Các nhà khoa học biến chất thải gỗ thải thành hóa chất có giá trị
Bởi Đại học Adelaide
Enzym mới được xác định được tô sáng màu hồng. Tín dụng: Đại học Adelaide
Một loại enzyme mới có thể biến chất thải lignin thành hóa chất có giá trị bằng cách sử dụng quy trình xử lý xanh dựa trên hydro peroxide, cung cấp một giải pháp thay thế sạch hơn, bền vững hơn cho các phương pháp dựa trên dầu mỏ.
Khoảng 98% lignin, một sản phẩm phụ của ngành lâm nghiệp có nguồn gốc từ thực vật, hiện đang bị loại bỏ. Tuy nhiên, một loại enzyme mới được phát hiện có thể cho phép chiết xuất hiệu quả các phân tử có giá trị từ chất thải này bằng các phương pháp hóa học xanh, thân thiện với môi trường.
Các phân tử được chiết xuất này đóng vai trò là khối xây dựng cho các sản phẩm như nước hoa, hương liệu, nhiên liệu và dược phẩm, biến một dòng chất thải phần lớn chưa được sử dụng thành một nguồn tài nguyên có giá trị.
Tiến sĩ Fiona Whelan, một nhà khoa học về kính hiển vi điện tử lạnh tại Adelaide Microscopy thuộc Đại học Adelaide, người có nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications, cho biết: “Các quy trình hóa học truyền thống để tổng hợp các loại hóa chất này dựa vào các hợp chất khởi đầu có nguồn gốc từ dầu mỏ và chất xúc tác kim loại nặng, khiến chúng trở thành các quy trình không tái tạo và độc hại”.
“Phương pháp xử lý xúc tác mới này sẽ hỗ trợ sự phát triển của các ‘nhà máy enzyme’ hoặc nhà máy lọc sinh học hóa học xanh mới khác để biến lignin và các dòng chất thải sinh học khác thành kho chứa hóa chất tinh khiết có giá trị”.
Hiểu về Lignin và tiềm năng của nó
Lignin là tên gọi của các polyme cứng đóng vai trò là chất hỗ trợ cơ học trong gỗ cứng và gỗ mềm và là một trong những polyme phổ biến nhất trên Trái đất.
Nông nghiệp và lâm nghiệp tích tụ khoảng 100 triệu tấn chất thải lignin mỗi năm, nhưng có thể chuyển hướng để trở thành nguồn nguyên liệu tái tạo và bền vững đầy hứa hẹn cho các hóa chất hiện đang thu được từ nhiên liệu hóa thạch.
“Các chiến lược sử dụng lignin bao gồm sự kết hợp của các quá trình hóa học và sinh học”, Phó Giáo sư Stephen Bell, từ Khoa Vật lý, Hóa học và Khoa học Trái đất của trường Đại học cho biết.
“Nhiệt độ cao, áp suất cao, axit mạnh và dung môi độc hại được sử dụng để phá vỡ các polyme trong dòng chất thải.
“Các hợp chất có giá trị bị giữ lại trong chất thải sau đó được chiết xuất và trải qua quá trình xử lý hóa học tiếp theo ở nhiệt độ cao hơn 400°C để ‘làm tăng giá trị’ của lignin. Các quá trình này tốn kém và có hại cho môi trường”.
Một đột phá sinh học
Lignin gỗ cứng có hai thành phần hóa học chính cần được xử lý để tạo ra các hợp chất hữu ích.
Trước đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một loại enzyme có thể được sử dụng để phân hủy một trong những hợp chất này, cũng được tìm thấy trong gỗ mềm, nhưng không có quá trình phân hủy sinh học nào được xác định có thể sử dụng hợp chất gỗ cứng phức tạp thứ hai, chiếm khoảng 50 phần trăm chất thải.
"Sự phân hủy sinh học của lignin xảy ra trong một nhóm vi khuẩn phức tạp, với các enzyme nấm có khả năng phá vỡ các polyme cứng và vi khuẩn lấy các hợp chất nhỏ hơn không phản ứng và xử lý chúng để lấy năng lượng trao đổi chất", Tiến sĩ Whelan cho biết.
"Nhìn vào vương quốc vi sinh vật, chúng tôi xác định rằng một loại vi khuẩn đất, Amycolatopsis thermoflava, chứa các enzyme có thể xử lý các phân tử từ lignin một cách rẻ tiền, sử dụng hydro peroxide để thúc đẩy phản ứng - làm cho quá trình phân hủy ít gây hại hơn cho môi trường".
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng loại enzyme mới này làm mô hình để cải tiến hoạt động thúc đẩy bởi hydrogen peroxide vào các enzyme khác nhằm tạo ra các phương pháp tiếp cận hóa học xanh trong tương lai để tạo ra các hóa chất có giá trị cao sử dụng trong ngành hương liệu, nước hoa và hóa học dược phẩm.
Tài liệu tham khảo: “Structural insights into S-lignin O-demethylation via a rare class of heme peroxygenase enzyme” của Alix C. Harlington, Tuhin Das, Keith E. Shearwin, Stephen G. Bell và Fiona Whelan, ngày 20 tháng 2 năm 2025, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-025-57129-6
