כימאים הצליחו להמיר תאית (צלולוזה) – הפחמימה הצמחית השכיחה ביותר – ישירות לאבן-בניין כימי הקרוי HMF בשלב אחד
חוקרים מקווים להמיר צמחים לחלופות ברות-חידוש ובלתי-מזהמות לנפט גולמי. לשם כך, הם חייבים ללמוד כיצד להמיר ביומסה של צמח לאבני-בניין להכנה יעילה וזולה של פלסטיק ודלקים. במחקר חדש בתחום זה, כימאים הצליחו להמיר תאית (צלולוזה) – הפחמימה הצמחית השכיחה ביותר – ישירות לאבן-בניין כימי הקרוי HMF בשלב אחד.
הממצאים החדשים מתבססים על מחקר קודם שהתבצע ע"י חוקרים מהמחלקה לאנרגיה במכון Pacific Northwest National Laboratory. במחקרם זה המדענים הצליחו לייצר HMF מסוכרים פשוטים הנגזרים מתאית. החוקרים הצליחו לפתח דרך שעקפה את שלב יצירת הסוכר ולעבור ישירות מתאית ל- HMF. תהליך פשוט זה מייצר את החומר החשוב בניצולת גבוהה ומאפשר את השימוש בתאית גולמית כחומר המוצא.
"בביומסות, כגון: עץ, גבעולי תירס וקני-סוף, תאית הינה הפולימר הנפוץ ביותר שחוקרים מנסים להמיר לביו-דלקים ולפלסטיק," אמר הכימאי Z. Conrad Zhang, אחד מראשי המחקר החדש.
HMF, הידוע גם בשמו המדעי 5-הידרוקסימתילפורפוראל (5-hydroxymethylfurfural), יכול לשמש כאבן-בניין לפלסטיק ולביו-דלקים כגון בנזין ודיזל, שהינם דלקים דומים ביותר לאלו המתקבלים בעיבוד של נפט גולמי. במחקרם הקודם, החוקרים השתמשו בכימיקל ובממס הידוע כנוזל יוני לשם המרת סוכרים פשוטים לחומר HMF.
הכימיקל, מלח כלורי של מתכת, הידוע ככלוריד הכרום (chromium chloride), הצליח להמיר סוכר ל- HMF נקי במיוחד. אולם, כדי שתאית תשמש כחומר-מוצא ישיר מהטבע, צוות המחקר עדיין היה צריך לפרק את התאית לסוכרים פשוטים יותר. החוקרים רצו לבחון כיצד ניתן לדלג לחלוטין על שלב זה.
לנוזל היוני יש את היתרון הנוסף שהוא מסוגל להמיס את התאית, תהליך שבאופן רגיל אינו כה פשוט. חומרים הידועים כזרזים מאיצים את ההמרה של תאית לחומר HMF. לאחר שניסו זרזים שונים ממשפחת כלורידי המתכות שפעלו בתוך הממס היוני, החוקרים מצאו צמד זרזים שפעלו היטב: שילוב של כלוריד הנחושת וכלוריד הכרום בטמפרטורה של 120 מעלות צלזיוס הצליח לפרק את התאית ללא היווצרות של תוצרי-לוואי בלתי-רצויים.
בניסויים נוספים, החוקרים בחנו את יעילות השיטה שלהם בהשוואה לשימוש בחומצה – שיטה ידועה ונפוצה לפרוק תאית. המערכת של כלורידי המתכות בתוך הנוזל היוני פעלה פי עשרה מהיר יותר מזו של חומצה בלבד ובטמפרטורות נמוכות בהרבה. בנוסף, צמד הזרזים אפשר לחוקרים להימנע מהשימוש בתרכובת אחרת שנבחנה - חומצה מינראלית הידועה כמפרקת את החומר HMF.
תוך מיטוב השיטה שלהם, החוקרים מצאו כי הם מסוגלים להשיג בעקביות ניצולת גבוהה של החומר HMF – המרה של חמישים ושבעה אחוזים מתכולת הסוכר בתאית לHMF תוך שלב אחד. החוקרים הצליחו לקבל יותר מתשעים אחוזים מהחומר שהופק והתוצר הסופי של התהליך כולו היה טהור בשיעור של תשעים ושישה אחוזים.
יתרה מכך, ניתן להשתמש מספר פעמים במערכת של כלורידי המתכות והנוזל היוני ללא אובדן ביעילותה. היכולת למחזר את החומרים בתהליך יפחית עוד יותר את עלות ההפקה של החומר החיוני HMF.
"המאמר שלנו הינו פריצת-דרך אדירה. ע"י צימוד השלבים של פרוק התאית והמרת הסוכר אנו קרובים מאוד לשיטה חד-שלבית להמרת ביומסה גולמית מהטבע לכימיקל חשוב – כזה שניתן להשתמש בו בקלות להכנת דלק מנועי או לסינתזה של מוצרי-פלסטיק או מוצרי-נפט אחרים," אמר Jim Amonette, גיאוכימאי ושותף לכתיבת המאמר. "התקדמויות מסוג זה יוכלו לעזור לנו בהפחתת התלות שלנו בדלקים מאובניים."