تحويل تفل القهوة إلى مادة خام لإنتاج الوقود الحيوي

• طوّر باحثون طريقة فعالة لاستخلاص الزيت من تفل القهوة لإنتاج الديزل الحيوي.
• الظروف المثلى: درجة حرارة 45°C لمدة 60 دقيقة مع 35 مل من الهكسان لكل غرام من المخلفات الجافة.
• تستعيد العملية حوالي 90% من الزيوت المتوفرة في تفل القهوة.
• يحتوي الزيت المستخلص على نسبة شوائب منخفضة جدًا 0.3% مقابل 3.9% في الطرق التقليدية.
• يمكن استخدام المواد المتبقية (السليلوز واللجنين) في إنتاج الإيثانول الحيوي والأحماض العضوية.
• يُنتج العالم حوالي 10 ملايين طن من مخلفات القهوة سنويًا.
• تدعم العملية الاقتصاد الدائري وإنتاج الوقود المتجدّد للقطاعات الصعبة كهربة.

يمكن أن يحظى تفل القهوة بحياة ثانية. عادةً ما يتم التخلص منه بعد التخمير. ومع ذلك، وجد باحثون طريقة فعالة لاستخلاص الزيت منه. يمكن أن يكون هذا الزيت مادة خام لإنتاج الديزل الحيوي.

دراسة من جامعة روفيرا آي فيرجيلي قيّمت كيفية استخلاص الزيت من تفل القهوة بكفاءة. تحافظ العملية على باقي المواد النباتية. هذا يسمح باستخدامها في عمليات أخرى أيضًا.

الدراسة البحثية

نُشر البحث في مجلة الكتلة الحيوية والطاقة الحيوية. يركز على تفل القهوة كنفايات وفيرة. يبلغ الإنتاج العالمي من حبوب القهوة حوالي 10 ملايين طن سنويًا. نسبة صغيرة فقط تصل إلى القهوة المخمّرة. الباقي يصبح نفايات صلبة على شكل تفل القهوة.

يحتوي تفل القهوة على حوالي 15% من الدهون. يمكن أن تكون هذه الدهون أساسًا لإنتاج الديزل الحيوي. درس الفريق البحثي كيفية تأثير ثلاثة عوامل رئيسية على استخلاص الزيت: درجة الحرارة، وقت المعالجة، ونسبة المذيب إلى تفل القهوة. استخدموا الهكسان كمذيب وطبقوا تصميمًا تجريبيًا لتحليل التأثيرات المجمعة.

النتائج الرئيسية

وجد الفريق البحثي، الذي ضم خورخي إف روميرو وألبرتو تامبيري ودانيال مونتان وماجدالينا كونستانتي وفرانسيسك ميدينا، أن الظروف المثلى هي 45°C لمدة 60 دقيقة. نسبة 35 مل من الهكسان لكل غرام من المخلفات الجافة كانت الأكثر فعالية. بهذه المعايير، تستعيد العملية حوالي 90% من الزيت الذي يمكن الحصول عليه بطريقة سوكسلت.

طريقة سوكسلت هي تقنية مخبرية مستخدمة على نطاق واسع كمرجع. تقدم عوائد عالية ولكنها تتطلب وقتًا وطاقة أكبر. كما أنها ليست مناسبة للتطبيقات الصناعية. تنتج العملية المُحسَّنة زيتًا بمحتوى شوائب منخفض جدًا 0.3%. في المقابل، تنتج طريقة سوكسلت زيتًا بنسبة شوائب 3.9%. ظل ملف الأحماض الدهنية مستقرًا تحت ظروف اختبار مختلفة. كان يهيمن عليه حمض اللينوليك وحمض البالمتيك. تشير هذه المكونات إلى إمكانات الزيت لإنتاج الديزل الحيوي.

ما وراء الزيت: الحفاظ على المصفوفة الليغوسليلوزية

أشار فرانسيسك ميدينا إلى أن استخلاص الزيت لا يعني عدم إمكانية استخدام بقية المواد. كان أحد أهداف البحث هو الحفاظ على المصفوفة الليغوسليلوزية. تتكون هذه المصفوفة من مكونات مثل السليلوز والهيميسليلوز واللجنين.

يمكن استخدام هذه المكونات للحصول على منتجات أخرى. تشمل الإيثانول الحيوي وحمض اللاكتيك والبولي هيدروكسي ألكانويات وسلائف وقود الطيران المستدام والمركبات الفينولية. لا تستعيد عملية الاستخلاص الزيوت فحسب، بل تعمل أيضًا كمعالجة مسبقة. يمكن أن تمنع الدهون الموجودة في المخلفات المذيبات أو المحفزات من الوصول إلى باقي الكتلة الحيوية. تؤدي إزالة هذا الحاجز إلى ترك المخلفات الخالية من الدهون في حالة أفضل للاستخدام اللاحق.

المقارنة مع الطرق الأخرى

قارن الفريق البحثي طريقتهم مع الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية والميكروويف. يمكن لهذه البدائل تسريع الاستخلاص الأولي. ومع ذلك، لا تقدم ميزة كافية من حيث جودة الزيت والكفاءة الإجمالية واستهلاك الطاقة وقابلية التوسع. تبدو عملية الدُفعات مع الهكسان تحت ظروف معتدلة خيارًا أفضل وأكثر توازنًا. إنها أكثر ملاءمة للدمج في استراتيجية التكرير الحيوي.

الاقتصاد الدائري والوقود المتجدد

يدرج البحث ضمن جهود تطوير تقنيات الاقتصاد الدائري. يعالج الحاجة إلى تطوير وقود متجدد للقطاعات التي يصعب كهربتها، مثل النقل الثقيل. باستخدام كل جزء من تفل القهوة، يحوّل الباحثون نفايات غير مستغلة إلى نواقل طاقة متنوعة ومنتجات كيميائية حيوية. يقلل هذا من الأثر البيئي المرتبط بتراكمها.

أوضح دانيال مونتان أن هذا النهج يمهد الطريق للإنتاج المستدام للوقود الحيوي. يوضح البحث كيف يمكن لمخلفات القهوة أن تصبح موردًا قيمًا بدلاً من عبء بيئي.

الآثار على صناعة القهوة

لهذا البحث آثار كبيرة على صناعة القهوة. يقدم طريقة لتقليل النفايات وتوليد قيمة إضافية من إنتاج القهوة. يمكن لمحمصي القهوة والمقاهي ومنتجي القهوة الفورية الاستفادة من هذه التقنية. يمكن توسيع نطاق العملية للتطبيقات الصناعية، وتحويل النفايات إلى مصدر دخل.

يتوافق نهج الاقتصاد الدائري مع الطلب المتزايد من المستهلكين على الممارسات المستدامة. يمكن لشركات القهوة تعزيز مصداقيتها في الاستدامة من خلال تبني هذه التقنيات. يساهم البحث أيضًا في تقليل الأثر البيئي لإنتاج القهوة.

الأسئلة الشائعة

90 ثانية فقط تحوّل بقايا القهوة الرطبة إلى وقود صلب عالي الجودة

كل عام، ينتج الاستهلاك العالمي للقهوة أكثر من 10 ملايين طن من بقايا القهوة المستعملة، ينتهي معظمها في مكبات النفايات أو المحارق، مما يطلق غازات الدفيئة ويلوث البيئة. على الرغم من أن هذه البقايا تحمل إمكانات طاقية حقيقية، إلا أن محتواها العالي من الرطوبة كان يشكل عائقاً طويل الأمد أمام تحويلها إلى وقود أو منتجات كربونية.

الآن، طوّر فريق بحثي من معهد كوريا لعلوم الأرض والموارد المعدنية تقنيةً ثورية تُدعى “التحلل الحراري بالبلازما اللهبية”، والتي تعالج الكتلة الحيوية التي تحتوي على حوالي 55% رطوبة مباشرةً، دون أي حاجة للتجفيف المسبق، وتحولها إلى فحم حيوي عالي الجودة في غضون 90 ثانية فقط.

حل لمشكلة النفايات المتزايدة: بقايا القهوة من نفايات إلى طاقة

تواجه صناعة القهوة العالمية تحدياً بيئياً متزايداً: أكثر من 10 ملايين طن من بقايا القهوة المستعملة تُنتج سنوياً، ومعظمها ينتهي في مكبات النفايات أو المحارق. هذه البقايا ليست مجرد نفايات، بل هي مصدر طاقة مهدر. تحتوي بقايا القهوة على قيمة حرارية تصل إلى 21.8 ميغاجول/كغ، لكن الرطوبة العالية (حوالي 55%) كانت العائق الأكبر أمام استغلالها اقتصادياً.

تقنية التحلل الحراري بالبلازما اللهبية: ثورة في معالجة النفايات الرطبة

يعمل نظام البلازما اللهبية على توليد ألسنة لهب بدرجات حرارة تتراوح بين 800 و900 درجة مئوية، من خلال احتراق غاز البترول المسال والهواء المضغوط. على عكس تقنيات التحلل الحراري التقليدية، تلغي هذه التقنية الحاجة إلى أي معالجة تجفيف مسبقة. أثناء المعالجة، تعمل الطاقة الحرارية الشديدة على تبخير الرطوبة المحتجزة داخل جزيئات الكتلة الحيوية بسرعة. يؤدي تراكم الضغط الناتج إلى حدوث انفجارات مجهرية تُعرف بـ”تأثير الفشار”، والتي تعزز في الوقت نفسه عملية الكربنة وتخلق بنى مسامية عالية. بدلاً من أن تكون الرطوبة عائقاً، تصبح عاملاً مساعداً في التنشيط بالبخار، مما يسرع التفاعلات ويحسن جودة المنتج.

أداء وقود على مستوى الأنثراسيت وتحسينات نوعية كبيرة

تحت ظروف محسّنة، حقق الباحثون تحويلاً كاملاً خلال 90 ثانية، مع خفض في الكتلة بنسبة 83.3%. أظهر الفحم الحيوي الناتج قيمة حرارية بلغت 29.0 ميغاجول/كغ، أي أعلى بحوالي 33% من بقايا القهوة الأصلية (21.8 ميغاجول/كغ)، وهو ما يعادل فحم الأنثراسيت عالي الجودة.

أسرع بأكثر من 40 مرة من التقنيات الحالية

توفر التقنية الجديدة مزايا كبيرة في سرعة المعالجة وكفاءة الطاقة. مقارنة بتقنية الكربنة المائية الحرارية التي تتطلب عادةً من ساعة إلى ست ساعات، فإن تقنية البلازما اللهبية أسرع بـ 40 إلى 240 مرة. كما أنها تقلل وقت المعالجة بأكثر من 20 ضعفاً مقارنة بعملية التحميص التي تستغرق عادةً 30 دقيقة على الأقل. ونظراً لأن النظام يعتمد على البلازما الناتجة عن الاحتراق بدلاً من أجهزة البلازما كثيفة الاستهلاك للكهرباء، فإنه يخفض استهلاك الطاقة الإجمالي مع الحفاظ على أداء معالجة عالٍ.

تطبيقات مستقبلية واسعة: من مخلفات القهوة إلى أنظمة الطاقة اللامركزية

إلى جانب مخلفات القهوة، يمكن تطبيق هذه التقنية على مجموعة واسعة من النفايات العضوية عالية الرطوبة، بما في ذلك مخلفات الطعام، وحمأة الصرف الصحي، والمخلفات الزراعية. تصميمها المضغوط وقدرتها الفائقة على المعالجة يجعلانها جذابة بشكل خاص لمنشآت تحويل النفايات إلى طاقة في الموقع، حيث غالباً ما تحد تكاليف النقل والتجفيف من جهود استعادة الموارد.

الباحثون: “نحن نغير النموذج من النفايات كمشكلة إلى النفايات كمورد طاقي”

قال الدكتور تايجون بارك، المؤلف الرئيسي للدراسة: “تقدم هذه التقنية نموذجاً جديداً لم يعد فيه النفايات يُنظر إليها كقضية تصريف، بل كمورد طاقي قيم”. وأضاف: “نخطط لتوسيع التقنية لتشمل أنواعاً مختلفة من النفايات العضوية عالية الرطوبة، ومواصلة تحسين العملية للتسويق على نطاق صناعي”.

السياق البحثي: نشر في مجلة الهندسة الكيميائية الرائدة

نُشر البحث في مجلة الهندسة الكيميائية (إلزيفير، عامل التأثير 13.2)، وهي إحدى المجلات الدولية الرائدة في مجال الهندسة الكيميائية. ويوضح البحث نهجاً جديداً لتحويل النفايات العضوية الرطبة إلى موارد طاقية قيمة، مع تعزيز استراتيجيات إدارة النفايات المحايدة للكربون. يُذكر أن معهد كوريا لعلوم الأرض والموارد المعدنية هو معهد بحثي ممول حكومياً متخصص في علوم الأرض، وموارد المعادن، وتقنيات الطاقة، وعلوم نظام الأرض.

أسئلة شائعة حول تقنية تحويل بقايا القهوة إلى وقود