Enhanced Downstream Processing of 2,3-Butanediol through Salt Alcohol Aqueous Two-Phase Extraction

कल्पना कीजिए कि आप फलों के एक विशाल, चिपचिपे मिश्रित सलाद से एक विशिष्ट स्वाद वाली कैंडी को अलग करने की कोशिश कर रहे हैं। वह कैंडी जिसे आप चाहते हैं वह 2,3-ब्यूटेनडिओल (या संक्षेप में 2,3-BDO) है, जो एक अत्यंत उपयोगी रसायन है जिसे ईंधन, एंटीफ्रीज या यहाँ तक कि नए प्लास्टिक में बदला जा सकता है। समस्या यह है कि यह "कैंडी" सूक्ष्म सूक्ष्मजीवों द्वारा किण्वन ब्रॉथ (fermentation broth) में बनाई जाती है, जो वास्तव में पानी, बचे हुए शर्करा, प्रोटीन और लवणों से भरा एक गंदा सूप है। इस सूप से इस शुद्ध 2,3-BDO को निकालना बहुत कठिन है। यह पानी से चिपकना पसंद करता है, इसका क्वथनांक (boiling point) बहुत अधिक है (जिसका अर्थ है कि इसे उबालने के लिए बहुत अधिक गर्मी की आवश्यकता होती है), और सूप अन्य चीजों से भरा हुआ है जो इसमें बाधा डालती हैं।

वैज्ञानिकों ने इस सूप से इस रसायन को निकालने के कई तरीके आजमाए हैं, जैसे कि सूप को उबालना (आसवन/डिस्टिलेशन) या इसे दूर करने के लिए अन्य तरल पदार्थों का उपयोग करना (निष्कर्षण/एक्सट्रैक्शन)। लेकिन इन तरीकों में अक्सर बहुत अधिक ऊर्जा लगती है, बहुत अधिक पैसा खर्च होता है, या उत्पाद अशुद्ध रह जाता है। एक लोकप्रिय नया तरीका "जलीय द्वि-चरणीय निष्कर्षण" (Aqueous Two-Phase Extraction - ATPE) है। इसे इस तरह सोचें जैसे आप एक जार में तेल और सिरका डालते हैं; वे स्वाभाविक रूप से दो परतों में अलग हो जाते हैं क्योंकि वे आपस में नहीं मिलते। इस वैज्ञानिक संस्करण में, तेल और सिरके के बजाय, वैज्ञानिक एक विशेष नमक को एक अल्कोहल के साथ मिलाते हैं। सूप में मिलाए जाने पर, यह दो अलग-अलग परतों में विभाजित हो जाता है: नीचे एक नमकीन पानी की परत और ऊपर एक अल्कोहल-समृद्ध परत। जादू यह है कि 2,3-BDO पानी की परत को छोड़कर अल्कोहल की परत में कूदने को प्राथमिकता देता है, जिससे अशुद्धियाँ पीछे छूट जाती हैं। बड़ा सवाल यह है कि कौन सा विशिष्ट नमक और अल्कोहल का संयोजन सबसे अच्छा काम करता है, और क्या हम इसे वास्तव में एक फैक्ट्री समाधान बनाने के लिए पर्याप्त सस्ता बना सकते हैं?

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं प्रमोद गवल और श्वेता लातये ने 2,3-BDO को साफ करने के लिए सही "तेल और सिरका" रेसिपी खोजने का प्रयास किया। उन्होंने यह देखने के लिए नमक और अल्कोहल के कई अलग-अलग संयोजनों का परीक्षण किया कि कौन सा संयोजन किण्वन सूप से सबसे अधिक 2,3-BDO निकाल सकता है। उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट जोड़ी—आइसोब्यूटानॉल (एक प्रकार का अल्कोहल) और डायपोटेशियम फॉस्फेट (DKP, एक प्रकार का नमक) का मिश्रण—स्पष्ट विजेता था। इस संयोजन ने एक सुपर-कुशल चुंबक की तरह काम किया, जो अविश्वसनीय गति और सटीकता के साथ 2,3-BDO को ऊपरी परत में खींच लेता है।

इस प्रक्रिया को और भी बेहतर बनाने के लिए, टीम ने केवल सही मात्रा का अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने "रिस्पॉन्स सरफेस मेथोडोलॉजी" (RSM) नामक एक स्मार्ट कंप्यूटर पद्धति का उपयोग किया। आप इसे एक वीडियो गेम की तरह समझ सकते हैं जहाँ आप तीन डायल समायोजित करते हैं—कितना नमक, कितना अल्कोहल, और मिश्रण कितना गर्म है—ताकि "परफेक्ट स्कोर" मिल सके। उन्होंने पाया कि सबसे अच्छा तरीका 25% नमक, 30% अल्कोहल का उपयोग करना और तापमान को 40 °C पर रखना था। इन स्थितियों के तहत, उनके कंप्यूटर मॉडल ने भविष्यवाणी की कि वे 98.23% 2,3-BDO को रिकवर कर सकते हैं। जब उन्होंने वास्तव में लैब में प्रयोग किया, तो उन्हें 97.81% प्राप्त हुआ, जिससे साबित हुआ कि उनका मॉडल बिल्कुल सटीक था। इस सेटअप ने एक "वितरण गुणांक" (distribution coefficient) बनाया जो 60.47 था, जो एक शानदार तरीका है यह कहने का कि रसायन पानी की तुलना में अल्कोहल की परत में होने की 60 गुना अधिक संभावना रखता था।

लेकिन कहानी केवल परतों को अलग करने पर समाप्त नहीं होती है। शोधकर्ता यह सुनिश्चित करना चाहते थे कि इस प्रक्रिया का वास्तविक दुनिया में उपयोग किया जा सके, इसलिए उन्होंने इसे 1-लीटर बैच तक बढ़ाया। उन्होंने अल्कोहल की परत (जो अब 2,3-BDO से भरी हुई थी) ली और अल्कोहल को उड़ाने के लिए आसवन (distillation) का उपयोग किया, जिससे पीछे एक अत्यंत शुद्ध उत्पाद बचा जो 99% से अधिक शुद्ध था। उन्होंने यह भी पता लगाया कि महंगे नमक को कैसे रीसायकल किया जाए। बचे हुए नमकीन पानी में मेथनॉल मिलाकर, वे नमक को क्रिस्टलीकृत कर सकते थे और घोल से बाहर निकाल सकते थे, जिससे वे इसका 96.85% पुन: उपयोग कर सके।

लेखकों का तर्क है कि यह विधि उनके द्वारा परीक्षण किए गए अन्य सिस्टमों (जैसे इथेनॉल या विभिन्न लवणों का उपयोग करने वाले सिस्टम) की तुलना में श्रेष्ठ है, क्योंकि यह परतों को तेजी से अलग करती है, अधिक उत्पाद रिकवर करती है, और इसे रीसायकल करना आसान है। उन्होंने इस विचार को स्पष्ट रूप से खारिज कर दिया कि केवल साधारण आसवन उच्च ऊर्जा लागतों के कारण इस कार्य के लिए पर्याप्त कुशल नहीं है, और उन्होंने दिखाया कि अन्य नमक-अल्कोहल संयोजन उनके आइसोब्यूटानॉल/DKP मिश्रण की तरह प्रदर्शन नहीं कर सके। अध्ययन सुझाव देता है कि यह एकीकृत दृष्टिकोण—सूप को मिलाना, उसे विभाजित होने देना, ऊपरी परत का आसवन करना और नमक को रीसायकल करना—बायो-आधारित 2,3-BDO का उत्पादन करने का एक व्यावहारिक, लागत प्रभावी और स्केलेबल तरीका है, जो एक गंदे किण्वन ब्रॉथ को न्यूनतम बर्बादी के साथ एक मूल्यवान संसाधन में बदल देता है।