Synergistic Influence of Alkaline Pretreatment, Ultrasound, and Pulsed Electric Field on Cellulose Accessibility and Structural Characteristics of Lignocellulosic Biomass

ملخص تقني: التأثير التآزري للمعالجة القلوية، والموجات فوق الصوتية، والمجال الكهربائي النبضي على إمكانية وصول السليلوز والخصائص الهيكلية للكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية

بيان المشكلة
تنتج الهند سنوياً ما يقرب من 500-550 مليون طن من بقايا المحاصيل، حيث تشكل قش الأرز والقمح جزءاً كبيراً منها. ويتم حالياً التخلص من كمية كبيرة من هذه النفايات الزراعية (تُقدر بنحو 60% من قش الأرز) عن طريق الحرق في الحقول المفتوحة، مما يؤدي إلى تلوث بيئي شديد ومخاطر صحية. وبينما تعد هذه البقايا غنية بالمواد اللجنوسليلوزية (السليلوز، والهيميسليلوز، واللجنين)، إلا أنها لا تزال غير مستغلة بشكل كافٍ. ويكمن التحدي الرئيسي في عزل السليلوز بكفاءة من هذه المصفوفات المعقدة، حيث تحد البنية الصلبة للجنين واللجنين والهيميسليلوز من إمكانية الوصول إليه. وغالباً ما تتطلب طرق الاستخراج التقليدية طاقة عالية أو مواد كيميائية قاسية، مما يستدعي تطوير استراتيجيات معالجة مسبقة أكثر استدامة وكفاءة وفعالية من حيث التكلفة لتمكين تحويل هذه المنتجات الثانوية الزراعية من "نفايات إلى ثروة".

المنهجية
استخدمت الدراسة نهجاً متعدد المراحل لعزل وتعزيز السليلوز من قش الأرز (المجموع من تاميل نادو) وقش القمح (صنف Pusa Tejas من ماديا براديش).

1. تحسين المعالجة القلوية المسبقة: خضعت القش الخام لمعالجة بهيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بتركيزات متفاوتة (2%، 5%، و10%) لمدة 24 ساعة. وتم اختيار التركيز الأمثل بناءً على التركيب الكيميائي (السليلوز، الهيميسليلوز، اللجنين، والرماد) والخصائص الوظيفية.
2. التعزيز غير الحراري: تمت معالجة العينات التي عولجت بالتركيز القلوي الأمثل (10%) باستخدام تقنيتين غير حراريتين:
   • الموجات فوق الصوتية (US): المعالجة عند مستويات قدرة 350 واط، 450 واط، و550 واط لمدة 30 دقيقة باستخدام جهاز سونيكاتور مسباري.
   • المجال الكهربائي النبضي (PEF): المعالجة عند شدة مجال كهربائي 20، 30، و40 كيلو فولت/سم لمدة 15 دقيقة.
3. الاستخراج والتوصيف: بعد هذه المعالجات، تم استخراج السليلوز عبر إزالة الشمع، وإزالة اللجنين القلوية، والتبييض. وتم تحليل الكتلة الحيوية الناتحة من خلال:
   • الخصائص الفيزيائية: محتوى الرطوبة، اللون (L*, a*, b*, ΔE)، الكثافة (الكتلية، المكبوسة، الحقيقية)، والمسامية.
   • التركيب الكيميائي: الهولو سليلوز، ألفا-سليلوز، الهيميسليلوز، اللجنين، ومحتوى الرماد.
   • الخصال الوظيفية: قدرة حبس الماء (WHC)، قدرة حبس الزيت (OHC)، قدرة انتفاخ الماء (WSC)، ومؤشر الذوبان.
   • التحليل الهيكلي: فحص المورفولوجيا (الشكل الظاهري) عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وتحليل المجموعات الوظيفية عبر مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورير (FTIR).

النتائج الرئيسية

• التحسين: تم تحديد تركيز قلوي بنسبة 10% كتركيز أمثل لكلا الركيزتين، مما حقق أعلى محتوى من السليلوز قبل المعالجة غير الحرارية.
• التغيرات الفيزيائية والكيميائية: أدت زيادة التركيز القلوي إلى تقليل محتوى الرطبة والكثافة الكتلية بشكل كبير، مع زيادة المسامية والسطوع (قيمة L*) نتيجة إزالة اللجنين والهيميسليلوز. وقد قللت المعالجة بنسبة 10% من محتوى اللجنين من ~13.77% إلى 9.24% في قش الأرز ومن ~18.70% إلى 8.75% في قش القمح.
• كفاءة الاستخراج: أدى الجمع بين المعالجة القلوية والطرق غير الحرارية إلى تعزيز استخراج السليلوز بشكل كبير.
  • الموجات فوق الصوتية: حققت المعالجة بقدرة 550 واط أعلى استخراج للسليلوز: 82.3% لقش الأرز و 84.3% لقش القمح.
  • المجال الكهربائي النبضي: أدت المعالجة بقدرة 40 كيلو فولت/سم إلى كفاءة استخراج بلغت 78% لقش الأرز و 82.3% لقش القمح.
• الأدلة الهيكلية والمورفولوجية:
  • تحليل SEM: أظهرت العينات غير المعالجة هياكل متراصة وصلبة مع وجود حطام. بينما أظهرت العينات المعالجة (خاصة تلك التي خضعت للموجات فوق الصوتية وPEF) حزم ألياف مفككة، وهياكل ليفية مرتخية، وزيادة في خشونة السطح، مما يشير إلى فعالية إزالة اللجنين وفصل الألياف.
  • تحليل FTIR: أكدت الأطياف وجود قمم مميزة للسليلوز (مثل روابط β-glycosidic عند 890–900 سم⁻¹). وأشار التحليل إلى أنه بينما حدث تفكك هيكلي، ظلت المجموعات الوظيفية الأساسية للسليلوز سليمة، ولم يلاحظ أي تحلل كيميائي كبير لبوليمر السليلوز نفسه.
• الخصائص الوظيفية: أدت المعالجة القلوية عموماً إلى تقليل قدرات حبس الماء والزيت بسبب إزالة الهيميسليلوز واللجنين المحبين للماء، مما أدى إلى زيادة كره الماء (hydrophobicity). وعلى العكس من ذلك، زادت قدرة الانتفاخ ومؤشر الذوبان مع زيادة التركيزات القلوية.

الأهمية والادعاءات
يزعم المؤلفون أن الاستراتيجية المتكاملة للمعالجة القلوية متبوعة بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية أو المجال الكهربائي النبضي توفر طريقة فعالة للغاية لتعزيز إمكانية وصول السليلوز وكفاءة استخراجه من قش الأرز والقمح. وتثبت الدراسة أن هذه التقنيات غير الحرارية، عند دمجها مع المعالجة الكيميائية، يمكن أن تعمل بشكل كبير على تفكيك المصفوفة اللجنوسليلوزية، مما يؤدي إلى إنتاجية أعلى من السليلوز دون تغيير بنيته الكيميائية الأساسية.

تضع الورقة هذا النهج كحل قابل للتطبيق لتثمين النفايات الزراعية، وتحويل عبء بيئي كبير (حرق القش) إلى مورد قيم. ويشير المؤلفون إلى أن السليلوز الناتج عالي النقاء يمتلك تطبيقات محتملة في صناعات المعالجة الزراعية، وصناعة الورق، وصناعات التعبئة والتغليف. وتخلص الدراسة إلى أن تقنية الاستخراج المبتكرة هذه تعد بتعديل الخصائص الفيزيائية والكيميائية والهيكلية للكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية بفعالية، مما يدعم تقنيات المواد المستدامة.