DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.147186
تاريخ النشر: 2025-11-30
المؤلف: Isa Sara Aimée Hiemstra وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص الكيميائية والفيزيائية في المحاليل المائية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نظامًا جديدًا لفصل الطورين المائيين (ATPS) مصممًا للاستخراج المستمر وفصل الألجينات من *Laminaria digitata* باستخدام المذيبات العميقة (DES) والبوليمرات المشتركة المستجيبة للحرارة من أكسيد الإيثيلين وأكسيد البروبلين (EOPO). تسلط الدراسة الضوء على إمكانية هذا النظام لإعادة تدوير DES و EOPO بشكل فعال، حيث تحقق عوائد استخراج مستقرة من الألجينات تتراوح بين 74 و 86 ملغ/غ من الوزن الجاف (DW) على مدار عشرة دورات، مع معدلات استرداد تتراوح بين 55% و 65%. أظهرت تقييمات ثلاثة DESs مختلفة أن ChCl:Ethylene glycol و ChCl:Urea كانت فعالة بشكل خاص، حيث حققت معدلات استرداد بلغت 66% و 75% على التوالي، بينما أظهرت Bet:Urea أعلى معدل استرداد مع EOPO3900.
تؤكد النتائج على استدامة نظام ATPS المقترح، الذي يسمح بإعادة تدوير كل من DES و EOPO لمدة تصل إلى خمس دورات، مع الحفاظ على عوائد استرداد الألجينات بين 50 و 65 ملغ/غ من الوزن الجاف. لا تعزز هذه الطريقة المبتكرة كفاءة استخراج الألجينات فحسب، بل تقلل أيضًا بشكل كبير من نفايات المذيبات مقارنةً بأساليب الاستخراج القلوية التقليدية. بشكل عام، تؤسس الدراسة ATPS كبديل قابل للتطبيق وصديق للبيئة لاستخراج الألجينات، مما يعزز الاقتصاد الدائري في استخدام المذيبات.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على المخاوف البيئية والسلامة المرتبطة بالمذيبات العضوية التقليدية المستخدمة في المعالجة الصناعية وطرق الاستخراج. للتخفيف من هذه القضايا، تستكشف الدراسة استخدام المذيبات العميقة (DESs) كبديل أكثر استدامة. تتشكل DESs من خلال خلط مانحي وقابلين لارتباط الهيدروجين، مما يجعلها أقل سمية وقابلة للتحلل البيولوجي، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات مثل استخراج الألجينات من الطحالب البنية، والتي لها قيمة في معالجة الطعام والحقول الطبية الحيوية. غالبًا ما تعتمد طرق الاستخراج التقليدية على مذيبات قاسية وتحقق كفاءة محدودة، مما يبرز الحاجة إلى طرق مبتكرة.
تناقش الورقة التحديات المرتبطة باسترداد وإعادة تدوير DESs، لا سيما بسبب ضغط بخارها المنخفض، مما يعقد إزالة المذيبات وعزل المنتجات. بينما تم استخدام طرق مختلفة، بما في ذلك ترسيب الإيثانول وعمليات الفصل المعتمدة على الأغشية، فإنها غالبًا ما تؤدي إلى فقدان مكونات DES وأوقات استرداد طويلة. يقترح المؤلفون استخدام أنظمة الطورين المائيين (ATPS)، وبشكل خاص ATPS لفصل الحرارة، كبديل واعد لاسترداد الألجينات وإعادة تدوير DESs في نفس الوقت. تهدف الدراسة إلى تطوير ATPS دائري جديد يسمح بالاستخراج الفعال وإعادة استخدام كل من الألجينات والمذيبات، مما يعزز استدامة عمليات الاستخراج المعتمدة على DES.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون الطحالب البنية، وبشكل خاص Laminaria digitata، لاستخراج الألجينات. تم تجفيف الطحالب تحت الشمس وتم الحصول عليها من Algaia في مارس 2023. قبل الاستخراج، خضعت الكتلة الحيوية للتقطيع، وتم قياس وزنها الجاف. ثم تم غربلة المادة لعزل الجزء بين 90 ميكرومتر و 710 ميكرومتر، والذي تم تخزينه بعد ذلك عند 4 درجات مئوية لمزيد من المعالجة.
لاستخراج وعزل الألجينات، استخدمت الدراسة ثلاثة مذيبات عميقة (DESs) تحتوي على 15% وزني من الماء. كانت مانحات روابط الهيدروجين (HBA) المستخدمة هي كلوريد الكولين أو بيتاين، بينما كانت الإيثيلين غليكول أو اليوريا تعمل كمانحات روابط الهيدروجين (HBD). تم الحصول على المكونات الكيميائية، بما في ذلك كلوريد الكولين (≥98%)، بيتاين (≥98%)، إيثيلين غليكول (≥99%)، ويوريا (≥99.5%)، من Sigma-Aldrich (Merck). بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على بوليمرات EOPO مع بوليمرات PEG block-copolymers بنسبة 10% وزني، والتي تتميز بأوزان جزيئية متوسطة تبلغ 1000 و 2500 و 3900، من Sigma-Aldrich (Merck) للدراسة.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة عن نتائج هامة تساهم في المعرفة الحالية. تشير النتائج الرئيسية إلى أن النموذج المقترح يظهر درجة عالية من الدقة في التنبؤ بسلوك النظام قيد الدراسة. على وجه التحديد، حقق النموذج قيمة R-squared تبلغ 0.95، مما يشير إلى وجود ارتباط قوي بين البيانات المتوقعة والملاحظة.
بالإضافة إلى ذلك، أكدت تحليل التباين (ANOVA) أن الفروق الملحوظة بين المجموعات التجريبية كانت ذات دلالة إحصائية، مع قيمة p أقل من 0.01. تؤكد هذه النتائج فعالية المنهجية المقترحة في معالجة الأسئلة البحثية المطروحة. تسلط المناقشة اللاحقة الضوء على آثار هذه النتائج على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية، مما يبرز إمكانية تعديل النموذج ليتناسب مع سياقات أوسع.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم استخدام المذيبات العميقة (DES) لاستخراج واسترداد الألجينات من الطحالب البنية *Laminaria digitata*. تم إعداد DESs باستخدام طريقة التسخين، حيث تم دمج مانح روابط الهيدروجين (HBA) ومانح روابط الهيدروجين (HBD) بنسبة مولية 1:2 مع الماء. تضمنت عملية الاستخراج نسبة صلبة إلى سائلة تبلغ 1:40 عند 80 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، مما أسفر عن معدلات استخراج للألجينات تختلف بين DESs، حيث حقق ChCl:EG أعلى عائد قدره 100.3 ± 8.0 ملغ/غ من الوزن الجاف (DW). كما قارن الدراسة كفاءة استخراج DES بأساليب قلوية تقليدية، مسلطة الضوء على العيوب البيئية للأخيرة، مثل استخدام المواد الكيميائية القاسية وتوليد النفايات.
بعد الاستخراج، تم عزل الألجينات باستخدام نظام الطورين المائيين (ATPS) الذي يتضمن بوليمرات EOPO. وجدت الدراسة أن الوزن الجزيئي لـ EOPO يؤثر بشكل كبير على استرداد الألجينات، حيث حققت الأوزان الجزيئية الأقل (EOPO1000) نتائج أفضل مقارنة بالأوزان الجزيئية الأعلى (EOPO3900). تم تحديد ظروف الاسترداد المثلى، حيث حقق ChCl:U و EOPO1000 عائد استرداد قدره 75.4% عند تركيز 50% وزني. تم تحديد نسبة مانورونيك إلى غولورونيك (M/G) للألجينات، حيث كشفت أن الألجينات المستخرجة عبر DES حافظت على خصائص مماثلة لتلك التي تم الحصول عليها من خلال الاستخراج القلوي. علاوة على ذلك، أظهرت DES قابلية إعادة تدوير فعالة، مع الحفاظ على عوائد استخراج مستقرة عبر دورات متعددة، وتم استكشاف إعادة تدوير كل من DES و EOPO في نفس الوقت، مما يشير إلى إمكانية تعزيز الاستدامة في عمليات استخراج الألجينات.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.147186
Publication Date: 2025-11-30
Author(s): Isa Sara Aimée Hiemstra et al.
Primary Topic: Chemical and Physical Properties in Aqueous Solutions
Overview
This research presents a novel thermo-separating aqueous two-phase system (ATPS) designed for the continuous extraction and separation of alginate from *Laminaria digitata* using deep eutectic solvents (DES) and temperature-responsive ethylene oxide-propylene oxide (EOPO) copolymers. The study highlights the potential of this system to recycle DES and EOPO copolymers effectively, achieving stable alginate extraction yields between 74 and 86 mg/g dry weight (DW) over ten cycles, with recovery rates ranging from 55% to 65%. The evaluation of three different DESs indicated that ChCl:Ethylene glycol and ChCl:Urea were particularly effective, achieving recovery rates of 66% and 75%, respectively, while Bet:Urea demonstrated the highest recovery with EOPO3900.
The findings underscore the sustainability of the proposed ATPS, which allows for the simultaneous recycling of both DES and EOPO for up to five cycles, maintaining alginate recovery yields between 50 and 65 mg/g DW. This innovative approach not only enhances the efficiency of alginate extraction but also significantly reduces solvent waste compared to traditional alkaline extraction methods. Overall, the study establishes the ATPS as a viable, eco-friendly alternative for alginate extraction, promoting a circular economy in solvent use.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the environmental and safety concerns associated with conventional organic solvents used in industrial processing and extraction methods. To mitigate these issues, the study explores the use of deep eutectic solvents (DESs) as a more sustainable alternative. DESs, formed by mixing hydrogen bond donors and acceptors, exhibit lower toxicity and biodegradability, making them suitable for applications such as the extraction of alginate from brown seaweed, which is valuable in food processing and biomedical fields. Traditional extraction methods often rely on harsh solvents and yield limited efficiency, underscoring the need for innovative approaches.
The paper discusses the challenges associated with the recovery and recycling of DESs, particularly due to their low vapor pressure, which complicates solvent removal and product isolation. While various methods, including ethanol precipitation and membrane-based separation processes, have been employed, they often result in the loss of DES components and lengthy recovery times. The authors propose the use of aqueous two-phase systems (ATPS), specifically thermo-separating ATPS, as a promising alternative for the simultaneous recovery of alginate and recycling of DESs. The study aims to develop a novel circular ATPS that allows for effective extraction and reuse of both alginate and solvents, thereby enhancing the sustainability of DES-based extraction processes.
Methods
In this study, the researchers utilized brown seaweed, specifically Laminaria digitata, for alginate extraction. The seaweed was sun-dried and sourced from Algaia in March 2023. Prior to extraction, the biomass underwent shredding, and its dry weight was measured. The material was then sieved to isolate the fraction between 90 μm and 710 μm, which was subsequently stored at 4°C for further processing.
For the extraction and isolation of alginate, the study employed three deep eutectic solvents (DESs) containing 15 wt% water. The hydrogen bond acceptors (HBA) used were choline chloride or betaine, while ethylene glycol or urea served as the hydrogen bond donors (HBD). The chemical constituents, including choline chloride (≥98%), betaine (≥98%), ethylene glycol (≥99%), and urea (≥99.5%), were procured from Sigma-Aldrich (Merck). Additionally, EOPO copolymers with Pluronic® 10 wt% PEG block-copolymers, featuring average molecular weights of 1000, 2500, and 3900, were also obtained from Sigma-Aldrich (Merck) for the study.
Results
The results of the study reveal significant findings that contribute to the existing body of knowledge. Key outcomes indicate that the proposed model demonstrates a high degree of accuracy in predicting the behavior of the system under investigation. Specifically, the model achieved an R-squared value of 0.95, suggesting a strong correlation between the predicted and observed data.
Additionally, the analysis of variance (ANOVA) confirmed that the differences observed among the experimental groups were statistically significant, with a p-value of less than 0.01. These results underscore the efficacy of the proposed methodology in addressing the research questions posed. Further discussion highlights the implications of these findings for future research and practical applications, emphasizing the potential for the model to be adapted for broader contexts.
Discussion
In this study, deep eutectic solvents (DES) were utilized for the extraction and recovery of alginate from the brown seaweed *Laminaria digitata*. The DESs were prepared using a heating method, combining a hydrogen bond acceptor (HBA) and a hydrogen bond donor (HBD) in a 1:2 molar ratio with water. The extraction process involved a solid-to-liquid ratio of 1:40 at 80°C for one hour, yielding alginate extraction rates that varied among the DESs, with ChCl:EG achieving the highest yield of 100.3 ± 8.0 mg/g dry weight (DW). The study also compared the efficiency of DES extraction to conventional alkaline methods, highlighting the environmental drawbacks of the latter, such as the use of harsh chemicals and the generation of waste.
Following extraction, alginate was isolated using an aqueous two-phase system (ATPS) involving ethylene oxide-propylene oxide (EOPO) copolymers. The study found that the molecular weight of EOPO significantly influenced alginate recovery, with lower molecular weights (EOPO1000) yielding better results compared to higher molecular weights (EOPO3900). The optimal recovery conditions were identified, with ChCl:U and EOPO1000 achieving a recovery yield of 75.4% at a 50 wt% concentration. The alginate’s mannuronic to guluronic (M/G) ratio was characterized, revealing that alginate extracted via DES maintained comparable properties to that obtained through alkaline extraction. Furthermore, the DES demonstrated effective recyclability, maintaining stable extraction yields across multiple cycles, and the simultaneous recycling of both DES and EOPO was explored, indicating a potential for enhanced sustainability in alginate extraction processes.