Công nghệ lên men cho phép sử dụng các phân tử nền tảng có hàm lượng carbon thấp làm chất trung gian từ các lĩnh vực năng lượng và hóa học để sản xuất protein đơn bào

Tìm nguồn cung protein khác nhau

Quá trình cung cấp thực phẩm cho dân số toàn cầu hiện đang gia tăng lên con số 8 tỷ người, hệ thống thực phẩm hiện tại tạo ra 34% lượng khí thải nhà kính (GHG) trên toàn cầu. Điều này tương đương với 18GT CO₂eq hàng năm, trong đó các sản phẩm động vật tạo ra 10GT. Đương nhiên, dân số ngày càng tăng và nhu cầu của tầng lớp trung lưu về số lượng thực phẩm nhiều hơn – theo nền nông nghiệp truyền thống, sẽ tạo ra nhiều CO₂eq hơn.

Ngoài ra còn có một thách thức về mặt vật lý trong việc sản xuất thêm thực phẩm. Nông nghiệp phát triển không chỉ có khả năng làm tăng lượng khí thải, mà còn đặt ra câu hỏi là liệu chúng ta có thể tìm được nguồn lực vật chất ở đâu để phát triển chúng? Nơi nào có thể cung cấp thêm 20% hoặc thậm chí lên đến 50% diện tích đất nông nghiệp dự kiến cần vào năm 2050, nếu không phải từ việc phá rừng? Và nguồn nước ngọt và phân bón sẽ tìm thấy ở đâu?

Bây giờ, hãy tưởng tượng một hệ thống thực phẩm tách rời khỏi nông nghiệp và ngư nghiệp. Một hệ thống sản xuất protein với mức phát thải ròng bằng 0, cụ thể là không phá rừng hoặc đánh bắt quá mức trên các đại dương trên thế giới, không thải nitơ (N) và phốt pho (P), không mất đa dạng sinh học hoặc không vận chuyển đường dài. Điều đáng chú ý là hệ thống thực phẩm như vậy không phải là điều viển vông. Các khoản đầu tư quy mô lớn được thực hiện để tạo ra năng lượng tái tạo nhằm sản xuất amoniac xanh và nguyên liệu thức ăn với lượng khí thải thấp từ CO₂ sinh học, đồng thời có cơ hội biến chúng thành protein đơn bào.

Một hệ thống thực phẩm đang phát triển kết hợp quá trình chuyển đổi năng lượng, từ hóa thạch sang năng lượng tái tạo, với quá trình chuyển đổi protein, từ cây trồng và protein có nguồn gốc động vật sang protein vi sinh vật. Tiềm năng của công nghệ lên men quy mô công nghiệp là rất lớn và có thể đảm bảo sản xuất thực phẩm đúng theo tiêu chuẩn của vùng bao gồm các chất dinh dưỡng không có carbon: protein, vitamin và chất béo; thực phẩm được sản xuất với giá cả phải chăng theo chuỗi giá trị và được người tiêu dùng cuối cùng ưu tiên lựa chọn.

Động thái của biến đổi khí hậu và tăng trưởng dân số

Hai xu hướng lớn toàn cầu đang thống trị tin tức là biến đổi khí hậu, liên quan đến phát thải khí nhà kính, và các thách thức về an ninh lương thực, liên quan đến nạn phá rừng và khai thác quá mức, giải phóng carbon từ đất và đại dương vào khí quyển. Kết hợp với sự gia tăng dân số toàn cầu và tầng lớp trung lưu, những xu hướng lớn sắp tới ra này sẽ đặt ra thách thức chúng ta là liệu có thể cung cấp thực phẩm cho tất cả mọi người trong hành tinh hay không.

Do đó, chúng ta có thể sẽ chứng kiến ​​sự thiếu hụt protein ngày càng tăng lên tới 100 triệu tấn vào năm 2050 (Hình 1) và phải đối mặt với những thách thức về việc tuân thủ các cam kết về mức phát thải ròng bằng 0 (Hình 2).

Hình 1. Nhu cầu protein (khô) năm 2020 và 2050

Nguồn: https://ourworldindata.org; Chúng ta cùng nhau giải quyết vấn đề thiếu hụt protein, Tạp chí Feed Planet; Cung và cầu protein trong tương lai: Chiến lược và các yếu tố Ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng bền vững-PMC (nih.gov); Một phân tích tổng hợp về nhu cầu lương thực toàn cầu dự kiến và dân số có nguy cơ xảy ra nạn đói trong giai đoạn 2010-2050 (nature.com); Microsoft Word – Synthesis_Report. doc (fao.org)

Hình 2. Con đường hướng tới mức phát thải ròng bằng 0, được đề xuất bởi sáng kiến SBT. Nguồn: https://sciencebasedtargets.org/resources/files/Net-Zero-Criteria-Draft-for-Public-Consultation-vl-0.pdf

Quản lý những thách thức hội tụ

Có một giải pháp cho cả hai thách thức: ngành công nghiệp hóa chất và năng lượng. Nhu cầu về năng lượng, nhiên liệu và vật liệu sạch hơn đang làm tăng số terawatt từ điện tái tạo được sản xuất bởi mặt trời và gió, tạo ra nhiên liệu sinh học và hóa chất sinh học. Các chất mang năng lượng xanh như H₂ và CO từ nước và CO₂ chạy bằng điện tái tạo có thể được sử dụng để sản xuất các phân tử nền tảng có hàm lượng carbon thấp.

Bằng cách sử dụng công nghệ sinh học chính xác, chúng ta có thể chuyển đổi các sản phẩm của quá trình chuyển đổi năng lượng thành các khối cơ bản để sản xuất protein đơn bào ở quy mô lớn, sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Điều này không chỉ giải quyết vấn đề thiếu hụt protein mà còn giải quyết các vấn đề cơ bản của nông nghiệp truyền thống, vốn liên quan đến nhu cầu sử dụng đất và nước.

Protein đơn bào có thể cung cấp sinh khối vi sinh vật giàu protein sẵn có ở dạng tảo, nấm men, vi khuẩn hoặc nấm (Hình 3). Các vi sinh vật xuất hiện tự nhiên có thể chuyển đổi các phân tử nền tảng thành protein, hoàn toàn phù hợp để thay thế bột cá, gluten lúa mì, protein cô đặc từ đậu nành hoặc đậu Hà Lan và các protein thực vật khác. Điều này có thể đạt được bằng cách kết hợp công nghệ sinh học với khoa học sinh học mới để huấn luyện và tiến hóa vi sinh vật trở thành nhà sản xuất siêu protein và tối đa hóa giá trị dinh dưỡng của phần không phải protein trong cấu trúc tế bào.

Hình 3. Các vi sinh vật được sử dụng để sản xuất protein đơn bào. Nguồn: https://byjus.com

Chi phí năng lượng tái tạo đã giảm đáng kể trong thập kỷ qua nhờ quá trình mở rộng với quy mô lớn. Với chi phí hiện tại là 0,03-0,06 USD/kWh, năng lượng tái tạo đã có thể so sánh với năng lượng hóa thạch (Hình 4). Các nhiệm vụ của chính phủ đã đẩy nhanh quá trình chuyển đổi và sẽ tiếp tục như vậy khi việc triển khai nhiều hơn các dự án sản xuất năng lượng tái tạo được thực hiện – có khả năng gây áp lực giảm giá. Khả năng đầu tư nhiều hơn được ghi nhận trong chuỗi giá trị dưới hình thức giảm phát thải CO₂eq khi khoản đầu tư ròng vào nguồn không chứa protein trở nên cạnh tranh với chi phí tài chính là €100/tấn CO₂eq.

Hình 4. LCOE (chi phí năng lượng quy dẫn) trung bình toàn cầu và cấp dự án của các công nghệ sản xuất điện tái tạo quy mô tiện ích mới được đưa vào vận hành. 2010-2021. Nguồn: Cơ sở dữ liệu chi phí tái tạo IRENA.

Việc tạo ra các nhà máy có khối lượng lớn hơn 100 nghìn tấn (kt) sản xuất protein vi sinh vật sẽ không chỉ giải quyết một phần vấn đề về sản xuất protein mà còn giảm lượng khí thải carbon tương đương với 400 nghìn tấn CO₂ (trị giá 40 triệu euro) phát ra từ bột đậu nành không biến đổi gen và hấp thụ 200 nghìn tấn carbon sinh học, với giá trị xấp xỉ 20 triệu euro.

Liệu Protein đơn bào có phải là tương lai gần?

Lĩnh vực công nghệ sinh học protein “đơn bào” đã tiến bộ và với các công cụ mới, đang cho phép chúng ta phát triển các chuỗi giá trị mới. Các công ty như Calysta đã phát triển và thương mại hóa các hệ thống phản ứng sinh học đặc biệt với vi khuẩn tiêu thụ khí mê-tan có khả năng sản xuất protein từ khí tự nhiên, giải phóng CO₂ hóa thạch. Những công ty khác, như Deep Branch, Air Protein và Solar Foods, thu giữ CO₂, H₂ và O₂, tạo ra protein từ vi khuẩn. Protein Brewery sử dụng đường từ đất trồng trọt làm nguyên liệu cho protein vi sinh vật của họ. Các nguồn protein thay thế như côn trùng hoặc vi tảo cũng đang được khám phá và thương mại hóa nhưng gặp phải vấn đề về quy mô.

Cuối cùng, một số công ty, như chúng tôi, sử dụng các phân tử nền tảng có hàm lượng carbon thấp làm sản phẩm trung gian cho các lĩnh vực năng lượng và hóa chất, những lĩnh vực đang ngày càng có sẵn với chi phí thấp hơn và tương đối dễ xử lý. DSM-Firmenich sở hữu những chủng vi sinh vật phù hợp nhất để sản xuất protein bằng công nghệ lên men tiên tiến. Vi sinh vật là những cá thể linh hoạt, nhanh nhẹn và ăn tạp các phân tử carbon. Các thử nghiệm ban đầu với cá không tìm thấy tác động bất lợi nào đến sự tăng trưởng và tỷ lệ sống khi thay thế 100% bột cá và 50% protein đậu nành đậm đặc, với mức độ hấp thụ cao trên 15% (Hình 5).

Hình 5. Ảnh hưởng của việc bổ sung protein đơn bào đến hiệu suất tăng trưởng của cá hồi vân. Nguồn: dsm-firmenich.

DSM-Firmenich có hơn 150 năm kinh nghiệm về công nghệ sinh học trong lĩnh vực công nghệ chủng và chế biến cũng như lên men quy mô công nghiệp. Hơn 20 địa điểm lên men công nghiệp sản xuất hơn 100 sản phẩm, như axit béo omega-3 từ tảo tự nhiên, vitamin, chất làm ngọt, enzyme, hợp chất thơm, thành phần hương thơm, vi khuẩn probiotic và hydrocolloid để tạo cấu trúc thực phẩm.

Điều thú vị là, sự kết hợp tổng hợp giữa các ngành công nghiệp năng lượng, hóa chất và thực phẩm có thể trở thành yếu tố quan trọng ở quy mô công nghiệp để giải quyết những thách thức dường như đối nghịch về phát thải khí nhà kính và nhu cầu cung cấp protein cho dân số ngày càng tăng một cách bền vững. Nhu cầu ngày càng tăng về protein để bù vào sự thiếu hụt lên đến 100 triệu tấn sắp xảy ra vào năm 2050 và nhu cầu giảm 18G tấn carbon khỏi hệ thống thực phẩm của chúng ta có thể đạt được bằng cách sử dụng protein vi sinh vật quy mô công nghiệp như một trong những giải pháp quan trọng. Thư viện chủng và công nghệ lên men quy mô công nghiệp của DSM-firmenich có thể đóng góp đáng kể cho phép chúng tôi giải quyết trực tiếp những thách thức này.

Theo Henk Noorman

Nguồn: https://issuu.com/aquacultureasiapacific/docs/aq23190_aap_sep_oct_23_fa_mr?e=28637981/97618616

Biên dịch: Huyền Thoại – Tôm Giống Gia Hóa Bình Minh

TÔM GIỐNG GIA HÓA – CHÌA KHÓA THÀNH CÔNG

Xem thêm:

• Probiotic Trong Nuôi Trồng Thủy Sản: Tầm Quan Trọng Và Triển Vọng Tương Lai
• Ảnh Hưởng Của Chế Phẩm Sinh Học Loài Bacillus (Bacillus subtilis Và B. licheniformis) Đến Chất Lượng Nước, Phản Ứng Miễn Dịch Và Sức Đề Kháng Của Tôm Chân Trắng (Litopenaeus vannamei) Chống Lại Nhiễm Nấm Fusarium solani
• Lợi Ích Của Carotenoid Tự Nhiên Từ Paracoccus Carotinifaciens Đối Với Màu Sắc Và Hệ Miễn Dịch Của Tôm Thẻ Chân Trắng