Ngô được trồng nhiều ở Mỹ hơn bất cứ loại cây lương thực nào, nhưng chỉ sử dụng một phần nhỏ để sản xuất lương thực và nhiên liệu; khi thu hoạch hạt, toàn bộ cây ngô bị vất bỏ. Nếu rác thực vật ngô có thể lên men thành ethanol như hạt ngô, sẽ là một nguồn nhiên liệu tái tạo rất lớn.

 

Giáo sư sinh học Gerald Fink, thành viên Viện công nghệ Whitehead và Viện Công nghệ sinh học Massachusetts (MIT) cho biết: “Rác thải nông nghiệp được sản xuất với số lượng vô cùng lớn.  Nhưng đến nay vẫn không được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học và những hóa chất quan trọng khác do những thách thức kỹ thuật. Cho đến nay, hầu hết nguyên liệu, rác thải nông nghiệp bị vất bỏ trên cánh đồng”.

Một nghiên cứu mới của GS Fink, GS kỹ thuật hóa học Gregory Stephanopolous và nghiên cứu sinh sau TS Felix Lam thuộc MIT đưa ra một phương pháp khai thác hiệu quả nguồn nguyên liệu khổng lồ chưa sử dụng này.

Bằng phương pháp thay đổi những điều kiện môi trường tăng trưởng nấm men làm bánh Saccharomyces cerevisiae , thêm gene vào một enzyme tiêu độc, các nhà khoa học có thể sử dụng nấm men này tạo ra ethanol và nhựa từ nguyên liệu thân lá cây ngô với hiệu suất gần tương đương sản xuất etanol từ hạt ngô.

Đường hóa cellulose và khử độc sản phẩm phụ

Trong nhiều năm, ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học sử dụng vi sinh vật như nấm men chuyển đổi đường glucose, fructose và sucrose trong hạt ngô thành etanol, sau đó trộn với xăng thông thường làm nhiên liệu cho ô tô.

Thân lá, râu ngô va những vật liệu tương tự khác cũng mang đường, dạng phân tử gọi là cellulose. Mặc dù loại đường này có thể chuyển hóa thành nhiên liệu sinh học, nhưng khó hơn vì bị thực vật giữ chặt, liên kết các phân tử cellulose thành chuỗi và bao bọc trong các phân tử dạng sợi lignin. Phá vỡ lớp vỏ cứng rắn này và tách rời những chuỗi cellulose làm xuất hiện một hỗn hợp hóa học, độc hại đối với những vi sinh vật lên men.

Để hỗ trợ các vi sinh vật hoạt động, công nhân các nhà máy sản xuất etanol tiền xử lý nguyên liệu có hàm lượng cellulose cao bằng dung dịch có tính axit để phá vỡ các phân tử phức tạp này, giúp nấm men có thể lên men nguyên liệu. Nhưng phương pháp này tạo ra sản phẩm phụ là những phân tử aldehyde độc hại với vi sinh vật. Có nhiều cách làm giảm độc tính aldehyde, nhưng các giải pháp còn hạn chế do chi phí quá lớn cho toàn bộ quá trình sản xuất ethanol.

GS Gregory Stephanopoulos cho biết, vì những khó khăn này, ngành công nghiệp giảm sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu giàu cellulose, những chất độc này là hạn chế lớn nhất trong ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học giá rẻ”.

Khử độc cho men vi sinh

Để giải quyết vấn đề độc tố, các nhà khoa học quyết định tập trung xử lý aldehyde được tạo ra khi bổ xung axit. Nhóm nghiên cứu tìm kiếm các gene chuyên chuyển đổi aldehyde thành rượu và lựa chọn một gen có tên là GRE2.

Sử dụng quá trình tiến hóa có định hướng để tối ưu hóa gen, các nhà khoa học đưa enzyme có chứa gene vào nấm men Saccharomyces cerevisiae . Khi các tế bào nấm men có gen GRE2 tiến hóa gặp các aldehyde, enzyme sẽ chuyển aldehyde thành rượu bằng cách bổ sung thêm các nguyên tử hydro.

Nồng độ cao của etanol và rượu được sản xuất từ ​​cellulose có thể gây ra vấn đề với nấm men, nhưng nhóm nghiên cứu đã có giải pháp giải quyết vấn đề này. Từ năm 2015,  Felix Lam, GS Stephanopoulos và GS Fink đã phát triển một hệ thống khiến nấm men có khả năng chịu đựng tốt hơn với nhiều loại rượu, sản xuất nhiên liệu nhiều hơn. Hệ thống đó thực hiện đo và điều chỉnh độ pH cùng nồng độ kali trong môi trường phát triển nấm men, khiến màng tế bào nấm men ổn định hóa học.

Kết hợp loại men mới được cải tiến và phương pháp này, các nhà khoa học đã chuyển aldehyde thành rượu, khử andehyde độc hại thành rượu để xử lý.

Thử nghiệm hệ thống này, nhóm nghiên cứu chế tạo được ethanol và tiền chất nhựa hiệu quả từ vật liệu phế thải ngô, miscanthus và nhiều loại thực vật khác. Thử nghiệm cho thấy, đây là một phương pháp hiệu quả về chi phí với các vấn đề kinh tế và hóa học, phát sinh khi sản xuất nhiên liệu từ nguyên liệu thực vật giàu cellulose”.

Phát triển quy mô sản xuất

Đặc điểm then chốt của hệ thống mới là cơ sở hạ tầng có sẵn ở mọi nơi, etanol và nhiên liệu sinh học tương thích với tất cả các phương tiện chạy xăng hiện có, không có thay đổi nào đối với các phương tiện chạy xăng.

Phế thải vật liệu ngô là một trong nhiều nguồn nguyên liệu có hàm lượng cellulose cao. Rơm lúa và miscanthus (cỏ bạc) và các loại thực vật giàu cellulose có thể thu được với giá siêu rẻ.

Nhóm nghiên cứu hy vọng, những nấm men biến đổi với các gen chống độc tố có thể tạo ra nhiều loại nhiên liệu sinh học đa dạng như diesel, dầu hỏa và các loại dầu mỡ khác, được sử dụng rộng rãi hiện nay.  Đây có thể là một giải pháp tiềm năng cho các trang thiết bị và phương tiện cơ động sử dụng nhiên liệu hóa thạch nhằm giảm khai thác tài nguyên hóa thạch, đồng thời cũng trên cơ sở này có thể phát triển phương pháp sản xuất nhiên liệu phát thải bằng 0, khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu sạch hoặc xe lai ghép điện – động cơ.