Vỏ của động vật giáp xác và chất thải gỗ chẳng hạn như cành cây thường được tập kết ở các bãi rác. Tuy nhiên, những vật liệu phế thải này có thể được tái tạo để trở thành thuốc và chất bổ sung dinh dưỡng, với sự trợ giúp từ một quy trình mới do các nhà nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Singapore (NUS) phát triển.

Một nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Yan Ning và Trợ lý Giáo sư Zhou Kang từ Khoa Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học tại Khoa Kỹ thuật NUS đã phát minh ra phương pháp biến vỏ tôm và cua thành L-DOPA, một loại thuốc được sử dụng rộng rãi để điều trị bệnh Parkinson. Một phương pháp tương tự có thể được sử dụng để chuyển chất thải gỗ thành Proline, chất cần thiết cho sự hình thành collagen và sụn khỏe mạnh.

Phương pháp chuyển đổi của nhóm NUS có khả năng đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, vì sự di chuyển của các hợp chất có nguồn gốc từ chất thải đang được tạo đà nhằm giảm sự phụ thuộc vào việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch không thể tái tạo và các quy trình tiêu thụ năng lượng.

Từ chất thải đến hóa chất hữu ích

Ngành công nghiệp chế biến thực phẩm toàn cầu tạo ra khoảng 8 triệu tấn chất thải vỏ giáp xác hàng năm. Đồng thời, Singapore đã tạo ra hơn 438.000 tấn chất thải gỗ trong năm 2019, trong số đó bao gồm các cành cây bị cắt tỉa và bụi cưa từ các xưởng. Tìm ra các cách để chuyển hóa các vật liệu phế thải nông nghiệp và thực phẩm này thành các hợp chất hữu ích sẽ thu được lợi ích mà không làm quá tải các bãi chôn lấp.

Mặc dù việc tái sử dụng vật liệu thải đã thu hút được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây, nhưng sản lượng của hóa chất được sản xuất từ việc ​​tái chế chất thải thường kém đa dạng hơn so với hóa chất thông thường sử dụng dầu thô hoặc khí đốt. Để khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu của NUS đã đưa ra cách kết hợp phương pháp tiếp cận hóa học với một quá trình sinh học.

Đầu tiên, họ áp dụng các quy trình hóa học đối với các chất thải và biến chúng thành một chất có thể được vi sinh "tiêu hóa". Bước thứ hai liên quan đến một quá trình sinh học, tương tự như quá trình lên men nho thành rượu vang, nơi chúng tạo ra các chủng vi khuẩn đặc biệt như Escherichia coli để chuyển hóa chất được tạo ra trong quá trình hóa học thành một sản phẩm có giá trị cao hơn như axit amin.

Nhóm nghiên cứu của NUS đã mất bốn năm để tìm ra phương pháp và áp dụng để thu được các hóa chất có giá trị cao từ các nguồn tái tạo một cách bền vững.

Sản xuất hóa chất hữu cơ rẻ và nhanh hơn

Thông thường, L-DOPA được sản xuất từ L-tyrosine, một chất hóa học được tạo ra từ đường lên men. Với phương pháp tiếp cận do nhóm NUS phát triển, chất thải của giáp xác đầu tiên được xử lý bằng một bước hóa học đơn giản, cho phép vi khuẩn sử dụng chất thải này để sản xuất L-DOPA.

Năng suất của phương pháp NUS tương tự như năng suất đạt được trong phương pháp sử dụng đường truyền thống. Ngoài ra, so với đường glucose, loại đường phổ biến nhất được sử dụng, có giá từ 400 USD đến 600 USD / tấn, thì phế phẩm của tôm chỉ có giá khoảng 100 USD / tấn. Với chi phí thấp và lượng chất thải vỏ dồi dào, quy trình của nhóm NUS có tiềm năng cung cấp L-DOPA với chi phí thấp hơn.

Mặt khác, proline được sản xuất thông thường thông qua các quá trình sinh học thuần túy. Phương pháp độc đáo của nhóm NUS hiện đã thay thế hầu hết các phép biến đổi bằng cách sử dụng các quy trình hóa học nhanh hơn nhiều. Do đó, quy trình tích hợp mới có thể đạt được năng suất cao hơn và có khả năng dẫn đến giảm đầu tư vốn và chi phí vận hành.

Nghiên cứu về sản xuất các axit amin như L-DOPA từ vỏ giáp xác lần đầu tiên được công bố trực tuyến trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS) vào ngày 25 tháng 3 năm 2020, trong khi công trình sản xuất Proline từ chất thải gỗ được báo cáo trên Angewandte Chemie trên Ngày 27 tháng 7 năm 2020.

“Các quá trình hóa học diễn ra nhanh chóng và có thể sử dụng nhiều điều kiện khắc nghiệt khác nhau như nhiệt độ hoặc áp suất cực lớn để phân hủy nhiều loại vật liệu phế thải vì không có sinh vật sống nào tham gia, mà chúng chỉ có thể tạo ra các chất đơn giản. Mặt khác, các quá trình sinh học diễn ra chậm hơn rất nhiều và đòi hỏi những điều kiện rất cụ thể để vi sinh vật phát triển nhưng có thể tạo ra các chất phức tạp có xu hướng có giá trị cao hơn. Bằng cách kết hợp cả hai quá trình hóa học và sinh học, chúng tôi có thể thu được lợi ích của cả hai để tạo ra các vật liệu có giá trị cao." - Zhou Kang, Trợ lý Giáo sư, Khoa Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học, Đại học Quốc gia Singapore cho biết.

Tiềm năng tái chế các loại chất thải khác

Phương pháp luận của nhóm NUS có khả năng áp dụng cho các loại vật liệu thải khác nhau và họ có thể điều chỉnh quy trình dựa trên loại chất thải cũng như sản phẩm đẩu ra cuối cùng.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu đang tìm cách điều chỉnh quy trình của họ với các dạng chất thải khác, chẳng hạn như carbon dioxide và giấy vụn. Điều này sẽ làm giảm sự phụ thuộc của xã hội vào các nguồn tài nguyên không thể tái tạo để thu nhận các hóa chất vốn là thành phần quan trọng của nhiều chất bổ sung dinh dưỡng và thuốc ngày nay.

"Quy trình làm việc tích hợp hóa học-sinh học mới của chúng tôi cung cấp một lộ trình chung để sản xuất nhiều loại hóa chất organonitrogen có giá trị cao. Mặc dù trên giấy tờ có vẻ đơn giản là chỉ cần kết hợp hai phương pháp khác nhau, nhưng điều phức tạp lại nằm ở chi tiết. Do những hóa chất này được tìm thấy trong một loạt các dược phẩm, chất tạo màu và chất dinh dưỡng có giá trị thương mại, chúng tôi rất vui mừng được mở rộng nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để sản xuất hóa chất giá trị gia tăng từ các chất nền dồi dào, sẵn có ở địa phương khác được tìm thấy ở Singapore", PGS.TS Yan nói.

Nhóm nghiên cứu cũng đang có kế hoạch mở rộng quy mô các quy trình hiện được phát triển trong các phòng thí nghiệm của họ và làm việc với các đối tác công nghiệp để thương mại hóa công nghệ này.

Link: https://www.news-medical.net/news/20201030/New-process-converts-crustacean-shells-and-wood-waste-into-nutritional-supplements.aspx