cellulose vi sinh vật đôi khi được gọi là cellulose vi khuẩn, là một dạng cellulose được sản xuất bởi vi khuẩn. Nó được sử dụng rộng rãi trong món tráng miệng truyền thống của người Philippines Nata de coco. Những bài báo đầu tiên mô tả cellulose vi sinh vật là từ năm 1931, [1] sau đó nó được xác định là cellulose vào năm 1934. [2]
Sản xuất [ chỉnh sửa ]
Vi khuẩn từ thế hệ [19459] Acetobacter Achromobacter Agrobacterium Alacaligenes , Rhizobium và Sarcina tổng hợp cellulose. [3] Tuy nhiên, chỉ Gluconacetobacter sản xuất đủ cellulose để chứng minh lợi ích thương mại. Loài được nghiên cứu rộng rãi nhất là Gluconacetobacter xylinus trước đây gọi là Acetobacter xylinum và kể từ khi được phân loại lại là Komagataeibacter xylinus [19459017xylinus đùn chuỗi glycan từ lỗ chân lông vào môi trường phát triển. Những tập hợp này thành microfibrils, bó lại để tạo thành các dải cellulose vi sinh vật. Các loại đường khác nhau được sử dụng làm chất nền. Sản xuất xảy ra chủ yếu ở giao diện của chất lỏng và không khí.
Sự khác biệt với cellulose thực vật [ chỉnh sửa ]
Một số ưu điểm của cellulose vi sinh so với cellulose thực vật bao gồm:
- Cấu trúc tinh xảo và phức tạp hơn
- Không loại bỏ hemiaellulose hoặc lignin
- Chiều dài sợi dài hơn: mạnh hơn và rộng hơn
- Có thể được sản xuất trên hầu hết mọi hình dạng và độ dày
- của chất nền
- Công thức của môi trường được sử dụng và chủng Acetobacter xylinum sẽ xác định chất lượng của hạt
- Hấp thụ nhiều hơn trên mỗi đơn vị thể tích
Bất lợi cho việc sử dụng thương mại chỉnh sửa ]
Một số vấn đề đã ngăn chặn thương mại hóa quy mô lớn cho đến nay bao gồm:
- Giá cao [khoảng 50 lần so với cellulose thực vật]
- Bởi vì chất nền có giá cao: đường
- Năng suất thể tích thấp
- Thiếu năng lực sản xuất quy mô lớn
- Mở rộng kịp thời và duy trì nuôi cấy tế bào để sản xuất
Các hạt cellulose vi sinh vật ướt được loại bỏ khỏi môi trường nuôi cấy.
Chức năng [ chỉnh sửa ]
Một bí ẩn tiếp tục xung quanh cellulose vi khuẩn là chức năng sinh học chính xác của nó. A. xylinus kể từ khi được đổi tên thành Gluconacetobacter xylinus và gần đây là Komagataeibacter xylinus là một loại vi khuẩn thành công và phổ biến trong tự nhiên. Hình thức quen thuộc nhất của cellulose vi sinh vật là dạng viên trên đỉnh của môi trường nuôi cấy tĩnh. Do đó, người ta đã đưa ra giả thuyết rằng cellulose hoạt động như một thiết bị tuyển nổi, đưa vi khuẩn vào giao diện không khí giàu oxy. Giả thuyết này phần lớn đã bị làm mất uy tín bởi các thí nghiệm được thực hiện trên các ống silicon thấm oxy cho thấy cellulose phát triển tốt nếu có đủ oxy. [4] Những người khác nghi ngờ rằng cellulose được sử dụng để làm bất động vi khuẩn trong nỗ lực giữ nó ở gần nguồn thực phẩm, hoặc như một hình thức bảo vệ chống lại tia cực tím. [5]
Y tế [ chỉnh sửa ]
Cellulose vi khuẩn là tương thích sinh học và không độc hại, làm cho nó trở thành một vật liệu tốt cho các ứng dụng y tế [6] Cho đến nay, nó đã tìm thấy một vai trò thương mại trong một số băng vết thương. Hiện đang có nghiên cứu để đánh giá vai trò có thể có của cellulose vi khuẩn trong các ứng dụng sau:
Không y tế [ chỉnh sửa ]
Tài liệu tham khảo [ chỉnh sửa ]
- ^ Tarr, H. L. A., và Harold. "Các nghiên cứu về các phản ứng liên quan đến carbohydrate và polysacarit. XXXV. Tổng hợp polysacarit bằng tác dụng của Acetobacter xylinus trên carbohydrate và các hợp chất liên quan." Tạp chí Nghiên cứu Canada 4.4 [1931]: 372-388.
- ^ Barsha, Jacob và Harold Hibbert. "NGHIÊN CỨU CÁC PHẢN ỨNG LIÊN QUAN ĐẾN CARBOHYDRATE VÀ POLYSACCHARIDES: XLVI. CẤU TRÚC CỦA TỔNG HỢP CELLULOSE B BYNG CÁCH HÀNH ĐỘNG CỦA ACETOBACTER XYLINUS TRÊN FRVELOSE và GLYCEROL. Tạp chí Nghiên cứu Canada 10.2 [1934]: 170-179.
- ^ a b P. Ross, R. Mayer và M. Benziman [1991] "Sinh tổng hợp cellulose và chức năng ở vi khuẩn," Microbiol Mol Biol Rev vol. 55, không 1, trang 35-58, tháng ba
- ^ T. Yoshino, T. Asakura và K. Toda, "Sản xuất cellulose của Acetobacter pasteurianus trên màng silicon," Tạp chí lên men và Bioengineering, tập. 81, không 1, trang 32-36, 1996.
- ^ S. Williams và R. Cannon, "Vai trò môi trường thay thế cho Cellulose được sản xuất bởi Acetobacter xylinum," Vi sinh vật học ứng dụng và môi trường, tập. 55, trang 2448-2452, tháng 10 năm 1989.
- ^ G. Helenius và cộng sự, "Tính tương hợp sinh học in vivo của cellulose vi khuẩn", Tạp chí Nghiên cứu Vật liệu Y sinh: Phần A, tập. 76A, không. 2, tr. 430-438, 2005.
- ^ "Thay thế SyntheCel Dura ở bệnh nhân cần sửa chữa Dura". ClinicalTrials.gov . Truy xuất 2010-03-31 .
- ^ Y. N. 25, không 6, trang 2997-3001.
- ^ D. C. Johnson. Bằng sáng chế 4,861,427
Một nhóm các nhà khoa học ở Trung tâm Công nghệ Sinh học TPHCM và doanh nhân khởi nghiệp đang cùng nhau tìm cách sản xuất màng bảo quản nông sản và bao bì thân thiện với môi trường từ cellulose sinh học - một loại vật liệu còn rất mới mẻ ở Việt Nam.
Màng cellulose sinh học bảo quản thực phẩm của BioCell World | Ảnh: NVCC
Nhắc đến cellulose, người ta thường nghĩ ngay đến thực vật, bởi đây là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã khám phá ra một loại cellulose khác do vi sinh vật tổng hợp ra khi sinh trưởng trong môi trường chứa glucose và oxy.
Lượng cellulose mà vi sinh vật tạo ra trong 1 năm trên diện tích nuôi cấy 0,1 hecta có thể tương đương với lượng cellulose thu được từ 1 hecta rừng trồng trong 10 năm.
Trong bối cảnh các ngành công nghiệp gây áp lực lên môi trường như hiện nay, cellulose sinh học [biocellulose - BC] cho ta hi vọng về việc góp phần giảm thiểu áp lực đó.
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng loại sợi cellulose siêu mịn có đường kính từ 20 - 100 nanomet này [tức mỏng hơn sợi tóc người khoảng 1.000 lần] là chất thay thế lý tưởng cho nhiều sản phẩm trong y tế, mỹ phẩm, dệt may, sản xuất giấy bởi khả năng phân hủy sinh học, độ đàn hồi và giữ nước cao hơn nhiều lần so với các sợi nhân tạo thương mại hiện có.
Ở Việt Nam, các nghiên cứu mang tính cơ bản về cellulose sinh học bắt đầu khá sớm, từ những năm 2006. Tuy nhiên, do mối quan tâm dành cho loại “vật liệu mới” trên chưa nhiều, hầu hết các nghiên cứu vẫn dừng lại ở khâu phân lập, sàng lọc, định danh chủng vi khuẩn hoặc tìm điều kiện nhân sinh khối tối ưu, chỉ một số ít nghiên cứu trong những năm gần đây mới bắt đầu hướng đến việc ứng dụng cellulose sinh học.
Để đưa một lĩnh vực ít người khai phá như cellulose sinh học vào đời sống đòi hỏi không chỉ nỗ lực nghiên cứu mà còn phải dấn bước khai phá thị trường. TS. Phan Mỹ Hạnh, Phó trưởng phòng Công nghệ Vi sinh thuộc Trung tâm Công nghệ Sinh học TPHCM, là một trong những người như vậy. Chị cùng các đồng nghiệp của mình đã đi hết những bước nghiên cứu cơ bản và đang tiến xa hơn trong việc hiện thực hóa một sản phẩm thương mại cụ thể cho cellulose sinh học.
Những kết quả hứa hẹn từ phòng thí nghiệm
Được sự đầu tư của Nhà nước và được Trung tâm Công nghệ Sinh học TPHCM tạo điều kiện tối đa, TS. Hạnh và các đồng nghiệp của mình [Ths. Lê Thị Thùy Nhi, Ths. Trần Chí Hiếu] đã thực hiện những nghiên cứu nền móng – từ phân lập và tuyển chọn bộ chủng vi sinh vật, trong đó nổi bật là các chủng thuộc chi Komagataeibacter spp. cho năng suất tạo cellulose cao, đến phát triển môi trường nuôi cấy nhân tạo để tạo màng cellulose sinh học mà không cần phụ thuộc vào môi trường nuôi cấy tự nhiên là nước dừa.
“Chúng tôi muốn chủ động hoàn toàn trong công nghệ chứ không phụ thuộc vào nguồn lợi tự nhiên mãi được”, TS. Hạnh chia sẻ. Mặc dù nước dừa có sẵn ở nhiều tỉnh thành phía Nam, đặc biệt là quê hương dừa Bến Tre, nhưng bản thân các hiệp hội khai thác dừa cũng thừa nhận rằng mình phải chịu không ít rủi ro trước biến động của thời tiết và xâm nhập mặn; chưa kể đến quy mô nhỏ lẻ và chất lượng không đồng đều của các xưởng sản xuất địa phương.
Do vậy, theo chị, công nghệ sản xuất nguyên liệu cellulose sinh học phải đáp ứng được việc “có thể thực hiện được ở bất kì đâu, bất kể điều kiện thời tiết gì – tương tự như việc trồng cây trong nhà máy.
Dựa trên hai nguồn đầu vào “của nhà làm ra” là chủng vi sinh và môi trường nuôi cấy nhân tạo, nhóm nghiên cứu của Trung tâm Công nghệ Sinh học TPHCM đã xây dựng một quy trình nuôi cấy cellulose sinh học có khả năng phục vụ sản xuất ở quy mô công nghiệp. Tiếp theo, nhóm bắt đầu đi sâu vào xem xét các ứng dụng từ loại vật liệu này. Đến nay, họ đã tạo được những sản phẩm mô hình như bao bì phân hủy sinh học có độ bền gấp 4 lần so với nylon PE và phân hủy sinh học tương tự như lá cây khi chôn trong đất trong khoảng hai tháng; màng trị bỏng thí nghiệm trên chuột cho kết quả kháng khuẩn tương đương với gạc lưới Urgotul SSD 1% nhập ngoại; xơ sợi nhân tạo visco; màng bọc bảo quản trái cây; thức ăn cho gia súc...
Tuy nhiên, tất cả những ứng dụng tuyệt vời đó mới đang dừng ở quy mô thử nghiệm. Cũng như tất cả các nhà khoa học khác, TS. Hạnh hiểu rằng để phát triển các kết quả nghiên cứu này đến mức có thể ra được thị trường thì cần phải đầu tư thêm rất nhiều thời gian, công sức và tiền bạc. Bởi vậy, chị bắt đầu đi tìm các đối tác chuyển giao.
Tìm kiếm người đồng hành táo bạo
Dù nhìn thấy tiềm năng to lớn của cellulose sinh học, nhưng khi giới thiệu, chị gặp phải rất nhiều cái lắc đầu e ngại. Phần lớn giới công nghiệp trong nước không biết hoặc không quan tâm đến cellulose sinh học. Do vậy, không mấy doanh nghiệp mặn mà với việc chuyển đổi những dây chuyền mà mình đang có để phiêu lưu mạo hiểm cho một loại vật liệu thay thế mới.
Ngay cả ý tưởng túi phân hủy sinh học, dù rất được hoan nghênh khi truyền thông đưa tin vào năm 2019, cũng vấp phải trở ngại do giá thành đắt hơn nhiều lần so với những túi nylon thông thường vốn chưa phải chịu nhiều thuế bảo vệ môi trường.
Trước một thị trường không mấy ai làm, không mấy ai quan tâm, nhóm nghiên cứu của TS. Hạnh đã đi đến một quyết định táo bạo: Bắt tay với những doanh nhân khởi nghiệp để thành lập ra BioCell World [BCW], một startup về cellulose sinh học.
TS. Phan Mỹ Hạnh [thứ ba từ phải sang] và các đồng nghiệp tại Trung tâm Công nghệ Sinh học TPHCM | Ảnh: NVCC
Bước đầu, BioCell World hướng tới sản xuất các sản phẩm cellulose sinh học phục vụ ngành nông nghiệp, bao gồm màng bảo quản nông sản và bao bì thân thiện với môi trường. Các màng BC này được tạo ra bằng cách lạng mỏng sinh khối ướt và sấy khô theo một quy trình gia nhiệt thích hợp.
“Với một trong những cổ đông góp vốn là công ty chuyên về nông nghiệp hữu cơ, chúng tôi đang có sẵn mối quan quan hệ trong ngành và hiểu được nhu cầu của những người sản xuất, chế biến nông sản”, chị Nguyễn Đăng Minh Phương, đại diện BioCell World, cho biết.
Xem xét tiềm năng thị trường, chị cho rằng hiện nay, xu hướng thân thiện với môi trường đang lan rộng trên toàn thế giới. Những người trẻ ngày càng ý thức hơn về đồ dùng một lần và sẵn sàng trả tiền cho những phương án thay thế xanh hơn. Châu Âu, Thái Lan đã cấm đồ nhựa dùng một lần và sắp tới Việt Nam có lẽ cũng làm tương tự.
“Đây thực sự là giai đoạn thích hợp để các sản phẩm thân thiện như cellulose sinh học bắt đầu phát triển. Dĩ nhiên, khó khăn lớn nhất là phải thuyết phục thị trường chấp nhận một loại sản phẩm chưa từng xuất hiện”, chị nói.
Qua khảo sát sơ bộ, chị Phương nhận thấy, mặc dù các doanh nghiệp trong nước chưa mặn mà với sản phẩm từ biocelloluse, nhưng các doanh nghiệp nước ngoài lại rất quan tâm. Năm ngoái, BioCell World đã nhận được một số yêu cầu thử nghiệm.
"Một doanh nghiệp Nhật Bản cho biết họ muốn thay thế màng nilon bọc củ sâm bởi vật liệu này yếm khí, dễ khiến củ sâm đổ mồ hôi, làm suy giảm chất lượng dược liệu. Một doanh nghiệp Châu Âu quan tâm đến việc sử dụng màng biocelloluse vào bảo quản và làm bao bì cho sản phẩm phô mai cao cấp," chị kể. "Một doanh nghiệp khác chuyên xuất khẩu bưởi sang Hàn Quốc cũng tìm cách thay thế lớp bọc nilon bằng một vật liệu thân thiện với môi trường hơn nhưng chịu lực tương đương khi quốc gia này ban hành lệnh cấm sử dụng túi nhựa dùng một lần trong siêu thị vào đầu năm 2019."
“Màng cellulose sinh học có khả năng giải quyết những vấn đề này, bởi nó có cấu trúc sợi nano, ngăn vi khuẩn xâm nhập nhưng vẫn cho phép trao đổi khí và hút ẩm tới 90%”, TS. Hạnh, người tham gia vào công ty trong vai trò nghiên cứu phát triển sản phẩm, nhận định.
BioCell World đã gửi một số sản phẩm mẫu cho khách hàng dùng thử, đồng thời vẫn cần mẫn tiếp tục nghiên cứu thêm các loại màng BC khác có tính năng cải tiến như chống thấm hoặc kéo dài thời gian bảo quản trái cây tươi lâu hơn 20 ngày.
Nhờ nắm được công nghệ lõi, startup này tin rằng mình có thể nhanh chóng đáp ứng yêu cầu của thị trường, dù là cellulose nguyên liệu hay các loại bao bì, màng bọc khác nhau. Tuy nhiên, để chinh phục nhiều phân khúc thị trường, đặc biệt là thị trường trong nước, họ phải tìm cho ra giải pháp hạ giá thành sản phẩm. Hiện nay, một màng BC kích cỡ A1 sản xuất trong phòng thí nghiệm có thể lên tới 10.000 đồng, nên mới chỉ có thể dùng cho các loại nông sản có giá trị kinh tế cao.
Hiện BioCell World đang chuẩn bị xây dựng một nhà máy rộng 3.000m2 với công suất 40.000 khay màng thô/ngày tại Đồng Tháp, dự kiến sẽ hoàn thành vào đầu năm 2022. Nhà máy này sẽ sản xuất nguyên liệu cellulose sinh học và các ứng dụng của nó như màng BC cho thực phẩm và bao bì.
“Bản chất cellulose sinh học rất khác so với giấy, vật liệu này cũng đòi hỏi máy móc thiết bị khác, nên khi áp quy trình của giấy vào làm màng BC hay bao bì phân hủy sinh học sẽ gặp phải những khập khiễng nhất định”, chị Phương cho biết. Công ty sẽ phải mất vài năm nữa mới có được công nghệ tương thích để có thể bắt đầu sản xuất màng BC hàng loạt một cách hiệu quả.
Quay lại với bài toán thị trường, vị đại diện của BioCell World cho biết, dù mòn mỏi tìm kiếm, họ vẫn chưa gặp được nhà đầu tư thích hợp. Nhưng startup này không muốn một đối tác chỉ để rót vốn, mà thực sự cần một bên có thể dẫn dắt việc marketing đưa sản phẩm vào thị trường hoặc có khả năng chỉ ra những hướng phát triển sản phẩm phù hợp.
“Chúng tôi rất cần những mentor như vậy và vẫn đang tìm kiếm đối tác đầu tư đáp ứng được các tiêu chuẩn đó”, chị Phương nói.
Theo: Khoa học và Phát triển