वैज्ञानिकों ने एक नई तकनीक दिखाई है जिसमें बायोइंजीनियर बैक्टीरिया अक्षय संयंत्र स्रोतों से लागत प्रभावी रसायन/पॉलिमर बना सकते हैं
लिग्निन एक ऐसा पदार्थ है जो सभी शुष्क भूमि पौधों की कोशिका भित्ति का घटक है। यह सेलूलोज़ के बाद दूसरा सबसे प्रचुर प्राकृतिक बहुलक है। यह पदार्थ पौधों में पाया जाने वाला एकमात्र बहुलक है जो कार्बोहाइड्रेट (चीनी) मोनोमर्स से बना नहीं है। लिग्नोसेल्यूलोज बायोपॉलिमर पौधों को आकार, स्थिरता, ताकत और कठोरता प्रदान करते हैं। लिग्नोसेल्यूलोज बायोपॉलिमर में तीन मुख्य घटक होते हैं: सेल्यूलोज और हेमिकेल्यूलोज एक ढांचा बनाते हैं जिसमें लिग्निन को एक प्रकार के कनेक्टर के रूप में शामिल किया जाता है जिससे कोशिका दीवार मजबूत होती है। कोशिका भित्ति का लिग्नीकरण पौधों को हवा और कीटों के प्रति प्रतिरोधी बनाता है और उन्हें सड़ने से बचाता है। लिग्निन ऊर्जा का एक विशाल लेकिन बहुत कम उपयोग किया जाने वाला नवीकरणीय संसाधन है। लिग्निन जो लिग्नोसेल्युलोज बायोमास का 30 प्रतिशत तक प्रतिनिधित्व करता है, एक अप्रयुक्त खजाना है - कम से कम रासायनिक दृष्टिकोण से। रासायनिक उद्योग पेंट, कृत्रिम फाइबर, उर्वरक और सबसे महत्वपूर्ण प्लास्टिक जैसे विभिन्न उत्पाद बनाने के लिए ज्यादातर कार्बन यौगिकों पर निर्भर करता है। यह उद्योग कुछ नवीकरणीय संसाधनों जैसे वनस्पति तेल, स्टार्च, सेलूलोज़ आदि का उपयोग करता है लेकिन इसमें सभी यौगिकों का केवल 13 प्रतिशत शामिल है।
लिग्निन, उत्पाद बनाने के लिए पेट्रोलियम का एक आशाजनक विकल्प
वास्तव में, लिग्निन पृथ्वी पर नवीकरणीय ऊर्जा का एकमात्र स्रोत है जिसमें बड़ी संख्या में सुगंधित यौगिक होते हैं। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि सुगंधित यौगिकों को आम तौर पर गैर-नवीकरणीय स्रोत पेट्रोलियम से निकाला जाता है और फिर प्लास्टिक, पेंट आदि के उत्पादन के लिए उपयोग किया जाता है। इस प्रकार, लिग्निन की क्षमता बहुत अधिक है। पेट्रोलियम की तुलना में, जो एक गैर-नवीकरणीय जीवाश्म ईंधन है, लिग्नोसेल्यूलोज लकड़ी, पुआल या मिसेंथस से प्राप्त होते हैं जो नवीकरणीय स्रोत हैं। लिग्निन को खेतों और जंगलों में उगाया जा सकता है और ये आमतौर पर जलवायु के प्रति तटस्थ होते हैं। पिछले कुछ दशकों में लिग्नोसेल्यूलोज को पेट्रोलियम के गंभीर विकल्प के रूप में माना जा रहा है। पेट्रोलियम वर्तमान में रासायनिक उद्योग को संचालित करता है। पेट्रोलियम कई बुनियादी रसायनों के लिए एक कच्चा माल है जो तब उपयोगी उत्पादों के उत्पादन के लिए उपयोग किया जाता है। लेकिन पेट्रोलियम गैर-नवीकरणीय स्रोत है और घट रहा है, इसलिए अक्षय स्रोतों को खोजने पर ध्यान देने की जरूरत है। यह तस्वीर में लिग्निन लाता है क्योंकि यह एक बहुत ही आशाजनक विकल्प प्रतीत होता है।
लिग्निन उच्च ऊर्जा से भरा है लेकिन इस ऊर्जा को प्राप्त करना जटिल और एक महंगी प्रक्रिया है और इस प्रकार अंतिम परिणाम के रूप में उत्पन्न जैव ईंधन भी आम तौर पर लागत पर बहुत अधिक है और वर्तमान में उपयोग में "परिवहन ऊर्जा" को आर्थिक रूप से प्रतिस्थापित नहीं कर सकता है। लिग्निन को तोड़ने और इसे मूल्यवान रसायनों में परिवर्तित करने के लागत प्रभावी तरीके विकसित करने के लिए कई दृष्टिकोणों पर शोध किया गया है। हालांकि, कई सीमाओं ने एक वैकल्पिक ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग किए जाने के लिए लिग्निन जैसे स्पर्श संयंत्र पदार्थ के रूपांतरण को प्रतिबंधित कर दिया है या इसे और अधिक लागत प्रभावी बनाने का प्रयास भी किया है। हाल ही के एक अध्ययन ने बैक्टीरिया (ई. कोलाई) को एक कुशल और उत्पादक बायोकॉनवर्जन सेल फैक्ट्री के रूप में कार्य करने में सफलतापूर्वक इंजीनियर किया है। बैक्टीरिया बहुत तेजी से बढ़ते हैं और बहुत तेजी से बढ़ते हैं और वे कठोर औद्योगिक प्रक्रियाओं का सामना करने में सक्षम होते हैं। इस जानकारी को स्वाभाविक रूप से उपलब्ध लिग्निन डिग्रेडर्स की समझ के साथ जोड़ा गया था। काम में प्रकाशित किया गया था नेशनल एकेडमी ऑफ साइंस यूएसए की कार्यवाही।
सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज में डॉ सीमा सिंह के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की टीम ने लिग्निन को प्लेटफॉर्म केमिकल में बदलने में आने वाली तीन मुख्य समस्याओं का समाधान किया। पहली बड़ी बाधा यह है कि बैक्टीरिया ई.कोली आमतौर पर उन एंजाइमों का उत्पादन नहीं करता है जो रूपांतरण के लिए आवश्यक हैं। किण्वन रिंग में "इंड्यूसर" जोड़कर एंजाइम बनाने की इस समस्या को हल करने के लिए वैज्ञानिक प्रवृत्त होते हैं। ये इंड्यूसर प्रभावी हैं लेकिन बहुत महंगे हैं और इस प्रकार बायोरिफाइनरियों की अवधारणा में अच्छी तरह फिट नहीं होते हैं। शोधकर्ताओं ने एक अवधारणा की कोशिश की जिसमें वेनिला जैसे लिग्निन व्युत्पन्न यौगिक को सब्सट्रेट के साथ-साथ बैक्टीरिया ई.कोली इंजीनियरिंग द्वारा एक इंड्यूसर के रूप में उपयोग किया जाता था। यह एक महंगे इंड्यूसर की आवश्यकता को दरकिनार कर देगा। हालांकि, जैसा कि समूह ने पाया, वेनिला एक अच्छा विकल्प नहीं था, खासकर क्योंकि एक बार लिग्निन टूट जाता है, वेनिला बड़ी मात्रा में उत्पन्न होता है और यह ई. कोलाई के कार्य को बाधित करना शुरू कर देता है यानी वेनिला विषाक्तता पैदा करना शुरू कर देता है। लेकिन इसने उनके पक्ष में काम किया जब उन्होंने बैक्टीरिया को इंजीनियर किया। नए परिदृश्य में, वही रसायन जो ई.कोली के लिए विषैला होता है, "लिग्निन वैलोराइज़ेशन" की जटिल प्रक्रिया शुरू करने के लिए उपयोग किया जाता है। एक बार वेनिला मौजूद होने के बाद, यह एंजाइमों को सक्रिय करता है और बैक्टीरिया वैनिलिन को कैटेचोल में बदलना शुरू कर देता है, जो कि वांछित रसायन है। इसके अलावा, वैनिलिन की मात्रा कभी भी विषाक्त स्तर तक नहीं पहुंचती है क्योंकि यह वर्तमान प्रणाली में स्वत: विनियमित हो जाती है। तीसरी और अंतिम समस्या दक्षता की थी। रूपांतरण की प्रणाली धीमी और निष्क्रिय थी इस प्रकार शोधकर्ताओं ने अन्य बैक्टीरिया से अधिक प्रभावी ट्रांसपोर्टरों की तलाश की और उन्हें ई। कोलाई में इंजीनियर किया, जिसने तब इस प्रक्रिया को तेजी से ट्रैक किया। इस तरह के अभिनव समाधानों से विषाक्तता और दक्षता की समस्याओं पर काबू पाने से जैव ईंधन के उत्पादन को अधिक किफायती प्रक्रिया बनाने में मदद मिल सकती है। और, ऑटो-विनियमन को शामिल करने के साथ-साथ एक बाहरी इंड्यूसर को हटाने से जैव ईंधन बनाने की प्रक्रिया को और अधिक अनुकूलित किया जा सकता है।
यह अच्छी तरह से स्थापित है कि एक बार लिग्निन के टूटने के बाद, इसमें मूल्यवान प्लेटफॉर्म रसायन प्रदान करने या "प्रदान" करने की क्षमता होती है, जिसे बाद में नायलॉन, प्लास्टिक, फार्मास्यूटिकल्स और अन्य महत्वपूर्ण उत्पादों में परिवर्तित किया जा सकता है जो वर्तमान में पेट्रोलियम से प्राप्त होते हैं, एक गैर -नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत। यह अध्ययन जैव ईंधन और जैव उत्पादन के लिए लागत प्रभावी समाधानों पर शोध और विकास की दिशा में एक कदम होने के नाते प्रासंगिक है। बायोइंजीनियरिंग तकनीक का उपयोग करके हम बड़ी मात्रा में प्लेटफॉर्म रसायनों और कई अन्य नए उत्पादों का उत्पादन कर सकते हैं, न केवल बैक्टीरिया ई.कोली के साथ बल्कि अन्य माइक्रोबियल मेजबानों के साथ भी। लेखकों का भविष्य का शोध इन उत्पादों के किफायती उत्पादन को प्रदर्शित करने पर केंद्रित होगा। इस शोध का ऊर्जा उत्पादन प्रक्रियाओं और हरित उत्पादों के लिए संभावनाओं की सीमा के विस्तार पर बहुत बड़ा प्रभाव है। लेखक टिप्पणी करते हैं कि निकट भविष्य में लिग्नोसेल्यूलोज को निश्चित रूप से पेट्रोलियम का पूरक होना चाहिए यदि इसे प्रतिस्थापित नहीं किया जाता है।
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स्रोत (रों)
वू डब्ल्यू एट अल। 2018 लिग्निन वैलोराइजेशन के लिए ऑटोरेगुलेटरी सिस्टम के साथ इंजीनियरिंग ई. कोलाई की ओर', नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज की कार्यवाही। 115 (12)। https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
