وزارت کشاورزی ایالات متحده برآورد می‌کند که بین ۳۰ تا ۴۰ درصد از غذای تولیدی در این کشور هرگز مصرف نمی‌شود. حجم زیادی از این پسماندها سر از محل‌های دفن زباله درمی‌آورند، جایی که در آن‌ها تجزیه شده و گازهای گلخانه‌ای مانند متان و دی‌اکسید کربن آزاد می‌کنند.
غرق شدن زمین در پلاستیک
از سوی دیگر، پلاستیک‌های دورریختنی مانند بطری‌ها و کیسه‌ها به ذرات میکروسکوپی تجزیه می‌شوند که به منابع آب، خاک و در نهایت به بدن انسان نفوذ می‌کنند. اکنون دانشمندان در حال تلاش‌اند تا راهی بیابند که حتی بخش کوچکی از پسماند غذایی را به پلاستیکی تجزیه‌پذیر تبدیل کنند که برای قرن‌ها در طبیعت باقی نمی‌ماند.
آغاز یک ایده نوآورانه
رهبری پروژه توسط محققان بینگهمتون
در مطالعه‌ای جدید، تیمی پژوهشی از دانشگاه بینگهمتون (Binghamton University – SUNY) به رهبری «تیان‌ژنگ لیو» و با همکاری «پروفسور شا جین» از دانشکده مهندسی توماس جی. واتسون، این ایده را بررسی کرده‌اند. علاقه جین به موضوع پسماند غذایی پس از دریافت یک کمک‌هزینه از ایالت نیویورک در سال ۲۰۲۲ شدت گرفت.
هدف: ارزش‌آفرینی از پسماندها
به گفته پروفسور جین:
«ما می‌توانیم از پسماندهای غذایی به‌عنوان منبعی برای تولید بسیاری از محصولات صنعتی استفاده کنیم، که پلیمرهای تجزیه‌پذیر تنها یکی از آن‌هاست. ما نه‌تنها در پی ارزش‌بخشی به این پسماندها هستیم، بلکه می‌خواهیم هزینه تولید این پلیمرهای سازگار با محیط زیست را نیز کاهش دهیم.»
از پسماند غذا تا پلاستیک سازگار با طبیعت
چالش هزینه‌های تولید
در حال حاضر، تولید پلاستیک‌های زیست‌تجزیه‌پذیر اغلب فرآیندی پرهزینه است. این فرآیند معمولاً با مواد اولیه مانند قندهای پالایش‌شده آغاز می‌شود و نیازمند رشد میکروارگانیسم‌ها در محیط‌های کاملاً استریل است.
رویکرد جایگزین دانشگاه بینگهمتون
تیم پژوهشی روشی متفاوت را در پیش گرفت. آن‌ها با تخمیر پسماندهای غذایی، اسید لاکتیک تولید کردند که منبع کربنی به شمار می‌آید، و سولفات آمونیوم را به‌عنوان منبع نیتروژن به آن افزودند. این محلول به باکتری‌ای به نام Cupriavidus necator داده شد؛ میکروبی که معروف است کربن را به صورت پلی‌هیدروکسی‌آلکانوآت (PHA) ذخیره می‌کند.
تولید پلاستیک در دل میکروب‌ها
این باکتری‌ها گرانول‌های PHA را به‌صورت ذخیره داخلی می‌سازند. پژوهشگران می‌توانند حدود ۹۰ درصد از این پلیمرها را بازیابی کرده و به صورت فیلم، بسته‌بندی یا اقلام قالب‌ریزی‌شده درآورند که در شرایط مناسب، تجزیه‌پذیر هستند.
از سلول‌های بنیادی تا صنایع میکروبی
مسیر غیرمنتظره یک محقق
لیو که پیش‌تر در زمینه سلول‌های بنیادی فعالیت داشت، ورود به دنیای میکروبیولوژی صنعتی را چالش‌برانگیز توصیف می‌کند:
«تبدیل پسماند غذایی به اسیدهای آلی نسبتاً آسان بود، اما کشت میکروب‌های تولیدکننده پلاستیک بسیار دشوار بود، چون من هیچ تجربه‌ای در زمینه تخمیر باکتری برای تولید پلیمر نداشتم.»
اصلاح فرآیندها با تجربه
این تجربه‌ها منجر به بهبود تعادل مواد مغذی، زمان‌بندی تخمیر و فرآیند بازیابی شدند که اکنون پایه روش منتشرشده آن‌ها را تشکیل می‌دهد.
همکاری با رستوران‌های دانشگاه
تأمین پسماند از غذاخوری‌ها
پسماند مورد نیاز پروژه توسط خدمات غذاخوری دانشگاه بینگهمتون و شرکت پیمانکار غذا «سودکسو» تأمین شد. پروفسور جین می‌گوید:
«در گفت‌وگو با مسئول پایداری دانشگاه فهمیدم که براساس سیاست دانشگاه‌های ایالت نیویورک، دفن پسماند غذایی در زباله‌گاه‌ها مجاز نیست. بنابراین، هر پردیس باید خودش راه‌حلی برای مدیریت این پسماندها بیابد.»
در بینگهمتون، غذاخوری‌ها این پسماندها را به کشاورزان محلی می‌دهند تا به دام‌هایشان بدهند. اما جین پیشنهاد کرد که شاید بتوان این پسماند را مستقیماً به پلاستیکی تجزیه‌پذیر تبدیل کرد. چون اطلاعات کمی از تحقیق‌های گذشته در این زمینه وجود داشت، تیم احساس کرد که این شکاف علمی می‌تواند فرصت مناسبی برای تحقیق باشد.
پایداری فرآیند در عمل
انعطاف‌پذیری در زمان پردازش
پروژه‌های بازیافت صنعتی اغلب به دلیل مسائل لجستیکی با مشکل روبه‌رو می‌شوند. تیم بررسی کرد که آیا لازم است پسماندهای جمع‌آوری‌شده بلافاصله پردازش شوند یا خیر. نتیجه این بود که این مواد می‌توانند دست‌کم یک هفته باقی بمانند بدون آن‌که تأثیر منفی بر فرآیند تخمیر داشته باشند.
شرایط بهینه برای تخمیر
جین توضیح می‌دهد:
«تا زمانی که انواع مختلف غذا را با نسبت مشخصی مخلوط کنیم، فرآیند بسیار پایدار عمل می‌کند. ما دما و pH را در حین تخمیر کنترل می‌کنیم تا رشد باکتری‌های تولیدکننده اسیدهای آلی را تشویق کنیم.»
کاربرد باقی‌مانده‌های جامد
تخمیر غذا علاوه بر تولید اسید، مواد جامدی نیز بر جای می‌گذارد. به‌جای دور ریختن این خمیر باقی‌مانده، تیم جین در حال توسعه آن به‌عنوان کود آلی است تا جایگزین برخی کودهای شیمیایی شود. این کار نه‌تنها ارزش بیشتری از پسماندهای پردیس استخراج می‌کند، بلکه استفاده از نهاده‌های شیمیایی در مزارع را کاهش می‌دهد.
از غذای امروز تا بسته‌بندی فردا
گام بعدی: افزایش مقیاس
هرچند نتایج آزمایشگاهی امیدبخش‌اند، اما اثرگذاری واقعی این پروژه به مقیاس‌پذیری آن بستگی دارد. هدف بعدی جین این است که فرآیند را در مقیاس بزرگ‌تر تکرار کند تا ببیند آیا میزان تولید، هزینه‌ها و کیفیت محصول پایدار می‌مانند یا خیر. برای این منظور، تیم به دنبال دریافت کمک‌هزینه‌های بیشتر یا همکاری با صنعت خواهد بود.
تبدیل پسماند غذا به راه‌حل محیط‌زیستی
پسماندهای غذایی و پلاستیکی دو بحران عظیم جهانی هستند. اما این تحقیق نشان می‌دهد که با ترکیب مهندسی و میکروارگانیسم‌های مناسب، ناهار دیروز می‌تواند به بسته‌بندی سازگار با زمین در آینده‌ای نزدیک تبدیل شود.
مطالعه مذکور در مجله Bioresource Technology منتشر شده و امیدهای زیادی برای تبدیل چالش‌های زیست‌محیطی به فرصت‌های پایدار صنعتی ایجاد کرده است.
