पौधों को ऊर्जा के नवीकरणीय स्रोत में बदलने का लागत प्रभावी तरीका

वैज्ञानिकों ने एक नई तकनीक का प्रदर्शन किया है जिसमें जैव-इंजीनियरिंग द्वारा संशोधित बैक्टीरिया नवीकरणीय पादप स्रोतों से किफायती रसायन/पॉलिमर बना सकते हैं।

लिग्निन एक ऐसा पदार्थ है जो सभी शुष्क भूमि के पौधों की कोशिका भित्ति का एक घटक है। यह सेल्युलोज के बाद दूसरा सबसे प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला प्राकृतिक बहुलक है। यह पौधों में पाया जाने वाला एकमात्र बहुलक है जो कार्बोहाइड्रेट ( शर्करा ) मोनोमर से नहीं बना होता है। लिग्नोसेल्युलोज जैव बहुलक पौधों को आकार, स्थिरता, मजबूती और कठोरता प्रदान करते हैं। लिग्नोसेल्युलोज जैव बहुलक तीन मुख्य घटकों से मिलकर बने होते हैं: सेल्युलोज और हेमीसेल्युलोज एक ढांचा बनाते हैं जिसमें लिग्निन एक प्रकार के संयोजक के रूप में शामिल होता है, जिससे कोशिका भित्ति ठोस हो जाती है। कोशिका भित्ति का लिग्नीकरण पौधों को हवा और कीटों से बचाता है और उन्हें सड़ने से रोकता है। लिग्निन ऊर्जा का एक विशाल लेकिन बहुत कम उपयोग किया जाने वाला नवीकरणीय संसाधन है। लिग्निन, जो लिग्नोसेल्युलोज जैव द्रव्यमान का 30 प्रतिशत तक होता है, कम से कम रासायनिक दृष्टिकोण से एक अनमोल खजाना है। रासायनिक उद्योग पेंट, कृत्रिम रेशे, उर्वरक और सबसे महत्वपूर्ण रूप से प्लास्टिक जैसे विभिन्न उत्पादों के निर्माण के लिए मुख्य रूप से कार्बन यौगिकों पर निर्भर करता है। यह उद्योग वनस्पति तेल, स्टार्च, सेलुलोज आदि जैसे कुछ नवीकरणीय संसाधनों का उपयोग करता है, लेकिन यह सभी यौगिकों का केवल 13 प्रतिशत ही है।

लिग्निन, उत्पाद बनाने के लिए पेट्रोलियम का एक आशाजनक विकल्प

दरअसल, लिग्निन पृथ्वी पर एकमात्र नवीकरणीय स्रोत है जिसमें बड़ी संख्या में सुगंधित यौगिक पाए जाते हैं। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि सुगंधित यौगिक आमतौर पर गैर-नवीकरणीय स्रोत पेट्रोलियम से निकाले जाते हैं और फिर प्लास्टिक , पेंट आदि के उत्पादन में उपयोग किए जाते हैं। इस प्रकार, लिग्निन की क्षमता बहुत अधिक है। पेट्रोलियम, जो एक गैर-नवीकरणीय जीवाश्म ईंधन है, की तुलना में लिग्नोसेलुलोज लकड़ी , भूसे या मिसकैंथस जैसे नवीकरणीय स्रोतों से प्राप्त होता है। लिग्निन खेतों और जंगलों में उगाया जा सकता है और आमतौर पर जलवायु के प्रति तटस्थ होता है। पिछले कुछ दशकों से लिग्नोसेलुलोज को पेट्रोलियम के एक गंभीर विकल्प के रूप में देखा जा रहा है। वर्तमान में पेट्रोलियम रासायनिक उद्योग का आधार है। पेट्रोलियम कई बुनियादी रसायनों का कच्चा माल है, जिनका उपयोग उपयोगी उत्पादों के उत्पादन में किया जाता है। लेकिन पेट्रोलियम एक गैर-नवीकरणीय स्रोत है और इसका भंडार घट रहा है, इसलिए नवीकरणीय स्रोतों की खोज पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता है। इससे लिग्निन एक बहुत ही आशाजनक विकल्प के रूप में सामने आता है।

लिग्निन ऊर्जा से भरपूर होता है, लेकिन इस ऊर्जा को प्राप्त करना एक जटिल और खर्चीली प्रक्रिया है। इसलिए, इससे उत्पन्न जैव ईंधन भी आमतौर पर बहुत महंगा होता है और वर्तमान में उपयोग हो रही "परिवहन ऊर्जा" का आर्थिक रूप से विकल्प नहीं बन सकता। लिग्निन को विघटित करने और इसे मूल्यवान रसायनों में परिवर्तित करने के किफायती तरीकों को विकसित करने के लिए कई शोध किए गए हैं। हालांकि, कई सीमाओं ने लिग्निन जैसे कठोर पादप पदार्थ को वैकल्पिक ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग करने या इसे अधिक किफायती बनाने के प्रयासों को सीमित कर दिया है। एक हालिया अध्ययन में बैक्टीरिया (ई. कोलाई) को एक कुशल और उत्पादक जैव रूपांतरण कोशिका कारखाने के रूप में सफलतापूर्वक विकसित किया गया है। बैक्टीरिया बहुत तेजी से बढ़ते और गुणा होते हैं और कठोर औद्योगिक प्रक्रियाओं को सहन करने में सक्षम हैं। इस जानकारी को प्राकृतिक रूप से उपलब्ध लिग्निन अपघटकों की समझ के साथ जोड़ा गया। यह शोध कार्य संयुक्त राज्य अमेरिका की नेशनल एकेडमी ऑफ साइंस की कार्यवाही में प्रकाशित हुआ था ।

सैंडिया राष्ट्रीय प्रयोगशाला में डॉ. सीमा सिंह के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की टीम ने लिग्निन को प्लेटफॉर्म रसायनों में परिवर्तित करने में आने वाली तीन मुख्य समस्याओं का समाधान किया है। पहली बड़ी बाधा यह है कि ई. कोलाई बैक्टीरिया आमतौर पर रूपांतरण के लिए आवश्यक एंजाइमों का उत्पादन नहीं करता है। वैज्ञानिक किण्वन चक्र में "प्रेरक" मिलाकर एंजाइमों के उत्पादन की इस समस्या को हल करने का प्रयास करते हैं। ये प्रेरक प्रभावी तो होते हैं, लेकिन बहुत महंगे होते हैं और इसलिए जैव-शोधन की अवधारणा में उपयुक्त नहीं होते। शोधकर्ताओं ने एक ऐसी अवधारणा पर काम किया जिसमें ई. कोलाई बैक्टीरिया को संशोधित करके लिग्निन से प्राप्त यौगिक जैसे वेनिला को सब्सट्रेट और प्रेरक दोनों के रूप में उपयोग किया गया । इससे महंगे प्रेरक की आवश्यकता समाप्त हो गई। हालांकि, जैसा कि समूह ने पाया, वेनिला एक अच्छा विकल्प नहीं था, खासकर इसलिए क्योंकि लिग्निन के टूटने पर वेनिला बड़ी मात्रा में उत्पन्न होता है और यह ई. कोलाई के कार्य को बाधित करना शुरू कर देता है, यानी वेनिला विषाक्तता पैदा करने लगता है। लेकिन बैक्टीरिया को संशोधित करने पर यह उनके लिए फायदेमंद साबित हुआ । नए परिदृश्य में, ई. कोलाई के लिए विषैला रसायन ही "लिग्निन वैलोराइजेशन" की जटिल प्रक्रिया को शुरू करने के लिए उपयोग किया जाता है। वैनिला की उपस्थिति में, यह एंजाइमों को सक्रिय करता है और बैक्टीरिया वैनिलिन को कैटेकोल में परिवर्तित करना शुरू कर देता है, जो वांछित रसायन है। साथ ही, वर्तमान प्रणाली में वैनिलिन की मात्रा स्वतः नियंत्रित होने के कारण कभी भी विषैले स्तर तक नहीं पहुँचती। तीसरी और अंतिम समस्या दक्षता की थी। रूपांतरण की प्रक्रिया धीमी और निष्क्रिय थी, इसलिए शोधकर्ताओं ने अन्य बैक्टीरिया से अधिक प्रभावी ट्रांसपोर्टरों की खोज की और उन्हें ई. कोलाई में एकीकृत किया, जिससे प्रक्रिया में तेजी आई। इस तरह के नवीन समाधानों द्वारा विषाक्तता और दक्षता संबंधी समस्याओं को दूर करने से जैव ईंधन उत्पादन को अधिक किफायती प्रक्रिया बनाने में मदद मिल सकती है। साथ ही, बाहरी प्रेरक को हटाने और स्वतः नियंत्रण को शामिल करने से जैव ईंधन निर्माण प्रक्रिया को और भी बेहतर बनाया 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 एक स्व-नियामक प्रणाली के साथ ई. कोलाई के इंजीनियरिंग की ओर', नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज की कार्यवाही । 115(12)। https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115

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