Photanol - Sản xuất hóa chất từ carbonic và ánh sáng mặt trời
Tận dụng quá trình quang hợp của vi khuẩn lam để phân hủy khí carbonic – một trong những tác nhân chính gây ra tình trạng nóng lên toàn cầu – công ty Photanol hy vọng sẽ cách mạng hóa được ngành công nghiệp hóa chất và nhiên liệu, đồng thời góp phần giảm bớt ô nhiễm môi trường.
Phép thuật trong món súp xanh
Trong phòng thí nghiệm tại Công viên Khoa học Amsterdam, một cuộc cách mạng xanh đang được ấp ủ. Bà Véronique de Bruijn, CEO của Công ty Photanol, chia sẻ: “Khi lần đầu nghe về phát minh này vào năm 2011, tôi cảm thấy đây là thuật giả kim, vì nó giống như phép thuật trong món súp xanh vậy”.
Thứ súp xanh được nhắc tới là dung dịch chứa vi khuẩn lam – những sinh vật đơn bào hoạt động giống thực vật: qua quá trình quang hợp, chúng sử dụng ánh sáng mặt trời để phân hủy CO2 thành oxy, sinh khối và hợp chất carbon. Những hợp chất ấy là khối cấu tạo cần thiết để tạo ra nhựa phân hủy sinh học, chất tẩy rửa bền vững, sản phẩm chăm sóc sức khỏe và sắc đẹp, thậm chí cả nhiên liệu bền vững như xăng và dầu diesel.
Thông thường, chúng ta cần nhiều bước hơn để sản xuất hợp chất hữu cơ. Đầu tiên, ta cần trồng cây, chờ đợi thu hoạch được sản phẩm rồi đưa đi chiết xuất đường; sau đó dùng nấm men hoặc vi khuẩn để biến đường thành axit hữu cơ hoặc các hợp chất khác. Trong khi đó, các nhà khoa học tại Photanol đã làm nên một quy trình cách mạng khi loại bỏ hẳn hoạt động nông nghiệp, trực tiếp chuyển thẳng từ CO2 sang axit nhờ vi khuẩn lam.
Giáo sư Hellingwerf, tác giả của quy trình, cho biết: “Chúng tôi có thể kiểm soát thứ mà vi khuẩn lam tạo ra. Để làm vậy, chúng tôi điều chỉnh gene của vi khuẩn lam trong phòng thí nghiệm. Từ đây, vi khuẩn này có thể tạo ra mọi loại hợp chất hữu cơ giá trị”.
Tuy nhiên, vì là vi khuẩn biến đổi gene nên chúng khó sống trong môi trường ngoài trời, buộc các nhà khoa học phải đưa chúng vào một hệ thống khép kín. Hệ thống này không cần nguyên liệu thô như đường, mà chỉ cần cung cấp khí CO2, ánh sáng Mặt trời, một ít muối và vi chất dinh dưỡng. Nó gồm các ống nhựa PVC bán trong suốt, đường kính vài cm, gập lại theo hình chữ U và được phân bố làm sao cho ánh nắng có thể dễ dàng tiếp cận tới mọi phần của quá trình sản xuất. Ở các bể trung tâm, nhân viên điều hành sẽ cung cấp CO2và chất dinh dưỡng cho dung dịch chứa vi khuẩn lam, và loại bỏ sản phẩm phụ là oxy.
Hệ thống dung dịch vi khuẩn lam. Nguồn: Công ty Photanol
Giám đốc Điều hành Paul Koekoek cho biết: “Trong các điều kiện bình thường, vi khuẩn lam dùng hết năng lượng để phát triển mạnh và tồn tại trong tự nhiên. Nhưng vi khuẩn biến đổi gene lại chủ yếu dùng năng lượng để sản xuất nên không khỏe bằng. Ngoài ra, nhiều sinh vật khác rất thích các sản phẩm [được vi khuẩn lam tạo ra] như axit lactic (một thành phần quan trọng của nhựa sinh học, cùng nhiều thứ khác), do đó chúng tôi muốn loại chúng ra khỏi chất lỏng xử lý. Một trong những phương pháp mà chúng tôi sử dụng là thi thoảng tăng nhiệt độ của lò phản ứng lên rất cao tới mức vi khuẩn lam có thể tồn tại, còn những vi khuẩn không chịu được sẽ chết”.
Trong giai đoạn đầu, vi khuẩn lam sử dụng các chất được cung cấp để sinh sôi nảy nở nhanh chóng, sau đó chúng sẽ sản xuất sản phẩm. Vi khuẩn sẽ giải phóng hóa chất vào nước – đây là lợi ích chính của công nghệ này. Bởi lẽ, trái ngược với tảo, Photanol không cần chiết xuất sản phẩm từ sinh vật. Thách thức mà họ gặp phải là chưng cất sản phẩm hiệu quả từ nước lại dễ dàng được giải quyết nhờ mối quan hệ hợp tác với Nouryon – công ty hàng đầu về hóa chất tại Hà Lan. Kiến thức về công nghệ xử lý của Nouryon đã giúp Photanol giải được bài toán khó.
Thế nhưng, liệu nó có hiệu quả chi phí khi mở rộng quy mô? Câu trả lời là: Có. Mỗi một ống dung dịch là một hệ thống khép kín, nhờ thế việc mở rộng quy mô nhà máy chỉ đơn giản là đặt nhiều ống hơn với đủ ánh sáng để vi khuẩn làm công việc của mình. Chưa kể, quy trình này cần diện tích đất ít hơn 40 lần so với cây trồng để tạo ra lượng sản phẩm tương đương, và cần lượng nước ít hơn 10.000 lần. Photanol không cần đất nông nghiệp, mà có thể lắp đặt hệ thống ở sa mạc, đất cằn hay biển cả, miễn là không cách quá xa nguồn phát thải CO2.
Phương pháp tạo ra hợp chất carbon tự nhiên của Photanol đã mở ra con đường cho ngành công nghiệp nhiên liệu và hóa chất tuần hoàn. Việc sử dụng vi khuẩn theo cách này sẽ giúp công ty sản xuất tránh được nhiều quy trình tiêu tốn tài nguyên và nhiên liệu hóa thạch hiện đang được ngành hóa chất sử dụng. Vào năm 2019, Công ty được Diễn đàn Kinh tế Thế giới vinh danh là một trong 59 Công ty tiên phong công nghệ toàn cầu, hiện họ đang trong giai đoạn mở rộng quy mô. Photanol đã xây nhà máy thử nghiệm tại Prodock với công suất 10 tấn/năm. Vào năm 2021, họ thiết lập nhà máy thí điểm công nghiệp tại Delfzijl (ở Đông Bắc Hà Lan) với quy mô gấp 100 lần so với nhà máy thử nghiệm – đây là nơi Photanol điều chỉnh sự cân bằng tối ưu giữa vốn đầu tư và lợi nhuận để mang lại hiệu quả thương mại. Dự kiến, họ sẽ mở nhà máy sản xuất chủ lực thương mại đầu tiên vào năm 2030.
Từ nhà trường tới công ty
Công nghệ của Photanol là đứa con tinh thần của hai giáo sư Đại học Amsterdam là Joost Teixeira de Mattos và Klaas Hellingwerf. Họ kết hợp kiến thức về lên men và vi khuẩn lam để phát triển ý tưởng về các nhà máy sản xuất tế bào. Đại học Amsterdam quyết định nộp bằng sáng chế cho công nghệ này và đầu tư cho dự án, kết hợp với ICOS Capital – một quỹ đầu tư mạo hiểm vào công nghệ sạch tại Amsterdam, chuyên hỗ trợ các công nghệ sơ khai phát triển và đưa nó ra thị trường. Nhờ thế, Photanol được thành lập vào năm 2012. Thời gian trôi qua, công ty này lớn mạnh và vượt qua giới hạn khuôn viên trường. Hiện tại, Photanol có đội ngũ khoảng 35-40 chuyên gia tới từ 11 quốc gia trên thế giới.
Amsterdam có một hệ sinh thái lớn gồm các tổ chức, công ty khởi nghiệp và tập đoàn, và tinh thần hợp tác giữa họ vô cùng mạnh mẽ. Việc ở trong hệ sinh thái sẵn lòng tương hỗ như vậy mang lại cho Photanol nhiều lợi ích, từ việc hợp tác cho tới nhận tài trợ, hay là lời khuyên quý giá từ các công ty đồng hành trong quá trình mở rộng quy mô. Đây là động lực thúc đẩy Photanol phát triển.
Chẳng hạn, nhờ hình thành mối quan hệ đối tác với Corbion – Công ty Thực phẩm, hóa sinh và Nouryon, Photanol có thể chứng minh khả năng sản xuất các axit hữu cơ tự nhiên và tiến tới mở rộng quy mô quy trình tại nhà máy Delfzijl. Ngoài ra, công ty còn hợp tác với Công ty Sản xuất màng nhựa nhiệt dẻo Renolit để phát triển ethylene và propylene – những nguyên liệu được ứng dụng trong ngành dệt may, bao bì, điện tử... Việc bắt tay với những gã khổng lồ đem lại cho Photanol lòng tin là họ sẽ thành công trên trường quốc tế, và công nghệ sạch này sẽ làm nên cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp hóa chất gây ô nhiễm nhất hành tinh.
