Biodesulfurization
बायोडिसल्फराइजेशन सूक्ष्मजीवों या उनके एंजाइमों के उपयोग के माध्यम से कच्चे तेल से सल्फर को हटाने की प्रक्रिया है। पृष्ठभूमि कच्चे तेल में इसकी संरचना में सल्फर होता है, जिसमें कार्बन और हाइड्रोजन के बाद सबसे प्रचुर मात्रा में सल्फर होता है। इसके स्रोत के आधार पर, कच्चे तेल में मौजूद सल्फर की मात्रा 0.05 से 10 प्रतिशत तक हो सकती है। तदनुसार, तेल को मीठा या खट्टा के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है यदि सल्फर की सांद्रता क्रमशः 0.5% से कम या उससे अधिक है। कच्चे तेल के दहन से वातावरण में सल्फर ऑक्साइड (एस. ओ. एक्स.) निकलते हैं, जो सार्वजनिक स्वास्थ्य के लिए हानिकारक होते हैं और वायु प्रदूषण और अम्ल वर्षा जैसे गंभीर पर्यावरणीय प्रभावों में योगदान करते हैं। इसके अलावा, कच्चे तेल में सल्फर की मात्रा रिफाइनरियों के लिए एक बड़ी समस्या है, क्योंकि यह उपकरण के क्षरण और उत्कृष्ट धातु उत्प्रेरक के विषाक्तता को बढ़ावा देता है। किसी भी तेल क्षेत्र में सल्फर का स्तर उससे प्राप्त जीवाश्म ईंधन (जैसे गैसोलीन, डीजल या जेट ईंधन) के लिए बहुत अधिक होता है जिसका उपयोग ऑर्गेनोसल्फर यौगिकों को हटाने के लिए पूर्व-उपचार के बिना दहन इंजनों में किया जा सकता है। कच्चे तेल में सल्फर की सांद्रता में कमी इसके दहन के कारण होने वाले हानिकारक स्वास्थ्य और पर्यावरणीय प्रभावों के प्रमुख स्रोतों में से एक को कम करने के लिए आवश्यक हो जाती है। इस मायने में, यूरोपीय संघ ने डीजल में सल्फर की मात्रा को 10 पीपीएम से कम करने के लिए कदम उठाए हैं, जबकि अमेरिका ने डीजल और गैसोलीन में सल्फर की मात्रा को अधिकतम 15 पीपीएम तक सीमित करने का प्रयास किया है। तेल ईंधन में सल्फर यौगिकों की कमी को डिसल्फराइजेशन नामक प्रक्रिया द्वारा प्राप्त किया जा सकता है। डिसल्फराइजेशन के लिए उपयोग की जाने वाली विधियों में, अन्य के अलावा, हाइड्रोडेसल्फराइजेशन, ऑक्सीडेटिव डिसल्फराइजेशन, एक्सट्रैक्टिव डिसल्फराइजेशन और आयनिक तरल पदार्थों द्वारा निष्कर्षण शामिल हैं। सल्फर की मात्रा को कम करने में अपनी दक्षता के बावजूद, पारंपरिक डिसल्फराइजेशन तरीके अभी भी कच्चे तेल शोधन प्रक्रिया से जुड़े CO2 उत्सर्जन की एक महत्वपूर्ण मात्रा के लिए जिम्मेदार हैं, जो प्रति वर्ष 9000 मीट्रिक टन तक जारी करते हैं। इसके अलावा, इन प्रक्रियाओं के लिए आमतौर पर बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है, और उनके साथ उन उद्योगों के लिए भारी लागत आती है जो उन्हें नियोजित करते हैं। बायोडीसल्फराइजेशन पारंपरिक डिसल्फराइजेशन विधियों के लिए एक हरियाली और पूरक वैकल्पिक प्रक्रिया है। बायोडिसल्फराइजेशन कार्यान्वयन और मार्ग यह देखा गया है कि सल्फर पर निर्भर बैक्टीरिया हैं जो अपने जीवन चक्र में सल्फर युक्त यौगिकों में सल्फर का उपयोग करते हैं (या तो उनकी वृद्धि या चयापचय प्रक्रियाओं में), सल्फर में कम/बिना सामग्री वाले अणुओं का उत्पादन करते हैं। विशेष रूप से, विषम-एरोमैटिक यौगिकों, अर्थात् थियोफीन और उनके व्युत्पन्न, को बैक्टीरिया के लिए महत्वपूर्ण सब्सट्रेट का गठन करते हुए देखा गया। बायोडिसल्फराइजेशन सल्फर हटाने का एक आकर्षक विकल्प है, विशेष रूप से कच्चे तेल के अंशों में जहां सल्फर विषमकोशिकाओं की प्रचुरता है। आज तक, औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए प्रायोगिक प्रयासों ने पूरे जीवाणु प्रणालियों के उपयोग का सहारा लिया है, क्योंकि जैव-सल्फरकरण में विभिन्न एंजाइमों द्वारा प्रतिक्रियाओं का एक क्रमिक कैस्केड और सल्फर परमाणु या आणविक ऑक्सीजन के साथ रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में भाग लेने वाले बड़ी मात्रा में सह-कारक शामिल हैं। हालाँकि, उनमें समग्र कम एंजाइम दक्षता, उत्पाद प्रतिक्रिया अवरोध तंत्र और विषाक्तता, या दीर्घकालिक जीवाणु विकास के लिए अपर्याप्त स्थितियों के कारण एक औद्योगिक सेटअप के लिए वांछित मापनीयता का अभाव था। जबकि कोशिका-मुक्त पुनः संयोजक एंजाइम वांछनीय होंगे, ज्ञात कार्यान्वयन अभी भी पूरी कोशिका वाले एंजाइमों के लिए पूरी की गई दक्षता से काफी कम हैं। दो मुख्य मार्ग हैं जिनके माध्यम से बैक्टीरिया सल्फर युक्त यौगिकों से सल्फर को हटाते हैंः वलय विनाशकारी मार्ग और सल्फर-विशिष्ट मार्ग। वलय विनाशकारी मार्ग में आसपास के जलीय वातावरण में घुलनशील छोटे कार्बनिक सल्फाइडों की रिहाई के साथ कार्बन-कार्बन बंधनों का चयनात्मक विच्छेद होता है, जबकि सल्फर-विशिष्ट मार्ग सल्फर को सल्फाइड या सल्फाइट आयनों के रूप में छोड़ने के लिए क्रमिक सल्फर रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं पर निर्भर करते हैं। इस प्रकार उत्तरार्द्ध को उच्च कैलोरी सामग्री के साथ सल्फर मुक्त यौगिकों का उत्पादन करने के लिए एक बहुत ही आशाजनक मार्ग के रूप में माना गया है, विशेष रूप से खट्टे कच्चे तेल के अंशों में प्रचुर मात्रा में सल्फर विषमकोशिकाओं के सल्फरीकरण में। सबसे अधिक अध्ययन किया गया वलय विनाशकारी मार्ग कोडामा मार्ग है और इसे शुरू में स्यूडोमोनास एबिकोनेन्सिस और स्यूडोमोनास जिजानी में पहचाना गया था। मार्ग में चार मुख्य चरण शामिल हैंः i) सुगंधित वलय में से एक में कार्बन के एन. ए. डी. एच.-निर्भर डाइऑक्सीजनेज़ द्वारा क्रमिक हाइड्रॉक्सिलेशन, उसके बाद ii) एन. ए. डी. + कोफैक्टर द्वारा वलय का निर्जलीकरण और आगे iii) वलय विच्छेद को बढ़ावा देने और एक पायरूविल शाखा के गठन के लिए ऑक्सीजनकरण; iv) पायरूवेट और शेष सब्सट्रेट को छोड़ने के लिए पायरूविल प्रतिस्थापन का हाइड्रोलिसिस। चूंकि मार्ग के अंतिम उत्पाद अभी भी पानी में घुलनशील सल्फर यौगिक हैं, इसलिए मार्ग को अक्सर औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए एक आकर्षक मार्ग के रूप में उपेक्षित किया गया है, विशेष रूप से तेल उद्योग द्वारा। सबसे अच्छी तरह से अध्ययन किया गया सल्फर विशिष्ट मार्ग 4एस मार्ग है, जिसे पहली बार बैक्टीरिया रोडोकोकस एरिथ्रोपोलिस (स्ट्रेन आई. जी. टी. एस. 8) में खोजा गया था, जिसे तीन चरणों में डाइबेंजोथियोफीन और व्युत्पन्न से सल्फर को हटाने के लिए देखा गया थाः i) सल्फर का दोहरा ऑक्सीकरण (सल्फॉक्साइड और सल्फोन में) एक फ्लेविन-निर्भर मोनोऑक्सीजेनेस द्वारा किया जाता है, इसके बाद ii) एक दूसरे फ्लेविन-निर्भर मोनोऑक्सीजेनेस द्वारा एक कार्बन-सल्फर बंधन विच्छेदन और iii) अपचयन प्रतिक्रिया जिसके माध्यम से 2-हाइड्रॉक्सीबाइफिनाइल और सल्फाइट का उत्पादन होता है। कुल मिलाकर, इस प्रक्रिया के लिए चार एंजाइमों की आवश्यकता होती हैः जिनमें से तीन डी. एस. जेड. ए. बी. सी. जीन (फ्लेविन-निर्भर मोनोऑक्सीजेनेस डी. एस. जेड. ए. और डी. एस. जेड. सी., और डिसल्फिनेस डी. एस. जेड. बी.) में एन्कोड किए जाते हैं और चौथा गुणसूत्र एन्कोडेड एंजाइम, डी. एस. जेड. डी., जो डी. एस. जेड. ए. और डी. एस. जेड. सी. के लिए आवश्यक फ्लेविन मोनोन्यूक्लियोटाइड कोफैक्टर के पुनर्जनन और आपूर्ति के लिए जिम्मेदार है। यह भी देखा गया है कि कुछ अवायवीय बैक्टीरिया इसके बजाय हाइड्रोजन सल्फाइड का उत्पादन करने के लिए एक वैकल्पिक सल्फर-विशिष्ट मार्ग का उपयोग कर सकते हैं। हालांकि, आज तक, बिटुमेन, वैक्यूम गैस तेल, या डीस्फाल्टेड तेल जैसे अंशों का डिसल्फराइजेशन नहीं देखा गया है। एरोबिक 4एस मार्ग ऑक्सीडेटिव डिसल्फराइजेशन का एक सल्फर-विशिष्ट चयापचय मार्ग है जो डाइबेंजोथियोफीन (डीबीटी) को 2-हाइड्रॉक्सीबीफिनाइल और सल्फाइट में परिवर्तित करता है। यह कुल चार एन. ए. डी. एच. अणुओं (एफ. एम. एन. एच. 2 उत्पन्न करने के लिए डी. एस. जेड. डी. द्वारा आवश्यक तीन और डी. एस. जेड. ए. के एफ. एम. एन.-ऑक्साइड उपोत्पाद को पुनः उत्पन्न करने के लिए एक चौथाई) और ऑक्सीजन के तीन अणुओं का उपयोग करता है, इस प्रकार एन. ए. डी. + और उपोत्पाद के रूप में पानी का उत्पादन करता है। डी. एस. जेड. सी. पहला एंजाइम है जो दो क्रमिक चरणों में मार्ग में हस्तक्षेप करता है, डी. बी. टी. के दोहरे ऑक्सीकरण को पहले डी. बी. टी.-सल्फॉक्साइड में और फिर डी. बी. टी.-सल्फोन में उत्प्रेरित करता है। इसके लिए सह-कारक के रूप में एफ. एम. एन. एच. 2 की आवश्यकता होती है, जिसकी आपूर्ति डी. एस. जेड. डी. और आणविक ऑक्सीजन द्वारा की जाती है। इस कारण से, इस एंजाइम की दक्षता डी. एस. जेड. डी. की गतिविधि और पर्यावरणीय ऑक्सीजनेशन पर निर्भर है। डी. एस. जेड. सी. द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया में तीन चरण शामिल हैंः 1) आणविक ऑक्सीजन सक्रियण जिससे हाइड्रोपेरोक्सीफ्लेविन-मध्यवर्ती (सी4एओओएच) का निर्माण होता है; 2) डी. बी. टी. का डी. बी. टी. ओ. में ऑक्सीकरण; और 3) एफ. एम. एन. का निर्जलीकरण। डी. एस. जेड. सी. मार्ग में दूसरा सबसे कम कुशल एंजाइम है जो विशेष रूप से 1.63.3 मिनट-1 के कम केकैट के साथ है। यह ज्यादातर एच. पी. बी. एस. और 2-एच. बी. पी., क्रमशः डी. एस. जेड. ए. और डी. एस. जेड. बी. के उत्पादों के कारण प्रतिक्रिया अवरोध से भी गंभीर रूप से प्रभावित होता है, इस कारण से, इसे एंजाइम इंजीनियरिंग के माध्यम से अनुकूलन के लिए लक्षित किया गया है। डी. एस. जेड. ए. मार्ग के तीसरे चरण के लिए जिम्मेदार है। यह डी. बी. टी.-सल्फोन को 2-हाइड्रॉक्सीबिफिनाइल-2-सल्फिनेट में परिवर्तित करते हुए पहले कार्बन-सल्फर बंधन दरार को उत्प्रेरित करता है। डी. एस. जेड. सी. की तरह, डी. एस. जेड. ए. को भी अपने उत्प्रेरक चक्र के लिए डी. एस. जेड. डी. और आणविक ऑक्सीजन द्वारा प्रदान किए गए एफ. एम. एन. एच. 2 की आवश्यकता होती है। फिर भी, डी. एस. जेड. ए. की प्रतिक्रिया दर डी. एस. जेड. सी. की तुलना में लगभग सात गुना तेज है। हालांकि, डीएसजेडसी की तरह, यह मार्ग के अंतिम उत्पाद, 2-एचबीपी द्वारा प्रतिक्रिया अवरोध का सामना करता है। अंत में, डिसल्फिनेज (डी. एस. जेड. बी.) शेष कार्बन-सल्फर बंधन को 2-हाइड्रॉक्सीबाइफिनाइल-2-सल्फिनेट में विभाजित करता है और इसे दो चरणीय तंत्र में सल्फर-मुक्त 2-हाइड्रॉक्सीबाइफिनाइल में परिवर्तित करता है। पहले और दर-सीमित करने वाले चरण में, 2-हाइड्रॉक्सीबिफिनाइल-2-सल्फिनेट को अपने इलेक्ट्रोफिलिक कार्बन में सिस27 द्वारा प्रोटोनेट किया जाता है जिससे कार्बन-सल्फर बंधन टूट जाता है और एस. ओ. 2 का विस्थापन होता है। दूसरे चरण में, पानी के अणु को सी. आई. एस. 27 द्वारा डीप्रोटोनेट किया जाता है जिसके बाद एच. एस. ओ. 3-बनाने वाले एस. ओ. 2 पर हाइड्रॉक्साइड हमला होता है। डी. एस. जेड. बी. मार्ग पर सबसे कम कुशल एंजाइम है जो इसे प्रोटीन इंजीनियरिंग के माध्यम से वृद्धि के लिए एक आकर्षक लक्ष्य बनाता है। एन. ए. डी. एच.-एफ. एम. एन. ऑक्सीडोरिडक्टेस (डी. एस. जेड. डी.) दो चरणीय तंत्र में एन. ए. डी. एच. से एन. ए. डी. + के ऑक्सीकरण के माध्यम से डी. एस. जेड. सी. और डी. एस. जेड. ए. द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं के लिए आवश्यक एफ. एम. एन. एच. 2 कोफैक्टर को पुनः उत्पन्न करता है। पहला कदम एन. ए. डी. एच. के निकोटीनामाइड भाग से ऑक्सीकृत एफ. एम. एन. के आइसोएलॉक्साज़िन भाग में केंद्रीय नाइट्रोजन में एक हाइड्राइड हस्तांतरण से मेल खाता है जो एफ. एम. एन. एच. बनाता है। दूसरे चरण में, एक जल अणु एफ. एम. एन. एच. के एन1 परमाणु को एफ. एम. एन. एच. 2 देते हुए प्रोटोनेट करता है। 4S पाथवे एंजाइमों की इंजीनियरिंग औद्योगिक क्षेत्र में एक व्यवहार्य अनुप्रयोग के लिए प्राप्त की जाने वाली दर की तुलना में जंगली प्रकार के 4S पाथवे एंजाइमों के लिए डिसल्फराइजेशन दर कम है। इस बायोडीसल्फराइजेशन विधि के कुशल अनुप्रयोग के लिए मार्ग की समग्र दर में 500 गुना की वृद्धि आवश्यक सुधार है। निर्देशित विकास, तर्कसंगत डिजाइन या दोनों रणनीतियों का संयोजन कुछ ऐसे दृष्टिकोण हैं जिन्हें 4S एंजाइमों की उत्प्रेरक दक्षता और स्थिरता की कमी से निपटने के लिए लागू किया गया है। 4एस मार्ग में अब तक का सबसे अच्छा सुधार एक निर्देशित विकास दृष्टिकोण द्वारा प्राप्त किया गया था जिसमें रोडोकोकस उपभेदों को एक संशोधित डी. एस. जेड. ऑपरॉन (जो डी. एस. जेड. ए., डी. एस. जेड. बी. और डी. एस. जेड. सी. के लिए कूटबद्ध करता है) को कूटबद्ध करने वाले प्लास्मिड के साथ परिवर्तित किया गया था। एक माध्यम में 40 उपसंस्करण घटनाओं के बाद जिसमें डी. बी. टी. एकमात्र सल्फर स्रोत था, संशोधित रोडोकोकस उपभेदों ने 35 गुना सुधार प्रस्तुत किया। डी. एस. जेड. सी. के मजबूत प्रतिक्रिया अवरोध से 4एस मार्ग उत्पाद, एच. बी. पी. के प्रति डी. एस. जेड. सी. को असंवेदनशील बनाने के लिए निर्देशित विकास और तर्कसंगत डिजाइन दृष्टिकोण के संयोजन द्वारा भी निपटा गया था। डी. एस. जेड. सी. ए101के उत्परिवर्ती को व्यक्त करने वाले जीवाणु प्रभेद ने जंगली प्रकार के प्रभेद के सापेक्ष उच्च गतिविधि दिखाई। इसके अतिरिक्त प्रोटीन में एच. बी. पी. के डॉकिंग से पता चला कि एच. बी. पी. टी. आर. पी. 327 के साथ एक π-अंतःक्रिया बनाता है, इस प्रकार डी. एस. जेड. सी. को रोकता है। ए101के/डब्ल्यू327सी (एकेडब्ल्यूसी) दोहरे उत्परिवर्ती को कम एचबीपी सांद्रता के प्रति असंवेदनशील पाया गया और एकेडब्ल्यूसी डीएसजेडसी को व्यक्त करने वाला जीवाणु तनाव जंगली प्रकार के उपभेद की तुलना में 14 गुना अधिक कुशल था। डी. एस. जेड. बी., मार्ग में अंतिम एंजाइम, भी 1.7 ± 0.2 मिनट-1 की कारोबार दर के साथ सबसे धीमी गति में से एक है, जो 4एस मार्ग की एक प्रमुख बाधा बन जाता है। एक कम्प्यूटेशनल तर्कसंगत डिजाइन दृष्टिकोण ने उत्परिवर्तनों के एक समूह को निर्धारित किया जो डीएसजेडबी प्रतिक्रिया तंत्र के दौरान सक्रिय साइट में होने वाले चार्ज हस्तांतरण को तेज कर सकता है, प्रतिक्रिया के लिए सक्रियण ऊर्जा को कम कर सकता है और संभावित रूप से इसकी कारोबार दर को बढ़ा सकता है। डीएसजेडबी की उत्प्रेरक दक्षता और थर्मोस्टेबिलिटी को भी एक प्रयोगात्मक उत्परिवर्तन दृष्टिकोण में संबोधित किया गया था, वाई63एफ/क्यू65एच दोहरे उत्परिवर्ती ने उत्प्रेरक दक्षता के नुकसान के बिना एंजाइम की थर्मोस्टेबिलिटी में वृद्धि का खुलासा किया। डी. एस. जेड. डी. को टी. आर. 62 अवशेष पर दर बढ़ाने वाले उत्परिवर्तन के लिए भी लक्षित किया गया है। आसन और अला अवशेषों द्वारा Thr62 का उत्परिवर्तन इसकी गतिविधि को क्रमशः 5-और 7 गुना बढ़ाने में कामयाब रहा। एक कम्प्यूटेशनल अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि डी. एस. जेड. डी. अनुक्रम की स्थिति 62 में प्रतिस्थापन का एन. ए. डी. एच. से एफ. ए. डी. तक हाइड्राइड स्थानांतरण प्रतिक्रिया के लिए सक्रियण ऊर्जा में एक बड़ा प्रभाव पड़ता है। ए. एस. पी. अवशेष द्वारा थ्र62 उत्परिवर्तन ए. एस. पी. ऋणात्मक आवेश द्वारा प्रेरित स्थिरीकरण प्रभाव के कारण इस स्थिति में सभी संभावित उत्परिवर्तकों से सबसे कम सक्रियण ऊर्जा देता है। यह भी देखें निर्जलीकरण संदर्भ रासायनिक प्रक्रियाएं सल्फर