نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی پالایش زیستی، دانشکده مهندسی فناوریهای نوین، پردیس زیراب، دانشگاه شهید بهشتی، مازندران، ایران

چکیده

 سابقه و هدف:
امروزه صنایع خمیر و کاغذ، به دلیل محدودیت‌های تامین ماده اولیه، ناکارآمدی در دست‌یابی به نظام تولید محصولات چندگانه ارزشمند، هدررفت بخش زیادی از مواد اولیه حین فراوری، و نیز با توجه به محدودیت استفاده از سوخت‌های فسیلی در راستای توسعه پایدار، باید به فکر توسعه و اصلاح روش‌های پربازده نظیر پالایش زیستی باشند. پالایش زیستی با به‌کارگیری روش‌های پیش‌تیمار مختلف، ماده اولیه را به اجزای آن تبدیل می‌کند. بدین وسیله می‌توان به محصولات واسط مانند قندها (گلوکز و زایلوز) دست یافت که در گام بعدی قابل تبدیل به محصولات زیست‌پایه با ارزش افزوده بیشتر هستند. این تحقیق، با رویکرد پالایش زیستی و به منظور بررسی پتانسیل یکی از مهمترین پسماندهای صنایع کاغذسازی (مغز باگاس)، با تمرکز بر استخراج همی‌سلولز ارزشمند زایلان برای تولید محصولات با ارزش افزوده بیشتر انجام شد.
مواد و روش‌ها:
پس از آماده‌سازی اولیه مغز باگاس، ترکیبات شیمیایی آن بر اساس روش‌های استاندارد تعیین شد. برای سهولت دست‌یابی به کیفیت و کمیت بهتر زایلان، مغز باگاس تحت دو فرایند پیش‌تیمار قلیایی (روش پخت سودا با غلظت‌های هیدروکسید سدیم 2، 4، 6 و 8 درصد، زمان 5 و 15 دقیقه و دماهای 110و140 درجه سانتی‌گراد) و رنگ‌بری با کلریت سدیم فراوری اولیه و سپس بازده و میزان لیگنین آنها ارزیابی شد. نمونه‌های رنگ‌بری‌شده، به منظور استخراج زایلان با درصدهای مختلف هیدروکسید سدیم (8، 10 و 14درصد) تیمارشدند. برای نمونه‌های استخراج‌شده، افت وزنی، نرخ بازیابی و درصد استخراج زایلان محاسبه شد و تحت طیف‌سنجی FT-IR نیز قرار گرفتند.
نتایج و بحث:
نتایج نشان داد که در ترکیبات شیمیایی موجود در مغز باگاس بدون پیش‌تیمار حدود 26% زایلان و مقدار 20% لیگنین وجود دارد. در فراوری اولیه مغز باگاس، با ‌توجه به در نظر گرفتن بازده بیشتر و لیگنین کمتر در خمیرها، شرایط 8% غلظت هیدروکسید سدیم، زمان استخراج 5 دقیقه و دمای 110 درجه سانتی‌گراد، و نیز در بخش رنگ‌بری، فرایند 6 مرحله‌ای به‌دلیل داشتن هولوسلولز بیشتر و لیگنین کمتر خمیر انتخاب شدند. این موضوع نشان می‌دهد که لیگنین‌زدائی (پخت قلیائی) از یک سو، باعث خروج لیگنین می‌شود و از سوی دیگر، استخراج همی‌سلولز را تسهیل می‌کند. بنابراین، می‌توان انتظار داشت که با استخراج قلیایی با هیدروکسید سدیم بتوان استخراج زایلان را از ساختار مغز باگاس بهبود بخشید. در بخش استخراج زایلان نیز با افزایش مصرف هیدروکسید سدیم از 8 تا 14 درصد نرخ بازیابی زایلان تا 22% افزایش یافته که در این شرایط میزان زایلان استخراج‌شده معادل 53/4 گرم بوده است. طیف‌سنجی FT-IR نیز بیانگر آن است که همی‌سلولز غالب در بین همی‌سلولزهای موجود در مغز باگاس از نوع زایلان بوده و همچنین با پیش‌تیمار قلیایی و رنگ‌بری حضور لیگنین کاهش و با افزایش مصرف هیدروکسید سدیم میزان استخراج زایلان زیاد شده است.
نتیجه‌گیری:
مغز باگاس سرشار از کربوهیدرات به‌ویژه زایلان است، به‌طوری‌که انجام پیش‌تیمارهای قلیایی و رنگ‌بری روی آن باعث پایین آمدن میزان لیگنین و دسترسی‌پذیری بیشتر به این کربوهیدرات‌ها می‌شود. در نهایت، استخراج زایلان توسط هیدروکسید سدیم 14 درصد با بیشترین میزان راندمان و درصد زایلان استخراج‌شده به‌عنوان بهینه استخراج پیشنهاد می‌شود که بر اساس مفهوم پالایش زیستی می‌توان از آن برای تولید محصولات مختلف زیست‌پایه استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Xylan extraction of bagasse pith in bio-refinery approach

نویسندگان [English]

  • Seyyedeh Sheyda Shafiei Amreie
  • Esmaeil Rasooly Garmaroody
  • Seyed Rahman Djafari Petroudy
  • Omid Ramezani

Department of Bio-Refinery, Faculty of New Technologies, Zirab Campus, Shahid Beheshti University, Mazandaran, Iran

چکیده [English]

Introduction:
Nowadays, pulp and paper industries, due to limitations in raw material supplying, Inefficiencies in achieving the system of producing multiple valuable products, the loss of large portion of raw material during processing, and also restriction of the use of the fossil fuel regard to sustainable development, should be  addressed  the development and reform of efficient methods such as bio-refinery. Bio-refinery by using various pre-treatment methods, changed raw material to its fractions to obtain intermediate products such as sugars (glucose and xylose) that they are changeable to bio-based products with high value-added in the next step. By Bio-refinery approach and to evaluate of potential of the most important papermaking industrial waste, this study carried out by focusing on xylan valuable hemicellulose extraction for production of high value-added products.
Materials and methods:
 After the first preparation of bagasse pith, its chemical compounds were determined according to standard methods. For easy obtain to better quality and quantity of xylan, bagasse pith treated by two process of alkali pre-treatment (soda cooking with 2, 4, 6 and 8% alkali concentration, time of 5 and 15 minutes and temperature of 110 , 140 ˚C) and bleaching with sodium chlorite  and then evaluated in term of yield and lignin content. Bleached pulps in order to xylan extraction treated with NaOH in different dosages (8, 10 and 14 %). Extracted samples characterized in weight loss, recovery rate, xylan extraction percent as well as FT-IR spectroscopy.
Results and discussion:
Results showed that there is 26% of xylan and 20% of lignin in chemical compounds of the un-treated bagasse pith. In the first processing of bagasse pith, conditions of 8% concentration for NaOH, extraction time 5 minutes and temperature of 110 ˚C were selected due to more yield and less lignin of pulps as well as 6-step process in the bleaching part due to more holocellulose and less lignin. It showed that delignification (alkali cooking) led to lignin removing as well as facilitating of the hemicellulose extraction. Hence, it can be expected improve of the xylan extraction with alkali extraction. In the xylan extraction section, by increasing of NaOH consumption from 8 to 14 percent, the recovery rate of xylan increased to 22 % so that in this conditions extracted xylan content was 4.53 g.  FT-IR spectra were also confirmed that with alkali pre-treatment and bleaching, lignin decreased, by increasing in NaOH consumption, xylan extraction was increased and of course, major hemicellulose in bagasse pith is xylan.
Conclusion:
Bagasse pith is reach of the carbohydrate specific xylan so that its alkali pre-treatment and bleaching led to lignin loss and more accessibility to this carbohydrate. Finally, xylan extraction using 14% NaOH suggested as the optimized extraction due to the most yield and extracted xylan percent. Hence, it can used to produce bio-based products in bio-refinery concept.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Xylan
  • Bagasse pith
  • extraction
  • Pre-treatment
  • Sodium chlorite

Agbor, V.B., Cicek, N., Sparling, R., Berlin, A. and Levin, D.B., 2011. Biomass pretreatment: Fundamental toward application: Review paper. Biotechnology Advanced. 29, 675-685.

ASTM D1104-56, 1978. Method of test for holocellulose in wood. Available online at: http: // www. astm. org/ Standards/ D1104. htm.

Bianfang, L., Zh. S., Wang, G., Chen, Y., Ren, Zh., Xu, Q. and Yan, Y., 2013. Acid pretreatment of bagasse pith at low temperature with steam-assisted heating. Journal of Renewable and Sustainable Energy. 5(4), 1-9.

Bian, J., Peng, F., Peng, X.P., Xu, F., Sun, R.C. and Kennedy, J.F., 2012. Isolation of hemicelluloses from sugarcane bagasse at different temperatures: Structure and properties. Carbohydrate Polymers. 88(2), 638-645.

Carvalheiro, F., Duarte, L.C. and Girio, F.M., 2008. Hemicellulose biorefineries: a review on biomass pretreatments. Journal of Scientific and Industrial Research. 67, 849-864.

Celebioglu, H., Cekmecelioglu, D., Dervisoglu, M. and Kahayaoglu, T., 2012. Effect of extraction conditions on hemicellulose yields and optimization for industrial processes. International Journal of Food Science and Technology. 47, 2597-2605.

Chen, W-H., Song-Ching, Ye. and Sheen, H-K., 2012. Hydrolysis characteristics of sugarcane bagasse pretreated by dilute acid solution in a microwave irradiation environment. Applied Energy. 93, 237-244.

Djafari Petroudy S.R., Syverud K., Chinga-Carrasco G., Ghasemian, A. and Resalati, H., 2014. Effects of bagasse microfibrillated cellulose and cationic polyacrylamide on key properties of bagasse paper. Carbohydrate Polymers. 99, 311–318.

Egues, I., Sanchez, C., Mondragon, I.J. and Labidi, I., 2012. Effect of alkaline and autohydrolysis processes on the purity of obtained hemicelluloses from corn stalks. Bioresource Technology. 103, 239–248.

FAO, 2013. FAOSTAT. Available online at: http://.faostat.fao.org/site/567.

Hauli, I., Sarkar, B., Mukherjee, T., Chattopadhyay, A. and Mukhopadhyay, S.K., 2013. Alkaline extraction of xylan from agricultural waste, for the cost effective production of xylooligosaccharides, using thermoalkaline xylanase of thermophilic Anoxybacillus sp. Ip-C., International Journal of Pure and Applied Bioscience. 1(6), 126-131.

Jacobs, A. and Dahlman, O., 2001. Characterization of the molar masses of hemicelluloses from wood and pulps employing size exclusion chromatography and matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry. Biomacromolecules. 2 (3), 894-905.

Jain, R.K., Thakur Vasanta, V., Pandey, D. and Mathur, R.M., 2011. Bioethanol from bagasse: Pith a lignocellulosic waste biomass from paper/suger industry. Indian Pulp and Paper Technical Association Journal. 23(1), 169-173.

Lois-Correa, J.A., 2012. Depithers for efficient preparation of sugar cane bagasse fibers in pulp and paperi. Ingenieria Investigacion y Tecnologia. 13(4), 417-424.

Moine, C., Krausz, P., Chaleix, V., Sainte-Catherine, O., Kraemer, M. and Gloaguen, V., 2007. Structural characterization and cytotoxic properties of a 4-O-methylglucuronoxylan from Castanea Sativa. Journal of Natural Products. 70(1), 60-66.

Obolenskaya, A.V., Tshegolev, V.P., Akim, G.L., Kossoviz, N.C. and Emelyannova, I.Z., 1965. Prakti cheskie raboti pokhimii Drevesinii Tzelulozi (in Russian) Moscow, Russia.

Petroudy, S.R., Ghasemian, A., Resalati, H., Syverud, K. and Chinga-Carrasco, G., 2015. The effect of xylan on the fibrillation efficiency of DED bleached soda bagasse pulp and on nanopaper characteristics. Cellulose. 22(1), 385-395.

Rafiei, A. and Jonoobi, M., 2006. Sugar cane; industrial plant. Monthly Journal of Wood and Paper. 21, 24-27. (In Persian with English abstract).

Sanjuan, R., Anzaldo, J., Vargas, J., Turrado, J. and Patt, R., 2001. Morphological and chemical composition of pith and fibres from Mexican sugarcane bagasse. Holzals Roh-und Werkstoff. 59, 447–450.

Sun, R.C. and Tomkinson, J., 2002. Characterization of hemicelluloses obtained by classical and ultrasonically assisted extractions from wheat straw. Carbohydrate Polymer Journal. 50, 263–271.

TAPPI Standard Methods, 2009. Fibrous Materials and Pulp Testing. Technical Association of Pulp and Paper Industry, Atlanta.

Velmurugan, R. and Muthukumar, K., 2012. Sono-assisted enzymatic saccharification of sugarcane bagasse for bioethanol production. Biochemical Engineering Journal. 63, 1- 9.

Wise, L.E., Murphy, M. and Addieco, A.D., 1946. Chlorite holocellulose, its fractionation and bearing on summative wood analysis and on studies on the hemicelluloses. Paper Trade Journal. 122(2), 35–43.