બાયો-ગૅસ

બાયો-ગૅસ : કોઈ પણ જૈવભાર(biomass)નું અજારક પાચન (anaerobic digestion) થાય તે રીતે આથવણ કરતાં મળતો વાયુ. આ બાયો-ગૅસમાં સામાન્ય રીતે 50 %થી 70 % મીથેન, 30 %થી 40 % કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ તથા થોડી માત્રામાં હાઇડ્રોજન, નાઇટ્રોજન અને હાઇડ્રોજન-સલ્ફાઇડ હોય છે. આ વાયુઓ દહનશીલ છે અને 26 મિલિયન-જૂલ પ્રતિ ઘનમીટર (MJ/m³) જેટલી ઊર્જા ધરાવે છે. આ પદ્ધતિ મહદંશે ભારત, ચીન અને અન્ય વિકાસશીલ દેશોમાં વધારે પ્રચલિત થઈ છે.

બાયો-ગૅસના ઉત્પાદનમાં મહત્વની એવી અજારક આથવણની પ્રક્રિયામાં અનેક પ્રકારના બૅક્ટેરિયાઓ પરસ્પર સંકળાયેલી અનેક પ્રક્રિયાઓ કરે છે અને અંતમાં મીથેનોજનક (methanogen) બૅક્ટેરિયા દ્વારા મીથેન અને કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ ઉત્પન્ન થાય છે. અજારક આથવણની ક્રિયા ઑક્સિજનની ગેરહાજરીમાં થાય છે. અહીં આ પ્રક્રિયાઓમાં પ્રથમ તો કાર્બનિક બહુલક(polymer)નું અજારક સૂક્ષ્મ બૅક્ટેરિયા દ્વારા વિઘટન થવાથી એકલક (monomer) બને છે. આ ક્રિયામાં સેલ્યુલોઝ તથા લિપિડનું પાચન કરતા ઉત્સેચકો (enzymes) ભાગ લેતા હોય છે; પરંતુ આ પ્રક્રિયામાં કાર્યરત હાઇડ્રોલિટિક અને ફર્મેન્ટેટિવ બૅક્ટેરિયા જૈવભારમાં રહેલ લિગ્નિનનું વિઘટન કરી શકતા નથી. આ બૅક્ટેરિયાઓ દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ પદાર્થો મીથેનોજનક બૅક્ટેરિયાઓ માટે આધાર પૂરો પાડે છે, જેમાં પ્રક્રિયાના પ્રકાર મુજબ ઍસિટેટ, ફૉર્મેટ, હાઇડ્રોજન તથા કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ ઉત્પન્ન થાય છે. અન્ય પ્રકારના બૅક્ટેરિયા ઑબ્લિગેટ પ્રોટૉન રિડ્યુસિંગ બૅક્ટેરિયા તરીકે ઓળખાય છે. આ બૅક્ટેરિયા અપચયિત નિકોટિનેમાઇડ ઍડેનાઇન ડાઇન્યૂક્લિઓટાઇડ (NADH) પ્રકારના ઉત્સેચકનું હાઇડ્રોજન આયન (પ્રોટૉન) સાથે ઑક્સિડેશન થતાં NAD⁺ ઉત્સેચક અને હાઇડ્રોજન વાયુને છૂટા પાડે છે. આ પ્રકારના બૅક્ટેરિયા સતત હાઇડ્રોજન વાયુ ઉત્પન્ન થઈને વહેતો હોય તેવા વાતાવરણમાં વૃદ્ધિ પામતા જોવા મળે છે. આ બૅક્ટેરિયા બ્યૂટાયરેટ, પ્રૉપિયોનેટ તથા લાંબી શૃંખલા ધરાવતા ચરબીજ ઍસિડોને ઍસિટેટમાં ફેરવે છે અને હાઇડ્રોજન વાયુ ઉત્પન્ન કરે છે. કેટલાક બૅક્ટેરિયાના પ્રકારો ઓળખી શકાયા છે, જેમાં સિન્ટ્રોફોમોનસ વૉલ્ફાઇ તથા સિન્ટ્રોફોબેક્ટર વૉલિનાઇ મુખ્ય છે. અંતિમ તબક્કાના મીથેનોજનક બૅક્ટેરિયા અજારક પાચન માટે જાણીતા છે. તેમના વિકાસ માટે ઑક્સિજન વગરનું વાતાવરણ જરૂરી છે. મેકઆઇનરની તથા સાથી વૈજ્ઞાનિકોએ દર્શાવ્યું કે એમ. ઓમેલિયાનસ્કી પ્રકારના બૅક્ટેરિયા હાઇડ્રોજન (H₂) અને કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ (CO₂) વાયુઓનો ઉપયોગ કરીને મીથેન (CH₄) ઉત્પન્ન કરે છે અને સાથે સાથે ઊર્જા પણ પ્રાપ્ત કરે છે, જેની પ્રક્રિયા તથા મુક્ત ઊર્જાની કિંમત નીચે મુજબ છે :

4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O, ΔG° = –139 કિલોજૂલ પ્રતિમોલ.

જ્યારે નવ અન્ય પ્રકારના બૅક્ટેરિયા ફૉર્મેટનું મીથેન અને કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડમાં રૂપાંતર કરીને વૃદ્ધિ પામે છે, જ્યારે ત્રણ પ્રકારના બૅક્ટેરિયા ઍસિટેટ (CH₃COO^–), મીથેનૉલ તથા મીથાઇલએમાઇન ઉપર વૃદ્ધિ પામે છે. આશરે 70 % જેટલો મીથેન ઍસિટેટમાંથી મળે છે, જેની પ્રક્રિયા તથા મુક્ત ઊર્જાની કિંમત નીચે પ્રમાણે છે :

CH₃COO^– + H₂O → HCO₃^– + CH₄, ΔG° = – 30 કિલો જૂલ પ્રતિમોલ.

આ સમગ્ર પ્રક્રિયાને નીચે એક આકૃતિ વડે દર્શાવેલ છે. 1950ના દશકામાં હંગેઇટ દ્વારા બૅક્ટેરિયાઓ વડે થતી પ્રક્રિયાઓની મદદથી મીથેન મેળવવા પ્રયાસ થયો હતો.

બાયો-ગૅસ ઉત્પન્ન કરવા માટે વપરાતા ડાયજેસ્ટર જેમાં આથવણની (ફર્મેન્ટેશનની) પ્રક્રિયા થાય છે તે પાત્ર ગ્રામવિસ્તાર તેમજ ઔદ્યોગિક વિસ્તાર માટે આવશ્યકતાનુસાર અલગ અલગ હોય છે. ડાયજેસ્ટરો (1) બૅચ અને (2) સાતત્ય પદ્ધતિવાળા હોય છે. બૅચ પદ્ધતિમાં સમગ્ર માધ્યમને દૂર કરીને, આથવણની ટાંકીને સાફ કરીને ફરીથી નવી બૅચ ચાલુ કરાય છે. સાતત્યવાળી પદ્ધતિમાં આથવણ પામેલો પદાર્થ તથા માધ્યમનો કેટલોક ભાગ કાઢી લઈને ચાલુ પ્રક્રિયાએ તાજું માધ્યમ સમયાંતરે ઉમેરવામાં આવે છે.

બાયો-ગૅસ ઉત્પન્ન કરવા માટે અનેક પ્રકારના નકામા કચરાનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, દા.ત., (1) ઉદ્યોગો દ્વારા ઉત્પન્ન કરાયેલ કચરો (ડિસ્ટિલરી, ખાંડ-ઉદ્યોગ વગેરે), (2) પશુઓ દ્વારા ઉત્સૃષ્ટ પદાર્થો (છાણ, લાદ વગેરે), (3) ખેતરમાંનું નકામું ઘાસ અને વનસ્પતિ અને (4) માનવનાં મળ-મૂત્ર તથા ઘરોમાં ઉત્પન્ન થયેલ કચરો વગેરે.

સામાન્ય રીતે ડાયજેસ્ટરોને આથવણ માટે બે જુદી જુદી અવધિનાં તાપમાનોએ વાપરી શકાય છે. મધ્યરાગીય (mesophilic) અવધિનાં તાપમાનો 20°–25° સેલ્સિયસથી 40°–50° સેલ્સિયસ સુધીનાં છે. તાપરાગી (thermophilic) અવધિ 50°–55° સેલ્સિયસથી 60–65° સેલ્સિયસની છે. બંને અવધિઓમાં અલગ અલગ પ્રકારના બૅક્ટેરિયાઓ વૃદ્ધિ પામે છે. આ બંને અવધિઓના લાભાલાભ પણ છે.

બાયો-ગૅસના ઉત્પાદનની માત્રા જાણવા ગૅસ-પ્રાપ્તિનો પ્રાચલ (parameter) જાણવો જરૂરી છે. આ પ્રાચલ વડે જૈવભારનું કેટલી માત્રામાં આથવણ થયું અને કેટલો ગૅસ ઉત્પન્ન થયો તે જાણી શકાય છે. ડાયજેસ્ટરમાં કાર્બનિક પદાર્થો ઉમેરતાં તેમના પ્રતિએકમ વજન-દીઠ ઉત્પન્ન થતા વાયુના કદને ગૅસ-પ્રાપ્તિ (gas-yield) પ્રાચલ કહે છે. તેને ઘન મીટર વાયુ પ્રતિકિલોગ્રામ બાષ્પશીલ ઘન (volatile solid VS) વડે એટલે કે મીટર³(વાયુ)/કિલોગ્રામ (બાષ્પશીલ ઘન) (m³gas Kg VS^–1) વડે દર્શાવાય છે. કેટલાક શુદ્ધ કાર્બનિક પદાર્થો માટે ‘ગૅસ-યીલ્ડ’ પ્રાચલની કિંમત અહીં સારણીમાં દર્શાવેલ છે.

કેટલાક શુદ્ધ કાર્બનિક પદાર્થોનો આધાર તરીકે ઉપયોગ કરી બૅક્ટેરિયા વડે તેનું સંપૂર્ણપણે મીથેન અને કાર્બન–ડાયૉક્સાઇડમાં વિઘટન થતાં મળતા ગૅસ–પ્રાપ્તિ પ્રાચલોની કિંમતો
કાર્બનિક પદાર્થો	ગૅસ-યીલ્ડ પ્રાચલ
સ્ટાર્ચ / સેલ્યુલોઝ / ગ્લુકોઝ	0.8 m3kg–1
ચરબીજ ઍસિડો (સ્ટિયરેટ ઉપર આધારિત)	1.5 m3kg –1
પ્રોટીન (C5H7NO2 ઉપર આધારિત)	0.9 m3kg –1

બાયો-ગૅસના ઉત્પાદન ઉપર જુદાં જુદાં પરિબળો અસર કરે છે; જેમાં કચરાનો પ્રકાર, પ્રક્રિયા માટેનું તાપમાન, જે કચરો ઉમેરવામાં આવે છે તેનું કદ, ધારણનો સમય (retention time) વગેરે છે. જો ધારણનો સમય વધારવામાં આવે તો વિશાળ ડાયજેસ્ટર જોઈએ અને તે માટે વધારે મૂડીરોકાણ કરવું પડે. આધુનિક, આર્થિક રીતે કિફાયતી ડાયજેસ્ટર માટે પ્રાચલનનું તાપમાન (operating temperature), ધારણનો સમય અને ઉત્પન્ન થયેલ ઊર્જા વચ્ચે બિનરેખીય (non-linear) સંબંધ કમ્પ્યૂટર વડે સ્થાપિત કરીને આ પ્રાચલો એવી રીતે ગોઠવવામાં આવે છે કે મહત્તમ ઊર્જા પ્રાપ્ત થાય.

ઍનેરોબિક ડાયજેસ્ટર રિસર્ચ ઍન્ડ ડેવલપમેન્ટ સેન્ટર (વેઇલ્સ પૉલિટેકનિક), રાષ્ટ્રસંઘ મિશન (નેપાળ) તથા ભારત સરકારના બિનપરંપરાગત ઊર્જાસ્રોતોના મંત્રાલયના નેજા હેઠળ બાયો-એનર્જી બૉર્ડ, બાયો-ગૅસ સંશોધન તથા પ્રચાર માટે કાર્યાન્વિત છે.

મિહિર જોશી