Một sản phẩm phụ của quá trình lên men có thể giúp giải quyết hai thách thức toàn cầu lớn: nạn đói trên thế giới và tác động môi trường của ngành thời trang nhanh (fast fashion) — theo một nghiên cứu mới do các nhà khoa học Đại học Penn State (Mỹ) dẫn đầu, được công bố trên Tạp chí Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (PNAS).

Phần men dư thừa còn lại từ quá trình sản xuất bia, rượu hoặc dược phẩm có thể được tái sử dụng để tạo ra loại sợi hiệu năng cao, có độ bền vượt trội so với sợi tự nhiên, đồng thời giảm đáng kể tác động môi trường.

Biến “rác thải men” thành nguyên liệu xanh

Phần sinh khối nấm men – gồm protein, lipid (phân tử béo) và đường – vốn được coi là chất thải sau quá trình sản xuất rượu và dược phẩm. Tuy nhiên, giáo sư Melik Demirel, tác giả chính của nghiên cứu, hiện là Chủ tịch ngành Kỹ thuật Pearce và Chủ nhiệm bộ môn Vật liệu Mô phỏng Sinh học tại Penn State, cho biết nhóm của ông đã nhận ra có thể tái chế nguồn vật liệu này để tạo sợi bằng quy trình mà họ đã phát triển trước đó.

Nhóm nghiên cứu đã sản xuất thử nghiệm thành công ở quy mô pilot, tạo ra hơn 450 kg sợi tại một nhà máy ở Đức, với hệ thống vận hành liên tục và theo mẻ trong hơn 100 giờ cho mỗi chu kỳ kéo sợi.

Đánh giá vòng đời và hiệu quả kinh tế

Nhóm nghiên cứu cũng tiến hành đánh giá vòng đời (LCA) của sản phẩm — tức phân tích toàn bộ quy trình, từ việc thu nhận sản phẩm phụ lên men đến khi sản phẩm bị thải bỏ, bao gồm chi phí, nước, năng lượng, khí thải nhà kính…

Kết quả cho thấy, sản xuất sợi ở quy mô thương mại từ sản phẩm phụ lên men hoàn toàn có thể cạnh tranh với len và các loại sợi khác, nhưng tiêu tốn ít tài nguyên hơn nhiều, đặc biệt là diện tích đất – ngay cả khi tính cả phần đất trồng nguyên liệu cho quá trình lên men ban đầu.

“Giống như việc con người đã thuần hóa cừu để lấy len cách đây 11.000 năm, giờ đây chúng ta đang ‘thuần hóa’ nấm men để tạo ra loại sợi mới – hướng nông nghiệp tập trung nhiều hơn vào cây lương thực,” Demirel nói.

Hiệu suất cao – chi phí thấp – thân thiện môi trường

Theo Demirel, loại sợi này có thể được sản xuất với giá chỉ khoảng 6 USD/kg, trong khi len có giá 10–12 USD/kg. Ngoài ra, quá trình này tiêu tốn ít nước và đất hơn nhiều, đồng thời gần như không phát thải khí nhà kính, mà hiệu suất lại cao hơn các loại sợi tự nhiên và tổng hợp khác.

Ông nhấn mạnh: “Những tài nguyên tiết kiệm được có thể dùng để trồng cây lương thực, thay vì dành đất cho cây trồng lấy sợi.”

Công nghệ mô phỏng tự nhiên

Trong hơn 10 năm, nhóm của Demirel đã phát triển quy trình tạo sợi từ protein. Lấy cảm hứng từ tự nhiên, loại sợi này bền, dẻo dai và không chứa hóa chất độc hại như nhiều loại sợi công nghiệp khác.

Quy trình được mô tả như sau:

“Chúng tôi trích xuất protein từ nấm men — mô phỏng các cấu trúc protein tự nhiên gọi là amyloid — rồi hòa tan chúng thành dung dịch. Dung dịch này được bơm qua thiết bị spinneret (đầu phun siêu nhỏ) để tạo sợi liên tục. Sau đó sợi được rửa, sấy khô, xe thành sợi chỉ và dệt thành vải.”

Đặc biệt, sợi có thể phân hủy sinh học, không gây ô nhiễm như hàng triệu tấn quần áo polyester bị thải ra mỗi năm.
Dung môi sử dụng để hòa tan protein cũng tương tự dung môi sản xuất sợi Lyocell (từ bột gỗ), và có thể thu hồi 99,6% để tái sử dụng trong các chu kỳ sản xuất sau.

Không phải ý tưởng mới – nhưng giờ đã khả thi

Ý tưởng tạo sợi từ protein không mới. Từ những năm 1930, Lanital – sợi từ protein sữa – đã được phát triển, nhưng bị lãng quên khi polyester ra đời vì Lanital yếu và tốn kém.

Demirel cho biết, các loại sợi từ protein đậu phộng hay ngô cũng từng được thử nghiệm vào giữa thế kỷ 20, nhưng không thể cạnh tranh về hiệu suất và chi phí.

Giờ đây, với công nghệ mới, nhóm ông đã giải được cả hai bài toán đó.

Tác động lớn đến ngành dệt may và an ninh lương thực

Các mô hình mô phỏng quy mô công nghiệp cho thấy tiềm năng thương mại rất lớn. Ví dụ, mỗi năm thế giới sản xuất khoảng 25 triệu tấn bông, và chỉ riêng 1 kg bông (đủ làm 1 áo thun và 1 quần jean) cần đến 10.000 lít nước.

“Cây bông chiếm khoảng 35 triệu ha đất nông nghiệp toàn cầu, trong đó gần 40% ở Ấn Độ – quốc gia đang ở mức ‘nghiêm trọng’ theo Chỉ số Đói Toàn cầu,” Demirel nói.

“Nếu nguồn đất, nước, năng lượng đó được dùng để trồng cây lương thực thay vì cây bông, chúng ta có thể giúp giảm nạn đói. Phân tích của chúng tôi cho thấy sợi sinh học cần ít tài nguyên hơn nhiều, vì vậy hoàn toàn có thể tưởng tượng đến viễn cảnh chuyển đổi đất trồng sợi sang đất trồng lương thực.”

Hướng tới mục tiêu “Không còn nạn đói”

Theo thống kê năm 2024, có 733 triệu người trên thế giới – tức 1/12 dân số – đang phải đối mặt với tình trạng thiếu ăn. Liên Hợp Quốc đã đặt ra mục tiêu “Zero Hunger” (Không còn nạn đói) vào năm 2030.

Demirel cho rằng, một phần giải pháp nằm ở việc giảm diện tích đất trồng cây lấy sợi, thay vào đó sử dụng công nghệ sinh học để tạo sợi mới từ các sản phẩm phụ của công nghiệp.

“Nhờ công nghệ sinh học, chúng ta có thể sản xuất sợi bền vững, hiệu năng cao mà không cạnh tranh tài nguyên (đất, nước, dinh dưỡng) với cây lương thực,” ông nói.
“Nếu ngành dệt chuyển sang loại sợi protein sinh học này, đó sẽ là bước tiến lớn hướng tới tương lai bền vững, nơi nhu cầu về sợi được đáp ứng mà vẫn đảm bảo khả năng nuôi sống dân số toàn cầu ngày càng tăng.”

Nhóm của Demirel cho biết họ sẽ tiếp tục nghiên cứu khả năng thương mại hóa loại sợi sinh học từ quá trình lên men này trong thời gian tới.