जब प्रकृति ने लिग्निन डिज़ाइन किया – रेशेदार, वुडी सामग्री जो पौधों को उनकी कठोर संरचना देती है – इसने कोई कोना नहीं काटा। अविश्वसनीय रूप से टूटने में धीमा, लिग्निन इतना मजबूत और लंबे समय तक चलने वाला है कि यह बैक्टीरिया और सड़ांध के लिए प्रतिरोधी है।
तो, खेतों, ब्रुअरीज और पेपर मिलों से सभी लिग्निन कचरे का क्या होता है? इसमें से अधिकांश को जला दिया जाता है या दफन कर दिया जाता है, जिससे प्रदूषण पैदा होता है और एक संभावित नवीकरणीय संसाधन बर्बाद हो जाता है।
अब, नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक टिकाऊ, सस्ती दो-चरणीय प्रक्रिया विकसित की है जो लिग्निन समेत कार्बनिक कार्बन कचरे को अपसाइकिल कर सकती है। माइक्रोब-संचालित बायोरिफाइनरी के माध्यम से कचरे को संसाधित करके, शोधकर्ताओं ने लिग्निन को कार्बन स्रोतों में बदल दिया, जिसका उपयोग उच्च मूल्य, पौधे-व्युत्पन्न फार्मास्यूटिकल्स और एंटीऑक्सिडेंट न्यूट्रास्यूटिकल्स के साथ-साथ दवा या रासायनिक वितरण के लिए कार्बन-आधारित नैनोकणों में किया जा सकता है।
अध्ययन को जर्नल के जनवरी अंक के कवर पेज पर छापा गया था एसीएस सस्टेनेबल केमिस्ट्री एंड इंजीनियरिंग।
अनुसंधान का नेतृत्व करने वाले नॉर्थवेस्टर्न के किम्बर्ली ग्रे ने कहा, “लिग्निन का जबरदस्त मूल्य होना चाहिए, लेकिन इसे आंतरिक रूप से अपशिष्ट माना जाता है।” “लिग्निन बायोमास का 20-30% लेकिन ऊर्जा का 40% बनाता है, जो बहुत अधिक है, लेकिन इस ऊर्जा स्रोत को टैप करना मुश्किल है। प्रकृति ने लिग्निन को प्रसंस्करण के लिए इतना अड़ियल बना दिया है कि लोगों को यह पता नहीं चल पाया है कि इसका उपयोग कैसे किया जाए। शोधकर्ता दशकों से इस समस्या को हल करने की कोशिश कर रहे हैं। एक टेम्पलेट के रूप में एक तेल रिफाइनरी का उपयोग करके, हमने एक बायोरिफाइनरी विकसित की है जो अपशिष्ट धाराओं को लेती है और उच्च मूल्य वाले उत्पादों का उत्पादन करती है।”
ग्रे सिविल और पर्यावरण इंजीनियरिंग में रॉक्सलिन और रिचर्ड पेपर फैमिली चेयर हैं और नॉर्थवेस्टर्न के मैककॉर्मिक स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग में सिविल और पर्यावरण इंजीनियरिंग के प्रोफेसर हैं।
प्रकृति की निर्माण सामग्री
दुनिया में सबसे प्रचुर मात्रा में कार्बनिक पॉलिमर में से एक, लिग्निन सभी संवहनी पौधों में मौजूद होता है। कोशिका भित्ति के बीच पाया जाने वाला लिग्निन मजबूत, मजबूत पौधे – जैसे पेड़ – संरचनात्मक समर्थन देता है। लिग्निन के बिना, लकड़ी और छाल पेड़ों को सहारा देने के लिए बहुत कमजोर होंगे। और लकड़ी के मकान और फर्नीचर बस ढह जाएंगे।
लेकिन अधिकांश उद्योग जो पौधों का उपयोग करते हैं – जैसे कि कागज निर्माण और शराब बनाने वाले उद्योग – लिग्निन को बाहर निकालते हैं, सेल्यूलोज को पीछे छोड़ते हैं, एक प्रकार की चीनी। प्रकृति की अति-प्रतिरोधी सामग्री का उपयोग करने के बजाय, औद्योगिक दल लिग्निन को सस्ते ईंधन के रूप में जलाते हैं।
ग्रे ने कहा, “मनुष्य शक्कर तक पहुंचने के लिए लिग्निन से छुटकारा पाना चाहता है।” “वे अल्कोहल बनाने के लिए सेल्युलोज को किण्वित करते हैं या लुगदी बनाने के लिए इसे संसाधित करते हैं। फिर वे लिग्निन का क्या करते हैं? वे इसे निम्न-गुणवत्ता वाले ईंधन के रूप में जलाते हैं। यह बेकार है।”
बैक्टीरिया संचालित ईंधन सेल
लिग्निन सहित कार्बन कचरे को तोड़ने के लिए एक बायोरिफाइनरी विकसित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सबसे पहले एक माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस सेल (MEC) का निर्माण किया। ईंधन सेल के समान, MEC एनोड और कैथोड के बीच ऊर्जा का आदान-प्रदान करता है। लेकिन धातु-आधारित एनोड के बजाय, नॉर्थवेस्टर्न के बायो-एनोड में एक्सोइलेक्ट्रोजेन शामिल हैं – एक प्रकार का बैक्टीरिया जो कार्बनिक पदार्थ खाकर स्वाभाविक रूप से विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करता है।
मैककॉर्मिक में सिविल और पर्यावरण इंजीनियरिंग के सहयोगी प्रोफेसर, सह-लेखक जॉर्ज वेल्स ने कहा, “रोगाणु उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं।” “रासायनिक उत्प्रेरकों का उपयोग करने के बजाय, जो अक्सर बहुत महंगे होते हैं और उच्च तापमान की आवश्यकता होती है, हम जीवविज्ञान को उत्प्रेरक के रूप में उपयोग कर रहे हैं।”
एमईसी की सुंदरता यह है कि यह किसी भी प्रकार के जैविक कचरे को संसाधित कर सकता है – मानव, कृषि या औद्योगिक। एमईसी कार्बन को खाने वाले जीवाणुओं के माध्यम से अपशिष्ट से भरे पानी को चक्रित करता है। यहां, वे कार्बनिक कार्बन को कार्बन डाइऑक्साइड में नीचा दिखाते हैं और फिर स्वाभाविक रूप से इलेक्ट्रॉनों का श्वसन करते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान, बायो-एनोड से निकाले गए इलेक्ट्रॉन कैथोड (कार्बन कपड़े से बने) में प्रवाहित होते हैं, जहां वे पानी उत्पन्न करने के लिए ऑक्सीजन को कम करते हैं। प्रक्रिया प्रोटॉन का उपभोग करती है, पानी के पीएच को कास्टिक समाधान में बदलने के लिए चलाती है। वहां से, अपशिष्ट जल उपचार सहित किसी भी संख्या में अनुप्रयोगों के लिए कास्टिक समाधान का उपयोग किया जा सकता है।
“इस प्रक्रिया का एक अन्य लाभ यह है कि यह हानिकारक कार्बनिक कार्बन को हटाने के लिए अपशिष्ट जल का प्रभावी ढंग से उपचार करती है,” वेल्स ने कहा। “तो, एक प्रमुख उत्पाद स्वच्छ पानी है।”
लेकिन शोधकर्ताओं ने कास्टिक पदार्थ लिया और लिग्निन पर अपना ध्यान वापस कर दिया। लिग्निन यौगिक टिकाऊ होते हैं क्योंकि उनमें सुगन्धित कार्बन की जटिल श्रृंखलाएँ होती हैं, जिनमें एक विशेष बंधन पैटर्न होता है जो छह कार्बन परमाणुओं की एक अंगूठी बनाता है। प्रत्येक सुगन्धित वलय में बारी-बारी से दोहरे और एकल बंधन होते हैं, जिन्हें तोड़ना अविश्वसनीय रूप से कठिन होता है।
‘अटूट’ बंधनों को तोड़ना
जब शोधकर्ताओं ने लिग्निन को जैव-आधारित कास्टिक रसायन से अवगत कराया, हालांकि, लिग्निन के पॉलिमर एक तरह से अलग हो गए जिससे सुगंधित छल्ले संरक्षित हो गए। संसाधित लिग्निन का लगभग 17% फ्लेवोनोइड्स नामक कार्बन के छल्लों में बदल गया, एक एंटीऑक्सिडेंट युक्त फाइटोन्यूट्रिएंट अक्सर पूरक में पाया जाता है। आमतौर पर औषधीय रसायन विज्ञान में उपयोग किया जाता है, इन छल्लों का उपयोग पौधे से प्राप्त, टिकाऊ अग्रदूतों के रूप में सस्ती फार्मास्यूटिकल्स और पूरक के रूप में किया जा सकता है।
ग्रे ने कहा, “यह बहुलक बंधनों को तोड़ता है लेकिन चुनिंदा रूप से अंगूठी छोड़ देता है।” “यदि आप उस अंगूठी को संरक्षित कर सकते हैं, तो आप उच्च मूल्य वाली सामग्री बना सकते हैं। रसायनज्ञों ने उत्प्रेरक विकसित किए हैं जो पूरे परिसर को अलग कर देते हैं, और फिर उन्हें अंगूठी का पुनर्निर्माण करना पड़ता है। लेकिन हम मूल्यवान संरचनाओं को संरक्षित करने के लिए चुनिंदा रूप से इसे तोड़ने में सक्षम थे।”
शेष संसाधित लिग्निन (लगभग 80%) कार्बन-आधारित नैनोकण बन गए, जिनका उपयोग मनुष्यों में लक्षित दवा वितरण या पौधों में लक्षित पोषक वितरण के लिए पदार्थों को शामिल करने के लिए किया जा सकता है। नैनोकण भी सनस्क्रीन और सौंदर्य प्रसाधनों के लिए एक स्थायी, पौधे-व्युत्पन्न विकल्प प्रदान कर सकते हैं।
वेल्स ने कहा, “कई अपशिष्ट धाराओं से टिकाऊ संसाधन वसूली के लिए मार्ग की पहचान करना और उसका पता लगाना रोमांचक है।” “हमारे पास बड़े पैमाने पर अपशिष्ट जल और लिग्निन धाराएं हैं जो अपने दम पर इलाज के लिए महंगी हैं। हम मूल्य के स्रोत के रूप में उनकी फिर से कल्पना करने की कोशिश कर रहे हैं।
खतरनाक रसायनों के बिना संसाधन पुनर्प्राप्त करना
हालांकि शोधकर्ता लिग्निन को संसाधित करने के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध कास्टिक पदार्थ का उपयोग कर सकते थे, उनके एमईसी-आधारित दृष्टिकोण के कई फायदे हैं। सबसे पहले, हरा जैव-आधारित रसायन बेहतर काम करता है। दूसरा, यह सुरक्षित है, कम खर्चीला है, इसका उपयोग परिवेशी परिस्थितियों में किया जा सकता है और जरूरत पड़ने पर रसायन उत्पन्न कर सकता है।
वेल्स ने कहा, “कई कास्टिक पदार्थ हैं, जैसे सोडियम हाइड्रॉक्साइड, जो आमतौर पर कई औद्योगिक प्रक्रियाओं और अपशिष्ट जल उपचार में उपयोग किया जाता है।” “लेकिन इसमें बड़ी मात्रा में जहरीले रसायनों का शिपिंग और भंडारण शामिल है। यह महंगा तो है ही, लोगों के स्वास्थ्य के लिए भी खतरनाक है। अपशिष्ट उत्पादों से साइट पर रसायनों को उत्पन्न करना अधिक सुरक्षित और अधिक टिकाऊ है। हम बड़ी मात्रा में खतरनाक रसायनों को शिप या स्टोर करने से बचते हैं और आपूर्ति श्रृंखलाओं या समय पर पहुंचने वाले ट्रकों पर निर्भर नहीं हैं। यह हमें जरूरत पड़ने पर साइट पर ही रसायनों को उत्पन्न करने के लिए लचीलापन और अनुकूलन क्षमता देता है।
नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी में मैककॉर्मिक स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग के फाइनाइट अर्थ इनिशिएटिव द्वारा अध्ययन, “हल्के परिस्थितियों में लिग्निन का मूल्यवर्धन: बायोरिफाइनिंग फ्लेवोनोइड्स और लिग्निन नैनोपार्टिकल्स” का समर्थन किया गया था।
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एसीएस सस्टेनेबल केमिस्ट्री एंड इंजीनियरिंग
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प्रायोगिक अध्ययन
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हल्की परिस्थितियों में लिग्निन का मूल्यवर्धन: बायोरिफाइनिंग फ्लेवोनोइड्स और लिग्निन नैनोपार्टिकल्स
लेख प्रकाशन तिथि
16-जनवरी-2023