कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण और जैवविघटनशीलता: स्थिरता को ध्यान में रखते हुए प्लास्टिक संकट से लड़ना

CO2 उत्सर्जन और पृथ्वी पर गैर‑जैवविघटनशील प्लास्टिक की उपस्थिति दोनों ही ऐसे खतरे हैं जो अपरिवर्तनीय क्षति पहुंचाते हैं। विशेष रूप से, कार्बन डाइऑक्साइड, जो एक गर्मी‑पकड़ने वाला गैस है, ग्रह को गर्म करती है और अंततः जलवायु परिवर्तन का कारण बनती है। 

यह गर्मी प्रभाव NASA के अनुमान द्वारा उजागर किया गया है, जो दर्शाते हैं कि मानव गतिविधियों ने कम से कम 200 वर्षों में वायुमंडल में कार्बन डाइऑक्साइड की मात्रा 50% बढ़ी। स्थिति को और बिगाड़ने वाले गैर‑जैवविघटनशील प्लास्टिक हैं, जो स्टाइरोज़ोफ़ोम, डिस्पोजेबल प्लास्टिक बैग और प्लास्टिक पानी की बोतलों जैसे पदार्थों से बनते हैं, और ये भूजल, खाद्य श्रृंखला को दूषित करके और हवा को प्रदूषित करके एक और गंभीर खतरा उत्पन्न करते हैं।

इन आपस में जुड़े चुनौतियों का समाधान करने के लिए, ओसाका मेट्रोपॉलिटन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने अब एक ऐसा नवाचार तैयार किया है जो इन दोनों चुनौतियों को एक ही मार्ग से संबोधित करता है। उन्होंने फ्यूमरिक एसिड का उत्पादन करने का एक अभिनव और कुशल तरीका विकसित किया है, जो कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन स्तर को कम करेगा और कचरे को पुनः उपयोग करके जैवविघटनशील प्लास्टिक बनाएगा। आइए हम इस नवाचार का अर्थ और यह कैसे काम करता है, इसे गहराई से समझें।

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फ्यूमरिक एसिड का स्थायी उत्पादन

फ्यूमरिक एसिड जैवविघटनशील प्लास्टिक का एक घटक है। यह पारंपरिक रूप से पेट्रोलियम, कार्बन डाइऑक्साइड और बायोमास‑उत्पन्न यौगिकों से प्राप्त होता है। अब, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा समाधान निकाला है जिससे फ्यूमरिक एसिड को स्थायी और कुशलता से उत्पन्न किया जा सकता है। इस समान लक्ष्य की ओर दो अध्ययन किए गए हैं। 

पहले अध्ययन में, ओसाका मेट्रोपॉलिटन यूनिवर्सिटी (OMU) के आर्टिफिशियल फोटोसिंथेसिस रिसर्च सेंटर के प्रोफेसर युटाका आमाओ के नेतृत्व में एक शोध टीम ने बाइकार्बोनेट और बायोमास‑उत्पन्न पाइरूविक एसिड से फ्यूमरिक एसिड का संश्लेषण करने के तरीके प्रदर्शित किए। इस प्रक्रिया में उपयोग की गई ऊर्जा नवीकरणीय सौर ऊर्जा थी। 

वैज्ञानिकों ने कार्बन डाइऑक्साइड को कच्चे माल के रूप में उपयोग करके फ्यूमरिक एसिड का उत्पादन करने में भी सफलता प्राप्त की, जो सीधे गैस अवस्था से आया था। हालांकि, प्रयोग में एक सीमा थी। यह फ्यूमरिक एसिड की पर्याप्त मात्रा उत्पन्न नहीं कर सका। उत्पादन कम ही रहा। 

हालाँकि, अगले शोध में वैज्ञानिकों ने इस चुनौती को पार किया। उन्होंने एक नया फोटोसेन्सिटाइज़र विकसित किया और आर्टिफिशियल फोटोसिंथेसिस में प्रगति की, जिससे पारंपरिक विधियों की तुलना में फ्यूमरिक एसिड की उपज दोगुनी हो गई। 

वैज्ञानिकों ने एक प्रभावी विधि विकसित की जिससे गैसीय CO2 और पाइरूवेट से दृश्यमान‑प्रकाश‑संचालित फ्यूमरैट उत्पन्न किया जा सके, जिसमें ट्राईएथेनॉलामाइन, कैटायनिक जल‑घुलनशील जिंक पोर्फ़िरिन, जिंक टेट्राकिस(4‑N, N, N‑ट्राइमिथाइल एमिनोफेनाइल)पॉर्फ़िरिन, पेंटामेथाइलसाइक्लोपेंटाडीनिल समन्वित रोडियम(III) 2,2′‑बाइपाइरिडिल कॉम्प्लेक्स, NAD+, मालेट डिहाइड्रोजेनेज़ (NAD+‑निर्भर ऑक्सालोएसेट‑डिकार्बोक्सिलेटिंग) और फ्यूमरास शामिल थे। 

यह शोध, जिसका शीर्षक “कैटायनिक जिंक पोर्फ़िरिन‑आधारित फोटो‑कॅटलिटिक सिस्टम के साथ द्वि‑बायोकैटलिस्ट द्वारा गैसीय CO2 और पाइरूवेट से प्रभावी दृश्यमान‑प्रकाश‑संचालित फ्यूमरैट उत्पादन” है, ओसाका के इन्स्टिट्यूट ऑफ फ़रमेंटेशन द्वारा समर्थित था। 

समग्र रूप से, इस शोध ने प्रयोगात्मक रूप से सिद्ध किया है कि एक उन्नत आर्टिफिशियल फोटोसिंथेसिस उत्प्रेरक का निर्माण संभव है, जो जैवविघटनशील प्लास्टिक के उत्पादन में कार्बन डाइऑक्साइड का अधिक कुशल उपयोग कर सकता है। 

हालाँकि, यदि हम आगे सोचें और यह मूल्यांकन करने की कोशिश करें कि आर्टिफिशियल फोटोसिंथेसिस और जैवविघटनशील प्लास्टिक को स्थायी और कुशलता से उत्पादन करने में इसका योगदान क्यों एक突破 माना जाता है, तो हम देखेंगे कि प्लास्टिक एक खतरा रहा है, और इसे स्थायी‑उत्पादित जैवविघटनशील बनाने के सभी प्रयासों की सराहना और प्रोत्साहन किया जाना चाहिए। 

पृथ्वी पर प्लास्टिक से जुड़ी सबसे गंभीर क्षति में से एक माइक्रोप्लास्टिक द्वारा उत्पन्न होती है। संयुक्त राज्य राष्ट्रीय समुद्री और वायुमंडलीय प्रशासन (NOAA) माइक्रोप्लास्टिक को परिभाषित करता है के रूप में पाँच मिलीमीटर से छोटे छोटे प्लास्टिक टुकड़ों को दर्शाता है, जो हमारे स्वास्थ्य, समुद्र और जलीय जीवन को नुकसान पहुंचाते हैं। इस श्रेणी में ऐसे प्लास्टिक भी शामिल हैं जो जानबूझकर छोटे आकार के लिए बनाए जाते हैं। माइक्रोबीड्स, जो कई स्वास्थ्य और सौंदर्य उत्पादों में उपयोग होते हैं, इस वर्ग में आते हैं। ये माइक्रोप्लास्टिक कई हानिकारक प्रभाव रखते हैं।

माइक्रोप्लास्टिक हमारे शरीर में प्रवेश करते हैं विभिन्न मार्गों से, जिसमें हम जो पानी पीते हैं, जो भोजन खाते हैं और जो खाद्य कंटेनर उपयोग करते हैं, सभी माइक्रोप्लास्टिक के मौखिक सेवन के मार्ग हैं। अतिरिक्त रूप से, हम हवा के माध्यम से माइक्रोप्लास्टिक को साँस में लेते हैं, और हमारे व्यक्तिगत देखभाल उत्पाद और मोबाइल फ़ोन केस, जिनमें माइक्रोप्लास्टिक होते हैं, हमारे व्यक्तिगत संपर्क में आने के लिए रास्ते बनाते हैं।

एक बार मानव शरीर के भीतर प्रवेश करने पर, ये माइक्रोप्लास्टिक कई स्वास्थ्य समस्याओं का कारण बन सकते हैं। इन्हें ऑक्सीडेटिव तनाव और DNA क्षति उत्पन्न करने, मेटाबॉलिक विकारों को जन्म देने और यकृत, आंत, मस्तिष्क और श्वास मार्ग जैसे महत्वपूर्ण अंगों में कार्यविघटन का कारण बनने के लिए जाना जाता है। इसके अलावा, माइक्रोप्लास्टिक की विषाक्तता हमारी प्रजनन और विकास क्षमताओं को नुकसान पहुंचा सकती है, जो मानव स्वास्थ्य पर उनके प्रभाव की गंभीरता को दर्शाती है।

माइक्रोप्लास्टिक की समस्या मानव स्वास्थ्य से परे समुद्री जीवन को भी नुकसान पहुंचाती है। ये कण मछलियों और अन्य जलीय जीवों पर विषाक्त प्रभाव डालते हैं, उनके विकास और वृद्धि को रोकते हैं, मृत्यु दर बढ़ाते हैं, सूजन उत्पन्न करते हैं, तैरने की गति घटाते हैं, जीवंतता और शरीर की लंबाई कम करते हैं, और आंत संबंधी चोटें पैदा करते हैं। यह प्रमाण पर्यावरण में माइक्रोप्लास्टिक प्रदूषण को रोकने और समाप्त करने की तत्काल आवश्यकता को रेखांकित करता है।

इन सबके प्रकाश में, हालिया अंडरवाटर डाइव सर्वेक्षण ने नवाचारी कचरा संग्रह समाधान की तात्कालिक आवश्यकता को उजागर किया है। उदाहरण के लिए, डेज़र्ट रिसर्च इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं द्वारा लेक टाहो के तल में किए गए एक क्रांतिकारी सर्वेक्षण ने प्रति किलोमीटर औसत 83 प्लास्टिक कचरे के टुकड़े पाए, और तल में कोई भी हिस्सा प्लास्टिक कचरे से मुक्त नहीं मिला। सामान्य रूप से पहचाने गए वस्तुओं में खाद्य कंटेनर, बोतलें, प्लास्टिक बैग और खिलौने शामिल थे, जबकि सबसे आम छह प्रकार के प्लास्टिक पीवीसी, पॉलीस्टाइरीन, पॉलिएस्टर/पॉलीएथिलीन टेरेफ़्थेलेट, पॉलीएथिलीन, पॉलीप्रोपिलीन और पॉलीऐमाइड थे।

जबकि कई समाधान प्रदाता हैं जो जल के नीचे प्लास्टिक को साफ करने के व्यावहारिक विकल्प प्रदान करते हैं, शोधकर्ता भी एक ‘सस्टेनेबिलिटी मैट्रिक‘ की संभावनाओं का मूल्यांकन करने में रुचि रखते हैं ताकि प्लास्टिक प्रदूषण को कम किया जा सके। वुड्स होल ओशियानोग्राफिक इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं ने पर्यावरण में कम स्थायित्व वाले प्लास्टिक उत्पादों के इकोलॉजिकल डिज़ाइन के लिए एक सस्टेनेबिलिटी मैट्रिक विकसित किया। शोधकर्ताओं का मानना था कि यह मैट्रिक पर्यावरणीय और सामाजिक लाभ प्रदान कर सकता है। 

अध्ययन ने प्लास्टिक प्रदूषण के खतरे से निपटने का एक नवाचारी और रचनात्मक तरीका दिखाया। यह दृष्टिकोण सामाजिक प्रभाव लेखांकन अभ्यासों के समान माना जा सकता है। इसने प्लास्टिक और उनके विकल्पों के पर्यावरणीय प्रभाव के सूचकांकों की तुलना की, जिससे यह स्पष्ट हुआ कि प्लास्टिक की पर्यावरणीय स्थायित्व को ध्यान में रखकर और उन्हें प्रभावी रूप से बदलकर एकल उपभोक्ता उत्पाद के लिए सैकड़ों मिलियन डॉलर की बचत संभव है। 

अध्ययन के प्रमुख लेखक, ब्रायन जेम्स, एक सामग्री वैज्ञानिक और इंजीनियर, ने कहा:

“महत्वपूर्ण यह निर्धारित करना है कि हम कैसे कार्यात्मक, स्थायी और हानिरहित सामग्री, उत्पाद और प्रक्रियाएँ डिजाइन कर सकते हैं जो भविष्य की दुनिया में रहने के लिए ग्रीन मैटेरियल इंजीनियरिंग के सभी सिद्धांतों को सम्मिलित करती हों।”

समग्र रूप से, पर्याप्त रूप से जैवविघटनशील प्लास्टिक बनाना और उनके लिए उपयुक्त विकल्पों की पहचान करना वैज्ञानिक और तकनीकी समुदाय को व्यस्त रखता है। इस क्षेत्र में कई कंपनियाँ, बड़ी और छोटी, सक्रिय रूप से काम कर रही हैं।  

#1. Mitsubishi Chemical Group

Mitsubishi Chemical Group इस क्षेत्र में काफी समय से सक्रिय भागीदार रहा है। अक्टूबर 2012 में स्थापित जापान टेक्नोलॉजिकल रिसर्च एसोसिएशन ऑफ आर्टिफिशियल फोटोसिंथेटिक केमिकल प्रोसेस (ARPChem) का सदस्य होने के नाते, Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) ने न्यू एनर्जी एंड इंडस्ट्रियल टेक्नोलॉजी डेवलपमेंट ऑर्गेनाइज़ेशन (NEDO) द्वारा संचालित एक आर्टिफिशियल फोटोसिंथेसिस परियोजना में भाग लिया। तब से, Mitsubishi ने प्रक्रिया की दक्षता और अनुकूलन को बढ़ाने के लिए लगातार प्रयास किया है। 

हमारी चर्चा की शुरुआत में फ्यूमरिक एसिड के स्थायी उत्पादन पर बात हुई थी। हालांकि, Mitsubishi Chemical Group के प्रयास ओलेफिन के उत्पादन की ओर निर्देशित हैं। 

इस प्रक्रिया में, एक सिंथेटिक उत्प्रेरक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जो अलग‑अलग हाइड्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड के बीच प्रतिक्रिया को सक्षम करता है। Mitsubishi ने उपयुक्त उत्प्रेरक विकसित करने और आवश्यक प्रक्रिया तकनीकों को परिष्कृत करने में नवाचारी कार्य किया है, जिससे उपज में उल्लेखनीय वृद्धि हुई है और ओलेफिन उत्पादन अधिक कुशल बन गया है। 

परिणामस्वरूप, ओलेफिन प्लास्टिक निर्माण के लिए एक प्रभावी रूप से उत्पादित कच्चा माल बन गया है, जो रासायनिक उद्योग में स्थायी निर्माण प्रथाओं को आगे बढ़ाने में Mitsubishi के योगदान को दर्शाता है।

NEDO द्वारा संचालित ग्रीन इनोवेशन प्रोजेक्ट ने फरवरी 2022 में आर्टिफिशियल फोटोसिंथेसिस‑आधारित रासायनिक कच्चे माल उत्पादन के लिए Mitsubishi के व्यावसायिक विकास को फंडिंग के लिए चुना। 

विकास के आगे के चरणों में, यह प्रक्रिया पेट्रोलियम से कच्चे माल को बदलकर कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करके प्लास्टिक उत्पादन तकनीक विकसित करेगी, जिसमें पेट्रोकेमिकल निर्माण तकनीक, उत्प्रेरक विकास तकनीक और अन्य तकनीकों को शामिल किया जाएगा, जो विश्वविद्यालयों और अनुसंधान संस्थानों के साथ सहयोग में विकसित की गई हैं। 

Mitsubishi Corporation एकीकृत रिपोर्ट प्रकाशित किया जो 31 मार्च, 2023 को समाप्त होने वाले वित्तीय वर्ष के लिए है। कंपनी ने US$159 बिलियन से अधिक कमाए।

#2. Evonik and Siemens

जिसे तकनीकी फोटोसिंथेसिस कहा जाता है, दो कंपनियाँ, Evonik और Siemens, नवीकरणीय ऊर्जा और बैक्टीरिया का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड को विशेष रसायनों में बदल रही हैं। ये कंपनियाँ इस कार्य को Rheticus नामक एक संयुक्त अनुसंधान परियोजना के तहत कर रही हैं। अनुसंधान के पहले चरण में ब्यूटेनॉल और हेक्सेनॉल जैसे रसायनों का उत्पादन हुआ, जो दोनों विशेष प्लास्टिक और खाद्य सप्लीमेंट्स के फीडस्टॉक हैं। 

Evonik के स्ट्रैटेजिक रिसर्च डिपार्टमेंट Creavis के प्रोजेक्ट के जिम्मेदार डॉ. थॉमस हाउस के अनुसार: 

“Rheticus प्लेटफ़ॉर्म के साथ, हम दिखाना चाहते हैं कि आर्टिफिशियल फोटोसिंथेसिस संभव है।”

इस लक्ष्य को साकार करने के लिए, Evonik और Siemens अपनी मुख्य क्षमताओं के अनुसार योगदान दे रहे हैं। उदाहरण के लिए, Siemens प्रक्रिया को इलेक्ट्रोलिसिस तकनीक से सशक्त बना रहा है, जिसका उपयोग पहले चरण में बिजली से कार्बन डाइऑक्साइड और पानी को हाइड्रोजन और कार्बन मोनोऑक्साइड में बदलने के लिए किया जाएगा। 

Evonik का योगदान फ़र्मेंटेशन प्रक्रिया को सुदृढ़ करने पर केंद्रित है, जिसमें कार्बन मोनोऑक्साइड युक्त गैसों को विशेष माइक्रोऑर्गेनिज़्म द्वारा मेटाबोलिक प्रक्रियाओं के माध्यम से उपयोगी उत्पादों में परिवर्तित किया जाएगा। 

प्लास्टिक और विशेष रसायन उद्योग में इसकी संभावनाओं को समझाते हुए, डॉ. हाउस ने कहा:

“इसका मॉड्यूलर स्वरूप और स्थान, कच्चे माल स्रोत और निर्मित उत्पादों के संदर्भ में लचीलापन इसे विशेष रसायन उद्योग के लिए विशेष रूप से आकर्षक बनाता है। हमें विश्वास है कि अन्य कंपनियाँ इस प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग करके अपने मॉड्यूल के साथ इसे एकीकृत करके अपने रासायनिक उत्पादों का निर्माण करेंगी।”

According to the latest available annual financials, Evonik Group registered sales of nearly 18.5 billion Euros in 2022. Of this revenue, specialty additives and nutrition & care contributed 23% each. Revenue from smart materials constituted 26% of the revenue, while performance materials contributed 20%, and technology and infrastructure products and services contributed 8%. 

In the fiscal year 2023, Siemens recorded an annual revenue of close to 22 million Euros, a significant increase from 19.5 billion Euros recorded in FY 2022. 

प्लास्टिक और हमारी स्थिरता की यात्रा

सामूहिक प्रयासों के माध्यम से, हमें यह सुनिश्चित करना चाहिए कि हम बायोप्लास्टिक से भरपूर भविष्य की ओर सही कदम उठा रहे हैं, जो या तो जैवविघटनशील प्लास्टिक होते हैं या स्वयं बायो‑बेस्ड सामग्री, जो नवीकरणीय संसाधनों से ऊर्जा प्राप्त करती हैं। ये बायोप्लास्टिक, अपनी टिकाऊपन और उपयोगिता के संदर्भ में, पारंपरिक प्लास्टिक से कम नहीं होंगे। इन्हें पारंपरिक प्लास्टिक मशीनों से प्रोसेस किया जा सकता है और पारंपरिक वेयरहाउस में रखा जा सकता है, जिससे संसाधन की अनावश्यकता समाप्त हो जाएगी।

प्लास्टिक कचरे की समस्या के लिए एक व्यवहार्य विकल्प न निकाल पाने से कई देशों के लिए गंभीर खतरे उत्पन्न हो सकते हैं। उदाहरण के तौर पर, दक्षिण‑पूर्व एशिया पहले से ही प्लास्टिक प्रदूषण का ‘हॉट स्पॉट’ बन चुका है, जो तेज़ शहरीकरण और बढ़ते मध्यम वर्ग द्वारा और अधिक बढ़ा है। प्रभावी बुनियादी ढाँचे की कमी के कारण, यह पुनर्चक्रण योग्य प्लास्टिक की दक्षता को घटा रहा है।

COVID अवधि के दौरान मास्क, सैनिटाइज़र बोतलें और ऑनलाइन डिलीवरी पैकेजिंग के उपयोग से कचरे के दुरुपयोग की समस्या और बढ़ गई। विश्व बैंक के डेटा के अनुसार, थाईलैंड, फ़िलिपींस और मलेशिया जैसे देशों में पुनर्चक्रण योग्य प्लास्टिक के सामग्री मूल्य का 75% से अधिक खो जाता है – अर्थात् जब एक‑बार उपयोग होने वाले प्लास्टिक को पुनः प्राप्त करने या पुनर्चक्रण करने के बजाय फेंक दिया जाता है, तो यह लगभग $6 बिलियन वार्षिक नुकसान बन जाता है।

ऐसे कचरा प्रबंधन की कमी और बुनियादी ढाँचे की अपर्याप्तता को देखते हुए, बायोप्लास्टिक सबसे प्रभावी विकल्प के रूप में उभरते हैं, जो ऐसी लापरवाहियों से स्वतंत्र है। इसके अलावा, बायोप्लास्टिक हमारी स्थिरता प्रयासों में मदद करते हैं क्योंकि वे पारंपरिक जीवाश्म ईंधन पर कम निर्भर होते हैं। जैवविघटनशील प्लास्टिक का उपयोग करने से निपटान और पुनर्चक्रण के अंत‑जीवन परिदृश्य भी बेहतर होते हैं।

फिर भी, बायोप्लास्टिक का हिस्सा अभी भी हमारे भविष्य के लिए आवश्यक स्तर से बहुत कम है। एक अनुमान के अनुसार, वैश्विक स्तर पर प्रति वर्ष 367 मिलियन टन प्लास्टिक उत्पादन में बायोप्लास्टिक का हिस्सा अभी भी एक प्रतिशत से कम है। हालांकि, यह विभिन्न अनुप्रयोग क्षेत्रों जैसे पैकेजिंग, उपभोक्ता वस्तुएँ, निर्माण, ऑटोमोटिव और परिवहन, वस्त्र, कृषि और बागवानी, इलेक्ट्रॉनिक्स, कोटिंग और चिपकने वाले आदि में आने वाले वर्षों में उल्लेखनीय वृद्धि देखने की उम्मीद है।

कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण और नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों द्वारा संचालित प्लास्टिक घटकों के स्थायी उत्पादन जैसी अत्याधुनिक शोध‑समर्थित तकनीकें प्लास्टिक से निपटने के तरीकों पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालेंगी। ये प्रक्रियाएँ न केवल बेहतर पर्यावरण‑अनुकूल प्लास्टिक का अर्थ होंगी, बल्कि एक उत्पादन पारिस्थितिकी तंत्र भी प्रदान करेंगी जो स्थायी और लगभग शून्य उत्सर्जन वाला होगा।