تولید سلولز و نانوسلولز از ماکروجلبک ها به عنوان منابع زیستی نوین سبز پایدار

بیان مساله و اهداف: افزایش آگاهی­های جهانی نسبت به مسائل زیست محیطی، تقاضا برای بیوپلیمرهای زیست تخریب پذیر را به­طور چشمگیری افزایش داده است. در حالی­که منابع بیوپلیمری زمینی، منجر به بهره برداری بی رویه از زمین و منابع آبی می شوند، ماکروجلبک های دریایی به­عنوان منابعی پایدار و مستقل از اکوسیستم های خشکی، پتانسیل بالایی برای تولید پلی ساکاریدهای زیست فعال نظیر سلولز و کاهش آلودگی های پلاستیکی اقیانوسی از خود نشان می­دهند. این تحقیق بر بررسی پتانسیل ماکروجلبک ها در تولید سلولز و نانوسلولز (NCs)، روش های استخراج و کاربردهای منحصربه فرد این مواد تمرکز دارد. مواد و روشها: استخراج و خالص سازی سلولز و نانوسلولز (NCs) از ماکروجلبک ها، با بهره گیری از شباهت های ساختاری سلولز جلبکی به سلولز گیاهی، متکی بر رویکردهای ترکیبی شیمیایی و مکانیکی است که اغلب با روش های شیمی سبز و بیولوژیکی تکمیل می شوند. فرآیندها معمولا با پیش تیمار قلیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH)، جهت حذف همی سلولزها، موم ها و لیپیدها و خالص سازی فیبرهای سلولزی آغاز می شود. در ادامه، خمیر سلولزی با عوامل سفیدکننده نظیر پراکسید هیدروژن (H۲O۲)، کلریت سدیم (NaClO۲) رنگ بری می شود که در این میان، استفاده از (H۲O۲) به دلیل سازگاری زیست محیطی ارجحیت بیشتری دارد. در مرحله­ی نهایی، جهت تولید نانوسلولز فیبریله (CNF)، روش های مکانیکی انرژی بر، مانند آسیاب سوپردیسکی، هموژنایزر یا میکرومایع ساز به کار گرفته می شوند، در حالی­که جهت سنتز نانوسلولز کریستالی (CNC)، هیدرولیز اسیدی کنترل شده با اسیدهای قوی نظیر هیدروکلریک اسید (HCl) یا سولفوریک اسید (H۲SO۴) انجام می پذیرد. همچنین، روش های بیولوژیکی از جمله هیدرولیز آنزیمی با استفاده از آنزیم های سلولاز (تولید شده توسط میکروارگانیسم ها) به­عنوان جایگزینی پایدار و کم انرژی تر، منجر به کاهش مصرف حلال های شیمیایی و بهبود بازده نانوسلولز خواهند شد. نتایج: تحقیقات گسترده بر روی استخراج سلولز و نانوسلولز (NCs) از گونه های مختلف ماکروجلبک ها (قهوه ای، سبز و قرمز) نتایج امیدوارکننده ای را به ارمغان آورده است. خواص برجسته نانوسلولز جلبکی، از جمله استحکام مکانیکی بالا، سطح ویژه وسیع و زیست سازگاری عالی، آن را به یک ماده ی بسیار ارزشمند با کاربردهای گسترده تبدیل کرده است. مطالعات نشان می دهند که نانو سلولزهای استخراج شده، به عنوان مثال از گونه­ی جلبکی (Chara corallina)، دارای ساختار کریستالی بسیار منظم (با شاخص کریستالیتی تا ۶۴/۸۵ درصد) و مورفولوژی نانو میله ای همراه با سطح ویژه قابل توجه (۸۲۳/۵ مترمربع بر گرم) هستند که پتانسیل کاربردی آن ها را به شکل چشمگیری افزایش می دهند. در حوزه بسته بندی و بیوپلاستیک، نانوسلولز جلبکی در تولید فیلم های نانو کامپوزیت (مانند فیلم های حاصل از جلبک های قهوه ای، کامبو (Laminaria japonica) سارگاسوم (Sargassum natans) با خواص فیزیکی و مکانیکی بهبودیافته، از جمله افزایش مقاومت در برابر نفوذ آب و اکسیژن، به کار گرفته شده است. علاوه بر این، سلولز استخراج شده از جلبک سبز (Cladophora sp)، به­عنوان جزء اصلی در ساخت بیوپلاستیک های با عملکرد بالا، با استحکام کششی ۳۳/۹ مگاپاسکال و زیست تخریب پذیری بیش از ۴۰ درصد در ۵ روز، مورد استفاده قرار گرفته است. در زمینه تصفیه آب، غشاهای نانو سلولزی استخراج شده از ماکرو­جلبک آب شیرین (Chara corallina)، قابلیت بالایی در حذف یون های فلزات سنگین (نظیر کادمیوم، نیکل و سرب) با بازدهی به ترتیب ۲۰/۹۸ ، ۱۵/۹۵ و ۸۰/۹۳ درصد از آب های آلوده نشان داده اند که راهکاری پایدار برای این معضل زیست محیطی محسوب می شود. همچنین، در کاربردهای زیست پزشکی، نانوسلولز استخراج شده از جلبک سبز (Ulva lactuca)، خواص ضد باکتریایی قابل توجهی در برابر باکتری های گرم مثبت و گرم منفی از خود نشان داده است. علاوه بر این، نانو سلولزهای حاصل از دو گونه جلبک قهوه­ای، (Laminaria digitata) و (Saccharina latissima)، به دلیل پایداری طولانی مدت در محلول های ژل مانند و خواص زیست سازگاری، پتانسیل چشمگیری در توسعه باندپیچی های پزشکی پیشرفته و هیدروژل ها دارند. نتیجه­ گیری: ماکروجلبک های دریایی به­عنوان یک منبع فراوان، تجدیدپذیر و پایدار، پتانسیل بی نظیری برای تولید سلولز و نانوسلولز باکیفیت بالا دارند. این مواد زیستی با خواص فیزیکوشیمیایی و مکانیکی برجسته، از جمله استحکام بالا، سطح ویژه وسیع و زیست سازگاری، راه را برای کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف هموار می کنند. توسعه روش های استخراج سبز و مقرون به صرفه، مانند هیدرولیز آنزیمی و بهبود فرآیندهای شیمیایی، اهمیت بالایی در تجاری سازی و افزایش بهره وری این مواد دارد. با توجه به چالش های زیست محیطی فعلی، استفاده از نانو سلولزهای استخراج شده از جلبک ها، نه تنها راهکاری پایدار برای تولید مواد جدید فراهم می کند، بلکه به مدیریت پسماندهای جلبکی و کاهش ردپای کربن نیز کمک شایانی می نماید. این پژوهش بر نقش حیاتی ماکروجلبک ها در آینده بیوپلیمرهای پایدار و کاربردهای نوین آن ها تاکید می کند و مسیر را برای تحقیقات و توسعه بیشتر در این حوزه هموار می سازد.

کلیدواژه ها:

زیست توده ، ماکرو جلبک ها ، بیوپلیمر ، سلولز ، نانو سلولز ، هیدرولیز آنزیمی