DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.118127
تاريخ النشر: 2024-01-26
المؤلف: Tirath Raj وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص السوائل الأيونية وتطبيقاتها
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في استخدام قصب السكر المعدل وراثيًا، المسمى “زيت القصب”، لتجزئة اللب الغني بالدهون والسليلوز باستخدام المذيبات الطبيعية العميقة (NADES). أعدت الدراسة ستة تركيبات من NADES مع كلوريد الكولين (ChCl) كمتقبل لروابط الهيدروجين (HBA) وحمض اللبنيك (LA) وحمض الأكساليك (OA) والجلسرين (Gly) كمانحي روابط الهيدروجين (HBD). تم تقييم تأثيرات نسبة NADES، وتحميل الكتلة الحيوية (10-50%)، ووقت الإقامة (1-2 ساعة)، ودرجة الحرارة (90-140 °م) على إزالة اللجنين، ومحتوى الدهون، وإطلاق السكر بشكل منهجي. تم تحديد الظروف المثلى كنسبة ChCl:LA تبلغ 1:2 عند 140 °م لمدة ساعتين، مما أدى إلى زيادة بمقدار 2.5 ضعف في محتوى الدهون (~8% w/w) وأكثر من 80% من غلة الجلوكوز بعد 72 ساعة من التحلل المائي الإنزيمي للباقة المعالجة مسبقًا.
تشير النتائج إلى أن زيت القصب يمكن أن يكون محصولًا مستدامًا للطاقة الحيوية لإنتاج الإيثانول الحيوي والديزل الحيوي في مصافي البترول الصناعية. لا تعزز طريقة المعالجة الخضراء الفعالة باستخدام NADES استرداد الدهون وغلة السكر فحسب، بل تظهر أيضًا الإمكانية للمعالجة الصلبة للكتلة الحيوية العالية (حتى 50%). علاوة على ذلك، تشير دراسات إعادة التدوير إلى أنه يمكن إعادة استخدام 95-98% من NADES عبر خمس دورات دون تدهور هيكلي كبير، كما تم تأكيده من خلال تحليلات ^1H NMR وFTIR. تمهد هذه الدراسة الطريق للدراسات المستقبلية في تطوير العمليات الحيوية، والتحليل الاقتصادي التكنولوجي، وتقدير الدهون، مما يساهم في تقدم مصافي البترول المستدامة.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية الحاجة الملحة لبدائل مستدامة للوقود الأحفوري في ضوء زيادة الطلب على وقود النقل والمخاوف البيئية، وخاصة انبعاثات غازات الدفيئة وتغير المناخ. تسلط الضوء على الدور المتزايد للطاقة الحيوية، التي شهدت زيادة بنسبة 7% في المساهمة من 2010 إلى 2021، مع توقعات بنمو إضافي بنسبة 10% سنويًا حتى 2030 لتحقيق صافي انبعاثات صفرية. تناقش الورقة سياسة الهند المحدثة لاستخدام الكتلة الحيوية في الاحتراق المشترك التي تهدف إلى زيادة أهداف خلط الإيثانول الحيوي والديزل الحيوي بحلول عام 2030، مع التأكيد على المزايا الاقتصادية للديزل الحيوي مقارنة بالإيثانول الحيوي بسبب كثافته الطاقية الأعلى وطلب السوق.
تركز الدراسة على إمكانيات قصب السكر المعدل وراثيًا، المشار إليه باسم “زيت القصب”، الذي يمكن أن يتراكم بمستويات أعلى بكثير من ثلاثي الجليسريدات (TAGs) مقارنة بالأنواع البرية، مما يجعله مادة خام واعدة لإنتاج الديزل الحيوي. تتناول الورقة أيضًا التحديات في استخراج الدهون من باقة زيت القصب، بما في ذلك المقاومة الطبيعية وانخفاض محتوى الدهون، بينما تنتقد طرق الاستخراج التقليدية لتأثيرها البيئي. تقدم المذيبات الطبيعية العميقة (NADES) كبديل أكثر خضرة لتفكيك الكتلة الحيوية واستخراج الدهون، موضحة مزاياها مقارنة بالمذيبات التقليدية. تهدف الدراسة إلى تحسين تركيبات NADES لاسترداد السكر الفعال وتعزيز الدهون من باقة زيت القصب المعدل، مما يمثل نهجًا جديدًا في استخدام المحاصيل المعدلة وراثيًا لإنتاج الوقود الحيوي.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، وأجهزة، وتقنيات، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان قابلية تكرار النتائج وموثوقيتها. قد يصف القسم أيضًا معايير اختيار العينة، والضوابط التجريبية، والتحليلات الإحصائية المطبقة لتفسير البيانات.
بالإضافة إلى ذلك، فإن هذا القسم ضروري لفهم قوة المنهجية، حيث يوفر رؤى حول إعداد التجربة، بما في ذلك أي تعديلات تم إجراؤها على الإجراءات القياسية. تعتبر وضوح ودقة الطرق ضرورية لتمكين الباحثين الآخرين من تكرار الدراسة والتحقق من نتائجها.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة إعداد وتحسين المذيبات الطبيعية العميقة (NADES) لمعالجة باقة زيت القصب، مع التركيز على فعاليتها في تعزيز التحلل السكري الإنزيمي واسترداد الدهون. استخدمت الدراسة تركيبات مختلفة من NADES، وخاصة كلوريد الكولين (ChCl) مع حمض اللبنيك (LA) وحمض الأكساليك (OA) والجلسرين (Gly)، بنسب مولية وظروف معالجة مختلفة (درجة الحرارة والوقت). أظهرت النتائج أن ChCl: LA عند نسبة مولية 1:2 حسنت بشكل كبير استرداد الجلوكوز وإزالة اللجنين، حيث حققت إزالة لجنين تصل إلى 81.5% وتعزيز الجلوكوز بنسبة 67.9% عند 140 °م لمدة ساعتين. كما أسفرت هذه المعالجة عن غلة جلوكوز ملحوظة تبلغ 78.9% بعد التحلل المائي الإنزيمي، متفوقة على تركيبات NADES الأخرى.
على العكس من ذلك، أظهرت ChCl: OA وChCl: Gly فعالية أقل، حيث أدت ChCl: OA إلى تقليل محتوى الكربوهيدرات والدهون بسبب الحموضة المفرطة، بينما أظهرت ChCl: Gly تأثيرًا ضئيلًا على تفكيك الكتلة الحيوية. تؤكد الدراسة على الدور التحفيزي للبروتونات الحمضية في NADES، التي تسهل تفكيك مجمعات اللجنين-الكربوهيدرات، مما يعزز قابلية هضم اللب الغني بالسليلوز. بالإضافة إلى ذلك، فإن إعادة تدوير NADES بنجاح حتى خمس دورات مع استرداد يزيد عن 98% يبرز إمكانياتها لتطبيقات مصافي البترول المستدامة. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على الأداء المتفوق لـ ChCl: LA في تحقيق معالجة فعالة للكتلة الحيوية، وزيادة غلات السكر، وتعزيز استرداد الدهون، مما يدعم تطوير عمليات إنتاج الطاقة الحيوية الفعالة من حيث التكلفة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.118127
Publication Date: 2024-01-26
Author(s): Tirath Raj et al.
Primary Topic: Ionic liquids properties and applications
Overview
This research investigates the use of metabolically engineered sugarcane, termed “Oilcane,” for the fractionation of lipid and cellulose-rich pulp utilizing Natural Deep Eutectic Solvents (NADES). The study prepared six NADES combinations with choline chloride (ChCl) as the hydrogen bond acceptor (HBA) and lactic acid (LA), oxalic acid (OA), and glycerol (Gly) as hydrogen bond donors (HBD). The effects of NADES ratio, biomass loading (10-50%), residence time (1-2 hours), and temperature (90-140 °C) on delignification, lipid content, and sugar release were systematically evaluated. Optimal conditions were identified as a ChCl:LA ratio of 1:2 at 140 °C for 2 hours, resulting in a 2.5-fold increase in lipid content (~8% w/w) and over 80% glucose yield after 72 hours of enzymatic hydrolysis of the pre-treated bagasse.
The findings suggest that Oilcane can serve as a sustainable bioenergy crop for co-producing bioethanol and biodiesel in industrial biorefineries. The efficient green pretreatment method using NADES not only enhances lipid recovery and sugar yield but also demonstrates the potential for high biomass solid pretreatment (up to 50%). Furthermore, recycling studies indicate that 95-98% of NADES can be reused across five cycles without significant structural degradation, as confirmed by ^1H NMR and FTIR analyses. This research paves the way for future studies in bioprocess development, technoeconomic analysis, and lipid quantification, contributing to the advancement of sustainable biorefineries.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the urgent need for sustainable alternatives to fossil fuels in light of rising transportation fuel demands and environmental concerns, particularly greenhouse gas emissions and climate change. It highlights the growing role of bioenergy, which has seen a 7% increase in contribution from 2010 to 2021, with projections of a further 10% annual growth until 2030 to achieve net-zero emissions. The paper discusses India’s updated biomass co-firing policy aimed at increasing bioethanol and biodiesel blending targets by 2030, emphasizing the economic advantages of biodiesel over bioethanol due to its higher energy density and market demand.
The research focuses on the potential of metabolically engineered sugarcane, referred to as “oilcane,” which can accumulate significantly higher levels of triacylglycerols (TAGs) compared to wild types, making it a promising feedstock for biodiesel production. The paper also addresses challenges in lipid extraction from oilcane bagasse, including natural recalcitrance and low lipid content, while critiquing traditional extraction methods for their environmental impact. It introduces natural deep eutectic solvents (NADES) as a greener alternative for biomass deconstruction and lipid extraction, detailing their advantages over conventional solvents. The study aims to optimize NADES formulations for effective sugar recovery and lipid enrichment from engineered oilcane bagasse, marking a novel approach in the utilization of genetically modified crops for biofuel production.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, instruments, and technologies, as well as the protocols followed to ensure reproducibility and reliability of results. The section may also describe the sample selection criteria, experimental controls, and statistical analyses applied to interpret the data.
Additionally, this section is crucial for understanding the methodology’s robustness, as it provides insights into the experimental setup, including any modifications made to standard procedures. The clarity and precision of the methods are essential for enabling other researchers to replicate the study and validate its findings.
Discussion
In this section, the research discusses the preparation and optimization of natural deep eutectic solvents (NADES) for the pretreatment of oilcane bagasse, focusing on their effectiveness in enhancing enzymatic saccharification and lipid recovery. The study utilized various combinations of NADES, specifically choline chloride (ChCl) with lactic acid (LA), oxalic acid (OA), and glycerol (Gly), at different molar ratios and pretreatment conditions (temperature and time). The results indicated that ChCl: LA at a 1:2 molar ratio significantly improved glucan recovery and lignin removal, achieving up to 81.5% lignin removal and 67.9% glucan enrichment at 140 °C for 2 hours. This pretreatment also resulted in a remarkable glucose yield of 78.9% after enzymatic hydrolysis, outperforming the other NADES combinations.
Conversely, ChCl: OA and ChCl: Gly exhibited lower effectiveness, with ChCl: OA leading to a reduction in carbohydrate and lipid content due to excessive acidity, while ChCl: Gly showed minimal impact on biomass deconstruction. The study emphasizes the catalytic role of acidic protons in NADES, which facilitate the breakdown of lignin-carbohydrate complexes, thereby enhancing the digestibility of cellulose-rich pulp. Additionally, the successful recycling of NADES up to five cycles with over 98% recovery underscores their potential for sustainable biorefinery applications. Overall, the findings highlight the superior performance of ChCl: LA in achieving efficient biomass pretreatment, maximizing sugar yields, and enhancing lipid recovery, thereby supporting the development of cost-effective bioenergy production processes.