CRISPR لتعديل البوليمرات قد يعيد تشكيل جهود إعادة التدوير العالمية

فتح باب إعادة تدوير البلاستيك

منذ اعتمادها الواسع من قبل الصناعة التحويلية في الستينات، أصبحت البلاستيك مادة حاضرة في حياتنا اليومية. وهي أيضاً سبب تلوث خطير جداً، خاصةً الميكروبلاستيك – الشظايا الدقيقة المتفتتة من البلاستيك التي تلوث كوكب الأرض ومحيطاته بالكامل.

لقد ثبت أن الميكروبلاستيك يقلل فعالية المضادات الحيوية، وتم العثور عليها في الأجنة، قلوبنا وأدمغتنا، يتم أكلها من قبل الكائنات البحرية، إلخ.

هناك العديد من الاستراتيجيات التي تُستكشف للتعامل مع تلوث الميكروبلاستيك الموجود بالفعل، على سبيل المثال، اعتماد مقياس الاستدامة، واستخدام مذيبات طاردة للماء غير سامة، أو إعادة توجيه البلاستيك باستخدام الليزر أو التحفيز الضوئي المدفوع بالضوء.

في الوقت نفسه، شركات مثل إكسون موبيل تُقاضى بسبب انخفاض معدل إعادة تدوير البلاستيك المنتج من النفط.

المشكلة في معظم حلول تلوث البلاستيك هي أنها مكلفة إلى حد ما، مما يؤدي إلى عدم رغبة أو قدرة العديد من الدول على تنفيذ حلول لمشكلة عالمية. الحل الأفضل سيكون تحويل نفايات البلاستيك إلى مورد لإنتاج مواد ذات قيمة، مما يخلق حافزاً اقتصادياً قوياً لجمع نفايات البلاستيك.

هذا ما كان يعمل عليه الباحثون في مختبر أوك ريدج الوطني. فقد اكتشفوا طريقة لـ “إعادة تدوير نفايات البلاستيك إلى بلاستيك عالي الأداء”، ونشروا نتائجهم في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية تحت عنوان “البولياكلينامرات كمضافات جاهزة لتفاعل البلمرة المتزامنة لفتح الحلقة: نموذج واعد لإعادة التدوير المتقدم”¹.

لماذا لا تكفي إعادة التدوير التقليدية؟

يتم بالفعل إعادة تدوير البلاستيك، لكن العملية بعيدة عن الكمال. يصف الباحثون الذين عملوا على هذه النشرها بدقة بأنها “صهر وتمنى الأفضل”.

هذه مشكلة، حيث أن كل دورة من إعادة تدوير البلاستيك تُنتج بوليمرات أقل قيمة، مع عرض المنتج النهائي لمقاومة، لون، متانة، إلخ، أقل. يحدث هذا لأن الصهر غير الموجه يغيّر طريقة تكوين سلاسل بوليمر البلاستيك وربطها ببعضها.

لذا، باستخدام تقنية إعادة التدوير الحالية، يمكن إعادة استخدام البلاستيك عددًا محدودًا من المرات فقط لكنه سينتهي به المطاف إلى النفايات على أي حال، بعد بضع دورات إعادة تدوير فقط بدلاً من استخدام واحد.

بالإضافة إلى ذلك، بعض أنواع البلاستيك لا يمكن إعادة تدويرها بهذه الطريقة على الإطلاق، وعادةً ما تنتهي إما بالحرق أو في مكبات النفايات.

في الواقع، يتم إعادة تدوير 9٪ فقط من الإنتاج العالمي للبلاستيك.

المصدر: PureCycle Technologies

إعادة التدوير المتقدم بدلاً من إعادة التدوير

مفهوم “إعادة التدوير المتقدم” هو أن المنتج الناتج عن عملية إعادة التدوير يكون في الواقع أفضل من المادة الأولية.

يمكن تحقيق ذلك فقط عن طريق إعادة ترتيب سلاسل البوليمر التي تشكّل البلاستيك بطريقة مُتحكم فيها. هذا النوع من “تحرير” البلاستيك بدقة قاد الباحثين إلى مقارنة طريقتهم الجديدة بـ CRISPR، تقنية تُستخدم لتعديل سلاسل DNA وRNA حسب الرغبة.

عملوا مع جزيئات لا تُعاد تدويرها اليوم أو تُعاد تدويرها بشكل ضعيف. شملت ذلك البولي بيوتاديين الناعم، مادة شائعة في إطارات السيارات، والأكريلونيتريل بيوتاديين ستايرين القوي، المستخدم في الألعاب البلاستيكية، لوحات مفاتيح الحواسيب، أنابيب التهوية، الخوذ الواقية، تجميعات المركبات، والأجهزة المنزلية.

“نحن نتعامل مع مكوّن مهم من تدفق النفايات بهذه التقنية. هذا سيحدث تأثيراً كبيراً من خلال حفظ الكتلة والطاقة للمواد التي كانت ستذهب إلى المكبات.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

العملية تتمتع بـ “اقتصاد ذري” عالٍ جداً، ما يعني أنها تستعيد في المنتج النهائي تقريباً كل البلاستيك الذي يُعاد تدويره.

كيف يعمل

لإعادة إنشاء بوليمرات بلاستيك قوية من المادة المعاد تدويرها، قاموا أولاً بإنشاء مادة مضافة تُضاف إلى البلاستيك الموجود.

المصدر: Journal of the American Chemical Society

لصنع المادة المضافة، قاموا بطحن البولي بيوتاديين والأكريلونيتريل بيوتاديين ستايرين وغمرهما في ديكلوروميثان. تفاعلت المادة الكيميائية عند درجات حرارة منخفضة (40°C / 104°F) وفي أقل من ساعتين.

التفاعل احتاج أيضاً إلى محفّز، واُستخدم الرُّوثينيوم. هذا محفّز معروف في تصنيع البلاستيك ويُستَخدم أيضاً لتحويل الكتلة الحيوية، مثل زيوت النباتات، إلى وقود ومركبات عضوية ذات قيمة عالية.

ذرات الرُّوثينيوم تعمل أساساً كـ “ناقل” للعناصر البلاستيكية الأصغر وتُحضرها إلى السلاسل لتجعلها أطول.

عملية “الميثاسيس” تستخدم روابط مزدوجة قوية بين ذرات الكربون لزيادة فرص التفاعلات الكيميائية.

جزء من الطريقة، يُسمّى “بلمرة الميثاسيس لفتح الحلقة”، يفتح جزيئات الكربون الدائرية ويحولها إلى بوليمرات طويلة مفيدة. جزء آخر، يُسمّى التقاطع المتزامن، يُدرج سلاسل من وحدات بوليمر فرعية من سلسلة بوليمر إلى أخرى.

المصدر: Sigma Aldrich

كان العمل مهمة تعاونية، حيث كُلّف بعض الباحثين بتحسين البلمرة، وآخرون باستخدام مطياف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) لتحليل التفاعلات في الوقت الفعلي، وآخرون باختبار الخصائص الميكانيكية والحرارية للمواد النهائية.

نتائج قوية

أظهر علماء مختبر أوك ريدج الوطني أن العملية، التي تستخدم طاقة أقل وتنتج انبعاثات أقل من إعادة التدوير التقليدية، تدمج المواد النفاية بكفاءة دون الإخلال بجودة البوليمر.

أظهر البلاستيك المعاد تدويره أداءً حرارياً وميكانيكياً قوياً، مما يجعله متفوقاً على المادة الأصلية، ومتفوقاً بكثير على البلاستيك المعاد تدويره بالطرق التقليدية.

الخطوات التالية في إعادة تدوير البلاستيك المتقدم

إعادة تدوير جميع البلاستيك

هذه الطريقة، التي أُثبتت الآن لبعض أنواع البلاستيك، يمكن توسيعها لتشمل جميع أنواع البلاستيك الأخرى. يمكن أن تكون المذيبات الصديقة للبيئة تحسيناً إضافياً.

“الرؤية هي أن يُمكن توسيع هذا المفهوم إلى أي بوليمر يحتوي على مجموعة وظيفية في العمود الفقري لتتفاعل معها.

إذا تم توسيع النطاق واستخدام إضافات أخرى، يمكن استخراج فئات أوسع من النفايات للحصول على وحدات بناء جزيئية، مما يقلل بشكل كبير من الأثر البيئي للبلاستيك الصعب المعالجة.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

تفاصيل اقتصاديات الإجراء لا تزال بحاجة إلى توضيح، لكن من المتوقع أن تكون مقبولة لأنها تستخدم درجات حرارة منخفضة، زمن تفاعل قصير، ومحفّز شائع الاستخدام.

ما وراء البلاستيك

الطريقة المستخدمة نجحت مع البلاستيك ولكن يمكن تطبيقها على مواد كيميائية أخرى أيضاً.

يرى الباحثون أن هذه التقنية واعدة بشكل خاص لفئة من المواد البوليمرية تُسمّى “الترموست”. وتشمل هذه الراتنجات الإيبوكسية، المطاط الفولكاني، البولي يوريثان، والسيليكون.

لا يمكن إعادة صهر أو تشكيل مواد الترموست بمجرد تثبيتها، مما يجعل إعادة تدويرها تحديًا.

طريقة إعادة التدوير المتقدم التي تم تطويرها هنا، والتي تستهدف بنية الجزيئات المتشابكة في البلاستيك، يمكن أن تُطبق على نفس البنية في مواد الترموست.

نظرًا لأن عملية إعادة البلمرة قابلة للتخصيص بدرجة عالية، قد يكون المنتج النهائي المعاد تدويره أفضل من الأصلي. قد تكون المواد المعاد تدويرها، على سبيل المثال، أكثر نعومة ومرونة من البوليمرات الأصلية أو ربما أسهل في التشكيل والتصلب لتصبح منتجات ترموستية متينة.

الخلاصة

إعادة التدوير المتقدم خيار واعد لزيادة معدل إعادة تدوير البلاستيك، حيث من المفترض أن يوفر الحافز الاقتصادي الذي كان مفقوداً حتى الآن للحصول على أكثر من 10٪ من البلاستيك المعاد تدويره على مستوى العالم.

تقليل استخدام البلاستيك، إزالة الميكروبلاستيك، تطوير البلاستيك الحيوي (انظر “أفضل 5 شركات للبلاستيك الحيوي”)، وإعادة التدوير المتقدم بدلاً من إعادة التدوير الضعيفة من المحتمل أن تكون جميعها جزءاً من الحل لتلوث البلاستيك.

في المجمل، ستكون هذه العناصر مكوّنًا رئيسيًا في تطوير اقتصاد دائري أكثر كفاءة في الموارد وأقل تلوثًا.

شركة إعادة التدوير

PureCycle Technologies

PureCycle هي شركة لإعادة تدوير البلاستيك تركز على البولي بروبلين (PP)، وتحول نفايات PP إلى راتنج PP معاد تدويره عالي النقاء.

لقد أنشأت إجراءً مملوكاً “لتنظيف” نفايات PP من جميع المواد المضافة في المنتجات النهائية، مثل البولي إيثيلين، المواد الصلبة، الصبغات، الملوثات، إلخ.

المصدر: PureCycle Technologies

تختلف عملية الاستخلاص هذه عن نظام الترشيح الميكانيكي الشائع الاستخدام، الذي ينتج PP منخفض الجودة لمعظم التطبيقات الصناعية، حتى عند استخدام مواد أولية عالية الجودة.

إعادة التدوير الكيميائي خيار آخر، لكنه بعيد كل البعد عن الصديق للبيئة وغير فعال من حيث التكلفة.

المصدر: PureCycle Technologies

المنتج النهائي لـ PureCycle مقبول من قبل إدارة الغذاء والدواء (FDA) لتطبيقات PP الشائعة، بما في ذلك تخزين الطعام، الحاويات الساخنة أو المبسترة، وتخزين الأطعمة المجمدة. يجب أن تشمل المنتجات المستقبلية الألياف، تغليف الأفلام، القوالب الحقنية للتغليف، والبلاستيك للسيارات.

بالإضافة إلى إعادة تدوير نفايات البلاستيك، العملية أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة بنسبة 79٪ أقل من استهلاك “PP الأصلي”، وتقلل بصمة انبعاثات الغازات الدفيئة بنسبة 35٪.

قامت الشركة ببناء منشأة إنتاج حبيبات إيرنتون، مع أول إنتاج في يونيو 2023، لنشر عملية إعادة التدوير الخاصة بها.

كما تبني مرافق أخرى في أمريكا الشمالية وأوروبا، ومخطط لاحقاً في اليابان وكوريا الجنوبية بالتعاون المشترك مع SK geo centric، بهدف الوصول إلى قدرة إعادة تدوير تبلغ 630 مليون رطل سنوياً بحلول 2027.

المصدر: PureCycle Technologies

وصل إنتاج حبيبات منشأة إيرنتون إلى 3.5 مليون رطل في الربع الثالث من 2024، ما يمثل ثلاثة أضعاف ما كان عليه في الربع السابق، بالإضافة إلى تحسن جودة المنتج الناتج.

بشكل عام، PureCycle شركة جيدة للاستثمار في تحسين تقنية إعادة تدوير البلاستيك، وتتمتع بالخبرة اللازمة لنشر تقنيات جديدة تتجاوز تقنيات إعادة التدوير التقليدية.

مرجع الدراسة:

^{1. Jeffrey C. Foster, et al. (2024) بولياكلينامرات كمضافات جاهزة لتفاعل البلمرة المتزامنة لفتح الحلقة: نموذج واعد لإعادة التدوير المتقدم. Journal of the American Chemical Society 2024 146 (48), 33084-33092 DOI: 10.1021/jacs.4c10588}