Scalable production and simplified purification of bio-based dodecanedioic acid from renewable plant oil
यह अध्ययन इंजीनियर की गई *कैंडिडा ट्रोपिकलिस* का उपयोग करके नवीकरणीय मिथाइल लॉरेट को उच्च-शुद्धता वाले डोडेकानडियोइक एसिड में परिवर्तित करने के लिए एक स्केलेबल, पायलट-स्केल बायोप्रोसेस को प्रदर्शित करता है, जो एक सरलीकृत एसिटिक एसिड क्रिस्टलीकरण विधि के साथ जुड़ा हुआ है जो जटिल शुद्धिकरण चरणों को समाप्त करता है और पर्यावरणीय प्रभाव को कम करता है।
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प्लास्टिक जो रेशम जैसा महसूस होते हैं लेकिन स्टील की तरह मजबूती रखते हैं, वे अक्सर 'डोडेकानडिओइक एसिड' (dodecanedioic acid) नामक एक विशिष्ट रासायनिक निर्माण खंड से बने होते हैं। यह अणु बारह कार्बन परमाणुओं की एक लंबी श्रृंखला है जिसके दोनों सिरों पर एक कार्बोक्सिलिक एसिड समूह होता है, जो नायलॉन 6.12 जैसे उच्च-प्रदर्शन वाले इंजीनियरिंग प्लास्टिक बनाने के लिए एक महत्वपूर्ण संयोजक के रूप में कार्य करता है। इन सामग्रियों को पानी और गर्मी के प्रति उनके प्रतिरोध के लिए सराहा जाता है, जो उन्हें ऑटोमोटिव पार्ट्स, ईंधन लाइनों और टिकाऊ वस्त्रों के लिए आदर्श बनाता है। हालाँकि, दशकों से, दुनिया इस निर्माण खंड को बनाने के लिए एक खतरनाक और प्रदूषणकारी विधि पर निर्भर रही है। पारंपरिक प्रक्रिया पेट्रोलियम से शुरू होती है, जिसमें रासायनिक संरचना को आकार देने के लिए भारी धातु उत्प्रेरकों का उपयोग करते हुए अत्यधिक गर्मी और दबाव का प्रयोग किया जाता है। इस दृष्टिकोण में महत्वपूर्ण जोखिम शामिल हैं, जिसमें विनाशकारी विस्फोटों की संभावना और आवश्यक सामग्रियों की आपूर्ति को अस्थिर जीवाश्म ईंधन की कीमतों से जोड़ना शामिल है। जैसे-जैसे उद्योग और उपभोक्ता सुरक्षित, स्वच्छ विकल्पों की तलाश कर रहे हैं, वैज्ञानिकों ने प्रकृति की अपनी मशीनरी—सूक्ष्मजीवों की ओर रुख किया है। इंजीनियरों द्वारा यीस्ट (yeast) को इस तरह से बदलने का लक्ष्य रखा है कि वह उन रासायनिक परिवर्तनों को कर सके जिनके लिए आमतौर पर कठोर औद्योगिक स्थितियों की आवश्यकता होती है, जिससे शोधकर्ता इन महत्वपूर्ण सामग्रियों को नवीकरणीय वनस्पति तेलों से बनाने की उम्मीद कर रहे हैं, और एक खतरनाक रासायनिक प्रक्रिया को एक टिकाऊ जैविक प्रक्रिया में बदल रहे हैं।
हाल ही में एक अध्ययन में, कोरिया रिसर्च इंस्टीट्यूट ऑफ बायोसाइंस एंड बायोटेक्नोलॉजी और लोट्टे केमिकल कंपनी लिमिटेड के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सफलतापूर्वक इस महत्वपूर्ण रसायन को एक ऐसे जैविक मार्ग का उपयोग करके बड़े पैमाने पर उत्पादन करने का प्रदर्शन किया जो वर्तमान औद्योगिक मानक की तुलना में अधिक स्केलेबल और स्वच्छ है। उन्होंने यीस्ट के एक विशिष्ट प्रकार, कैंडिडा ट्रॉपिकलिस (Candida tropicalis) पर ध्यान केंद्रित किया, जिसमें स्वाभाविक रूप से वसा और तेलों को तोड़ने की क्षमता होती है। टीम का लक्ष्य इस यीस्ट को फिर से व्यवस्थित करना था ताकि वसा को ऊर्जा के रूप में खाने के बजाय, यह एक विशिष्ट बिंदु पर रुक जाए और वांछित रासायनिक निर्माण खंड को मुक्त कर दे। ऐसा करने के लिए, उन्होंने एक अलग सूक्ष्मजीव, विकरहामीकोस सोरबोफिला (Wickerhamomyces sorbophila) से एक जीन पेश किया, जो रासायनिक रूपांतरण के एक विशिष्ट चरण को तेज करने के लिए एक अत्यधिक कुशल एंजाइम के रूप में कार्य करता है। इस संशोधन ने यीस्ट को नारियल के तेल से प्राप्त मिथाइल लॉरेट (methyl laurate), जो एक फैटी एस्टर है, को सीधे डोडेकानडिओइक एसिड में परिवर्तित करने में सक्षम बनाया, जिससे वह जहरीले मध्यवर्ती चरणों में नहीं फंसा जो आमतौर पर उत्पादन को धीमा कर देते हैं।
शोधकर्ताओं ने पहले इस इंजीनियर यीस्ट का परीक्षण एक छोटे पांच लीटर के टैंक में किया, जहाँ इसने तरल के प्रति लीटर 102 ग्राम रसायन का उत्पादन किया। इस परिणाम से उत्साहित होकर, उन्होंने इस प्रक्रिया को एक विशाल 300-लीटर के पायलट फर्मेंटर तक बढ़ाया, जो वास्तविक कारखाने के आकार के बहुत करीब है। उल्लेखनीय रूप से, बड़े सिस्टम ने और भी बेहतर प्रदर्शन किया, जो प्रति लीटर 105 ग्राम की सांद्रता तक पहुँच गया। छोटे लैब टैंक से बड़े औद्योगिक स्तर के पात्र तक का यह सफल उछाल यह सिद्ध करता है कि जैविक प्रक्रिया दक्षता खोए बिना बड़े पैमाने पर उत्पादन की जटिलताओं को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत है। टीम ने फीडिंग रणनीति को भी अनुकूलित किया, जिसमें नारियल तेल के व्युत्पन्न को एक स्थिर दर पर सावधानीपूर्वक जोड़ा गया ताकि यीस्ट स्वस्थ और उत्पादक बना रहे, और यह सुनिश्चित किया गया कि रसायन टैंक के अंदर विषाक्त स्तर तक न बढ़ जाए।
जब यीस्ट ने अपना काम पूरा कर लिया, तो टीम के सामने इस रसायन को जलीय मिश्रण से अलग करने की चुनौती आई, जो अक्सर ऐसे उत्पादों को बनाने की लागत का आधा हिस्सा होता है। पारंपरिक विधियों में इस रसायन को घोल से बाहर निकालने के लिए सल्फ्यूरिक एसिड का उपयोग किया जाता है, जो बहुत अधिक मात्रा में नमकीन अपशिष्ट जल पैदा करता है जिसे निपटाना कठिन और महंगा होता है। शोधकर्ताओं ने एसिटिक एसिड का उपयोग करके एक सरल, अधिक प्रत्यक्ष दृष्टिकोण विकसित किया, जो सिरके में पाया जाने वाला एक सामान्य घरेलू घटक है। तरल की अम्लता को एसिटिक एसिड के साथ समायोजित करके और उसे गर्म करके, वे कच्चे रसायन को घोलने और फिर शुद्ध क्रिस्टल बनाने के लिए उसे ठंडा करने में सक्षम रहे। इस विधि ने व्यापक धुलाई और विरंजन (decolorization) चरणों की आवश्यकता को समाप्त कर दिया, जिससे अकार्बनिक नमक के कचरे का उत्पादन पूरी तरह से रुक गया। परिणाम स्वरूप 99.4 प्रतिशत शुद्धता वाला एक उत्पाद प्राप्त हुआ जिसका स्वरूप उज्ज्वल और साफ था, जो जीवाश्म ईंधन से बने व्यावसायिक संस्करणों की गुणवत्ता के बराबर या उससे बेहतर था।
यह सिद्ध करने के लिए कि यह जैव-आधारित रसायन वास्तव में वास्तविक दुनिया के लिए तैयार है, शोधकर्ताओं ने इसका उपयोग नायलॉन 6.12 के संश्लेषण के लिए किया। उन्होंने इस प्लास्टिक पॉलीमर को बनाने के लिए इस शुद्ध किए गए वनस्पति-व्युत्पन्न रसायन को दूसरे घटक के साथ मिलाया, और इसके भौतिक गुणों का परीक्षण यह देखने के लिए किया कि यह मानक वाणिज्यिक नायलॉन की तुलना में कैसा है। नया पदार्थ 216 डिग्री सेल्सियस पर पिघल गया और इसने उत्कृष्ट स्थायित्व और ताप प्रतिरोध दिखाया, जो वर्तमान बाजार में उपलब्ध सर्वोत्तम उत्पादों के लगभग समान प्रदर्शन करता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि नवीकरणीय संसाधनों का उपयोग करके उच्च-प्रदर्शन वाले इंजीनियरिंग प्लास्टिक बनाना संभव है, जिसकी प्रक्रिया सुरक्षित, स्वच्छ और बड़े पैमाने पर विनिर्माण के लिए तैयार है। जेनेटिक इंजीनियरिंग को एक सरलीकृत शुद्धिकरण रणनीति के साथ जोड़कर, यह अध्ययन एक खतरनाक पेट्रोकेमिकल प्रक्रियाओं को टिकाऊ जैविक प्रक्रियाओं से बदलने के लिए एक व्यावहारिक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है, जो हरित रसायन विज्ञान के भविष्य के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रस्तुत करता है।
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