باعتباره أحد أكثر البوليمرات الطبيعية وفرة على الأرض، يوجد اللجنين في جميع جدران خلايا النباتات الوعائية. واسمه مشتق من اللجنين اللاتيني Lignum (بمعنى الخشب). هناك قلق متزايد بشأن جودة اللجنين من الباحثين والمشترين الصناعيين، لأنه يُنظر إليه على أنه المادة الخام الأساسية للجيل القادم من المنتجات المستدامة. فيما يلي، سيتم شرح المعرفة حول اللجنين، بدءًا من البيولوجيا الأساسية إلى التطبيقات الصناعية.
وكبديل طبيعي للبتروكيماويات، يجتذب اللجنين استثمارات وأبحاثًا متزايدة في ظل المخاوف العالمية من التلوث البلاستيكي وانبعاثات الكربون.
1. ما هو اللجنين؟
اللجنين هو نوع من البوليمرات الحيوية الفينولية الطبيعية المعقدة، ويمثل 15-301 تيرابايت 3 تيرابايت من الوزن الجاف للخشب. ويعمل كإطار هيكلي للنبات لدعم الوزن. كما أنه يتيح نقل الماء بكفاءة من الجذور إلى قمم الأشجار. كما أنه يقوي جدار الخلية ويمنع فقدان الماء ويحمي النبات من العدوى البكتيرية أو الفطرية.
اللجنين هو المكون الأساسي لدورة الكربون العالمية حيث أنه يمثل حوالي 301 تيرابايت 3 تيرابايت من إجمالي الكربون العضوي على الأرض. ويوجد أكثر من 300 مليار طن من اللجنين مخزنة في النباتات الحية في العالم، مما يجعلها واحدة من أغنى المواد العضوية على الأرض.
يتكون جدار الخلية النباتية من اللجنين والسليولوز، حيث يوفر السليولوز الدعم الهيكلي ويوفر اللجنين الصلابة ومقاومة الماء. البنية المركبة الطبيعية أكثر فعالية من معظم المواد المركبة الاصطناعية.
2. من أين يأتي اللجنين؟
يوجد اللجنين في جدران خلايا النباتات الوعائية، بما في ذلك الأشجار والخيزران والمخلفات الزراعية مثل القش وقش الذرة. يختلف محتوى وبنية اللجنين في الخشب الصلب والخشب اللين اختلافًا تامًا. يوجد 25-35% من اللجنين في الأخشاب اللينة، مثل أشجار الصنوبر، و18-25% من اللجنين في الأخشاب الصلبة، مثل أشجار البلوط. أما محتوى اللجنين في النباتات غير الخشبية مثل النباتات العشبية فهو الأقل حيث يبلغ 15-20% فقط.
يؤثر الاختلاف في المحتوى والبنية على التطبيق في الاستخدام الصناعي بشكل مباشر. بخلاف الأخشاب، هناك مليارات الأطنان من النفايات المحتوية على اللجنين التي تنتجها الزراعة سنويًا. إن المصادر المحتملة للليغنين، بما في ذلك قشر الأرز وتفل قصب السكر وقش القمح، لا يتم استخدامها بالكامل في الوقت الحاضر.
إن تكلفة استخلاص اللجنين منخفضة لأنها في الأصل نفايات زراعية. وهناك 700 مليون طن من القش يتم إنتاجها سنويًا، وهي توفر المواد الخام مجانًا تقريبًا إذا أمكن استخراج اللجنين بكفاءة.
3. من اكتشف اللجنين؟
اكتشف أحد المصنّعين الكيميائيين في فرنسا يُدعى أنسيلم باين بالصدفة مادتين مختلفتين بعد معالجة الخشب باستخدام حمض النيتريك والمحاليل القلوية في عام 1838. وكانت إحداهما تسمى السليلوز، والأخرى وصفت بأنها مادة طلاء. استغرق الكشف عن السر وراء هذا الاكتشاف قرنًا من الزمان.
في عام 1865، أطلق عالم النبات الألماني، فرانك شولزه، اسم اللجنين على مادة الطلاء وهي مشتقة من مادة اللجنوم اللاتينية. كشف بعض العلماء، مثل كارل فرويدنبرغ، عن التركيب الكيميائي المعقد لمادة اللجنين في القرن العشرين. استغرق التفكيك الكامل من الاكتشاف الأولي أكثر من 100 عام.
يُعد اكتشاف باين إنجازًا كيميائيًا هامًا في القرن التاسع عشر. فقد أرسى الأساس لصناعة الورق، كما أنه بدأ البحث المنهجي لجدار الخلية النباتية، وهو ما دفع إلى تطوير الوقود الحيوي والمواد الحيوية فيما بعد.
4. أنواع اللجنين
يمكن تصنيف اللجنين حسب الأصل النباتي أو تقنية الاستخلاص. ومن الأكثر عملية بالنسبة للمشترين والمهندسين تصنيف اللجنين حسب تقنية الاستخلاص لأنها تحدد النقاء وقابلية الذوبان والنطاق القابل للتطبيق.
مصنفة حسب الأصل النباتي |
● يتكون اللجنين الخشب اللين من وحدات الغاياسيل (G)، بينما يتكون اللجنين الخشب الصلب من وحدات الغاياسيل (G) والسيرينجيل (S). ● تحتوي النباتات العشبية على وحدات p-هيدروكسي فينيل (H) بالإضافة إلى ذلك. |
مصنفة حسب تقنية الاستخراج |
● اللجنين كرافت ليجنين هو الأكثر شيوعاً ويمثل 85% اللجنين الصناعي العالمي. وهو المنتج الثانوي لصناعة الورق، ويتم حرقه بشكل أساسي لتوليد الكهرباء. ● يتم إنتاج اللجنوسلفونات اللجنوسولفونية عن طريق عملية الكبريتيت، وهي مادة عالية الذوبان في الماء. يتم تسويقها بشكل كبير بأقل سعر يبلغ حوالي $50 للطن. ● اللجنين العضوي اللجنين هو نوع من اللجنين ذو أعلى درجة نقاء. وهو مناسب للتطبيقات الراقية مثل ألياف الكربون والمستحضرات الصيدلانية، ولكن بسعر مرتفع يبلغ $750 للطن. ● اللجنين الصودا مصنوع من نباتات غير خشبية مثل القش وتفل قصب السكر. لا يحتوي على الكبريت وهو مناسب للاستخدام الخاص. |
يعتمد اختيار اللجنين على الميزانية والاستخدام. يمكن أن يكون اللجنوسولفونيت هو الخيار الاقتصادي إذا تم استخدامه في إضافات الخرسانة أو علف الحيوانات. ويوصى باستخدام اللجنين العضوي في أنظمة توصيل الأدوية النانوية أو المواد المركبة عالية الأداء، وذلك بسبب نقاوته العالية. ومع ذلك، يمكن أن تكون التكلفة 10 أضعاف.
5. كيفية إنتاج اللجنين
اللجنين الصناعي هو منتج ثانوي لصناعة الورق. والطريقة الأكثر شيوعًا هي عملية كرافت. بعد تحلل الخشب في درجات حرارة عالية باستخدام هيدروكسيد الصوديوم وكبريتيد الصوديوم، يتم استخلاص اللجنين ويترك السليلوز لصناعة الورق.
يتم إنتاج ما يقرب من ٥٠ مليون طن من اللجنين بواسطة عملية كرافت سنوياً. ومع ذلك، يتم حرق 98-99% من اللجنين لتوليد الكهرباء، مما يتسبب في إهدار هذه الكمية. ويتغير هذا الوضع في هذه الصناعة عن طريق الاستخلاص العميق بالمذيبات سهلة الانصهار واستخلاص السائل الأيوني، والذي يمكن أن ينتج اللجنين بدرجة نقاء أعلى. على الرغم من أن التكلفة مرتفعة، إلا أن المزيد من اللجنين ينتقل إلى المختبر والسوق مع نضوج التكنولوجيا.
سبب احتراق اللجنين في مصنع صناعة الورق معقول. ذلك لأن اللجنين وقود عالي الطاقة يمكن أن يوفر ما يكفي من البخار والكهرباء للمصنع أثناء الاحتراق. ويحتاج المصنع إلى استثمار وحدات استخلاص وتنقية إضافية لتغيير النظام الحالي الذي لا يوفر حوافز مالية كافية على المدى القصير.
6. تطبيقات اللجنين
على الرغم من احتراق معظم اللجنين، إلا أن الجزء المستخلص من اللجنين يستخدم بالفعل على نطاق واسع. أحد أكثر الأمثلة نجاحًا هو الفانيلين، حيث يتم استخلاص 15% من الفانيلين من اللجنين. وقد وصلت القيمة السوقية المقدرة للفانيلين إلى $150 مليون دولار أمريكي، وهو أحد أكثر التطبيقات التجارية نضجًا للجنين.
في جانب صناعة البناء والتشييد، يمكن استخدام اللجنوسلفونات كمخفض للماء للخرسانة، مما يحسن أداء البناء. وفي مجال الزراعة، يمكن استخدام اللجنين كمكيف للتربة ومواد رابطة للأسمدة بطيئة الإطلاق. وفي مجال ألياف الكربون، يمكن أن تقلل سلائف اللجنين من تكلفة ألياف الكربون من $20-30 للكيلوغرام الواحد إلى $5-10 للكيلوغرام الواحد. وهو مفيد لصناعات السيارات والفضاء بعد تسويقه تجارياً.
إلى جانب ذلك، هناك تطبيقات محتملة في صناعة النسيج. يمكن تعديل اللجنين إلى أصباغ طبيعية ومعدّلات نسيج. وفي صناعة الإلكترونيات، يجري التحقيق في المواد الكربونية المشتقة من اللجنين كمواد أقطاب كهربائية للمكثفات الفائقة والبطاريات، والتي قد تصبح بديلاً مستدامًا لبطاريات الليثيوم في المستقبل.
7. لماذا اللجنين مهم للاستدامة
يتم حرق ما يقرب من 50 مليون طن من اللجنين في مصانع الورق سنويًا، وهو ما يعادل إهدار $25 مليار طن من المواد الخام الكيميائية المحتملة. ويمكن تقليل انبعاثات الكربون إلى حد كبير مع استبدال جزء صغير فقط من المواد البلاستيكية والمواد الكيميائية القائمة على البترول ببدائل مشتقة من اللجنين.
تحظى القضية باهتمام أكبر من الحكومات. وتضع استراتيجية الاتحاد الأوروبي للاقتصاد الحيوي ومكتب تكنولوجيات الطاقة الحيوية اللجنين كمادة ذات أولوية في التنمية. وستستمر أهمية اللجنين كمادة خام متجددة وقابلة للتحلل الحيوي في النمو بسبب الاتجاه العالمي للتخلص التدريجي من الوقود الأحفوري.
بالنسبة لعامة المستهلكين، فإن تطوير اللجنين يعني أن العبوات وقطع غيار السيارات وكبسولات الأدوية قد تكون مشتقة من الخشب أو النفايات الزراعية، وليس من البترول، في المستقبل. بعض المنتجات المشتقة من اللجنين موجودة بالفعل في السوق.
8. مستقبل المواد القائمة على اللجنين
بلغت القيمة السوقية المقدرة لسوق اللجنين العالمي حوالي 800 مليون دولار أمريكي في عام 2023، ومن المتوقع أن تنمو إلى $ $ $ 1.6 مليار دولار أمريكي في عام 2030. ويبلغ معدل النمو السنوي المركب حوالي 101 تيرابايت تيرابايت 3 تيرابايت. والمجالات التي تشهد أعلى معدلات النمو هي ألياف الكربون والبلاستيك الحيوي وأنظمة توصيل الأدوية النانوية.
التحدي الأكبر في تطوير اللجنين هو عدم الاستقرار في التركيب. يختلف محتوى اللجنين من أصل نباتي أو تقنية استخلاص مختلفة اختلافًا كبيرًا، مما يجعل من الصعب توحيده للاستخدام الراقي. وسيكون أحد المواد الأساسية في الاقتصاد الحيوي إذا أمكن معالجة مشكلة مراقبة الجودة.
وأقربها إلى التسويق التجاري على نطاق واسع حاليًا هو ألياف الكربون القائمة على اللجنين. فقد نجح مختبر أوك ريدج الوطني في إنتاج ألياف الكربون من اللجنين المستخدم في صناعة السيارات. وتقوم شركة فورد موتور وشركة جنرال موتورز باختبار هذه الأجزاء. ويمكن تخفيض وزن السيارة بما يصل إلى 101 تيرابايت في حالة تحقيق إنتاجها على نطاق واسع، ويمكن تحسين كفاءة استهلاك الوقود وفقًا لذلك.
