוך שימוש ב-GVL בתור הממס.
  • איור 2 - המחשת תהליך ייצור הסוכרים מצמחים, תוך שימוש ב-GVL בתור הממס.

שתי תכונות עיקריות של ה-GVL הופכות אותו לממס מצוין עבור מיצוי של סוכר:

(1) GVL מעודד את פעולתן של חומצות.

כדי שתגובה כימית כלשהי תתחיל, על המרכיבים המעורבים (המגיבים) לאגור תחילה מספיק אנרגיה. כמות האנרגיה הקטנה ביותר הדרושה להפעלת תגובה כימית נקראת ”אנרגיית שִׁפְעוּל“ (ראו איור 3). בתגובות שכיחות בתהליך הפקת דלקים ביולוגיים מערבבים הרבה חומצות עם מים כדי לסייע בפירוק הביומסה. תהליך הפירוק עשוי לקחת זמן מה, במיוחד במקרים של צמחים קשים או עֵציים מאוד, אולם הוספת GVL לתגובה מספקת לחומצות דחיפה אנרגטית חזקה. הדחיפה הזו עוזרת למערכת לאגור מהר יותר את אנרגיית השפעול שלה, כך שהתגובה יכולה להתרחש במהירות רבה יותר [45], כפי שמתואר באיור 3.

איור 3 - הגרף הזה מדגים את שלבי ההתפתחות של תגובה כימית.
  • איור 3 - הגרף הזה מדגים את שלבי ההתפתחות של תגובה כימית.
  • ”אנרגיה חופשית“ היא שֵׁם מפואר שמתייחס לכמות האנרגיה הרלוונטית לתגובה הכימית. תהליך התקדמות התגובה מייצג את השלבים שהמגיבים צריכים לעבור כדי להפוך לתוצרים הסופיים. אפשר לראות שבנוכחות GVL קל יותר להגיע לכמות הנדרשת של אנרגיה חופשית, ולכן הריאקציה מתרחשת מהר יותר (קו אדום). Free energy = אנרגיה חופשית = Reaction progress התקדמות התגובה.

כדי להמחיש את התופעה הזו, דמיינו ששתי ילדות, דנה ואיריס, עומדות להתחרוֹת אחת בשנייה בדרך לפסגה של גבעה תלולה. בדרך כלל, שתי הָרָצוֹת נדרשות לעמוד מאחורי קו הזינוק כדי לוודא שהמרוץ הוגן. אולם במרוץ הזה מאפשרים לדנה לקבל יתרון התחלתי: כאשר אות הפתיחה מצלצל דנה מתחילה לרוץ ממחצית הדרך במעלה הגבעה בעוד שאיריס צריכה להתחיל מתחתית הגבעה. מי אתם חושבים שתנצח? צדקתם – דנה תגיע לראש הגבעה לפני איריס. בדיוק באותו האופן שהיתרון ההתחלתי ממקם את דנה קרוב יותר לראש הגבעה בדימוי המרוץ הזה, כך ה-GVL מביא את החומצה קרוב יותר לנקודת הריאקציה עם הביומסה, מה שמאפשר לתגובה להתרחש מהר הרבה.

(2) GVL מסיר את מכשול הליגנין.

עבור צמחים, ליגנין חשוב מאוד: הוא מספק להם את צורתם ואת המבנה שלהם, ומסייע להם לגדול בצורה בריאה וחזקה. אולם עבור מדענים, הליגנין הוא מטרד – הוא מולקולה קשה ועקשנית שקשה מאוד לפרק, והיא מפריעה בתהליך של קבלת סוכרים פשוטים ממולקולות הצלולוז וההמיצלולוז. מדענים מקווים שיום אחד הם יצליחו לפרק את מולקולת הליגנין עצמה ולהפיק ממנה תוצרים מועילים, אולם לעת עתה הם רק שואפים להיפטר ממנה. ל-GVL יש יכולת בלתי שגרתית לפרק ליגנין ולמנוע ממולקולה זו לחסום את הפרס הגדול: אבני הבניין מסוכר, שהן עתירות אנרגיה.

הדבר הטוב ביותר, כנראה, בכימיקל ה-GVL הוא שאפשר למחזר אותו. בסוף תגובת ייצור הדלק הביולוגי אפשר להוסיף לביוריאקטור פד”ח נוזלי ולהפריד בין כל המגיבים כך שהם יהיו בשכבות נוזל שונות (איור 2 מימין). חשבו על בקבוק עם רוטב לסלט: השמן והחומץ אינם מתערבבים זה עם זה והם נשארים מופרדים לחלוטין עד שמנערים את הבקבוק. באותו האופן, כאשר מוסיפים פד“ח לביוריאקטור, ה-GVL ותמיסת הסוכרים הופכים להיות כמו הרוטב לסלט. כל הסוכרים מתרכזים בשכבה אחת (איור 2 מימין), בעוד שה-GVL יוצר שכבה נפרדת משלו. בשלב זה אפשר להסיר בקלות את ה-GVL ולהשתמש בו שוב, בעוד שתמיסת הסוכרים שמתקבלת היא מרוכזת בערך פי חמישה מהתמיסה שהייתה מתקבלת ללא ה-GVL. הריכוז המוגדל הזה הוא חשוב מאוד, מאחר שצריך להשקיע פחות אנרגיה בזיקוק של התוצר הסופי, מה שהופך את כל התהליך ליעיל יותר ופחות בזבזני.

לאחר שה-GVL הוסר מתקבלת תמיסת סוכר מרוכזת ויעילה מאוד. מדענים יכולים להשתמש בתמיסה עתירת האנרגיה הזו בשני אופנים:

  1. הם יכולים לשדרג את הסוכרים באמצעות תגובות כימיות נוספות ולהפוך אותם למולקולות יעילות אחרות, אשר משמשות לייצור פריטים רבים שמיוצרים כיום מכימיקלים מבוססי נפט. משמעות הדבר היא שאפשר לעשות שימוש ב-GVL לשם ייצור חלופות בנות-קיימא לפלסטיק, לסבונים, לצבעים ולהרבה חומרים נפוצים אחרים.
  2. הם יכולים להשתמש בסוכרים האלה כמזון למיקרואורגניזמים, כמו למשל שְׁמָרִים או חיידקים, אשר צורכים את הסוכר בתהליך חילוף החומרים שלהם, ומייצרים דלק כתוצר של התהליך המטאבולי. דוגמה אחת לדלק כזה הוא הדלק הביולוגי אתנול (סוג של אלכוהול): הוא מסוגל להניע מכוניות, משאיות ומכונות אחרות ביעילוּת כמעט זהה לזו של בנזין. לחלק מהמיקרואורגניזמים יש תיאבון גדול במיוחד לסוכרים שמיוצרים מעיבוד של GVL, מאחר שהסוכרים האלה אינם מכילים כימיקלים חזקים שלעיתים קרובות משתמשים בהם בתגובות אחרות לייצור של דלק ביולוגי. כלומר, מיקרואורגניזמים יכולים לא רק לשרוד אלא גם לשגשג עקב צריכת סוכרים שמופקים מ-GVL. משמעות עובדה זו היא ש-GVL מתאים לשימוש גם עבור תגובות ביולוגיות אחרות – לא רק עבור תגובות כימיות. במחקר הזה השתמשנו במיקרואורגניזמים כדי לייצר אתנול, והריכוזים יצאו גבוהים כל כך עד שעלות זיקוק האתנול לצורה של דלק שמיש הייתה נמוכה.

מכל הסיבות שהוזכרו לעיל, שימוש ב-GVL מספק למדענים תקווה ליצירת דלקים ביולוגיים וכימיקלים שיכולים להתחרוֹת במוצרי הנפט שבשוק. במשך מאות שנים בני האדם המציאו טכנולוגיות חדשות ופיתחו את התעשייה בקצב מדהים, לעיתים במחיר סביבתי כבד. לתהליך ייצור של דלק ביולוגי אשר עומד בדרישות של עלות סבירה, התחדשות וקיימוּת, יש פוטנציאל לתרום גם לבני האדם וגם לכדור הארץ. בעקבות גילוי תפקיד ה-GVL בעיבוד של דלקים ביולוגיים אנו מאמינים שהתקדמנו צעד אחד קרוב יותר לעֵבֶר עתיד בר-קיימא.

מילון מונחים

דלק מאובנים (Fossil fuel): דלקי מאובנים נוצרים מתחת לאדמה במשך מיליוני שנים, והם מורכבים מחומר אורגני שמקורו ברקמות של חיות וצמחים קדמונים. דלקי מאובנים כוללים פחם, גז טבעי ונפט. נפט יכול להיות מזוקק לדלקים אחרים, כמו למשל דיזל או בנזין.

התחממות גלובלית (Global warming): כאשר כמות גדולה מדי של גז הפחמן הדו-חמצני (פד”ח, ובאנגלית CO2) נכנסת אל האטמוספירה, הגז יכול לכלוא את קרני השמש בתוך האטמוספירה. תופעה זו נקראת אפקט החממה, והיא עשויה להוביל לעלייה כללית בטמפרטורה של כדור הארץ, תופעה אשר מכֻנָּה התחממות גלובלית.

בר-קיימא (Sustainable): בהקשר הסביבתי, חומר הוא בר-קיימא אם אפשר להשתמש בו באופן ממושך, בלי שהוא יאזל ובלי שתהיה לו השפעה כללית שלילית על הסביבה. לדוגמה, אנרגיה מתחדשת היא בת-קיימא מאחר שאנו יכולים לייצר אותה בלי לגרום נזק משמעותי לסביבה. בקנה מידה גדול יותר, מערכת אקולוגית היא בת-קיימא אם היא יכולה להתקיים לאורך זמן עם רמות סבירוֹת של מגוון ביולוגי, יצרנות ומשאבים.

דלק ביולוגי (Biofuel): סוגים מסוימים של חומרים צמחיים (ראו למטה - ביומסה) יכולים להיות מעובדים לצורה של דלקים נוזליים או גזיים אשר נקראים דלקים ביולוגיים. חלק מהדלקים הביולוגיים יכולים לספק תחליפים מתחדשים לדלקי מאובנים שבהם משתמשים כיום, כמו בנזין.

ביומסה (Biomass): מונח כולל שמתייחס לכל חומר אורגני (הכולל פחמן) שמקורו מחומר חי, כמו למשל צמחים. ביומסה צמחית מיוצרת משלוש מולקולות עיקריות: צלולוז (Cellulose), הֶמיצלולוז (Hemicellulose) וליגנין (Lignin). סוגי ביומסה המשמשים עבור דלקים ביולוגיים כוללים צמחים ופסולת צמחית, כמו למשל עשבים, גבעולי תירס ושבבי עץ.

מֵמֵס (Solvent): בכימיה, ממס הוא נוזל או גז אשר מסוגל להמיס חומר אחר, שנקרא מומס. כאשר מוסיפים ממס למומס מקבלים תערובת שנקראת תמיסה (Solution).

GVL: קיצור של גמא-וָלֶרוּלָקטוֹן (Gamma-valerolactone). זהו כימיקל אשר קל להפיק מצמחים. בניסוי שלנו השתמשנו ב-GVL בתור ממס כדי להמיס צמחים. בעבר השתמשו ב-GVL בתעשיית התרופות וכן בתעשיית הבשמים, מאחר שיש לו ניחוח צמחי מתוק.

תגובה כימית (Chemical reaction): תגובה כימית מתרחשת כאשר האטומים בדגימה כלשהי מסתדרים מחדש, מה שמוביל לשינוי בתכונות הכימיות של הדגימה. תגובה כימית יכולה להתרחש רק מהשלב שבו היא צברה מספיק אנרגיה. כמות האנרגיה המינימלית הזו, שדרושה עבור התחלת התגובה, נקראת אנרגיית שפעול (Activation energy).

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.


מקורות

[1] Tester, J. W. 2005. Sustainable Energy. Cambridge, MA: MIT Press.

[2] Luterbacher, J. S., Martin Alonso, D., and Dumesic, J. A. 2014. Targeted chemical upgrading of lignocellulosic biomass to platform molecules. Green Chem. 16:4816–38. doi: 10.1039/C4GC01160K

[3] Luterbacher, J. S., Rand, J. M., Alonso, D. M., Han, J., Youngquist, J. T., Maravelias, C. T., et al. 2014. Nonenzymatic sugar production from biomass using biomass-derived γ-valerolactone. Science 343:277–80. doi: 10.1126/science.1246748

[4] Mellmer, M. A., Sener, C., Gallo, J. M. R., Luterbacher, J. S., Alonso, D. M., and Dumesic, J. A. 2014. Solvent effects in acid-catalyzed biomass conversion reactions. Angew Chem. Int. Ed. 53:11872–5. doi: 10.1002/anie.201408359

[5] Mellmer, M. A., Alonso, D. M., Luterbacher, J. S., Gallo, J. M. R., and Dumesic, J. A. 2014. Effects of γ-valerolactone in hydrolysis of lignocellulosic biomass to monosaccharides. Green Chem. 16:4659–62. doi: 10.1039/C4GC01768D