Forskere udvikler en ny proces, der gør affald til kosttilskud

Skaller af krebsdyr og træaffald såsom grene beskåret fra træer ender normalt på lossepladser. Disse affaldsmaterialer får nyt liv og bliver til kosttilskud og medicin, ved hjælp af en ny proces udviklet af forskere fra National University of Singapore (NUS).

Et team ledet af lektor Yan Ning og adjunkt Zhou Kang fra Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik ved NUS Fakultet for Ingeniørvidenskab udtænkte en metode til at omdanne skaller fra rejer og krabber til L-DOPA, et meget brugt lægemiddel til behandling af Parkinsons sygdom. En lignende metode kan bruges til at omdanne træaffald til Proline, som er afgørende for dannelsen af ​​sundt kollagen og brusk.

NUS-teamets konverteringstilgang kan potentielt spille en central rolle i den kemiske industri, efterhånden som bevægelsen af ​​affalds-afledte forbindelser har taget fart i et forsøg på at reducere afhængigheden af ​​brugen af ​​ikke-vedvarende fossile brændstoffer og energiforbrugende processer.

Fra affald til nyttige kemikalier

Den globale fødevareforarbejdningsindustri genererer så meget som otte millioner tons affald fra skaldyrsskaller årligt. Sideløbende Singapore genererede over 438, 000 tons træaffald i 2019, blandt andet grene beskåret fra træer og savsmuld fra værksteder. At udlede måder at opgradere disse mad- og landbrugsaffaldsmaterialer til nyttige forbindelser vil høste fordele uden at belaste lossepladser.

Selvom genbrug af affaldsmaterialer har vundet indpas i de senere år, den typiske produktion af kemikalier fremstillet ved genanvendelse af affald er ofte mindre diversificeret end den konventionelle kemiske synteserørledning, som bruger råolie eller gas. For at overvinde begrænsningerne, NUS-forskerne fandt på en vej, der kombinerer en kemisk tilgang med en biologisk proces.

De anvendte først kemiske processer på affaldsmaterialerne og omdannede dem til et stof, der kan "fordøjes" af mikrober. Det andet trin involverer en biologisk proces, beslægtet med gæringen af ​​druer til vin, hvor de konstruerede specielle bakteriestammer som Escherichia coli for at omdanne stoffet produceret i den kemiske proces til et produkt af højere værdi såsom aminosyrer.

NUS-teamet tog fire år at udlede deres metode, og anvendte det til at opnå højværdikemikalier fra vedvarende kilder på en bæredygtig måde.

At producere organiske kemikalier billigere og hurtigere

Konventionelt, L-DOPA er fremstillet af L-tyrosin, et kemikalie fremstillet af gærende sukkerarter. Med tilgangen udviklet af NUS-teamet, krebsdyrsaffald behandles først ved hjælp af et simpelt kemisk trin, gør det muligt at bruge det af mikrober til at producere L-DOPA. Udbyttet af NUS-metoden svarer til det, der opnås i den traditionelle metode, hvor der anvendes sukker. Ud over, sammenlignet med glukose, det mest almindelige anvendte sukker, som koster mellem US$400 til US$600 pr. ton, rejeaffald koster kun omkring 100 USD pr. ton. I betragtning af de lave omkostninger og overflod af skalaffald, NUS-teamets proces har potentialet til at levere L-DOPA til en lavere pris.

Proline, på den anden side, er konventionelt fremstillet gennem rene biologiske processer. NUS-teamets unikke metode har nu erstattet de fleste af transformationerne ved at bruge kemiske processer, som er meget hurtigere. Som resultat, den nye integrerede proces kunne opnå højere produktivitet, og potentielt føre til reduktioner i kapitalinvesteringer og driftsomkostninger.

Forskningen i fremstilling af aminosyrer såsom L-DOPA fra krebsdyrskaller blev først offentliggjort online i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) den 25. marts 2020, mens arbejdet med at producere Proline fra træaffald blev rapporteret i Angewandte Chemie den 27. juli 2020.

"Kemiske processer er hurtige og kan bruge en række barske forhold såsom ekstrem varme eller tryk til at nedbryde en lang række affaldsmaterialer, da ingen levende organisme er involveret, men de kan kun producere simple stoffer. På den anden side, biologiske processer er meget langsommere, og kræver meget specifikke forhold for at mikroberne kan blomstre, men kan producere komplekse stoffer, som har tendens til at være af højere værdi. Ved at kombinere både kemiske og biologiske processer, vi kan høste fordelene af begge dele for at skabe materialer af høj værdi, " forklarede Asst Prof Zhou.

Potentiale til at upcycle andre typer affald

NUS-teamets metodologi har potentiale til at blive anvendt på forskellige typer affaldsmaterialer, og de kan skræddersy processen, baseret på typen af ​​affald samt målslutproduktet.

Bevæger sig fremad, holdet søger at tilpasse deres unikke proces til andre former for affald, såsom kuldioxid og affaldspapir. En sådan udvikling ville reducere samfundets afhængighed af ikke-fornybare ressourcer til at erhverve kemikalier, som er vigtige bestanddele af mange kosttilskud og medicin i dag.

"Vores nye kemisk-biologiske integrerede arbejdsgang tilbyder en generel vej til at producere en række højværdi organonitrogenkemikalier. Selvom det kan lyde enkelt på papiret blot at kombinere to forskellige metoder, djævelen er i detaljerne. I betragtning af at disse kemikalier findes i en bred vifte af kommercielt værdifulde lægemidler, pigmenter og næringsstoffer, vi er glade for at udvide vores forskning og udvikle nye metoder til at producere værdiskabende kemikalier fra andre rigelige, lokalt tilgængelige substrater fundet i Singapore, " delte Assoc Prof Yan.

Forskerholdet planlægger også at opskalere de processer, der i øjeblikket udvikles i deres laboratorier, og at arbejde med industrielle partnere for at kommercialisere denne teknologi.