Pilot-scale pretreatment of sugarcane straw using a combined sulfuric acid- and bisulfite-catalyzed steam explosion process
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि उच्च सोकिंग पीएच (soaking pH) और सोडियम मेटाबाइसल्फाइट के विशिष्ट संयोजन के साथ अनुकूलित, गन्ने की स्ट्रॉ के पायलट-स्केल स्टीम एक्सप्लोजन प्रीट्रीटमेंट (steam explosion pretreatment) ने, कम एंजाइम खुराक पर 100% एंजाइम सुलभता और अधिकतम हाइड्रोलिसिस उपज प्राप्त करने के लिए छद्म-लिग्निन (pseudo-lignin) निर्माण को प्रभावी ढंग से कम किया है।
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ब्राजील के विशाल खेतों में, गन्ने की कटाई के तरीके में एक शांत क्रांति हुई है। दशकों तक, किसानों ने फसल काटने से पहले पत्तियों और ऊपरी हिस्सों को साफ करने के लिए खेतों को जलाया था, एक ऐसी प्रथा जिसने मिट्टी को नंगा और हवा को धुएं से भारी छोड़ दिया था। आज, हरी यांत्रिक कटाई (mechanized harvesting) ने आग की जगह ले ली है, जिससे सूखे पत्तों और डंठल के ऊपरी हिस्सों का एक विशाल ढेर पीछे रह जाता है जिसे गन्ना स्ट्रॉ (sugarcane straw) के रूप में जाना जाता है। यह स्ट्रॉ अब कचरा नहीं है; यह सख्त पादप रेशों के भीतर बंद चीनी का एक खजाना है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इन शर्कराओं को अनलॉक करने का तरीका खोजा है ताकि ईंधन बनाया जा सके, लेकिन पौधे की प्राकृतिक रक्षा प्रणाली इसे कठिन बना देती है। रेशे लिग्निन नामक एक जटिल, गोंद जैसी पदार्थ में लिपटे होते हैं, जो एक ढाल के रूप में कार्य करता है, और स्वयं शर्कराएँ एक क्रिस्टलीय संरचना में मजबूती से पैक होती हैं जहाँ एंजाइम प्रवेश करने के लिए संघर्ष करते हैं। इस स्ट्रॉ को ईंधन में बदलने के लिए, शोधकर्ताओं को उन शर्कराओं को नष्ट किए बिना इन रक्षा प्रणालियों को तोड़ना होगा जिन्हें वे बचाने की कोशिश कर रहे हैं।
ब्राजील के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को उद्योग के लिए पर्याप्त बड़े पैमाने पर हल करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने स्टीम एक्सप्लोजन (steam explosion) नामक एक विधि पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक प्रेशर कुकर के बाद अचानक दबाव छोड़ने की तरह काम करती है। इस प्रक्रिया में स्ट्रॉ को गर्म पानी और एसिड में भिगोया जाता है, फिर इसे उच्च दबाव में तब तक गर्म किया जाता है जब तक कि पानी भाप में न बदल जाए। जब दबाव अचानक छोड़ा जाता है, तो भाप पादप रेशों के भीतर हिंसक रूप से फैलती है, जिससे उनकी संरचना बिखर जाती है और शर्करा सुलभ हो जाती है। हालाँकि, इस कठोर वातावरण का एक नुकसान भी है: एसिड पौधे की अपनी शर्कराओं को तोड़ सकता है और उन्हें एक चिपचिपे, तार-जैसे पदार्थ में पुनर्संयोजित कर सकता है जो लिग्निन की नकल करता है। यह "स्यूडो-लिग्निन" (pseudo-lignin) रेशों को ढंक देता है और एंजाइमों को अपना काम करने से रोकता है, ठीक वैसे ही जैसे ग्रीस की एक परत ताले में चाबी घूमने से रोक सकती है। शोधकर्ता यह तरीका खोजना चाहते थे जिससे स्टीम एक्सप्लोजन की शक्ति का उपयोग किया जा सके और इस चिपचिपी कोटिंग के बनने को रोका जा सके।
कैम्पिनास में एक पायलट-स्केल सुविधा में काम करने वाली टीम ने एक नया दृष्टिकोण परीक्षण किया जिसमें मानक एसिड उपचार के साथ एक दूसरा घटक जोड़ा गया: एक बाईसल्फाइट उत्प्रेरक (bisulfite catalyst)। वे जानते थे कि बाईसल्फाइट इस चिपचिपी कोटिंग के अग्रदूतों (precursors) के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है, जिससे संभावित रूप से उन्हें समस्या पैदा करने से पहले ही निष्प्रभावी किया जा सकता है। यह देखने के लिए कि क्या यह काम करता है, उन्होंने विभिन्न स्थितियों के तहत गन्ने के स्ट्रॉ के बैचों का उपचार किया, जिसमें भिगोने वाले पानी की अम्लता, जोड़े गए बाईसल्फाइट की मात्रा और स्टीम एक्सप्लोजन की तीव्रता को बदला गया। उन्होंने सावधानीपूर्वक मापा कि उपचार के दौरान कितनी चीनी निकलती है और बाद में शेष ठोस सामग्री को एंजाइमों द्वारा कितनी अच्छी तरह से तोड़ा जा सकता है।
परिणामों ने एक नाजुक संतुलन का खुलासा किया। जब शोधकर्ताओं ने केवल एसिड का उपयोग किया, तो उन्होंने पाया कि गर्मी और दबाव बढ़ाने से एक बिंदु तक चीनी का निकलना बेहतर होता है, लेकिन एक निश्चित स्तर के बाद, चिपचिपी कोटिंग के बनने से प्रक्रिया को नुकसान पहुँचने लगा। एंजाइम कम प्रभावी हो गए, और ईंधन-ग्रेड शर्करा की प्राप्ति स्थिर हो गई। हालाँकि, जब उन्होंने बाईसल्फाइट उत्प्रेरक पेश किया, तो कहानी बदल गई। उन्होंने पाया कि भिगोने वाले पानी की अम्लता सबसे महत्वपूर्ण कारक थी। बहुत उच्च अम्लता पर, बाईसल्फाइट प्रभावी होने के लिए बहुत जल्दी समाप्त हो जाता था। लेकिन जब उन्होंने भिगोने वाले पानी को थोड़ा कम अम्लीय बनाया और बाईसल्फाइट की एक विशिष्ट मात्रा जोड़ी, तो परिणाम उल्लेखनीय थे।
सबसे सफल परीक्षणों में, शोधकर्ताओं ने एंजाइमों के लिए लगभग पूर्ण सुलभता प्राप्त की। उनके द्वारा तैयार की गई ठोस सामग्री इतनी खुली और चिपचिपी कोटिंग से मुक्त थी कि एंजाइम अविश्वसनीय दक्षता के साथ, यहाँ तक कि कम खुराक पर भी काम कर सकते थे। एक विशिष्ट संयोजन—pH 1.45 पर भिगोना और बाईसल्फाइट की एक विशिष्ट खुराक—ने टीम को बहुत कम मात्रा में एंजाइम का उपयोग करके 80 प्रतिशत से अधिक हाइड्रोलिसिस उपज प्राप्त करने की अनुमति दी। यह एसिड-ओनली पद्धति की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार था, जिसमें समान परिणाम प्राप्त करने के लिए बहुत अधिक एंजाइम खुराक की आवश्यकता होती थी। टीम ने रेशों के भीतर वास्तव में क्या हो रहा है, यह देखने के लिए उन्नत इमेजिंग तकनीकों का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि एसिड-ओनली उपचार ने रेशों को चिपचिपी कोटिंग के गहरे, सुगंधित गुच्छों से ढका हुआ छोड़ दिया, जबकि बाईसल्फाइट-उपचारित रेशे साफ और चमकीले रहे, जिससे एंजाइम आसानी से शर्करा तक पहुँच सके।
अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि केवल स्ट्रॉ के कणों को छोटा करने से बेहतर परिणाम सुनिश्चित नहीं होते थे। हालांकि छोटे टुकड़ों ने कुछ मामलों में मदद की, लेकिन फाइबर की सतह की रासायनिक अवस्था कहीं अधिक महत्वपूर्ण थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि स्टीम एक्सप्लोजन प्रक्रिया को बहुत अधिक जोर दिया जाए, तो यह पौधे की कोशिका भित्ति की आंतरिक संरचना को नुकसान पहुँचा सकती है, जिससे पानी और एंजाइमों की सामग्री के माध्यम से गति करने की क्षमता कम हो जाती है। सर्वोत्तम परिणाम अत्यधिक स्थितियों के बजाय, सही रासायनिक वातावरण के साथ मध्यम तीव्रता वाले स्टीम एक्सप्लोजन से प्राप्त हुए।
हालांकि नई विधि उच्च pH पर खूबसूरती से काम करती थी, टीम ने औद्योगिक अनुप्रयोग के लिए एक चुनौती नोट की। वे कम अम्लीय स्थितियाँ जो चिपचिपी कोटिंग को रोकने के लिए सबसे अच्छी थीं, प्रारंभिक उपचार के दौरान जाइलोस (xylose) नामक एक अलग प्रकार की शर्करा को जारी करने के लिए उतनी अच्छी नहीं थीं। इसका मतलब था कि जबकि अंतिम ईंधन की उपज उच्च थी, स्ट्रॉ से पकड़ी गई कुल शर्करा की मात्रा उस स्थिति से थोड़ी कम थी जब प्रारंभिक रिलीज अधिक कुशल होती। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि इस पद्धति को अधिकतम शर्करा रिलीज के लिए आवश्यक निम्न pH स्तरों पर पूरी तरह से काम करने के लिए, उन्हें बाईसल्फाइट उत्प्रेरक की और भी उच्च खुराक का उपयोग करना होगा। यह सुझाव देता है कि आगे का रास्ता सभी शर्कराओं के रिलीज और एंजाइमों की सुरक्षा के बीच संतुलन बनाने के लिए रासायनिक रेसिपी को सूक्ष्म रूप से ट्यून करने की ओर है, जो एक कदम है जिसके लिए बड़े पैमाने पर ईंधन उत्पादन के लिए व्यवहार्य होने हेतु और अधिक आर्थिक विश्लेषण की आवश्यकता होगी।
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