Tạo ra nhiên liệu phản lực tái tạo từ vi khuẩn, thay thế năng lượng hóa thạch trong tương lai

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley đã thu hoạch thành công nhiên liệu phản lực thay thế từ các loài vi khuẩn đất thường được tìm thấy thuộc chi streptomyces. Đây là một tin vui hé lộ một giải pháp thay thế tốt cho nhiên liệu hàng không.

Dầu mỏ ngày càng ít đi, nhu cầu tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo mới

Năm 1999, Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ (APA) công bố một báo cáo cho thấy trữ lượng dầu trên Trái đất có thể khô lại bất cứ lúc nào trong khoảng thời gian từ năm 2062 đến năm 2094. Tuy nhiên, một nghiên cứu năm 2019 từ Liên minh Thiên niên kỷ vì Nhân loại và Sinh quyển (MAHB) của Đại học Stanford dự đoán rằng thế giới sẽ hết dầu sớm hơn nhiều, tức là vào năm 2054. Hãy tưởng tượng một thế giới mà máy bay không bay, máy bay phản lực không bảo vệ biên giới quốc gia, hàng hóa không được vận chuyển và tên lửa không thể rời Trái đất vì không có dầu.

Vì các ngành công nghiệp hàng không, vận tải biển và hàng không vũ trụ toàn cầu chạy bằng dầu , sự cạn kiệt của nó có thể dẫn đến sự hỗn loạn trên toàn thế giới. Tình trạng thiếu hụt dầu trong thời gian gần đâu đã khiến giá nhiên liệu trên toàn cầu tăng cao chưa từng thấy. Gần đây, giá xăng ở các bang khác nhau của Mỹ đã vượt mốc 5 USD / gallon, mức cao mới mọi thời đại.

Đó là lý do tại sao nhiều ngành công nghiệp là các nhà khoa học vẫn đang không ngừng tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo có thể thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là dầu. Một bước quan trọng được thực hiện theo hướng này là việc các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm Lawrence sản xuất nhiên liệu máy bay tái tạo từ vi khuẩn.

Sản xuất nhiên liệu phản lực từ vi khuẩn streptomyces như thế nào?

Jay Keasling, giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học California cùng với nhà nghiên cứu Pablo Cruz Morales đã cũng thảo luận về việc có thể tạo ra một phân tử có tên là Jawsamycin. Pablo trước đây đã làm việc với vi khuẩn streptomyces, vì vậy ông biết rằng Jawsamycin là một phân tử được sản xuất tự nhiên do các phản ứng trao đổi chất trong cơ thể của vi khuẩn streptomyces.

Phân tử này có tiềm năng giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, và "nó sẽ là một ý tưởng bùng nổ." Nhóm của anh bắt tay vào thực hiện ý tưởng. Họ đã thiết kế vi khuẩn Streptomyces coelicolor trong môi trường nuôi cấy với đường, muối và một số axit amin, sau đó thu hoạch vi khuẩn, phá vỡ chúng và tách phần dầu (chứa các phân tử tương tự như Jawsamycin) được tạo ra trong cơ thể chúng. Cuối cùng, họ quyết định ester hóa các loại dầu và một loại nhiên liệu sinh học mới đã sẵn sàng.

Các phân tử tổng hợp trong phòng thí nghiệm có chức năng tương tự như Jawsamycin được Pablo và các đồng nghiệp của ông gọi là “fuelimycin". Nói về ưu nhược điểm của nhiên liệu sinh học so với nhiên liệu thông thường, Pablo nói rằng nhiên liệu của họ được sản xuất bằng các quy trình tái tạo, trong khi nhiên liệu truyền thống có nguồn gốc từ dầu mỏ. POP-FAME cũng có thể tích trữ nhiều năng lượng hơn nên chúng có thể hiệu quả hơn nếu được sản xuất ở quy mô lớn.

Tuy nhiên, điều bất lợi hiện tại là vẫn chưa có một phương thức sản xuất quy mô lớn có hiệu quả kinh tế và khó có thể cạnh tranh với nhiên liệu hóa thạch khi chúng được trợ cấp và nền kinh tế toàn cầu được xây dựng xung quanh chúng. Tuy vậy, các nhà khoa học hy vọng sẽ có sự thay đổi, bởi vì khí hậu đang biến đổi và con người cần ngừng sử dụng nhiên liệu hóa thạch để làm chậm quá trình này.

Tính chất hóa học mạnh mẽ của phân tử từ vi khuẩn

Jawsamycin tự nhiên là một phân tử được tạo ra trong cơ thể của vi khuẩn streptomyces khi chúng ăn đường hoặc axit amin và sau đó chuyển đổi chúng thành các phân tử tạo thành các vòng cyclopropane (cấu trúc 3 vòng carbon hình tam giác) trong quá trình tiêu hóa. Theo các nhà nghiên cứu, quá trình hình thành Jawsamycin tương tự như việc tạo ra chất béo trong cơ thể người, tuy nhiên, chính các vòng xiclopropan năng lượng cao mới tạo nên sự khác biệt.

Chất béo được hình thành do sự tích tụ nhiều glucose (một phân tử sáu carbon) trong cơ thể dưới dạng glycogen. So với sáu phân tử carbon, phân tử ba carbon hình tam giác cần nhiều năng lượng hơn để hình thành chúng. Xét về mặt hóa học, nếu có các liên kết ở một góc bình thường, một chuỗi cacbon mở, các cacbon có thể linh hoạt và chúng trở nên thoải mái. Còn nếu bạn biến chúng thành một vòng sáu cacbon, chúng vẫn có thể di chuyển một chút. Tuy nhiên, hình dạng tam giác làm cho các liên kết bị uốn cong, và sức căng đó đòi hỏi năng lượng để tạo ra.

Việc xây dựng phân tử Jawsamycin và fuelimycin được tạo điều kiện thuận lợi bởi một loại enzym gọi là polyketide synthases. Các tổng hợp polyketide là các phức hợp đa enzym tương tự như các tổng hợp axit béo tạo ra các hợp chất dầu trong cơ thể người và nhiều sinh vật khác. Các nhà nghiên cứu cũng nhận ra rằng hoạt động của enzym polyketide synthases tạo thành vòng cyclopropane năng lượng cao.

Họ tin rằng nhiên liệu sinh học của mình có thể cung cấp năng lượng cho máy bay phản lực, máy bay dân dụng và thậm chí là nhiên liệu tên lửa trong tương lai, nhưng để biến điều này thành khả thi, cần phải làm rất nhiều việc nữa. Nhóm nghiên cứu cho biết các bước tiếp theo là làm cho vi khuẩn sản xuất nhiều hơn sản phẩm này và sửa đổi thêm sản phẩm để có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng hơn như vận chuyển, tên lửa và hàng không.