ביומימיקרי

משמעות המונח ביומימיקרי היא חיקוי החיים (Biomimicry: Bio=life; mimesis=imitate). ביומימיקרי היא דיסיפלינה רב-תחומית המקדמת חיקוי ולמידה מהטבע לפתרון בעיות בדרכים מקיימות.

חדש(נ)ות מהטבע מאי 2016


קוראים יקרים שלום,

קול קורא לחוקרים ממוסדות אקדמיים בתחומי מדעי החיים / ביומימיקרי להצטרף למאגר
 חדש שמטרתו לקשר בין האקדמיה, התעשייה, והמגזר החינוכי.

להצטרפות למאגר לחץ על הקישור

 לראשונה, יפתח קורס ביומימיקרי בצפון הארץ, בהיקף של 24 שעות אקדמיות, בשיתוף מכללת ארז. הקורס יועבר בצור לבון בימי שני אחה"צ, החל מסוף יוני. לפרטים והרשמה.

ההרשמה לתוכניות ביומימיקרי לבתי ספר לשנת הלימודים הבאה בעיצומה. לפרטים: ofrit@biomimicry.org.il


בידיעון זה נרחיב על חידושים ביומימטיים בעולם הכביסה, על מערכות לטיפול במים בהשראת דג הטרוטה, על תחליף לדבקים בתעשיית הסיבים בהשראת מודלים טבעיים, ועל הקשר בין אם הפנינה לפיתוח זכוכית חזקה יותר.

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

ביומימיקרי ואבקות כביסה ! - פיתוח של חברת Procter & Gamble (P&G).

מאת: יוסי כהן

כביסה של בגדים עדיין נעשית, ברובה, במים חמים, באופן לא יעיל שאיננו ידידותי לסביבה, ותוך בזבוז אנרגיה רבה. לשם המחשה: בכל מחזור כביסה  75% מהאנרגיה הנצרכת מגיעה מחימום המים. בנוסף, לכביסה במים קרים יש יתרון בכך שהיא שומרת על צבעי הבגדים ומאיטה את בלייתם ואת התכווצותם.

ידוע שכביסה במים חמים יעילה בניקוי כתמים, מכיוון שבנוסף לדטרגנטים (סבון) ולאנרגיה המכנית של מכונת הכביסה, גם חום המים תורם להסרת הלכלוך. עד לאחרונה, רוב הדטרגנטים לכביסה היו מיועדים לשימוש במים חמים, אולם עם עליית המודעות לאיכות הסביבה פיתחו היצרנים דטרגנטים שהם יעילים במים קרים. בעיה מהותית שהיה צריך לפתור הייתה שחומרים פעילי שטח (חפ"שים או surfactants), שהם למעשה החומר הפעיל בדטרגנטים עצמם, אינם פועלים ביעילות במים קרים ואינם מסירים את הלכלוך, המורכב משומנים, עמילנים וחלבונים.

על מנת להתגבר על אי תפקוד החפ"שים במים קרים, פיתחו הכימאים של P&G  פורמולציה  חדשה של דטרגנטים, הכוללת גם הוספת אנזימים-חלבונים שמזרזים ריאקציות כימיות, העוזרים בתהליך המסת הכתמים השמנוניים, ונשטפים ע"י החפ"שים.

באופן מפליא, הכימאים של P&G  הגיעו לרעיון של שימוש באנזימים כמפרקי שומנים וחלבונים יעילים בטמפרטורות נמוכות בהשראת אורגניזמים החיים במים קרים, ומשתמשים באנזימים בתהליך עיכול חלבונים ושומנים.
 
Cellulase 1JS4, a common enzyme found in detergents Credit: Pratulka/cc.        

הטמפרטורות הקרות  השוררות בקוטב הדרומי היו הופכות כל בעל חיים לאיטי ומסורבל, כך שהיה חשוף לטורפים. ובכל זאת אנו רואים שהדגים החיים בקטבים  מהירים ופעילים. הכיצד?


מחקר שבדק את מבנה האנזים לקטאט  דהידרוגנאז  LDH  -  (אנזים המצוי כמעט בכל אורגניזם ופעיל בתהליך הנשימה התאית) אצל דג שחי במים ארקטיים, בהשוואה למבנה אנזים שנלקח מדג שמקורו באוקיינוס השקט, גילה שמבנה האתר הפעיל זהה בשני האנזימים, אך יש הבדל ברצף חומצות האמינו שנמצאות ב"זנב" האנזים,  וגורמות לאנזים מהמקור הקר להיות יותר גמיש,  כך שהאתר הפעיל יותר חשוף לסובסטראט, והסיכוי של מפגש אנזים סובסטראט עולה, למרות  תנועת המולקולות האיטית בטמפרטורות הנמוכות. בנוסף למבנה המיוחד של האנזימים מצוידים דגי הקוטב הדרומי גם  בחלבונים מיוחדים שמונעים קפיאה.


תוצאת המחקר – אבקת כביסה שמכילה אנזימים בעלי תפקוד דומה לאנזימים המצויים בדגי הים הארקטי, דוגמת, Tide Cold Water Clean, Arm & Hammer Cold Water, Purex Coldwater


בנוסף ליתרון של אנזימים אלה - לפעול במים קרים  -חלקם בפורמולציה של הדטרגנט נמוך מאוד (0.4-0.8wt%), ומכאן יתרונם הכלכלי. האנזימים גם עמידים ביותר בתנאי הסביבה הקיצוניים של מי הכביסה (כמו pH של 8-10.5).

יש לציין שייצרני מכונות הכביסה, כמו Whirlpool למשל, הצטרפו לשינוי מגמה זו והחלו בפיתוח מכונות המותאמות לכביסה עם דטרגנטים המיועדים למים קרים. לדוגמה אפשר לציין את מכונת הכביסה Whirlpool Maytag Bravos XL  .


References:

1.    Why are you still washing your clothes in warm water/ George Dvorsky/New York Times/ Consumer report.

2.    Enzyme Technology/ The use of enzymes in detergents

 
 
 
 

 
 

דגי טרוטה ומערכות טיפול מים



מאת: יעל הלפמן כהן

חברת Waterco מספקת מערכות טיפול במים המבוססות על טכנולוגיה מוגנת פטנט של  מחולל המערבולות VPT - Vortex Process Technology.
מחולל המערבולות פותח בהשראת יכולתו של דג הטרוטה להישאר יציב בזרמי נהרות. מים הזורמים לפיו של הדג מקבלים צורה מערבולית כשהם עוברים דרך הזימים בדרכם חזרה לזרם. תנועה זו מאפשרת לדג להישאר יציב גם בזרמים חזקים.

המערכות לטיפול במים שמפתחת ומייצרת חברת Waterco  מבוססות על אפקט המערבולת, והן כוללות פתרונות שגם יעילים אנרגטית וגם זולים. המערכת גורמת למים להתערבל במהירות במעברים צרים וסליליים, וכתוצאה מכך נאלצים גורמים מזהמים, או בועות אוויר (כתלות ביישום), לנוע לעבר עמודה במרכז המערבולת. בסוף התהליך, ואקום יונק במהירות עמודת מזהמים זו, ומשאיר במים מרכיבים רצויים בלבד. 
מערכת זו יכולה לתת פתרונות לטווח רחב של  אתגרים כמו: ייצור קרח לא יעיל ושימור הקרח, הצטברות אבנית במערכות הובלת מים, סינון וטיהור מים באופן לא יעיל, שימוש בכימיקלים ודטרגנטים לניקוי צינורות, ואיכות מים ירודה המסופקת לגידולים חקלאיים.



                                      תמונה מאת  waldemarpaet, cc 4.0
המערכת מבוססת המערבולת לא משתמשת בחלקים נעים והיא חסכונית באנרגיה.

ü      מוצר ה- REALice משתמש בעיקרון המערבולת תוך שימוש בבועיות מים קטנות, אשר מפחיתות את יכולת הבידוד של הקרח ומייצרות קרח באיכות גבוהה יותר על משטחי החלקה על הקרח, למשל.

ü      מוצר ה- Limeteq משתמש בעיקרון המערבולת לשינוי המבנה הגבישי של הגיר במים מקלציט לארגוניט, והתוצאה היא הפחתה ביצירת האבנית והארכת חיי הצינורות ועמידותם.  

ü      מוצר ה- Greenteq ,משתמש בעיקרון המערבולת להפחתת צמיגות מי השקיה, כך שהצמחים יכולים להשתמש במים ביעילות גבוהה יותר. טכנולוגיה זו יכולה גם לשמש להסרת מזהמים מהמים בדרך יעילה אנרגטית.
לאתר החברה
למידע נוסף

לחשוב כמו פטרייה

מאת: עדי וייס

לדבריו של ג'ון וורנר, מנכ''ל  Warner-Babcock Institute for Green Chemistry, אחת הבעיות הגדולות בטכנולוגיה האנושית היא האובססיה שלנו לחומרים 'טהורים'. ''כל מה שאנחנו עושים בייצור תעשייתי הוא לא טבעי'', הוא אומר. ''תהליכי הייצור שלנו מבוססים על הרעיון שהחומרים שלנו חייבים להיות 100% טהורים (כלומר עשויים רק יחידה אחת), בניגוד לטבע, שבו החומרים מעורבבים זה בזה, עובדה שמעלה את העמידות שלהם נגד נזקים.''

חברה ניו יורקית לייצור בשם Ecovative אימצה את רעיון הערבוב הקיים בחומרים טבעיים, ובהשראת מודל טבעי זה הציעה פתרון ביוטכנולוגי כתחליף לדבקים בתעשיית הסיבים. החברה משתמשת בתפטיר mycelium) mycelium)),  הסתעפויות דמויות חוט שמייצרות פטריות שמצויות לרוב על הקרקע, כתחליף לפוליסטירן, פלסטיק, וסיבי עץ מהונדסים. הפטרייה, שקיבלה ממייסד החברה - באייר ( (Eben Bayer- את הכינוי ''הדבק של הטבע'', קושרת באופן טבעי מרכיבים שונים ויכולה לגדול ולמלא בשלוחותיה כל צורה. ''החשיבה הישנה בסגנון המהפכה התעשייתית היא: תסתכל על התפטיר ותאמר - 'מה נוכל להפחית?''', הוא אומר, ''ואנחנו אומרים: בואו נשמור את זה כמה שיותר דומה לטבע.''  

                            תמונה מאת Rob Hille, cc 3.0
כדי להפיק את לוחות הסיבים שלהם, מוסיפים Ecovative תפטיר לסיבי העץ, וממתינים שהוא יגדל ויקשור את הסיבים. החומר המכוסה תפטיר נכנס לתהליך דחיסה, שתוצאתו לוח סיבי בצפיפות בינונית. התהליך הזה מבטל את הצורך בפורמלדהיד, חומר מסוכן שנמצא בשימוש להכנת דבקים בתעשייה. התהליך עשוי להפחית את העלות בכ-30%, אומר באייר. אומנם, ייצור סיבי התפטיר אורך זמן רב יותר מסיבים רגילים, אך באייר מציין כי עם תכנון מוקדם, החברה תוכל לייצר אותם בצורה שוטפת.
  
 

 
 
 

יצירת נקודות חולשה לחיזוק חומרים


מאת: דפנה חיים לנגפורד

אתם בוודאי מכירים את השכבה הססגונית והזוהרת המצפה את פנים הצדפה? האם תהיתם למה היא שם פרט לעיצוב בית הרכיכה שגרה בו בעבר?
ציפוי זה נקרא אם הפנינה (או דר) והוא נמצא בצדפות של רכיכות מסוגים שונים, ואחראי לחוזקה ועמידותה של הצדפה. החומר הקרוי אם הפנינה חזק פי 3,000 מקרמיקה, והוא מורכב מסידן קרבונט במבנה גאוני, המסודר במקטעים זעירים בתחום הננו. מקטעים אלו מקנים למבנה את עמידותו ומופרדים זה מזה באמצעות שכבה ביופולימרית אלסטית, התורמת לחומר את הגמישות והעמידות המאפיינות אותו.
 

Scanning electron micrograph of nacre nanobricks.
Credit: F. Heinemann; Wikimedia Creative Commons License.

במחקר שפורסם לאחרונה ב Nature Communications, מתארים מדענים מאוניברסיטת McGill  שבקנדה כיצד חיקוי מבנה אם הפנינה הוביל לפיתוח זכוכית חזקה יותר.
הסוד מאחורי חוזק המבנה של אם הפנינה הוא בחולשתו. בטבע, חומרים עמידים וחזקים, כמו שיניים למשל, מורכבים מיסודות חזקים מאוד, בעלי מבנה חזק אך עם נקודות השקה חלשות ביניהם. היכולת לכוון את השבר, באמצעות נקודות השקה חלשות, קריטית לביצועי החומר, ומצב זה יתכן רק כשהממשקים חלשים יותר מאבני הבניה עצמן.
בניסיונות עבר, ניסו לחקות את המבנה של אם הפנינה באמצעות חיבור מיקרו מבנים חזקים, על ידי נקודות השקה חלשות. המדענים מאוניברסיטת McGill  החליטו לנסות הפוך: במקום להתחיל מאבני הבניה, הם יצרו נקודות השקה חלשות ביחידת זכוכית שלמה, על ידע יצירת "מיקרו" סדקים מבוקרים באמצעות לייזר UV.
על ידי יצירת "מיקרו" סדקים בזכוכית, הגדירו המדענים מראש את כיוון השבר שיווצר בזכוכית תחת לחץ. עוד הם מצאו שגם לתצורת הסדקים יש משמעות בהקניית החוזק, ויצירת מיקרו סדקים שאינם ישרים הגדילה את חוזקה של הזכוכית פי 100.
למרות שיצירת מיקרו סדקים בזכוכית נראה לא אינטואיטיבי כחלק מהמאמץ לחזק אותה, הסדקים מאפשרים לזכוכית להתעקם, ומונעים התקדמות הסדק עד לנקודת שבירה. במחקר זה הוכיחו המדענים כי ניתן לחזק זכוכית וחומרים נוספים על ידי יצירת תבניות של סדקים מזעריים, והשלב הבא הוא לחזק חומרים נוספים לא על ידי הוספת חומר, כי אם על ידי יצירת נקודות חולשה.

 החלשה לצורך חיזוק ראינו בעבר במבנה רשת קורי העכביש (לא בחוזקו של הסיב אלא במבנה הרשת, המקנה עמידות באמצעות נקודות שבירה ייעודיות) וכן במבנה המשושים בשריון הצב, הורדת כמות החומר בנקודות ההשקה שיצרה עליה בחוזק השריון והיוותה מקור השראה לשלדי מכוניות ואפילו למכונות כביסה.
 
מקור הידיעה