Nhà khoa học chuyển hóa CO2 thành tinh bột, giúp tăng năng suất gấp 10 lần

Nông dân thu hoạch ngô để sản xuất tinh bột ở Trung Quốc. (Ảnh: SCMP)

Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ Sinh học Công nghiệp Thiên Tân (TIB), trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), lần đầu công bố phương pháp tổng hợp tinh bột từ CO2 nhờ hệ enzyme nhân tạo vào năm 2021. Kết quả được đăng trên tạp chí Science, cho thấy quy trình trong phòng thí nghiệm có tốc độ tạo tinh bột nhanh gấp 8,5 lần so với quá trình tự nhiên ở cây ngô.

Sau khoảng 5 năm phát triển, nhóm nghiên cứu đang tiến gần hơn tới mục tiêu thương mại hóa công nghệ này bằng cách cải thiện hiệu suất và giảm chi phí. Theo China Science Daily, những cải tiến gần đây đã giúp sản lượng tinh bột tăng gấp 10 lần so với mức đạt được năm 2021.

Giáo sư Cai Tao, người đứng đầu dự án tại TIB, cho biết quá trình đưa công nghệ từ nghiên cứu cơ bản sang ứng dụng công nghiệp là thách thức lớn. “Rất khó để đi từ con số không đến một, khó giảm chi phí và còn khó hơn để đạt tới sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn phải đối mặt và vượt qua thách thức đó”, ông nói.

Tinh bột công nghiệp hiện được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, dệt may, chất kết dính và dược phẩm. Phần lớn nguồn cung hiện nay đến từ ngô nhờ năng suất cao và chi phí thấp. Tuy nhiên, sản xuất tinh bột từ ngô gây áp lực lớn lên môi trường do tiêu tốn nhiều nước, phân bón và diện tích đất canh tác.

Theo ông Cai, phương pháp mới chỉ mất vài giờ để tạo tinh bột trong phòng thí nghiệm, trong khi tự nhiên phải mất hàng tháng. Về lý thuyết, một bể phản ứng sinh học dung tích một mét khối có thể cho tinh bột tương đương sản lượng hàng năm của hơn 3.300 m2 ngô, chưa tính đến yếu tố năng lượng.

Trong tự nhiên, thực vật sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển CO2 và nước thành tinh bột thông qua quá trình quang hợp. Trong khi đó, phương pháp của nhóm TIB sử dụng chất xúc tác để chuyển CO2 thành methanol, sau đó các enzyme tiếp tục biến đổi methanol thành các đơn vị đường và cuối cùng là tinh bột có cấu trúc giống hệt tinh bột tự nhiên.

Một nghiên cứu khác của nhóm, công bố trên tạp chí Science Bulletin hồi tháng 5/2025, cho thấy một số nền tảng sinh tổng hợp tinh bột nhân tạo đạt hiệu suất năng lượng cao hơn 3,5 lần và tốc độ tổng hợp nhanh hơn tới 23 lần so với hệ thống thực vật tự nhiên.

Nhằm thúc đẩy ứng dụng thực tiễn, TIB đã thành lập Trung tâm nghiên cứu tinh bột nhân tạo từ năm 2022. Để có thể sản xuất ở quy mô công nghiệp, chi phí của phương pháp này cần tương đương tinh bột nông nghiệp, trong đó việc tối ưu hơn 10 loại enzyme đóng vai trò then chốt.

Giáo sư Cai Tao giới thiệu một mẫu tinh bột tổng hợp trong phòng thí nghiệm. (Ảnh: Tân Hoa Xã)

Một enzyme quan trọng, chiếm khoảng một nửa tổng lượng enzyme trong hệ phản ứng, từng được đánh giá là “cực kỳ khó cải tiến”. Tuy nhiên, theo ông Cai, hoạt tính của enzyme này hiện đã được nâng cao đáng kể so với năm 2021, giúp giảm lượng enzyme sử dụng và hạ chi phí sản xuất.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng ứng dụng trí tuệ nhân tạo để sàng lọc các biến thể enzyme tối ưu, qua đó tăng độ ổn định, rút ngắn thời gian nghiên cứu và cho phép tái sử dụng enzyme.

Giám đốc sáng lập TIB, ông Ma Yanhe, khẳng định công nghiệp hóa luôn là mục tiêu cuối cùng của dự án. “Ngay từ đầu đã rất khó khăn nhưng chúng tôi không có lý do để bỏ cuộc giữa chừng”, ông nói.

Cũng trong nghiên cứu công bố hồi tháng 5/2025, nhóm giới thiệu phương pháp chuyển methanol thành đường tinh luyện, có thể thay thế việc trồng mía hoặc củ cải đường. CAS hiện đã khởi động sáng kiến “cố định và chuyển hóa carbon dioxide” nhằm nghiên cứu các cơ chế cố định carbon và phát triển các hệ thống nhân tạo.

Theo CAS, tháng 10 năm ngoái, một hội thảo do TIB tổ chức trong khuôn khổ sáng kiến này đã khởi động chương trình khoa học quốc tế và quỹ nghiên cứu toàn cầu về chuyển hóa CO2.