Tổng hợp tinh bột từ CO2

Mới đây, các nhà khoa học Trung Quốc đưa ra lộ trình tổng hợp tinh bột nhân tạo từ cacbon dioxit (CO₂). Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science vào ngày 24/9/2021.

Lộ trình mới giúp chuyển đổi phương thức sản xuất tinh bột từ hoạt động canh tác nông nghiệp truyền thống sang sản xuất công nghiệp và hướng đến kỹ thuật mới tổng hợp các phân tử phức tạp từ CO₂.

Tinh bột là thành phần chính của ngũ cốc và là nguyên liệu công nghiệp quan trọng. Hiện nay, tinh bột chủ yếu được tạo ra từ các loại cây trồng như ngô sản xuất, bằng cách cố định CO₂ thông qua quá trình quang hợp. Quá trình này liên quan đến khoảng 60 phản ứng sinh hóa, cũng như điều tiết sinh lý phức tạp. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của quá trình này trên lý thuyết chỉ đạt khoảng 2%.

Các chiến lược tạo ra nguồn cung cấp tinh bột bền vững từ CO₂ là cấp thiết để vượt qua những thách thức lớn của nhân loại, như cuộc khủng hoảng lương thực và biến đổi khí hậu. Thiết kế các lộ trình mới, ngoài quá trình quang hợp của thực vật để chuyển đổi CO₂ thành tinh bột, là sứ mệnh khoa học công nghệ quan trọng, mang tính sáng tạo và sẽ trở thành công nghệ đột phá lớn trên thế giới hiện nay.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Sinh học Công nghiệp Thiên Tân (TIB) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đã thiết kế một hệ thống hóa trị, cũng như một lộ trình đồng hóa tinh bột nhân tạo, chỉ bao gồm 11 phản ứng cốt lõi để biến đổi CO₂ thành tinh bột.

Lộ trình này được xây dựng theo chiến lược "khối ghép", trong đó, các nhà nghiên cứu tích hợp các mô-đun xúc tác hóa học và sinh học để sử dụng năng lượng mật độ cao và CO₂ nồng độ cao theo cách sáng tạo về mặt công nghệ sinh học. Các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa hệ thống kết hợp này bằng cách phân tách theo không gian và thời gian, thông qua xử lý các vấn đề như cạnh tranh chất nền, ức chế sản phẩm và thích ứng nhiệt động lực học.

Con đường nhân tạo sản xuất tinh bột từ CO₂ đạt hiệu suất cao gấp 8,5 lần so với quá trình sinh tổng hợp tinh bột ở ngô. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học mới để cho ra đời các hệ thống sinh học với các chức năng chưa từng có.

Cai Tao, trưởng nhóm nghiên cứu cho rằng: “Theo các thông số kỹ thuật hiện nay, sản lượng tinh bột được tạo ra hàng năm từ một lò phản ứng sinh học cỡ 1m³, trên lý thuyết bằng sản lượng tinh bột hàng năm có được khi trồng 1/3 ha ngô mà không tính đến đầu vào năng lượng”.

MA Yanhe, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Nếu tổng chi phí của quá trình này có thể giảm xuống mức sánh ngang với chi phí trồng cây nông nghiệp trong tương lai, thì dự kiến ​​sẽ tiết kiệm được hơn 90% diện tích đất canh tác và nguồn nước ngọt”.

Ngoài ra, công nghệ mới cũng sẽ giúp tránh tác động tiêu cực đến môi trường do sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón, cải thiện an ninh lương thực, tạo thuận lợi cho nền kinh tế sinh học không phát thải cacbon và cuối cùng thúc đẩy sự hình thành “xã hội sinh học bền vững”.

N.P.D (NASATI), theo https://phys.org/news/2021-09-chinese-scientists-starch-synthesis-carbon.html, 23/9/2021