הפטנטים של ד"ר חיים ויצמן

לד"ר חיים ויצמן היו מעל ל- 120 פטנטים אותם פיתח במסגרת עבודתו ככימאי. חלק מהפטנטים עוסקים בתחומים הבאים:

• פיתוח תהליכים כימיים לייצור חומרי צבע סינטטיים
• פיתוח תהליך תעשייתי להפקת כוהל בוטילי ואצטון מחומרים צמחיים
• ייצור כימיקלים ודלק על ידי התססה של עמילן וסוכר מצמחים
• פיתוח תהליכים לייצור גומי סינטטי איכותי
• פיתוח תהליכים להכנת תחליפי בשר משמרים וחלבונים צמחיים
• פרוק תרמי של מוצרי נפט לקבלת פחמימנים ארומטיים ואולפינים

פיתוח תהליכים כימיים לייצור חומרי צבע סינטטיים
ויצמן החל את הקריירה המדעית שלו ככימאי אורגני. את עבודת הדוקטורט שלו סיים בהצטיינות יתירה באוניברסיטת פרייבורג שבשוויץ. הצטיינות נדירה זו, אפשרה לו לקבל משרת דוצנט באוניברסיטת ז'נבה בהדרכתו של פרופסור גרבה (Graebe). אצל גרבה עבודתו של ויצמן הייתה מוקדשת לצבעים סינטטיים, נושא שהייתה לו חשיבות רבה לתעשיית צביעת האריגים. תעשייה זו עברה באותם ימים משימוש בחומרי צבע טבעיים יקרים לשימוש בצבעים סינטטיים שהתבססו בעיקר על נגזרות של התרכובת הכימית אנילין. ויצמן הצליח לפתח מספר תהליכים חדשניים לייצור חומרי צבע סינטטיים. על חלק מהם קיבל פטנטים ואף נהנה מתמלוגים של חברות תעשייתיות.

 פיתוח תהליך תעשייתי להפקת כוהל בוטילי ואצטון מחומרים צמחיים  
בשל מחסור באספקת הגומי הטבעי, החל ויצמן, בתחילת 1910, לעבוד בפרויקט לפיתוח גומי סינטטי במעבדתו של פרופ' ויליאם הנרי פרקין הבן, באוניברסיטת מנצ'סטר שבאנגליה. במהלך המחקר ויצמן ניסה לשנות את תהליך התסיסה הכוהלית הקלסית, הפיכת סוכר לכוהל אתילי ופחמן דו חמצני בנוכחות שמרים כפי שנעשה למשל בייצור יין ובירה, על ידי שימוש בחיידקים במקום שמרים. לאחר כארבע שנות מחקר, גילה ויצמן חיידק ייחודי שנקרא על שמו כלוסטרידיום אצטובוטיליקום ויצמן. חיידק זה אפשר התססה (פרמנטציה) של עמילן מתירס, תפוחי אדמה וחומרים צמחיים אחרים עשירים בעמילן או סוכר לקבלת תערובת שהכילה כוהל בוטילי, אצטון וכוהל אתילי. בכוהל הבוטילי התכוון ויצמן להשתמש כחומר מוצא ליצור גומי סינטטי. ההיסטוריה, כפי שנראה, הובילה להתפתחות אחרת. עם התפרצותה של מלחמת העולם הראשונה, התברר שהצי והצבא הבריטי זקוקים בדחיפות להרבה מאוד אצטון (הממס בעל הריח האופייני שמשמש להסרת לק מהציפורניים) שהיה דרוש בתהליך הייצור של קורדיט (החומר העיקרי ששימש את אנגליה כחומר הדף בתרמילי פגזי תותחים וכדורי רובים).האדמירלות הבריטית העמידה לרשותו של ויצמן בית-חרושת לג'ין, שמתקניו הוסבו לייצור אצטון. ויצמן הפיק בתחילה 60 גלון אצטון, ומהר מאוד הצליח לייצר 2000 גלון. בשלב זה עבר הייצור לפסים תעשייתיים וכמויות של אלפי טונות. להלן תמונה של החיידק:

ייצור כימיקלים ודלק על ידי התססה של עמילן וסוכר מצמחים
ויצמן, מאבות הביוטכנולוגיה, היה המדען הראשון שפיתח את תהליך התסיסה מתהליך מעבדתי לתהליך תעשייתי. תהליך ביו-טכנולוגי שבו לראשונה נעשה שימוש בעמילן ובחיידקים, במקום בריאגנטים כימיים או נפט, לייצור תרכובות וממיסים כימיים בקנה מידה תעשייתי. חקירותיו של ויצמן הוכיחו שאפשר לייצר מסוכר או עמילן את אותם המרכיבים היסודיים של דלק-תעופה, של גומי סינטטי ושל חומרים פלאסטיים שבדרך כלל הוכנו מעיבוד של מוצרי נפט. ויצמן גם היה, כנראה, המדען הראשון שהציע לבסס את תעשיית הדלק ואת תעשיית הכימיה האורגנית כולה על תסיסה של חומרים צמחיים העשירים בעמילן, סוכר או תאית. היתרון של התהליכים הללו שכונו בשם החדש תהליכי כימורגיה (Chemurgical processes), שבניגוד למקורות הנפט והגז שהולכים ומידלדלים הם מבוססים על צמחים המכילים סוכר, עמילן או תאית שחוזרים וצומחים מדי שנה. בזמנו, בימי מלחמת העולם השניה ואחריה, הרעיון המהפכני הזה של ויצמן נכשל בשל התנגדות קשה של תעשיית הנפט שחששה ממתחרים פוטנציאליים. כיום, כאשר מחירי הנפט והגז בעליה מתמדת ומקורותיהם הולכים ומידלדלים, הרעיון של ויצמן, לניצול תסיסה ביולוגית כמקור לדלק, מנוצל בארה"ב ובברזיל לייצור כוהל אתילי מעמילן תירס ומסוכר קנה לשימוש כדלק במנועי שריפה פנימית לכלי רכב ולשימושים אחרים.

פיתוח תהליכים לייצור גומי סינטטי איכותי
בימי מלחמת העולם השניה שוב נוצר מחסור בגומי טבעי והתעורר צורך דחוף לייצור כמויות גדולות של גומי סינטטי שיוצר, באותה עת, מחומר המוצא בוטדיאן. תכונותיו המכניות של גומי הבוטדיאן היו נחותות מאלו של הגומי הטבעי. ויצמן הציע לייצר, בנוסף, גומי סינטטי איכותי מחומר המוצא איזופרן. גומי האיזופרן היה דומה מאוד בהרכבו הכימי ובתכונותיו המכניות לגומי הטבעי. בשלב זה נמצאה דרך זולה לייצור איזופרן מאצטון ואצטילן וכך, בפעם השניה במאה העשרים, נמצא שימוש מלחמתי לאצטון שהופק בתהליך התסיסה של ויצמן. הפעם ליצור גומי סינטטי איכותי מסוג פולי-איזופרן.

פיתוח תהליכים להכנת תחליפי בשר משמרים וחלבונים צמחיים
בתקופה שבין שתי מלחמות העולם (ובמידה מסוימת גם כיום) התזונה במדינות העולם העניות הייתה מבוססת בעיקרה על פחמימות וענייה מאוד בחלבון מן החי כגון בשר, חלב, ביצים ודגים. מצד שני, כמויות גדולות של חלבון צמחי שהיו זמינות, למשל כוספה (שארית מפולי סויה, בוטנים וכיו"ב לאחר המעיכה וסחיטת השמן), נוצלו להאכלת בקר ולא שימשו כמזון לבני אדם. הסיבה לכך היא שהערך התזונתי של חלבונים אלו נמוך. הם אינם מעוכלים בצורה טובה, כלומר אינם מפורקים פירוק שלם לחומצות אמיניות, כמו חלבונים מן החי ובנוסף הם גם אינם מכילים חומצות אמינו חיוניות מסוימות בכמות הרצויה. ויצמן הבין שאם נוכל לפרק חלבונים אלו למרכיביהם מחוץ לגוף בטרם אכילתם ואם נוכל להוסיף את חומצות האמינו החסרות ממקור חיצוני, נקבל למעשה חלבונים צמחיים בעלי ערך תזונתי הדומה לזה של חלבונים מן החי. במהלך המחקר ויצמן הוסיף שמרים שעברו אוטוליזה (פרוק עצמי כתוצאה מפעולת האנזימים הנמצאים בתוך השמרים עצמם) לתרחיפים במים של חומרים צמחיים זולים ועשירים בחלבון כגון כוספה של פולי סויה או בוטנים. בצורה כזאת הוא גרם לפרוק חלבוני הכוספה על ידי האנזימים שמקורם בשמרים. בנוסף, חומרים בעלי ערך שהיו בשמרים, כמו ויטמינים וחומצות אמינו מסוימות, הביאו להעשרה תזונתית של התוצר הסופי. התוצר שהתקבל היה אפוא נוזל קל לעיכול ובעל ערך תזונתי גבוה. יתרון נוסף של התוצר הסופי היה טעמו הבשרי הנעים וזאת כיוון שהכיל כמויות ניכרות של חומצה גלוטמית, חומצת האמינו שמעניקה לבשר את טעמו הייחודי. בתוצר הסופי ניתן היה לעשות שימוש כמרק או לרכזו ולהשתמש בו כממרח או כחומר מוצק. במשך מלחמת העולם השניה תוצר זה נוסה בהצלחה מסוימת בלונדון, אבל מעולם לא הגיע לשימוש תעשייתי נרחב. לחלק זה של עבודתו המדעית של ויצמן יש חשיבות גדולה גם בימים אלה. מאוד יתכן אפוא שתהליכים אלו ותהליכים דומים אחרים שפותחו מאוחר יותר על ידי חוקרים אחרים ישודרגו בסופו של דבר לסקלה תעשייתית גדולה לה הם ראויים. דוגמאות להתחלה של שדרוג כזה אנו רואים לדוגמה בחברות כגון בובריל (Bovril) האנגלית המייצרת, בין היתר, מוצרים על בסיס של תמצית שמרים וטבעול הישראלית המייצרת קציצות, המבורגרים ושניצלים מן הצומח.

 פירוק תרמי של מוצרי נפט לקבלת פחמימנים ארומאטיים ואולפינים
בתקופת מלחמת העולם השנייה התעורר צורך דחוף ליצר כמויות גדולות של טולואן נקי שמשמש כחומר מוצא ליצור חומר הנפץ טי.אנ.טי.על סמך מחקר מוקדם הציע ד"ר ויצמן מיניסטריון האספקה של בריטניה תהליך חדשני ליצור פחמימנים ארומאטיים ובינהם טולואן. המיניסטריון העמיד לרשותו של ד"ר ויצמן ועוזריו מעבדה מיוחדת בלונדון שם נחקר ופות התהליך שהיה מבוסס על פירוק קטאליטי של מוצרי נפט בטמפרטורה גבוהה ובנוכחות מתכות. בניגוד לתהליך אחר שכבר היה קיי, בתהליך שהציע ד"ר ויצמן הופכים כל מקטעי הנפט לתערובת זהה של פחמימנים ארומאטיים ללא תלות בהרכב חומר המוצא. נוצרה איפוא אפשרות לייצר טולואן ופחמימנים ארומאטיים אחרים ממקטעי נפט כגון קרוסין שאינם ניתנים לניצול כדלק גבה אוקטן או כשמני סיכה. בנוסף לפאזה הנוזלית, שהכילה את הפחמימנים הארומאטיים, מתקבלת בתהליך גם פאזה גזית שמכילה בעיקר אתילן, פרופילן, בוטאנים ומתאן. גם לתרכובות אלו יש ערך תעשייתי ניכר בתור חומרי מוצא לחומרים פלאסטיים כגון פוליאתילן ופוליפרופילן.