Z plastové lahve sušenka pro astronauty? Vědci našli způsob, jak odpad proměnit v potravinu

Co když plastová láhev nemusí skončit jako odpad, ale jako zdroj uhlíku pro výrobu potravin? Vědci z americké Southern Illinois University ukazují, že cesta od plastového odpadu k proteinové sušence už nemusí být jen námětem science fiction. Jejich technologie µBites spojuje chemický rozklad plastů s geneticky upravenými kvasinkami a 3D tiskem. Výsledkem je potravina, která svůj původ skutečně může mít v PET lahvi. Zatím však není určena k jídlu a před případným praktickým využitím musí technologie překonat řadu technických, bezpečnostních i ekonomických překážek.

Představa, že plastová láhev může skončit na talíři jako sušenka, zní na první pohled absurdně. Přesto přesně tímto směrem se vydal tým výzkumníků ze Southern Illinois University Carbondale. Projekt označovaný jako µBites vznikl původně v souvislosti s programem NASA Deep Space Food Challenge, jehož cílem bylo hledat nové způsoby výroby potravin pro dlouhodobé kosmické mise. NASA při nich počítá s prostředím, kde není možné jednoduše doplňovat zásoby ze Země a kde se každý kilogram materiálu vyplatí využít co nejefektivněji.

Vysoký tlak a teplota jako klíč k rozkladu polymerů

Klíčovou součástí procesu je technologie označovaná jako oxidative hydrothermal dissolution neboli OHD. Vyvinul ji na Southern Illinois University geolog Ken Anderson. Princip spočívá v kombinaci vody, kyslíku, vysoké teploty a tlaku. Plast a další organický materiál se nejprve rozemelou a připraví jako homogenní směs. Ta následně vstupuje do reaktoru, kde dochází k oxidačnímu narušování složitých organických struktur. Výsledkem nejsou původní kusy plastu, ale menší, ve vodě rozpustné uhlíkaté molekuly, které už mohou sloužit jako surovina pro mikroorganismy.

Právě tento mezikrok je pro pochopení celé technologie zásadní. Kvasinka totiž nepožírá PET láhev v původní podobě. PET je polymer tvořený dlouhými řetězci a mikroorganismus k němu nemá přístup jako k běžnému zdroji živin. Chemický proces proto nejprve rozbije jeho strukturu a vytvoří z něj směs menších molekul. U PET jsou důležitými produkty například sloučeniny spojené s jeho základními stavebními jednotkami, včetně ethylenglykolu. Z pevného plastu tak vzniká kapalný uhlíkatý meziprodukt, který lze biologicky zpracovat.

Geneticky upravené kvasinky nastupují do práce

Následuje druhá část technologie, která je možná ještě zajímavější. Výzkumníci využívají kvasinky, jejichž metabolismus geneticky upravili tak, aby dokázaly z těchto odpadních uhlíkatých sloučenin vyrábět požadované látky. Nejde tedy o klasickou fermentaci, při níž bychom mikroorganismu jednoduše dodali cukr a čekali na vznik určitého produktu.

Výzkumníci proto geneticky upravují kvasinky tak, aby dokázaly uhlík získaný z odpadu využít jako surovinu pro vlastní metabolismus a následně z něj vyrábět bílkoviny i další látky potřebné pro výslednou potravinu. Jinými slovy, kvasinka nedostává hotovou potravinu, ale jednoduché uhlíkaté molekuly vzniklé rozkladem odpadu a její metabolismus je nastaven tak, aby z nich vytvořil hodnotnější biologický materiál.

V systému µBites se uplatňují například kvasinky Saccharomyces cerevisiae a Rhodosporidium toruloides. První z nich je dobře známá pekařská kvasinka, druhá patří mezi mikroorganismy schopné vytvářet značné množství lipidů a dalších cenných metabolitů. Jejich předností je právě schopnost pracovat s různými uhlíkatými substráty a přeměňovat je na biomasu a další látky.

Biologická výrobní linka s vůní vanilky

Výzkumníci tím v podstatě vytvářejí biologickou výrobní linku. Molekuly pocházející z odpadu vstoupí do metabolismu kvasinek, tedy do souboru chemických reakcí, pomocí nichž buňky získávají energii a vytvářejí látky potřebné pro svůj růst. Část uhlíku z těchto molekul se přitom zabuduje přímo do buněk. Vzniká tak biomasa, tedy samotná hmota vytvořená mikroorganismy, která může obsahovat například bílkoviny a lipidy neboli tuky. Kromě toho lze pomocí upravených kvasinek vyrábět i konkrétní látky využitelné jako složky výsledné potraviny.

V novější fázi výzkumu tým tento princip dále rozšířil. Geneticky upravený druh kvasinky Saccharomyces cerevisiae dokáže využít ferulovou kyselinu, která může vznikat při zpracování rostlinného odpadu, a přeměnit ji na vanilin, tedy hlavní aromatickou látku odpovědnou za charakteristickou vůni a chuť vanilky. Upravený druh Rhodosporidium toruloides zase dokáže využívat ethylenglykol, jednu z látek vznikajících při chemickém rozkladu PET, a přeměnit jej na beta karoten. Ten je prekurzorem vitaminu A.

Do procesu přitom nevstupuje pouze plas. Výzkumníci kombinují PET také s rostlinným odpadem, například se stonky a listy kukuřice. OHD dokáže tuto různorodou uhlíkatou surovinu převést do formy, kterou mohou mikroorganismy dále využít. Výsledný systém tak propojuje dva velmi odlišné druhy odpadu, syntetické polymery a biologickou biomasu.

Potravinářský 3D tisk dává hmotě výsledný tvar

Až po této chemické a biologické transformaci přichází 3D tiskárna. Výzkumníci do výsledné směsi přidávají například škrob, vlákninu a sladkou složku a následně ji pomocí potravinářského 3D tisku formují do malých porcí označovaných jako µBites. Tisk přitom není samotnou technologií přeměny odpadu na potravinu. Je až posledním výrobním stupněm, který umožňuje výslednou biomasu vytvarovat do požadované podoby.

Právě 3D tisk může být pro kosmické mise zajímavý z dalšího důvodu. Potravina nemusí mít předem danou podobu ani složení. Pokud systém dokáže vyrábět jednotlivé složky odděleně, může být teoreticky možné měnit jejich poměr podle nutričních potřeb posádky. Jeden výrobní systém by tak mohl připravovat různé produkty ze stejné základní odpadní suroviny.

Podobná myšlenka dokonale zapadá do dlouhodobého směru, kterým se NASA zabývá při vývoji systémů pro hospodaření s odpady ve vesmíru. Americká agentura už řadu let zkoumá způsoby, jak z odpadu získávat vodu, plyny nebo další využitelné suroviny. U některých konceptů se počítá například s tepelným rozkladem odpadu, při němž mohou vznikat voda, vodík nebo metan. Pro dlouhé mise je totiž problém odpadu zároveň problémem zdrojů. Materiál, který už není potřebný, stále obsahuje uhlík, vodík a další prvky, které by mohly být znovu využity.

Bezpečnostní otazníky a budoucnost vesmírné recyklace

Pokud se podaří technologii technicky a ekonomicky zvládnout, může nabídnout způsob, jak využít uhlík, který by jinak skončil v odpadu. Zároveň ale nelze přehlédnout, že jde o technologicky náročný řetězec. Je nutné odpad připravit, chemicky rozložit, oddělit nebo kontrolovat nežádoucí látky, zajistit vhodné podmínky pro mikroorganismy a následně zpracovat jejich biomasu.

A právě bezpečnost je dnes jednou z největších otázek. Přestože výzkumníci dokázali vytvořit a vytisknout prototyp µBites, neznamená to, že si jej může člověk koupit a sníst. Aktuální výzkum se stále nachází ve fázi vývoje a ověřování. Výzkumníci sami uvádějí, že výrobek dosud nemá povolení k první ochutnávce. Bude nutné přesně kontrolovat vstupní materiály, chemické složení meziproduktů, případné kontaminanty a samotný mikrobiální proces.

Zajímavé je také to, že technologie nemusí být vázána pouze na vesmír. Právě naopak. NASA byla významným impulzem pro její vývoj, protože dlouhodobé mise vytvářejí mimořádně silný požadavek na uzavírání materiálových toků. Stejný princip však může být zajímavý také na Zemi, pokud se podaří snížit energetickou a ekonomickou náročnost celého procesu. Southern Illinois University ostatně už dříve popisovala µBites jako systém, který by mohl spojovat využití plastového a zemědělského odpadu s výrobou potravinových složek.

Z odpadu stává cenná surovina pro lidstvo

Nejzajímavější na celém projektu proto nakonec není samotná sušenka. Tou je spíše myšlenka, že odpad nemusí být pouze materiál určený k odstranění nebo recyklaci, ale může se stát vstupní surovinou pro potravní systém. Od plastové lahve k sušence tedy nevede žádná kouzelná zkratka. Je to několikastupňový technologický proces, v němž se propojuje chemie, mikrobiologie, genetické inženýrství a digitální výroba. A čím více lidí bude na planetě žít a čím větší bude potřeba potravin, tím naléhavější může být hledání nových zdrojů uhlíku pro jejich výrobu. Kdo ví, možná jednou lidstvo nebude živit jen zemědělství, ale také to, co dnes považujeme za odpad.

Zdroj: Ilustrativní obrázek pro vás vytvořil ChatGPT. Pokud jste v tom nepoznali ruku umělé inteligence, vězte, že žádný robot při tvorbě neutrpěl žádnou újmu