קשיות שתייה מתכלות
קשיות שתייה מפלסטיק נהפכו לנפוצות ופופולריות מאוד, אך המודעות לנזק הסביבתי של הפלסטיק הביאה למאמצים גלובליים לפיתוח חלופות מתכלות שיחליפו את החומר מבוסס הנפט. כיום יש פתרונות רבים כגון קשיות מנייר או מפולילקטיד (PLA), אך הם עדיין לא טובים ברמה מספקת ובעלי חסרונות פיזיים וסביבתיים מהותיים.
בשביל להחליף קשיות פלסטיק באופן יעיל באמת, נחוצים חומרים מתכלים וידידותיים לסביבה שהם בעלי עמידות מכנית ועמידות בפני מים. מחקרים התמקדו בשיטות בסיסיות לייצור קשיות בריאות יותר לסביבה ממקורות ביומסה כגון עץ, במבוק ובאגס (שאריות קני סוכר). שיטות אלה כוללות טיפול כימי, פירוק מכני והומוגניזציה בלחץ גבוה, אך תהליכים אלו מצריכים שימוש רב בכימיקלים, באנרגיה ובמים, והדבר פוגע בערך הסביבתי שלהם. לעומת זאת ייצור בגישה של "מלמעלה למטה" מאפשר פתרון יעיל יותר: באמצעות שימור מבנה החומר הטבעי, מתקבלת עמידות טובה יותר למים ולמאמצים מכניים, תוך עיבוד מינימלי התואם את עקרונות הייצור בר-קיימה.
במסגרת הפיתוח נחתכה פרוסת עץ מדובללת לרצועות בגודל 15x3 ס"מ. הפרוסות הושרו בתמיסת כיטוזן. זו חדרה אט-אט למבנה המיקרופורי של העץ בתהליך הוצאת מולקולות של גז חוזר בלחץ של 100 פסקל. לאחר ספיגת הכיטוזן נגללו הרצועות סביב מקלות נירוסטה (בקוטר 5.5 מ"מ) ויובשו באוויר בטמפרטורת החדר. להגברת היציבות במים ובמשקאות, הקשיות עברו ייבוש בחום של 150 מעלות צלזיוס למשך שעתיים. בתהליך גם הופקה חומצה אצטית שיורית. נוסף על כך יושמה טכניקה של שינוי צורה במים ליצירת מפרקים גמישים דמויי "אקורדיון", שהוסיפו גמישות למוצר.
תכונות החומר נבדקו במצבו הטבעי ולאחר עיבוד באמצעות מיקרוסקופ למציאה וזיהוי של אלקטרונים (FESEM) וסימנים מכניים של מאמצי מתיחה וביצוע בדיקות ציטוטוקסיות. הדמיית FESEM הראתה שכבות כיטוזן צפופות המצפות את פני השטח והשכבות הפנימיות של העץ. שכבות אלה שיפרו מאוד את החוזק המכני והעמידות למים הודות לקשר חזק בין סיבי התאית לכיטוזן ולתכונותיו ההידרופוביות של הכיטוזן. במבחנים מכניים, הקשיות היו חזקות פי 5.5 מפרוסות עץ טבעי, פי 12.4 מפוליפרופילן ופי 18.8 מנייר מצופה בשעווה. נוסף על כך לקשיות הייתה קשיחות גבוהה פי 5.8 מעץ טבעי.
לאחר תהליך האפייה, הקשיות שמרו על יציבותן גם לאחר שני ימי השריה במשקה מוגז חומצי ללא התרככות או התפרקות. בבדיקות של כמות הרעל וחומרים טוקסיים בתאים, רמות אנזים LDH שהופרשו מהקשיות היו דומות לאלו של קבוצת הביקורת השלילית ונמוכות בהרבה מקבוצת הביקורת החיובית. הדבר מלמד שהקשיות אינן משחררות חומרים רעילים. לעומת זאת לתמציות עץ טבעי, לפני שהוא עבר את תהליך הדבלול, היו רמות רעילות גבוהות יותר.
לקשיות הגמישות מסוג "אקורדיון" שהוכנו בשיטת עיצוב במים הייתה עמידות לכיפוף חוזר של עד 120° והן חזרו לצורה הראשונית המלאה גם לאחר דחיסה ל-50% מהאורך המקורי, ללא סדקים ושברים.
החוקרים הצליחו לפתח קשיות טבעיות, חזקות במיוחד, יציבות במים ומתכלות לחלוטין באמצעות עיבוד מינימלי של עץ טבעי וכיטוזן אכיל. לקשיות יתרונות רבים: עמידות גבוהה למאמצים, יציבות במשקאות, תאימות ביולוגית, יכולת מחזור, פירוק טבעי ועלות ייצור נמוכה במיוחד, כ-0.002 דולר לקשית בלבד.
אפשר להתאים את מכונות הייצור הקיימות לקשיות נייר לייצור הקשיות הטבעיות החדשות. הדבר מאפשר ייצור המוני והפצה רחבה בשוק הצרכני. הקשיות החדשות עשויות לשמש תחליף אמיתי לפתרונות מסחריים קיימים כגון PLA ופוליפרופילן, גם בזכות זמני פירוק והתכלות קצרים הרבה יותר וגם בזכות ביצועים מכניים אופטימליים.
