Valorization of crude glycerol from heterotrophic microalgae cultivation: optimization and characterization of bioproducts

दुनिया तेजी से उद्योगों द्वारा पैदा की गई समस्याओं को हल करने के लिए प्रकृति की ओर देख रही है। सबसे निरंतर चुनौतियों में से एक यह है कि बायोफ्यूल (जैव ईंधन) बनाने से उत्पन्न होने वाले कचरे को कैसे संभाला जाए, विशेष रूप से वनस्पति तेलों को बायोडीजल में बदलने के बाद बचा हुआ गाढ़ा, चिपचिपा उपोत्पाद। यह पदार्थ, जिसे 'क्रूड ग्लिसरॉल' के रूप पहुँचा जाता है, अक्सर फेंक दिया जाता है या जला दिया जाता है, जो एक खोए हुए अवसर का प्रतिनिधित्व करता है। साथ ही, वैज्ञानिक सूक्ष्म शैवाल (माइक्रोएल्गी) जैसे सूक्ष्म पौधों को उगाने के टिकाऊ तरीकों की तलाश कर रहे हैं। ये नन्हे जीव शक्तिशाली कारखाने हैं; वे सरल पोषक तत्वों को ईंधन के लिए तेल, भोजन के लिए प्रोटीन और तरल पदार्थों को गाढ़ा करने वाले चिपचिपे पदार्थों में बदल सकते हैं। शोधकर्ताओं के लिए बड़ा सवाल यह था कि क्या ये दो दुनिया मिल सकती हैं: क्या एक उद्योग का कचरा दूसरे के लिए भोजन बन सकता है, जिससे एक ऐसा चक्र निर्मित हो सके जहाँ कुछ भी बर्बाद न हो और नए मूल्यवान उत्पाद जन्म लें?

ब्राजील के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट प्रकार के सूक्ष्म शैवाल, क्लोरेला वल्गारिस (Chlorella vulgaris) का एक अंधेरे, टैंक-आधारित वातावरण में परीक्षण करके इसका उत्तर देने का प्रयास किया। उन पौधों के विपरीत जिन्हें बढ़ने के लिए सूर्य के प्रकाश की आवश्यकता होती है, यह सूक्ष्म शैवाल कार्बनिक कार्बन स्रोतों को खाकर जीवित रह सकता है और फल-फूल सकता है, जिसे हेटरोट्रॉफिक कल्टिवेशन (विषमपोषी खेती) कहा जाता है। वैज्ञानिकों ने यह देखना चाहा कि क्या वे इस सूक्ष्म शैवाल को क्रूड ग्लस्पर खिलाकर इसे तीन उपयोगी सामग्रियों का एक 'ट्रिपल थ्रेट' (त्रिशक्ति) बनाने के लिए प्रेरित कर सकते हैं: सेल मास (कोशिका द्रव्यमान) की एक मोटी परत, ईंधन के लिए उपयुक्त तेल, और एक फिसलन भरा, जेल जैसा पदार्थ जो तरल की तरह बहता है लेकिन ठोस की तरह आकार बनाए रखता है। एक आदर्श नुस्खा खोजने के लिए, उन्होंने अनुमान नहीं लगाया। इसके बजाय, उन्होंने खेती के टैंक के साथ एक प्रयोगशाला पहेली की तरह व्यवहार किया, और तीन मुख्य घटकों को सावधानीपूर्वक समायोजित किया: तरल को कितनी तेजी से हिलाया (स्टिरिंग) जा रहा है, कितना ग्लिसरॉल जोड़ा गया है, और कितना नाइट्रोजन उर्वरक प्रदान किया गया है। उन्होंने दर्जनों प्रयोग चलाए, इन चरों (variables) को एक सटीक पैटर्न में बदलकर यह देखा कि कौन सा संयोजन सूक्ष्म शैवाल को सबसे तेजी से बढ़ने और सबसे मूल्यवान वस्तुएं पैदा करने में मदद करता है।

इन सावधानीपूर्वक किए गए ट्यूनिंग के परिणाम आश्चर्यजनक थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि मध्यम गति से टैंक को हिलाते हुए और ग्लिसरॉल एवं नाइट्रोजन की विशिष्ट मात्राओं को मिलाते हुए, वे सूक्ष्म शैवाल में तीव्र वृद्धि को प्रेरित कर सकते हैं। केवल चौबीस घंटों में, सूक्ष्म शैवाल ने ग्लिसरॉल का पूरी तरह से सेवन कर लिया और एक सघन बायोमास की परत बना दी। यह केवल थोड़ी मात्रा में वृद्धि नहीं थी; सूक्ष्म शैवाल एक दिन में 1.18 ग्राम प्रति लीटर की सांद्रता तक पहुँच गया, एक ऐसी गति जो बताती है कि इस पद्धति को औद्योगिक उपयोग के लिए बड़े पैमाने पर लागू किया जा सकता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि कोशिकाओं ने न केवल वृद्धि की, बल्कि उन्होंने अपनी आंतरिक केमिस्ट्री (रसायन विज्ञान) को भी बदल लिया। कोशिकाओं के भीतर जमा तेल बायोडीसेल बनाने के लिए एक उत्कृष्ट उम्मीदवार साबित हुआ। जब विश्लेषण किया गया, तो शैवाल के भीतर के वसा अणुओं में उन रासायनिक संरचनाओं का सही संतुलन था जो इंजन में स्वच्छ और कुशलता से जल सकें, जिससे ब्राजील, यूरोप और संयुक्त राज्य अमेरिका में उपयोग किए जाने वाले सख्त गुणवत्ता मानकों को पूरा किया जा सके। तेल स्थिर था और उस प्रकार के ऑक्सीकरण के प्रति प्रतिरोधी था जो समय के साथ ईंधन को खराब कर देता है, जिससे यह सिद्ध हुआ कि अपशिष्ट ग्लिसरॉल वास्तव में उच्च-गुणवत्ता वाली ऊर्जा में परिवर्तित हो सकता है।

लेकिन कहानी केवल तेल पर समाप्त नहीं हुई। शैवाल को टैंक से निकालने के बाद बचा हुआ तरल एक आश्चर्य लेकर आया। इस स्पष्ट तरल में एक प्राकृतिक पॉलीमर (बहुलक) था, जो शर्करा के अणुओं की एक लंबी श्रृंखला है जिसे शैवाल ने बढ़ते समय उत्सर्जित किया था। जब शोधकर्ताओं ने इस पदार्थ का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह एक दिलचस्प तरीके से व्यवहार करता है। स्थिर रहने पर यह गाढ़ा और चिपचिपा था, लेकिन जब इसे हिलाया या दबाया गया, तो यह पतला हो गया और आसानी से बहने लगा। यह गुण, जिसे 'स्यूडोप्लास्टिक व्यवहार' (pseudoplastic behavior) कहा जाता है, टूथपेस्ट से लेकर पेंट तक सब कुछ बनाने वाले उद्योगों में अत्यधिक प्रशंसित है, क्योंकि यह उत्पादों को तब तक अपने स्थान पर बनाए रखता है जब तक कि उनकी आवश्यकता न हो, और फिर उपयोग के समय सुचारू रूप से बहता है। शैवाल द्वारा उत्पादित पदार्थ एक्सेंथन गम (xanthan gum) के बहुत समान था, जो बैक्टीरिया द्वारा बनाया जाने वाला एक सामान्य व्यावसायिक गाढ़ा करने वाला पदार्थ है, लेकिन इसे यहाँ महंगे सिंथेटिक फीड के बजाय अपशिष्ट सामग्री का उपयोग करके बनाया गया था। इसके अलावा, यह तरल स्वयं एक शक्तिशाली इमल्सीफायर (इमल्सीफाइंग एजेंट) के रूप में कार्य करता है, जिसका अर्थ है कि यह तेल और पानी को बिना अलग हुए एक स्थिर तरीके से मिला सकता है। सोयाबीन और जैतून के तेल जैसे विभिन्न तेलों के विरुद्ध परीक्षण करने पर, शैवाल के तरल ने उन्हें चौबीस घंटों से अधिक समय तक मिश्रित रखा, जो यह सुझाव देता है कि इसका उपयोग सौंदर्य प्रसाधन या औद्योगिक क्लीनर में एक प्राकृतिक घटक के रूप में किया जा सकता है।

अध्ययन ने यह भी उजागर किया कि जब स्थितियाँ बिल्कुल सही नहीं होती हैं, तो क्या होता है। जब शोधकर्ताओं ने शैवाल को बहुत अधिक ग्लिसरॉल खिलाने का प्रयास किया, तो कोशिकाएं बढ़ना बंद कर दीं, संभवतः इसलिए क्योंकि गाढ़ा, शर्करा युक्त वातावरण उनके लिए संभालना बहुत भारी हो गया था। इसी तरह, नाइट्रोजन का संतुलन भी महत्वपूर्ण था; पर्याप्त नाइट्रोजन के बिना, शैवाल अपना शरीर नहीं बना सका, लेकिन सही मात्रा के साथ, वे फल-फूल उठे। अनुसंधान ने पुष्टि की कि यह प्रक्रिया केवल कोशिकाओं को उगाने के बारे में नहीं है, बल्कि उनकी चयापचय (metabolism) को निर्देशित करने के बारे में है। वातावरण को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक शैवाल को तेल और पॉलीमर बनाने को प्राथमिकता देने के लिए निर्देशित कर सकते थे। यह कार्य सुझाव देता है कि बायोडीजल संयंत्रों का कचरा एक बोझ नहीं होना चाहिए। इसके बजाय, यह एक नए प्रकार के 'बायोरिफाइनरी' की नींव के रूप में काम कर सकता है, जहाँ एक एकल प्रक्रिया ईंधन, औद्योगिक गाढ़ा करने वाले पदार्थ और इमल्सीफायर प्रदान करती है, और वह भी एक पर्यावरणीय अपशिष्ट धारा को साफ करते हुए। ये निष्कर्ष एक चक्रीय अर्थव्यवस्था (circular economy) की ओर एक ठोस मार्ग प्रदान करते हैं, जहाँ एक प्रक्रिया का आउटपुट दूसरी प्रक्रिया का इनपुट बन जाता है, जिससे अतीत के उपोत्पाद को भविष्य के संसाधन में बदला जा सकता है।