مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

تولید سلولز و نانوسلولز از ماکروجلبک‌ها به‌عنوان منابع زیستی نوین سبز پایدار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 عضو هیات علمی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ
2 ، گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران
3 گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.
10.22034/ijwp.2025.2064178.1713
چکیده
بیان مساله و اهداف: افزایش آگاهی­های جهانی نسبت به مسائل زیست‌محیطی، تقاضا برای بیوپلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر را به­طور چشمگیری افزایش داده است. در حالی­که منابع بیوپلیمری زمینی، منجر به بهره‌برداری بی‌رویه از زمین و منابع آبی می‌شوند، ماکروجلبک‌های دریایی به­عنوان منابعی پایدار و مستقل از اکوسیستم‌های خشکی، پتانسیل بالایی برای تولید پلی‌ساکاریدهای زیست فعال نظیر سلولز و کاهش آلودگی‌های پلاستیکی اقیانوسی از خود نشان می­دهند. این تحقیق بر بررسی پتانسیل ماکروجلبک‌ها در تولید سلولز و نانوسلولز (NCs)، روش‌های استخراج و کاربردهای منحصربه‌فرد این مواد تمرکز دارد.
مواد و روشها: استخراج و خالص‌سازی سلولز و نانوسلولز (NCs) از ماکروجلبک‌ها، با بهره‌گیری از شباهت‌های ساختاری سلولز جلبکی به سلولز گیاهی، متکی بر رویکردهای ترکیبی شیمیایی و مکانیکی است که اغلب با روش‌های شیمی سبز و بیولوژیکی تکمیل می‌شوند. فرآیندها معمولاً با پیش تیمار قلیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH)، جهت حذف همی سلولزها، موم‌ها و لیپیدها و خالص‌سازی فیبرهای سلولزی آغاز می‌شود. در ادامه، خمیر سلولزی با عوامل سفیدکننده نظیر پراکسید هیدروژن (H2O2)، کلریت سدیم (NaClO2) رنگ‌بری می‌شود که در این میان، استفاده از (H2O2) به دلیل سازگاری زیست‌محیطی ارجحیت بیشتری دارد. در مرحله­ی نهایی، جهت تولید نانوسلولز فیبریله (CNF)، روش‌های مکانیکی انرژی بر، مانند آسیاب سوپردیسکی، هموژنایزر یا میکرومایع‌ساز به کار گرفته می‌شوند، در حالی­که جهت سنتز نانوسلولز کریستالی (CNC)، هیدرولیز اسیدی کنترل شده با اسیدهای قوی نظیر هیدروکلریک اسید (HCl) یا سولفوریک اسید (H2SO4) انجام می‌پذیرد. همچنین، روش‌های بیولوژیکی از جمله هیدرولیز آنزیمی با استفاده از آنزیم‌های سلولاز (تولید شده توسط میکروارگانیسم‌ها) به­عنوان جایگزینی پایدار و کم انرژی تر، منجر به کاهش مصرف حلال‌های شیمیایی و بهبود بازده نانوسلولز خواهند شد.
نتایج: تحقیقات گسترده بر روی استخراج سلولز و نانوسلولز (NCs) از گونه‌های مختلف ماکروجلبک‌ها (قهوه‌ای، سبز و قرمز) نتایج امیدوارکننده‌ای را به ارمغان آورده است. خواص برجسته نانوسلولز جلبکی، از جمله استحکام مکانیکی بالا، سطح ویژه وسیع و زیست سازگاری عالی، آن را به یک ماده‌ی بسیار ارزشمند با کاربردهای گسترده تبدیل کرده است. مطالعات نشان می‌دهند که نانو سلولزهای استخراج شده، به‌عنوان مثال از گونه­ی جلبکی (Chara corallina)، دارای ساختار کریستالی بسیار منظم (با شاخص کریستالیتی تا 64/85 درصد) و مورفولوژی نانو میله‌ای همراه با سطح ویژه قابل توجه (823/5 مترمربع بر گرم) هستند که پتانسیل کاربردی آن‌ها را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهند. در حوزه بسته‌بندی و بیوپلاستیک، نانوسلولز جلبکی در تولید فیلم‌های نانو کامپوزیت (مانند فیلم‌های حاصل از جلبک‌های قهوه‌ای، کامبو (Laminaria japonica) سارگاسوم (Sargassum natans) با خواص فیزیکی و مکانیکی بهبودیافته، از جمله افزایش مقاومت در برابر نفوذ آب و اکسیژن، به کار گرفته‌شده است. علاوه بر این، سلولز استخراج شده از جلبک سبز (Cladophora sp)، به­عنوان جزء اصلی در ساخت بیوپلاستیک‌های با عملکرد بالا، با استحکام کششی 33/9 مگاپاسکال و زیست‌تخریب‌پذیری بیش از 40 درصد در 5 روز، مورد استفاده قرار گرفته است. در زمینه تصفیه آب، غشاهای نانو سلولزی استخراج شده از ماکرو­جلبک آب شیرین (Chara corallina)، قابلیت بالایی در حذف یون‌های فلزات سنگین (نظیر کادمیوم، نیکل و سرب) با بازدهی به ترتیب 20/98 ، 15/95 و 80/93 درصد از آب‌های آلوده نشان داده‌اند که راهکاری پایدار برای این معضل زیست‌محیطی محسوب می‌شود. همچنین، در کاربردهای زیست‌پزشکی، نانوسلولز استخراج شده از جلبک سبز (Ulva lactuca)، خواص ضد باکتریایی قابل توجهی در برابر باکتری‌های گرم مثبت و گرم منفی از خود نشان داده است. علاوه بر این، نانو سلولزهای حاصل از دو گونه جلبک قهوه­ای، (Laminaria digitata) و (Saccharina latissima)، به دلیل پایداری طولانی مدت در محلول‌های ژل‌مانند و خواص زیست سازگاری، پتانسیل چشمگیری در توسعه باندپیچی‌های پزشکی پیشرفته و هیدروژل‌ها دارند.
نتیجه­ گیری: ماکروجلبک‌های دریایی به­عنوان یک منبع فراوان، تجدیدپذیر و پایدار، پتانسیل بی‌نظیری برای تولید سلولز و نانوسلولز باکیفیت بالا دارند. این مواد زیستی با خواص فیزیکوشیمیایی و مکانیکی برجسته، از جمله استحکام بالا، سطح ویژه وسیع و زیست سازگاری، راه را برای کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف هموار می‌کنند. توسعه روش‌های استخراج سبز و مقرون‌به‌صرفه، مانند هیدرولیز آنزیمی و بهبود فرآیندهای شیمیایی، اهمیت بالایی در تجاری‌سازی و افزایش بهره‌وری این مواد دارد. با توجه به چالش‌های زیست‌محیطی فعلی، استفاده از نانو سلولزهای استخراج شده از جلبک‌ها، نه تنها راهکاری پایدار برای تولید مواد جدید فراهم می‌کند، بلکه به مدیریت پسماندهای جلبکی و کاهش ردپای کربن نیز کمک شایانی می‌نماید. این پژوهش بر نقش حیاتی ماکروجلبک‌ها در آینده بیوپلیمرهای پایدار و کاربردهای نوین آن‌ها تأکید می‌کند و مسیر را برای تحقیقات و توسعه بیشتر در این حوزه هموار می‌سازد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]. Steven, S., Mardiyati, Y., Shoimah, S.M.A., Rizkiansyah, R.R., Santosa, S.P. and Suratman, R., 2021. Preparation and characterization of nanocrystalline cellulose from cladophora sp. algae. International Journal on Advanced Science, Engineering and Information Technology, 11(3), pp.1035-1041.
 [2]. Hosseinkhani, H., 2023. Concepts of Biomedical Engineering. in: Biomedical Engineering. Wiley-VCH, New York, United States, pp. 1–22.
 [3]. Machado, B., Costa, S.M., Costa, I., Fangueiro, R. and Ferreira, D.P., 2024. The potential of algae as a source of cellulose and its derivatives for biomedical applications. Cellulose, 31(6), pp.3353-3376.
[4]. Ilyas, R.A. and Atikah, M.S.N., 2021. Production of nanocellulose from sustainable algae marine biomass. In Seminar on Advanced Bio-and Mineral based Natural Fibre Composites (SBMC2021). Institute of Tropical Forestry and Forest Product (INTROP), Universiti Putra Malaysia: Serdang, Malaysia, pp. 1-9.
[5]. Zaki, M., HPS, A.K., Sabaruddin, F.A., Bairwan, R.D., Oyekanmi, A.A., Alfatah, T., Danish, M., Mistar, E.M. and Abdullah, C.K., 2021. Microbial treatment for nanocellulose extraction from marine algae and its applications as sustainable functional material. Bioresource Technology Reports, 16, p.100811.
 [6]. Samiee, S., Ahmadzadeh, H., Hosseini, M. and Lyon, S., 2019. Algae as a source of microcrystalline cellulose. In Advanced bioprocessing for alternative fuels, biobased chemicals, and bioproducts (pp. 331-350). Woodhead Publishing.
 [7]. Aliyu, A., Lee, J.G.M. and Harvey, A.P., 2021. Microalgae for biofuels via thermochemical conversion processes: A review of cultivation, harvesting and drying processes, and the associated opportunities for integrated production. Bioresource Technology Reports, 14, p.100676.
 [8]. Kim, H.M., Wi, S.G., Jung, S., Song, Y. and Bae, H.J., 2015. Efficient approach for bioethanol production from red seaweed Gelidium amansii. Bioresource technology, 175, pp.128-134.
 [9]. Otero, P., Carpena, M., Garcia-Oliveira, P., Echave, J., Soria-Lopez, A., García-Pérez, P., Fraga-Corral, M., Cao, H., Nie, S., Xiao, J. and Simal-Gandara, J., 2023. Seaweed polysaccharides: Emerging extraction technologies, chemical modifications and bioactive properties. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 63(13), pp.1901-1929.
 [10]. Mihhels, K., Yousefi, N., Blomster, J., Solala, I., Solhi, L. and Kontturi, E., 2023. Assessment of the Alga Cladophora glomerata as a Source for Cellulose Nanocrystals. Biomacromolecules, 24(11), pp.4672-4679.
[11]. Doh, H., Lee, M.H. and Whiteside, W.S., 2020. Physicochemical characteristics of cellulose nanocrystals isolated from seaweed biomass. Food hydrocolloids, 102, p.105542.
[12]. Zanchetta, E., Damergi, E., Patel, B., Borgmeyer, T., Pick, H., Pulgarin, A. and Ludwig, C., 2021. Algal cellulose, production and potential use in plastics: Challenges and opportunities. Algal Research, 56, p.102288.
[13]. Baghel, R.S., Reddy, C.R.K. and Singh, R.P., 2021. Seaweed-based cellulose: Applications, and future perspectives. Carbohydrate Polymers, 267, p.118241.
 [14]. Chemodanov, A., Robin, A. and Golberg, A., 2017. Design of marine macroalgae photobioreactor integrated into building to support seagriculture for biorefinery and bioeconomy. Bioresource Technology, 241, pp.1084-1093.
 [15]. Bar-Shai, N., Sharabani-Yosef, O., Zollmann, M., Lesman, A. and Golberg, A., 2021. Seaweed cellulose scaffolds derived from green macroalgae for tissue engineering. Scientific reports, 11(1), p.11843.
 [16]. Ventura-Cruz, S. and Tecante, A., 2021. Nanocellulose and microcrystalline cellulose from agricultural waste: Review on isolation and application as reinforcement in polymeric matrices. Food Hydrocolloids, 118, p.106771.
 [17]. Ghahramani, S., Hedjazi, S., Izadyar, S., Fischer, S. and Abdolkhani, A., 2023. Production of nanocrystals and nanofibrils from unbleached and bleached soda pulp with ECFlight bleaching sequence and comparison of their morphological and thermal properties. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 13(4), pp.457-471. (In Persian)
 [18]. Chen, Y.W., Lee, H.V., Juan, J.C. and Phang, S.M., 2016. Production of new cellulose nanomaterial from red algae marine biomass Gelidium elegans. Carbohydrate polymers, 151, pp.1210-1219.
 [19]. Saelee, K., Yingkamhaeng, N., Nimchua, T. and Sukyai, P., 2016. An environmentally friendly xylanase-assisted pretreatment for cellulose nanofibrils isolation from sugarcane bagasse by high-pressure homogenization. Industrial Crops and Products, 82, pp.149-160.
 [20]. Xu, S.Y., Huang, X. and Cheong, K.L., 2017. Recent advances in marine algae polysaccharides: Isolation, structure, and activities. Marine Drugs, 15(12), p.388.
 [21]. Ribeiro, R.S., Pohlmann, B.C., Calado, V., Bojorge, N. and Pereira Jr, N., 2019. Production of nanocellulose by enzymatic hydrolysis: Trends and challenges. Engineering in life sciences, 19(4), pp.279-291.
 [22]. Bian, H., Chen, L., Dong, M., Fu, Y., Wang, R., Zhou, X., Wang, X., Xu, J. and Dai, H., 2020. Cleaner production of lignocellulosic nanofibrils: Potential of mixed enzymatic treatment. Journal of Cleaner Production, 270, p.122506.
[23]. Asadi, F. and Aryaie Monfared, M.H., 2020. 06 New ways to Improve Energy efficiency in Pulp and Paper Industry. Iranian Journal of Energy, 23(2), pp.139-162. (In Persian).
 [24]. Michelin, M., Gomes, D.G., Romaní, A., Polizeli, M.D.L.T. and Teixeira, J.A., 2020. Nanocellulose production: exploring the enzymatic route and residues of pulp and paper industry. Molecules, 25(15), p.3411.
 [25]. Rashid, E.S.A., Gul, A., Yehya, W.A.H. and Julkapli, N.M., 2021. Physico-chemical characteristics of nanocellulose at the variation of catalytic hydrolysis process. Heliyon, 7(6).
 [26]. Trache, D. and Thakur, V.K., 2020. Nanocellulose and nanocarbons based hybrid materials: Synthesis,
characterization and applications. Nanomaterials, 10(9), p.1800.
[27]. Plianwong, S. and Sirirak, T., 2024. Cellulose nanocrystals from marine algae Cladophora glomerata by using microwave-assisted extraction. International Journal of Biological Macromolecules, 260, p.129422.
 [28]. Yousif, Y.M., Hassan, O.M. and Ibraheem, I.J., 2024. Removal of heavy metal ions from water using nanocellulose-based membranes derived from macroalgae Chara corallina. Journal of Degraded & Mining Lands Management, 11(3), pp. 5793-5803.
 [29]. Bogolitsyn, K., Parshina, A., Aleshina, L., Prusskii, A., Tokko, O., Polomarchuk, D., Bogdanovich, N. and Savrasova, Y., 2024. Nanocrystalline cellulose from Arctic brown algae Laminaria digitata and Saccharina latissima. Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre, 31, p.100416.
[30]. El-Sheekh, M.M., Yousuf, W.E., Kenawy, E.R. and Mohamed, T.M., 2023. Biosynthesis of cellulose from Ulva lactuca, manufacture of nanocellulose and its application as antimicrobial polymer. Scientific Reports, 13(1), p.10188.
 [31]. Steven, S., Fauza, A.N., Mardiyati, Y., Santosa, S.P. and Shoimah, S.M.A., 2022. Facile preparation of cellulose bioplastic from Cladophora sp. algae via hydrogel method. Polymers, 14(21), p.4699.
 [32]. Doh, H., Dunno, K.D. and Whiteside, W.S., 2020. Preparation of novel seaweed nanocomposite film from brown seaweeds Laminaria japonica and Sargassum natans. Food hydrocolloids, 105, p.105744.
 [33]. Kazharska, M., Ding, Y., Arif, M., Jiang, F., Cong, Y., Wang, H., Zhao, C., Liu, X., Chi, Z. and Liu, C., 2019. Cellulose nanocrystals derived from Enteromorpha prolifera and their use in developing bionanocomposite films with water-soluble polysaccharides extracted from E. prolifera. International Journal of Biological Macromolecules, 134, pp.390-396.
 [34]. El Achaby, M., Kassab, Z., Aboulkas, A., Gaillard, C. and Barakat, A., 2018. Reuse of red algae waste for the production of cellulose nanocrystals and its application in polymer nanocomposites. International journal of biological macromolecules, 106, pp.681-691.
[35]. Asadi, F., Nazarnezhad, N., & Attoeii, G. A. (2016). Preparation of nano-cellulose from Cladophora, fibrous algae, and utilizing it to improve the strength properties of CMP pulp. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 31(4), 695–702.(In Persian).