פלסטיק ימי – לא מה שחשבתם

ראיון עם ד"ר אלכסנדר גולברג, בית הספר לסביבה ולימודי כדור הארץ באוניברסיטת תל אביב. שיטה חדשה ליצירה של PHA, פולימר ביו-מתכלה, פותחה תוך שימוש באצות הגדלות בים הפתוח כמקור הפחמן ליצירת הפולימר. מקור אורגני זה מתקבל ללא הצורך בניצול מי השקיה יקרים וקרקע לגידול שאינם זמינים במקומות רבים בעולם.

פולימרים ביו-מתכלים, ממקור מתחדש, נוצרים על ידי מיקרואורגניזמים המוזנים בחומר אורגני כדוגמת סוכר המופק מקנה תירס. המיקרואורגניזמים מעבדים את מקור המזון האורגני ואוגרים אותו בגופם כביו-פולימר. כך למעשה מייצרים את הפולימר הביו-מתכלה מחומרים מתחדשים, אורגניים, הניתנים לגידול מחדש כאשר לצורך סינטוז הפולימר לא נעשה שימוש כלל במשאבים פוסיליים. אולם, לצד יתרונות אלו קיימת ביקורת ציבורית על השימוש בקרקע יקרה ומים לגידולים חקלאיים, שבמקום לשמש להאכלת אוכלוסיות נזקקות, משמשים לייצור פלסטיק. בנוסף לכך חשוב לזכור כי ברוב העולם קיים חוסר ממשי במשאבים אלו. בין המדינות הסובלות מחוסר זה ניתן למנות את ארצנו הקטנטונת אך גם את הענקיות הודו וסין שצריכת הפלסטיק שלהן עולה בהרבה על זו שלנו.

תגלית ישראלית חדשה, של ד"ר אלכס גולברג מהבית ספר לסביבה ומדעי כדור הארץ ע"ש פורטר ופרופ' מיכאל גוזין מבית ספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב, מצליחה להאיר באור חדש את הבעיה הזו ולספק כיוון לפתרון שיכול להוזיל את עלויות הייצור תוך התחשבות בהעדר המשאבים היקרים, מים להשקיה וקרקע פורייה.

אצות יש לא רק בסושי

ד"ר גולברג, בוגר האוניברסיטה העברית, סיים שני פוסט-דוקטורטים בברקלי ובהארוורד שהתמקדו בהשפעת שדות חשמליים על יישומים ביולוגיים ורפואיים.

ד"ר אלכס גולברג

לצד התמחות זו, הוא פיתח תחום עניין נוסף והמתמקד באצות, שבהן הוא מעיד, עוד התעניין מימי התואר הראשון. "בהתחלה", הוא מספר, "לא היה לי את המימון והתשתיות לעבוד עם אצות באופן ניסויי ולכן התמקדתי במחקר תיאורטי בלבד". על מחקר זה קיבל ד"ר גולברג את פרס ה-Green Talent ממשלת גרמניה שעודד אותו להמשיך ולהתמקד במחקר בנושא.

גישתו החדשנית של גולברג מנסה לייעל את תהליך הייצור של ביו-פולימרים ממקור מתחדש תוך שימוש באצות הגדלות במי ים כמקור המזון של המיקרואורגניזמים. היתרון בשימוש באצות גדול. הן אינן צורכות מי השקייה מתוקים אלא מי ים הקיימים בשפע. בנוסף, הגידול עצמו יכול להתבצע בים עצמו ישירות ולא על פני האדמה וכך משאב הקרקע היקר אינו מתבזבז.

גידול אצות אינו המצאה חדשה אך השימוש בהן למטרה זו הוא החדשני (תמונה 1). בכל שנה מיוצרים 30 מיליון אצות בים המשמשות בעיקר להפקת פולימרים מסמיכים לתעשיית המזון, אגר וקרגינן. רוב הגידול מתרחש בסין, אינדונזיה והפיליפינים ושותפים לו עשרות מיליוני חקלאים קטנים. שאר רכיבי האצה, המהווים כ-90% מהביומסה שלה, נזרקים, ללא כל שימוש נוסף.

סוגי שונים של אצות הגדלות במי ים.

50 זנים של אורגניזמים המייצרים פלסטיק

המחקר שהתפרסם משותף לד"ר גולברג ולפרופ' מיכאל גוזין מאוניברסיטת תל אביב. העבודה בוצעה במימון קרן המשותפת לאוניברסיטת תל אביב ומרכז המחקר האזורי של כפר קרע. לפרויקט שותפים שני סטודנטים מוכשרים: סופרטים גוש, פוסט-דוקטורנט מהודו ורימאה גנאים, דוקטורנטית מכפר קרע.

"כל תהליכי הייצור שלנו", מספר ד"ר גולברג, "מבוססים על גידול במים מלוחים. סביב מטרה משותפת זו בנינו קבוצה של חוקרים אליה שייכים עמיתים מהפקולטה להנדסה, כימיה ובית הספר למדעי הסביבה וכדור הארץ. אנחנו מתייחסים לאצות כחומר גלם נהדר המספק לנו רכיבים רבים: מלחים, חלבונים, עמילן, צלולוז, שומנים, פיגמנטים ופולימרים מיוחדים. ניתן להפריד את הביומסה של האצה לרכיבים השונים ולהשתמש בהם בצורה מלאה, בניגוד לנעשה כיום".

על מנת שהאצות שגודלו במי ים אכן יוכלו לשמש כמזון יש להגיע להתאמה בינן ובין המיקרואורגניזמים הצורך אותם להפקת הפולימר הביו-מתכלה. סדרה של בקטריות וארכאיות נסרקו וכרגע כבר נמצאו 50 זנים המסוגלים לצרוך את האצה ולייצר ממנה פולימר. מיקרואורגניזמים אלו מסוגלים לייצר פולימר במשקל של עד 80% ממשקלם היבש.

הפולימרים שנוצרים, Polyhydroxyalkanoates) PHA) – מהווים משפחה רחבה של פולימרים אסטריים שייחודם הוא היציבות הטרמית שלהם והיכולת שלהם לעבור קו-פולימריזציה המגדילה את מגוון הפולימרים הסופי המתקבל (תמונה 2). ניצולת התהליך, בין משקל האצה היבשה ובין משקל ה-PHA המתקבל בסוף התהליך עומד על 11% – מספר גבוה לכל הדעות.

תמונה 1: פולימר PHA שהופק מאצת Cobetia

חשוב לציין כי תהליך זה אינו מצריך הפרדה של האצה לרכיביה השונים, והוא פשוט לביצוע. הביו-פולימר PHA מיוצר כבר היום בצורה תעשייתית אך בגלל מחירו הגבוה הוא אינו אטרקטיבי ואינו נפוץ בשימוש. יתכן ופריצת דרך זו תוביל להוזלה משמעותית בעלות ייצורו ולשימושים נרחבים יותר בו בתעשייה.

ומה בעתיד?

בהמשך המחקר מתוכנן אפיון מדויק לקשר בין האצה, כמקור מזון, ובין הפולימר הנוצר בכל אחד מהמיקרואורגניזמים. את האצה ניתן לספק בשלמותה, או להפרידה לרכיביה השונים, כאשר לכל שינוי במזון יש השפעה על הביו-פולימר הנוצר ועל יעילות התהליך (תמונה 3). כך תיבנה "ספריה" המאגדת אורגניזמים, מזונות שונים המופקים מאצות והתוצר הסופי – הפולימר המתקבל.

מטרה נוספת להמשך היא שיפור הגידול התעשייתי של האצות. “תנאי האקלים שלנו פחות מתאימים לגידול אצות בים", מסביר ד"ר גולברג, "על ידי פיתוח חממה ימית, הנוצרת משינוי פרמטרים פיזיקליים בסביבת הגידול, אנחנו מסוגלים להתאים את תנאים ולהפכם מתאימים לגידול תעשייתי. מעבר שכזה לגידול תעשייתי יאפשר הפקה של מאות קילוגרמים של PHA לצורך ניסויים תעשייתיים. בתחזית אופטימית, בעוד כשנתיים אנחנו רוצים לייצר קילוגרמים בודדים של PHA ביום ואז נוכל לענות בצורה טובה יותר על ההיבטים הכלכליים והתפעוליים של הפרויקט", הוא מסכם.

תמונה 2: סוגי הסוכר המופקים מאצות שונות. מקור: A. Robin et al, Algal Research V.28, Dec. 2017.

מחפשים שיתופי פעולה עם התעשייה

במעבדה של ד"ר גולברג מחפשים דרך לקדם את המחקר קדימה תוך אפשרות לשיתופי פעולה עם התעשייה. האפשרויות להשתלבות במחקר מגוונות: ראשית, קיימת דרישה לסטודנטים להנדסה לתארים מתקדמים בתחומי הכימיה, ביוכימיה וביוטכנולוגיה לצורך המשך המחקר המעבדתי. בנוסף, יש רצון לבצע Scale-up לאופן גידול האצות בחופי הארץ ולהפקת PHA בכמויות גדולות יותר שיאפשרו לבצע בו ניסויים בכלים המקובלים בתעשייה.

מסתבר שהחיבור בין פלסטיק למי ים, יכול להיות גם חיובי ומעניין, ולקדם אותנו ליצירת סביבת חיים ירוקה התואמת את חזון הכלכלה המעגלית והדרישה לקיימות. נאחל לד"ר גולברג הצלחה בהמשך.

ליצירת קשר: ד"ר אלכסנדר גולברג, אוניברסיטת תל אביב [email protected]