المعالجة المتجددة، البديل الأخضر (الطبيعى)

المستقبل الأخضر


استخدام الأيثانول الحيوى في تصنيع المذيبات الصناعية:
شركة ديفى تستخدم تكنولوجيا جديدة، جائزة ماك روبرت عام  2006 حيث صممت معالجة صناعية لمادة خلات الايثيل باستخدام مفاهيم بيئية وهندسية غير مسبوقة. يصف مايك اشلي من شركة ديفى كيف تمكنوا من استبدال المصادر غير المتجددة بمواد حيوية متجددة فى صناعة البتروكيماويات.
قبل ثمانية أعوام تمكنت (شركة ديفى للمعالجة التكنولوجية) من تصميم طريقة مبتكرة لتصنيع خلات الإيثيل حيث تمكنت من نقل المفاهيم المعملية إلى التنفيذ التجاري في وقت قياسي بفضل اتباع نهج ابتكارى لتعزيز التكنولوجيا. خلات الايثيل مذيب صناعي هام تستخدم في أحبار الطباعة والطلاء. في العام الماضي بلغت مبيعات العالم 1.5 مليون طن، الطريقة النموذجية لتصنيع خلات الإيثيل تتم بتفاعل الإيثانول (الكحول الاثيلي) مع حمض الخليك، وعادة يتم تصنيع هذه المواد من الموارد الهيدروكربونية مثل الغاز الطبيعي. 
علماء الكيمياء في معمل أبحاث فى ستوكتون-اون-تيز يعملون على طرق وأساليب لرفع جودة الكحولات من خلال عملية هدرجة الأسترات (وهى فئة من المركبات تشمل خلات الايثيل) ولاحظوا أنه مع وجود الحافز المناسب يمكن عكس التفاعل مع إمكانية تطبيقة لصنع خلات الايثيل من الايثانول فقط.
على الرغم من أن هذا يبدو بسيطًا حيث بشرت عملية الهدرجة بامكانية تحقيق نجاح تجاري، لا يبدو أن ثمة حاجة ملحة لهذه العملية. التكنولوجيا التقليدية أو المتاحة حاليًا جاذبة من الناحية الاقتصادية ومن ثم تأجيل هذه العملية لفترة قصيرة. ثم في منتصف التسعينات رأينا فرصة لإحيائها. شركة من جنوب إفريقيا تدعى ساسول حيث كنا نعمل معًا ذكرت أنه يوجد لديها مخزونات كبيرة من الإيثانول حيث تم صنعها كمنتج ثانوي. أدركنا أننا يمكن أن نستخدم المخطط التفاعلي الذى ابتكرناه لتحويل الايثانول إلى خلات الايثيل وهو خيارًا اقتصاديًا لاقى اهتمام من قبل ساسول.

عملية مبتكرة:
وتتضمن هذه الطريقة تقنيات أو أساليب هندسية كيميائية، حيث يتطلب هذا الحل مزيجًا من أبحاث الهندسة الكينيائية الأساسية وتطبيق تقنيات التصميم للحصول على أكبر عائد ممكن .
وهذا يتطلب أيضًا البحث عن أفضل عامل حفز وتهيئة شروط التفاعل لتقليل تكوين النواتج الثانوية، العامل الحفاز الذى تم تطويره حقق هدف الاختيارية ومعدل التحول للتفاعل. تم أيضًا اختيار شروط التفاعل بحيث تدعم المواد الناتجة والتي تكون دائمًا في حالتها البخارية.
الحل الثاني لمواجهة هذه المشكلة هو تنقية خلات الايثيل، حيث إنه من المعروف أن عملية التقطير لا تستطيع فصل الإيثانول عن الماء بشكل كامل، حيث يمكن الحصول فقط على كحول نقى بنسبة ستة وتسعون في المائة، وهذا لأن العنصرين يشكلان نقطة غليان واحدة مما يعني أن المزيج لا تتغير عندما يغلي ويتحول إلى بخار. يشكل أيضًا المزيج من مادتى خلات الايثيل والايثانول نقطة غليان واحدة وكذلك خلات الايثيل والماء مما يجعل من الصعب فصلهم. 
تم إيجاد حل يعتمد على حقيقة أن هذه التراكيب تختلف درجة غليانها مع الضغط، ويتم ذلك بواسطة اثنين من أعمدة التقطير جنبًا إلى جنب تحت ضغوط مختلفة حيث يتم تمرير التقطير بين الأعمدة لفصل منتج نقي بطريقة فاعلة (خلات الايثيل) في عمود، وإيثانول لأغراض إعادة التدوير في العمود الآخر.
وهناك مشكلة أخرى ظهرت على السطح. حيث يتضمن الناتج من التفاعل  بعض النواتج  العضوية الثانوية والتي لم تفلح معها عملية التقطير
تم حل هذه المشكلة عن طريق خطوة تفاعل ثانوية تسبق عملية التقطير الهدرجة الاختيارية لهذه الشوائب لكي تعود إلى الايثانول، وهذا يتطلب تطوير عامل حفاز آخر.

من البداية إلى النهاية :
وبالتالي، فإن هدفنا النهائى يتمثل في عدة خطوات عملية، يتم تسخين الايثانول أولاً ثم يتم تبخيره قبل عملية الهدرجة من خلال مفاعل حفاز متعدد الطبقات، لأن التفاعل ماص للحرارة يتم إعادة تسخين البخار مرة أخرى بين طبقات العامل الحفاز المختلفة للحفاظ على درجة حرارة التفاعل.
بعد ذلك يتم فصل المنتج الخام السائل من التيار المتدفق البارد، حيث يتضمن تيار البخار العلوى الهيدروجين، الإيثانول مع الهيدروجين يتم استخدامهم لاستعادة الشوائب العضوية (الهيدروجين نفسه يعتبر سلعة ثمينة)
بعض من كمية الهيدروجين المتبقية تستخدم فى عملية الهدرجة الانتقائية لتنقية الشوائب, بما أن هذه الخطوة تولد حرارة فينبغي إعادة تصميم نظام لضمان عدم تكوين نقاط ساخنة والتى تسبب تدهور للعامل الحفاز. وهذا يعني أيضًا التأكد من توزيع المواد المتفاعلة بشكل متساوى على طبقات المفاعل وكذلك ينبغى أن يكون العامل الحفاز رطب.
التيار الخارج من المفاعل من خلال عملية الهدرجة يحتوي بشكل أساسي على خلات الايثيل والايثانول غير المتفاعل وكميات صغيرة من الماء، حيث يمر عبر نظام التقطير بالضغط  لفصل الناتج في صورة نقية، يتم  فصل الإيثانول الذي لم يدخل في التفاعل لأغراض إعادة التدوير .
الوحدات الصناعية الصغيرة:

عادة اختبار عمليات جديدة في مصنع تجريبي يمكن أن تكلف عشرة ملايين جنيه تستغرق عدة سنوات للتصميم والبناء. ومع ذلك، قد تمكنوا من إثبات جدوى تجارية لهذه الوحدة الصناعية الصغيرة واسعة النطاق بسرعة وبفعالية من حيث التكاليف. هذه المختبرات تشمل جميع عناصر تصميم المصانع التجارية وتخضع لنفس شروط التفاعل الكيمائية والفيزيائية ولكن تعمل على نطاق ربع مليون من الحجم النهائي، وعلى نفس منوال المصانع التجارية يتم تشغيل هذه الوحدات الصناعية الصغيرة بشكل مستمر وكذلك تحتوي على نفس المعدات أو الأجهزة.
الخطوات الرئيسية لهذه العملية تتم في تكامل وتناغم لكي تسمح بتقييمها ثم تحسينها لاحقًا.
الوحدات الصناعية  الصغيرة  تحاكى نفس هذه العملية في المصانع ذات الطابع التجارى حيث تشمل جميع مراحل إعادة التدوير، حيث توفر بيانات كاملة عن كفاءة خطوات التفاعل وأداء العامل الحفاز في خلال مدة طويلة وفاعلية فصل النواتج عن بعضها كما هو الحال بالنسبة لمصنع كامل، يتم أيضًا  فحص كل عنصر على حدى واختباره قبل أن يتم توصيل النظم بعضها ببعض. غالباً ما قد تكون هذه الوحدات الصناعية الصغيرة تحتوى على أجهزة أكثر شمولاً في مجالات رئيسية من المصانع التقليدية، وأيضًا  والسماح لكل عملية وحدة للمعايرة كجزء من برنامج التشغيل.

النتائج المترتبة على هذه الوحدات الصناعية الصغيرة: 
والنتيجة هى ثروة من البيانات التى تسمح بأن يتحدد أداء المحطة  بأكملها بدقة. ويتمثل أحد الجوانب الرئيسية هي تقييم هذه النتائج حيث إنه يتم أولًا اختبار كل قطعة من المعدات بدقة للتحقق من توافر الشروط المطلوبة ويتم أيضًا إجراء محاكاة بواسطة الحاسب الآلى للعملية بأكملها. وهذا يسمح لنا وضع استراتيجية للتشغيل وكذلك أن يتم الأخد بعين الاعتبار الظروف المتغيرة كيف أن جزء واحد من الوحدة الصناعية يمكن أن  يؤثر على عمليات في أماكن أخرى، على سبيل المثال خطوات إعادة التدوير. ولهذه الاستراتيجية دور حاسم فى بناء نموذج عملية شاملة من شانها أن تتيح لنا تحديد ظروف التشغيل الأمثل، مع مراعاة مدى موثوقية، واتساق المنتج وطول عمر الاستخدام  للعوامل الحفازة. كان الانتهاء من هذه المرحلة التي قدمت لنا الثقة والتوصية للاستثمار الرأسمالي في الوحدة الصناعية الخاصة ب خلات الايثيل في غضون 18 شهرًا من بدء المشروع.

أسواق جديدة:
من خلال البيانات التي تم الحصول عليها من الوحدات الصناعية، تم إعداد مجموعة من التصاميم الندسية الأساسية وتم استخدامها من خلال متعهد اختياره وهو متخصص في أعمال الهندسة والبناء الخاص بالوحدات الصناعية التجارية، ساسول قامت باستكمال بناء وحدة صناعية خاصة بخلات الايثيل في سيكوندا الواقعة في جنوب أفريقيا عام 2001، ويتم ضمان أيضًا جودة الإنتاج في مخطط المشروع في خلال يومين فقط من بدء المشروع وتستمر لإنتاج خمسون ألف من مادة خلات الإيثيل سنويًا. لقد أدركنا أنه يمكن تحقيق الاستفادة القصوى من هذه العملية من خلال استخدام الايثانول الحيوي، ولحسن الحظ أخذت الصناعة الكيميائية في الصين بالنمو سريعًا وأصبح ذلك هو السوق المنشود لهذه الصناعة. قمنا بتشغيل وحدتنا الصناعية الصغيرة مرة أخرى ولكن باستخدام ايثانول تم الحصول عليه بواسطة التخمير والذي له تشكيل مختلف للشوائب من الإيثانول المتكون من المصادر التي تعتمد على الوقود الأحفورى. 
في الوقت الراهن، يجرى الانتهاء من محطتين لاستخدام الإيثانول الحيوي في الصين، واحدة منهم لإنتاج 50 ألف طن والأخرى لإنتاج 100 ألف طن من خلات الإيثيل فى السنة.

المستقبل الأخضر:
في أقل من عشر سنوات، فإن هذه التكنولوجيا قد اقتربت من المفهوم النظري إلى التشغيل التجاري. وهو يمثل الآن 15 في المائة من القدرة الإنتاجية العالمية لخلات الايثيل. تم تفضيل خلات الإيثيل عن المركبات العضوية الأخرى ذت الطبيعة المتطايرة لاستخدامه كمذيب صناعي، وارتفع الطلب في السنوات الأخيرة ويمكننا أن نتوقع أن يستمر هذا الاتجاه. على الرغم من أن هناك عددًا من طرق الإنتاج الأخرى لخلات الإيثيل، إلا أنها تعتمد في نهاية المطاف على المواد الخام غير المتجددة أساسًا كالغاز الطبيعي أو الإيثيلين. وبالإضافة إلى ذلك، أنها تنطوي على عدة خطوات، مع كل أوجه القصور والعديد من النواتج الثانوية.
فائدة هذه العملية الجديدة هى أن الايثانول هو المادة الخام الوحيدة التى يتم انتاجها بواسطة التخمر بعد أن يتم استخدامه كمذيب حيث تتبخر خلات الايثيل ويتم تكسير البخار عن طريق الأشعة فوق البنفسجية في الجو إلى ثاني أكسيد الكربون وماء. وبما أن المصدر الأصلى للكحول الإيثيلى هو ثاني اكسيد الكربون في الغلاف الجوى حيث يتم تثبيت نسبته في الغلاف الجوى عن طريق النباتات لذلك لا فائدة ملحوظة لثاني أكسيد الكربون. وعلاوة على ذلك، يعد فقط الهيدروجين هو الناتج الثانوي الذي له قيمة حقيقية.
ونحن على ثقة من أن هذه التكنولوجيا تؤدي إلى مزيد من التطورات في المجال الطبيعي في التصنيع الحيوي في المستقبل.



السمات الرئيسية لعملية خلات الايثيل:
- عملية نزع ذرات الهيدروجين للكحول الإيثيلي من مصادر بيولوجية متجددة وتحويلها إلى خلات الايثيل كمذيب صديق للبيئة، والنتيجة هي الحصول على كربون متعادل.
- الهدرجة الانتقائية لتحويل النواتج الثانوية إلى كحول باستخدام عامل حفاز ذو طبيعة اختيارية عالية.
- الناتج الثانوى الوحيد الذي يعتبر صديق للبيئة وذو نفع هو الهيدروجين.
- بداية استخدام عملية التقطير بالضغط حيث إنها عملية مبتكرة وذو فعالية لتصنيع منتج نقي.
- استخدام المحطات الصناعية الصغيرة على النحو الأمثل فى هذه العملية مما يوفر الوقت والمال.

السيرة الذاتية لمايك أشلي:
تركز المسار المهنى لمايك اشلى على عملية التنمية في استخراج المعادن، والهندسة الكهروكيميائية، المعالجة البيولوجية والبتروكيمياويات حيث قضى عدة سنوات في شركة جون براون، وانخرط في تطوير التكنولوجيا وتطوير مجال ريادة الأعمال قبل الانضمام إلى شركة ديفي ويوجه اهتمامه حاليًا إلى اقتناء التكنولوجيا والتسويق وجوانب العلاقات العامة الخاصة بالشركة ومايك أيضًا زميل مؤسسة المهندسين الكيميائيين.