مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

جزءجزء سازی کاتالیزوری باگاس نیشکر با استفاده از ‏Ru/C‏ در حلال‌های پلی‌ال تجدیدپذیر ‏برای ‏ارزش‌گذاری یکپارچه لیگنین و کربوهیدرات ‏

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
2 دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران
3 گروه فناوری‌های شیمیایی، سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران
10.22034/ijwp.2026.2080614.1750
چکیده
چکیده
بیان مسئله و اهداف‎:‎
با افزایش نیاز به منابع پایدار و کاهش استفاده از سوخت‌های فسیلی، توسعه زیست‌پالایشگاه‌ها برای تبدیل مؤثر زیست‌توده‌های ‏لیگنوسلولزی، مانند باگاس نیشکر، اهمیت یافته است. چالش اصلی، جداسازی مؤثر سلولز، همی‌سلولزها و لیگنین با کمترین تخریب ‏ممکن است. روش‌های معمول جداسازی لیگنین به گاز هیدروژن خارجی نیاز دارند که پرهزینه و خطرناک است. این پژوهش، یک ‏روش ایمن‌تر مبتنی بر جزء‌جزءسازی کاتالیزوری بدون استفاده از گاز هیدروژن(‏H2‎‏)‏‎ ‎را بررسی می‌کند. در این روش از کاتالیزور ‏روتینیوم بر روی کربن(‏Ru/C‏) و اسید فرمیک به‌عنوان دهنده هیدروژن استفاده شده و تأثیر دو حلال تجدیدپذیر با نقطه جوش بالا، ‏گلیسرول و 4,1-بوتان‌دیول، در شرایط یکسان بررسی شده است‎.‎
مواد و روش‌ها‎:‎
ماده اولیه مورد استفاده، باگاس نیشکر با ترکیب اولیه مشخص بود. فرآیند در یک راکتور ناپیوسته فولاد ضدزنگ انجام گرفت. در ‏هر آزمایش، مقادیر معینی از باگاس، کاتالیزورRu/C، اسید فرمیک و محلول حاوی یکی از حلال‌های پلی‌ال و آب، در راکتور مخلوط ‏و تحت همزدن به دمای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد رسیده و به مدت ۵ ساعت نگهداری شد. پس از اتمام واکنش و خنک‌کاری، محتوای ‏راکتور فیلتر شد تا فاز جامد (پالپ سلولزی) از فاز مایع جدا شود. ترکیب شیمیایی پالپ (مقادیر سلولز، همی‌سلولزها و لیگنین) ‏مطابق روش استاندارد مؤسسه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر آمریکا(‏NREL ‏)‏‎ ‎و با استفاده از کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا‎ ‎‎(‎ HPLC)‎تعیین گردید. از فاز مایع، روغن لیگنین توسط حلال دی‌کلرومتان استخراج و پس از تغلیظ، ترکیبات آن با استفاده از ‏کروماتوگرافی‎ ‎گازی طیف‌سنج جرمی‎ (‎ GC)‎شناسایی و کمی‌سازی شد. شاخص‌های عملکردی کلیدی شامل بازیابی جرم جامد، ‏درصد لیگنین‌زدایی، حذف همی‌سلولزها، حفظ سلولز و بازده مونومرهای فنولی محاسبه گردید‎.‎
نتایج‎:‎
نتایج به وضوح نشان داد که انتخاب حلال، گزینش پذیری‎ ‎فرآیند را به طور کامل کنترل می‌کند. سامانه 4,1-بوتان‌دیول با ایجاد ‏هم‌افزایی‎ ‎مؤثر با سامانه کاتالیزوری، به عملکرد متعادلی دست یافت. این سامانه منجر به لیگنین‌زدایی ۷۸/۳۷ درصد و حذف ۱۰/۷۶ ‏درصدی همی‌سلولزها شد، در حالی که 8/63 درصد سلولز اولیه را حفظ نمود. پالپ تولیدی در این شرایط از خلوص سلولزی حدود ‏‏۷۰ درصد برخوردار بود. همچنین، بازده کل مونومرهای فنولی در این سامانه به‌طور قابل‌توجهی بالاتر بود و توزیع محصول عمدتاً ‏شامل مونومرهای با زنجیره کوتاه مانند گوایاکول بود. در مقابل، سامانه گلیسرول یک الگوی عملکردی کاملاً متفاوت را آشکار کرد. ‏این سامانه قادر به حذف استثنایی همی‌سلولزها (۹۲/۹۱ درصد) بود، اما لیگنین‌زدایی در آن بسیار ناچیز (۲۸/۳ درصد) باقی ماند. در ‏این سامانه، تشکیل مونومرهای با زنجیره بلندتر مشهود بود. داده‌ها نشان می‌دهد که گلیسرول به دلیل ویسکوزیته و قطبیت بالا، ‏احتمالاً نفوذ کاتالیزور به ساختار لیگنین را محدود کرده و هیدرولیز اسیدی همی‌سلولزها را به مسیر غالب تبدیل می‌کند‎.‎
نتیجه‌گیری‎:‎
این پژوهش به صورت تجربی اثبات کرد که مهندسی محیط واکنش از طریق انتخاب هوشمندانه حلال، یک اهرم قدرتمند برای ‏هدایت گزینش پذیری فرآیندهای جزءجزء سازی کاتالیزوری است. 4,1-بوتان‌دیول به عنوان حلالی که هم‌افزایی بهتری ایجاد ‏می‌کند، برای دستیابی هم‌زمان به پالپ سلولزی باکیفیت و روغن لیگنین غنی از مونومر در یک فرآیند یکپارچه پیشنهاد می‌شود. ‏موفقیت این فرآیند بدون نیاز به هیچ منبع خارجی گازH₂‎، با استفاده از سامانه دهنده هیدروژن مایع‎ ‎‏(اسید فرمیک‏Ru/C +‎‏)، گامی ‏مهم به سوی توسعه فرآیندهای زیست‌پالایشگاهی ایمن‌تر، عملی‌تر و پایدار محسوب می‌گردد‎.‎
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] Abdulkhani, A., Bagheri, S., Hosseinzadeh, J., Hedjazi, S. and Sun, F., 2025. Functionalization of Lignin by Sulfomethylation. In Handbook of Lignin (pp. 1-25). Singapore: Springer Nature Singapore.
[2] Bagheri, S., Rahmaninia, M. and Behrooz, R., 2021. Performance of urea/NaOH as a green solvent in dissolving recycled cellulosic fiber fines residues. Cellulose Chemistry and Technology, 55(9-10), pp.971-979.
[3] Van den Bosch, S., Schutyser, W., Vanholme, R., Driessen, T., Koelewijn, S.F., Renders, T., De Meester, B., Huijgen, W.J.J., Dehaen, W., Courtin, C.M. and Lagrain, B., 2015. Reductive lignocellulose fractionation into soluble lignin-derived phenolic monomers and dimers and processable carbohydrate pulps. Energy & environmental science, 8(6), pp.1748-1763.
[4] Brandner, D.G., Vitoria, J.G., Kenny, J.K., Bussard, J.R., Jang, J.H., Woodworth, S.P., Vanbroekhoven, K., Román-Leshkov, Y. and Beckham, G.T., 2025. Lignin extraction and condensation as a function of temperature, residence time, and solvent system in flow-through reactors. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 13(31), p.12573.
[5] Chen, M., Li, Y., Liu, H., Zhang, D., Shi, Q.S., Zhong, X.Q., Guo, Y. and Xie, X.B., 2023. High value valorization of lignin as environmental benign antimicrobial. Materials Today Bio, 18, p.100520.
[6] Cheng, F., Sun, J., Wang, Z., Zhao, X. and Hu, Y., 2019. Organosolv fractionation and simultaneous conversion of lignocellulosic biomass in aqueous 1, 4-butanediol/acidic ionic-liquids solution. Industrial Crops and Products, 138, p.111573.
[7] Ebikade, E.O., Samulewicz, N., Xuan, S., Sheehan, J.D., Wu, C. and Vlachos, D.G., 2020. Reductive catalytic fractionation of agricultural residue and energy crop lignin and application of lignin oil in antimicrobials. Green Chemistry, 22(21), pp.7435-7447.
[8] Facas, G.G., Brandner, D.G., Bussard, J.R., Román-Leshkov, Y. and Beckham, G.T., 2023. Interdependence of solvent and catalyst selection on low pressure hydrogen-free reductive catalytic fractionation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 11(12), pp.4517-4522.
[9] Guragain, Y.N., Bastola, K.P., Madl, R.L. and Vadlani, P.V., 2016. Novel biomass pretreatment using alkaline organic solvents: a green approach for biomass fractionation and 2, 3-butanediol production. BioEnergy Research, 9(2), pp.643-655.
[10] Hassanpour, M., Abbasabadi, M., Gebbie, L., Te’o,
V.S.J., O’Hara, I.M. and Zhang, Z., 2020. Acid-catalyzed glycerol pretreatment of sugarcane bagasse: understanding the properties of lignin and its effects on enzymatic hydrolysis. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8(28), pp.10380-10388.
[11] Liu, X., Feng, S., Fang, Q., Jiang, Z. and Hu, C., 2020. Reductive catalytic fractionation of lignin in birch sawdust to monophenolic compounds with high selectivity. Molecular Catalysis, 495, p.111164.
[12] Magalhães, S., Filipe, A., Melro, E., Fernandes, C., Vitorino, C., Alves, L., Romano, A., Rasteiro, M.G. and Medronho, B., 2021. Lignin extraction from waste pine sawdust using a biomass derived binary solvent system. Polymers, 13(7), p.1090.
[13] Qiu, S., Guo, X., Huang, Y., Fang, Y. and Tan, T., 2019. Task‐Specific Catalyst Development for Lignin‐First Biorefinery toward Hemicellulose Retention or Feedstock Extension. ChemSusChem, 12(4), pp.944-954.
[14] Shen, C., Li, W., Zhang, B., Xue, F., Dou, X., Zhang, X. and Jiang, Y., 2021. Valorization of lignin in native corn stover via fractionation-hydrogenolysis process over cobalt-supported catalyst without external hydrogen. Molecular Catalysis, 514, p.111832.
[15] Song, G., Madadi, M., Sun, C., Shao, L., Tu, M., Abdulkhani, A., Zhou, Q., Lu, X., Hu, J. and Sun, F., 2023. Surfactants facilitated glycerol organosolv pretreatment of lignocellulosic biomass by structural modification for co-production of fermentable sugars and highly reactive lignin. Bioresource Technology, 383, p.129178.
[16] Tanis, M.H., Wallberg, O., Galbe, M. and Al-Rudainy, B., 2023. Lignin extraction by using two-step fractionation: a review. Molecules, 29(1), p.98.
[17] Wang, K., Liu, K., Dai, L. and Si, C., 2024. Bioinspired multiscale cellulose/lignin-silver composite films with robust mechanical, antioxidant and antibacterial properties for ultraviolet shielding. International Journal of Biological Macromolecules, 258, p.129046.
[18] Xie, X., Chen, M., Tong, W., Song, K., Wang, J., Wu, S., Hu, J., Jin, Y. and Chu, Q., 2023. Comparative study of acid-and alkali-catalyzed 1, 4-butanediol pretreatment for co-production of fermentable sugars and value-added lignin compounds. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, 16(1), p.52.
[19] Yong, K.J. and Wu, T.Y., 2023. Recent advances in the application of alcohols in extracting lignin with preserved β-O-4 content from lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 384, p.129238.