Quy trình mới sản xuất axit hữu cơ giá trị cao từ thực vật

Với việc sử dụng một loại men độc đáo, nghiên cứu sinh tiến sỹ Vinh Tran và nhóm nghiên cứu tại Đại học Illinois, Urbana-Champaign (Mỹ) đã phát triển được một phương pháp tiết kiệm để sản xuất axit succinic - một hóa chất công nghiệp quan trọng - từ cây mía.

Nhóm nghiên cứu ép mía để lấy nước ép tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Xử lý Sinh học Tích hợp.

Dù là một cái tên khá xa lạ với người tiêu dùng thông thường, song, axit succinic lại là một chất phụ gia được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm và đồ uống cũng như có ứng dụng đa dạng trong các sản phẩm nông nghiệp và dược phẩm.

Mới đây, nhóm các nhà nghiên cứu của Đại học Illinois và Đại học Princeton (Mỹ) đã tạo ra một quy trình từ đầu đến cuối, hiệu quả về mặt chi phí để tạo ra loại axit hữu cơ có giá trị này bằng cách chế tạo một loại nấm men bền, chịu axit làm tác nhân lên men, nhờ đó tránh được các bước tốn kém trong quá trình xử lý tiếp theo. Kết quả nghiên cứu mới đây đã được công bố trong bài báo “An end-to-end pipeline for succinic acid production at an industrially relevant scale using Issatchenkia orientalis” - mà nghiên cứu sinh Vinh Tran là tác giả thứ nhất - trên tạp chí Nature Communications.

Tận dụng nấm men đặc biệt

Công trình này được xây dựng dựa trên nhiều năm nghiên cứu về sản xuất axit succinic của GS. Huimin Zhao - Trưởng nhóm Chuyển đổi của Trung tâm Đổi mới Năng lượng Sinh học và Sản phẩm Sinh học Tiên tiến (CABBI) và là giáo sư Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học (ChBE) tại Đại học Illinois, cùng các đồng nghiệp. Ý tưởng nghiên cứu ban đầu đến từ việc sử dụng Issatchenkia Orientalis - một loại nấm men độc đáo lý tưởng để sản xuất axit hữu cơ.

Theo các nhà nghiên cứu, trong khi hầu hết các sinh vật cần môi trường pH trung tính để tồn tại, ngay cả với Saccharomyces cerevisiae - một loại nấm men thông thường hơn hoặc vi khuẩn Escherichia coli, thì I. Orientalis lại có một khả năng đặc biệt giúp cho loại nấm men này phát triển mạnh trong điều kiện có độ pH thấp hoặc có tính axit. Chia sẻ trong bản tin của Đại học Illinois, GS. Huimin Zhao cho biết, cả hai loại vi khuẩn Saccharomyces cerevisiae và Escherichia coli đều đã được các công ty và phòng thí nghiệm sử dụng để sản xuất axit succinic, tuy nhiên chi phí sản xuất quá tốn kém đã khiến cho những nỗ lực mở rộng quy mô sản xuất nhanh chóng thất bại.

Lý do là bởi: Những vi sinh vật này cần bổ sung thêm bazơ để trung hòa các điều kiện axit độc hại thì mới có thể thể tiếp tục tạo ra axit succinic. Song, công đoạn trên lại tạo ra các sản phẩm phụ, chẳng hạn như thạch cao hoặc canxi sunfat - những thành phần đỏi hỏi phải được tách ra ở cuối quy trình để tinh chế sản phẩm, từ đó làm tăng chi phí xử lý ở khâu tiếp theo.

“Một trong những điểm nghẽn trong sản xuất axit hữu cơ là chi phí phân tách”, GS. Huimin Zhao cho biết. “Chúng tôi phải thêm nhiều bazơ thì mới có thể giữ độ pH gần trung tính, từ 6 đến 7”. Thế nhưng mọi chuyện lại hoàn toàn khác với vi khuẩn I. Orientalis. “Sinh vật này có thể sống dễ dàng ở độ pH từ 3 đến 4”, do đó không cần thêm chất phụ gia, GS. Huimin Zhao nói. “Nhờ đó, chi phí sản xuất cũng giảm đáng kể”.

Giảm chi phí và phát thải

Sau khi chọn được loại nấm men phù hợp, các nhà nghiên cứu tại CABBI cũng đã thực hiện kỹ thuật biến dưỡng mở rộng (metabolic engineering) để điều chỉnh lại I. Orientalis nhằm tạo ra lượng lớn axit succinic - mức cao hơn cả khi sử dụng vi khuẩn S. cerevisiae hoặc E. coli. Với việc sử dụng phân tích dòng trao đổi chất từ ​​phòng thí nghiệm của Phó Trưởng nhóm Chuyển đổi Joshua Rabinowitz - giáo sư Hóa học và Viện Di truyền Tích hợp Lewis-Sigler tại Đại học Princeton, nhóm nghiên cứu đã xác định được các bước trong quá trình trao đổi chất của nấm men làm hạn chế việc sản xuất axit succinic. Và một trong những rào cản chính nằm ở chỗ: vi khuẩn I. Orientalis bản địa không thể sử dụng sucrose (một loại đường) từ cây mía. Do đó, nhóm nghiên cứu đã thêm vào một loại enzyme để có thể phân hủy sucrose từ nước mía thành glucose và fructose, từ đó tạo ra axit succinic. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng đưa vào các gene khác để tăng lượng axit succinic sản xuất được.

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với nhóm của Vijay Singh - Phó Giám đốc Khoa học và Công nghệ của CABBI đồng thời là Giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Nông nghiệp và Sinh học (ABE), Giám đốc Điều hành của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Xử lý Sinh học Tích hợp (IBRL) tại Illinois - để mở rộng quy mô sản xuất axit succinic với các thiết bị công nghiệp phù hợp cho việc tiến hành tích hợp quy trình từ đầu đến cuối. Theo GS Vijay Singh, nghiên cứu ở quy mô thí điểm (pilot) cho thấy các chủng nấm men mới có thể tạo ra tới 110 g/L axit succinic. Sau khi lên men theo mẻ và chế biến tiếp, hiệu suất tổng thể của quy trình là 64% - một kết quả ấn tượng và có ý nghĩa lớn về mặt thương mại.

Từ góc nhìn của GS. Huimin Zhao, yếu tố khiến cho quy trình này trở nên “rất triển vọng” là sự kết hợp giữa mức sản xuất cao hơn thông qua kỹ thuật di truyền và chi phí thấp hơn từ việc loại bỏ công đoạn phân tách ở cuối quy trình. “Đây chính là lý do tại sao quy trình này rất tiết kiệm chi phí, ít nhất là ở quy mô thí điểm này”, ông cho biết.

Không dừng lại ở đó, nhóm nghiên cứu còn tiếp tục làm việc với Jeremy Guest - PGS Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường (CEE) tại Illinois để mô phỏng toàn bộ quy trình sản xuất axit succinic có độ pH thấp, từ đầu đến cuối, sử dụng nền tảng phần mềm nguồn mở BioSTEAM do nhóm của PGS. Jeremy Guest phát triển. Theo đó, kết quả phân tích kinh tế - kỹ thuật (TEA) và đánh giá vòng đời cho thấy quy trình này khả thi về mặt tài chính và có thể giảm phát thải khí nhà kính từ 34% đến 90% so với quy trình sản xuất dựa trên nhiên liệu hóa thạch.

“Những tiến bộ trong kỹ thuật biến dưỡng này có thể mang lại lợi ích trên quy mô lớn, đồng thời giảm chi phí và tác động đến môi trường, qua đó hỗ trợ cho sự phát triển của nền kinh tế sinh học tuần hoàn”, PGS. Jeremy Guest chia sẻ trong bản tin của Đại học Illinois.

Không chỉ thải ra ít carbon dioxide (CO2) hơn so với quá trình xử lý hóa chất dựa trên dầu mỏ thông thường, quy trình này còn có thể sử dụng các loại cây trồng như mía để làm chất nền cho quy trình - những loại cây cũng hấp thụ carbon và CO2 - qua đó giúp giảm hơn nữa lượng khí thải carbon.

Lò phản ứng sinh học lên men và bể CO2 bơm carbon dioxide vào môi trường lên men.

“Quy trình này chắc chắn thân thiện với môi trường hơn so với trước đây. Kết quả này cũng là tiền đề cho tất cả các nghiên cứu tại trung tâm CABBI: sử dụng các nguồn tài nguyên tái tạo để sản xuất hóa chất và nhiên liệu”, GS. Zhao cho biết thêm.

Nhìn về tương lai, nhóm nghiên cứu cũng đang lên kế hoạch để sớm tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô hỗ trợ thương mại hóa quy trình sản xuất axit succinic.

Đây là một kết quả đầy hứa hẹn trong bối cảnh các nhà nghiên cứu trên thế giới đang tận dụng vi khuẩn để chuyển đổi sinh khối thực vật thành các loại hóa chất được sử dụng trong các sản phẩm hằng ngày như một giải pháp thay thế cho việc sản xuất dựa trên dầu mỏ thông thường, giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. GS. Huimin Zhao cho biết, quy trình tương tự như quy trình mới của nhóm cũng có thể được sử dụng để sản xuất các axit hữu cơ quan trọng khác cho lĩnh vực công nghiệp, qua đó góp phần hiện thực hóa nỗ lực phát triển nhiên liệu sinh học và chất sinh hóa bền vững từ cây trồng.

Công trình này cũng sẽ là khuôn mẫu để sản xuất các sản phẩm khác sử dụng I. Orientalis tại Trung tâm nghiên cứu này, bao gồm axit 3-hydroxypropionic (3-HP). Theo GS. Zhao, thị trường cho 3-HP - loại axit được sử dụng trong các thành phần của tã lót và chất bịt kín dùng một lần - rất tiềm năng và hiện nay đã vượt quá 1 tỷ USD. Các nghiên cứu đã có cho đến nay cũng cho thấy nhiều hứa hẹn trong tương lai.

“Chúng tôi hy vọng rằng I. Orientalis có thể đóng vai trò là nền tảng công nghiệp chung để sản xuất nhiều loại axit hữu cơ khác nhau trong thời gian tới”, nghiên cứu sinh Vinh Tran - tác giả chính của bài báo - chia sẻ trong thông cáo báo chí của Đại học Illinois.

Điều đặc biệt trong nghiên cứu này đó là dự án có sự tham gia của nhiều nhóm phòng thí nghiệm và có sự đóng góp từ cả ba chủ đề nghiên cứu của Trung tâm CABBI - sử dụng nước mía từ nhóm nghiên cứu Sản xuất Nguyên liệu thô, nghiên cứu biến dưỡng và cơ sở xử lý sinh học từ nhóm Chuyển đổi cũng như phân tích kinh tế và môi trường từ nhóm Phát triển bền vững.
------
Chú thích:
1. https://chbe.illinois.edu/news/stories/59610
2. https://www.nature.com/articles/s41467-023-41616-9

Khoahocphattrien