Đột phá sản xuất nylon từ phế phẩm gỗ

Các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia về Năng lượng Tái tạo của Mỹ cùng nhiều trường đại học và viện nghiên cứu vừa phát triển công nghệ chuyển đổi lignin thành nguyên liệu sản xuất nylon, mở ra triển vọng giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Giá trị mới từ một phụ phẩm công nghiệp

Nylon là một trong những vật liệu tổng hợp được sử dụng phổ biến nhất thế giới. Tuy nhiên, quá trình sản xuất loại vật liệu này phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch và các quy trình công nghiệp tiêu tốn năng lượng. Theo các nhà khoa học, thực trạng đó có thể sớm thay đổi.

Trong nghiên cứu vừa công bố trên tạp chí Nature, các nhà khoa học giới thiệu kỹ thuật chuyển đổi lignin - thành phần cứng tạo nên cấu trúc dạng gỗ của thực vật, vốn thường bị loại bỏ hoặc đốt bỏ - thành axit adipic, một trong những nguyên liệu hóa học quan trọng nhất để sản xuất nylon.

Phương pháp mới kết hợp quy trình xử lý hóa học lấy cảm hứng từ công nghệ lọc hóa dầu với các vi sinh vật được thiết kế chuyên biệt nhằm thực hiện những phản ứng có độ chọn lọc cao.

Hệ thống lai giữa hóa học và sinh học này cho hiệu suất tạo axit adipic cao hơn đáng kể so với các phương pháp chuyển hóa lignin trước đây, mở ra triển vọng xây dựng chuỗi sản xuất nylon bền vững hơn và phát thải carbon thấp hơn.

Từ lâu, lignin thường bị xem là chất thải công nghiệp. Đây là polymer tự nhiên tạo nên độ cứng và độ bền cơ học của thực vật, đồng thời là một trong những vật liệu hữu cơ phong phú nhất trên Trái đất. Dù vậy, lignin cũng được xem là nguồn sinh khối chưa được khai thác hiệu quả.

Mỗi năm, ngành công nghiệp giấy và nhiên liệu sinh học tạo ra hàng triệu tấn lignin dưới dạng sản phẩm phụ. Phần lớn lượng vật liệu này chỉ được đốt để tạo ra nguồn năng lượng có giá trị thấp.

Trong khi đó, lignin chứa hàm lượng lớn các cấu trúc thơm giàu carbon, có tiềm năng trở thành nguồn nguyên liệu quan trọng cho ngành công nghiệp hóa chất. Thách thức lớn nhất là tìm ra phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí để phân tách chúng thành các hợp chất đơn giản, có giá trị kinh tế cao ở quy mô thương mại.

Các nhà nghiên cứu cho biết việc tận dụng lignin gặp nhiều trở ngại do sản phẩm thu được thường là những hỗn hợp hóa học phức tạp, không đồng nhất và khó tinh chế. Mặc dù từ lâu được xem là nguồn nguyên liệu tái tạo đầy triển vọng cho ngành hóa chất thơm, cấu trúc phức tạp và tính biến thiên cao của lignin đã hạn chế khả năng ứng dụng trong công nghiệp.

Nhóm cũng lưu ý rằng lignin thường bị biến đổi trong quá trình tách chiết. Trong khi đó, phần lớn công nghệ hiện nay tạo ra hỗn hợp gồm nhiều hợp chất hóa học khác nhau thay vì các phân tử đơn giản, có giá trị cao và phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.

Những hạn chế này khiến các công nghệ chuyển hóa lignin hiện nay thường chỉ đạt hiệu suất khoảng 20% đối với một sản phẩm mục tiêu duy nhất, mức chưa đủ hấp dẫn về mặt thương mại. Ngoài ra, quá trình này còn tạo ra nhiều hợp chất phenol phức tạp, gây khó khăn cho khâu tách lọc và tinh chế.

Có thể thay đổi ngành sản xuất nylon

Công nghệ mới được đánh giá có tiềm năng biến chất thải thực vật giá trị thấp thành nguyên liệu quan trọng cho ngành sản xuất nylon thông qua sự kết hợp giữa hóa học truyền thống và vi sinh vật biến đổi gene.

Quy trình bắt đầu từ các mảnh gỗ cây dương. Sau khi được tách chiết, lignin được phân hủy thành một loại dầu giàu hợp chất thơm. Loại dầu này tiếp tục được xử lý trong thiết bị phản ứng hóa học nhằm loại bỏ các nhóm chứa oxy không mong muốn, trước khi trải qua thêm một bước chuyển hóa để tạo thành các axit thơm hòa tan trong nước.

Ở công đoạn cuối, nhóm nghiên cứu sử dụng vi khuẩn biến đổi gene Pseudomonas putida. Loại vi khuẩn này có khả năng chuyển đổi phần lớn các axit cacboxylic thơm trong hỗn hợp thành muconolactone - hợp chất trung gian sau đó được chuyển hóa thành axit adipic, nguyên liệu then chốt để sản xuất nylon.

Trong các thử nghiệm, quy trình mới đạt hiệu suất tạo axit adipic khoảng 26% theo khối lượng, tương đương 26 gram sản phẩm trên mỗi 100 gram lignin đầu vào. Tuy nhiên, theo nhóm nghiên cứu, kết quả này vẫn còn nhiều dư địa cải thiện. Các tính toán cho thấy hiệu suất có thể tăng lên tới 57% nếu quy trình tiếp tục được tối ưu hóa.

Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh công nghệ này hoạt động hiệu quả trên nhiều loại gỗ khác nhau như cây dương, thông và bạch dương. Điều đó cho thấy phương pháp mới có tiềm năng ứng dụng rộng rãi với nhiều nguồn lignin khác nhau, thay vì chỉ giới hạn ở một loại sinh khối cụ thể.

Nếu được thương mại hóa thành công, công nghệ này có thể giúp chuyển đổi lượng lớn chất thải thực vật hiện đang bị lãng phí thành nguồn nguyên liệu cho ngành nhựa và vật liệu công nghiệp, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ và hỗ trợ các mục tiêu cắt giảm phát thải carbon trong tương lai.