التقنيات الخضراء المتقدمة لاستغلال الشرش بشكل مستدام في صناعة الألبان
يُعدّ شرش اللبن الناتج الثانوي (By-product) الرئيسي الناتج عن عمليات تصنيع الأجبان والكازين ويُمثّل في الوقت ذاته تحديًا بيئيًا مزدوجًا وركيزة غذائية فائقة القيمة في أنظمة الألبان الحديثة. تكمن الإشكالية البيئية للشرش في حجمه الضخم وحمله العضوي العالي حيث يحتوي على نسب مرتفعة من سكر اللاكتوز والبروتينات (Whey Proteins) مثل (α-Lactalbumin) و (β-Lactoglobulin) والكتلة المعدنية. ويؤدي تصريف هذا الناتج دون معالجة إلى ارتفاع حاد في قيم الطلب الحيوي للأكسجين (Biochemical Oxygen Demand - BOD₅) والطلب الكيميائي للأكسجين (Chemical Oxygen Demand - COD) مما يُسبب تدهورًحادً للنظم البيئية المائية.
يستعرض هذا المقال التحول التكنولوجي من نماذج التخلص التقليدية والإدارة الخطية للنفايات إلى استراتيجيات الاستغلال المتكامل القائمة على المصافي الحيوية المتقدمة (Biorefineries) والتكنولوجيا الخضراء . وتسليط الضوء على تقنيات الفصل الغشائي والاستخلاص الأخضر والتحويل الحيوي الميكروبي وإنتاج الطاقة والمواد الحيوية وصولاً إلى دمج هذه التقنيات ضمن أنظمة إنتاج خالية من النفايات (Zero-Waste Systems) لتطبيق مبادئ الاقتصاد الحيوي الدائري (Circular Bioeconomy) في صناعة الألبان.
التأثيرات البيئية والأبعاد الكيميائية الحيوية (Biochemical & Environmental Impacts)
تنشأ المخاطر البيئية الناتجة عن التخلص المباشر من شرش اللبن من معدلات الأكسدة الحيوية السريعة لمكوناته:
- نقص الأكسجين المائي (Aquatic Hypoxia & Anoxia): تستهلك الكائنات الدقيقة الأكسجين الذائب (Dissolved Oxygen - DO) في المسطحات المائية لتفكيك اللاكتوز والبروتينات مما يؤدي إلى انخفاض DO إلى مستويات حادة تُهدد الأحياء المائية بالتسمم والاختناق.
- التحلل اللاهوائي الثانوي (Secondary Anaerobic Decomposition): في حال غياب الأكسجين تتحول ميكروبيولوجيا المسطحات المائية إلى المسار اللاهوائي مما ينتج عنه انبعاث مركبات غازية كريهة وسمّية مثل كبريتيد الهيدروجين (H₂S) والميثان (CH₄) والمركبات الفينولية الطيارة.
- التأثير على ملوحة وتربة الأراضي (Soil Salinization & Eutrophication): يودي التخلص العشوائي في التربة إلى خلل في التوازن الإيوني نتيجة ارتفاع تركيز أملاح الصوديوم والكالسيوم والبتاسيوم إضافة إلى ظاهرة التخصب الفائض (Eutrophication) في الموارد المائية.
استرداد الموارد والتقييم الحيوي (Valoric Transformation)
شهدت الصناعات الغذائية إعادة تعريف للشرش من مجرد نفايات سائلة إلى ركيزة حيوية متكاملة وتكمن القيمة العلمية للشرش في محتواه الكيميائي الفريد حيث يتكون الشرش الخام من مجموعة من المركبات القيمة التي يمكن استغلالها صناعياً . إذ يمثل اللاكتوز ركيزة أساسية لعمليات التخمر الحيوي وإنتاج البوليمرات الحيوية بينما تُستخلص من بروتينات الشرش الببتيدات النشطة حيوياً والمُركّزات البروتينية. كما تُستغل الأحماض الأمينية والأملاح المعدنية كمغذيات ميكروبية ومكملات غذائية إلى جانب حمض اللاكتيك والركائز الصغرى التي تُحول إلى مركبات وظيفية عالية القيمة.
التقنيات الخضراء المتقدمة لاستغلال الشرش (Advanced Green Technologies)
أولا: المصافي الحيوية الغشائية المتكاملة (Integrated Membrane Biorefineries)
تعتمد المصافي الحيوية للشرش على الفصل التدرجي للمكونات باستخدام تقنيات الأغشية ذات الضغط المتدرج دون الحاجة لإضافة مواد كيميائية مما يحافظ على السلامة التركيبية للمركبات:
- الترشيح الدقيق (Microfiltration - MF): يُستخدم لإزالة الدهون المتبقية والكائنات الدقيقة وتوضيح الشرش.
- الترشيح الفائق (Ultrafiltration - UF): يُركّز بروتينات الشرش للحصول على مُركّزات بروتين الشرش ومعزولات بروتين الشرش.
- الترشيح النانوي (Nanofiltration - NF): يُستخدم لإزالة الأملاح الجزئية وتجميع وتكثيف اللاكتوز.
- التناضح العكسي (Reverse Osmosis - RO): يُركّز السائل المتبقي وتسهيل استعادة المياه النقية لاستخدامها داخل المنشأة (Water Recycling).
ثانيا: تقنيات الاستخلاص الأخضر والمعالجات الفيزيائية الحديثة
تعتمد هذه التقنيات على خفض استهلاك الطاقة وزيادة كفاءة استرجاع المركبات الوظيفية
- الموجات فوق الصوتية المتقدمة (Ultrasound-Assisted Extraction & Processing):
تعتمد هذه التقنية على ظاهرة التكهف التخلخلي (Acoustic Cavitation). تدمير الدوائر الجزيئية غير المرغوبة وزيادة نفاذية الأغشية يُعززان نقل الكتلة وتفكيك التجمعات البروتينية لزيادة ذائبيتها وقابليتها للهضم فضلاً عن تسريع التحلل الإنزيمي لحصول على الببتيدات النشطة حيوياً.
- الميكروويف الحراري الموجه (Microwave-Assisted Thermal Processing):
يوفر تسخينًا حجميًا سريعًا وتجانسًا حراريًا مما يقلل من الفقد الحراري ويحافظ على البروتينات الحساسة للحرارة مقارنة بالتسخين التقليدي.
- معالجات الضغط الهيدروستاتيكي الفائق (HPP) والتجنيس التجويفي الديناميكي (HPH):
تُعد هذه التقنيات غير الحرارية أداة متقدمة لتعديل البنية الفراغية لبروتينات الشرش حيث يُساهم الضغط العالي وقوى القص والتكهف التخلخلي (Cavitation) في تفتيت التجمعات البروتينية وإعادة تشكيل روابطها الهيكلية دون التأثير على قيمتها الغذائية. يُعززهذا التعديل البنيوي الخصائص الوظيفية للبروتينات مثل زيادة القدرة على التغوير (Foaming) والتحسين من كفاءة المستحلبات (Emulsification) وتشكيل الهلام (Gelling) مما يرفع من قيمتها التطبيقية في الصناعات الغذائية.
ثالثا : التحويل الحيوي الميكروبي والإنزيمي (Microbial & Enzymatic Biotransformation)
يُمثل التخمر الميكروبي الموجه أداة رئيسية لتحويل سكر اللاكتوز إلى مركبات عالية القيمة
- إنتاج الببتيدات النشطة حيوياً (Bioactive Peptides):
يتم الاستعانة بالتحلل الإنزيمي الموجه أو التخمر ببكتيريا حمض اللاكتيك (LAB) لإنتاج ببتيدات ذات خواص مضادة للأكسدة ومضادة لضغط الدم ومضادة للميكروبات.
- بروتين أحادي الخلية (Single-Cell Protein - SCP): استخدام الفطريات والخمائر لاستغلال اللاكتوز كمصدر كربوني وإنتاج كتلة حيوية غنية بالبروتين تُستخدم في الأعلاف والأغذية.
- الأحماض العضوية والإنزيمات الصناعية: إنتاج حمض اللاكتيك وحمض السيتريك بالإضافة إلى الإنزيمات الميكروبية.
رابعا: استرجاع الطاقة الحيوية والأنظمة اللاهوائية (Bioenergy Recovery & Anaerobic Conversion)
يُعد الهضم اللاهوائي المتقدم تقنية محورية لمعالجة مياه الشرش عالية الحمل العضوي
- أنظمة مفاعلات التدفق الصاعد اللاهوائية (UASB Reactors):تُوفر كفاءة عالية في تحويل المادة العضوية الموجودة في الشرش إلى غاز حيوي يحتوي على نسبة عالية من الميثان (60–70%
) حيث يمر السائل صعوداً عبر كتلة ميكروبية كثيفة تعمل على تفكيك المركبات العضوية وتحويلها إلى طاقة متجددة بكفاءة عالية. - إنتاج الهيدروجين الحيوي (Biohydrogen Production): عبر عمليات التخمر المظلم (Dark Fermentation) كخطوة أُولى قبل مرحلة إنتاج الميثان لتحقيق أقصى كفاءة لاسترداد الطاقة.
خامسا: إنتاج المواد والبوليمرات الحيوية القابلة للتحلل (Biopolymers & Biomaterials)
يُشكل تحويل الشرش إلى بلاستيك حيوي بديلًا مستدامًا للمشتقات البترولية
- بوليمر حمض البولي لاكتيك (Polylactic Acid - PLA): يتم تخمير اللاكتوز إلى حمض اللاكتيك ثم بلمرته لإنتاج PLA المستخدم في تغليف الأغذية القابل للتحلل الحيوي.
- البولي هيدروكسي الكانوات (Polyhydroxyalkanoates - PHAs): تراكم بعض البكتيريا المعدلة حيوياً لمادة PHAs كاحتياطي طاقة عند تغذيتها على الشرش وتُستخدم هذه البوليمرات في تطبيقات التعبئة والتغليف والطب الحيوي.
أنظمة إنتاج خالية من النفايات وتطبيقات الاقتصاد الدائري
تستهدف النماذج الصناعية الحديثة دمج التقنيات الخضراء ضمن منظومة متكاملة تُعرف بالمصفاة الحيوية المغلقة. تبدأ هذه المنظومة بمعالجة شرش اللبن الخام عبر الفصل الغشائي المتدرج لفصل مكوناته الرئيسية إلى مسارين أساسيين:
- مسار البروتينات: يتم فصل مُركّزات و بروتين الشرش (WPC/WPI) ثم معالجتها بالموجات فوق الصوتية والتحلل الإنزيمي الموجه لإنتاج ببتيدات عالية القيمة ونشطة حيوياً.
- مسار اللاكتوز: يتم استغلال المحلول السكري المتبقي في اتجاهين متوازيين الأول عبر التحويل الحيوي الميكروبي لإنتاج البوليمرات الحيوية القابلة للتحلل مثل (PLA) و(PHAs) والثاني عبر الهضم اللاهوائي للمخلفات السائلة المتبقية لإنتاج الغاز الحيوي الغني بالميثان ().
يضمن هذا التكامل التقني الاستغلال الشامل لكافة مكونات المادة الخام مما يُسهم في خفض الانبعاثات الكربونية وتقليل الحمل العضوي السائل إلى ما يقارب الصفر (Zero-Liquid Discharge - ZLD).
التحديات والتوجّهات المستقبلية
على الرغم من الفوائد البيئية والاقتصادية للتقنيات الخضراء إلا أن هناك عدة عقبات تقنية واقتصادية تستدعي التفكير العلمي والبحثي المستمرمنها
- التكاليف الاستثمارية التشغيلية: ارتفاع أسعار الأغشية المتقدمة والمعدات
- ظاهرة انسداد الأغشية: ترسب البروتينات والأملاح على أسطح الأغشية مما يقلل التدفق الكلي ويستدعي دورات غسيل كيميائي مكثفة.
- التغير الكيميائي للشرش: اختلاف تركيب الشرش باختلاف موسم الحليب ونوع الجبن والمُعاملات الحرارية الأولى.
- تقييم دورة الحياة (Life Cycle Assessment - LCA): حاجة الصناعة إلى دراسات تقييم دقيقة لبيان الأثر البيئي الحقيقي مقارنة باستصلاح الطاقة والمنتجات.
ختاما : يمثل استغلال الشرش فرصة استراتيجية لتحويل أحد أبرز التحديات البيئية في صناعة الألبان إلى مصدر للقيمة المضافة. فمن خلال تبني التقنيات الخضراء يمكن تحويل هذا المخلف إلى منتجات غذائية وطاقة ومواد حيوية.ولا يقتصر هذا التحول على كونه تقدمًا تكنولوجيًا بل يعكس تحولًا هيكليًا نحو الاقتصاد الحيوي الدائري حيث تصبح الاستدامة والابتكار محورين رئيسيين في تطوير الصناعات الغذائية.
المراجع
- FAO. (2023). Dairy processing and environmental impacts: Global assessment report. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome.
- Kuo, Y. H., Lin, C. S. K., & Chen, H. (2024). Production of bioactive peptides from whey protein through microbial fermentation. RSC Sustainable Food Technology, 2(3), 456–468.
- Moravej, H., Zareian, M., & Shokrollahi, B. (2024). Production of single-cell protein from dairy waste using microbial fermentation. Industrial Biotechnology, 20(2), 89–101.
- Prazeres, A. R., Carvalho, F., & Rivas, J. (2012). Cheese whey management: A review. Journal of Environmental Management, 110, 48–68.
- Smith, J., Anderson, L., & Gupta, R. (2024). Dairy biorefineries: A sustainable approach for whey valorization. Journal of Cleaner Production, 412, 137456.
- Waseem, M., Ali, S., Khan, M. K., & Hussain, A. (2024). Green extraction technologies for recovery of bioactive compounds from dairy waste. Food Chemistry, recovery of bioactive compounds from dairy waste 430, 137085.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
*رئيس بحوث بقسم بحوث تكنولوجيا تصنيع الألبان - معهد بحوث تكنولوجيا الأغذية