Continuous Hydrogen Production from Syngas via the Biological Water-Gas Shift Reaction in a Trickle Bed Reactor: Effect of Nutrient Management, Inhibitors, and Hydraulic Retention Time

हाइड्रोजन एक स्वच्छ ईंधन है जो कारखानों से लेकर कारों तक सब कुछ चला सकता है, लेकिन आज इसे बनाने के लिए आमतौर पर जीवाश्म ईंधन जलाना पड़ता है, जो जलवायु परिवर्तन से लड़ने के लिए इसके उपयोग के उद्देश्य को ही विफल कर देता है। वैज्ञानिक इस ऊर्जा वाहक को कचरे और नवीकरणीय स्रोतों से बनाने के तरीके खोज रहे हैं। एक आशाजनक विधि में एक गैस मिश्रण, जिसे सिनगैस (syngas) कहा जाता है, जो कार्बन मोनोऑक्साइड से समृद्ध है, को लेना और सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके उसे बदलना शामिल है। ये सूक्ष्मजीव जैविक कारखानों की तरह कार्य करते हैं, जो कार्बन मोनोऑक्साइड को खाते हैं और उपोत्पाद के रूप में हाइड्रोजन गैस छोड़ते हैं। यह प्रक्रिया, जिसे 'बायोलॉजिकल वॉटर-गैस शिफ्ट रिएक्शन' कहा जाता है, अत्यधिक गर्मी या महंगे रसायनों की आवश्यकता के बिना औद्योगिक अपशिष्ट गैसों को स्वच्छ ऊर्जा में बदलने का एक तरीका प्रदान करती है। हालांकि, इन सूक्ष्मजीव कारखानों को निरंतर प्रवाह में सुचारू रूप से चलाना कठिन है, क्योंकि उनके द्वारा बनाए गए अपशिष्ट उत्पाद अंततः उन्हीं जीवों को विषाक्त कर सकते हैं जो यह कार्य कर रहे हैं।

यूनिवर्सिटी ऑफ बोरास (University of Borås) और राइज़ रिसर्च इंस्टीट्यूट ऑफ स्वीडन (RISE Research Institutes of Sweden) के शोधकर्ताओं ने एक विशेष रिएक्टर बनाने के लिए इस समस्या को हल करने का प्रयास किया, जिसे सूक्ष्मजीवों को लंबे समय तक खुश और उत्पादक रखने के लिए डिज़ाइन किया गया था। उन्होंने एक एकल, सावधानीपूर्वक विकसित प्रजाति के बजाय, खाद्य अपशिष्ट से प्राप्त सूक्ष्मजीवों के एक प्राकृतिक समुदाय का उपयोग किया, इस उम्मीद में कि यह विविध समूह अधिक मजबूत और अनुकूलनीय होगा। टीम ने एक ऊर्ध्वाधर स्तंभ (vertical column) को पॉलीइथाइलीन स्पंज के टुकड़ों से भरा, जिससे सूक्ष्मजीवों को चिपकने के लिए एक सतह मिल सके, और फिर उन पर पोषक तत्वों से भरपूर तरल को नीचे की ओर टपकाया जबकि सिनगैस को नीचे से ऊपर की ओर धकेला गया। इस सेटअप ने गैस और तरल को करीब आने दिया, जिससे सूक्ष्मजीवों को कार्बन मोनोऑक्साइड खाने और हाइड्रोजन उगलने का सबसे अच्छा अवसर मिला। लक्ष्य यह देखना था कि क्या वे इस प्रक्रिया को बिना सिस्टम बंद हुए महीनों तक निरंतर रूप से चला सकते हैं।

प्रयोग की शुरुआत एक स्टार्टअप चरण के साथ हुई जहाँ टीम ने सूक्ष्मजीव गतिविधि को शुरू करने के लिए हर सप्ताह सिस्टम में केंद्रित पोषक तत्व डाले। शुरुआत में, सूक्ष्मजीवों ने अच्छी तरह से काम किया, लगभग सभी कार्बन मोनोऑक्साइड को हाइड्रोजन में बदल दिया। हालाँकि, जैसे-जैसे सप्ताह बीतते गए, सिस्टम संघर्ष करने लगा। शोधकर्ताओं ने पाया कि केंद्रित पोषक तत्वों के बार-बार जोड़ने से कुछ सूक्ष्म धातुएं, जैसे कि कॉपर (तांबा), इच्छित स्तर से हजारों गुना अधिक स्तर तक जमा हो गईं। साथ ही, सूक्ष्मजीवों ने वाष्पशील फैटी एसिड (volatile fatty acids) की बड़ी मात्रा का उत्पादन करना शुरू कर दिया, जो एक प्रकार का कार्बनिक अम्ल है जो उच्च सांद्रता में हानिकारक हो सकता है। जैसे-जैसे ये अम्ल जमा होते गए, कार्बन मोनोऑक्साइड का रूपांतरण काफी कम हो गया, और हाइड्रोजन का उत्पादन अस्थिर हो गया। टीम ने महसूस किया कि हालांकि सूक्ष्मजीवों को भोजन की आवश्यकता थी, लेकिन बहुत अधिक मात्रा में 'अच्छाई' उनके वातावरण के रासायनिक संतुलन को बिगाड़ रही थी।

यह समझने के लिए कि वास्तव में क्या प्रक्रिया को खत्म कर रहा था, शोधकर्ताओं ने दूसरे चरण में परीक्षण किया जहाँ उन्होंने विशिष्ट अवरोधकों (inhibitors) के प्रभावों का परीक्षण किया। उन्होंने रिएक्टर में फैटी एसिड और इथेनॉल (एक प्रकार का अल्कोहल) के कृत्रिम संस्करणों को पेश किया ताकि यह देखा जा सके कि असली अपराधी कौन है। परिणाम स्पष्ट थे: फैटी एसिड इथेनॉल की तुलना में बहुत अधिक हानिकारक थे। जब टीम ने इन अम्लों के उच्च स्तर जोड़े, तो कार्बन मोनोऑक्साइड का रूपांतरण तेजी से गिरा, और अम्लों को हटाने के बाद भी सूक्ष्मजीव जल्दी उबर नहीं सके। इथेनॉल का प्रभाव बहुत कमजोर था, जिससे केवल अस्थायी गिरावट आई। इसने पुष्टि की कि फैटी एसिड का संचय ही मुख्य कारण था जिससे सिस्टम विफल हो रहा था, और केवल तरल को कभी-कभी बदलना रिएक्टर को स्वस्थ रखने के लिए पर्याप्त नहीं था।

अंतिम चरण में, टीम ने अपनी रणनीति बदली और तरल के रिएक्टर में रहने की अवधि, जिसे हाइड्रोलिक रिटेंशन टाइम (hydraulic retention time) कहा जाता है, को नियंत्रित करने पर ध्यान केंद्रित किया। पोषक तत्वों को रुक-रुक कर जोड़ने के बजाय, उन्होंने सिस्टम को तरल को लगातार बाहर निकालने (wash out) के लिए सेट किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि हानिकारक उपोत्पाद खतरनाक स्तर तक पहुँचने से पहले ही निकल जाएं। उन्होंने पुराने सूक्ष्मजीवों और स्पंज पैकिंग को हटाकर नई सामग्री के साथ एक नई शुरुआत भी की। यह दृष्टिकोण उल्लेखनीय रूप से सफल रहा। तरल के प्रवाह को नियंत्रित करके, टीम ने एक स्थिर वातावरण बनाए रखा जहाँ फैटी एसिड कभी भी खतरनाक स्तर तक नहीं जमा हो सके। रिएक्टर ने एक पूर्ण रूपांतरण दर हासिल की, बारह लगातार दिनों तक आने वाले सौ प्रतिशत कार्बन मोनोऑक्साइड को हाइड्रोजन में बदल दिया। बारह मिलीलीटर प्रति मिनट के विशिष्ट प्रवाह दर पर, सिस्टम ने प्रतिदिन रिएक्टर वॉल्यूम के प्रत्येक लीटर के लिए 3.2 लीटर हाइड्रोजन के दर से उत्पादन किया, जिसमें उपभोग किए गए प्रत्येक मोल कार्बन मोनोऑक्साइड के लिए 0.66 मोल हाइड्रोजन का उत्पादन हुआ।

शोधकर्ताओं ने यह जानने के लिए कि सिस्टम कितना गैस संभाल सकता है, इसकी सीमाओं को भी परखा। उन्होंने धीरे-धीरे सिनगैस के प्रवाह को बढ़ाया और बारीकी से देखते रहे कि सूक्ष्मजीव कब तालमेल बिठाने में विफल होते हैं। रिएक्टर स्थिर रहा और 26 मिलीलीटर प्रति मिनट के प्रवाह दर तक पूर्ण रूपांतरण बनाए रखा। जैसे ही उन्होंने इसे 28 मिलीलीटर प्रति मिनट तक पहुँचाया, सिस्टम अब सभी कार्बन मोनोऑक्साइड को परिवर्तित करने में सक्षम नहीं था, और अतिरिक्त गैस बिना संसाधित हुए रिएक्टर से बाहर निकलने लगी। इसने इस विशिष्ट सेटअप के लिए एक स्पष्ट परिचालन सीमा की पहचान की। पूरे प्रयोग के दौरान, कोई मीथेन नहीं पाया गया, जिससे पुष्टि हुई कि यह प्रक्रिया सख्ती से हाइड्रोजन का उत्पादन कर रही थी और अन्य प्रकार के गैस उत्पादन की ओर नहीं बढ़ रही थी।

रिएक्टर के भीतर सूक्ष्म जगत को देखते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि सूक्ष्मजीवों का समुदाय रिएक्टर चलाने के तरीके के आधार पर नाटकीय रूप से बदल गया। शुरुआती चरणों में, सिस्टम बैक्टीरिया के एक समूह द्वारा नियंत्रित था, लेकिन जैसे ही स्थितियाँ अंतिम चरण के स्थिर, प्रवाह-नियंत्रित वातावरण में बदलीं, एक अलग समूह ने नियंत्रण ले लिया। नए प्रमुख बैक्टीरिया स्टेनोट्रोफोमोनास (Stenotrophomonas) और स्यूडोमोनास (Pseudomonas) की प्रजातियां थीं, जो मूल मिश्रण में दुर्लभ थीं। हालांकि टीम यह सटीक रूप से नहीं बता सकी कि कौन से विशिष्ट सूक्ष्मजीव गैस को बदलने का भारी काम कर रहे हैं, लेकिन समुदाय के बदलाव ने सुझाव दिया कि रिएक्टर की स्थितियां स्वयं सबसे कुशल श्रमिकों का चयन कर रही थीं। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि जहरीले उपोत्पादों के संचय को रोकने के लिए तरल प्रवाह का प्रबंधन करना इस तकनीक को निरंतर रूप से चलाने की कुंजी है। हालांकि यह प्रणाली अभी तक व्यावसायिक वास्तविकता नहीं बनी है, लेकिन यह प्रमाण-अवधारणा (proof-of-concept) दिखाती है कि अपशिष्ट-व्युत्पन्न सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके एक सरल, गैर-बाँझ रिएक्टर में औद्योगिक अपशिष्ट गैसों से स्वच्छ हाइड्रोजन का उत्पादन करना एक व्यवहार्य मार्ग है।