Optimization of recyclable citric acid pretreatment for enhanced bioethanol production from heterogeneous starchy food wastes

द ग्रेट शुगर रेस्क्यू: कचरे से खजाना बनाना

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया जहाँ हमारी कारों को चलाने वाली और हमारे घरों को रोशन करने वाली ऊर्जा प्राचीन, गंदी जीवाश्मों (fossils) को खोदने से नहीं, बल्कि उन चीजों से आती है जिन्हें हम फेंक देते हैं। यह विज्ञान का वह रोमांचक कोना है जिसे बायोफ्यूल (biofuels) कहा जाता है, विशेष रूप से बायो इथेनॉल (bioethanol), जो एक प्रकार का अल्कोहल है जो गैसोलीन की जगह ले सकता है। लेकिन यहाँ एक पेंच है: प्रकृति हमेशा कचरे से ऊर्जा निकालना आसान नहीं बनाती। स्टार्च वाले खाद्य अपशिष्ट (food waste)—जैसे पुराना ब्रेड, भीगी हुई पास्ता, या सड़ते हुए आलू—को एक मजबूती से बंद खजाने के संदूक की तरह समझें। इसके अंदर सोना (चीनी/शुगर) है, लेकिन यह संदूक कठोर, क्रिस्टलीय लकड़ी (स्टार्च ग्रेन्यूल्स) से बना है जिसे एंजाइम (छोटे जैविक कार्यकर्ता) आसानी से तोड़ नहीं पाते।

सोने को पाने के लिए, हमें आमतौर पर एक चाबी की आवश्यकता होती है। अतीत में, वैज्ञानिकों ने चाबियों के रूप में मजबूत, कठोर एसिड (जैसे सल्फ्यूरिक एसिड) का उपयोग किया था। ये चाबियाँ तेजी से काम करती हैं और संदूक को चौड़ा खोल देती हैं, लेकिन वे खतरनाक हैं। वे एक हथौड़े की तरह हैं: वे ताले को तो तोड़ देते हैं लेकिन संदूक को भी क्षतिग्रस्त कर देते हैं, जिससे जहरीला कचरा (इनहिबिटर्स) पैदा होता है जो चीनी को ईंधन में बदलने की कोशिश करने वाले श्रमिकों को जहरीला बना देता है। इसके अलावा, वे उन मशीनों को भी गला देते हैं जिनमें उन्हें रखा जाता है। वैज्ञानिक एक बड़ा सवाल पूछ रहे हैं: क्या हम एक ऐसी कोमल, पुन: प्रयोज्य (reusable) चाबी ढूंढ सकते हैं जो संदूक को केवल इतना खोले कि चीनी बाहर निकल सके, बिना संदूक को तोड़े या श्रमिकों को जहरीला बनाए? यहीं से "खाद्य अपशिष्ट" को "ईंधन" में बदलने की कहानी वास्तव में दिलचस्प हो जाती है।

---

द सिट्रिक एसिड गेम प्लान

इस अध्ययन में, असीट विश्वविद्यालय, मिस्र के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अलग तरह की चाबी आज़माने का फैसला किया: सिट्रिक एसिड (citric acid)। आप इसे नींबू और लाइम में मौजूद तीखे, खट्टे पदार्थ के रूप में जानते हैं। डरावने, संक्षारक खनिज एसिड के बजाय, वे यह देखना चाहते थे कि क्या यह मित्रवत, जैविक एसिड रसोई के बचे हुए अवशेषों से लेकर खराब अनाज और सड़ते हुए कंदों (tubers) के मिश्रण में स्टार्च को अनलॉक कर सकता है।

उनका लक्ष्य इस प्रक्रिया के लिए "गोल्डिलॉक्स ज़ोन" (Goldilocks zone) को खोजना था। उन्हें यह पता लगाने की आवश्यकता थी कि अधिकतम चीनी प्राप्त करने के लिए उन्हें कितना एसिड उपयोग करना चाहिए, तापमान कितना रखना चाहिए, और इसे कितनी देर तक पकाना चाहिए, ताकि वह जहरीला कचरा पैदा न हो जो किण्वन (fermentation) को रोकता है। उन्होंने इसे एक विशाल कुकिंग एक्सपेरिमेंट की तरह लिया, जिसमें उन्होंने सबसे अच्छा काम करने वाले तत्वों और स्थितियों को देखने के लिए 17 अलग-अलग संयोजनों का परीक्षण किया।

सफलता की रेसिपी

शोधकर्ताओं ने "सेंट्रल कंपोजिट डिजाइन" नामक एक विधि का उपयोग करके एक जटिल पहेली तैयार की। उन्होंने तीन मुख्य चरों (variables) के साथ प्रयोग किया:

1. एसिड: सिट्रिक एसिड की मात्रा कितनी (1% से 5% के बीच)?
2. गर्मी (Heat): ओवन कितना गर्म होना चाहिए (90°C से 130°C के बीच)?
3. समय: उन्हें इसे कितनी देर तक पकाना चाहिए (20 से 60 मिनट के बीच)?

उन्होंने पाया कि तापमान इस खेल का असली सितारा था। यह केवल अधिक एसिड डालने के बारे में नहीं था; यह गर्मी को सही तरीके से प्राप्त करने के बारे में था। डेटा ने दिखाया कि गर्मी का प्रभाव एक घुमावदार, "U-आकार" का था। यदि यह बहुत ठंडा होता, तो एसिड बहुत कुछ नहीं कर पाता। लेकिन जैसे ही उन्होंने गर्मी को एक विशिष्ट स्तर तक बढ़ाया, स्टार्च के कण पिघलने और फूलने लगे, जिससे उन्हें एसिड द्वारा तोड़ना आसान हो गया।

जीतने वाली रेसिपी निकली 3% सिट्रिक एसिड, जिसे 130°C पर 40 मिनट तक पकाया गया। इन परिस्थितियों में, वे रसोई के खाद्य अपशिष्ट से 30.99 ± 1.80 ग्राम रिड्यूसिंग शुगर प्रति लीटर निकाल पाए। यह बहुत सारी अनलॉक्ड चीनी है!

चौंकाने वाला मुकाबला: नींबू बनाम हथौड़ा

यहाँ कहानी में एक मोड़ आता है। शोधकर्ताओं ने सल्फ्यूरिक एसिड (हथौड़े) का उपयोग करके पुराने तरीके का भी परीक्षण किया। जैसा कि अपेक्षित था, सल्फ्यूरिक एसिड स्टार्च को तोड़ने में एक पावरहाउस था। इसने वास्तव में सिट्रिक एसिड की तुलना में अधिक चीनी छोड़ी—सिट्रिक एसिड के 30.99 ± 1.80 g/L के मुकाबले सल्फ्यूरिक एसिड ने 57.21 ± 0.66 g/L चीनी छोड़ी।

लेकिन यहाँ एक समस्या है: सल्फ्यूरिक एसिड बहुत आक्रामक था। इसने हाइड्रॉक्सीमिथाइलफुरफ्यूरल (HMF) नामक बहुत सारे जहरीले उपोत्पाद (byproducts) बनाए। HMF को उस "जहरीली गैस" के रूप में सोचें जो तब निकलती है जब आप संदूक को बहुत जोर से तोड़ते हैं। सल्फ्यूरिक एसिड विधि ने इस जहर का 5.82 ± 0.11 g/L उत्पादन किया। कोमल सिट्रिक एसिड विधि ने केवल 2.66 ± 0.03 g/L का उत्पादन किया।

यह क्यों मायने रखता है? क्योंकि यीस्ट (वे छोटे कार्यकर्ता जो चीनी को अल्कोहल में बदलते हैं) को जहर से नफरत है। भले ही सल्फ्यूरिक एसिड ने शुरुआत में अधिक चीनी दी, लेकिन जहर ने उन्हें धीमा कर दिया और बीमार कर दिया। सिट्रिक एसिड, अपने कम जहर स्तर के साथ, यीस्ट को बहुत तेज़ी से और कुशलता से काम करने में मदद करता है।

जब उन्होंने सिट्रिक एसिड प्रीट्रीटमेंट को एक विशेष एंजाइम (एमाइलेज) और प्रकृति में पाए जाने वाले एक सुपर-कुशल यीस्ट स्ट्रेन (Saccharomyces cerevisiae) के साथ मिलाया, तो परिणाम अद्भुत थे। केवल 24 घंटों में, उन्होंने 54.04 ± 1.37 g/L इथेनॉल का उत्पादन किया। सल्फ्यूरिक एसिड विधि, एंजाइम के साथ भी, समान समय सीमा में 44.86 ± 1.85 g/L के निचले शिखर तक पहुँचने में अधिक समय लेती है। सिट्रिक एसिड विधि बस तेज़ और स्वच्छ थी।

रीसाइक्लिंग का जादू

इस अध्ययन का सबसे शानदार हिस्सा यह है कि उन्होंने केवल एसिड का उपयोग किया और उसे फेंक नहीं दिया। उन्होंने इसे वापस पाने का तरीका भी खोज निकाला! पकाने की प्रक्रिया के बाद, उन्होंने चूने (कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड) के साथ तरल को न्यूट्रलाइज किया, जिसने सिट्रिक एसिड को कैल्शियम साइट्रेट नामक एक ठोस पाउडर में बदल दिया। उन्होंने इसे फ़िल्टर किया, इसे वापस एसिड में बदला, और इसे फिर से उपयोग किया।

वे सिट्रिक एसिड का 91.94 ± 0.02% हिस्सा वापस पाने में सफल रहे। इसका मतलब है कि उनके द्वारा प्रोसेस किए गए प्रति लीटर तरल के लिए, उन्हें अगले राउंड के लिए नया एसिड जोड़ने के लिए केवल लगभग 2.42 ग्राम की आवश्यकता थी। यह एक लगभग बंद लूप (closed loop) बनाता है, जिससे यह प्रक्रिया बहुत सस्ती और हरित (green) हो जाती है।

क्या यह अन्य कचरे पर भी काम करता है?

टीम केवल रसोई के अवशेषों तक ही नहीं रुकी। उन्होंने अपने नए "सिट्रिक एसिड रेसिपी" का परीक्षण विभिन्न प्रकार के स्टार्च युक्त कचरे पर किया:

• खराब अनाज: टूटा हुआ ज्वार (sorghum), गेहूं और मक्का।
• सड़े हुए कंद: खराब आलू और शकरकंद।

• फैक्ट्री का पानी: आलू चिप्स फैक्ट्री का अपशिष्ट जल।

परिणाम सभी क्षेत्रों में प्रभावशाली रहे। उन्हें इन विभिन्न सामग्रियों से 28.58 और 68.49 g/L के बीच रिड्यूसिंग शुगर मिली। जब उन्होंने इनका किण्वन किया, तो उन्हें 45.28 और 66.74 g/L के बीच इथेनॉल मिला।

• खराब ज्वार के दाने (Damaged sorghum grains) सबसे तेज़ थे, जिन्होंने केवल 24 घंटों में 64.39 ± 5.00 g/L इथेनॉल का भारी उत्पादन किया।
• सड़े हुए आलू के बायोमास ने थोड़ा अधिक समय (72 घंटे) लिया लेकिन अंततः 66.74 ± 6.64 g/L का उच्चतम उत्पादन किया।

निष्कर्ष

यह पेपर सुझाव देता है कि हमें अपने खाद्य अपशिष्ट को ईंधन में बदलने के लिए खतरनाक, संक्षारक रसायनों का उपयोग करने की आवश्यकता नहीं है। एक हल्के, पुनर्चक्रण योग्य (recyclable) एसिड जैसे कि सिट्रिक एसिड का उपयोग करके और गर्मी को बिल्कुल सही रखकर, हम जहरीले कचरे को पैदा किए बिना स्टार्च वाले कचरे में छिपी चीनी को अनलॉक कर सकते हैं। यह बायो इथेनॉल बनाने का एक अधिक कोमल, तेज़ और टिकाऊ तरीका है।

शोधकर्ताओं ने दिखाया कि हालांकि मजबूत एसिड स्टार्च को तेज़ी से तोड़ सकते हैं, लेकिन वे एक ऐसा कचरा पैदा करते हैं जो अंतिम उत्पाद को नुकसान पहुँचाता है। सिट्रिक एसिड का "जेंटल जाइंट" (कोमल दिग्गज) दृष्टिकोण, एक स्मार्ट रीसाइक्लिंग सिस्टम के साथ मिलकर, एक सर्कुलर इकोनॉमी की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है जहाँ हमारा कचरा हमारी ऊर्जा बन जाता है, बिना किसी जहरीले दुष्प्रभाव के। यह पर्यावरण के लिए एक जीत है, अर्थव्यवस्था के लिए एक जीत है, और नवीकरणीय ईंधन के भविष्य के लिए एक जीत है।