Trong bước đột phá về sản xuất hóa chất thân thiện với môi trường, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Đổi mới Năng lượng Sinh học và Sản phẩm Sinh học Tiên tiến (CABBI) đã phát triển một phương pháp tiết kiệm để sản xuất axit succinic, một hóa chất công nghiệp quan trọng, từ mía.
Nhóm nghiên cứu của Đại học Illinois và Đại học Princeton đã tạo ra một quy trình khép kín, hiệu quả về mặt chi phí cho loại axit hữu cơ có giá trị này bằng cách chế tạo một loại nấm men bền, chịu axit làm tác nhân lên men, tránh các bước tốn kém trong quá trình xử lý tiếp theo. Axit Succinic là chất phụ gia được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm và đồ uống và có ứng dụng đa dạng trong các sản phẩm nông nghiệp và dược phẩm.
Đồng tác giả Huimin Zhao, Trưởng nhóm chuyển đổi chủ đề của CABBI và Giáo sư Kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học (ChBE) tại CABBI cho biết, đường ống tương tự này có thể được sử dụng để sản xuất các axit hữu cơ quan trọng về mặt công nghiệp khác mà CABBI nhắm đến trong nỗ lực phát triển nhiên liệu sinh học và chất sinh hóa bền vững từ cây trồng. Illinois. Để giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, các nhà nghiên cứu Chuyển đổi đang triển khai vi khuẩn để chuyển đổi sinh khối thực vật thành hóa chất được sử dụng trong các sản phẩm hàng ngày như một giải pháp thay thế cho sản xuất dựa trên dầu mỏ thông thường.
Zhao, một trong những nhà điều tra chính của CABBI trong dự án, cho biết: “Điều này sẽ đóng vai trò là bản thiết kế chi tiết cho tất cả các sản phẩm kỹ thuật trao đổi chất khác trong CABBI”.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications , và công trình này được xây dựng dựa trên nhiều năm nghiên cứu về sản xuất axit succinic của Zhao và các đồng nghiệp của ông bằng cách sử dụng Issatchenkia Orientalis, một loại nấm men độc đáo lý tưởng để sản xuất axit hữu cơ.
I. Orientalis có khả năng độc đáo để phát triển mạnh trong điều kiện có độ pH thấp hoặc có tính axit. Hầu hết các sinh vật cần môi trường pH trung tính để tồn tại, bao gồm Saccharomyces cerevisiae, một loại nấm men thông thường hơn hoặc vi khuẩn Escherichia coli. Zhao cho biết, cả hai đều đã được các công ty và phòng thí nghiệm sử dụng để sản xuất axit succinic nhưng tỏ ra quá tốn kém nên nỗ lực mở rộng quy mô sản xuất đã thất bại.
Những vi sinh vật này cần bổ sung thêm bazơ để trung hòa các điều kiện axit độc hại để chúng có thể tiếp tục tạo ra axit succinic. Nhưng điều đó tạo ra các sản phẩm phụ, chẳng hạn như thạch cao hoặc canxi sunfat, phải được tách ra ở cuối đường ống để tinh chế sản phẩm, làm tăng chi phí xử lý ở khâu tiếp theo.
Zhao cho biết: “Một trong những điểm nghẽn trong sản xuất axit hữu cơ là chi phí phân tách. “Chúng tôi phải thêm nhiều bazơ để giữ độ pH gần trung tính, từ 6 đến 7.”
Tuy nhiên, với I. Orientalis, “sinh vật sống vui vẻ ở độ pH từ 3 đến 4”, do đó không cần thêm chất phụ gia, Zhao nói. "Cuối cùng, điều đó làm giảm đáng kể chi phí."
Ông cho biết, các nhà nghiên cứu CABBI cũng đã thực hiện kỹ thuật trao đổi chất sâu rộng để điều chỉnh lại I. Orientalis nhằm tạo ra hàm lượng axit succinic mạnh mẽ - cao hơn cả S. cerevisiae hoặc E. coli. Sử dụng phân tích dòng trao đổi chất từ phòng thí nghiệm của Rabinowitz, họ đã xác định được các bước trong quá trình trao đổi chất của nấm men làm hạn chế việc sản xuất axit succinic. Một rào cản quan trọng: I. Orientalis bản địa không thể sử dụng sucrose từ mía. Vì vậy, một loại enzyme đã được thêm vào có thể phân hủy sucrose từ nước mía thành glucose và fructose để tạo ra axit succinic. Các gen khác được đưa vào để sản xuất quá mức axit succinic.
-
Tín dụng: Truyền thông CABBI -
Nguồn: Trung tâm Đổi mới năng lượng sinh học và sản phẩm sinh học tiên tiến (CABBI)
Làm việc với nhóm của Singh tại IBRL, nhóm sau đó đã mở rộng quy mô sản xuất axit succinic bằng cách sử dụng thiết bị phù hợp về mặt công nghiệp để tiến hành tích hợp quy trình từ đầu đến cuối. Singh cho biết, công việc ở quy mô thí điểm cho thấy các chủng mới có thể tạo ra tới 110 g/L axit succinic và sau khi lên men theo mẻ và xử lý tiếp theo, hiệu suất tổng thể là 64% - kết quả ấn tượng có ý nghĩa thương mại.
Zhao cho biết, sự kết hợp giữa mức sản xuất cao hơn thông qua kỹ thuật di truyền và chi phí thấp hơn từ việc loại bỏ sự phân tách ở hạ nguồn khiến quá trình này trở nên “rất hấp dẫn”. “Đó là lý do tại sao đường ống này rất tiết kiệm, ít nhất là ở quy mô thí điểm.”
Bước cuối cùng là làm việc với Guest 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 anh ấy phát triển. 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.
Guest cho biết: “Những tiến bộ trong kỹ thuật trao đổi chất này có thể mang lại lợi ích trên quy mô lớn, đồng thời giảm chi phí và tác động đến môi trường để hỗ trợ nền kinh tế sinh học tuần hoàn”.
Quá trình này thải ra ít carbon dioxide (CO 2 ) hơn so với quá trình xử lý hóa chất dựa trên dầu mỏ thông thường. Các loại cây như mía cũng hấp thụ carbon và CO 2 có thể được sử dụng làm chất nền cho quá trình này, giúp giảm hơn nữa lượng khí thải carbon.
"Nó chắc chắn thân thiện với môi trường hơn. Đó là tiền đề cho tất cả các nghiên cứu ở CABBI: sử dụng các nguồn tài nguyên tái tạo để sản xuất hóa chất và nhiên liệu", Zhao nói.
Các nhà nghiên cứu lên kế hoạch sớm tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô để hỗ trợ thương mại hóa quy trình sản xuất axit succinic.
Công trình này cũng sẽ là khuôn mẫu để sản xuất các sản phẩm CABBI khác sử dụng I. Orientalis, bao gồm axit 3-hydroxypropionic (3-HP). Zhao cho biết, thị trường 3-HP, được sử dụng trong các thành phần của tã lót và chất bịt kín dùng một lần, đã vượt quá 1 tỷ USD và nghiên cứu cho đến nay cho thấy nhiều hứa hẹn.
Vinh Tran, tác giả chính của bài báo và là tiến sĩ, cho biết: “Chúng tôi hy vọng I. Orientalis có thể đóng vai trò là nền tảng công nghiệp chung để sản xuất nhiều loại axit hữu cơ”. sinh viên ở ChBE.
Dự án có sự tham gia của một số nhóm phòng thí nghiệm và sự đóng góp từ cả ba chủ đề nghiên cứu của CABBI—sử dụng nước mía từ nhóm nghiên cứu Sản xuất Nguyên liệu thô, nghiên cứu trao đổi chất 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.
Đồng tác giả bao gồm các nhà nghiên cứu CABBI Sarang Bhagwat của CEE và Yihui Shen thuộc Khoa Hóa học tại Princeton; Somesh Mishra của ABE; Saman Shafaei, Shih-I Tan, Zia Fatma và Benjamin Crosly của ChBE; và Jayne Allen của CEE.
