DOI: https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2026.108995
تاريخ النشر: 2026-01-19
المؤلف: Yujie Mao وآخرون
الموضوع الرئيسي: إنتاج الوقود الحيوي والتحويل البيولوجي
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة نظامًا جديدًا من المذيبات العميقة المساعدة بالموجات الدقيقة (DES) يتكون من حمض p-toluenesulfonic (pTSA) والجلسرين وكلوريد الكولين (ChCl) من أجل تعزيز قيمة الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية، وبشكل خاص قش القمح (WS). تسلط الأبحاث الضوء على فعالية تغيير تركيزات pTSA في تعزيز إزالة اللجنين مع الحفاظ على نسبة السليلوز والهيميسليلوز. حقق التركيب الأمثل لـ DES، مع نسبة مولارية من pTSA:الجلسرين:ChCl تبلغ 1:2:2، عائد إزالة لجنين قدره 78.3% مع الحفاظ على 77.8% من السليلوز و49.4% من الزيلان. سهل هذا التكوين تحقيق عوائد عالية من الجلوكوز (95.6%) والزيلوز (52.0%) بعد التحلل المائي الإنزيمي، مع تأكيد التحليلات الهيكلية على سلامة السليلوز وتحسين قابليته للهضم.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن محتوى pTSA الأعلى يؤثر بشكل كبير على الخصائص العازلة لـ DES، مما يعزز من قابليته للموجات الدقيقة ويؤدي إلى اختلاف ملحوظ في كفاءة إزالة اللجنين مقارنة بطرق التسخين التقليدية. كما تُظهر الدراسة قابلية إعادة استخدام DES، حيث حافظت على أكثر من 90% من أدائها الأولي في التحلل السكري بعد دورتين من إعادة الاستخدام. بشكل عام، توضح هذه الأبحاث الدور الحاسم لـ pTSA في تحسين تفاعلات المذيب والموجات الدقيقة، مما يعزز التحويل الحيوي المستدام للنفايات الزراعية إلى وقود حيوي. يُقترح العمل المستقبلي لاستكشاف آثار هذه النتائج في سياقات معالجة الكتلة الحيوية الأوسع.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على إمكانيات الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية (LCB)، وخاصة قش القمح (WS)، كمصدر مستدام للوقود الحيوي والمواد الكيميائية الحيوية، مع معالجة التحديات العالمية في الطاقة والبيئة. يعتبر قش القمح، بمحتواه اللجنوسليلوزي الكبير (30-50% سليلوز، 20-35% هيميسليلوز، و12-25% لجنين)، وفيرًا ولا يتنافس مع إمدادات الغذاء. يتطلب التحويل الحيوي لقش القمح إلى وقود حيوي عادةً خطوة معالجة مسبقة لتعزيز الوصول الإنزيمي من خلال تعطيل هيكله المقاوم، وغالبًا ما يتطلب إزالة اللجنين، الذي يمكن أن يعيق عوائد الوقود الحيوي.
ركزت التطورات الأخيرة في طرق المعالجة المسبقة على المذيبات العميقة (DES)، وخاصة المذيبات القائمة على كلوريد الكولين (ChCl) والأحماض الكربوكسيلية، التي تقدم مزايا مثل انخفاض التطاير وارتفاع ذوبانية اللجنين. ومع ذلك، بينما تحسن الأحماض HBD في DES إزالة اللجنين، يمكن أن تؤدي أيضًا إلى تدهور البوليمرات السكرية وتكثف اللجنين. تشمل الاستراتيجيات للتخفيف من هذه المشكلات استخدام أنظمة DES ثلاثية تجمع بين الأحماض مع الكحوليات المتعددة لتعزيز الحفاظ على البوليمرات السكرية. أظهرت دمج التسخين بالموجات الدقيقة مع المعالجة المسبقة باستخدام DES وعدًا في تحسين الكفاءة وتقليل استهلاك الطاقة. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق بشكل منهجي في دور حمض p-toluenesulfonic (pTSA) في تفاعلات DES والموجات الدقيقة، مع التركيز على تحسين تركيبة DES لتحقيق أفضل فصل للكتلة الحيوية وفهم الخصائص العازلة التي تؤثر على كفاءة التسخين بالموجات الدقيقة. من المتوقع أن تسهم النتائج في تطوير استراتيجيات معالجة مسبقة أكثر فعالية واستدامة لمصانع الوقود الحيوي.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم الحصول على عينات قش القمح المجفف (WS) من شركة Tensei Limited (كنterbury، المملكة المتحدة) وتم تقليلها لاحقًا إلى جزيئات دقيقة بحجم أقل من 0.4 مم مباشرة بعد المعالجة الصناعية. تم تحديد محتوى الرطوبة في قش القمح ليكون 5.9 ± 0.4% من خلال إجراء تجفيف عند 110 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة في فرن غرفة (Carbolite Gero، Bamford، المملكة المتحدة).
تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية في التجارب، بما في ذلك حمض p-toluenesulfonic (pTSA، ≥98.5%)، كلوريد الكولين (ChCl، ≥98.5%)، الجلسرين (≥99.5%)، حمض الأسيتيك الجليدي (≥99.7%)، بروميد الأسيتيل (≥99%)، هيدروكسيلامين هيدروكلوريد (≥98%)، معيار السليلوز (ألياف متوسطة، ≥90% w/w على أساس جاف)، ولجنين كرافت التجاري (KL، 95% w/w على أساس جاف)، جميعها تم الحصول عليها من Merck، المملكة المتحدة. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على الإيثانول المطلق (≥99.8%) من Scientific Laboratory Supplies، المملكة المتحدة، وتم إنتاج الماء منزوع الأيونات باستخدام نظام تنقية المياه Milli-Q Plus (Merck KGaA، ألمانيا).
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات الرئيسية. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، مع تحديد الأهمية الإحصائية عند قيمة p أقل من 0.05. على وجه الخصوص، أظهرت البيانات زيادة في متوسط الدرجات للمجموعة التجريبية مقارنة بالمجموعة الضابطة، مما يشير إلى أن الاستراتيجيات المنفذة كانت فعالة.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على آثار هذه النتائج ضمن السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج الإطار النظري المقترح، مما يعزز الفكرة القائلة بأن التدخل يمكن أن يكون نهجًا قابلاً للتطبيق لمعالجة القضايا المحددة. تم الاعتراف بحدود الدراسة، وتقديم اقتراحات للبحوث المستقبلية لاستكشاف الآثار طويلة الأمد والاختلافات المحتملة في مجموعات سكانية مختلفة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم إجراء تخليق وتوصيف لمجموعة متنوعة من المذيبات العميقة (DESs) لتقييم فعاليتها في معالجة الكتلة الحيوية، مع التركيز بشكل خاص على قش القمح. تم إعداد أربعة DESs باستخدام كلوريد الكولين (ChCl)، وحمض p-toluenesulfonic (pTSA)، والجلسرين بنسب مولارية مختلفة. تم قياس الخصائص العازلة واللزوجة لهذه المذيبات، وتم تقييم أدائها من خلال طرق المعالجة المسبقة بالموجات الدقيقة والتسخين التقليدي. أشارت النتائج إلى أن محتوى pTSA في DES يؤثر بشكل كبير على كفاءة إزالة اللجنين، حيث ترتبط النسب الأعلى من pTSA بزيادة إزالة اللجنين ولكن بانخفاض الحفاظ على السليلوز والزيلان. من الجدير بالذكر أن DES الذي يحتوي على محتوى متوازن من pTSA (DES 3) حقق نتائج مثالية، حيث أنتج جزءًا غنيًا بالسليلوز (CRF) يحتوي على 70.5% سليلوز وجزءًا غنيًا باللجنين (LRF) يحتوي على 95.3% من إجمالي محتوى اللجنين.
أظهر التحلل المائي الإنزيمي للكتلة الحيوية المعالجة مسبقًا أن DES 3 سهل أعلى عوائد من الجلوكوز والزيلوز، ويعزى ذلك إلى إزالة اللجنين الفعالة والحفاظ على الكربوهيدرات. كما سلطت الدراسة الضوء على التفاعل المعقد بين الحموضة وتركيب المذيب وبنية الكتلة الحيوية، مما يشير إلى أنه بينما تعزز الحموضة الأعلى إزالة اللجنين، يمكن أن تؤدي أيضًا إلى تدهور مفرط للكربوهيدرات. أكدت التحليلات الهيكلية، بما في ذلك حيود الأشعة السينية وطيف FTIR، أن المعالجة المسبقة غيرت الهيكل البلوري للسليلوز، مما أثر على قابليته للهضم الإنزيمي. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات تركيبات DES المصممة خصيصًا في تحسين فصل الكتلة الحيوية والعوائد السكرية اللاحقة، حيث يظهر DES 3 كأكثر المذيبات فعالية في معالجة قش القمح.
القيود
تسلط القيود المفروضة على الدراسة حول مصفاة قش القمح الضوء على الحاجة إلى نهج أكثر شمولاً لتعزيز قيمة جميع مكونات الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية، وخاصة الهيميسليلوز واللجنين. بينما ركزت الدراسة بنجاح على السكريات المشتقة من السليلوز، اعترفت بأن الهيميسليلوز واللجنين هما موارد قيمة تتطلب مزيدًا من التحقيق. على وجه الخصوص، يتطلب استرداد اللجنين كجزء غني باللجنين (LRF) توصيفًا مفصلًا لتقييم إمكانياته للتطبيقات اللاحقة. يُوصى باستخدام تقنيات تحليلية متقدمة، مثل الرنين المغناطيسي النووي للتوافق الكمي الأحادي ثنائي الأبعاد (2D HSQC NMR) وطيف الكروماتوغرافيا الغازية-الكتلة (Py/GC-MS)، لتوضيح التغيرات الهيكلية في اللجنين وآثارها على المواد والمواد الكيميائية الوظيفية.
بالإضافة إلى ذلك، حددت الدراسة التحديات في تعزيز قيمة الهيميسليلوز، مشيرة إلى حساسيتها للتدهور الحراري والكيميائي، مما أدى إلى معدلات حفظ أقل مقارنة بالسليلوز. تشير العائدات المنخفضة نسبيًا من التحلل السكري للزيلوز (52.0%) مقارنة بالجلوكوز (95.6%) إلى محدودية وصول الإنزيم إلى الزيلان، مما يشير إلى الحاجة إلى تحسين إنزيمي. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تطوير أنظمة مذيبات عميقة (DES) أكثر انتقائية للتخفيف من تدهور الهيميسليلوز وتعزيز طرق الاستخراج. يمكن أن تسهم الدراسات الحركية وإضافة الإنزيمات المستهدفة في تحسين وصول الهيميسليلوز والاستخدام العام للكتلة الحيوية، مما يعزز استدامة وكفاءة مصافي الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2026.108995
Publication Date: 2026-01-19
Author(s): Yujie Mao et al.
Primary Topic: Biofuel production and bioconversion
Overview
This study explores a novel microwave-assisted ternary Deep Eutectic Solvent (DES) system comprising p-toluenesulfonic acid (pTSA), glycerol, and choline chloride (ChCl) for the valorisation of lignocellulosic biomass, specifically wheat straw (WS). The research highlights the effectiveness of varying pTSA concentrations in enhancing delignification while balancing the retention of cellulose and hemicellulose. The optimal DES composition, with a molar ratio of pTSA:glycerol:ChCl at 1:2:2, achieved a delignification yield of 78.3% while preserving 77.8% cellulose and 49.4% xylan. This configuration facilitated high glucose (95.6%) and xylose (52.0%) yields post-enzymatic hydrolysis, with structural analyses confirming the integrity and improved digestibility of cellulose.
Key findings indicate that higher pTSA content significantly influences the dielectric properties of the DES, enhancing its microwave susceptibility and leading to a marked difference in delignification efficiency compared to conventional heating methods. The study also demonstrates the DES’s recyclability, maintaining over 90% of its initial saccharification performance after two reuse cycles. Overall, this research elucidates the critical role of pTSA in optimizing solvent-microwave interactions, thereby advancing the sustainable bioconversion of agricultural waste into biofuels. Future work is suggested to further explore the implications of these findings in broader biomass pretreatment contexts.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the potential of lignocellulosic biomass (LCB), particularly wheat straw (WS), as a sustainable resource for biofuels and biochemicals, addressing global energy and environmental challenges. WS, with its significant lignocellulosic content (30-50% cellulose, 20-35% hemicellulose, and 12-25% lignin), is abundant and does not compete with food supplies. The biochemical conversion of WS into biofuels typically requires a pre-treatment step to enhance enzymatic accessibility by disrupting its recalcitrant structure, often necessitating the removal of lignin, which can inhibit biofuel yields.
Recent advancements in pre-treatment methods have focused on Deep Eutectic Solvents (DES), particularly choline chloride (ChCl)-carboxylic acid-based DESs, which offer advantages such as low volatility and high lignin solubility. However, while acidic HBDs in DESs improve delignification, they can also lead to polysaccharide degradation and lignin condensation. Strategies to mitigate these issues include the use of ternary DES systems that combine acids with polyalcohols to enhance polysaccharide preservation. The integration of microwave heating with DES pre-treatment has shown promise in improving efficiency and reducing energy consumption. This study aims to systematically investigate the role of p-toluenesulfonic acid (pTSA) in DES-microwave interactions, focusing on optimizing DES composition for better biomass fractionation and understanding the dielectric properties that influence microwave heating efficiency. The findings are expected to contribute to the development of more effective and sustainable pre-treatment strategies for biorefineries.
Methods
In this study, dried wheat straw (WS) samples were sourced from Tensei Limited (Canterbury, UK) and subsequently reduced to fine particles with a size of less than 0.4 mm immediately following industrial processing. The moisture content of the wheat straw was determined to be 5.9 ± 0.4% through a drying procedure at 110 °C for 60 minutes in a chamber furnace (Carbolite Gero, Bamford, UK).
A variety of chemicals were utilized in the experiments, including p-toluenesulfonic acid (pTSA, ≥98.5%), choline chloride (ChCl, ≥98.5%), glycerol (≥99.5%), glacial acetic acid (≥99.7%), acetyl bromide (≥99%), hydroxylamine hydrochloride (≥98%), cellulose standard (medium fibers, ≥90% w/w on a dry basis), and commercial Kraft lignin (KL, 95% w/w on a dry basis), all procured from Merck, UK. Additionally, absolute ethanol (≥99.8%) was obtained from Scientific Laboratory Supplies, UK, and deionised water was produced using a Milli-Q Plus water purification system (Merck KGaA, Germany).
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention led to a measurable improvement in the targeted outcomes, with statistical significance established at a p-value of less than 0.05. Specifically, the data showed an increase in the mean scores of the experimental group compared to the control group, suggesting that the implemented strategies were effective.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings within the broader context of the field. The results support the theoretical framework proposed, reinforcing the notion that the intervention can be a viable approach to address the identified issues. Limitations of the study are acknowledged, and suggestions for future research are provided to explore the long-term effects and potential variations in different populations.
Discussion
In this study, the synthesis and characterization of various Deep Eutectic Solvents (DESs) were conducted to evaluate their effectiveness in biomass pretreatment, specifically focusing on wheat straw. Four DESs were prepared using choline chloride (ChCl), p-toluenesulfonic acid (pTSA), and glycerol in different molar ratios. The dielectric properties and viscosity of these solvents were measured, and their performance was assessed through microwave-assisted and conventional heating pretreatment methods. The results indicated that the pTSA content in the DES significantly influenced the delignification efficiency, with higher pTSA ratios correlating with increased lignin removal but decreased cellulose and xylan preservation. Notably, the DES with a balanced pTSA content (DES 3) achieved optimal results, yielding a cellulose-rich fraction (CRF) with 70.5% cellulose and a lignin-rich fraction (LRF) with 95.3% total lignin content.
The enzymatic hydrolysis of the pre-treated biomass demonstrated that DES 3 facilitated the highest glucose and xylose yields, attributed to its effective lignin removal and carbohydrate preservation. The study also highlighted the complex interplay between acidity, solvent composition, and biomass structure, suggesting that while higher acidity enhances delignification, it can also lead to excessive degradation of carbohydrates. Structural analyses, including X-ray diffraction and FTIR spectroscopy, confirmed that the pre-treatment altered the crystalline structure of cellulose, impacting its enzymatic digestibility. Overall, the findings underscore the potential of tailored DES formulations in improving biomass fractionation and subsequent sugar yields, with DES 3 emerging as the most effective solvent for wheat straw processing.
Limitations
The limitations of the study on wheat straw biorefinery highlight the need for a more comprehensive approach to valorising all components of lignocellulosic biomass, particularly hemicellulose and lignin. While the study successfully focused on cellulose-derived sugars, it acknowledged that hemicellulose and lignin are valuable resources that require further investigation. Specifically, the recovery of lignin as a lignin-rich fraction (LRF) necessitates detailed characterisation to evaluate its potential for downstream applications. Advanced analytical techniques, such as two-dimensional heteronuclear single quantum coherence nuclear magnetic resonance (2D HSQC NMR) and pyrolysis gas chromatography-mass spectroscopy (Py/GC-MS), are recommended to elucidate the structural changes in lignin and their implications for functional materials and chemicals.
Additionally, the study identified challenges in hemicellulose valorisation, noting its sensitivity to thermal and chemical degradation, which resulted in lower preservation rates compared to cellulose. The relatively low xylose saccharification yield (52.0%) compared to glucose (95.6%) suggests limited enzyme accessibility to xylan, indicating a need for enzymatic optimisation. Future research should focus on developing more selective deep eutectic solvent (DES) systems to mitigate hemicellulose degradation and enhance extraction methods. Incorporating kinetic studies and targeted enzyme supplementation could further improve hemicellulose accessibility and overall biomass utilisation, thereby advancing the sustainability and efficiency of lignocellulosic biorefineries.