Integrated Solar-Assisted Pretreatment, Natural Buffering, and Wood Ash Alkaline Processing for Sustainable Bioethanol Production from Banana Peel and Onion Peel

दुनिया उन तरीकों की तलाश कर रही है जिनसे वह खुद को शक्ति प्रदान कर सके बिना उन प्राचीन, दबे हुए पौधों के अवशेषों को जलाए जिन्हें हम जीवाश्म ईंधन कहते हैं। एक आशाजनक मार्ग पौधों के कठिन, रेशेदार हिस्सों को—जैसे मक्का के डंठल या फलों के छिलके—तरल ईंधन में बदलने से जुड़ा है। यह प्रक्रिया जटिल है क्योंकि पौधों की कोशिकाएं किले की तरह बनी होती हैं, जिनकी दीवारें मजबूत रेशों से बनी होती हैं जिन्हें तोड़ना कठिन होता है। इन दीवारों के भीतर फंके शर्करा (शुगर) को प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों को पहले संरचना को नरम करना पड़ता है, जिसे प्रीट्रीटमेंट (पूर्व-उपचार) कहा जाता है। पारंपरिक रूप से, इसके लिए बड़ी मात्रा में गर्म पानी, महंगे रसायनों और महत्वपूर्ण ऊर्जा की आवश्यकता होती थी, जिससे अंतिम ईंधन का उत्पादन महंगा हो जाता था। शोधकर्ता अब एक सरल लेकिन गहरा सवाल पूछ रहे हैं: क्या हम खेती की प्रक्रिया से निकलने वाले कचरे का उपयोग, सूर्य की मुफ्त ऊर्जा के साथ मिलकर, भारी काम करने के लिए कर सकते हैं?

हाल ही में, श्रीलंका में वैज्ञानिकों की एक टीम ने दो सामान्य रसोई के कचरे—केले के छिलके और प्याज के छिलकों—को बायोइथेनॉल, जो कि ईंधन के रूप में उपयोग किया जाने वाला एक प्रकार का अल्कोहल है, में बदलकर इस संभावना की खोज की। केले के छिलकों को तोड़ने के लिए महंगे रसायन खरीदने के बजाय, उन्होंने लकड़ी की राख (wood ash) से बने घोल का उपयोग किया, जो लकड़ी जलाने के बाद बचा हुआ अवशेष है। छिलकों को रासायनिक उपचार से पहले नरम करने के लिए, उन्होंने इलेक्ट्रिक हीटर का उपयोग नहीं किया; इसके बजाय, उन्होंने मिश्रण को काले ट्रे में धूप में रखा, जिससे सौर ऊष्मा अपना काम कर सके। अगले चरण के लिए, जहाँ कठोर रेशों को चीनी में बदला जाता है, उन्होंने सिंथेटिक बफर और एसिड समायोजन से बचने के लिए प्याज के छल्लों से बने अर्क का उपयोग किया, जिसमें प्राकृतिक रूप से मौजूद एसिड का सही संतुलन होता है जो इस प्रक्रिया को निर्देशित करता है। शोधकर्ताओं ने इन अपशिष्ट-व्युत्पन्न सामग्रियों को एक विशिष्ट प्रकार के यीस्ट (खमीर) के साथ मिलाया ताकि शर्करा को अल्कोहल में किण्वित (फरमेंट) किया जा सके, जिससे एक ऐसी प्रणाली तैयार हुई जो लगभग पूरी तरह से खेत या रसोई में उपलब्ध संसाधनों पर निर्भर है।

टीम ने स्थानीय बाजारों से पके हुए केले के छिलके और प्याज के छिलके एकत्र करना शुरू किया, उन्हें धोया, और धूप में तब तक सुखाया जब तक वे भंगुर (brittle) न हो गए। उन्होंने इस सूखे पदार्थ को बारीक पाउडर में पीस लिया। पहला प्रमुख चरण केले के छिलकों को गर्म पानी से उपचारित करना था ताकि पेक्टिन नामक एक चिपचिपा पदार्थ हटाया जा सके, जो पौधे के रेशों को जोड़ने वाले गोंद की तरह कार्य करता है। पानी को गर्म करने के लिए, उन्होंने काले ट्रे में मिश्रण भरा और तीन घंटे तक सीधी धूप में छोड़ दिया। गहरे रंग की ट्रे ने सूर्य की किरणों को अवशोषित किया, जिससे तरल का तापमान बिना किसी बिजली के उपयोग के साठ-पचास से सत्तर डिग्री सेल्सियस के बीच पहुँच गया। इस सौर तापन ने सफलतापूर्वक पौधे की संरचना को ढीला कर दिया, जिससे इसके अंदर की शर्करा तक पहुँचना आसान हो गया।

इसके बाद, शोधकर्ताओं को पौधे की कठोर बाहरी परतों को तोड़ने की आवश्यकता थी, जिसे लिग्निन कहा जाता है, ताकि सेलुलोज फाइबर को मुक्त किया जा सके। एक मानक कारखाने में, इस चरण में बायोमास पर सोडियम हाइड्रोक्साइड जैसे खरीदे गए मजबूत रसायनों को डाला जाता है। यहाँ, टीम ने लकड़ी की राख को पानी में भिगोकर बनाए गए तरल का उपयोग किया। लकड़ी की राख पोटेशियम और कार्बोनेट से समृद्ध होती है, जो स्वाभाविक रूप से एक मजबूत क्षारीय (alkaline) घोल बनाती है। उन्होंने इस लकड़ी की राख के तरल को धूप से गर्म किए गए केले के छिलकों के साथ मिलाया और ट्रे को चार घंटे के लिए वापस धूप में रख दिया। सूरज की गर्मी ने लकड़ी की राख के घोल को पौधे के रेशों में प्रवेश करने में मदद की, जिससे कठोर संरचना बाधित हुई और अगले चरण के लिए तैयारी हुई। महत्वपूर्ण रूप से, टीम ने इस उपचार के बाद छिलकों को नहीं धोया। पारंपरिक तरीकों में, कठोर रसायनों को हटाने के लिए धोना आवश्यक होता है, लेकिन इस प्रक्रिया से मूल्यवान शर्करा और खनिज बह जाते। धोने के चरण को छोड़कर, उन्होंने लाभकारी पोषक तत्वों, जैसे पोटेशassium को सुरक्षित रखा, जो बाद में यीस्ट के पनपने के लिए आवश्यक हैं।

केले के छिलके नरम होने और प्याज के छिलके तैयार होने के बाद, शोधकर्ताओं ने मिश्रण की अम्लता (acidity) को प्रबंधित करने के लिए प्याज के छल्लों की ओर रुख किया। लकड़ी की राख के उपचार के बाद, मिश्रण एंजाइमों के लिए बहुत अधिक क्षारीय था जो रेशों को चीनी में बदलने के लिए आवश्यक थे। मिश्रण के pH को कम करने के लिए सल्फ्यूरिक एसिड जैसे किसी मजबूत एसिड को डालने के बजाय, उन्होंने प्याज के छल्कों से बने अर्क का उपयोग किया। इस अर्क में प्राकृतिक कार्बनिक एसिड शामिल थे जिन्होंने मिश्रण को धीरे-धीरे एक तटस्थ स्तर तक पहुँचाया जो एंजाइमों के लिए उपयुक्त था। प्याज का अर्क एक बफर के रूप में भी कार्य करता था, जो प्रक्रिया के दौरान pH को स्थिर रखने में मदद करता था, और अतिरिक्त पोषक तत्व प्रदान करता था जिनकी यीस्ट को आवश्यकता होती है।

अंतिम चरण में दो-चरणीय किण्वन (fermentation) प्रक्रिया शामिल थी। सबसे पहले, टीम ने मिश्रण में सेल्युलेज नामक एंजाइम मिलाया ताकि पौधे के रेशों को सरल शर्करा में तोड़ा जा सके। इस चरण को, जिसे प्री-सैकरिफिकेशन (पूर्व-शर्कराकरण) कहा जाता है, पचास डिग्री सेल्सियस पर बारह घंटों तक किया गया। एक बार जब शर्करा मुक्त हो गई, तो मिश्रण को ठंडा किया गया और यीस्ट मिलाया गया ताकि वह शर्करा को खाकर अल्कोहल का उत्पादन कर सके। यह किण्वन शेष शर्करा रूपांतरण के साथ-साथ हुआ, जो उत्पादन को तेज करने वाली एक विधि है। टीम ने यीस्ट की मात्रा, हिलाने की गति और तापमान को सावधानीपूर्वक समायोजित किया ताकि सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त किए जा सकें। उन्होंने पाया कि मिश्रण को एक सौ पचास चक्कर प्रति मिनट की गति से हिलाने और तापमान को बत्तीस डिग्री सेल्सियस पर रखने से सबसे अच्छे परिणाम मिले।

इस एकीकृत दृष्टिकोण के परिणाम प्रभावशाली थे। सौर तापन, लकड़ी की राख और प्याज के छिलके के अर्क को मिलाकर, शोधकर्ताओं ने बिना उपचारित छिलकों की तुलना में केले के छिलकों से निकाली जाने वाली शर्करा की मात्रा में लगभग दो सौ प्रतिशत की वृद्धि की। अनुकूलित परिस्थितियों के तहत, उन्होंने चालीस दशमलव पांच ग्राम प्रति लीटर की अंतिम इथेनॉल सांद्रता का उत्पादन किया। यह कई पिछले अध्ययनों की तुलना में अधिक उपज है जिन्होंने अधिक महंगे रसायनों और ऊर्जा-गहन विधियों का उपयोग किया था। टीम ने अंतिम ईंधन की गुणवत्ता की भी जांच की। उन्होंने पाया कि अल्कोहल बहुत शुद्ध था, जिसमें मेथनॉल (एक विषैला उपोत्पाद जो अक्सर किण्वन में पाया जाता है) का स्तर अत्यंत कम था, और सीसा (lead) और कैडमियम जैसी भारी धातुओं की मात्रा नगण्य थी। स्पेक्ट्रोस्कोपिक विश्लेषण ने पुष्टि की कि मुख्य घटक वास्तव में इथेनॉल था, जिसमें बहुत कम अवांछित अशुद्धियाँ थीं।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कृषि अपशिष्ट दोहरे उद्देश्य की पूर्ति कर सकता है: यह ईंधन के लिए कच्चा माल हो सकता है, और यह उस ईंधन को संसाधित करने के लिए आवश्यक उपकरण भी प्रदान कर सकता है। वाणिज्यिक क्षार के स्थान पर लकड़ी की राख का उपयोग करके, सिंथेटिक बफर के स्थान पर प्याज के छिलकों का उपयोग करके, और इलेक्ट्रिक हीटर के स्थान पर सूर्य का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो बहुत कम पानी, ऊर्जा और धन का उपयोग करती है। उन्होंने दिखाया कि धोने के चरण को छोड़ना संभव है जो आमतौर पर पानी और शर्करा को बर्बाद करता है, और छिलकों में बचे खनिज वास्तव में यीस्ट को बेहतर ढंग से काम करने में मदद करते हैं। हालांकि यह कार्य एक छोटे प्रयोगशाला स्तर पर किया गया था, लेकिन यह टिकाऊ तरीके से बायोफ्यूल उत्पादन के लिए एक व्यावहारिक ब्लूप्रिंट पेश करता है। यह सुझाव देता है कि नवीकरणीय ऊर्जा का भविष्य जटिल औद्योगिक मशीनरी पर नहीं, बल्कि हमारे पास पहले से मौजूद संसाधनों के स्मार्ट और कुशल उपयोग पर निर्भर हो सकता है।