Skalen av kräftdjur och träavfall såsom grenar som beskurits från träd hamnar vanligtvis på soptippar. Dessa avfallsmaterial får ett nytt liv för att bli kosttillskott och medicin, med hjälp av en ny process utvecklad av forskare från National University of Singapore (NUS).

Ett team under ledning av docent Yan Ning och biträdande professor Zhou Kang från Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik vid NUS tekniska fakultet utarbetade en metod för att göra skal från räkor och krabbor till L-DOPA, ett allmänt använt läkemedel för att behandla Parkinsons sjukdom. En liknande metod kan användas för att omvandla träavfall till Proline, som är avgörande för bildandet av friskt kollagen och brosk.

NUS-teamets konverteringsstrategi kan potentiellt spela en avgörande roll i den kemiska industrin, eftersom förflyttningen av avfallsbaserade föreningar har tagit fart i ett försök att minska beroendet av användningen av icke-förnybara fossila bränslen och energikrävande processer.

Från avfall till nyttiga kemikalier

Den globala livsmedelsindustrin genererar så mycket som åtta miljoner ton skalavfall från kräftdjur årligen. Samtidigt Singapore genererade över 438, 000 ton träavfall 2019, bland annat grenar beskurna från träd och sågdamm från verkstäder. Att ta fram sätt att återvinna dessa mat- och jordbruksavfallsmaterial till användbara föreningar kommer att skörda fördelar utan att anstränga deponier.

Även om återanvändning av avfallsmaterial har fått draghjälp de senaste åren, den typiska produktionen av kemikalier som produceras från avfallsåtervinning är ofta mindre diversifierad än den konventionella kemiska syntespipelinen som använder råolja eller gas. För att övervinna begränsningarna, NUS-forskarna kom på en väg som förenar ett kemiskt tillvägagångssätt med en biologisk process.

De tillämpade först kemiska processer på avfallsmaterialen och omvandlade dem till ett ämne som kan "smältas" av mikrober. Det andra steget involverar en biologisk process, liknande jäsning av druvor till vin, där de konstruerade speciella bakteriestammar som Escherichia coli för att omvandla ämnet som produceras i den kemiska processen till en produkt med högre värde som aminosyror.

NUS-teamet tog fyra år att härleda sin metod, och använde det för att erhålla högvärdiga kemikalier från förnybara källor på ett hållbart sätt.

Att producera organiska kemikalier billigare och snabbare

Konventionellt, L-DOPA tillverkas av L-tyrosin, en kemikalie gjord av jäsande sockerarter. Med det tillvägagångssätt som utvecklats av NUS-teamet, kräftdjursavfall behandlas först med ett enkelt kemiskt steg, gör att det kan användas av mikrober för att producera L-DOPA. Utbytet av NUS -metoden liknar det som uppnås med den traditionella metoden med socker. Dessutom, jämfört med glukos, det vanligaste sockret som används, som kostar mellan US$400 till US$600 per ton, räkavfall kostar bara cirka 100 USD per ton. Med tanke på den låga kostnaden och överflöd av skalavfall, NUS-teamets process har potential att tillhandahålla L-DOPA till en lägre kostnad.

Proline, å andra sidan, framställs konventionellt genom rena biologiska processer. NUS-teamets unika metod har nu ersatt de flesta omvandlingarna genom att använda kemiska processer, som är mycket snabbare. Som ett resultat, den nya integrerade processen skulle kunna uppnå högre produktivitet, och potentiellt leda till minskningar av kapitalinvesteringar och driftskostnader.

Forskningen om att producera aminosyror som L-DOPA från skaldjursskal publicerades först online i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) den 25 mars 2020, medan arbetet med att producera Proline från träavfall redovisades i Angewandte Chemie den 27 juli 2020.

"Kemiska processer är snabba och kan använda en mängd olika svåra förhållanden som extrem värme eller tryck för att bryta ner en mängd olika avfallsmaterial eftersom ingen levande organism är inblandad, men de kan bara producera enkla ämnen. Å andra sidan, biologiska processer är mycket långsammare, och kräver mycket specifika förhållanden för att mikroberna ska blomstra men kan producera komplexa ämnen som tenderar att vara av högre värde. Genom att kombinera både kemiska och biologiska processer, vi kan skörda fördelarna av båda för att skapa högvärdiga material, " förklarade biträdande professor Zhou.

Möjlighet att återanvända andra typer av avfall

NUS -teamets metodik har potential att appliceras på olika typer av avfallsmaterial, och de kan skräddarsy processen, baserat på avfallstypen och slutprodukten.

Går vidare, teamet vill anpassa sin unika process till andra former av avfall, som koldioxid och returpapper. En sådan utveckling skulle minska samhällets beroende av icke-förnybara resurser för att skaffa kemikalier som är viktiga beståndsdelar i många kosttillskott och medicin idag.

"Vårt nya kemiskt-biologiska integrerade arbetsflöde erbjuder en allmän väg för att producera en mängd högvärdiga kväveorganiska kemikalier. Även om det kan låta enkelt på pappret att bara kombinera två olika metoder, djävulen är i detaljerna. Med tanke på att dessa kemikalier finns i ett stort antal kommersiellt värdefulla läkemedel, pigment och näringsämnen, vi är glada över att utöka vår forskning och utveckla nya metoder för att producera förädlade kemikalier från andra rikliga, lokalt tillgängliga substrat som finns i Singapore, "delade Assoc Prof Yan.

Forskargruppen planerar också att skala upp de processer som för närvarande utvecklas i deras laboratorier, och att arbeta med industriella partners för att kommersialisera denna teknik.