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

तकनीकी सारांश: लिग्नोसेल्युलोसिक बायोमास की सेलुलोज सुलभता और संरचनात्मक विशेषताओं पर क्षारीय पूर्व-उपचार, अल्ट्रासाउंड और पल्स्ड इलेक्ट्रिक फील्ड का सहक्रियात्मक प्रभाव

समस्या विवरण
भारत में प्रतिवर्ष लगभग 500-550 मिलियन टन फसल अवशेष उत्पन्न होते हैं, जिनमें धान और गेहूं का पुआल एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। इस कृषि-अपशिष्ट (अनुमानित रूप से धान के पुआल का 60%) का एक बड़ा हिस्सा वर्तमान में खुले खेतों में जलाकर नष्ट कर दिया जाता है, जिससे गंभीर पर्यावरणीय प्रदूषण और स्वास्थ्य जोखिम उत्पन्न होते हैं। हालांकि ये अवशेष लिग्नोसेल्युलोसिक सामग्रियों (सेलुलोज, हेमीसेलुलोज और लिग्निन) से समृद्ध हैं, फिर भी इनका उपयोग कम किया जाता है। प्राथमिक चुनौती इन जटिल मैट्रिक्स से सेलुलोज को कुशलतापूर्वक अलग करने में निहित है, क्योंकि लिग्निन और हेमीसेलुलोज की कठोर संरचना सुलभता को सीमित करती है। पारंपरिक निष्कर्षण विधियों के लिए अक्सर उच्च ऊर्जा या कठोर रसायनों की आवश्यकता होती है, जिससे इन कृषि उप-उत्पादों के "कचरे से धन" (waste-to-wealth) रूपांतरण को सक्षम करने के लिए अधिक टिकाऊ, कुशल और लागत प्रभावी पूर्व-उपचार रणनीतियों के विकास की आवश्यकता है।

कार्यप्रणाली
अध्ययन में धान के पुआल (तमिलनाडु से एकत्रित) और गेहूं के पुआल (पूसा तेजस किस्म, मध्य प्रदेश) से सेलुलोज को अलग करने और बढ़ाने के लिए एक बहु-चरणीय दृष्टिकोण अपनाया गया।

1. क्षारीय पूर्व-उपचार अनुकूलन: कच्चे पुआल को विभिन्न सांद्रता (2%, 5%, और 10%) पर 24 घंटों के लिए सोडियम हाइड्रोक्साइड (NaOH) उपचार के अधीन किया गया। रासायनिक संरचना (सेलुलोज, हेमीसेलुलोज, लिग्निन, राख) और कार्यात्मक गुणों के आधार पर इष्टतम सांद्रता का चयन किया गया।
2. गैर-तापीय संवर्धन: अनुकूलित 10% क्षार-उपचारित नमूनों को आगे दो गैर-तापीय तकनीकों का उपयोग करके संसाधित किया गया:
   • अल्ट्रासाउंड (US): प्रोब सोनिकेटर का उपयोग करके 30 मिनट के लिए 350 W, 450 W और 550 W के पावर स्तरों पर उपचार।
   • पल्स्ड इलेक्ट्रिक फील्ड (PEF): 20, 30, और 40 kV/cm की इलेक्ट्रिक फील्ड स्ट्रेंथ पर 15 मिनट के लिए उपचार।
3. निष्कर्षण और लक्षण वर्णन: इन उपचारों के बाद, सेलुलोज को डीवैक्सिंग (dewaxing), क्षारीय डेलिग्निफिकेशन और ब्लीचिंग के माध्यम से निकाला गया। प्राप्त बायोमास का विश्लेषण निम्नलिखित के लिए किया गया:
   • भौतिक गुण: नमी की मात्रा, रंग (L*, a*, b*, ΔE), घनत्व (बल्क, टैप्ड, ट्रू), और सरंध्रता (porosity)।
   • रासायनिक संरचना: होलोसेलुलोज, अल्फा-सेलुलोज, हेमीसेलुलोज, लिग्निन, और राख की मात्रा।
   • कार्यात्मक गुण: जल धारण क्षमता (WHC), तेल धारण क्षमता (OHC), जल सूजन क्षमता (WSC), और विलेयता सूचकांक (solubility index)।
   • संरचनात्मक विश्लेषण: सूक्ष्म संरचना का परीक्षण स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) के माध्यम से किया गया, और कार्यात्मक समूहों का विश्लेषण फूरियर ट्रांसफॉर्म इंफ्रारेड (FTIR) स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से किया गया।

मुख्य परिणाम

• अनुकूलन: दोनों सब्सट्रेट्स के लिए 10% क्षार सांद्रता को इष्टतम पाया गया, जिसने गैर-तापीय उपचार से पहले उच्चतम सेलुलोज सामग्री प्रदान की।
• भौतिक और रासायनिक परिवर्तन: बढ़ती क्षार सांद्रता ने नमी की मात्रा और बल्क घनत्व को काफी कम कर दिया, जबकि लिग्निन और हेमीसेलुलोज के निष्कासन के कारण सरंध्रता और चमक (L* मान) में वृद्धि हुई। 10% उपचार ने धान के पुआल में लिग्निन की मात्रा को ~13.77% से घटाकर 9.24% और गेहूं के पुआल में ~18.70% से घटाकर 8.75% कर दिया।
• निष्कर्षण दक्षता: क्षारीय पूर्व-उपचार के साथ गैर-तापीय विधियों के संयोजन ने सेलुलोज रिकवरी को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाया।
  • अल्ट्रासाउंड: 550 W उपचार ने उच्चतम सेलुलोज निष्कर्षण प्रदान किया: धान के पुआल के लिए 82.3% और गेहूं के पुआल के लिए 84.3%।
  • PEF: 40 kV/cm उपचार के परिणामस्वरूप धान के पुआल के लिए 78% और गेहूं के पुआल के लिए 82.3% की निष्कर्षण दक्षता प्राप्त हुई।
• संरचनात्मक और रूपात्मक साक्ष्य:
  • SEM विश्लेषण: अनुपचारित नमूनों ने सघन, कठोर संरचनाएं और मलबे प्रदर्शित किए। उपचारित नमूने (विशेष रूप से US और PEF द्वारा उपचारित) ने बाधित फाइबर बंडल, ढीली फाइब्रिल संरचनाएं और बढ़ी हुई सतह की खुरदरापन दिखाई, जो प्रभावी डेलिग्निफिकेशन और फाइबर पृथक्करण का संकेत देते हैं।
  • FTIR विश्लेषण: स्पेक्ट्रा ने सेलुलोज के विशिष्ट शिखर (जैसे, 890–900 cm⁻¹ पर β-ग्लाइकोसिडिक बॉन्ड) की उपस्थिति की पुष्टि की। विश्लेषण ने संकेत दिया कि जबकि संरचनात्मक व्यवधान हुआ, सेलुलोज के मौलिक कार्यात्मक समूह बरकरार रहे, और सेलुलोज पॉलीमर के स्वयं के महत्वपूर्ण रासायनिक क्षरण का कोई प्रमाण नहीं मिला।
• कार्यात्मक गुण: हाइड्रोफिलिक हेमीसेलुलोज और लिग्निन के निष्कासन के कारण क्षारीय उपचार ने आम तौर पर जल और तेल धारण क्षमता को कम कर दिया, जिससे हाइड्रोफोबिसिटी (जल-विकर्षकता) बढ़ गई। इसके विपरीत, उच्च क्षार सांद्रता के साथ सूजन क्षमता और विलेयता सूचकांक में वृद्धि हुई।

महत्व और दावे
लेखक दावा करते हैं कि क्षारीय पूर्व-उपचार के बाद अल्ट्रासाउंड या PEF उपचार की एकीकृत रणनीति सेलुलोज की सुलभता और निष्कर्षण दक्षता को बढ़ाने के लिए एक अत्यधिक प्रभावी विधि है। अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि ये गैर-तापीय तकनीकें, रासायनिक उपचार के साथ मिलकर, लिग्नोसेल्युलोसिक मैट्रिक्स को महत्वपूर्ण रूप से बाधित कर सकती हैं, जिससे सेलुलोज के मौलिक रासायनिक ढांचे को बदले बिना उच्च उपज प्राप्त होती है।

यह शोध एक प्रमुख पर्यावरणीय समस्या (पुआल जलाने) को एक मूल्यवान संसाधन में बदलकर, कृषि-अपशिष्ट के मूल्य संवर्धन के लिए इस दृष्टिकोण को एक व्यवहार्य समाधान के रूप में प्रस्तुत करता है। लेखक सुझाव देते हैं कि प्राप्त उच्च-शुद्धता वाला सेलुलोज कृषि-प्रसंस्करण, कागज निर्माण और पैकेजिंग उद्योगों में संभावित अनुप्रयोग रखता है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह नवीन निष्कर्षण तकनीक प्रभावी रूप से लिग्नोसेल्युलोसिक बायोमास के भौतिक-रासायनिक और संरचनात्मक गुणों को संशोधित करती है, जो टिकाऊ सामग्री प्रौद्योगिकियों का समर्थन करती है।