Biodesulfurization
بائیوڈیسلفورائزیشن مائکروجنزموں یا ان کے انزائموں کے استعمال کے ذریعے خام تیل سے سلفر کو ہٹانے کا عمل ہے۔ پس منظر خام تیل اپنی ساخت میں سلفر پر مشتمل ہوتا ہے، جس میں کاربن اور ہائیڈروجن کے بعد سب سے زیادہ وافر عنصر ہوتا ہے۔ اس کے ماخذ کے لحاظ سے خام تیل میں موجود سلفر کی مقدار 0.05 سے 10 فیصد تک ہو سکتی ہے۔ اس کے مطابق، اگر سلفر کا ارتکاز بالترتیب 0.0 فیصد سے کم یا اس سے زیادہ ہو تو تیل کو میٹھا یا کھٹا قرار دیا جا سکتا ہے۔ خام تیل کا دہن ماحول میں سلفر آکسائڈ (ایس او ایکس) خارج کرتا ہے، جو صحت عامہ کے لیے نقصان دہ ہیں اور فضائی آلودگی اور تیزاب کی بارش جیسے سنگین ماحولیاتی اثرات میں معاون ہیں۔ اس کے علاوہ، خام تیل میں موجود سلفر کا مواد ریفائنریوں کے لیے ایک بڑا مسئلہ ہے، کیونکہ یہ آلات کے کٹاؤ اور عمدہ دھاتی اتپریرک کے زہر کو فروغ دیتا ہے۔ کسی بھی تیل کے کھیت میں سلفر کی سطح اس سے حاصل ہونے والے جیواشم ایندھن (جیسے پٹرول، ڈیزل، یا جیٹ ایندھن) کے لیے بہت زیادہ ہوتی ہے جسے نامیاتی سلفر مرکبات کو ہٹانے کے لیے پہلے سے علاج کے بغیر دہن انجنوں میں استعمال کیا جا سکتا ہے۔ خام تیل میں سلفر کے ارتکاز میں کمی اس کے دہن کی وجہ سے ہونے والے صحت اور ماحولیاتی اثرات کے اہم ذرائع میں سے ایک کو کم کرنے کے لیے ضروری ہو جاتی ہے۔ اس لحاظ سے یورپی یونین نے ڈیزل میں سلفر کے مواد کو 10 پی پی ایم سے کم کرنے کے لیے اقدامات کیے ہیں، جبکہ امریکہ نے ڈیزل اور پٹرول میں سلفر کے مواد کو زیادہ سے زیادہ 15 پی پی ایم تک محدود کرنے کی کوششیں کی ہیں۔ تیل کے ایندھن میں سلفر مرکبات کی کمی ڈیسلفورائزیشن نامی عمل سے حاصل کی جا سکتی ہے۔ ڈیسلفورائزیشن کے لیے استعمال ہونے والے طریقوں میں، دوسروں کے علاوہ، ہائیڈروڈسلفورائزیشن، آکسیڈیٹیو ڈیسلفورائزیشن، ایکسٹریکٹیو ڈیسلفورائزیشن، اور آئنک مائعوں کے ذریعے نکالنا شامل ہیں۔ سلفر کے مواد کو کم کرنے میں ان کی کارکردگی کے باوجود، روایتی ڈیسلفورائزیشن کے طریقے اب بھی خام تیل کی ریفائننگ کے عمل سے وابستہ کاربن ڈائی آکسائیڈ کے اخراج کی ایک اہم مقدار کے لیے ذمہ دار ہیں، جو ہر سال 9000 میٹرک ٹن تک جاری کرتے ہیں۔ مزید برآں، ان عملوں میں عام طور پر بڑی مقدار میں توانائی کی ضرورت ہوتی ہے، اور ان کے ساتھ ان صنعتوں کے لیے بھاری لاگت آتی ہے جو انہیں ملازمت دیتی ہیں۔ روایتی ڈی سلفرائزیشن طریقوں کا ایک سرسبز اور تکمیلی متبادل عمل بائیو ڈی سلفرائزیشن ہے۔ بائیوڈیسلفورائزیشن کا نفاذ اور راستے یہ مشاہدہ کیا گیا ہے کہ سلفر پر منحصر بیکٹیریا موجود ہیں جو سلفر پر مشتمل مرکبات میں سلفر کو اپنے لائف سائیکل میں استعمال کرتے ہیں (یا تو ان کی نشوونما یا میٹابولک عمل میں)، سلفر میں کم/بغیر مواد والے مالیکیول تیار کرتے ہیں۔ خاص طور پر، ہیٹروآرومیٹک مرکبات، یعنی تھیوفینز اور ان کے مشتقات، بیکٹیریا کے لیے اہم سبسٹریٹ تشکیل دینے کے لیے مشاہدہ کیے گئے۔ بائیوڈسلفورائزیشن سلفر کو ہٹانے کا ایک پرکشش متبادل ہے، خاص طور پر خام تیل کے حصوں میں جہاں سلفر ہیٹروسائکلز کی کثرت ہوتی ہے۔ آج تک، صنعتی ایپلی کیشنز کے لیے پائلٹ کوششوں نے پورے بیکٹیریل سسٹم کے استعمال کا سہارا لیا ہے، کیونکہ بائیو ڈیسلفورائزیشن میں مختلف انزائموں کے رد عمل کا ایک ترتیب وار جھرنا اور سلفر ایٹم یا مالیکیولر آکسیجن کے ساتھ ریڈوکس رد عمل میں حصہ لینے والے کوفیکٹرز کی ایک بڑی مقدار شامل ہوتی ہے۔ تاہم، ان میں مجموعی طور پر کم انزائم کی کارکردگی، پروڈکٹ فیڈ بیک انبیکشن میکانزم اور زہریلا پن، یا طویل مدتی بیکٹیریا کی نشوونما کے لیے ناکافی حالات کی وجہ سے صنعتی سیٹ اپ کے لیے مطلوبہ اسکیل ایبلٹی کی کمی تھی۔ اگرچہ سیل فری ریکومبیننٹ انزائم مطلوب ہوں گے، لیکن معلوم نفاذ اب بھی پورے سیل کے لیے ملنے والی کارکردگی سے بہت کم ہیں۔ دو اہم راستے ہیں جن کے ذریعے بیکٹیریا سلفر پر مشتمل مرکبات سے سلفر کو ہٹاتے ہیں: رنگ تباہ کن راستے اور سلفر کے لیے مخصوص راستے۔ رنگ تباہ کن راستہ ارد گرد کے آبی ماحول میں گھلنشیل چھوٹے نامیاتی سلفایڈ کی رہائی کے ساتھ کاربن-کاربن بانڈز کے منتخب شگاف پر مشتمل ہوتا ہے، جبکہ سلفر کے مخصوص راستے سلفر کو سلفایڈ یا سلفایٔٹ آئنوں کے طور پر خارج کرنے کے لیے مسلسل سلفر ریڈوکس رد عمل پر انحصار کرتے ہیں۔ اس طرح مؤخر الذکر کو اعلی کیلوری کے مواد کے ساتھ سلفر سے پاک مرکبات تیار کرنے کا ایک بہت ہی امید افزا راستہ سمجھا جاتا ہے، خاص طور پر کھٹے خام تیل کے حصوں میں وافر مقدار میں سلفر ہیٹروسائکلز کی ڈیسلفورائزیشن میں۔ سب سے زیادہ مطالعہ شدہ رنگ تباہ کن راستہ کوڈاما راستہ ہے اور اس کی شناخت ابتدائی طور پر سیوڈوموناس ابیکونینسس اور سیوڈوموناس جیجانی میں کی گئی تھی۔ یہ راستہ چار اہم مراحل پر مشتمل ہے: 1) خوشبودار رنگوں میں سے کسی ایک میں کاربن کی این اے ڈی ایچ پر منحصر ڈائی آکسیجنیز کے ذریعے لگاتار ہائیڈروکسیلیشن، اس کے بعد 2) این اے ڈی + کوفیکٹر کے ذریعے رنگ کی ڈی ہائیڈروجنیشن اور مزید 3) رنگ کلیویج اور پائروویل برانچ کی تشکیل کو فروغ دینے والی آکسیجنشن۔ 4) پائروویل سبسیٹیوینٹ کا ہائیڈرولیسس تاکہ پائروویٹ اور باقی سبسٹریٹ کو چھوڑا جا سکے۔ چونکہ راستے کی آخری مصنوعات اب بھی پانی میں گھلنشیل سلفر مرکبات ہیں، اس لیے اس راستے کو اکثر صنعتی ایپلی کیشنز، خاص طور پر تیل کی صنعت کے لیے ایک پرکشش راستے کے طور پر نظر انداز کیا گیا ہے۔ سب سے زیادہ اچھی طرح سے مطالعہ شدہ سلفر کا مخصوص راستہ 4S راستہ ہے، جو سب سے پہلے بیکٹیریم روڈوکوکس اریتھروپولس (تناؤ آئی جی ٹی ایس 8) میں دریافت ہوا، جس کا مشاہدہ تین مراحل میں ڈبینزوتھیوفینز اور مشتقات سے سلفر کو ہٹانے کے لیے کیا گیا تھا: i) سلفر کا دوہرا آکسیکرن (سلفوکسائڈ اور سلفون میں) جو فلاوین پر منحصر مونو آکسیجنیز کے ذریعے انجام دیا جاتا ہے، اس کے بعد ii) دوسرے فلاوین پر منحصر مونو آکسیجنیز کے ذریعے کاربن سلفر بانڈ کی کلیویج اور iii) ڈیسلفینیشن رد عمل جس کے ذریعے 2-ہائیڈروکسی بائیفینائل اور سلفایٹ پیدا ہوتے ہیں۔ اس عمل کے لیے مجموعی طور پر چار انزائموں کی ضرورت ہوتی ہے: جن میں سے تین ڈی ایس زیڈ اے بی سی جینز (فلاوین پر منحصر مونو آکسیجنیز ڈی ایس زیڈ اے اور ڈی ایس زیڈ سی، اور ڈیسلفینیز ڈی ایس زیڈ بی) میں انکوڈ ہوتے ہیں اور چوتھا کروموسوم انکوڈڈ انزائم، ڈی ایس زیڈ ڈی، جو ڈی ایس زیڈ اے اور ڈی ایس زیڈ سی کے لیے درکار فلاوین مونو نیوکلیوٹائڈ کوفیکٹر کی تخلیق نو اور فراہمی کا ذمہ دار ہے۔ یہ بھی مشاہدہ کیا گیا ہے کہ کچھ اینیروبک بیکٹیریا اس کے بجائے ہائیڈروجن سلفایڈ پیدا کرنے کے لیے سلفر سے متعلق ایک متبادل راستہ استعمال کر سکتے ہیں۔ تاہم، آج تک، بٹومین، ویکیوم گیس آئل، یا ڈیفالٹڈ آئل جیسے حصوں کی ڈیسلفورائزیشن کا مشاہدہ نہیں کیا گیا ہے۔ ایروبک 4S راستہ 4S راستہ آکسیڈیٹیو ڈیسلفورائزیشن کا سلفر سے متعلق مخصوص میٹابولک راستہ ہے جو ڈبینزوتھیوفین (DBT) کو 2-ہائیڈروکسیبیفینائل اور سلفائٹ میں تبدیل کرتا ہے۔ یہ کل چار این اے ڈی ایچ مالیکیولز (تین ڈی ایس زیڈ ڈی کو ایف ایم این ایچ 2 پیدا کرنے کے لیے درکار ہیں اور چوتھا ڈی ایس زیڈ اے کے ایف ایم این آکسائیڈ ضمنی پیداوار کو دوبارہ پیدا کرنے کے لیے) اور آکسیجن کے تین مالیکیولز کا استعمال کرتا ہے، اس طرح این اے ڈی + اور پانی کو ضمنی مصنوعات کے طور پر تیار کرتا ہے۔ ڈی ایس زیڈ سی پہلا انزائم ہے جو دو ترتیب وار مراحل میں راستے میں مداخلت کرتا ہے، ڈی بی ٹی کے ڈبل آکسیکرن کو پہلے ڈی بی ٹی-سلفوکسائڈ میں اور پھر ڈی بی ٹی-سلفون میں متحرک کرتا ہے۔ اس کے لیے کوفیکٹر کے طور پر ایف ایم این ایچ 2 کی ضرورت ہوتی ہے، جو ڈی ایس زیڈ ڈی اور مالیکیولر آکسیجن کے ذریعے فراہم کیا جاتا ہے۔ اس وجہ سے، اس انزائم کی کارکردگی کا انحصار ڈی ایس زیڈ ڈی کی سرگرمی اور ماحولیاتی آکسیجنشن پر ہے۔ ڈی ایس زیڈ سی کے ذریعے اتپریرک ہونے والے رد عمل میں تین مراحل شامل ہوتے ہیں: 1) مالیکیولر آکسیجن ایکٹیویشن جس سے ہائیڈروپیروکسیفلاوین-انٹرمیڈیٹ (سی 4 اے او او ایچ) کی تشکیل ہوتی ہے 2) ڈی بی ٹی کا ڈی بی ٹی او میں آکسیکرن ؛ اور 3) ایف ایم این کی پانی کی کمی۔ ڈی ایس زیڈ سی راستے میں دوسرا سب سے کم موثر انزائم ہے جس میں خاص طور پر 1.6 ± 0.3 منٹ−1 کی کم کی کیٹ ہے۔ یہ زیادہ تر ایچ پی بی ایس اور 2-ایچ بی پی، بالترتیب ڈی ایس زیڈ اے اور ڈی ایس زیڈ بی کی مصنوعات کی وجہ سے فیڈ بیک کی روک تھام سے بھی شدید متاثر ہوتا ہے، اسی وجہ سے، اسے انزائم انجینئرنگ کے ذریعے اصلاح کے لیے نشانہ بنایا گیا ہے۔ DszA راستے کے تیسرے مرحلے کے لیے ذمہ دار ہے۔ یہ ڈی بی ٹی-سلفون کو 2-ہائیڈروکسیبیفینائل-2-سلفینیٹ میں تبدیل کرتے ہوئے پہلے کاربن-سلفر بانڈ کے کلیویج کو متحرک کرتا ہے۔ ڈی ایس زیڈ سی کی طرح، ڈی ایس زیڈ اے کو بھی اپنے اتپریرک چکر کے لیے ڈی ایس زیڈ ڈی اور مالیکیولر آکسیجن کے ذریعے فراہم کردہ ایف ایم این ایچ 2 کی ضرورت ہوتی ہے۔ بہر حال، ڈی ایس زیڈ اے کی رد عمل کی شرح ڈی ایس زیڈ سی سے تقریبا سات گنا تیز ہے۔ تاہم، ڈی ایس زیڈ سی کی طرح، یہ راستے کے حتمی پروڈکٹ، 2-ایچ بی پی کی طرف سے فیڈ بیک کی روک تھام کا شکار ہوتا ہے۔ آخر میں، ڈیسلفینیز (ڈی ایس زیڈ بی) بقیہ کاربن-سلفر بانڈ کو 2-ہائیڈروکسیبیفینائل-2-سلفینیٹ میں الگ کر دیتا ہے اور اسے دو مراحل کے طریقہ کار میں سلفر سے پاک 2-ہائیڈروکسیبیفینائل میں تبدیل کر دیتا ہے۔ پہلے، اور شرح کو محدود کرنے والے، مرحلے میں، 2-ہائیڈروکسیبیفینیل-2-سلفینیٹ کو سی آئی ایس 27 کے ذریعے اس کے الیکٹروفیلک کاربن میں پروٹونٹ کیا جاتا ہے جس کی وجہ سے کاربن-سلفر بانڈ کی دراڑ اور ایس او 2 کی نقل مکانی ہوتی ہے۔ دوسرے مرحلے میں، پانی کے مالیکیول کو سیس 27 کے ذریعے ڈیپروٹونیٹ کیا جاتا ہے جس کے بعد ہائیڈرو آکسائیڈ کا حملہ ایس او 2 پر ہوتا ہے جس سے ایچ ایس او 3-بنتا ہے۔ ڈی ایس زیڈ بی راستے میں سب سے کم موثر انزائم ہے جو اسے پروٹین انجینئرنگ کے ذریعے بڑھانے کے لیے ایک پرکشش ہدف بناتا ہے۔ این اے ڈی ایچ-ایف ایم این آکسیڈوریڈیکٹس (ڈی ایس زیڈ ڈی) دو مراحل کے طریقہ کار میں این اے ڈی ایچ سے این اے ڈی + میں آکسیکرن کے ذریعے، ڈی ایس زیڈ سی اور ڈی ایس زیڈ اے کے ذریعے اتپریرک ہونے والے رد عمل کے لیے درکار ایف ایم این ایچ 2 کوفیکٹر کو دوبارہ پیدا کرتا ہے۔ پہلا مرحلہ این اے ڈی ایچ کے نیکوٹینامائڈ حصے سے ایف ایم این ایچ بنانے والے آکسیڈائزڈ ایف ایم این کے آئسوالوکسازین حصے میں مرکزی نائٹروجن میں ہائیڈرائڈ کی منتقلی سے مطابقت رکھتا ہے۔ دوسرے مرحلے میں، پانی کا ایک مالیکیول ایف ایم این ایچ کے این 1 ایٹم کو پروٹونٹ کرتا ہے جو ایف ایم این ایچ 2 دیتا ہے۔ 4S راستے کے انزائموں کی انجینئرنگ جنگلی قسم کے 4S راستے کے انزائموں کے لیے ڈیسلفورائزیشن کی شرح صنعتی شعبے میں قابل عمل استعمال کے لیے حاصل کی جانے والی شرح کے مقابلے میں کم ہے۔ اس بائیو ڈی سلفرائزیشن طریقہ کار کے موثر استعمال کے لیے راستے کی مجموعی شرح میں 500 گنا اضافہ ضروری بہتری ہے۔ ہدایت شدہ ارتقاء، عقلی ڈیزائن یا دونوں حکمت عملیوں کا مجموعہ کچھ ایسے طریقے ہیں جن کا اطلاق 4S انزائموں کی اتپریرک کارکردگی اور استحکام کی کمی سے نمٹنے کے لیے کیا گیا ہے۔ 4S راستے میں اب تک کی بہترین بہتری ایک ہدایت شدہ ارتقاء کے نقطہ نظر سے حاصل کی گئی تھی جس میں روڈوکوکس کے تناؤ کو ایک پلاسمڈ انکوڈنگ کے ساتھ تبدیل کیا گیا تھا جس میں ایک ترمیم شدہ ڈی ایس زیڈ اوپیرون (جو ڈی ایس زیڈ اے، ڈی ایس زیڈ بی اور ڈی ایس زیڈ سی کے لیے انکوڈنگ کرتا ہے) تھا۔ ایک میڈیم میں 40 ذیلی کلچر کے واقعات کے بعد جس میں ڈی بی ٹی واحد سلفر کا ذریعہ تھا، ترمیم شدہ روڈوکوکس تناؤ نے 35 گنا بہتری پیش کی۔ ڈی ایس زیڈ سی کی مضبوط ردعمل کی روک تھام سے 4 ایس پاتھ وے پروڈکٹ، ایچ بی پی کے لیے ڈی ایس زیڈ سی کو غیر حساس بنانے کے لیے ہدایت شدہ ارتقاء اور عقلی ڈیزائن کے نقطہ نظر کے امتزاج سے بھی نمٹا گیا۔ ڈی ایس زیڈ سی اے 101 کے میوٹینٹ کا اظہار کرنے والے بیکٹیریل تناؤ نے جنگلی قسم کے تناؤ کے مقابلے میں زیادہ سرگرمی ظاہر کی۔ مزید برآں پروٹین میں ایچ بی پی کی ڈاکنگ سے پتہ چلتا ہے کہ ایچ بی پی ٹرپ 327 کے ساتھ π-تعامل بناتا ہے، اس طرح ڈی ایس زیڈ سی کو روکتا ہے۔ A101K/W327C (AKWC) ڈبل میوٹینٹ کم ایچ بی پی کے ارتکاز کے لیے بے حس ہونے کا انکشاف ہوا اور اے کے ڈبلیو سی ڈی ایس زیڈ سی کا اظہار کرنے والا بیکٹیریل تناؤ جنگلی قسم کے تناؤ سے 14 گنا زیادہ موثر تھا۔ DszB، راستے میں آخری انزائم، بھی 1.7 ± 2.0 منٹ−1 کے کاروبار کی شرح کے ساتھ سست ترین میں سے ایک ہے، جو 4S راستے کی ایک بڑی رکاوٹ بن جاتا ہے۔ ایک کمپیوٹیشنل عقلی ڈیزائن کے نقطہ نظر نے تغیرات کے ایک سیٹ کا تعین کیا جو ڈی ایس زیڈ بی ری ایکشن میکانزم کے دوران فعال سائٹ میں ہونے والی چارج کی منتقلی کو تیز کر سکتا ہے، رد عمل کے لیے ایکٹیویشن انرجی کو کم کر سکتا ہے اور ممکنہ طور پر اس کے کاروبار کی شرح میں اضافہ کر سکتا ہے۔ DszB کی اتپریرک کارکردگی اور تھرموسٹیبلٹی کو بھی ایک تجرباتی میوٹیجینیسیس نقطہ نظر میں حل کیا گیا تھا، Y63F/Q65H ڈبل میوٹینٹ نے اتپریرک کارکردگی کے نقصان کے بغیر انزائم کی تھرموسٹیبلٹی میں اضافے کا انکشاف کیا۔ ڈی ایس زیڈ ڈی کو تھرا 62 باقیات پر شرح بڑھانے والی تغیرات کے لیے بھی نشانہ بنایا گیا ہے۔ اسن اور الا کے باقیات کے ذریعہ تھر 62 کی تبدیلی اس کی سرگرمی میں بالترتیب 5 اور 7 گنا اضافہ کرنے میں کامیاب رہی۔ ایک کمپیوٹیشنل مطالعہ سے پتہ چلتا ہے کہ ڈی ایس زیڈ ڈی ترتیب کی پوزیشن 62 میں متبادل کا این اے ڈی ایچ سے ایف اے ڈی میں ہائیڈرائڈ ٹرانسفر ری ایکشن کے لیے ایکٹیویشن انرجی پر بڑا اثر پڑتا ہے۔ ایس پی ریسیڈیو کے ذریعہ تھر 62 اتپریورتن ایس پی منفی چارج کے ذریعہ پیدا ہونے والے استحکام کے اثر کی وجہ سے اس پوزیشن پر تمام ممکنہ اتپریورتنوں سے سب سے کم ایکٹیویشن توانائی واپس کرتا ہے۔ مزید دیکھیں ڈیسلفورائزیشن حوالہ جات کیمیائی عمل سلفر