Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern, Công ty LanzaTech và Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Rigde (ORNL) có trụ sở tại Mỹ lựa chọn, thiết kế và tối ưu hóa một dòng vi khuẩn có tên Clostridium autoethanogenum.
Nỗ lực này có thể chuyển hóa chất thải carbon dioxide (CO2) một cách có chọn lọc thành chất hóa học có giá trị trong công nghiệp.
Không gây hại môi trường
Các nhà khoa học đã phát triển một quy trình mới hiệu quả với lượng CO2 âm. Quy trình này có thể chuyển đổi khí thải, như khí thải công nghiệp nặng hoặc khí tổng hợp từ bất kỳ nguồn sinh khối nào, thành hóa chất công nghiệp axeton hoặc isopropanol (IPA).
Quy trình lên men khí mới đã được các nhà khoa học thử nghiệm ở quy mô thí điểm công nghiệp. Nó đã loại bỏ khí thải nhà kính khỏi bầu khí quyển và tránh sử dụng nhiên liệu hóa thạch vốn thường cần thiết để tạo ra axeton và IPA.
Sau khi phân tích vòng đời, nhóm nghiên cứu nhận thấy nền tảng CO2 âm có thể giảm lượng khí thải nhà kính xuống 160% so với các quy trình thông thường nếu được áp dụng rộng rãi.
Tiến sĩ Michael Jewett của Đại học Northwestern, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết, cuộc khủng hoảng khí hậu đang gia tăng, kết hợp với sự gia tăng dân số nhanh chóng, đặt ra một số thách thức cấp bách nhất đối với nhân loại, liên quan đến việc giải phóng và tích tụ CO2 trên toàn bộ sinh quyển.
Bằng cách khai thác sự hợp tác với ngành sinh học để tạo ra những gì cần thiết vào đúng thời gian và địa điểm trên cơ sở bền vững và có thể tái tạo, chúng ta có thể bắt đầu tận dụng CO2 sẵn có để chuyển đổi kinh tế sinh học.
Các tác giả giải thích rằng hầu hết hóa chất dạng hàng hóa đều có nguồn gốc hoàn toàn từ các nguồn hóa thạch tươi như dầu mỏ, khí đốt và than đá. Axeton và IPA là 2 hóa chất như vậy, chúng có tổng giá trị thị trường toàn cầu vượt quá 10 tỷ USD. Cả 2 đều đại diện cho số lượng lớn hóa chất ngành công nghiệp, được sử dụng làm dung môi và hóa chất nền tảng để sản xuất các vật liệu khác.
Ví dụ, axeton được dùng làm dung môi cho nhiều loại nhựa và sợi tổng hợp, làm mỏng nhựa polyester, dụng cụ làm sạch và chất tẩy sơn móng tay. IPA là hóa chất được dùng trong chất khử trùng và tẩy rửa, đồng thời có thể đại diện cho một phần tạo ra nhựa thương mại như polypropylene vốn được dùng trong cả y tế và ngành công nghiệp ô tô. Cả axeton và IPA đều được sử dụng trong thủy tinh acrylic.
Ngoài ra, IPA còn là chất khử trùng được sử dụng rộng rãi, làm cơ sở cho một trong 2 công thức chất khử trùng được WHO khuyến nghị vì nó có hiệu quả cao chống lại SARS-CoV-2.
Tránh thảm họa về khí hậu?
Việc lên men vi sinh, vốn dùng trong ngành công nghiệp thực phẩm để làm sữa chua, bia và các sản phẩm khác, là một một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để sản xuất nhiều loại hóa chất từ các nguồn nhiên liệu không hóa thạch.
Hầu hết công việc trong lĩnh vực này đều dựa vào vi khuẩn lên men đường. Tuy nhiên, việc sử dụng đường làm nguyên liệu thô gây tốn kém và làm tăng lượng phát thải khí nhà kính trong quá trình sản xuất.
Tuy nhiên, một số vi khuẩn có khả năng lên men khí, chuyển hóa các khí như CO2 thành các phân tử phức tạp hơn. Điều này mở ra cơ hội cho các loại khí có trong khí thải công nghiệp hoặc được tao ra từ sinh khối và rác thải đô thị được biến thành các sản phẩm hữu ích.
Bằng cách chứng minh khả năng sản xuất hóa chất với số lượng lớn, tạo cơ hội mở rộng và tăng hiệu quả kinh tế, các nhà nghiên cứu đã thiết lập tiền đề cho việc thực hiện một mô hình kinh tế vòng tròn.
Trong đó carbon từ chất thải nông nghiệp, công nghiệp và xã hội có thể được tái chế thành một chuỗi hóa học tổng hợp có giá trị, để thay thế các sản phẩm làm từ tài nguyên hóa thạch nguyên sinh.
Tổng hợp hóa học này sau đó có thể trở thành một con đường để thu giữ, tái chế và sử dụng tài nguyên carbon bị thải ra. Các nhà khoa học tin rằng các chủng vi khuẩn đã được tạo ra và quy trình lên men được phát triển sẽ được chuyển sang quy mô công nghiệp. Cách tiếp cận này cũng có thể được áp dụng để tạo ra các quy trình hợp lý để cho ra đời các hóa chất có giá trị khác.
Theo Giám đốc điều hành Jennifer Holmgren của LanzaTech, khám phá này là một bước tiến quan trọng trong việc tránh thảm họa về khí hậu. Ngày nay, hầu hết các hóa chất hàng hóa của chúng ta đều có nguồn gốc hoàn toàn từ các tài nguyên hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt tự nhiên hoặc than đá.
Con đường axeton và IPA được tạo ra sẽ thúc đẩy sự phát triển của các sản phẩm mới khác bằng cách khép lại chu trình carbon vốn được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp.
