Sản xuất calo từ khí carbon dioxide
Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã đẩy nhanh đáng kể quy trình chuyển khí thải công nghiệp thành tinh bột ăn được, đạt năng suất cao gấp 10 lần so với phương pháp đột phá của họ năm 2021. Bước tiến do Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) công bố đưa thế giới đến gần hơn với sản xuất tinh bột ở quy mô công nghiệp mà không cần đất nông nghiệp, cây trồng hay phương thức canh tác truyền thống. Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Sinh học Công nghiệp Thiên Tân (TIB) đã cải tiến hệ thống enzyme không tế bào để chuyển carbon dioxide thành carbohydrate phức hợp với tốc độ hiện vượt xa quá trình quang hợp tự nhiên. Phát triển này có thể tạo nên bước ngoặt về mô hình cho an ninh lương thực toàn cầu, mở ra con đường sản xuất các thành phần thực phẩm thiết yếu và nguyên liệu công nghiệp mà không phải chịu những tổn hại môi trường do canh tác thông thường gây ra.
Nội dung
Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Cai Tao dẫn đầu đã dành 5 năm qua để tối ưu hóa con đường lai hóa học-sinh hóa được công bố lần đầu trên tạp chí Science. Đột phá ban đầu năm 2021 chứng minh có thể tổng hợp tinh bột từ CO2 với tốc độ nhanh gấp 8,5 lần cây ngô. Những cải tiến mới nhất đã nâng sản lượng lên thêm 10 lần, tạo ra một hệ thống hoạt động với hiệu suất trước đây chỉ được xem là giả thuyết lý thuyết. Con đường đồng hóa tinh bột nhân tạo này (ASAP) hiện sẵn sàng thách thức mô hình nông nghiệp đã chi phối nền văn minh nhân loại suốt hàng thiên niên kỷ.
Hóa học của quá trình quang hợp tổng hợp
Quy trình mô phỏng tự nhiên nhưng loại bỏ những điểm kém hiệu quả về sinh học vốn có trong quá trình sinh trưởng của cây. Thay vì chờ nhiều tháng để ngô chín, phương pháp trong phòng thí nghiệm hoàn tất quá trình chuyển đổi chỉ trong vài giờ. Con đường này gồm 11 phản ứng cốt lõi, biến carbon dioxide dạng khí thành tinh bột cao phân tử thông qua chuỗi các bước hóa học và enzyme được phối hợp chặt chẽ.
Trước tiên, chất xúc tác vô cơ khử carbon dioxide thành methanol trong điều kiện được kiểm soát. Phân tử đơn giản này sau đó làm nguyên liệu nền cho chuỗi phản ứng enzyme. Nhóm nghiên cứu thu thập và thiết kế enzyme từ 31 loài khác nhau, lựa chọn và điều chỉnh 62 ứng viên để xác định 10 chất xúc tác hiệu quả nhất. Những cỗ máy sinh học này chuyển methanol thành các đơn vị đường có ba và sáu nguyên tử carbon, sau đó các đơn vị này được trùng hợp thành amylose hoặc amylopectin, hai thành phần chính của tinh bột tự nhiên.
Tinh bột tổng hợp thu được giống hệt tinh bột nông nghiệp về mặt hóa học và vật lý. Các phân tích trong phòng thí nghiệm xác nhận thành phần và tính chất tương đồng, nghĩa là sản phẩm nhân tạo có thể thay thế trực tiếp tinh bột ngô trong thực phẩm, dược phẩm, sản xuất giấy, dệt may, chất kết dính và nhựa phân hủy sinh học. Phương pháp này cũng cho phép tùy chỉnh thành phần tinh bột, qua đó có thể tạo ra các loại tinh bột với tốc độ tiêu hóa hoặc đặc tính chức năng cụ thể, phù hợp với nhu cầu công nghiệp.
Từ phòng thí nghiệm đến nhà máy
Đưa thành công trong phòng thí nghiệm vào ứng dụng thương mại đặt ra những thách thức lớn hơn cả đột phá khoa học. Giáo sư Cai Tao thừa nhận khó khăn trong việc mở rộng quy mô khi trả lời phỏng vấn China Science Daily, giải thích rằng quá trình chuyển từ chứng minh ý tưởng sang ứng dụng công nghiệp đòi hỏi phải vượt qua những rào cản kinh tế đáng kể.
Đi từ số không đến một đã khó, giảm chi phí cũng khó, còn đạt được ứng dụng công nghiệp cuối cùng thì càng khó hơn. Dù vậy, chúng tôi vẫn phải đương đầu với thách thức.
Trở ngại chính là chi phí enzyme. Trong hệ thống ban đầu năm 2021, một enzyme chủ chốt chiếm một nửa tổng chi phí nguyên liệu. Nhóm nghiên cứu tập trung cải thiện điểm nghẽn này, sử dụng trí tuệ nhân tạo để sàng lọc các biến thể enzyme ổn định và hiệu quả hơn, đồng thời phát triển phương pháp tái sử dụng các chất xúc tác sinh học. Những cải tiến này đã giúp giảm đáng kể lượng enzyme cần dùng mà vẫn duy trì hiệu suất phản ứng.
Các nhà nghiên cứu cũng tối ưu hóa điều kiện phản ứng để cắt giảm mạnh chi phí năng lượng. Quy trình vận hành trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát, cho phép thu được sản lượng ổn định, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết, mùa vụ hay biến động khí hậu. Tính ổn định này tương phản rõ rệt với sản xuất nông nghiệp, nơi hạn hán, lũ lụt và sâu bệnh có thể tàn phá sản lượng hằng năm.
Định hình lại kinh tế nông nghiệp
Tiềm năng tiết kiệm tài nguyên không chỉ dừng ở các chỉ số hiệu suất đơn thuần. Theo tính toán của nhóm TIB, một lò phản ứng sinh học có thể tích một mét khối về lý thuyết sản xuất được lượng tinh bột tương đương sản lượng hằng năm của khoảng một phần ba hecta ruộng ngô. Nếu có thể hạ chi phí sản xuất xuống mức cạnh tranh với canh tác truyền thống, công nghệ này có thể loại bỏ nhu cầu sử dụng hơn 90% diện tích đất canh tác và nước ngọt hiện dành cho sản xuất tinh bột.
Sự chuyển đổi trong sử dụng đất này có ý nghĩa sâu rộng đối với nông nghiệp toàn cầu. Hiện nay, sản xuất tinh bột công nghiệp hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào ngô, loại cây trồng cần diện tích đất canh tác lớn, tưới tiêu nhiều và sử dụng lượng phân bón, thuốc trừ sâu đáng kể. Cạnh tranh giữa cây lương thực và nguyên liệu đầu vào công nghiệp trên quỹ đất nông nghiệp hạn chế ngày càng gay gắt khi dân số toàn cầu tăng và biến đổi khí hậu đe dọa năng suất nông nghiệp.
Ma Yanhe, giám đốc sáng lập TIB, đã nêu tầm nhìn định hướng nghiên cứu này trong một tuyên bố năm 2021, và tầm nhìn đó đến nay vẫn còn nguyên ý nghĩa. Ông cho biết công nghiệp hóa vừa là lý tưởng ban đầu vừa là mục tiêu cuối cùng của dự án, đồng thời nhấn mạnh nhóm sẽ không từ bỏ nỗ lực dù gặp khó khăn trong quá trình phát triển.
Lợi ích môi trường còn tăng lên khi xét đến tác động đối với chu trình carbon. Thay vì thải carbon dioxide vào khí quyển, quy trình này tiêu thụ CO2 làm nguyên liệu. Khi sử dụng điện tái tạo, hệ thống có thể sản xuất tinh bột với lượng phát thải carbon âm, chủ động loại bỏ khí nhà kính khỏi khí quyển trong khi tạo ra các sản phẩm có giá trị. Một nghiên cứu năm 2023 của cùng nhóm, đăng trên Science Bulletin, cho thấy hệ thống đạt hiệu suất năng lượng cao gấp 3,5 lần và tốc độ tổng hợp nhanh gấp 23 lần so với các hệ thống thực vật tự nhiên.
Những con đường sinh học thay thế
Trong khi phương pháp enzyme thu hút sự chú ý, các nghiên cứu song song cho thấy còn những con đường khả thi khác để chuyển carbon dioxide thành tinh bột. Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp thay thế sử dụng nấm men được thiết kế, cụ thể là chủng tích lũy lipid Yarrowia lipolytica, để tạo ra thứ mà họ gọi là "vi hạt giàu tinh bột".
Phương pháp sinh học này tái cấu trúc quá trình trao đổi chất của nấm men để tích lũy tinh bột ở mức chiếm tới 47% trọng lượng khô của tế bào. Bằng cách điều chỉnh lại các con đường sinh tổng hợp tinh bột và tân tạo đường, đồng thời biến đổi hình thái tế bào để tăng kích thước, các nhà nghiên cứu đạt năng suất theo không gian và thời gian cao gấp khoảng 50 lần so với canh tác cây trồng truyền thống. Phương pháp dùng nấm men sử dụng acetate, chất có thể được tổng hợp bằng điện từ carbon dioxide nhờ điện tái tạo, qua đó mở ra một con đường khác để sản xuất thực phẩm với lượng phát thải carbon âm.
Nấm men được thiết kế có thể tiêu thụ phụ phẩm nông nghiệp như rơm khi kết hợp với acetate, mở ra hướng chuyển cellulose thành tinh bột ăn được. Khả năng này góp phần giải quyết một thách thức khác của nông nghiệp: phụ phẩm cây trồng chưa được tận dụng hiệu quả. Dù phương pháp enzyme và phương pháp vi sinh khác nhau về cách thực hiện, cả hai đều hướng tới mục tiêu chung là tách sản xuất thực phẩm khỏi canh tác truyền thống.
Bối cảnh trong nước và tác động toàn cầu
Trung Quốc đầu tư vào công nghệ tinh bột tổng hợp trong bối cảnh chịu áp lực lớn trong nước. Quốc gia này phải nuôi sống dân số đông nhất thế giới trong khi nguồn đất nông nghiệp và nước tính theo đầu người hạn chế. Các hoạt động nông nghiệp đóng góp đáng kể vào lượng phát thải carbon quốc gia thông qua sản xuất phân bón, nhiên liệu cho máy móc, khí methane thải ra từ canh tác lúa và hệ thống tưới tiêu tiêu tốn nhiều năng lượng.
Dữ liệu gần đây từ năm 2005 đến 2021 cho thấy Trung Quốc đã theo đuổi mô hình quản lý nông nghiệp ở cả hai quy mô, kết hợp các hoạt động canh tác quy mô lớn hơn với dịch vụ chuyên nghiệp dùng chung nhằm giảm cường độ phát thải carbon trong khi duy trì sản lượng. Tuy nhiên, những cải thiện này có thể chưa đủ khi biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng và đất canh tác bị thoái hóa. Tinh bột tổng hợp là một chiến lược bổ trợ, có thể giải phóng hàng triệu hecta đất để phục hồi hệ sinh thái hoặc trồng cây lương thực, đồng thời đáp ứng nhu cầu carbohydrate của ngành công nghiệp.
Công nghệ này cũng phù hợp với quá trình chuyển dịch năng lượng rộng hơn của Trung Quốc. Khi quốc gia này mở rộng sản xuất điện tái tạo và giảm phát thải của ngành điện, nguồn năng lượng sạch sẵn có sẽ giúp các công nghệ thu giữ và sử dụng carbon ngày càng khả thi. Quy trình chuyển CO2 thành tinh bột cần năng lượng đầu vào, đặc biệt là để chuyển đổi ban đầu thành methanol và sản xuất hydro bằng điện phân nước. Khi được cấp điện từ năng lượng mặt trời hoặc gió, hệ thống thực chất lưu trữ năng lượng điện trong các liên kết hóa học, tạo ra một dạng lưu trữ năng lượng dưới hình thức thực phẩm.
Điểm chính
- Các nhà khoa học Trung Quốc tại Viện Công nghệ Sinh học Công nghiệp Thiên Tân đã tăng năng suất chuyển đổi carbon dioxide thành tinh bột lên gấp 10 lần so với phương pháp đột phá năm 2021.
- Quy trình nhân tạo sử dụng 11 bước enzyme để chuyển CO2 thành tinh bột giống hệt sản phẩm nông nghiệp, với tốc độ hiện nhanh gấp khoảng 85 lần quá trình tổng hợp tinh bột tự nhiên ở cây ngô.
- Một lò phản ứng sinh học một mét khối về lý thuyết có thể đạt sản lượng tinh bột hằng năm tương đương một phần ba hecta ruộng ngô, qua đó có thể tiết kiệm hơn 90% đất và nước dùng trong sản xuất tinh bột truyền thống.
- Các nhóm nghiên cứu đang sử dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa enzyme và giảm chi phí, nhằm giải quyết những rào cản chính đối với ứng dụng công nghiệp thương mại.
- Nghiên cứu song song sử dụng nấm men được thiết kế đưa ra một con đường sinh học thay thế, với năng suất theo không gian cao gấp 50 lần so với canh tác cây trồng và sử dụng acetate tổng hợp bằng điện làm nguyên liệu đầu vào.
- Công nghệ này có thể giảm phát thải carbon từ nông nghiệp, chấm dứt cạnh tranh đất canh tác giữa cây lương thực và cây trồng công nghiệp, đồng thời tạo ra phương thức sản xuất với lượng phát thải carbon âm khi sử dụng năng lượng tái tạo.
