Biogas biodesulfurization and simultaneous valorization into high–value bioproducts by Rhodopseudomonas telluris

बायोगैस एक नवीकरणीय ईंधन है जो तब बनता है जब बैक्टीरिया ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में खाद्य अवशेषों या खाद जैसे जैविक कचरे को तोड़ते हैं। यह एक आशाजनक ऊर्जा स्रोत है क्योंकि यह मीथेन, जो एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस है, को पकड़कर उसे उपयोगी चीज़ में बदल देता है। हालाँकि, इस प्रक्रिया से उत्पन्न होने वाली कच्ची गैस में अक्सर हाइड्रोजन सल्फाइड की एक महत्वपूर्ण मात्रा होती है, जो एक जहरीली और संक्षारक गैस है और इसमें सड़े हुए अंडों जैसी गंध आती है। यह अशुद्धि मानव स्वास्थ्य के लिए खतरनाक है, ईंधन को जलाने के लिए उपयोग किए जाने वाले धातु के पाइपों और इंजनों को नुकसान पहुँचाती है, और ऊर्जा की गुणवत्ता को खराब करती है। पारंपरिक रूप से, इस सल्फर को हटाने के लिए कठोर रसायनों या महंगे फिल्टरों की आवश्यकता होती है जो अपनी स्वयं की अपशिष्ट समस्याएँ पैदा करते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इस गैस को साफ करने के लिए एक सौम्य, जैविक तरीके की तलाश कर रहे थे, इस उम्मीद में कि उन्हें कोई ऐसा सूक्ष्मजीव मिल सके जो इस जहर को खा सके और इसे किसी हानिरहित या यहाँ तक कि मूल्यवान चीज़ में बदल सके।

एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने यह पता लगाने की कोशिश की कि क्या रोडोस्यूडोमोनास टेलिस (Rhodopseudomonas telluris) नामक बैंगनी बैक्टीरिया का एक विशिष्ट प्रकार, इस दोहरी कार्य को कर सकता है। ये बैक्टीरिया प्राकृतिक रूप से अपशिष्ट जल के लैगून जैसे वातावरण में पाए जाते हैं और उनमें प्रकाश का उपयोग ऊर्जा के लिए करने तथा सल्फर यौगिकों का उपभोग करने की एक अनूठी क्षमता होती है। टीम ने यह देखने के लिए प्रयास किया कि क्या वे इस सूक्ष्मजीव को बायोगैस से हाइड्रोजन सल्फाइड को साफ करने के लिए प्रशिक्षित कर सकते हैं और इस प्रक्रिया में, उपयोगी जैविक सामग्रियां भी बना सकते हैं। केवल गैस को साफ करने के बजाय, लक्ष्य यह देखना था कि क्या बैक्टीरिया इस अपशिष्ट सल्फर को पिगमेंट (रंजक) और बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक जैसे उच्च-मूल्य वाले उत्पादों में बदल सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से एक प्रदूषक को एक संसाधन में बदला जा सके।

शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया के एक स्ट्रेन को अलग करके प्रयोगशाला सेटिंग में विकसित करना शुरू किया। उन्होंने सूक्ष्मजीवों को पोषक तत्वों से भरपूर तरल से भरे कंटेनरों में रखा और फिर हाइड्रोजन सल्फिड युक्त बायोगैस के छोटे, नियंत्रित स्पंद (पल्स) पेश किए। प्रयोग लगभग दो सप्ताह तक चला, जिस दौरान टीम ने गैस के स्तर, तरल की अम्लता और बैक्टीरियल कल्चर के स्वास्थ्य की सावधानीपूर्वक निगरानी की। उन्होंने पाया कि बैक्टीरिया वास्तव में हाइड्रोजन सल्फाइड को खाने में सक्षम थे। प्रयोग के दौरान, कल्चर ने कुल मिलाकर लगभग 2,917 पीपीएम (parts per million) गैस को हटाया। यह कोई मामूली मात्रा नहीं थी; यह आपूर्ति किए गए कुल सल्फर का लगभग 35 प्रतिशत था, जो यह सिद्ध करता है कि बैक्टीरिया सक्रिय रूप से इस विष को मेटाबोलाइज कर रहे थे, न कि यह केवल गायब हो रहा था या कंटेनर की दीवारों से चिपक रहा था।

जैसे-जैसे बैक्टीरिया सल्फर का उपभोग करते गए, उन्होंने इसे केवल नष्ट ही नहीं किया, बल्कि इसे रूपांतरित भी किया। अध्ययन में तरल में सल्फेट के महत्वपूर्ण संचय का पता चला, जो यह दर्शाता है कि बैक्टीरिया ने हाइड्रोजन सल्फाइड का पूर्ण ऑक्सीकरण कर दिया था। यह प्रक्रिया महत्वपूर्ण है क्योंकि सल्फेट सल्फर का एक स्थिर, गैर-विषाक्त रूप है जो उपकरणों को संक्षारित नहीं करता है या पर्यावरण को नुकसान नहीं पहुँचाता है। बैक्टीरिया तब सबसे अच्छा फले-फूले जब तरल थोड़ा अम्लीय या तटस्थ रहा, विशेष रूप से 6.0 से 7.0 के pH के बीच। जब वातावरण बहुत अधिक अम्लीय हो गया, जो pH 5.5 से नीचे गिर गया, तो बैक्टीरिया की वृद्धि धीमी हो गई और अंततः रुक गई, जिससे पता चलता है कि प्रक्रिया को कुशलतापूर्वक चलाने के लिए सही रासायनिक संतुलन बनाए रखना महत्वपूर्ण है।

गैस को साफ करने के साथ-साथ, बैक्टीरिया ने मूल्यवान आंतरिक संरचनाओं के निर्माण पर भी काम किया। कल्चर गहरे लाल रंग का हो गया, जो एक दृश्य संकेत था कि सूक्ष्मजीव कैरोटीनॉयड और बैक्टीरियोक्लोरोफिल का उत्पादन कर रहे हैं। ये प्राकृतिक पिगमेंट हैं जो बैक्टीरिया को प्रकाश ऊर्जा को पकड़ने और खुद को नुकसान से बचाने में मदद करते हैं। शोधकर्ताओं ने इन पिगमेंट को मापा और पाया कि वे महत्वपूर्ण मात्रा में जमा हो रहे हैं, जहाँ कैरोटीनॉयड बायोमास के प्रति ग्राम लगभग 1.06 मिलीग्राम तक पहुँच गए। यह उल्लेखनीय है क्योंकि इन पिगमेंटों का उपयोग खाद्य रंग, सौंदर्य प्रसाधन और स्वास्थ्य पूरक बनाने के लिए किया जाता है। बैक्टीरिया ने पॉलीहाइड्रॉक्सीब्यूटाइरेट (polyhydroxybutyrate) भी बनाया, जो एक प्रकार का बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक है जिसे कोशिकाएं ऊर्जा भंडार के रूप में जमा करती हैं। यह पदार्थ 200 मिलीग्राम प्रति लीटर से अधिक की सांद्रता तक पहुँच गया, जो यह दर्शाता है कि यह प्रक्रिया पेट्रोलियम-आधारित प्लास्टिक की जगह लेने वाले पदार्थ का उत्पादन कर सकती है।

अध्ययन ने इस जैविक सफाई की गति और सीमाओं का भी बारीकी से निरीक्षण किया। बैक्टीरिया एक स्थिर गति से बढ़े, जो प्रति घंटा 0.2 की अधिकतम वृद्धि दर तक पहुँची। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि बैक्टीरिया लगभग 4,600 पीपीएम तक की हाइड्रोजन सल्फाइड सांद्रता को संभाल सकते हैं, इससे पहले कि गैस स्वयं कोशिकाओं के लिए विषाक्त हो जाए। दिलचस्प बात यह है कि सल्फेट के संचय ने बैक्टीरिया को तब तक ज़हर नहीं दिया, जब तक कि स्तर लगभग 337 मिलीग्राम प्रति लीटर तक नहीं पहुँच गया। इससे पता चलता है कि प्रक्रिया के लिए मुख्य चुनौती अपशिष्ट उत्पाद नहीं है, बल्कि सल्फर गैस के साथ आने वाली अम्लता है। टीम ने बैक्टीरिया के विकास और गैस के उपभोग का वर्णन करने के लिए गणितीय मॉडल का उपयोग किया, और पाया कि उनके पूर्वानुमान वास्तविक दुनिया के परिणामों से बहुत करीब से मेल खाते हैं, जो डेटा की विश्वसनीयता में विश्वास जगाता है।

अंततः, यह शोध बायोगैस उत्पादन के लिए एक संभावित मार्ग को उजागर करता है जो सर्कुलर इकोनॉमी (चक्रीय अर्थव्यवस्था) की अवधारणा के अनुरूप है, जहाँ अपशिष्ट को लगातार पुन: उपयोग किया जाता है। रोडोस्यूडोमोनास टेलिस का उपयोग करके, नवीकरणीय ईंधन से एक खतरनाक प्रदूषक को हटाने के साथ-साथ पिगमेंट और बायोप्लास्टिक का उत्पादन करना संभव है। अध्ययन पुष्टि करता है कि यह विशिष्ट बैक्टीरिया एक ऐसे सिस्टम के लिए एक मजबूत उम्मीदवार है, बशर्ते कि वातावरण को सही रासायनिक सीमाओं के भीतर रखा जाए। हालांकि प्रयोग के दौरान बढ़ती अम्लता के कारण दक्षता में गिरावट देखी गई, लेकिन परिणाम सिद्ध करते हैं कि जैविक तंत्र काम करता है। बैक्टीरिया ने सफलतापूर्वक एक जहरीली गैस को हानिरहित सल्फेट और मूल्यवान जैविक उत्पादों में बदल दिया, जो इस बात की एक झलक देता है कि कैसे प्रकृति के अपने उपकरण भविष्य में हमारी कुछ सबसे कठिन औद्योगिक समस्याओं को हल कर सकते हैं।