ब्यूटेनॉल ईंधन: Difference between revisions

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Revision as of 17:00, 9 August 2023

This article is about बायोमास से प्राप्त ब्यूटेनॉल का उपयोग प्लेटफार्म रसायन और ईंधन के रूप में किया जाता है. For अन्य अल्कोहल का उपयोग ईंधन के रूप में किया जाता है, see एल्कोहल ईंधन.

[[image:Butanol_flat_structure.png|thumb|बुटानॉल, एक सी-4 हाइड्रोकार्बन एक आशाजनक जैव-व्युत्पन्न ईंधन है, जो पेट्रोल के साथ कई गुण साझा करता है। butanol का उपयोग आंतरिक दहन इंजन में ईंधन के रूप में किया जा सकता है। यह इथेनॉल की तुलना में गैसोलीन के अधिक समान है। C4-हाइड्रोकार्बन, ब्यूटेनॉल एक ड्रॉप-इन ईंधन है और इस प्रकार बिना किसी संशोधन के गैसोलीन के साथ उपयोग के लिए डिज़ाइन किए गए वाहनों में काम करता है।[1] आइसोबुटानोल|एन-ब्यूटेनॉल और आइसोबुटानॉल दोनों का संभावित ईंधन के रूप में अध्ययन किया गया है। दोनों का उत्पादन बायोमास (बायोबुटानॉल के रूप में) से किया जा सकता है[2][3][4] ) और साथ ही जीवाश्म ईंधन से (पेट्रोबूटानॉल के रूप में)।[5]). रासायनिक गुण आइसोमर (एन-ब्यूटेनॉल या आइसोबुटानॉल) पर निर्भर करते हैं, उत्पादन विधि पर नहीं।

हालांकि कई मायनों में पेचीदा, ब्यूटेनॉल ईंधन शायद ही कभी आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धी होता है।

आनुवंशिक रूप से संशोधित जीव

ब्यूटेनॉल की उच्च पैदावार प्राप्त करने में मेटाबॉलिक इंजीनियरिंग और जेनेटिक इंजीनियरिंग का उपयोग करके मेटाबोलिक नेटवर्क में हेरफेर शामिल है।[6][7] जबकि महत्वपूर्ण प्रगति हुई है, ब्यूटेनॉल के उत्पादन के लिए किण्वन (जैव रसायन) मार्ग अप्रभावी बने हुए हैं। टिटर और पैदावार कम है और पृथक्करण बहुत महंगा है। इस प्रकार, ब्यूटेनॉल का माइक्रोबियल उत्पादन पेट्रोलियम-व्युत्पन्न ब्यूटेनॉल के सापेक्ष लागत-प्रतिस्पर्धी नहीं है।[8] हालांकि व्यावसायिक रूप से अप्रमाणित, इलेक्ट्रोकेमिकल और माइक्रोबियल उत्पादन विधियों का संयोजन स्थायी ऊर्जा से ब्यूटेनॉल का उत्पादन करने का एक तरीका प्रदान कर सकता है।[9]


इशरीकिया कोली

एस्चेरिचिया कोली, या ई. कोली, एक ग्राम नकारात्मक , बेसिलस (आकार)आकार)|छड़ के आकार का जीवाणु है। ई. कोलाई वह सूक्ष्मजीव है जिसके आइसोबुटानॉल के व्यावसायिक उत्पादन की ओर बढ़ने की सबसे अधिक संभावना है।[10]अपने इंजीनियर्ड रूप में, ई. कोलाई किसी भी सूक्ष्मजीव की तुलना में आइसोबुटानॉल की उच्चतम पैदावार पैदा करता है।[citation needed] ई. कोली के चयापचय में सुधार के लिए मेटाबोलिक नेटवर्क मॉडलिंग#मेटाबोलिक नेटवर्क सिमुलेशन जैसी विधियों का उपयोग किया गया है ताकि बड़ी मात्रा में आइसोबुटानॉल का उत्पादन किया जा सके।[11]ई. कोलाई कई कारणों से एक आदर्श आइसोबुटानॉल जैव-संश्लेषक है:

  • ई. कोलाई एक ऐसा जीव है जिसके लिए आनुवंशिक हेरफेर के कई उपकरण मौजूद हैं, और यह एक ऐसा जीव है जिसके लिए वैज्ञानिक साहित्य का एक व्यापक भंडार मौजूद है।[10]ज्ञान का यह खजाना वैज्ञानिकों द्वारा ई. कोलाई को आसानी से संशोधित करने की अनुमति देता है।
  • ई. कोलाई में आइसोबुटानॉल के संश्लेषण में लिग्नोसेल्यूलोज (कृषि से बचा हुआ अपशिष्ट पौधा पदार्थ) का उपयोग करने की क्षमता है। lignocellulose का उपयोग ई. कोलाई को मानव उपभोग के लिए पादप पदार्थ का उपयोग करने से रोकता है, और किसी भी खाद्य-ईंधन मूल्य संबंध को रोकता है जो ई. कोलाई द्वारा आइसोबुटानॉल के जैवसंश्लेषण से होता है।[10]* आनुवंशिक संशोधन का उपयोग लिग्नोसेल्यूलोज के दायरे को व्यापक बनाने के लिए किया गया है जिसका उपयोग ई. कोलाई द्वारा किया जा सकता है। इसने ई. कोली को एक उपयोगी और विविध आइसोबुटानॉल जैव-संश्लेषक बना दिया है।[12]

ई. कोलाई का प्राथमिक दोष यह है कि बड़े होने पर यह अक्तेरिओफगेस के प्रति संवेदनशील होता है। यह संवेदनशीलता संभावित रूप से पूरे बायोरिएक्टर को बंद कर सकती है।[10]इसके अलावा, ई. कोली में आइसोबुटानॉल के लिए मूल प्रतिक्रिया मार्ग कोशिका में आइसोबुटानॉल की सीमित सांद्रता पर बेहतर ढंग से कार्य करता है। उच्च सांद्रता में ई. कोलाई की संवेदनशीलता को कम करने के लिए, संश्लेषण में शामिल एंजाइमों के उत्परिवर्तकों को यादृच्छिक उत्परिवर्तन द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है। संयोग से, कुछ उत्परिवर्ती आइसोबुटानॉल के प्रति अधिक सहिष्णु साबित हो सकते हैं जो संश्लेषण की समग्र उपज को बढ़ाएगा।[13]


क्लोस्ट्रिडिया

एन-ब्यूटेनॉल का उत्पादन ए.बी.ई. द्वारा बायोमास के किण्वन (जैव रसायन) द्वारा किया जा सकता है। क्लोस्ट्रीडियम एसिटोब्यूटाइलिकम, क्लॉस्ट्रिडियम बेजरिनकी का उपयोग करके प्रक्रिया करें। सी. एसिटोब्यूटाइलिकम का उपयोग एक बार स्टार्च से एसीटोन के उत्पादन के लिए किया जाता था। ब्यूटेनॉल किण्वन का एक उप-उत्पाद था (बुटानॉल से दोगुना उत्पादन किया गया था)। बायोबूटानॉल के लिए फीडस्टॉक इथेनॉल के लिए समान हैं: ऊर्जा फसलें जैसे चुकंदर, गन्ना, मक्का अनाज, गेहूं और कसावा, संभावित गैर-खाद्य ऊर्जा फसलें जैसे भगदड़ में बदल गया और यहां तक ​​कि उत्तरी अमेरिका में पार्थेनियम सिल्वर , साथ ही कृषि उपोत्पाद जैसे खोई, पुआल और मक्के के डंठल (वनस्पति विज्ञान)।[14] ड्यूपॉन्ट के अनुसार, मौजूदा बायोएथेनॉल संयंत्रों को लागत प्रभावी ढंग से बायोबूटानॉल उत्पादन के लिए फिर से तैयार किया जा सकता है।[15] इसके अतिरिक्त, बायोमास और कृषि उपोत्पादों से ब्यूटेनॉल का उत्पादन इथेनॉल या मेथनॉल उत्पादन की तुलना में अधिक कुशल हो सकता है (यानी प्रति यूनिट सौर ऊर्जा खपत के लिए यूनिट इंजन मोटिव पावर)।[16] क्लोस्ट्रीडियम का एक प्रकार ऑक्सीजन की उपस्थिति में भी लगभग किसी भी प्रकार के सेल्यूलोज को ब्यूटेनॉल में परिवर्तित कर सकता है।[17] क्लोस्ट्रीडियम सेलुलोलिटिकम का एक स्ट्रेन, एक देशी सेल्युलोज-डिग्रेडिंग सूक्ष्म जीव, सेल्युलोज से सीधे आइसोबुटानॉल प्रदान करता है।[18] क्लोस्ट्रीडियम क्लुयवेरी में मौजूद चयापचय मार्गों का उपयोग करके ब्यूटायरेट (ब्यूटेनॉल ईंधन का अग्रदूत) का उत्पादन करने के लिए सफल होना और इथेनॉल के संयोजन को किण्वित किया जा सकता है। सक्सिनेट टीसीए चक्र का एक मध्यवर्ती है, जो ग्लूकोज का चयापचय करता है। क्लोस्ट्रीडियम एसिटोब्यूटाइलिकम और क्लोस्ट्रीडियम सैकरोब्यूटाइलिकम जैसे अवायवीय जीव बैक्टीरिया में भी ये मार्ग होते हैं। सक्सिनेट को पहले सक्रिय किया जाता है और फिर 4-हाइड्रॉक्सीब्यूटाइरेट देने के लिए दो-चरणीय प्रतिक्रिया द्वारा कम किया जाता है, जिसे बाद में क्रोटोनील-सीओए | क्रोटोनील-कोएंजाइम ए (सीओए) में चयापचय किया जाता है। फिर क्रोटोनील-सीओए को ब्यूटायरेट में बदल दिया जाता है। क्लोस्ट्रीडियम से इन ब्यूटेनॉल उत्पादन मार्गों से संबंधित जीन को ई. कोली में क्लोन किया गया था।[19]


साइनोबैक्टीरीया

सायनोबैक्टीरिया प्रकाश संश्लेषक जीवाणुओं का एक समूह है।[20] जब आनुवंशिक रूप से आइसोबुटानॉल और इसके अनुरूप एल्डीहाइड का उत्पादन करने के लिए इंजीनियर किया जाता है तो वे आइसोबुटानॉल जैवसंश्लेषण के लिए उपयुक्त होते हैं।[21] सायनोबैक्टीरिया की आइसोबुटानॉल उत्पादक प्रजातियां जैव ईंधन सिंथेसाइज़र के रूप में कई लाभ प्रदान करती हैं:

  • सायनोबैक्टीरिया पौधों की तुलना में तेजी से बढ़ते हैं[22] और पौधों की तुलना में सूर्य के प्रकाश को अधिक कुशलता से अवशोषित करते हैं।[23] इसका मतलब यह है कि उन्हें अन्य जैव ईंधन बायोसिंथेसाइज़र के लिए उपयोग किए जाने वाले पौधे पदार्थ की तुलना में तेज़ दर से पुनःपूर्ति की जा सकती है।
  • सायनोबैक्टीरिया को गैर-कृषि योग्य भूमि (खेती के लिए उपयोग न की जाने वाली भूमि) पर उगाया जा सकता है।[22]यह भोजन बनाम ईंधन को रोकता है।[22]* सायनोबैक्टीरिया की वृद्धि के लिए आवश्यक पूरक कार्बन डाइऑक्साइड|CO हैं2, जल|एच2ओह, और सूरज की रोशनी.[23]इससे दो लाभ मिलते हैं:
    • क्योंकि सीओ2 वायुमंडल से प्राप्त होता है, सायनोबैक्टीरिया को आइसोबुटानॉल को संश्लेषित करने के लिए पौधे के पदार्थ की आवश्यकता नहीं होती है (अन्य जीवों में जो आइसोबुटानॉल को संश्लेषित करते हैं, पौधे का पदार्थ आइसोबुटानॉल को कृत्रिम रूप से इकट्ठा करने के लिए आवश्यक कार्बन का स्रोत है)।[23]चूँकि आइसोबुटानॉल उत्पादन की इस विधि द्वारा पादप पदार्थ का उपयोग नहीं किया जाता है, इसलिए खाद्य स्रोतों से पादप पदार्थ प्राप्त करने और खाद्य-ईंधन मूल्य संबंध बनाने की आवश्यकता से बचा जाता है।[22]** क्योंकि सीओ2 साइनोबैक्टीरिया द्वारा वायुमंडल से अवशोषित किया जाता है, जैविक उपचार की संभावना (साइनोबैक्टीरिया के रूप में अतिरिक्त CO को हटाकर)2 वायुमंडल से) मौजूद है।[23]

सायनोबैक्टीरिया की प्राथमिक कमियाँ हैं:

  • बड़े होने पर वे पर्यावरणीय परिस्थितियों के प्रति संवेदनशील होते हैं। साइनोबैक्टीरिया अनुचित तरंग दैर्ध्य और तीव्रता, CO की सूर्य की रोशनी से बहुत पीड़ित होते हैं2 अनुचित एकाग्रता, या एच2अनुचित लवणता के बावजूद, खारे पानी और समुद्री जल में साइनोबैक्टीरिया की प्रचुर मात्रा पनपने में सक्षम है। इन कारकों को आम तौर पर नियंत्रित करना कठिन होता है, और आइसोबुटानोल के साइनोबैक्टीरियल उत्पादन में एक बड़ी बाधा उत्पन्न करते हैं।[24]
  • सायनोबैक्टीरिया बायोरिएक्टर को संचालित करने के लिए उच्च ऊर्जा की आवश्यकता होती है। संस्कृतियों को निरंतर मिश्रण की आवश्यकता होती है, और जैवसंश्लेषक उत्पादों की कटाई ऊर्जा-गहन है। इससे सायनोबैक्टीरिया के माध्यम से आइसोबुटानॉल उत्पादन की दक्षता कम हो जाती है।[24]

साइनोबैक्टीरिया को उनके ब्यूटेनॉल उत्पादन को बढ़ाने के लिए फिर से इंजीनियर किया जा सकता है, जो पाथवे इंजीनियरिंग में एक डिजाइन सिद्धांत के रूप में एटीपी और कॉफ़ेक्टर ड्राइविंग बलों के महत्व को दर्शाता है। कई जीवों में एसिटाइल कोआ पर निर्भर मार्ग का उपयोग करके ब्यूटेनॉल का उत्पादन करने की क्षमता होती है। इस मार्ग के साथ मुख्य समस्या पहली प्रतिक्रिया है जिसमें दो एसिटाइल-सीओए अणुओं का एसिटोएसिटाइल-सीओए में संघनन शामिल है। यह प्रतिक्रिया इससे जुड़ी सकारात्मक गिब्स मुक्त ऊर्जा (डीजी = 6.8 किलो कैलोरी/मोल) के कारण थर्मोडायनामिक रूप से प्रतिकूल है।[25][26]


बेसिलस सुबटिलिस

बैसिलस सबटिलिस एक ग्राम पॉजिटिव रॉड के आकार का बैक्टीरिया है। बैसिलस सबटिलिस ई. कोलाई के समान कई फायदे और नुकसान प्रदान करता है, लेकिन इसका कम प्रमुखता से उपयोग किया जाता है और यह ई. कोली जितनी बड़ी मात्रा में आइसोबुटानॉल का उत्पादन नहीं करता है।[10]ई. कोली के समान, बी. सबटिलिस लिग्नोसेल्युलोज से आइसोबुटानॉल का उत्पादन करने में सक्षम है, और सामान्य आनुवंशिक तकनीकों द्वारा आसानी से इसमें हेरफेर किया जा सकता है।[10]प्राथमिक मोड विश्लेषण का उपयोग बी. सबटिलिस द्वारा उपयोग किए जाने वाले आइसोबुटानॉल-संश्लेषण चयापचय मार्ग को बेहतर बनाने के लिए भी किया गया है, जिससे आइसोबुटानॉल की उच्च पैदावार उत्पन्न होती है।[27]


Saccharomyces cerevisiae

सैक्रोमाइसेस सेरेविसिया, या एस. सेरेविसिया, खमीर की एक प्रजाति है। यह स्वाभाविक रूप से अपने वेलिन बायोसिंथेटिक मार्ग के माध्यम से कम मात्रा में आइसोबुटानॉल का उत्पादन करता है।[28] एस. सेरेविसिया कई कारणों से आइसोबुटानॉल जैव ईंधन उत्पादन के लिए एक आदर्श उम्मीदवार है:

  • एस. सेरेविसिया को कम पीएच पर उगाया जा सकता है, जिससे औद्योगिक बायोरिएक्टरों में वृद्धि के दौरान संदूषण को रोकने में मदद मिलती है।[10]* एस. सेरेविसिया बैक्टीरियोफेज से प्रभावित नहीं हो सकता क्योंकि यह एक यूकेरियोट है।[10]*एस. सेरेविसिया और इसके जीव विज्ञान के बारे में व्यापक वैज्ञानिक ज्ञान पहले से ही मौजूद है।[10]

एस. सेरेविसिया के वेलिन बायोसिंथेटिक मार्ग में एंजाइमों की अधिक अभिव्यक्ति का उपयोग आइसोबुटानॉल पैदावार में सुधार के लिए किया गया है।[28][29][30] हालाँकि, एस. सेरेविसिया में अंतर्निहित जीव विज्ञान के कारण इसके साथ काम करना कठिन साबित हुआ है:

  • यूकेरियोट के रूप में, एस. सेरेविसिया आनुवंशिक रूप से ई. कोली या बी. सबटिलिस की तुलना में अधिक जटिल है, और परिणामस्वरूप आनुवंशिक रूप से हेरफेर करना कठिन होता है।[10]
  • एस. सेरेविसिया में इथेनॉल#किण्वन होता है। यह प्राकृतिक क्षमता प्रबल हो सकती है और परिणामस्वरूप एस. सेरेविसिया द्वारा आइसोबुटानॉल उत्पादन को रोक सकती है।[10]* एस. सेरेविसिया आइसोबुटानॉल का उत्पादन करने के लिए पांच-कार्बन शर्करा का उपयोग नहीं कर सकता है। पांच-कार्बन शर्करा का उपयोग करने में असमर्थता एस. सेरेविसिया को लिग्नोसेल्यूलोज का उपयोग करने से रोकती है, और इसका मतलब है कि एस. सेरेविसिया को आइसोबुटानोल का उत्पादन करने के लिए मानव उपभोग के लिए इच्छित पौधे पदार्थ का उपयोग करना चाहिए। जब एस. सेरेविसिया द्वारा आइसोबुटानॉल का उत्पादन किया जाता है तो इसके परिणामस्वरूप प्रतिकूल खाद्य/ईंधन मूल्य संबंध उत्पन्न होता है।[10]


रालस्टोनिया यूट्रोफा

एक लालची हत्यारा (=रालस्टोनिया यूट्रोफा) एक ग्राम-नकारात्मक जीवाणु है | बेटाप्रोटोबैक्टीरिया वर्ग का ग्राम-नकारात्मक मृदा जीवाणु। यह अप्रत्यक्ष रूप से विद्युत ऊर्जा को आइसोबुटानोल में परिवर्तित करने में सक्षम है। यह रूपांतरण कई चरणों में पूरा होता है:[31]

  • एनोड को एच के मिश्रण में रखा जाता है2ओ और सीओ2.
  • एनोड के माध्यम से और एक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया एच के माध्यम से एक विद्युत धारा प्रवाहित की जाती है2ओ और सीओ2 चींटी का तेजाब को संश्लेषित करने के लिए संयुक्त किया जाता है।
  • सी. नेकेटर (बिजली के प्रति सहिष्णु एक स्ट्रेन (जीव विज्ञान) से बना) का एक जीवाणु कल्चर एच के भीतर रखा जाता है2ओ और सीओ2 मिश्रण.
  • सी. नेकेटर का कल्चर फिर मिश्रण से फॉर्मिक एसिड को आइसोबुटानॉल में परिवर्तित करता है।
  • जैवसंश्लेषित आइसोबुटानॉल को फिर मिश्रण से अलग किया जाता है, और इसे जैव ईंधन के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।

फीडस्टॉक्स

कच्चे माल की उच्च लागत को ब्यूटेनॉल के व्यावसायिक उत्पादन में मुख्य बाधाओं में से एक माना जाता है। सस्ते और प्रचुर मात्रा में फीडस्टॉक का उपयोग, जैसे, मकई स्टोवर, प्रक्रिया की आर्थिक व्यवहार्यता को बढ़ा सकता है। <संदर्भ नाम = करीमी अलविजेह 641-653 >Karimi Alavijeh, Masih; Karimi, Keikhosro (March 2019). "अमेरिका में कॉर्न स्टोवर से बायोबूटानॉल का उत्पादन". Industrial Crops and Products. 129: 641–653. doi:10.1016/j.indcrop.2018.12.054. ISSN 0926-6690. S2CID 104367378.