Bioethanol Production from Two-Stage Hydrothermally Pretreated Sugarcane Bagasse: Enzymatic Saccharification, Fermentation Optimization and Mass Balance Analysis

दुनिया की ऊर्जा की भूख जीवाश्म ईंधन (fossil fuels) की आपूर्ति से कहीं अधिक तेजी से बढ़ रही है, जो पौधों और जानवरों के प्राचीन, सीमित अवशेष हैं जिन्होंने सदियों से सभ्यता को शक्ति प्रदान की है। इन ईंधनों को जलाने से कार्बन डाइऑक्साइड निकलती है जो युगों से जमीन के नीचे दबी हुई थी, जिससे जलवायु परिवर्तन तेज हो रहा है और ग्रह गर्म हो रहा है। वैज्ञानिक तत्परता से एक अलग प्रकार के ईंधन की तलाश कर रहे हैं, जो जीवित चीजों से आता है और कार्बन को बिना कुल बोझ बढ़ाए वापस वायुमंडल में चक्रित करता है। यही बायोफ्यूल (biofuels) का वादा है। ऐसे ईंधन का सबसे प्रचुर स्रोत मक्का या गन्ने के रस जैसी खाद्य फसलें नहीं हैं, बल्कि उनकी कटाई के बाद बचा हुआ रेशेदार, लकड़ी जैसा कचरा है। यह सामग्री, जिसे लिग्नोसेल्यूलोसिक बायोमास (lignocellulosic biomass) कहा जाता है, अपनी बनावट के कारण कठोर और प्रतिरोधी है; यह पौधों का संरचनात्मक कंकाल है, जिसे तत्वों का सामना करने के लिए बनाया गया है। इस कठोर रेशे को तरल ईंधन में बदलने के लिए, शोधकर्ताओं को पहले इसे सरल शर्करा (sugars) में तोड़ना होगा जिसे यीस्ट (yeast) खा सके, एक ऐसी प्रक्रिया जिसके लिए ऐतिहासिक रूप से कठोर रसायनों या अत्यधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती थी।

हाल ही ही एक अध्ययन में, भारत में शोधकर्ताओं की एक टीम ने गन्ने की खोई (bagasse) का उपयोग करके इस चुनौती से निपटने का प्रयास किया, जो गन्ने का रस निकालने के बाद बचा हुआ सूखा, गूदेदार अवशेष है। यह सामग्री भारी मात्रा में उत्पन्न होती है, फिर भी इसका अधिकांश हिस्सा जला दिया जाता है या फेंक दिया जाता है। शोधकर्ताओं का लक्ष्य इस कचरे को बायोएथेनॉल, एक स्वच्छ जलने वाले अल्कोहल ईंधन में बदलना था, एक ऐसी विधि का उपयोग करके जो पूरी तरह से जहरीले रसायनों से बचती है। उन्होंने पौधे के रेशों के भीतर छिपी शर्करा को खोलने के लिए दो-चरणीय भौतिक प्रक्रिया पर ध्यान केंद्रित किया। सबसे पहले, उन्होंने हाइड्रोथर्मल उपचार (hydrothermal treatment) में तीव्र ऊष्मा और दबाव के साथ खोई को उपचारित किया, जो अनिवार्य रूप रूप से इसकी संरचना को नरम करने के लिए इसे पानी में पकाने जैसा था। इसके तुरंत बाद, सामग्री को धोए या उदासीन (neutralize) किए बिना, उन्होंने इसे एक मैकेनिकल ग्राइंडर (mechanical grinder) से गुजारा। इस संयोजन ने ऊष्मा और भौतिक बल के माध्यम से आधे से अधिक लिग्निन (lignin) को हटा दिया, जो वह चिपचिपा, गोंद जैसा पॉलीमर है जो पौधों के रेशों को आपस में जोड़कर रखता है और शर्करा तक पहुँच को रोकता है। परिणाम एक ऐसा बायोमास था जो ईंधन के लिए आवश्यक किण्वन योग्य कार्बोहाइड्रेट (fermentable carbohydrates) में काफी समृद्ध था, और यह सब बिना किसी रासायनिक अपशिष्ट प्रवाह के हुआ जो अन्य विधियों में सामान्य है।

पौधे के कठोर बाहरी आवरण के टूटने के बाद, टीम ने काम पूरा करने के लिए प्रकृति के अपने उपकरणों की ओर रुख किया: एंजाइम (enzymes)। महंगे व्यावसायिक एंजाइम खरीदने के बजाय, उन्होंने विशिष्ट प्रकार के कवक (fungi) के लिए भोजन के रूप में गेहूं के चोकर (wheat bran) का उपयोग करके प्रयोगशाला में अपने स्वयं के एंजाइम उगाए। उन्होंने दो उपभेदों (strains), ट्राइकोडर्मा विरिडे (Trichoderma viride) और ट्राइकोडर्मा हारज़ियानम (Trichoderma harzianum) का संवर्धन किया, जो स्वाभाविक रूप से ऐसे एंजाइम पैदा करते हैं जो पौधों की कोशिका भित्तियों को पचाने में सक्षम होते हैं। कुछ दिनों के विकास के बाद, उन्होंने एंजाइमों से युक्त तरल को एकत्र किया और उनकी शक्ति को केंद्रित करने के लिए उन्हें थोड़ा शुद्ध किया। जब उन्होंने इन कवक एंजाइमों को प्रीट्रीटेड (pretreated) खोई पर लगाया, तो एंजाइमों ने जैविक कैंची की तरह काम किया, सेलुलोज और हेमीसेलुलोज की लंबी श्रृंखलाओं को व्यक्तिगत शर्करा अणुओं में काट दिया। यह प्रक्रिया अत्यधिक प्रभावी थी; चालीस घंटों के भीतर, एंजाइमों ने पौधे की सामग्री से भारी मात्रा में शर्करा मुक्त की। टीम ने पाया कि ट्राइकोडर्मा विरिडे के एंजाइम विशेष रूप से शक्तिशाली थे, जिन्होंने उपलब्ध कार्बोहाइड्रेट के लगभग दो-तिहाई हिस्से को शर्करा में बदल दिया। जब उन्होंने दोनों कवक उपभेदों के एंजाइमों को एक साथ मिलाया, तो संयोजन ने और भी बेहतर प्रदर्शन किया, जिससे थोड़ी अधिक शर्करा मुक्त हुई क्योंकि दोनों एंजाइमों के काम करने के तरीके एक-दूसरे के पूरक थे।

अंतिम चरण इन शर्करा-समृद्ध तरल पदार्थों को ईंधन में बदलना था। शोधकर्ताओं ने शर्करा के घोल में एक सामान्य यीस्ट, सैकरोमाइसेस (Saccharomyces), को पेश किया। यह सूक्ष्मजीव स्वाभाविक रूप से शर्करा का सेवन करता है और उपोत्पाद के रूप में इथेनॉल उत्सर्जित करता है। एक नियंत्रित वातावरण में, यीस्ट ने कुशलतापूर्वक काम किया, एक दिन के भीतर लगभग सभी उपलब्ध शर्करा का उपभोग कर लिया। परिणाम एक स्पष्ट तरल था जिसमें 6.39 ग्राम प्रति लीटर की सांद्रता में बायोएथेनॉल था। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह उपज केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं थी बल्कि एक मापी गई वास्तविकता थी, जो उस विशिष्ट मात्रा की शर्करा से उत्पादित होने वाले अधिकतम ईंधन के 86 प्रतिशत तक पहुँच गई। क्योंकि प्रारंभिक प्रीट्रीटमेंट ने कठोर रसायनों से परहेज किया था, इसलिए शर्करा के घोल में वे जहरीले उपोत्पाद नहीं थे जो अक्सर यीस्ट को मार देते हैं या किण्वन (fermentation) को रोक देते हैं, जिससे यीस्ट अपनी चरम दक्षता पर काम कर सका।

वास्तविक दुनिया में इसका क्या अर्थ है, इसे समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने बड़े पैमाने पर संभावित उत्पादन की गणना की। उन्होंने अनुमान लगाया कि भारत में उगाई जाने वाली गन्ने की प्रत्येक हेक्टेयर फसल के लिए, उत्पादित खोली को लगभग 3,263 लीटर बायोएथेनॉल में परिवर्तित किया जा सकता है। यह आंकड़ा सुझाव देता है कि यह प्रक्रिया केवल प्रयोगशाला की जिज्ञासा नहीं है बल्कि औद्योगिक स्तर के उत्पादन के लिए एक व्यवहार्य मार्ग है। यह अध्ययन दर्शाता है कि ईंधन उत्पादन के लिए एक पूर्ण, पर्यावरण के अनुकूल पाइपलाइन बनाना संभव है: कृषि अपशिष्ट से शुरू होकर, पौधे के रेशों को खोलने के लिए ऊष्मा और यांत्रिक बल का उपयोग करना, शर्करा मुक्त करने के लिए सस्ते अनाज के उपोत्पादों पर उगाए गए कवक का उपयोग करना, और अंत में उन शर्कराओं को ईंधन में किण्वित करने के लिए यीस्ट का उपयोग करना। यह सिद्ध करके कि एक रसायन-मुक्त दृष्टिकोण उच्च उपज प्राप्त कर सकता है, यह शोध एक चक्रीय जैव-अर्थव्यवस्था (circular bioeconomy) के लिए एक सम्मोहक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है, जहाँ कृषि अपशिष्ट को रासायनिक प्रसंस्करण की पर्यावरणीय लागत के बिना एक स्थायी ऊर्जा स्रोत में बदल दिया जाता है।