Python-Based Process Modelling and Optimisation of Pyrolysis Valorisation of Palm Kernel Shells and Empty Fruit Bunches for Biochar Production: A Circular Economy Assessment

घाना के पाम ऑयल उद्योग के केंद्र में, प्रतिदिन भारी मात्रा में कचरा उत्पन्न होता है। फल के प्रत्येक टन की कटाई के लिए, यह प्रक्रिया दो अलग-अलग प्रकार के अवशेष पीछे छोड़ देती है: नट से निकले कठोर, खोल जैसे टुकड़े और बड़े, रेशेदार गुच्छे जो कभी फल को थामे रखते थे। वर्तमान में, इस सामग्री का अधिकांश हिस्सा या तो खुले में सड़ने के लिए छोड़ दिया जाता है या जला दिया जाता है, जो एक ऐसी प्रथा है जिससे वातावरण में धुआं और ग्रीनहाउस गैसें निकलती हैं, जबकि एक मूल्यवान संसाधन बर्बाद हो जाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि इन बचे हुए अवशेषों को 'पायरोलिसिस' नामक प्रक्रिया के माध्यम से उपयोगी चीज़ में बदला जा सकता है। यह एक ऐसी विधि है जहाँ बायोमास को ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में गर्म किया जाता है, जिससे यह 'बायोचार' नामक एक ठोस, कार्बन-समृद्ध सामग्री, गैसों और तेलों में टूट जाता है। बायोचार एक बहुमुखी पदार्थ है; यह मिट्टी के स्वास्थ्य में सुधार कर सकता है, पानी को फ़िल्टर कर सकता है और उस कार्बन को कैद कर सकता है जो अन्यथा ग्रह को गर्म कर देता। हालाँकि, इस क्षमता को एक विश्वसनीय वास्तविकता में बदलने के लिए यह जानना आवश्यक है कि इस प्रक्रिया को ठीक से कैसे चलाया जाए। तापमान और सामग्री को गर्म करने की अवधि महत्वपूर्ण है, लेकिन प्रयोगशाला में महंगी और समय लेने वाली 'ट्रायल-एंड-एरर' (प्रयास और त्रुटि) प्रयोगों के बिना इन विशिष्ट घाना अवशेषों के लिए सही संतुलन खोजना कठिन था।

घाना के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने के लिए एक अलग दृष्टिकोण अपनाया, जिसमें उन्होंने कंप्यूटर मॉडलिंग की शक्ति का उपयोग किया। भौतिक प्रयोगशाला में हजारों टन शैल (खोल) और गुच्छों को जलाने के बजाय, उन्होंने पायथन (Python) का उपयोग करके एक विस्तृत डिजिटल सिमुलेशन बनाया, जो वैज्ञानिक कार्यों के लिए एक लोकप्रिय प्रोग्रामिंग भाषा है। उन्होंने एक आभासी मॉडल बनाया जो यह नकल करता है कि पाम कचरे के विभिन्न भाग—सेलुलोज, हेमीसेलुलोज और लिग्निन—गर्म होने पर कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। मौजूदा वैज्ञानिक साहित्य से डेटा फीड करके, वे यह भविष्यवाणी करने में सक्षम थे कि विभिन्न परिस्थितियों में कितना बायोचार उत्पादित होगा। अपनी भविष्यवाणियों को पुख्ता करने के लिए, उन्होंने हजारों सिम्युलेटेड परिदृश्य चलाए, जिसमें कचरे की संरचना और परिचालन स्थितियों में छोटे, यादृच्छिक बदलाव किए गए। इसने उन्हें न केवल एक परिणाम, बल्कि संभावित परिणामों की एक श्रृंखला देखने की अनुमति दी, जो वास्तविक खेती में पाई जाने वाली विसंगतियों को ध्यान में रखता है। इसके बाद उन्होंने उन्नत गणितीय तकनीकों का उपयोग करके उस एकल सर्वोत्तम सेट की खोज की जो बायोचार की मात्रा को अधिकतम करेगा और यह सुनिश्चित करेगा कि वह कार्बन सामग्री के कड़े गुणवत्ता मानकों को पूरा करता है।

सिमुलेशन ने एक स्पष्ट और सुसंगत मार्ग दिखाया। शोधकर्ताओं ने पाया कि अंतिम उत्पाद की गुणवत्ता ही प्रक्रिया को सीमित करने वाला सबसे महत्वपूर्ण कारक है। उच्च-मूल्य वाले बाजारों और कार्बन क्रेडिट योजनाओं के लिए उपयुक्त प्रीमियम-ग्रेड बायोचार बनाने के लिए, सामग्री में कम से कम 60 प्रतिशत 'फिक्स्ड कार्बन' होना चाहिए। यह आवश्यकता प्रक्रिया को लगभग 393 डिग्री सेल्सियस के विशिष्ट तापमान पर संचालित करने के लिए मजबूर करती है। यदि तापमान बहुत कम है, तो बायोचार बहुत अशुद्ध होगा; यदि यह बहुत अधिक है, तो ठोस सामग्री गैसों में टूट जाएगी, जिससे कुल उत्पाद कम हो जाएगा। मॉडल ने निर्धारित किया कि इस इष्टतम तापमान पर, पाम कर्नेल शैल को लगभग 50 मिनट तक गर्म करने की आवश्यकता होती है, जबकि खाली फल गुच्छों (एफ़्टी फ्रूट बंच) को थोड़ा अधिक समय यानी 57 मिनट की आवश्यकता होती है। इन सटीक स्थितियों के तहत, प्रक्रिया शैल के लिए 42.2 प्रतिशत और गुच्छों के लिए 38.5 प्रतिशत का बायोचार आउटपुट प्रदान करती है। विश्लेषण ने यह भी रेखांकित किया कि कचरे में लिग्निन की मात्रा अनिश्चितता का सबसे बड़ा स्रोत है; क्योंकि लिग्निन पौधे का सबसे ताप-प्रतिरोधी हिस्सा है, इसलिए इसकी सामग्री में होने वाले बदलावों का अंतिम उत्पाद प्राप्त करने पर सबसे बड़ा प्रभाव पड़ता है।

जब शोधकर्ताओं ने इन निष्कर्षों को घाना के एक विशिष्ट पाम ऑयल मिल पर लागू किया, तो आर्थिक और पर्यावरणीय चित्र आश्चर्यजनक रूप से स्पष्ट हो गया। प्रति घंटा दस टन फल गुच्छों को संसाधित करने वाला एक मानक मिल सालाना 5,500 टन से अधिक बायोचार का उत्पादन करने के लिए पर्याप्त कचरा उत्पन्न करता है। यह केवल एक सैद्धांतिक संख्या नहीं है; यह अपशिष्ट प्रबंधन से संसाधन निर्माण की ओर एक मूर्त परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करता है। अध्ययन ने गणना की कि खुले में जलाने के बजाय इस पायरोलिसिस पद्धति को अपनाकर, एक एकल मिल प्रति वर्ष लगभग 31,854 टन कार्बन डाइऑक्साइड समकक्ष उत्सर्जन को रोकने में सक्षम है। यह लाभ दो स्रोतों से आता है: वह कार्बन जो स्थायी रूप से बायोचार में लॉक हो जाता है और वे उत्सर्जन जो कचरे को खुले में जलाने से बच जाते हैं। वित्तीय रूप से भी, दृष्टिकोण उतना ही आशाजनक है। यहाँ तक कि रूढ़िवादी बाजार धारणाओं के तहत, जहाँ बायोचार एक मामूली कीमत पर बिकता है और कार्बन क्रेडिट कम हैं, यह संचालन शुद्ध लाभ उत्पन्न करता है। अधिक अनुकूल बाजार परिदृश्यों में, वार्षिक राजस्व तीस मिलियन अमेरिकी डॉलर से अधिक तक पहुँच सकता है। खाली फल गुच्छे, जो शैल की तुलना में अधिक प्रचुर मात्रा में हैं, इस आर्थिक मूल्य को चलाने में मुख्य भूमिका निभाते हैं, जिससे वे मिल स्थल पर चक्रीय अर्थव्यवस्था (सर्कुलर इकोनॉमी) के प्राथमिक इंजन बन जाते हैं।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह कम्प्यूटेशनल ढांचा पश्चिम अफ्रीका में पाम ऑयल कचरे से बायोचार उत्पादन के व्यावसायीकरण के लिए एक विश्वसनीय ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि बिना पहले व्यापक भौतिक प्रयोग किए, एक लाभदायक और पर्यावरणीय रूप से लाभकारी प्रक्रिया के लिए आवश्यक सटीक परिचालन स्थितियों की पहचान करना संभव है। एकमात्र बड़ी बाधा अंतरराष्ट्रीय मानकों के लिए आवश्यक उच्च कार्बन गुणवत्ता को बनाए रखने की आवश्यकता है, जो तापमान और समय को निर्धारित करती है। हालांकि कंप्यूटर मॉडल एक मजबूत आधार प्रदान करता है, लेखक नोट करते हैं कि भविष्य के कार्यों में स्थानीय परिचालन स्थितियों के तहत इन परिणामों की पुष्टि करने के लिए घाना में पायलट-स्केल परीक्षण शामिल होने चाहिए और तकनीक के पूर्ण जीवन चक्र का विश्लेषण किया जाना चाहिए। फिलहाल, सिमुलेशन यह सिद्ध करता है कि जिसे कभी एक परेशानी वाला अपशिष्ट उत्पाद माना जाता था, उसे एक मूल्यवान संपत्ति में बदला जा सकता है, जो एक महत्वपूर्ण पर्यावरणीय देन को स्वच्छ ऊर्जा, बेहतर मिट्टी और आर्थिक विकास के स्रोत में बदल देता है।