تظهر التكنولوجيا المبتكرة وعدًا بتعزيز إنتاج المطاط في الولايات المتحدة

نظرًا لأن الأمراض وارتفاع الطلب يشكلان تهديدًا لإمدادات المطاط الطبيعي الأساسية في العالم في جنوب شرق آسيا، يعمل العلماء على تكثيف سوق المطاط الأمريكي من خلال تطوير طرق لاستخراج اللاتكس من مصدرين نباتيين مستدامين في أمريكا الشمالية: نوع الهندباء وشجيرة الصحراء.

أبلغ الباحثون عن أساليبهم لتحسين الكفاءة وزيادة إنتاجية اللاتكس في منشورين حديثين، بناءً على عقود من الأبحاث التي قادتها كاترينا كورنيش ، أستاذة البستنة وعلوم المحاصيل والهندسة الغذائية والزراعية والبيولوجية في جامعة ولاية أوهايو.

كاترينا كورنيش

أضاف كورنيش وزملاؤه عوامل متخصصة أثناء معالجة الهندباء Taraxacum kok-saghyz (TK) وشجيرة guayule لاستخراج كمية أكبر من اللاتكس من كلا النباتين. ولا يمكن استغلال أي من المصدرين ببساطة ــ وهي الطريقة المستخدمة في الأشجار الاستوائية التي تنتج المطاط الطبيعي الوحيد المتوفر تجارياً في العالم.

وقال كورنيش: "نحن بحاجة إلى أساليب استخراج فعالة لأي وجميع الأنواع البديلة لإنتاج المطاط الطبيعي، وخاصة على نطاق واسع". "ويجب أن تكون منخفضة التكلفة إذا كنت تريد المنافسة في سوق الإطارات على المدى الطويل."

وقد تم نشر أعمال الهندباء التقليدية في الآونة الأخيرة في مجلة المحاصيل والمنتجات الصناعية ، وبحث جوايول في التكنولوجيا البيئية والابتكار .

وبعيدًا عن الإطارات، يستخدم المطاط في ما يقدر بنحو 50000 منتج. هناك حاجة ملحة لصناعة المطاط الطبيعي المحلية: فبينما تنتج الولايات المتحدة المطاط الصناعي، فإنها تعتمد بشكل كامل على واردات المطاط الطبيعي. وفي عام 2019، فُقد 10% من إمدادات المطاط الطبيعي بسبب الأمراض - وتزايد خطر انتقال مرض لفحة الأوراق في أمريكا الجنوبية إلى جنوب شرق آسيا مع توسع السفر الجوي المباشر بين البرازيل والصين.

وقال كورنيش إنه ليس من قبيل المبالغة الإشارة إلى أنه إذا انتقلت لفحة الأوراق من أمريكا الجنوبية إلى آسيا، فإن المرض يمكن أن يقضي على معظم إمدادات المطاط الطبيعي في العالم في وقت قصير.

وقالت: "وبعد ذلك يمكننا أن نرى انهيار سلاسل التوريد العالمية، وبالتالي الاقتصادات بأكملها". "لقد ركزنا صناعة عالمية بأكملها حول نبات استوائي. لكن الهندباء التقليدية ونبات الغوايول مستدامان ويمكن أن ينموا في الظروف المعتدلة.

الهندباء TK.

يأتي اللاتكس Guayule من الخلايا المعممة في لحاء الشجيرة. يتضمن استخراج مادة اللاتكس طحن اللحاء لفتح خلاياه وإطلاق جزيئات اللاتكس في ما يسميه كورنيش "مخفوق الحليب". يتم اتباع سلسلة من دورات الغسيل والغزل لفصل اللاتكس عن المواد الصلبة الأخرى - ومع كل خطوة للطرد المركزي، يتم فقدان بعض اللاتكس.

وجد فريق البحث أن إضافة مواد كيميائية تسمى المواد الندفية إلى اللبن المخفوق ساعدت في ربط المواد الصلبة الأخرى معًا وفصلها عن اللاتكس، مما أدى إلى خفض دورات الغسيل بشكل فعال إلى النصف وتحسين إجمالي إنتاج اللاتكس. أدت إضافة مادة واحدة إلى مضاعفة مادة اللاتكس المتاحة وزاد هذا المحصول بمقدار 12 ضعفًا عند إضافة عامل كريمة للتنقية.

بنيش سابا

وقال بينيش سابا ، مؤلف الدراسة الأولى ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في الهندسة الغذائية والزراعية والبيولوجية في ولاية أوهايو: "من خلال إضافة المواد الندفية، يصبح استخراج اللاتكس أكثر كفاءة ونظافة" . "لقد وجدنا مواد مندفة محددة تعمل بشكل أفضل في تحسين جودة استخلاص اللاتكس وتقليل الوقت الذي يستغرقه."

وقال سابا إن الدراسة أظهرت أيضًا أن إعادة المواد الصلبة المتبقية من خلال نظام المعالجة أتاح استخلاص المزيد من مادة اللاتكس وقلل أيضًا من البصمة البيئية للعملية بأكملها.

وقال كورنيش إن Guayule يحتوي على مادة لاتكس جذابة عالية الأداء وهي أقوى وأكثر ليونة من أي بوليمر معروف آخر، مما يعني أنه يمكن إضافة المزيد من الحشو في الإنتاج دون أي خسارة لخصائصه القيمة. استخدمت لاتكس جوايول لتطوير أول قفاز طبي مضاد للحساسية لمنع الإشعاع ومسببات الأمراض.

على الرغم من إنتاج لاتكس الهندباء TK في جذور النبات، إلا أن عملية الاستخراج متشابهة - حيث يتم تقليم الجذور ومزجها في ملاط ​​وتصفيتها لإزالة القطع الصلبة من المواد النباتية والأوساخ. يتم سكب مادة اللاتكس العائمة على الجزء العلوي من السائل المتبقي باستخدام ماصة وشطفها لمدة تصل إلى ثلاث مرات للتنقية، ثم تجفيفها.




ناثانيال كينغ سميث



أدى القليل من الصدفة إلى تحسين طريقة الاستخراج هذه. وجد المؤلف الأول ناثانيال كينج سميث ، وهو طالب دراسات عليا في مختبر كورنيش، أن العينات المعالجة التي بقيت في المختبر لمدة ثلاثة أشهر تحتوي على كمية أكبر بكثير من مادة اللاتكس تطفو على أسطحها. أظهر التحليل أن الكاتيونات الثنائية التكافؤ الثقيلة ، مثل المغنيسيوم، المرتبطة بأغشية جسيمات اللاتكس تثقل كاهل الجسيمات - حتى انهار الاتصال في النهاية.

وجد الفريق أن إضافة EDTA، وهو مخلب يرتبط بالكاتيونات ثنائية التكافؤ، لمعالجة جذور الهندباء يسمح باستخراج أكثر من ضعف كمية اللاتكس التي تم استخلاصها دون إضافة EDTA.

"كان سؤالنا هو: كيف يمكننا تحرير الجزء الثقيل دون الانتظار لمدة ثلاثة أشهر حتى تصبح جزيئات المطاط أخف وزنًا وتطفو فجأة؟" قال كينغ سميث. "لقد وجدنا أن إنتاج اللاتكس الإضافي بعد أشهر من التخزين يمكن تحقيقه على الفور في عملية الاستخراج القياسية فقط عن طريق إضافة EDTA قبل الدوران."

وقال إن استخدام EDTA أدى أيضًا إلى زيادة محتوى الهلام في اللاتكس المستخرج بمجرد تجفيفه، وهي معلومات مفيدة للإنتاج المحتمل من قبل الصناعات التي تبحث عن مطاط عالي الهلام.

قد يكون EDTA قابلاً للتطبيق في استخراج مادة اللاتكس من مادة الغوايول، على الرغم من أن كورنيش قالت إن مختبرها يأمل في الشراكة مع الكيميائيين الندفيين الذين يمكنهم المساعدة في تحسين هذه العملية بشكل أكبر. لقد قامت بزراعة وحصاد واستخراج اللاتكس من الهندباء TK لأكثر من عقد من الزمن في ولاية أوهايو ولديها دفيئة مليئة بالغوايول في حرم جامعة ووستر بولاية أوهايو، حيث تأمل أن تقوم يومًا ما ببناء مصنع واسع النطاق لمعالجة اللاتكس.

وقالت: "نحن نعمل على نطاق صغير ونركز على أسواق اللاتكس المتميزة حيث يمكنك صنع شيء ذي قيمة كبيرة باستخدام الحد الأدنى من المواد حتى نتمكن من تمويل التوسع". "وفي هذه الأثناء، نعمل على جعل عملية الاستخراج أكثر كفاءة حتى نتمكن من جعل المادة نظيفة ونقية."

تم دعم هذا العمل من قبل المعهد الوطني للأغذية والزراعة.

من بين المؤلفين المشاركين في ورقة غوايول سيندي باريرا وديفيد باركر من ولاية أوهايو. من بين المؤلفين المشاركين لورقة TK dandelion كريستوف مولنار، وجوشوا بلاكسلي، وأسواثي بيلاي، وجوديت بوشكاس من ولاية أوهايو، وكولين مكماهان من خدمة البحوث الزراعية التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية، وميرامبك موتالخانوف من جامعة الفارابي الوطنية الكازاخستانية.