تبدیل تفاله مرطوب قهوه به سوخت پاک و مواد شیمیایی ارزشمند

وقتی فنجان قهوه صبحگاهی‌تان تمام می‌شود، چیزی که داخل سطل کمپوست می‌اندازید شاید یک گنج کوچک انرژی را در خود پنهان کرده باشد. تفاله‌های مرطوب قهوه، همان کیک‌های تیره و روغنی که گاهی راه‌آب آشپزخانه را می‌بندند، هنوز حاوی روغن‌های قابل استفاده و یک اسکلت گیاهی پیچیده هستند که به گفته پژوهشگران می‌تواند خوراک تولید سوخت پاک و مواد شیمیایی باشد.

در دانشگاه روویرا ای ویرجیلی، یک تیم مهندسی شیمی تصمیم گرفت از این پسماند روزمره ارزش صنعتی استخراج کند. خورخه اف. رومرو، آلبرتو تامپیری، دانیل مونتانه، ماگدالنا کونستانتی و فرانسسک مدینا فراتر از کنجکاوی علمی پیش رفتند و شرایط عملیاتی را آزمودند که یک زیست پالایشگاه واقعی بتواند از آن استفاده کند.

چرا این موضوع مهم است؟ چون زنجیره جهانی قهوه حجم عظیمی پسماند تولید می‌کند. سالانه حدود ۱۰ میلیون تن متریک دانه قهوه تولید می‌شود و بخش قابل توجهی از هر دانه در تفاله مصرف شده باقی می‌ماند. این مواد جامد بی‌اثر نیستند: حدود ۱۵ درصد وزن آن‌ها را لیپیدها تشکیل می‌دهند و افزون بر آن، سلولز، همی‌سلولز و لیگنین دارند؛ موادی که می‌توان آن‌ها را به بیودیزل، بیواتانول، زیست پلاستیک، پیش‌سازهای سوخت پایدار هوانوردی و طیفی از مواد شیمیایی صنعتی تبدیل کرد.

یافته اصلی پژوهشگران این بود که باید با این ماده با ملایمت رفتار کرد. استخراج بیش از حد تهاجمی به چارچوب لیگنوسلولزی آسیب می‌زند و مراحل بعدی تبدیل را مختل می‌کند. بنابراین آن‌ها سه متغیر را بهینه‌سازی کردند: دما، زمان و مقدار حلال، با استفاده از ان-هگزان، حلالی رایج برای جداسازی چربی. نقطه بهینه چه بود؟ ۴۵ درجه سلسیوس (۱۱۳ درجه فارنهایت)، ۶۰ دقیقه و نسبت ۳۵ میلی‌لیتر هگزان به ازای هر گرم پسماند خشک.

این دستور ساده حدود ۹۰ درصد از بازده روغنی را بازیابی کرد که با استخراج سوکسله به دست می‌آید؛ روشی که در آزمایشگاه معیار طلایی محسوب می‌شود اما زمان‌بر و پرمصرف از نظر انرژی است. در مقابل، روش دانشگاه روویرا ای ویرجیلی زمان کمتری می‌خواهد، انرژی کمتری مصرف می‌کند و محصولی پاک‌تر به دست می‌دهد: روغن استخراج شده تنها حدود ۰٫۳ درصد ناخالصی داشت، در حالی که روغن حاصل از سوکسله ۳٫۹ درصد ناخالصی نشان داد. روغن پاک‌تر یعنی پیش از تبدیل به بیودیزل، به مراحل پالایش پایین‌دستی کمتری نیاز است.

ترکیب روغن در شرایط مختلف پایدار ماند. اسیدهای لینولئیک و پالمیتیک در پروفایل اسیدهای چرب غالب بودند و این موضوع نشان می‌دهد که این ماده برای استفاده به عنوان خوراک بیودیزل مناسب است. با این حال، هوشمندی این مطالعه فقط در روغن استخراج شده نیست، بلکه در چیزی است که پس از جدا شدن روغن باقی می‌ماند.

تیم پژوهشی با حفظ ساختار لیگنوسلولزی، پسماندی برجای گذاشت که دسترسی به آن با حلال‌ها، آنزیم‌ها یا کاتالیست‌ها آسان‌تر است. روغن‌ها اغلب سطح زیست توده را می‌پوشانند و مانند یک سپر آب‌گریز عمل می‌کنند؛ حذف آن‌ها بدون برهم زدن الیاف زیرین، فرآوری‌های بعدی مانند تولید بیواتانول، اسید لاکتیک، پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها یا ترکیبات آروماتیک را کارآمدتر می‌کند.

گروه دانشگاه روویرا ای ویرجیلی گزینه‌های جایگزین را نیز سنجید. استخراج به کمک فراصوت و مایکروویو می‌تواند آزادسازی روغن را سرعت دهد، اما وقتی سطح ناخالصی، مصرف انرژی، بازده کلی و چالش‌های افزایش مقیاس در نظر گرفته می‌شود، این میان‌برهای فناورانه مزیت تعیین‌کننده‌ای نشان ندادند. برای واحدی که هدفش تفکیک یک جریان پسماند به چند محصول قابل فروش است، استخراج ملایم و ناپیوسته با ان-هگزان بهترین توازن را برقرار می‌کند.

می‌توان آن را یک آبشار کوچک ارزش دانست: یک پسماند صنعتی هم روغن لازم برای سوخت را فراهم می‌کند و هم خوراکی ساختاری برای تولید مواد شیمیایی و مواد پیشرفته بر جا می‌گذارد. این انعطاف‌پذیری برای بخش‌هایی که برقی‌سازی آن‌ها دشوار است، مانند حمل‌ونقل سنگین و هوانوردی، ارزش زیادی دارد؛ جایی که سوخت‌های مایع سازگار با زیرساخت موجود همچنان حیاتی‌اند.

این مطالعه که در نشریه زیست توده و زیست انرژی منتشر شده، بیش از آنکه شبیه یک ترفند آزمایشگاهی باشد، مانند یک نقشه راه عملی خوانده می‌شود. پیام مونتانه و همکارانش روشن است: با دمایی متعادل، نسبت سنجیده حلال و یک ساعت صبر، می‌توان یک پسماند رایج را به چند جریان درآمدی و ردپای زیست‌محیطی کوچک‌تر تبدیل کرد.

پس دفعه بعد که کیک تفاله قهوه را داخل سطل می‌ریزید، از خودتان بپرسید: آیا آغاز سوخت فردا را دور می‌ریزیم، یا هنوز یاد نگرفته‌ایم درست نگاه کنیم؟